橫斷山東緣的奇異喀斯特

供圖 范曉

策劃 本刊編輯部

撰文 范曉

黃龍國家級風(fēng)景名勝區(qū)管理局供圖

海拔5588 米的岷山主峰雪寶頂（圖片中部的白色金字塔形山峰）。九寨溝、黃龍即位于雪寶頂?shù)谋眰?cè)，雪寶頂周邊還有牟尼溝等(范曉 攝)

岷山式喀斯特

廣布于桂、黔、滇、川、湘和鄂諸省的中國南方喀斯特（如桂林山水、云南石林和重慶武隆等）是世界上最壯觀的喀斯特景觀帶之一，它的一些典型景觀地已經(jīng)被列入《世界自然遺產(chǎn)名錄》，因而受到廣泛關(guān)注。

但以九寨溝、黃龍為代表的鈣華景觀，則向人們展開了一幅橫斷山東緣高寒山區(qū)另類喀斯特的奇異畫卷。早在1992 年，九寨溝、黃龍就被列入《世界自然遺產(chǎn)名錄》。

九寨溝、黃龍的奇異景觀，分布在世界屋脊——青藏高原東緣的岷山山脈之中。其實(shí)不僅僅是在岷山山脈，在青藏高原橫斷山區(qū)的東緣，從北到南，也有一條壯觀的鈣華景觀帶，仿佛世界屋脊邊緣的瑰麗花環(huán)。由于在九寨溝、黃龍所處的岷山山區(qū)這類鈣華景觀最發(fā)育、最典型，有專家將其稱之為“岷山式喀斯特”。

標(biāo)新立異的岷山式喀斯特，完全“逆反”了中國南方喀斯特。

桂林山水。中國南方喀斯特，地表有大規(guī)模的峰叢、峰林、石林和天坑等溶蝕地貌(范曉 攝)

中國南方喀斯特的洞穴沉積，廣西鹿寨喀斯特溶洞里的鈣華池(范曉 攝)

中國南方喀斯特，地表有大規(guī)模的峰叢、峰林、石林和天坑等溶蝕地貌；同時，地下也存在大規(guī)模的溶洞群；石灰?guī)r被溶蝕后，在一定的條件下，還會以鈣華的形式重新沉積。在華南，鈣華主要沉積在地下的洞穴里，形成光怪陸離的鐘乳石、石筍、石柱、石花和鈣華池等。

而九寨溝、黃龍所在的岷山，地表主要為冰川侵蝕、高山物理風(fēng)化形成的石灰?guī)r山地，地下深處有大量的石灰?guī)r被溶蝕，還有一些石灰?guī)r被溶蝕后再沉積為鈣華，但這些溶蝕主要不是堆積在地下洞穴，而是都“跑到”地表來了——在地面上形成大規(guī)模的鈣華灘、鈣華池、鈣華瀑和鈣華堰塞湖等。

和華南一樣，岷山地區(qū)有大面積的石灰?guī)r分布；岷山山脈地處青藏高原東緣的迎風(fēng)坡，降水豐沛；九寨溝、黃龍所在的岷山地區(qū)，地形起伏很大，巖層中的斷裂發(fā)育，給降水的滲流提供了有利的通道；地表有大規(guī)模的鈣華沉積，表明有大量石灰?guī)r被溶解，同時也證明有充足的二氧化碳來源。因此，九寨溝—黃龍所在的岷山地區(qū)和華南一樣，都具有產(chǎn)生喀斯特作用、形成喀斯特地貌的自然條件。

19 世紀(jì)末，歐洲學(xué)者在今斯洛文尼亞境內(nèi)的喀斯特高原，最早研究了石灰?guī)r溶蝕作用及其地貌，因此石灰?guī)r的溶蝕作用及其形成的地貌被稱為“喀斯特”。

無論是中國南方喀斯特，還是九寨溝—黃龍的高寒喀斯特，本質(zhì)上都是石灰?guī)r的溶解與再沉淀，它是一個可逆的化學(xué)反應(yīng)過程：

喀斯特作用能夠進(jìn)行的基本條件：

1.要有可供溶解的石灰?guī)r（碳酸鈣）；

2.要有豐沛的降水，并有大量二氧化碳加入到水的循環(huán)中，使石灰?guī)r容易被溶解；

3.水要有流動的空間（巖石中的斷裂或裂隙），使被溶解的碳酸鈣能夠被搬運(yùn)；

4.石灰?guī)r被溶解后，在水里成為游離的鈣離子和碳酸氫根離子，它們要重新沉淀出來形成鈣華（碳酸鈣），則需要水中的二氧化碳逸出。

景觀為什么迥然不同？

那么，既然同樣是喀斯特地貌，為什么岷山式喀斯特和中國南方喀斯特景觀差別那么大呢?這主要是因?yàn)榈刭|(zhì)構(gòu)造背景與氣候條件的差異。就像中國古語所說：“橘生淮南則為橘,生于淮北則為枳?！?/p>

包括岷山在內(nèi)的橫斷山區(qū)，是整個青藏高原地殼強(qiáng)烈上升的區(qū)域之一。當(dāng)?shù)貧み\(yùn)動時，喀斯特的溶蝕作用來不及對地表的石灰?guī)r進(jìn)行充分的塑造，山體就已快速抬升，當(dāng)山體上升到雪線附近及以上時，外部的侵蝕作用就會被寒凍風(fēng)化和冰雪侵蝕所代替。

而在華南，地殼運(yùn)動相對平穩(wěn)，喀斯特的溶蝕作用可以從容不迫地在地表雕刻出峰叢、峰林和石林等。

雖然在地表很難形成喀斯特溶蝕地貌，但橫斷山區(qū)石灰?guī)r廣布，降水充沛，斷裂密布，高山深谷，利于降水向地下深處滲流，地下水也容易沿溝谷溢出形成泉群。溶解了石灰?guī)r并成為飽含碳酸鈣的地下水在地表溢出后，一旦條件合適，水中的碳酸鈣又會沉淀為鈣華。

黃龍的鈣華池。九寨溝—黃龍所在的岷山，石灰?guī)r被溶蝕后再沉積形成的的鈣華，大量分布在地表，而不是在地下溶洞里（黃龍管理局供圖）

二氧化碳來源之謎

在九寨溝、黃龍以及相鄰的橫斷山東緣，地表鈣華堆積的規(guī)模是驚人的。這表明這里地下有大量的石灰?guī)r被溶蝕，而且還存在大量的二氧化碳。如果沒有大量二氧化碳加入到地下水中，這種大規(guī)模的溶蝕是很難進(jìn)行的，因?yàn)檎嵌趸寂c水結(jié)合產(chǎn)生了大量碳酸，才足以對石灰?guī)r進(jìn)行溶蝕。這就引出了一個問題：加入到地下水中的大量二氧化碳，是從哪里來的?

一般情況下，當(dāng)降水由地表向下滲透淋濾時，會把植物根系以及土壤有機(jī)質(zhì)中產(chǎn)生的二氧化碳帶入到水中，這是喀斯特作用中二氧化碳的主要來源。因此在植被茂密、土壤層深厚的華南，喀斯特很容易發(fā)育。在植被茂密的橫斷山區(qū)，這種因素也是存在的。這樣產(chǎn)生的二氧化碳被稱為“冷源”二氧化碳。

但科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在黃龍等地溢出地表的泉水中，被溶解的碳酸鈣以及二氧化碳的濃度異常高，如果僅用“來自地表生物的二氧化碳”來解釋，顯然不夠充分。通過對泉水的碳同位素分析發(fā)現(xiàn)，其中的確可能有來自地下深處的溫度較高環(huán)境中的二氧化碳，被稱為“熱源”二氧化碳。

上述二氧化碳冷源和熱源的差異，實(shí)際上是二氧化碳淺源和深源的不同，并不是指鈣華沉積的泉水冷熱之別。橫斷山的鈣華景觀大都是在冷泉環(huán)境下堆積的。

有意思的是，九寨溝—黃龍緊鄰岷山主峰雪寶頂這個地貌高點(diǎn)，也是斷裂錯動和斷塊抬升最強(qiáng)烈的區(qū)域，這里給地下水在石灰?guī)r層中深度循環(huán)提供了空間。而且，在九寨溝、黃龍，與喀斯特作用相關(guān)的泥盆系至三疊系的石灰?guī)r地層中，夾有多層碳質(zhì)頁巖、瀝青質(zhì)灰?guī)r、生物灰?guī)r。在造山過程中，因地下壓力、溫度升高，這些巖石會產(chǎn)生變質(zhì)，并可以釋放出較多的二氧化碳，加入到地下水中。

無獨(dú)有偶，橫斷山最精彩的鈣華堆積，似乎都和著名的高峰形影不離，岷山主峰雪寶頂周邊，除了九寨溝、黃龍，還有牟尼溝；蜀山之王貢嘎山附近有玉龍溪、亞攏溝；哈巴雪山旁側(cè)有白水臺……這些鈣華堆積規(guī)模較大的區(qū)域都有類似的地質(zhì)構(gòu)造背景。

九寨溝五花海湖底的喀斯特涌泉群。泉群沿湖底的裂隙呈帶狀延伸，泉口有灰白色的鈣華沉積，并有大量上冒的二氧化碳?xì)馀荨Ｕf明九寨溝的湖水有相當(dāng)部分是由地下水通過喀斯特泉補(bǔ)給的(范曉 攝)

云南香格里拉白水臺鈣華池群上源的喀斯特泉形成的溪流(范曉 攝)

喀斯特泉——鈣華堆積的源泉

在九寨溝、黃龍的鈣華堆積區(qū)源頭，都有水量巨大的喀斯特泉。這些喀斯特泉涌出的泉水都是碳酸鈣含量很高的泉水。喀斯特泉就像一臺臺鈣華制造機(jī)的噴口，成為鈣華堆積的源泉。

在橫斷山的其他地方也不例外。例如：在貢嘎山西側(cè)，四川康定玉龍溪的鈣華灘源頭，有噴高可達(dá)1.6 米的喀斯特噴泉；在附近的亞攏溝鈣華灘，也以一個巨大的喀斯特泉作為源頭；位于四川黑水卡龍溝的鈣華瀑群，皆出自上游的喀斯特大泉；云南香格里拉白水臺的鈣華池群，亦源于上游的喀斯特泉群。

溶解在水中的碳酸鈣要重新沉淀，關(guān)鍵在于水中二氧化碳的逸出。來自深處的地下水涌出地表后，壓力會驟然減?。患由细呱?、高原水的蒸發(fā)量較大等因素，都會導(dǎo)致水中的二氧化碳容易逸出，從而使鈣華沉積。

光合作用促進(jìn)鈣華沉積

藻類和水生植物的光合作用可以促進(jìn)鈣華的沉積(范曉 攝)

使九寨溝、黃龍地表鈣華沉積的一個重要因素，是水生植物的光合作用。

在水體中或鈣華的表面，生長著許多藻類和其他水生植物。以黃龍為例，這里已發(fā)現(xiàn)藍(lán)藻門、黃藻門、綠藻門和硅藻門的19 個屬共86 種藻類。

藻類和水生植物白天要進(jìn)行光合作用，吸收水中的二氧化碳，放出氧氣，使水中的二氧化碳減少，促進(jìn)鈣華沉積；但在夜晚要進(jìn)行呼吸作用，消耗水中的氧氣，產(chǎn)生二氧化碳，讓鈣華溶解。

九寨溝五花海中的藻類和水生植物(范曉 攝)

最終是否產(chǎn)生鈣華的沉積，要看總的光合作用是否大于總的呼吸作用，也就是凈光合作用（總光合作用減去總呼吸作用）的大小。據(jù)已有實(shí)驗(yàn)和研究，只有在較低的氣溫下（低于20 ℃），凈光合作用才會為正值。這也可以解釋：為什么在常年氣溫較低的橫斷山高寒山區(qū)，會出現(xiàn)大規(guī)模的地表鈣華堆積。

藻類的光合作用可以促進(jìn)鈣華沉積，藻類還可以成為鈣華生長的晶核，藻類的黏液和絲狀體具有的粘裹作用也有利于鈣華沉淀。在顯微鏡下，可以觀察到鈣華晶體與藻類相互嵌生的現(xiàn)象。

我們用肉眼也可以觀察到，鈣華表面可以被厚達(dá)數(shù)厘米的藻體覆蓋，就像“藻被”，鈣華看上去的顏色，實(shí)際上是“藻被”的顏色。此外，在九寨溝、黃龍，常常可以看到水中的植物枝干被白色的鈣華所包裹，或者圍繞植物根系形成的圓丘狀鈣華體，這都證實(shí)了生物作用與鈣華沉積之間的聯(lián)系。

多姿多彩的高寒喀斯特景觀

橫斷山的鈣華地貌主要有鈣華池、鈣華灘、鈣華瀑和鈣華堰塞湖等。在不同地段，有不同的類型組合與特點(diǎn)，呈現(xiàn)出豐富多彩的景觀。

鈣華池 多見于地勢較平緩的斜坡臺地。它可以看成是放大的魚鱗狀波紋流痕，每一個波紋狀的小坑都有可能生長、合并和擴(kuò)展成更大的水池。

最精彩、最讓人神迷的鈣華池當(dāng)屬四川的黃龍、神仙池和云南的白水臺?？粗@些玲瓏剔透、晶瑩如玉的彩池，就像是在欣賞陶藝大師的杰作，很難想象憑借自然水流，就可造出如此精巧的“杯盤碟盞”來。

黃龍五彩池（鈣華池）。自然水流造出的“杯盤碟盞”（九寨溝管理局供圖）

鈣華池的池?。ǖ虊危┬螒B(tài)豐富多樣，有尖削內(nèi)空的外傾型，有端莊厚重的直立型，還有上端前突的內(nèi)傾型……有專家認(rèn)為，外傾型、直立型多出現(xiàn)在鈣華池的雛形期和穩(wěn)定期，而內(nèi)傾型意味著鈣華池開始由穩(wěn)定轉(zhuǎn)向衰退。

鈣華灘 是溪流在寬闊陡傾的斜坡地上形成的鈣華堆積，它是岷山式喀斯特景觀最普遍的形式之一。

鈣華瀑 在地形陡坎處，溪流形成跌水瀑布，水的流速突然加快，使水面張力變小，二氧化碳容易逸出，因此瀑布所在處成為鈣華沉積最旺盛的地方。沉積的鈣華其形態(tài)猶如固化的瀑布，故稱“鈣華瀑”。

鈣華堰塞湖 以九寨溝的湖泊最為典型。首先，湖泊洼地的形成和河谷中的溶蝕洼地和溶蝕漏斗有關(guān)；其次，湖泊前端阻水的堤壩，幾乎都是鈣華沉積。2017 年8 月8 日九寨溝7 級地震以后，火花海前端的鈣華堤潰決，暴露出來的鈣華堤斷面和湖底的鈣華沉積，證實(shí)了這類鈣華堰塞湖的成因。

黃龍的“金沙鋪地”鈣華灘（范曉 攝)

牟尼溝的鈣華溶蝕塌陷湖，湖岸可以看到厚厚的鈣華堆積層（范曉 攝）

神仙池的鈣華瀑（范曉 攝）

此外，以牟尼溝為代表的鈣華溶蝕塌陷湖，可以說是鈣華堰塞湖的一個特類。牟尼溝位于四川松潘縣城西側(cè)，為岷江右岸支流。鈣華溶蝕塌陷湖是鈣華沉積以后，巨厚的鈣華層因水文地質(zhì)條件改變，遭受溶蝕，并且因溶蝕塌陷的洼地積水而形成湖泊。這是“石灰?guī)r溶蝕→鈣華沉積→鈣華溶蝕”的循環(huán)過程。牟尼溝還以富含二氧化碳的喀斯特泉聞名，其泉水被稱為“天然汽水”。

上面列舉的鈣華景觀地，并不是青藏高原東緣的全部。在青藏高原邊緣甚至內(nèi)部，這種高寒喀斯特并不罕見。而且，這些鈣華景觀地只是冰山一角，在它的周圍，常常有體量大出許多倍的古鈣華堆積體存在，這說明至少幾萬年以來，橫斷山區(qū)大規(guī)模的地表鈣華沉積一直在進(jìn)行。例如在黃龍溝東邊的張家溝，雖然沒有黃龍那樣的鈣華池群，但溝中卻有厚度巨大的古鈣華堆積層。據(jù)同位素測年，其形成在1 萬年至3 萬年前。在白水臺所在山谷的右側(cè)，整個山坡幾乎都由古鈣華堆積體構(gòu)成，而且白水臺下方的古鈣華層也一直延伸到三壩鄉(xiāng)以下的白水河主溝中。

九寨溝的鈣華堰塞湖——樹正群海（九寨溝管理局供圖）

九寨溝、黃龍的水色為什么這樣美?

彩池、湖泊碧玉般的水色，是岷山式喀斯特景觀最誘人之處。水本身是無色的，就像大氣層一樣。但它為什么會呈現(xiàn)如此美麗的色彩呢?

其實(shí)，科學(xué)家早就探究過天空和大海為什么看上去是蔚藍(lán)的。英國科學(xué)家瑞利發(fā)現(xiàn)，具有七色光譜的太陽光穿過大氣層時，長波光的紅光更容易透過大氣，而藍(lán)紫色等短波光更多地被大氣中的微粒散射，所以天空看起來是藍(lán)色的。印度科學(xué)家拉曼進(jìn)一步證明，水分子對自然光的散射使海水呈現(xiàn)藍(lán)色，這與大氣分子對太陽光選擇性散射（它被稱為瑞利散射）的機(jī)理完全相同。

瑞利散射的產(chǎn)生是因?yàn)榧儍舸髿庵械奈⒘７肿又睆竭h(yuǎn)小于光波波長。無色透明的池水、湖水看起來呈藍(lán)綠色，是因?yàn)樗w對太陽光進(jìn)行了選擇性散射，而且水體的潔凈程度越高，這種選擇性散射就越強(qiáng)。九寨溝植被茂密，加上鈣華對懸移質(zhì)的固定作用，使水中雜質(zhì)極少，湖水潔凈度與透明度極高。

當(dāng)大氣或水體混入直徑比光波波長大得多的粉塵、水滴和泥沙時，瑞利散射就會失效，此時天空灰暗，水體混濁。

黃龍鈣華彩池的斑斕水色(黃龍管理局供圖)

在鈣華沉積最旺盛、正處在成長和穩(wěn)定階段的鈣華池中，鈣華沉積會促進(jìn)水中的雜質(zhì)微粒沉淀，增加水的純凈與透明度，這有利于藍(lán)綠光的散射，所以池水也呈現(xiàn)最鮮艷的藍(lán)綠色。

以九寨溝、黃龍為代表的青藏高原東緣的鈣華景觀，是一種特殊地質(zhì)地貌背景下的獨(dú)特喀斯特景觀，既有重要的科學(xué)價值，也有重要的美學(xué)價值，是地球上具有獨(dú)特意義的地質(zhì)景觀和自然遺產(chǎn)，還伴生了獨(dú)特的文化遺產(chǎn)。人們需要去欣賞它、保護(hù)它，也需要進(jìn)一步去探尋它的科學(xué)奧秘。

除了在青藏高原以外，類似的鈣華沉積景觀，在世界上其他氣候比較溫涼的地形階梯帶也有出現(xiàn)，在類型上具有由岷山式喀斯特向典型喀斯特過渡的特征，在地表可以有喀斯特溶蝕地貌伴生。

在中國的云貴高原向廣西丘陵過渡的地形陡坡帶，有羅平九龍瀑、興義馬嶺河峽谷和荔波大小七孔等地的鈣華瀑、鈣華堰塞湖等景觀。

在歐洲，阿爾卑斯山東南支的大卡佩拉山—普列舍維查山向多瑙河平原過渡的地貌斜坡帶，在克羅地亞的普里特維采（十六湖）形成了類似九寨溝的鈣華瀑、鈣華堰塞湖等景觀。

在土耳其的棉花堡，由安納托利亞高原向地中海過渡的地形斜坡帶，形成了與黃龍類似的鈣華池、鈣華瀑、鈣華灘景觀。

在上述這些地方，都有廣布的石灰?guī)r、規(guī)模較大的斷裂、陡變的地形和溫涼的氣候等條件，有利于地表的鈣華堆積。但它們的鈣華沉積規(guī)模都不能和橫斷山區(qū)相比。橫斷山區(qū)的鈣華沉積也許與青藏高原東緣不僅有大面積石灰?guī)r分布，而且有極大的地形反差、最強(qiáng)烈的斷裂活動有關(guān)，斷裂活動既給地下水提供了深循環(huán)的通道，也造成了巖石在深部發(fā)生變質(zhì)，從而形成大量釋放二氧化碳的構(gòu)造環(huán)境。

克羅地亞普里特維采（十六湖）的鈣華堰塞湖與鈣華瀑

土耳其棉花堡的鈣華池群