谢运球何师意章程: 玄武岩盖层下石林的岩溶动力学特征

玄武岩盖层下石林的岩溶动力学特征

谢运球何师意章程

（中国地质科学院岩溶地质研究所；国土资源部岩溶动力学开放研究实验室桂林 541004)
( 联系作者：yqx@karst.edu.cn ）

摘要：本文运用岩溶动力学理论和方法，研究玄武岩覆盖下的石林岩溶动力学特征。玄武岩裂隙具有最大渗透张量和较小的主轴倾角，有利于地下水的运移。受玄武岩盖层的影响，石林地区的地下水在雨季和旱季对碳酸盐岩具有侵蚀能力，盖层空气中CO₂呈现出低－高－低的双向变化梯度，富含CO₂的水对碳酸盐岩的溶蚀作用表现为一个脱钙、富铝铁、硅迁移的复杂过程。野外溶蚀试验成果显示，地表下0.6m以上，水平方向的溶蚀量大于垂直方向的溶蚀量，而随着深度的增加，垂直方向的溶蚀量大于水平方向的。意味着0.6m以上以侧向溶蚀为主，破坏石柱的稳定性；而0.6m以下，以垂向溶蚀为主，促进石柱的进一步发育。

关键词：玄武岩盖层石林岩溶动力学

1 引言

岩溶动力系统是在岩石圈、水圈、大气圈和生物圈界面上的以碳、水、钙循环为主的物质、能量传输、转换系统，它控制岩溶形成并受已有岩溶形态的控制。云南石林彝族自治县石林风景名胜区的石林是世界上著名的剑状岩溶之一。它发育在上二叠统栖霞组和茅口组灰岩、白云化灰岩和白云岩中，被上二叠统峨眉山组玄武岩覆盖（图1）。因此，灰岩、白云岩和作为不可溶盖层之一的玄武岩（另一不可溶盖层为第三系）构成了一个不同于裸露岩溶动力系统的特殊岩溶动力系统^1,2。这一特殊岩溶动力系统有何特征？本文第一次尝试用岩溶动力系统理论和方法研究其特征。

峨眉山组为大陆拉斑玄武岩系，由斑状、块状杏仁状玄武岩和凝灰岩组成，厚度17～100米。在文笔山和下冒水洞一带，峨眉山玄武岩成片出露，面积约6.1km²。除此之外，都呈残盖状零星分布于石林景区各地，面积0.04～0.14km²，而且风化强烈，其化学成分见表1。化学分析结果，玄武岩盖层中CaO和 MgO等可溶成分占10.39～13.49%。

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图1 玄武岩与石林分布图（据文献4修改）

Fig.1 The distribution map of basalt and Stone Forest

表1 玄武岩盖层的化学成分

Table1 Chemical compositions of basalt cover

成分		CaO	MgO	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	FeO	TiO₂	K₂O	Na₂O	P₂O₅	MnO
地点	1	6.48	3.91	52.07	12.71	8.23	4.38	4.13	2.34	1.76	0.43	0.20
地点	2	8.80	4.69	47.21	12.77	5.95	8.10	4.88	1.39	2.56	0.59	0.20

1，峨眉山组玄武岩4号岩体； 2，下冒水洞峨眉山组玄武岩体

2 方法

利用美国产COLE－PARMER KIT pH仪对泉水、地下河等的pH、暂时硬度、温度和电导率进行现场测试，并取样按GB8538.1－8538.67－83法进行室内成分分析，通过Waspec程序计算其方解石饱和指数SIC（saturation index of calcite）和白云石饱和指数SID（saturation index of dolostone）。使用日本产GASTEC CO₂仪和CO₂管对玄武岩盖层空气进行CO₂测定。用塞尺对玄武岩和石灰岩裂隙进行测量，并在计算机上对所获得数据处理、加工，计算其渗透性张量。用当地灰岩磨制成直径约4cm的圆形试片，分水平和垂直两种方式埋放在玄武岩或者风化壳中，模拟溶蚀过程。

3 结果

3.1 盖层空气中CO₂的变化

随着深度的增加，峨眉山组玄武岩空气中的CO₂浓度变化主要呈现一种先升后降的双向梯度。这种CO₂浓度变化的双向梯度大约发生在距地表以下0.40～0.60 m深度（图2）。

图2 盖层空气中CO₂的季节变化

Fig.2 Seasonal variations of CO₂ in basalt cover air

3.2 水化学特征

石林地区大多数水样的SIC值均为负值，甚至在旱季亦小于0（表2）。其中，以雨水的SIC值最负（-5.96），玄武岩水次之（-1.41～-2.98）。

3.3 玄武岩风化特征

对石灰岩及其风化壳和玄武岩及其风化壳的分析表明（图3、4），在玄武岩的风化过程中，岩体中CaO 和SiO₂减少较多，其它易溶和易氧化成分也有所降低，而Al₂O₃和 Fe₂O₃增加较多。在石灰岩的风化过程中，CaO减少很多，SiO₂增加较多，MgO几乎无变化。

3.4 石灰岩的野外溶蚀试验

野外溶蚀试验结果，地表下0.6m以内，水平方向的溶蚀量高于垂直方向的；而0.6m以下，垂直方向的溶蚀量大于水平方向的（表3）。

3.5 裂隙渗透张量

玄武岩裂隙渗透张量最大但最大渗透张量主轴倾角较小（表4）。

表2 石林地区水化学结果

Tab.2 chemical results of water in Shilin area

Sample	T	pH	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	Cl^-	SO₄^2-	HCO₃^-	SIC	SID	SIG
Sample	°C		mg/l	mg/l	mg/l	mg/l	mg/l	mg/l	mg/l
雨季（2000年8月）
w-01	18.6	6.26	0.76	2.22	110.37	5.62	7.27	1.12	335.42	-0.74	-2.54	-3.33
w-02	16.9	5.94	0.86	4.67	7.58	2.30	1.82	1.01	43.95	-2.98	-6.28	-4.24
w-03	18.5	7.05	0.43	0.47	95.20	3.32	2.73	1.01	305.35	-0.04	-1.31	-3.41
w-04	19.3	7.03	0.65	0.78	91.83	4.85	3.64	2.02	300.73	-0.07	-1.18	-3.12
w-05	20.6	6.78	1.57	2.43	46.34	3.58	4.54	6.06	154.99	-0.83	-2.53	-2.84
w-06	24.9	7.71	0.61	0.43	19.38	16.61	3.64	0.00	143.42	-0.25	-0.27	-100
w-07	19.0	4.72	0.32	0.07	0.84	0.51	0.09	0.00	4.63	-5.96	-11.90	-100
旱季（1999年11月）
w-01	19.3	6.89	0.93	1.86	112.36	5.62	5.45	18.16	339.63	-0.09	-1.25	-2.12
w-02	15.2	7.73	1.04	3.55	5.89	2.30	1.82	1.01	36.39	-1.41	-3.04	-4.34
w-03	19.6	6.94	0.38	0.17	100.16	2.55	2.73	3.03	313.35	-0.10	-1.56	-2.92
w-04	19.6	7.02	0.70	0.45	95.53	4.59	2.73	4.03	311.33	-0.05	-1.17	-2.81

注： W-01，天生桥泉； W-02，上冒水洞玄武岩溪水； W-03，上冒水洞地下河出口；

W-04，白龙潭地下河出口； W-05，剑峰池； W-06，长湖； W-07，雨水

　

图3 玄武岩风化过程中成分的主要变化

Fig. 3 Compositional changes of basalt in the weathering process

图4 石灰岩成分的主要变化

Fig.4 Compositional changes of limestone in the weathering process

表3 石灰岩野外溶蚀试验结果

Tab.3 The results of solution test of limestone tablets

地点		试片数量（片）		失重（mg）		百日溶蚀量(mg/100d)
地点		水平埋放	垂直埋放	水平	垂直	水平	垂直
步哨山	地下0.3m	3	2	252.2	199.8	36.0	28.5
步哨山	地下0.6m	3	2	455.8	451.6	65.1	64.5
冒水洞	地下0.3m	3	2	159.1	135.9	22.7	19.4
冒水洞	地下0.8m	3	2	140.0	204.6	20.0	25.8

表4 玄武岩裂隙渗透张量

Tab.4 Fracture permeability tensors of the basalt

测量点	最大渗透张量
测量点	大小（m/d）	方位（°）	倾角（°）
万年灵芝A	0.053	329	43
万年灵芝B	0.196	359	69
大风垭口	0.117	138	38

4 讨论

石林地区的雨水、地下水的SIC、SID在雨季和旱季都小于0，说明水与碳酸盐岩的溶蚀作用一直在进行。来自于玄武岩的水具有仅次于雨水的侵蚀性，而且玄武岩裂隙的最大渗透张量比石灰岩和白云岩大，有利于水的下渗和水对碳酸盐岩的作用，这正好解释了发育好的石林与玄武岩相伴出现的现象。富含CO₂的水在下渗过程中先是溶蚀玄武岩中的易溶成分，然后继续溶蚀石灰岩和白云岩。在这一风化过程中，易溶成分随水流被带走，同时一些难溶成分如SiO₂、Al₂O₃和Fe₂O₃等在碳酸盐岩的风化壳中淀积，因此较大渗透张量的裂隙也有利于大量难溶成分被水流搬运走。因此，玄武岩盖层下的岩溶作用是一个脱钙、富铝铁、硅迁移的复杂过程。野外溶蚀试验成果显示，地表下0.6m具有最大的溶蚀量，这与植被的根系主要分布在这一深度有关。而且，在地表下0.6m以上，水平方向的溶蚀量大于垂直方向的溶蚀量，所以在石灰岩中常常可以见到许多穿洞；常常可以发现在石柱表面，上部具有尖锐溶痕，下部则为内凹的光滑岩壁。随着深度的增加，从玄武岩的风化物逐渐向基岩过渡（在上冒水洞0.8m已接近基岩），垂直方向的溶蚀量加大，意味着石柱正在进一步发育中。

5 致谢

感谢云南石林风景名胜区管理局石林研究基金的资助。岩溶地质研究所的袁道先老师、中国科学院地理科学与资源研究所宋林华老师给予了工作上的指导，石林管理局的郑炳元先生、张丽萍女士提供了在石林工作期间的支持和方便，中国科学院地理科学与资源研究所的梁福源博士、岩溶动力学开放研究实验室的姜光辉、郭芳参加了部分野外工作，特此致谢。

参考文献：

1 K.Paterson & M.M.Sweeting,NEW DIRECTIONS IN KARST,Geo Books Regency House,England,

1986,597-607.

2 袁道先等.岩溶环境学.重庆：重庆出版社.1988：138－146。

3 石林研究组.中国路南石林喀斯特研究（M）.云南：云南科技出版社,1997.

4 云南省地质局水文地质工程地质队.中华人民共和国1：200000宜良幅（G－48－ⅩⅩⅥ）区域水文地质普查报告（R）.1977.

5 章程,谢运球等.云南路南石林裂隙渗透张量特征（J）.中国岩溶，2001,20（2）：97-100.

Karst Dynamics Features Of Stone Forest Under The Basalt Cover In Shilin Area, Yunnan

Xie Yunqiu Zhang Cheng He Shiyi

(Institute of Karst Geology, CAGS; Karst Dynamics Laboratory, MLR, Guilin, 541004)

Abstract

This paper used karst dynamics theory and methods to study karst dynamics features of Stone Forest under the basalt cover in Shilin area, Yunnan province. Basaltic fracture has largest permeability tensor and smaller dip angle of main axis, which is favorable for subterranean water movement. Effected by basalt cover, underground water in Shilin area was erosive for carbonate in rainy and dry seasons, the CO₂ in basalt cover air had a two-way gradient of lower-high-lower change as the depth and so the karst process between carbonate and water rich in CO₂ was a complicated process of decalcification, richer aluminium and ferric oxide, and silicon migration. Solution test of limestone in the field showed that the solution amount of limestone was bigger horizontally than vertically from the surface to 0.6m, and contrary below 0.6m depth. This may suggest that at less than 0.6m below basalt cover, horizontal solution is dominant, unfavorable for the stabilization of stone column and dominantly vertical solution furthers the stone column development below 0.6m depth.

Key words: Basalt cover Stone Forest Karst dynamics Yunnan