‘壹’ 岩溶区溶洞的发育机制分析
岩溶包括溶洞的发育,一般应具备四个条件:可溶性的岩石、岩石具有结构裂隙通道、流动的地下水、水具有侵蚀性。
岩溶区溶洞的发育过程,本质上是水对碳酸盐岩的溶解作用。而碳酸盐岩被水溶解的过程,就是组成这类岩石的碳酸盐矿物如方解石、白云石等和水之间发生的化学反应。
1.1.1 碳酸盐岩的溶解作用
碳酸盐岩可分为纯碳酸盐岩和不纯碳酸盐岩类。纯碳酸盐岩主要由方解石(CaCO3)和白云石[CaMg(CO3)2]两种矿物组成,而不纯碳酸盐岩类是碳酸盐岩(方解石、白云石组成者)与碎屑岩(砂质和粘土质)之间的过渡类型。
从岩石成因来看,我国的碳酸盐岩主要分为三大类:①石灰岩,主要是浅海相碳酸盐岩台地沉积而成,并往往伴有生物成因;②各种成分的大理岩和结晶灰岩,主要由变质作用形成的,常呈粒状变晶结构;③白云岩,由成岩后白云石化作用形成,常呈晶粒结构。
天然状态下,碳酸盐岩的溶解是一个复杂的物理化学过程,它既有物质之间的化学反应,也有物质微粒的扩散运动。
碳酸钙是碳酸盐岩类的重要成分,分析碳酸钙的溶解过程,可以代表碳酸盐岩类溶解的基本情况。
国内有学者研究表明[22],碳酸盐岩的溶解作用具有以下特点:①溶蚀作用包括了化学溶蚀和机械破坏两方面,溶解作用要占总量的90%以上,岩溶的发育主要受富含 CO2的侵蚀性水流溶解所致,浅部的岩溶发育强度强于深部,具有更大的开放性,易受大气、土壤、生物作用的影响使得地下水富含 CO2,具有更大的侵蚀性;②溶蚀度随深度的增加而减少;③机械破坏作用量占2%~14%。应力破坏有利于岩溶作用的发展,在水动力条件较好的区段,岩溶相对发育;④溶蚀作用指标与岩石化学成分分析结果比较,CaO含量越低,其比溶解度就越低。
1.1.1.1 碳酸盐岩的溶解反应
碳酸盐类岩石的溶解,以石灰岩为例,其溶解过程可理解为:首先石灰岩直接溶解于没有碳酸的纯水中,它的反应为:
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
[Ca2+][
表1-1 CaCO3在不含CO2的纯水中的溶解度Table1-1 Solubility of CaCO3 in the purity water with no CO2
自然界中纯水是极少的。水中含有的CO2,其中一部分呈物理不溶解状态存在与水中,一部分与水化合成碳酸。在温度4℃时,水中只有0.7%的CO2是与水化合的,其余99.3%均呈物理状态,称游离CO2,化合状态CO2称为侵蚀性CO2。物理状态的CO2不能直接与石灰岩起化学作用,而是起平衡作用。与石灰岩起化学反应的只有与水化合形成的碳酸,碳酸电离后产生H+离子[24]。
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
式(1-2)中碳酸电离后的H+离子与(1-1)式中的
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
即:
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
由于(1-1)式中
溶解于水中的0.7%的CO2,因溶解CaCO3而逐渐减少,以致与物理状态的CO2之间失去平衡关系。因此,如果要不断地溶解石灰岩,就必须从存在于水中的物理状态的CO2中变来,这样就开始了连锁反应,一旦其中的一环节发生变化,就相应地引起其他过程的变更。
还有一点需说明的是,一般人们常常认为岩溶系统是由多种成因的碳酸对碳酸盐岩的溶蚀结果,但在自然界中,碳酸盐岩地层,特别是白云岩地层中多有石膏夹层;在有些自然环境中,硫酸盐岩(特别是石膏)和碳酸盐岩成互层沉积。当富含CO2的溶液(大气降水或地壳深部热水)沿可溶岩中的构造裂隙运移过程中,发生的复合岩溶导致岩溶溶洞发育。另外,硫酸盐岩和碳酸盐岩的岩溶作用在水溶蚀作用机理上,最主要的区别在于水对碳酸盐岩的岩溶作用,需要借助于溶剂CO2的作用,而水可直接对硫酸盐岩产生溶蚀作用[25]。
此外,热液活动则产生另一种岩溶作用。热液岩溶在美国、匈牙利、意大利、吉尔吉斯斯坦、阿尔及利亚等地已有发现,这种成因的洞穴形态和洞穴沉积物类型不同于大气降水成因的洞穴系统,大多没有渗透带,与地表没有联系。国外学者对匈牙利的研究认为,含CO2的热液在上升过程中对碳酸盐岩溶解形成地下溶洞受构造升降影响,溶蚀形成的溶洞可转变为沉淀带在该系统中,碳酸盐岩溶解度受CO2分压、温度和溶液离子强度的影响[26]。而在对意大利一些深部溶洞成因研究时发现,热液系统中富集的H2S气体随热液向上运移时,在地下水位附近发生氧化后形成硫酸,从而对周围的碳酸盐岩产生侵蚀后形成溶洞[27]。
1.1.1.2 溶解要素之间的平衡关系
碳酸盐岩的溶解与沉淀既然是可逆反应,它必然受一系列平衡关系所控制[23]。
1.1.1.2.1 pCO2平衡
天然水中溶解CO2的含量与水面空气的状态有密切关系。亨利定律指出:气体的溶解度与该气体的分压成正比,与温度成反比。水中溶解的CO2可按下式计算:
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
式中:L为取决于温度的CO2吸收系数;pCO2为水面大气中的二氧化碳分压。
上述关系表示,溶解于水中的CO2含量与水面大气中的pCO2始终趋于一种平衡状态,可表示为:
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
这一平衡关系首先决定着水中所可能含有的CO2,亦即决定着水可能具有的对碳酸盐岩的溶解能力,称为pCO2平衡。
1.1.1.2.2 侵蚀性平衡
CO2溶入水中后,与水作用生成H+的反应如式(1-2)。这是一个可逆反应。
岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响
但此时生成的H+是从已带有1个负电荷的
式(1-4)所反映的平衡关系决定着水中H+和
1.1.1.2.3 碳酸盐的电离平衡
水溶液侵蚀性的形成已如上述。作为溶质的碳酸盐岩,溶解的化学反应既然是一种离子反应,那么,它的溶解就首先取决于它的电离特性。
式(1-4)为碳酸钙在水溶液中电离时的热动力平衡反应式。这一反应总是趋向于达到平衡,才是最稳定的状态。称为热动力平衡或电离平衡,由此决定了CaCO3在一定温度和压力条件下的溶解度。
1.1.1.2.4 溶解平衡
当碳酸盐岩离解成为碱土金属的阳离子和碳酸根的阴离子、水溶液中的碳酸也离解成为H+和
从全过程看,在碳酸盐岩溶解过程中,水里实际包含了 CO2、H2O、OH-、H+、
1.1.1.2.5 混合溶解作用
除了以上四种平衡关系外,岩溶水还会产生混合溶蚀现象,它是指两种方解石浓度不等的水混合后,会降低其方解石的饱和度或重新对方解石具有侵蚀性。前苏联学者布涅耶夫1912年发现:当一种方解石的平衡溶液与另一种Ca2+浓度不同的水混合后,会重新具有侵蚀性。早在20世纪60年代,国外有学者用其来解释一些岩溶和溶洞现象。
1.1.1.3 溶解作用中的影响因素
碳酸盐岩的溶解,除了受水这一重要因素影响外,还将受岩石性质、温度、浓度梯度、流速等因素的影响。
(1)岩石性质:一般来说,质纯层厚,CaCO3含量高的碳酸盐岩石较易形成岩溶溶洞。最容易形成溶洞的是石灰岩,次为白云质灰岩和白云岩,再其次为泥质灰岩和硅质灰岩,就岩石结构来说,一般颗粒晶粒愈粗,其溶解度愈大,岩溶发育也愈强烈。粗粒结构的岩石孔隙大,岩石的吸水率高,抗侵蚀能力弱,有利于溶洞的发育。
岩石岩层越厚,其含有的难溶物越少,溶解度也越大;薄层碳酸盐岩常含较多的泥质等杂质,溶解度较小,不利于溶洞的发育。
国土资源部岩溶动力学开放研究实验室研究表明:不同碳酸盐岩(石灰岩和白云岩)试片的侵蚀速率试验表明,外源水对灰岩的侵蚀速率在1000mm/ka数量级;而外源水对白云岩的侵蚀速率在100mm/ka数量级。且灰岩侵蚀速率对水动力条件的变化远较白云岩敏感,即流速增大时,灰岩溶解速率增加明显,而白云岩溶解速率仅有少量增加,反映出两种主要的碳酸盐岩在溶解速率控制机理上存在差异。
(2)温度:温度变化主要从两个方面产生影响,一是影响CO2在水中的溶解或逸出,从而改变了水溶液对碳酸盐岩的溶解能力;二是水溶液中各反应离子微粒所获得的环境活动能量发生变化,进而影响反应的进行和速率。
一些碳酸盐岩的溶解速度与温度的关系如表1-2。从表中可以看出:碳酸盐岩在不同温度时的溶解速度是不同的。白云岩溶解速度最大值有一部分出现在60℃,另一部分出现在40℃;而灰岩和大理岩溶解速度最大值是在40℃。高温(如80℃)或低温(如0.5℃)溶解速度均较低。可见,40~60℃这个温度段是岩溶发育的最有利的温度区间[23]。
表1-2 碳酸水中部分岩石的溶解速度(mg·cm-2·h-1)Table1-2 Dissolve velocity of some rock in carbonic acid water(mg·cm-2·h-1)
在自然界的开放系统中,温度和气候条件对碳酸盐岩溶解的影响还要复杂得多。现阶段所表现的中国南方岩溶比北方岩溶强烈,这是由于降水多和气候炎热所致,这两个因素影响岩石的溶解度,因为:它们使可溶岩更易风化和被溶蚀;易于促进细菌繁殖,分解碳水化合物和碳化物,产生大量CO2和水中的其他酸类;易于促进扩散和溶解。
Lahmann(1970)、Balaz(1973)和Bauer(1964)等人指出:潮湿热带地区,较高的土壤温度和繁茂的植物释放CO2的速度更快。在这些地区的土壤空气中,生物成因的CO2浓度比大气中的浓度大30~100倍。渗过土壤层的地下水,具有较高的侵蚀性,所以,湿热地区岩溶发育也更强烈。
(3)流速和浓度梯度:岩石的溶解作用总是首先在岩石和水接触的界面上开始的,显然,岩—水界面处的状态环境对溶解作用的进行起重要的控制作用。
碳酸盐离解生成的Ca2+和
岩水界面附近的密集离子层或局部饱和层主要在两种情况下被移疏开。如果水溶液是流动的,这些密集的离子或分子微粒将被水流携带疏开,同时在流动过程中,还由于水动力作用,溶质微粒还要在水流路线上向四周扩散开去,这种现象称为“水动力弥散”。显然,水流速越快,溶质的弥散迁移越显着,结果是使溶质的局部浓度被冲淡,如果水溶液的流动极其缓慢,那么溶质微粒在其离子或分子活性力影响下,也将从高浓度区沿浓度梯度方向向低浓度区运动,直到浓度梯度消失为止,这种现象称为离子或分子的“自身扩散”,亦即浓度效应,这也可以使岩水界面处的密集离子层或饱和层自动缓慢疏开。
1.1.2 地质构造与溶洞的发育
不同类型及不同性质的断裂、褶皱、节理等构造,其力学作用机制和岩石破碎程度不同。地质构造与溶洞发育的关系极为密切。实践表明,它不仅控制着溶洞发育的方向,而且还影响着溶洞发育的规模和大小。
1.1.2.1 断裂对溶洞发育的影响[8,28,29]
断裂构造使岩层产生大量裂隙,为岩溶水活动和溶岩作用提供了极为有利的条件。断裂性质、断层岩的胶结特性、裂隙发育程度、规模等,在一定程度上控制了溶洞的发育。野外调查和实践表明,溶洞常常沿着断裂破碎带发育,并具有以下一些特征:
(1)张性断裂带与溶洞的发育:因张性断裂带受拉张应力作用,张裂程度较大,断裂面较粗糙,裂口较宽,断层岩多为角砾岩、碎裂岩等,断层角砾岩的角砾棱角尖锐,大小混杂,结构疏松。断层岩粒径相差悬殊,胶结性差或未胶结,孔隙度高、透水性强、利于地下水的赋存、运移,常为岩溶水的有利通道,故通常岩溶作用和岩溶化程度最为强烈。沿断裂带发育的溶洞比较多,规模也比较大。
(2)压性断裂带与溶洞的发育:因压性断裂带受强烈的挤压应力作用,其宽度一般较大,特别是区域性的大断裂,破碎带的宽度有时可达数百米至一千米以上。压性断裂带的断裂面常平直、光滑,裂口闭合,多为碎裂岩、超碎裂岩和断层泥所组成,一般呈致密胶结状态,孔隙率低,透水性微弱,不利于岩溶水的流通,相对于其他类型的断层而言,其岩溶作用最弱,岩溶溶洞发育程度也最轻微。值得注意的是,有时在压性断裂带的上盘(或下盘)也可能出现强烈的岩溶溶洞发育现象。
(3)扭性断裂带与溶洞的发育:由于扭性断裂带受剪应力作用,既有岩石的细粒化,也存在次一级的构造裂隙。断裂面多陡倾或近直立,延伸较深较远,有利于岩溶水向纵深方向活动,故岩溶作用及溶洞发育的深度一般较大。
(4)构造节理和层间裂隙与溶洞的发育:这里所指的层间裂隙主要是在构造作用下,由于岩层层面之间的相对位移而产生的裂隙。当向斜轴部岩层总厚度为翼部岩层总厚度的数倍时,此种增厚在脆性岩层中常表现为层间裂隙的扩大,这就为溶洞的发育提供了良好的条件。实践表明,很多溶洞现象是沿节理及层面裂隙发育的。
(5)两组及多组断层交汇部位:在两组及多组断层交汇部位,将产生应力集中,岩石破碎较强烈。当交汇处岩层为厚层、质纯、性脆的灰岩时,各组裂隙倾角陡立,相互交切,从而大大提高了交汇部位岩石的孔隙度等,扩大了交汇部位的储运空间,有利于地下水的活动和岩溶的发育。从动力学和运动学看,两组断层交汇(多组断层交汇同理),包含有最大主应力轴σ1象限的两岩块通常发生相向运动,而包含最小主应力轴σ3象限的两岩块则发生相背运动。这样在交汇处,含有最小主应力轴σ3象限的两岩块间通常出现拉张空间,为地下水的运动和岩溶的发育提供了良好“空间”基础。
1.1.2.2 褶皱各部位溶洞的发育特征[8,30]
(1)背斜轴部是产生张应力的地方,张节理发育,在地形上往往处于山区分水岭地段,雨水或地表水沿这些节理裂隙作垂直运动,然后再向两翼或沿地质构造线方向运动,故岩溶多以落水洞、漏斗、洼地等为主,并具有与构造轴线一致的带状分布特征。在岩溶水运动系统中,此处一般属于补给部位。例如桂林猴山背斜轴部,为厚层—块状岩层碳酸盐岩,从褶皱的形成机制看,纵弯褶皱作用较易在转折端形成虚脱,为塌陷准备了至关重要的“空间”条件;从局部应力环境看,背斜转折端总体处于引张环境,在区域和局部应力共同作用下,一般形成一对斜向共轭剪节理和一组纵张节理,其中纵张节理沿枢纽平行发育,构成引张裂隙带,它是溶洞及其塌陷有利的构造带。
此外,背斜的剥蚀深度和地形也极为重要。当背斜剥蚀深度不大时,其轴部仍保留有大部分引张带的溶蚀破碎岩层,形成有利的储水空间,也有利于溶洞的发育;而向翼部和地下深处,构造环境转为挤压为主,裂隙逐渐闭合乃至消失,成为相对隔水环境,不利于溶洞的发育。
(2)向斜轴部在岩溶水运动系统中属聚水区或排泄区,岩溶水往往富集于轴部或循构造轴向流动,或向地表河流排泄。岩溶水运动的这一特征,再加上褶皱轴部较为发育的层间裂隙,就给向斜轴部岩溶水的水平运动创造了十分有利的条件。在这些部位往往形成较大的溶洞,甚至形成暗河。由纵弯褶皱作用形成的向斜变形特征与背斜大体相同,在区域和局部应力作用下,向斜核部发育一组斜向共轭剪理和一组与褶皱枢纽垂直的横张节理。同样,横张节理宽度大、裂面粗糙、充填性差,是储水和形成各种岩溶溶洞最为有利的裂隙类型。
(3)褶皱翼部在岩溶水运动系统中居于径流部位,流速大,水动力作用活跃,岩溶化程度强烈,尤以临近向斜轴部或河谷边缘地区更甚。在这一部位既发育有水平岩溶溶洞形态,也发育有与地表相联系的垂直岩溶溶洞形态。
(4)褶皱构造的转折端,常常形成各种节理裂隙,是岩溶溶洞发育的集中场所,往往形成大量的溶洞,其规模、形态各不相同。
(5)背斜倾伏端,褶皱的倾伏端,不但发育上面提到的剪节理和纵张节理,有时还发育横张节理,横张节理是岩层沿走向受到某种限制转为向下倾伏所派生的平行枢纽局部引张力的作用下形成的。该部位岩石常常破碎、裂隙较为发育,整个褶皱构造的地下水往往都将沿着张裂隙及层间裂隙向倾伏端富集。如果倾伏端地势低洼,则常形成地下水的排泄区,水岩作用更加充分,极易于溶洞的发育。
(6)向斜扬起端,岩层呈锨状翘起,褶曲幅度大、应力局部增强,各种裂隙特别是层间裂隙发育。如扬起端地势低洼,埋藏浅,常出现降落漏斗,地下(表)水汇集的良好场所,是岩溶溶洞的易发构造部位。
1.1.3 溶洞发育的影响因素
1.1.3.1 地形、地貌对溶洞发育的影响
岩溶丘陵山区与平原接壤的过渡地带、溶蚀堆积平原和丘陵地区的洼地、槽谷等地段,地面标高相对较低,容易长年积水,地下水径流强烈,有利于形成竖井、落水洞、溶洞等。
1.1.3.2 碳酸盐岩与非碳酸盐岩的空间位置对溶洞发育的影响[8]
由于碳酸盐岩层透水性相对较强,而粘土岩为不透水或为弱透水层。因此它们在空间位置上的不同排列,就构成了不同的地下水径流条件与不同的岩溶发育规律。
(1)产状平缓的灰岩,上覆不透水粘土岩时,因受粘土岩的阻隔,灰岩不能从垂直方向得到降水的直接补给,只能从水平方向得到地下水补给,因此岩溶溶洞一般不发育。只是在地表沟谷切割剧烈的情况下,在沟底下部及两侧产生较强的岩溶作用,形成溶洞。
(2)产状平缓的灰岩,下伏不透水粘土岩,当二者的接触面高于邻近的河水面时,由于岩溶水受粘土岩的阻隔,灰岩与粘土岩的接触面上,常有岩溶泉以悬挂的形式,出露在河谷斜坡之上。
(3)陡倾或直立产状的灰岩与砂页岩相间排列时,两者的接触带是岩溶水动力现象最活跃的场所,岩溶作用强烈,常在这些接触带附近形成一系列的溶洞、落水洞、漏斗等岩溶现象。
1.1.3.3 地壳运动对溶洞发育的影响
现代地壳运动的表现之一是间歇性升降运动,相应地引起侵蚀基准面的变化。当岩溶地区上升时,基准面相对下降,地下水随着向下溶蚀,岩溶水垂直循环带变厚,发育垂直的岩溶形态。在地壳活动相对稳定时期,岩溶水向当地主要基准面排泄,水平运动强烈,长期稳定在一定高程内,形成较大的水平溶洞。地壳的间隙性上升,造成侵蚀基准面的改变,岩溶水适应其变化,形成了溶洞成层发育现象。侵蚀基准面的改变促使河流阶地的发育,因此阶地与成层分布的溶洞往往对应发育,每一层溶洞的高度与某一级阶地的高度相当。例如,桂林漓江底部由于多次的地壳运动,形成了三层高度不同的水平溶洞。
1.1.3.4 气候条件的影响
气候对岩溶发育的影响也很大,我国广西、贵州、云南以及华南各省为亚热带、热带气候,降水量大、降水季节长,因此岩溶发育比较强烈。我国华北各省如河北、山西以及辽宁为半干旱半湿润气候,降水量小、降水季节较短,地表径流与地表可溶岩接触时间较少、较短,地下径流与可溶岩接触时间较长,地表岩溶一般发育微弱,而地下岩溶较为发育,常有大型岩溶泉出露,如山西省的一些岩溶泉。而西北和内蒙古一带,气候干旱,岩溶发育就较微弱。
1.1.3.5 水文条件对溶洞发育的影响
一般来说,较大规模的溶洞主要分布在河流岸边及其中上游地区,如广西桂林位于漓江中上游地区,发育有大量的大型溶洞,漓江底部发育有三层溶洞。这是由于在水系发育地带,河流流域多是下切较深的谷地,在岸边地带地下水水力梯度大,水交替强烈,并有外源地表水和远处地下水的补给。外源水不但从水量上增强降水的作用,而且来自非岩溶地区的水具有较低的碳酸盐饱和度,对碳酸盐介质溶蚀和侵蚀能力强。远离水系相对水力梯度变小,汇水面积小,岩溶作用相对较弱,一般发育的溶洞规模也较小。在河流的中上游地区地势较高,河流切割深度大,常常导致梯度较大的水动力条件,有利于岩溶作用,常形成规模较大的溶洞及地下河。另外,中上游地区地形变化小,溶蚀洼地和岩溶谷地发育,降水主要汇入这些负地形中补给地下水,有利于形成集中径流,也形成较大规模的溶洞。下游地区是山地、丘陵向平原的过渡带,地形坡度小,地表沟谷发育,降水主要形成地表径流排泄,不利于形成大的溶洞。
‘贰’ 什么是溶洞溶洞形成的原因是什么
在我们的生活中有很多的景区,特别是溶洞,特别引人注目,也让人叹为观止,因为这些溶洞是非常漂亮并且也是非常精湛的,可以说是大自然的鬼斧神工,而溶洞是一些可溶性岩石在经过喀什的作用之后所形成的一种地下溶洞,并且这些溶洞的形状都是经过风化或者是地下水冲刷而形成的,长期一种溶蚀形成的结果。因为这些溶洞中的主要物质就是石灰岩在受空气中的一些物质所作用之后,转化为的碳酸氢钙,由于各层岩石的构造以及硬度不相同,所以长期空气以及地下水以及微生物的作用则会形成一种熔蚀性的空洞地下空间。而形成溶洞,主要是由于喀斯特作用。而我国各地的溶洞景观非常的多,可以说这些景观是大自然赋予我们的一种奇特的景观。
‘叁’ 水滴石穿到底是化学变化还是物理变化
“水滴石穿”是一句成语,意思是“水不停地滴下来,能把下面的石头滴穿”。比喻力量虽小,但功到自然成。 水滴能石穿的原因不止一种,有的是物理变化造成的,有的是化学变化造成的。 水滴石穿的一种原因是水从高处滴落,其冲击力比较大,冲击力给石头带来磨损,水滴日复一日、年复一年,一滴一磨,石头就被磨穿了。这一过程是物理变化,只是石头的形状发生了变化,没有产生新的物质。 水滴石穿的另一种原因是由于空气中含有的二氧化碳与水的共同作用。二氧化碳溶于水而生成碳酸,所以水滴实际上是具有弱酸性的碳酸溶液。当水滴落在石灰石、大理石这一类石块上时,碳酸就会与石块中的主要成分碳酸钙发生化学反应,生成能溶于水的碳酸氢钙,使石块局部缓慢溶解并流失。
溶洞现象就是水滴石穿的一个典型例子。这个现象大家很熟悉,不多说。还有一种原因是受酸雨的腐蚀。 溶洞给人以神秘,梦幻的色彩,千姿百态的钟乳石﹑石笋﹑石幔和石花都给人以美的感受。神奇的是,他们竟在悄悄的游走,长高,变小,可生物学上已经否定钟乳石等是生物的命题。而今天,我要讨论的角度不同,从化学角度分析钟乳石的不断变化和不同姿态的形成,破解溶洞的形成。 溶洞中构成乳石的是石灰岩,而石灰岩的性质与大理石,石灰石相似,主要成分为碳酸钙(CaCO3),而钟乳石一系列变化的产生原因来源于主要成分碳酸钙的一系列变化。 所以,我们不得不探究的是碳酸钙的性质。
CaCO3碳酸钙有这样一种性质:当它遇到溶有CO2的水时就会变成可溶性的碳酸氢钙[Ca(HCO3)2]其化学反应式为:CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2 溶有碳酸氢钙的水如果受热或遇压强突然变小时溶在水中的碳酸氢钙就会分解,重新变成碳酸钙沉积下来,并同时放出二氧化碳:Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O 可见溶洞中的各种景象的形成是遵循这两条反应的。CaCO3在两条反应中分解又析出,不断发生上述反应,就形成了溶洞中各种奇异的,游走变化的乳石。 参观过溶洞的人不难发现,乳石互不相依,上面的图案各不相同,十分有层次感,像层层云朵。若仅考虑上文提出的两条反应是无法解释这一现象的。
接下来在已提出的两反应的基础上,让我们探讨乳石的层层叠叠,图案各异的效果是如何形成的。而雕琢这幅杰作的大师是石灰石地区地下长期溶蚀的结果。 石灰岩里不溶性的碳酸钙受水和二氧化碳的作用能转化为微溶性的碳酸氢钙。由于石灰岩层各部分含石灰质多少不同,被侵蚀的程度不同,(即参与反应的CaCO3的量不同)就逐渐被溶解分割成互不相依、陡峭秀丽,层层叠叠的山峰和奇异的溶洞。例如于世的桂林溶洞、北京石花洞,就是由于水和二氧化碳的缓慢侵蚀而创造出来的杰作。 分情况来说,还是遵循着两条反应的,只是溶有碳酸氢钙的水,当从溶洞顶滴到洞底时,由于水分蒸发或压强减少,以及温度的变化都会使二氧化碳溶解度减小而析出碳酸钙的沉淀。这些沉淀经过千百万年的积聚,渐渐形成了钟乳石、石笋等。如果溶有碳酸氢钙的水从溶洞顶上滴落,随着水分和二氧化碳的挥发,则析出的碳酸钙就会积聚成石幔、石花。如若洞顶的钟乳石与地面的石笋连接起来,就会形成奇特的石柱了。总结来说,石灰岩中CaCO3的不断反应溶解,不断析出,再加上水和二氧化碳的缓慢侵蚀以及外界环境提供的不同反应条件,都联手打造出溶洞这美丽的奇迹。 趣味化学实验——溶洞的形成模拟实验 原料 磷酸三钠(晶体)、三氯化铁(晶体)、氯化铜(晶体)、胆矾(晶体)、明矾(晶体)、硫酸镁(晶体)、蒸馏水等。 仪器设备 天平、粗铁丝、塑料镂孔隔板、镊子、烧杯(1000mL)、药匙等。 原理 5%磷酸三钠溶液能与多种晶体盐表面形成具有半透膜性质的难溶盐,将晶体放在瓶中生长液的顶端,在重力的作用下使晶体表面的难溶盐从上往下生长。
操作步骤
1、将配制好的 5%磷酸三钠溶液倒入标本瓶内静置,备用。
2、将固定有晶体的支架,轻轻放在步骤 1 标本瓶的液面上方,观察奇妙的实验现象。
‘肆’ “水滴石穿”是物理变化还是化学变化
水滴石穿”是一句成语,意思是“水不停地滴下来,能把下面的石头滴穿”。比喻力量虽小,但功到自然成。我在这里整理了相关资料,希望能帮助到您。
“水滴石穿”是物理变化还是化学变化?
水滴能石穿的原因不止一种,有的是物理变化造成的,有的是化学变化造成的。
水滴石穿的一种原因是水从高处滴落,其冲击力比较大,冲击力给石头带来磨损,水滴日复一日、年复一年,一滴一磨,石头就被磨穿了。这一过程是物理变化,只是石头的形状发生了变化,没有产生新的物质。
水滴石穿的另一种原因是由于空气中含有的二氧化碳与水的共同作用。二氧化碳溶于水而生成碳酸,所以水滴实际上是具有弱酸性的碳酸溶液。当水滴落在石灰石、大理石这一类石块上时,碳酸就会与石块中的主要成分碳酸钙发生化学反应,生成能溶于水的碳酸氢钙,使石块局部缓慢溶解并流失。
溶洞现象就是水滴石穿的一个典型例子。这个现象大家很熟悉,不多说。还有一种原因是受酸雨的腐蚀。
溶洞给人以神秘,梦幻的色彩,千姿百态的钟乳石﹑石笋﹑石幔和石花都给人以美的感受。神奇的是,他们竟在悄悄的游走,长高,变小,可生物学上已经否定钟乳石等是生物的命题。而今天,我要讨论的角度不同,从化学角度分析钟乳石的不断变化和不同姿态的形成,破解溶洞的形成。
溶洞中构成乳石的是石灰岩,而石灰岩的性质与大理石,石灰石相似,主要成分为碳酸钙(CaCO3),而钟乳石一系列变化的产生原因来源于主要成分碳酸钙的一系列变化。
所以,我们不得不探究的是碳酸钙的性质。
CaCO3碳酸钙有这样一种性质:当它遇到溶有CO2的水时就会变成可溶性的碳酸氢钙[Ca(HCO3)2]其化学反应式为:CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2
溶有碳酸氢钙的水如果受热或遇压强突然变小时溶在水中的碳酸氢钙就会分解,重新变成碳酸钙沉积下来,并同时放出二氧化碳:Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O
可见溶洞中的各种景象的形成是遵循这两条反应的。CaCO3在两条反应中分解又析出,不断发生上述反应,就形成了溶洞中各种奇异的,游走变化的乳石。
参观过溶洞的人不难发现,乳石互不相依,上面的图案各不相同,十分有层次感,像层层云朵。若仅考虑上文提出的两条反应是无法解释这一现象的。
接下来在已提出的两反应的基础上,让我们探讨乳石的层层叠叠,图案各异的效果是如何形成的。而雕琢这幅杰作的大师是石灰石地区地下长期溶蚀的结果。
石灰岩里不溶性的碳酸钙受水和二氧化碳的作用能转化为微溶性的碳酸氢钙。由于石灰岩层各部分含石灰质多少不同,被侵蚀的程度不同,(即参与反应的CaCO3的量不同)就逐渐被溶解分割成互不相依、陡峭秀丽,层层叠叠的山峰和奇异的溶洞。例如于世的桂林溶洞、北京石花洞,就是由于水和二氧化碳的缓慢侵蚀而创造出来的杰作。
分情况来说,还是遵循着两条反应的,只是溶有碳酸氢钙的水,当从溶洞顶滴到洞底时,由于水分蒸发或压强减少,以及温度的变化都会使二氧化碳溶解度减小而析出碳酸钙的沉淀。这些沉淀经过千百万年的积聚,渐渐形成了钟乳石、石笋等。如果溶有碳酸氢钙的水从溶洞顶上滴落,随着水分和二氧化碳的挥发,则析出的碳酸钙就会积聚成石幔、石花。如若洞顶的钟乳石与地面的石笋连接起来,就会形成奇特的石柱了。总结来说,石灰岩中CaCO3的不断反应溶解,不断析出,再加上水和二氧化碳的缓慢侵蚀以及外界环境提供的不同反应条件,都联手打造出溶洞这美丽的奇迹。
接下来我就给大家分享一个趣味化学实验——溶洞的形成模拟实验
原料
磷酸三钠(晶体)、三氯化铁(晶体)、氯化铜(晶体)、胆矾(晶体)、明矾(晶体)、硫酸镁(晶体)、蒸馏水等。
仪器设备
天平、粗铁丝、塑料镂孔隔板、镊子、烧杯(1000mL)、药匙等。
原理
5%磷酸三钠溶液能与多种晶体盐表面形成具有半透膜性质的难溶盐,将晶体放在瓶中生长液的顶端,在重力的作用下使晶体表面的难溶盐从上往下生长。
操作步骤
1、将配制好的 5%磷酸三钠溶液倒入标本瓶内静置,备用。
2、将固定有晶体的支架,轻轻放在步骤 1 标本瓶的液面上方,观察奇妙的实验现象。
现在的学生学习压力很大,很少有机会到大自然去接触到真实的溶洞,所以通过在实验室中模拟出溶洞的形成过程,可以培养学生学习化学的兴趣,同时可以促进学生对于化学知识的了解与应用。
八张图搞清高考化学知识框架
‘伍’ 滴水石穿是化学变化还是物理变化
物理变化肯定有,石块在水滴的打击下会有磨损。一滴水带来的质量损失可以忽略不计,但时间是把杀猪刀,日复一日,年复一年,天长日久石块的形状就会发生明显的改变。由于在磨损的过程中,石块只是形状变化,并没有新物质生成所以属于物理变化。
至于有没有化学变化,得看是什么材质的石块,如果是以硅酸盐为主的石块,由于硅酸盐化学性质稳定,可以认为没有化学变化,如花岗岩中SiO2含量多在70%以上(我们通常说的沙子主要成分也是SiO2)。
如果是以碳酸钙为主的石块,由于空气中的二氧化碳溶于水生成碳酸,所以水滴实际是具有弱酸性的碳酸溶液,当水滴在含有较多碳酸钙的大理石、石灰石这类石块上时,发生化学侵蚀,生成可溶的碳酸氢钙,这个过程有新物质生成,当然属于化学变化了。
另外,水滴不仅可以穿石,条件适宜时水滴还可以成石,如在溶洞中的钟乳石就是遇热或当压强突然变小时,溶解在水里的碳酸氢钙分解。
(5)溶洞中会有什么物理现象扩展阅读
物理变化:变化时没有其他物质生成的变化。
化学变化:变化时生成其他物质的变化。
依据变化中“是否生成其他物质”这一本质特征,可以区别物理变化和化学变化。“生成其他物质”是判断化学变化的唯一依据。
而变化过程中所伴随的现象,如发光、放热、颜色变化、放出气体、生成沉淀等,只起到一定的辅助作用,不能作为判断化学变化的依据。
例如,冰→液态水→水蒸气,是同一物质的三种状态变化,变化过程中水本身并没有变成其他物质,属于物理变化。
物理变化有三种常见形式:
1、状态的改变(固、液、气三态的变化);
2、形状的改变;
3、某种能量形式的改变(如物理学中通过传导、对流以及辐射形式改变物质的温度)。
例如,教室里电灯通电发光并放热就是电能转化为光能和热能,属于物理变化;而手电筒里灯泡发光是电池中的化学能转化为电能再转化为光能,则属于化学变化。
‘陆’ 溶洞形成的原因是什么有什么原理
溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果,相信很多朋友都欣赏过溶洞,但是溶洞的形成一般人都不了解,以下是由我整理关于溶洞形成的原因的内容,希望大家喜欢!
溶洞形成的原因
岩溶作用所形成的空洞的通称。
CaCO3碳酸钙有这样一种性质:当它遇到溶有CO2的水时就会变成可溶性的碳酸氢钙[Ca(HCO3)2] CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2 溶有碳酸氢钙的水如果受热或遇压强突然变小时溶在水中的碳酸氢钙就会分解,重新变成碳酸钙沉积下来。同时放出二氧化碳。 Ca(HCO3)2 =CaCO3↓+CO2↑+H2O 在自然界中不断发生上述反应于是就形成了溶洞中的各种景观。
如闻名于世的桂林溶洞、北京石花洞,它们就是由于水和二氧化碳的缓慢侵蚀而创造出来的杰作。溶有碳酸氢钙的水,当从溶洞顶滴到洞底时,由于水分的蒸发或压强减少,以及温度的变化都会使二氧化碳溶解度减小而析出碳酸钙的沉淀。这些沉淀经过千百万年的积聚,渐渐形成了钟乳石、石笋等。如果溶有碳酸氢钙的水从溶洞顶上滴落,随着水分和二氧化碳的挥发,则析出的碳酸钙就会积聚成钟乳石、石幔、石花。洞顶的钟乳石与地面的石笋连接起来了,就会形成奇特的石柱。
在自然界,溶有二氧化碳的 雨水 ,会使石灰石构成的岩层部分溶解,使碳酸钙转变成可溶性的碳酸氢钙。
CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2
当受热或压强突然减小时溶解的碳酸氢钙会分解重新变成碳酸钙沉淀
Ca(HCO3)2=CaCO3↓+CO2↑+H2O
大自然经过长期和多次的重复上述反应。从而形成各种奇特壮观的溶洞,如桂林的七星岩、芦笛岩、肇庆的七星岩、宜春的竹山洞等。在溶洞里,有千姿百态的钟乳和石笋,它们是由碳酸氢钙分解后又沉积出来的碳酸钙形成的。
天然河水或井水中,常常含有碳酸氢钙、碳酸氢镁、硫酸钙、硫酸镁等杂质,如果含量较大,则这种水叫做硬水。硬水不宜作工业用水,因它在锅炉中受热分解会形成锅垢,造成导热不良,浪费燃料,甚至酿成事故。硬水也不宜饮用,如长期饮用,会患消化系统和泌尿系统疾病。用硬水洗涤衣物,洗涤效果差。
岩溶指可溶性岩石,特别是碳酸盐类岩石(如石灰岩、石膏等),受含有二氧化碳的流水溶蚀,有时并加以沉积作用而形成的地貌。往往呈奇特形状,有洞穴、石芽、石沟、石林、溶洞、地下河也有峭壁。此种地貌地区,往往奇峰林立。
我国广西、云南、贵州等地有这种地貌。着名的桂林山水所呈现的奇峰异洞就是这样形成的。
旧称喀斯特,源于前南斯拉夫的一个地名。
地表水在运动过程中对所经过的沉积物或岩石有着重要的侵蚀作用,既包括水动力作用下的碎屑物搬运,又包括水对岩石或沉积物的化学溶蚀作用,还包括碎屑物在搬运过程中的磨蚀作用。喀斯特地貌就是地下水对碳酸盐岩侵蚀作用的结果。在水流作用下,形成陡峭的海岸、弯曲的沟壑、高高的冰蚀悬谷、气势磅礴的大峡谷。“滴水穿石”也是水的化学侵蚀作用的写照。
溶洞的主要分类
按其发育演化,岩溶可分出以下6种。
1)地表水沿灰岩内的节理面或裂隙面等发生溶蚀,形成溶沟(或溶槽),原先成层分布的石灰岩被溶沟分开成石柱或石笋.
2)地表水沿灰岩裂缝向下渗流和溶蚀,超过100m深后形成落水洞。
3)从落水洞下落的地下水到含水层后发生横向流动,形成溶洞。
4)随地下洞穴的形成地表发生塌陷,塌陷的深度大面积小,称坍陷漏斗,深度小面积大则称陷塘。
5)地下水的溶蚀与塌陷作用长期相结合地作用,形成坡立谷和天生桥。
6)地面上升,原溶洞和地下河等被抬出地表成干谷和石林,地下水的溶蚀作用在旧日的溶洞和地下河之下继续进行。云南路南的石林是上述第一阶段(溶沟阶段)的产物,这里的自然风光因阿诗玛姑娘的动人 传说 而变得格外旖旎。桂林的象鼻山,则是原地下河道出露地表形成的。在广西境内,经常可看到这种抬升到地表以上的溶洞,俗称“神女镜”或“仙女镜”。
溶洞的摄影技巧
溶洞摄影需事先做好准备。
最好选用带有内测光的单反照相机,口径越大越好,若能使用带广角的变焦镜头最好。要准备一只手电筒,用来提供照明以便操作。
溶洞内一般有装饰灯,所以摄影时要注意避免灯光直射镜头,并使用镜头遮光罩。
‘柒’ 溶洞的相关知识
大自然的景观千奇百怪,有许多奇妙的景观。例如,杭州的瑶琳仙境,宜兴的张公洞、善卷洞,桂林的七星岩、芦笛岩……这些溶洞都是旅游胜地。到过这些溶洞的人都不会忘记那千姿百态的石钟乳、石笋和石柱,不会忘记那宽敞高大的洞穴、曲折迂回的通道。人们不仅喜欢这些溶洞,更关心那些引人入胜、宛如地下龙宫的溶洞的形成原因。
溶蚀说
过去人们有一种看法,就是这些溶洞是地下水沉淀和溶蚀的结果。虽然溶洞都是十分坚硬的碳酸盐质岩石,但由于长期沉浸在地下水中,因此被溶解,特别是当水中含有二氧化碳时,其溶解速度更加迅速。这样,一年又一年,坚硬的岩层就会被溶蚀出一个个洞穴。当溶有石灰质的地下水再次滴入洞中时,由于环境中压力、温度的变化,使水中的二氧化碳逸出,从而降低了水对石灰质的溶解力。这样,原本溶解在水中的部分石灰质会因为过于饱和而沉淀析出,长时间的累积就会形成一根根形态各异的石钟乳、石柱和石笋。
“生物建造”新理论
不久前这种传统的观点受到了中国科学家的挑战。经过5年的考察,中国溶洞科学家发现,溶洞的形成和藻类生物有着十分密切的关系,并在此基础上提出了溶洞形成的“生物建造说”新理论。生物建造学认为,虽然溶洞的洞穴空间的形成和水的溶蚀作用相关,但溶洞里那些千奇百怪的石钟乳、石笋和石柱的形成,应该主要是由藻类生物在漫长的地质岁月中逐渐建造起来的,然后经过后来的石化作用,才形成今天的面貌。
藻类的贡献
生物建造说认为,藻类是一种地球上最早出现、到现在依然广泛分布的原始植物,它们与其他植物一样具有光合作用的能力和趋光生长的特性。因为它们在生长发育过程中会分泌钙质,可以收集、粘结微细的石灰质颗粒,而溶洞中的石钟乳几乎都是迎着光线向上弯曲生长的,这符合藻类的趋光生长的特性。石钟乳、石笋内部还有像树木年轮一样的同心圆状构造,这又可以理解为是藻类生物逐年生长,分泌、收集和粘结石灰质微粒的结果。另外,在有些溶洞的岩石中还找到了近似古代藻类生物的层状化石结构;在有些溶洞的表层,还发现至今依然生长着的多种多样的藻类生物。
‘捌’ 溶洞有各种各样的形态,它到底是怎么形成的
溶洞的形成是水对碳酸盐岩溶蚀、侵蚀作用,重力崩塌作用和水的搬运作用共同作用的结果。溶蚀作用是水中微弱的碳酸与碳酸钙在一定的温度和压力条件下产生化学反应,形成溶解于水中的钙离子和重碳酸根。此反应是可逆的,其条件就是温度和压力。侵蚀作用是水流动产生的机械能对岩石的破坏作用。
由于形成钟乳石的水动力不同及其沉积部位的不同,形成了各种不同的类型,主要有:石钟乳、石笋、石柱、鹅管、石旗、石盾、石帘、卷曲石、边石、云盆、钙板、穴珠、晶花等,以及它们的组合形态。
‘玖’ 溶洞是怎么形成的
在上“二氧化碳的性质”一节给学生介绍溶洞的形成时,由于教学条件所限,没有相应的资料片,我就让学生回想开春时房檐上形成的“冰溜子”或水滴在地上逐渐形成“冰柱”的现象,就可以理解溶洞内钟乳石、石笋、石柱的形成过程。(只是“冰溜子”形成是由于温度变化引起的,而“溶洞”的形成是由于溶有碳酸氢钙的水受热或压强变小时发生分解反应而形成的。)请同学们想一想,我们的生活中还有哪些现象与这个相似?这时有位同学问:“老师,语文课上老师讲过‘水滴石穿’这个成语,它的形成和你所说是完全不同的一回事呀?”这时有位同学说:“‘水滴石穿’的‘水’指的是房檐流下的夏天的雨水和老师说的‘水’是不同的。”另一位同学说:“对,老师说的是地下水,是溶有碳酸氢钙的水,是和雨水根本不同的。”
这时我想:应该利用这个问题,调动学生自主运用所学知识积极提出问题、思考问题、解决问题的好时机。于是就说:“这个问题同学们问的很好,而且刚才两位同学的解答也很有见地,下面请同学们分组进一步讨论,如何从我们所学过的理论知识中
寻找正确的答案?”经过讨论有的小组说:“这两种水是不同的,溶洞中的水是地下水,它里面溶有碳酸氢钙,碳酸氢钙经过反应后,由它的生成物形成了钟乳石,是一个化学变化;‘水滴石穿’的水是雨水,它滴在石头上,就象人用一个小铁锤敲石头一样,天长日久,石头被击穿了,是一个物理变化。”有的小组反驳说:“这两个现象都是化学变化,溶洞中的水是地下水,溶有碳酸氢钙,碳酸氢钙经过分解反应后生成碳酸钙形成了钟乳石,而雨水中溶有二氧化碳形成了碳酸,它又与石头中的碳酸钙发生化合反应,生成了可溶性的碳酸氢钙,时间久了,石头被溶解而形成了一个小洞的。”也有的小组说:“我们认为溶洞的形成是地下水中溶有的碳酸氢钙分解后形成的,是个化学变化,但‘水滴石穿’应是既有物理变化——雨水的敲打作用,又有化学变化——碳酸水的溶解原因,应该说是这两种变化综合作用的结果。”通过讨论,同学们的意见逐步统一为第三种结论。
这时,下课铃声响了,同学们的脸上都露出了愉快的笑容。