本溪天龍洞地區(qū)古喀斯特化學(xué)特征與氣候環(huán)境意義

楊希丹

摘要：利用本溪縣天龍洞地區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)地貌觀察，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的化學(xué)成份分析，和世界其它地區(qū)的研究對(duì)比說(shuō)明本溪縣天龍洞2附近地區(qū)在地質(zhì)歷史時(shí)期，尤其是第三紀(jì)，處于一個(gè)濕熱的環(huán)境，這正好有利于喀斯特地貌的形成。而隨著第四紀(jì)以來(lái)，全球氣候變干變冷，本溪由第三紀(jì)的亞熱帶氣候轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代的中溫帶大陸性濕潤(rùn)氣候。通過(guò)對(duì)地球化學(xué)特征的實(shí)驗(yàn)室分析說(shuō)明了本溪地區(qū)現(xiàn)代氣候條件，既比較寒冷的中溫帶大陸性氣候下很難發(fā)育喀斯特。所以北方地區(qū)的喀斯特地貌開(kāi)發(fā)保護(hù)是彌足珍貴的。

關(guān)鍵詞：天龍洞，古喀斯特，氣候變化，意義。

中國(guó)分類號(hào)：K903

喀斯特地貌是指水對(duì)可溶性巖石的溶蝕，改造的物理和化學(xué)過(guò)程的作用所形成的地貌。形成喀斯特地貌必須發(fā)育有可溶性巖石：在可溶性巖石的基礎(chǔ)上還要有合適的氣候條件，即濕潤(rùn)的氣候帶來(lái)的降水最主要的，溫度則是催化作用，決定喀斯特反應(yīng)速率快慢【1】。只有在可溶性巖石與合適的氣候相互作用才能比較好地發(fā)育喀斯特地貌。

1.研究區(qū)概況

1.1 位置與地形單元

本溪地區(qū)位于東經(jīng)123°34～125°46，北緯40°49～41°35，位于中國(guó)東北，亞歐大陸東岸，境內(nèi)“八山一水一分田”，太子河流域，渾江流域，草河流域貫穿其中，地形以山區(qū)為主，東高西低，中部和南部為長(zhǎng)白山——千山余脈，北部和東部為龍崗山

脈余脈，全市最低點(diǎn)位于太子河與細(xì)河的交界處，海拔85米，最高點(diǎn)是位于桓仁境內(nèi)的花脖子山，海拔1336米。太子河流域內(nèi)石灰?guī)r地貌發(fā)育，以碳酸鈣，硫酸鈣喀斯特為主。

1.2 氣候特點(diǎn)

本溪位于東亞季風(fēng)區(qū)，現(xiàn)代氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶詽駶?rùn)氣候，四季分明，冬季漫長(zhǎng)而嚴(yán)寒，夏季溫?zé)岫檀佟?】。年平均氣溫在6.2℃—7.8℃之間，最熱的七月平均氣溫為23.9℃，最冷的一月平均氣溫為-14.4℃，絕對(duì)最高溫度是38.3℃（本溪市區(qū)1999年6月觀測(cè)），絕對(duì)最低氣溫為-40.9℃（本溪縣堿廠鎮(zhèn)2001年1月14日夜晚觀測(cè)）【3】在20世紀(jì)70年代出現(xiàn)了最低值，多年平均降水量為795-860mm左右，其中夏半年占70%以上，其它月份所占比例很少。

1.3 地質(zhì)與地層

本溪全境位于太子河流域，渾江流域和草河流域，群山環(huán)繞，地層出露良好，古生物化石豐富。本溪地區(qū)處于著名的郯城-廬江大斷裂帶上【4】，在奧陶紀(jì)地層中大量發(fā)掘出的介殼類，腕足類，頭足類，雙殼類化石也有力地證明了當(dāng)時(shí)本溪地區(qū)曾經(jīng)是海洋，在經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的構(gòu)造變動(dòng)后地形抬升，形成了龍崗-長(zhǎng)白等一系列山脈【5】。這些在地層中廣泛出露的奧陶紀(jì)有殼生物化石中說(shuō)明了問(wèn)題。

在太子河流域，分布有廣泛而典型的奧陶紀(jì)地層。太子河流域周圍都有奧陶紀(jì)地層出露，這說(shuō)明石灰?guī)r的發(fā)育很廣泛。本溪市區(qū)內(nèi)的溪湖石灰礦是石灰?guī)r的集中地，地層出露整齊，構(gòu)造簡(jiǎn)單，奧陶紀(jì)的腕足類和筆石類化石也很豐富【6】。而本溪市的南部位于長(zhǎng)白山脈的主體部分，地層復(fù)雜，構(gòu)造抬升劇烈，奧陶紀(jì)地層分布凌亂，不甚整齊，化石分布也不整齊，這說(shuō)明很難有大型喀斯特生生。

2.地貌特征

古喀斯特地貌多分布于奧陶紀(jì)石灰?guī)r層面上，特點(diǎn)是分布面積小，發(fā)育不明顯，偶見(jiàn)大型喀斯特地貌單元，多與古氣候成因有關(guān)。本文基于天龍洞旅游區(qū)附近山體四個(gè)采樣點(diǎn)六份巖土樣本進(jìn)行化學(xué)成分分析。（如圖1）

2.1 地表喀斯特地貌

在現(xiàn)場(chǎng)觀察中，只有本溪縣石灰礦存在發(fā)育微弱的地表喀斯特地貌，以質(zhì)度不純，密度小的石灰?guī)r層上發(fā)育的小型溶溝為主，偶見(jiàn)不明顯的石芽，可從中看出流水溶蝕的作用形成的痕跡。

石芽和溶溝深度和高度多在1-2厘米之間，基座直徑多在1厘米上下，頂部為渾圓狀，可見(jiàn)火山砂，石英砂的雜質(zhì)摻雜。這是完全不同于南方喀斯特地貌所形成的地貌的。南方溫?zé)釁^(qū)，如云南石林地區(qū)多發(fā)育大型現(xiàn)代地表喀斯特地貌，如體積較大，保存較好，石灰純度高的大型石林，峰林，峰叢洼地，在盆地區(qū)可發(fā)育為大型溶蝕盆地，鈣華壩，天生橋。而相比之下，北方降水較少，氣溫較低，降水較少，在此情況下大型地表喀斯特極少見(jiàn)。

2.2 地下喀斯特地貌

地下喀斯特地貌分布在奧陶紀(jì)地層中的古喀斯特溶洞，即地下暗河中，本溪地區(qū)著名的旅游景點(diǎn)如本溪水洞，望天洞，怪石洞都屬于此類洞穴。本文之所以對(duì)天龍洞風(fēng)景區(qū)內(nèi)的地貌進(jìn)行考察是因?yàn)槌练e物發(fā)育完全 且人為擾動(dòng)小。

鐘乳石，石筍：發(fā)育較小，不夠典型。鐘乳石多為細(xì)小的針狀，劍狀，長(zhǎng)度多在1米以下直徑多小于10厘米。此類鐘乳石多由極其緩慢的含碳酸鈣溶液沉積形成，根據(jù)秒表計(jì)時(shí)測(cè)算，鐘乳石末端水滴的速率多為5-15滴/min。個(gè)別鐘乳石形狀不規(guī)則，如倒鐘狀，乳頭狀，耳狀，這類鐘乳石末端的的水滴速率稍快，多為8-20滴/min，從此可以看出這些不規(guī)則鐘乳石的形成依賴于鈣離子的濃度。鈣離子的濃度在風(fēng)化殼化學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中已證明在漫長(zhǎng)的氣候演變中，鈣離子經(jīng)過(guò)了流失的過(guò)程【7】.

石筍普遍發(fā)育小，多數(shù)石筍位置與鐘乳石對(duì)應(yīng)，但明顯比鐘乳石小，甚至存在缺失現(xiàn)象。從形狀上來(lái)看，石筍大多比上端對(duì)應(yīng)的鐘乳石表現(xiàn)渾圓，且坡度平緩。從對(duì)應(yīng)的鐘乳石上的下落水滴來(lái)看，水滴速率過(guò)慢，當(dāng)水滴滴到下端的洞穴底板時(shí)，水滴有足夠的時(shí)間來(lái)分散開(kāi)來(lái)進(jìn)行沉積，流速緩慢使石筍相對(duì)鐘乳石沉積為更加平緩的坡度。在不規(guī)則鐘乳石分布的地面，石筍一般為多個(gè)塔狀石筍或不規(guī)則石筍。當(dāng)頂部的不規(guī)則鐘乳石間的水滴之間間距較大時(shí)，水滴落在基底依水滴的位置形成多個(gè)分散的，呈不規(guī)則狀的石筍，如果頂部不規(guī)則鐘乳石水滴之間比較密集時(shí)則由于多個(gè)水滴的沉積作用形成聚在一起的大規(guī)模石筍【8】。（如圖4）

石幔：天龍洞內(nèi)的石幔發(fā)育明顯，規(guī)模也較大，表面粗糙不平，發(fā)育有細(xì)小的條紋和溶溝，棱角較為光滑。從洞頂漫流下來(lái)的水流多呈漫流狀，流速小，水量小，滴速不穩(wěn)定。在此種條件下，只能發(fā)育為不太明顯又比較光滑的小型現(xiàn)代溶溝。（如圖5）

邊石池：洞內(nèi)的低洼地帶有邊石池的分布，但邊石池內(nèi)水位明顯小于邊石池的高度。在邊石池的內(nèi)邊緣，可見(jiàn)一條有顏色變化的條帶，可見(jiàn)細(xì)小的方解石晶體，這是古邊石池內(nèi)的水位標(biāo)志。在當(dāng)今氣候條件下，邊石池內(nèi)只含有10-30厘米深的池水，且池內(nèi)沒(méi)有方解石晶簇的發(fā)育，這表明邊石池不是當(dāng)今條件下發(fā)育的。

3樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

4個(gè)采樣點(diǎn)的6個(gè)樣本中，3個(gè)是位于天龍洞附近3個(gè)不同地區(qū)的石灰?guī)r樣本，，3個(gè)是位于本溪縣附過(guò)太子河的北岸海拔377米處的一處人工挖過(guò)的剖面處采得的風(fēng)化殼樣品。

石灰?guī)r的樣本由于受人工影響小，較為純凈，在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)去離子水清洗處理，砸成粒細(xì)粒，過(guò)0.063mm篩子作進(jìn)一步的處理。實(shí)驗(yàn)于2014年12月27日在遼寧師范大學(xué)色譜實(shí)驗(yàn)室完成。具體操作步驟如下：

1.將3個(gè)石灰?guī)r樣本分別取5g用丹東北源儀器廠生產(chǎn)的SM-1型振動(dòng)研磨機(jī)振動(dòng)30s后研磨成粒徑小于75μm的粉末，置于研磨皿中備用。用畢研磨皿用去離子水洗凈，為下個(gè)樣品的研磨作準(zhǔn)備。

2.每個(gè)研磨后的石灰?guī)r粉末各取約2.5g.置于壓餅上，再將壓餅置于丹東北源儀器生產(chǎn)的BP-1壓樣機(jī)上，經(jīng)40Mpa壓力加壓60s。制成壓模。

3.將壓餅處理后的石灰壓模上機(jī)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)采用的是日本RIGAKU公司的X射線熒光光

譜衍射儀完成，測(cè)出化學(xué)成分如下表，3個(gè)石灰?guī)r樣本分別記為T(mén)L1，TL2，TL3。而3個(gè)風(fēng)化殼的樣本分別從低到高記為T(mén)Z1，TZ2，TZ3。

4化學(xué)成分分析

從樣品上來(lái)看，TL1與TL3分別位于天龍洞的入口處的石灰?guī)r壁與著名的本溪水洞洞口附近的石灰?guī)r壁上。TL1與TL3兩者不僅海拔大致位于同樣的高度上，從化學(xué)成分具有高度的一致性石灰?guī)r的主要成分是CaO，在TL1與TL3樣本中的的Ca元素的比例分別為40.9%與40.7%，高度一致。作為喀斯特的第二代表元素Mg也在TL1與TL3樣本中出現(xiàn)了高度的一致性。采樣點(diǎn)TL2位于本溪縣的太子河北岸，相比TL1與TL3位于距河岸380米的位置來(lái)說(shuō)長(zhǎng)期以來(lái)受水的溶蝕作用較強(qiáng)，因此在Ca元素的含量?jī)H為38.9%。由于水中可溶解一定量的C元素，所以碳的含量也比TL1，TL3少。濕潤(rùn)的環(huán)境又提供了還原的環(huán)境，所以Fe元素的含量達(dá)到了1.56%，Al達(dá)到了1.48%，明顯高于TL1與TL3的0.68%和0.83%。與西南的喀斯特地區(qū)的元素相比，Ca元素的比例小于云南石林的60%以上，可證明北方的石灰?guī)r純度低，發(fā)育喀斯特緩慢。

TZ1，TZ2，TZ3是位于風(fēng)化殼剖面的由低到高的不同的三個(gè)樣本，此三個(gè)風(fēng)化殼剖面的樣本呈現(xiàn)了很顯而易見(jiàn)的規(guī)律：Ca元素出現(xiàn)了由低到高逐漸增多的趨勢(shì)，從TZ1的36.0%增加至至42.9%，這一結(jié)果是基于白云巖，泥灰?guī)r在長(zhǎng)期的地質(zhì)歷史中風(fēng)化作用沉積下來(lái)，尤其是在降水量減少，水動(dòng)力條件減弱的情況下伴隨著水的溶蝕能力減弱而沉積下來(lái)的。Fe元素從TZ1的0.07%到TZ2的0.71%，再到最頂層TZ3的1.18%是長(zhǎng)期以來(lái)氣溫氣溫變化下還原作用加強(qiáng)的結(jié)果

以遼東本溪縣地區(qū)所代表的北方喀斯特發(fā)育階段已進(jìn)入老年期，即Davis所說(shuō)的侵蝕循環(huán)理論中的接近于“夷平面”的時(shí)期，喀斯特山地正處于消減，侵蝕的階段，地殼上升，溶洞位于包氣帶內(nèi)。與之對(duì)應(yīng)的氣候變化是第三紀(jì)的溫?zé)岬膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候到現(xiàn)代的中溫帶大陸性氣候的變化，氣候由暖濕轉(zhuǎn)為干冷。

4：流水協(xié)同沉積作用的粗糙洞壁

圖5：天龍洞內(nèi)溶蝕作用形成的小型石芽，依洞壁生長(zhǎng)，長(zhǎng)度多在10CM以下，不規(guī)則狀。

5.縱向分析與對(duì)比

在喀斯特地貌形成的氣候因素中，溫度和降水是起到重要作用的兩個(gè)方面，其中降水是重要的方面，根據(jù)Ford1等人的針對(duì)西伯利亞和北美的研究，在東西伯利亞和北美的高緯度地區(qū)，年平均氣溫很低，但是卻存在大量的喀斯特洞穴，甚至還有發(fā)育良好的溶溝，石芽等地貌，而這些地貌一般只能在熱帶和亞熱帶地區(qū)可以被看到。東西伯利亞和北美北部西岸降水量分別為300-500mm和400-1000mm，凍土層的存在使地表處在長(zhǎng)年濕潤(rùn)狀態(tài)，濕潤(rùn)的氣候則是形成喀斯特地貌的重要條件。而一些熱帶地區(qū)，如澳大利亞中部，撒哈拉沙漠等地由于氣候干旱，溫度雖然很高但是缺少降水，極難看到現(xiàn)代喀斯特地貌。當(dāng)然，溫度也是一個(gè)形成的因素，但不是決定因素，而是加快和減緩喀斯特作用的輔助因素，如本研究區(qū)本溪處于中溫帶濕潤(rùn)區(qū)，年降水量平均為795-860mm之間，降水量稍多的云南石林地區(qū)喀斯特地貌則發(fā)育更加多樣，更為典型，還有現(xiàn)代喀斯特的存在。云南石林地區(qū)茅口組的鋁離子含量少于0.04，遠(yuǎn)低于本溪縣所采樣本的0.68-1.56之間，證明現(xiàn)在本溪縣為代表的風(fēng)化土層處于富鋁土化的過(guò)程【9】。

本研究區(qū)為遼寧省本溪市太子河流域?yàn)橹?，為中溫帶，在一些地區(qū)可以看到大型溶洞，個(gè)別地區(qū)還可以看到小的溶溝，石芽等。本文通過(guò)對(duì)幾個(gè)采樣點(diǎn)周圍巖石的化學(xué)成分分析研究，說(shuō)明本溪當(dāng)今氣候條件下喀斯特地貌形成是極其緩慢的，隨著第四紀(jì)以來(lái)氣候變干變冷以來(lái)反應(yīng)速率也在下降【10】。由此可見(jiàn)本溪地區(qū)喀斯特地貌資源在以后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)基本維持現(xiàn)狀，如破壞很難恢復(fù)，加以維護(hù)和保護(hù)有相當(dāng)?shù)闹匾饬x。

6結(jié)論：

以本溪縣天龍洞為代表的北方喀斯特化學(xué)過(guò)程是Ca，Mg，F(xiàn)e元素淋失，而AL富集的過(guò)程。 21世紀(jì)雖然是全球變暖的整體大的趨勢(shì)，但中國(guó)北方地區(qū)從第四紀(jì)以來(lái)的整體長(zhǎng)期趨勢(shì)是氣候變干，變冷。氣候變干導(dǎo)致的降水減少，溫度降低使地層中的Ca，Mg，F(xiàn)e淋失，現(xiàn)代氣候條件下很難再形成大規(guī)模的現(xiàn)代喀斯特地貌。喀斯特地貌以它的奇特的景觀可作為一種很好的旅游資源，是大自然上萬(wàn)年乃至上百萬(wàn)年的結(jié)晶，如破壞則極難恢復(fù)原狀【10】。針對(duì)這些大自然的結(jié)晶加以珍惜和保護(hù)有至關(guān)的重要性【11】.

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