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2019-06-02地理課沒上的喀斯特地形秘密檔案 594 期

Author 作者 李紅春/臺灣大學地質科學系 教授。

從化學式的左左右右 看石灰岩如何形成特殊景觀
大多數石灰岩地層是在上億年前的海洋環境形成,經地殼運動抬升到地表,在長期溶蝕、侵蝕風化、構造擠壓、 崩塌斷陷等地質作用下塑造出各種地貌形態。石灰岩的主成分──碳酸鈣(CaCO3),其溶解和沉澱過程可透過下列化學反應式表達,該式可向兩個方向進行:往右是石灰岩被水溶解變成離子而被帶走,往左則是碳酸鈣從水中沉澱出來,形成各種石灰岩洞穴中的沉積。


CaCO3+CO2+H2O⇌Ca2++2HCO3-

一般而言雨水的 pH值小於 7,在溶解土壤和大氣中的二氧化碳(CO2)後更低,足以溶解碳酸鈣。而當地表水滲入石灰岩層溶解大量碳酸鈣後,便形成 CaCO3 過飽和溶液,而當此溶液封閉在岩石中,會使其中的 CO2無法 逃逸。因此,下滲的岩溶水進入洞穴後為與洞穴大氣壓平衡,會從溶液中釋出 CO2,造成上述反應式向左進行, 使碳酸鈣從中沉澱出來。

當然,水分蒸發也同樣會使反應式向左,發生碳酸鈣沉澱,但這種情況下,就不是所謂的平衡反應。平衡反應要求反應速度足夠慢,CO2釋出形成碳酸鈣沉澱,這對科學上利用石筍(在洞穴中從地上向上生長的石灰岩) 獲取古氣候和古環境信息來說是非常重要的。

什麼樣的條件下可以得到喀斯特地形呢?

通常只要是含有石灰岩的地區,就可以形成喀斯特地形。 世界上有很多國家都有典型的喀斯特地形,例如:歐洲 的奧地利、斯洛伐克、義大利、法國、羅馬尼亞、斯洛維尼亞及亞洲的中國、越南等。該地形從熱帶到寒帶皆有分布,而不同的石灰質母岩所形成的喀斯特地形也不同。碳酸鹽母岩,主要以石灰岩(limestone,即碳酸鈣) 和白雲岩(dolomite,即鈣鎂碳酸鹽)這兩種岩石為主, 前者相比後者更容易被地表水溶蝕,形成的喀斯特地形更為突出和典型。

氣候對喀斯特地形的形成也至關重要。一方面多雨的熱帶地區提供了豐沛的地表水溶蝕石灰岩,下滲到岩層中 溶蝕形成地下溶洞;另一方面,繁茂的植被腐解後會分解大量CO2,炎熱潮濕的氣候使得細菌作用旺盛,石灰岩溶蝕更加強烈。因此,熱帶和亞熱帶的喀斯特地形通常起伏明顯,如:越南北部和廣西南部的喀斯特地形。

除了氣候和母岩性質對喀斯特地形造成影響,還存在一個重要的因素──構造活動和時間。通常構造抬升強烈的地區,造成地表下切的速度也較快,容易形成喀斯特地貌;而經過侵蝕風化時間越久的石灰岩地區,喀斯特地貌發育越久。以貴州省興義市的萬峰林(圖一)為例, 納灰河途經的村莊和八卦田的一線盆地是古老斷層通過的地方,靠近斷層一帶多為孤峰聳立的峰林地貌,向西北方向的高原則多為峰峰相連的峰叢地貌,侵蝕不如東南邊的峰林地區。......【更多內容請閱讀科學月刊第594期】