互动科普

在地球内外力的长期作用下，地球表面被塑造成各式各样的结构和千姿百态的形状，或江河湖泊，或高山峡谷，或丘陵平原，其中一类殊为奇特者，便是喀斯特地形。

说它奇特，是因为无论微观还是宏观，喀斯特地形的异样特征都是其他任何一类地形所无法比拟的：漏斗、洼地，盲谷、巨坑，峡谷、深涧；地下钟乳石，地上石林山；峰林、峰丛相间，地上地下河网纵横。其精巧凸显大自然的鬼斧神工，其壮美宛若一幅缓慢流动的自然画卷。

何谓喀斯特？

在天然条件下，岩石中形成的孔洞、沟槽、棱牙、埂脊，我国传统造园材料“太湖石”、“灵壁石”的千“窗”百孔和嶙峋石骨，地面上的峡谷天生桥和封闭的漏斗、落水洞、洼地、盆地、盲谷、天坑，地下的洞穴和暗河，洞内外的石灰华台池和钟乳石以及宏观上的石林、峰林和峰丛等，都是喀斯特现象和喀斯特地形的重要特征。自然界中诸多的特异、稀有与神奇造化，也常常与喀斯特有因果关系。石山或孤石的拟形、拟物现象在喀斯特区十分普遍；多潮（间歇性）泉、响泉等异常水文现象，多源于特有的喀斯特含水层结构；琳琅满目、玲珑剔透、精巧瑰丽、形变万千的洞穴钟乳石一簇，更是大自然一项无与伦比的杰作。

“喀斯特”（karst）一词源自亚得里亚海北岸斯洛文尼亚西部与意大利交界一处高原的名称，当地语为“KARS”，意大利语为“CARSO”，德语是“KARST”，意为“石头”。KARS高原分布着石灰岩层，在地表和地下形成上述各式各样的奇特地形。19世纪末，毕业于贝尔格莱德大学的斯维伊奇（Jovan Cvijic，1865～1927）首先对该高原的特殊地形和水文进行了研究，于1893和1918年分别出版了他的研究成果，并以“karst”一语涵盖他所研究的内容。从那时起，“karst”（喀斯特）便成为各国学术界共同使用的专业术语。斯维伊奇也被尊称为“近代喀斯特学之父”。

我国的喀斯特在世界各国中具有最广大的分布面积（出露面积为90.7万平方千米），最多样的形态特色，最壮丽的自然景观，很早就被人们观察研究。在早期有关著作中对某些喀斯特现象的记载内容，就已达到相当高的水平，比如北魏郦道元的《水经注》、唐代柳宗元的《桂州訾家州亭记》、莫休符的《桂林风土记》、南宋范成大的《桂海虞衡志》和周去非的《岭外代答》等均有有关喀斯特现象的记述。但最杰出的实地考察与研究家乃是明代的地理学家和旅行家徐霞客（1587～1641）。特别是他以3年的时间（1637～1639）实地考察了湖南、广西、贵州和云南喀斯特最典型的分布区，对喀斯特地形、水文现象的观察、分析、见解与结论，对洞穴的测量成果等，多可经得起现代喀斯特学理论的检验。他的《徐霞客游记》一书，不愧为我国乃至国际喀斯特学史上一部杰出的著作。遗憾的是，这份光辉的成就却被掩埋了几个世纪而不被世人所知、所享！顺便指出，徐霞客称喀斯特为“石山”，相对地称非喀斯特为“土山”，极具科学深意。他对我国南方峰林（平原）和峰丛（洼地）两类喀斯特地形与水文现象的观察、描述、分析与结论，极为形象入微，准确切中事物实质。所以说，徐霞客无愧为识别这两类喀斯特地形的第一人。

喀斯特现象与喀斯特地形因何形成？

人类居住的地球是太阳系的八大行星之一，它的结构是由不同性质的物质的同心圈层重叠而成。这些圈层从外向内是大气圈、生物圈、水圈、地壳、地幔和地核。喀斯特现象与喀斯特地形虽只分布在地壳的表面，但与地球的其他各圈层均有着密切的生成关系。

地壳由各种岩石构成，其厚度极不均匀，平均值为33千米。大陆地壳平均厚度为35～70千米（青藏高原最厚），海洋地壳平均约6千米。地壳表层的岩石由火成岩（含火山岩或喷发岩）、沉积岩（水成岩）及变质岩三大类岩石组成，称硅铝层或花岗岩质层。地壳下部则主要由基性岩类的变质岩组成，称硅镁层或玄武岩质层，与喀斯特关系不大。

沉积岩是地壳表层的岩石。在大气圈、生物圈和水圈综合性的物理、化学和生物作用中，岩石经剥蚀、风化、搬运，并主要在水体中（特别是海洋）再沉积，又经复杂的成岩作用而生成。因此，沉积岩的最大特征是具有水平（原始状态时）的层理。沉积岩主要有砂岩、砾石、页岩、石灰岩和白云岩以及石膏和岩盐等。而喀斯特作用及其现象与地形的生成，与沉积岩类有着最为密切的关系。

由于喀斯特是以水的化学溶蚀为主的一种地质作用，所以人们又把地壳表层的岩石分为易溶性、可溶性和难溶性三类。卤化物（如岩盐）为易溶的，硫酸盐（石膏）和碳酸盐岩类（石灰岩及白云岩）为可溶的，其他（硅、铝酸盐）则属难溶的。真正的喀斯特现象与喀斯特地形只发生在可溶性及易溶性两类岩石中。在世界各地，卤化物的岩盐分布极为零星，石膏则分布相对较广，但也主要存在于干旱区和半干旱区。位于乌克兰、洞穴长度居世界第三位的Optymistychna Cave便发育在石膏层中。而世界分布最广的主要喀斯特区域还是在碳酸盐类岩石即石灰岩和白云岩类中。因此，喀斯特作用机制的研究，主要也是针对碳酸盐类岩石的溶蚀与沉积问题进行的。

非常有意思的情况是，作为对水来说属于“可溶性”的碳酸盐岩石，在纯水中很少被溶解。也就是说，在纯净水的条件下难以呈现出喀斯特现象。而其所依靠的，正是自然界中活跃的碳酸盐岩－二氧化碳-水（MCO₃-CO₂-H₂O）化学系统。碳酸盐岩溶解的化学反应是（以石灰岩为例）：

CaCO₃＋CO₂＋H₂O→Ca²⁺＋2HCO₃-……（1）

这一化学反应由以下3个层次组成：

CaCO₃＋H⁺→Ca²+＋HCO₃-……（2）

CaCO₃＋H₂CO₃→Ca²++2HCO₃-……（3）

CaCO₃＋H₂O→Ca²+＋CO₃^2-＋H₂O……（4）

溶解于天然水中的二氧化碳，在空气、生物、土壤等水循环的介质中有广泛的来源。

可见，坚硬的石灰岩（CaCO₃）在溶解有二氧化碳（CO₂）的水（H₂O）中被解离为钙离子（Ca²⁺）和碳酸根离子（CO₃^2-）而成为溶液，并被水流的循环带走。这种作用首先在水体可渗入岩石的孔、隙、缝中进行，不断使其空间扩大、连接，终使岩体呈千“窗”百孔状，使地面及地下水流可直接穿行于岩层之中形成地下河道。

实际上，喀斯特有两方面的作用。前面讨论的“溶蚀”作用造成石灰岩层的千“窗”百孔，在岩石表面形成沟槽、埂脊，地面形成落水洞、漏斗、洼地、石牙、石林、奇峰怪石以及地下的洞穴和暗河。要指出的是，当喀斯特作用达到相当的规模，水流在岩层中的活动达到“紊流”状态时，喀斯特作用的过程便不仅仅是“化学作用”了，而物理性侵蚀和机械破坏（崩塌）甚至替代前者而占有主导地位。地下洞穴中的巨大厅堂，以及近年来发现和研究的大型天坑，便是这样形成的。喀斯特作用的另一方面是沉积作用，如琳琅满目的洞中钟乳石，层层叠叠的地面泉华池坝群（四川黄龙、云南白水台等）。其形成原理亦在上述化学方程式（1）中。该化学过程是“可逆的”。当左式中CO₂逸出并使溶液达到过饱和时，CaCO₃便沉淀下来。而在洞中，在流水不同运动状态（滴、流、溅在池中及毛细管）和流量大小等因素的制约下，便形成各式各样的钟乳石。在地下或地表沿斜坡流淌时，便形成石田或池坝群。

发生喀斯特作用另一类次要的岩石是石膏。石膏是硫酸盐岩类，与上述碳酸盐岩类的喀斯特作用机制不同，后者可直接被水溶解，经水分蒸发可再生石膏。而前者则与溶剂CO₂共同作用，方可产生喀斯特作用的实际效果。石膏与硬石膏被水溶解的化学方程式是：

石膏 CaSO₄·2H₂O→Ca²+＋SO₄^2-＋2H₂O

硬石膏  CaSO₄→Ca²+＋SO₄^2-

石膏直接被水溶解的速度和溶蚀量，成百倍地高于即使是饱含CO₂的水对碳酸盐岩（石灰岩、白云岩）的溶解。因此，石膏喀斯特只能分布在干旱及半干旱气候条件下，在我国南方难觅其踪。但在某些洞穴的相对干燥地段（如重庆芙蓉洞），也偶见次生的石膏沉积物存在。

喀斯特峰林地形

（本文发表于《科学世界》2008年第7期）