溶洞是如何形成的?

中国是个多溶洞的国家,尤以广西境内的溶洞著称,如桂林的七星岩、芦迪岩等。当然北京西南郊周口店附近的上方山云水洞,深有612m,有七个“大厅”被一条窄长的“走廊”相连,洞的尽头是一个硕大的石笋,美名十八罗汉,石笋背后即是深不可及的落水洞。周口店的龙骨洞,规模虽不大,却是我们老祖宗的栖身地,自然有特殊的意义。不仅陆地上有溶洞,海上也有溶洞。最大的海底溶洞是巴哈马大蓝洞。如果你看到过溶洞的奇景,在为溶洞中形态各异的石笋和钟乳石而惊叹时,可能不禁就会思考一个问题,溶洞到底是如何形成的。

溶洞的形成是石灰岩地区地下水长期溶蚀的结果。石灰岩层是先决条件,石灰岩的主要成分是碳酸鈣(CaCO3)。石灰岩等碳酸盐岩,对于普通水来说几乎是不可溶的,这就是我们能看到他们形成石头的原因。但是当溶有一定浓度二氧化碳的水冲击石灰岩时,会发生反应CaCO₃+CO₂+H₂O=Ca(HCO₃)₂生成碳酸氢钙。碳酸氢钙可溶于水,当这种水在地下深处有一定压力时,溶解度更大。灰岩中的钙被水溶解带走,形成空洞。溶洞的形成不仅有溶蚀作用,还有沉析作用。溶于水中的碳酸氢钙遇热或外界二氧化碳浓度变小时,碳酸氢钙就会发生分解反应Ca(HCO₃)₂=CaCO₃ + CO₂↑+H₂O,重新生成碳酸钙沉积下来,同时放出二氧化碳。洞顶的水在慢慢向下渗透时,水中的碳酸氢钙发生上述反应,因此有的碳酸钙沉积在洞顶,有的碳酸钙沉积在洞底,洞顶的形成钟乳石,洞底的形成石笋,当钟乳石与石笋相连时就形成石柱。

只要我们计算出CaCO₃+CO₂+H₂O≒Ca(HCO₃)₂的平衡常数,我们就可以估算出碳酸钙的搬运程度。上述反应可以成三个依次反应,第一步为CaCO₃≒Ca2++CO₃2-,其平衡常数为碳酸钙的离子积常数Ksp(CaCO₃)。第二步为H₂CO₃≒H++HCO₃¯,平衡常数为碳酸的一级电离Ka1(H₂CO₃>)。第三步为H++CO₃²¯=HCO₃¯,平衡常数为碳酸二级电离常数的倒数1/Ka2(H₂CO₃)。因此总的平衡常数K=Ksp(CaCO₃)×Ka1(H₂CO₃)÷ka2(H₂CO₃),代入数据计算得到K≈4×10-5。根据101kPa,25℃时空气中0.3%的二氧化碳在水中的浓度是约为10-4mol/L。利用钙离子和碳酸氢根离子的浓度为1:2, 可以得出碳酸氢钙的浓度约为10¯³mol/L。

因此,从上面计算来看,石灰岩的溶解仍是十分微弱的,是肉眼所难于察觉的。但经历漫长的地质岁月以后,就可以水滴石穿,在石灰岩地区形成规模极其宏大的各种岩溶地形。如溶沟、溶槽、溶蚀漏斗、溶蚀湖、暗河、溶洞等等。此外,还要考虑二氧化碳压力对碳酸氢钙溶解度的影响。压强越大,溶解度越大,因此碳酸钙的沉积速度其实取决于不同区域二氧化碳的浓度差。有人曾对桂林龙隐岩的钟乳石作过测定,发现每年平均仅长2厘米。

当然实际情况要复杂得多。比如,由于滴水的石缝被析出的石钟乳所堵塞,或者由于地壳运动,使得地形、水流以及渗水的通道发生了变化,致使水的滴落方向、速度、水量也随之发生变化,结果,有些才生长到一半的石钟乳和石笋不再继续生长了,这样又在边上长新的钟乳石和石笋……当然,这些变化后形成的钟乳石、石笋和石柱相互交错、叠接,便构成了令人叹为观止的各种瑰异的景观。 

由于含碳酸钙的很多石头用于建筑,比如大理石地板,墙面等等,会不会在潮湿的天气下这些石头就会出现溶蚀吗(不考虑酸雾酸雨地区)?通过上述计算可以得出,空气二氧化碳饱和的水不会明显溶掉大理石地板。反而这个反应的逆过程,即碳酸氢钙分解,在通常情况下很容易发生。