石灰岩区域的喀斯特及其研究工作 [复制链接]

第5版()
专栏：

石灰岩区域的喀斯特及其研究工作
尹赞勋
中国喀斯特分布很广，面积之大，类型之多，为世界其他国家所不及。各地喀斯特发育条件变化多端，发育阶段参差不齐。各种各样的喀斯特现象对于人民生活和工程建设密切相关。无论从发展国民经济方面来说或者从探讨科学理论来说，喀斯特研究工作都必须继续加强。
喀斯特是南斯拉夫西北部沿海一带石灰岩高原的地理专名。喀斯特现象和喀斯特作用在这个地区研究最早最详，一百年前已开始把这个地理专名用作地理学和地质学的普通名词。七十年来，这个名词已陆续为许多国家所采用。简单讲来，喀斯特既指水对于石灰岩（或其他易溶岩石）的溶蚀作用，也指这种作用所产生的结果。
石灰岩是一种分布很广、易溶于水的岩石。在石灰岩区域，地表水和地下水对于石灰岩体的表面和不同方向的裂隙，起着溶解和冲刷的作用，给岩体表面、岩体外部和岩体内部，造成形形色色的特殊景物。例如：表面上的溶沟、溶槽；外部的孤峰、石林、天生桥、盲谷、坡立谷①；由外部通向内部的落水洞、漏斗、竖井、伏流；内部的溶洞、暗河、暗湖、钟乳石、石笋、石柱等等。水对于石灰岩的溶蚀作用，不但因水质和岩石性质的不同而变化，也受气候、地质构造、地貌等条件的影响而变化。这种作用所产生的形态，可以叫做喀斯特现象。一个地区各种喀斯特现象的总和，可以叫做喀斯特景观。
在石灰岩区域，人类活动和生产实践处处遇到喀斯特问题。喀斯特有其有利的一面，也有其不利的一面。如何充分利用其有利的一面，改变其不利的一面，是喀斯特工作者的重要课题。我们必须进行大量调查，搜集资料，分析研究，找出规律。
喀斯特学包括下列几个主要内容：1、喀斯特地貌学，2、洞穴学②，3、喀斯特水文地质学和工程地质学，4、喀斯特矿床学。石灰岩往往形成奇伟壮丽的喀斯特景观，如桂林的山水、路南的石林。广西石灰岩出露面积占自治区总面积的60％。在贵州和云南的东南部，石灰岩所占面积也在总面积50％以上。此外，湖南、湖北、四川、山东、山西等省也有较大的石灰岩区域。至于零星分布，或虽不见于地表而地下喀斯特现象显著的地区，分散在全国各地，很难一一列举。
石灰岩溶洞是史前原始人类栖息之所。周口店中国猿人、湖北长阳人、广西来宾麒麟山人、广西柳江人和广东韶关马坝人的遗存，都是在石灰岩溶洞中发现的。除了人骨化石以外，溶洞中还可以找到史前人用过的石器和骨器。喀斯特洞穴为早期人类提供了良好的生存条件。
喀斯特泉水往往流量很大，变化不很剧烈，可以作为自流灌溉的稳定水源。石灰岩区域大气降雨，往往汇集在喀斯特通道或暗河中，成为储量丰富、水质优良的地下水源；而且常常具有承压性质，便于开发利用，以满足农业、工业和日常生活用水的需要。许多喀斯特矿水和温泉具有医疗效果，已为人们所利用。洞穴矿产和石灰岩本身也都是宝贵的资源。喀斯特区域风景优美，可供游览。
但是喀斯特现象也给我们带来了许多不利的条件。在喀斯特化比较显著的区域，雨水往往立刻全部漏入地下深处，雨后一两天即可出现干旱现象。在另外一些地区，喀斯特水大量汇集，排不出去，雨量稍大，就发生涝灾。开采地下矿产的时候，挖掘铁路隧道的时候，往往遇到喀斯特水；小水小患，大水大患。涌水量特大的时候，不但妨碍采矿及施工的进行，而且造成严重的灾害。在水利工程方面，常常会发生坝基、坝肩、水库及渠道渗漏问题，如不加处理，就达不到设计要求。在道路桥梁以及工业和民用建筑工程方面，也常常因为地下喀斯特现象的存在，而发生基础不均匀沉陷问题。进行喀斯特研究，摸清喀斯特发育的规律，以改造它，利用它，变不利为有利，是一件重要工作。
十八世纪中，在欧洲开始了个别洞穴的报道和描述。十九世纪前半段，欧美猎人、牧人发现了几处巨大洞穴③，激起了人们的兴趣。1854年一个奥国医生发表了欧洲第一部科学的洞穴报告。经过三十多年的分散调查，到了十九世纪九十年代初期，欧洲出现了几部总结性的著作，把喀斯特研究工作，大大向前推进了一步。紧接着，1895年法国设立了世界上最早的洞穴学会。以后，喀斯特研究工作，特别是洞穴的探测，就在欧洲各国广泛地开展起来。现在不少国家都成立了专门组织，出版定期或不定期刊物。
苏联从十八世纪三十年代起，出现了描述洞穴的文章。十九世纪后半期，洞穴学有较大的发展；同时开始研究其他喀斯特现象。从二十世纪之初到革命前夕，俄国学者描述了若干主要石灰岩区域的喀斯特现象，对于喀斯特水文地理进行了争论。十月革命以后，大规模兴建水利工程、建筑工程、探矿工程、铁路工程等，需要了解喀斯特的分布和发育规律，喀斯特学有了迅速的发展。
奥国洞穴颇多。1748年，奥国的皇帝命令一人探明一个竖井的深度和有趣的地下景致。此后，探洞工作逐渐展开。直到现在，奥国仍是洞穴学比较发达的国家。
南斯拉夫1945年恢复了奥匈帝国1910年在卢布尔雅那设立的洞穴学会，搜集从前的设备和文件，重新开始工作。这个学会领导一个喀斯特研究所和一个生物洞穴学工作站。1954年在卢布尔雅那召开过一次全国洞穴学研究会议。
法国近代洞穴学的研究开始于十九世纪七十年代。到了九十年代，已探明了许多深洞深穴，写了不少动人听闻的报道。1895年成立了法国洞穴学会，发行一种杂志。1934年成立了巴黎洞穴俱乐部。1945年，在国家科学研究中心下，设立了一个洞穴学委员会，协调全国工作。
英国石灰岩出露不广，喀斯特现象的规模不大，近年来探洞运动却很活跃。据1952年的统计，全国有六十五个洞穴考察组织；其中有十九个组织的会员超过五十人。1947年成立的大不列颠洞穴研究会出版《新闻报道》、《记录》和《洞穴动物群》三种刊物。
美国中东部和东南部石灰岩分布颇广，喀斯特发育颇好。仅仅在印第安纳州南部一个小区域内，就有落水洞三十万个。世界上已知最长的溶洞是肯塔基州的犸猛洞。犸猛洞地下分枝纵横连贯，构成复杂的洞网，已经探明的长度，合计为一百五十公里。有人说，附近几个洞与它相通，总长或者可达二百五十公里。
1949年设立了世界常设洞穴委员会之后，1953和1958年先后在法国和意大利举行了两次国际洞穴学会议。第三次会议最近将在奥国举行。国际地理学会设有喀斯特现象委员会。1956年这个委员会出版了一部报告书。
喀斯特现象早为中国古代学者所注意。三百二十多年前，明代地理学家徐霞客调查了广西贵州等省的喀斯特现象和景观，考察了一百多个洞穴，作了生动的记载。徐霞客游记中的有关著录是世界上最早的喀斯特著作。由于社会制度的限制，喀斯特研究在旧中国没有得到继续发展。到1949年中华人民共和国成立时为止，只有少数地质、地理工作者作过一些零星的调查。
近几年来，在各大河流域，如长江、黄河、清江、乌江、以礼河、红水河等水利水力资源的梯级开发过程中，都遇到了不同喀斯特化程度的石灰岩体，直接影响着水利枢纽的效益和寿命。水利电力部和许多有关机关，动员了大批水文地质工程地质人员，进行坝基水库的喀斯特研究。采用航空照片和地质测绘相互对照的方法，结合地球物理勘探的结果，分析地貌类型、构造断裂，以了解表层和深部喀斯特发育的情况，分析喀斯特化岩体的岩石组合，以了解不同岩组的溶蚀性质和强度。云南和广西地下水库和地下电站的修建，更要求详细研究地貌的演变，地下水的补给、运行和排泄条件，以及喀斯特发育的趋势。在水库蓄水之后，石灰岩构成的分水岭可能提供渗漏的通道。在这方面也曾作了不少工作。有些地方还建立了泉水和地下水的动态观测站，以取得可靠的资料。
在大跃进期间，全国各地掀起了空前的水利建设高潮。石灰岩区域的群众利用了喀斯特所提供的条件，修建了许多中小型水库。在处理渗漏问题时，群众创造了不少有推广价值的经验。
在石灰岩区域修建铁路路基、桥梁、隧道时，常常遇到喀斯特问题。例如，洞穴顶板突然塌陷，洞穴底板不能胜任负荷而引起建筑物的下沉，洞穴内地下水的大量涌入，都直接危害隧道施工和列车运行。在黔桂、湘黔、川黔等铁路线勘测设计及施工过程中，我国喀斯特工作者作了繁重而有意义的工作，提供了选线方案及处理意见的科学根据。
在一些受到喀斯特水威胁的矿区，矿山水文地质工作者进行了一系列勘探试验工作，对于储量审批和开采设计施工提供了必要的水文地质资料。
1961年2、3月间在南宁举行了第一次全国喀斯特研究会议。四十四个单位的代表七十二人，宣读和讨论了报告三十七篇。初步总结了十一年来的一些经验，得出了若干基本理论。
大跃进推动了喀斯特研究工作。由于群众性中小型水利工程的蓬勃发展，对于处理喀斯特问题，群众创造了许多有效的方法。例如堵截地下水流，以抬高水位；堵塞盲谷、坡立谷的排水通道，以便积水成库；扩大排水通道，以达到排涝与灌溉相结合；利用喀斯特泉，修建地面或地下水库等。根据不同的水动力条件和喀斯特发育特征，简单而有效的修建和防渗措施可以归纳为：堵（堵塞漏水洞）、铺（铺盖粘土）、截（筑截水墙）、围（在反复泉和落水洞四周修建围墙）、引（引水入库或引水出库）五个字。这些经验都是值得推广的。
根据对大量的观测记录的初步分析研究，已经得出若干基本理论。（1）关于喀斯特水动力分带和水动力特征方面。我国各地、特别是西南各省区的岩相、岩性复杂，构造变化较大，不少地区有微倾斜厚层隔水层的存在，不同含水层之间水力联系很差，没有统一的含水岩体。根据上述特点，概括出了不同喀斯特水动力条件的类型，发展了在国外流行的只适用于厚层石灰岩的水动力分带理论。（2）国外许多学者不承认喀斯特发育与构造断裂有密切的关系，因此引起了一些争论。通过对我国喀斯特发育特点的调查研究，大家取得了一致的意见，肯定了这两种地质现象间的密切关系。（3）西南各省新构造上升运动很显著，河流切割作用强烈，石灰岩区域峡谷地形非常发育。为了适应当地侵蚀基准面，所以地下水力坡度由分水岭向峡谷两岸急剧加大；河谷附近的包气带也相应地加厚；近期喀斯特作用随之加强；垂直通道非常发育；水平通道只见于季节变化带。在分水岭地区，地表喀斯特现象强烈，而地下喀斯特发育程度远较河谷两岸为弱。（4）西南喀斯特发育历史可以分为三个时期。第一时期由中生代晚期到第三纪初期，在湖北叫做鄂西期，在贵州叫做大娄山期。第二时期由中新世初期到上新世末期，叫做山原期或山盆期。第三时期由更新世到现在，叫做三峡期、乌江期或红水河期。（5）通过广西境内洞穴的考察和脊椎动物化石的研究，基本上确定了从地面起到九十米高程以内的三层溶洞的相对时代：上层属早更新世；中层属中更新世；下层属晚更新世到现在。在可溶岩层分布的区域中，主要是石灰岩区域中，四周被不大的山所环绕的长条形成椭圆形的大型封闭洼地叫做坡立谷。面积从几个平方公里到几百平方公里。坡立二字来自塞尔维亚文的译音。洞穴学是喀斯特学的一个重要分枝学科，研究最早，文献最多。它的主要内容有：洞穴形态学、洞穴水文地学、洞穴沉积物、洞穴物理、洞穴化学、洞穴气象学、洞穴生物学、洞穴古生物学、洞穴考古学、洞穴探测技术等。例如1809年美国猎人追赶一只打伤了的大熊。大熊入洞，猎人遂发现世界上最长的犸猛洞。