横断山东缘的奇异喀斯特

供图 范晓

策划 本刊编辑部

撰文 范晓

黄龙国家级风景名胜区管理局供图

海拔5588 米的岷山主峰雪宝顶（图片中部的白色金字塔形山峰）。九寨沟、黄龙即位于雪宝顶的北侧，雪宝顶周边还有牟尼沟等(范晓 摄)

岷山式喀斯特

广布于桂、黔、滇、川、湘和鄂诸省的中国南方喀斯特（如桂林山水、云南石林和重庆武隆等）是世界上最壮观的喀斯特景观带之一，它的一些典型景观地已经被列入《世界自然遗产名录》，因而受到广泛关注。

但以九寨沟、黄龙为代表的钙华景观，则向人们展开了一幅横断山东缘高寒山区另类喀斯特的奇异画卷。早在1992 年，九寨沟、黄龙就被列入《世界自然遗产名录》。

九寨沟、黄龙的奇异景观，分布在世界屋脊——青藏高原东缘的岷山山脉之中。其实不仅仅是在岷山山脉，在青藏高原横断山区的东缘，从北到南，也有一条壮观的钙华景观带，仿佛世界屋脊边缘的瑰丽花环。由于在九寨沟、黄龙所处的岷山山区这类钙华景观最发育、最典型，有专家将其称之为“岷山式喀斯特”。

标新立异的岷山式喀斯特，完全“逆反”了中国南方喀斯特。

桂林山水。中国南方喀斯特，地表有大规模的峰丛、峰林、石林和天坑等溶蚀地貌(范晓 摄)

中国南方喀斯特的洞穴沉积，广西鹿寨喀斯特溶洞里的钙华池(范晓 摄)

中国南方喀斯特，地表有大规模的峰丛、峰林、石林和天坑等溶蚀地貌；同时，地下也存在大规模的溶洞群；石灰岩被溶蚀后，在一定的条件下，还会以钙华的形式重新沉积。在华南，钙华主要沉积在地下的洞穴里，形成光怪陆离的钟乳石、石笋、石柱、石花和钙华池等。

而九寨沟、黄龙所在的岷山，地表主要为冰川侵蚀、高山物理风化形成的石灰岩山地，地下深处有大量的石灰岩被溶蚀，还有一些石灰岩被溶蚀后再沉积为钙华，但这些溶蚀主要不是堆积在地下洞穴，而是都“跑到”地表来了——在地面上形成大规模的钙华滩、钙华池、钙华瀑和钙华堰塞湖等。

和华南一样，岷山地区有大面积的石灰岩分布；岷山山脉地处青藏高原东缘的迎风坡，降水丰沛；九寨沟、黄龙所在的岷山地区，地形起伏很大，岩层中的断裂发育，给降水的渗流提供了有利的通道；地表有大规模的钙华沉积，表明有大量石灰岩被溶解，同时也证明有充足的二氧化碳来源。因此，九寨沟—黄龙所在的岷山地区和华南一样，都具有产生喀斯特作用、形成喀斯特地貌的自然条件。

19 世纪末，欧洲学者在今斯洛文尼亚境内的喀斯特高原，最早研究了石灰岩溶蚀作用及其地貌，因此石灰岩的溶蚀作用及其形成的地貌被称为“喀斯特”。

无论是中国南方喀斯特，还是九寨沟—黄龙的高寒喀斯特，本质上都是石灰岩的溶解与再沉淀，它是一个可逆的化学反应过程：

喀斯特作用能够进行的基本条件：

1.要有可供溶解的石灰岩（碳酸钙）；

2.要有丰沛的降水，并有大量二氧化碳加入到水的循环中，使石灰岩容易被溶解；

3.水要有流动的空间（岩石中的断裂或裂隙），使被溶解的碳酸钙能够被搬运；

4.石灰岩被溶解后，在水里成为游离的钙离子和碳酸氢根离子，它们要重新沉淀出来形成钙华（碳酸钙），则需要水中的二氧化碳逸出。

景观为什么迥然不同？

那么，既然同样是喀斯特地貌，为什么岷山式喀斯特和中国南方喀斯特景观差别那么大呢?这主要是因为地质构造背景与气候条件的差异。就像中国古语所说：“橘生淮南则为橘,生于淮北则为枳。”

包括岷山在内的横断山区，是整个青藏高原地壳强烈上升的区域之一。当地壳运动时，喀斯特的溶蚀作用来不及对地表的石灰岩进行充分的塑造，山体就已快速抬升，当山体上升到雪线附近及以上时，外部的侵蚀作用就会被寒冻风化和冰雪侵蚀所代替。

而在华南，地壳运动相对平稳，喀斯特的溶蚀作用可以从容不迫地在地表雕刻出峰丛、峰林和石林等。

虽然在地表很难形成喀斯特溶蚀地貌，但横断山区石灰岩广布，降水充沛，断裂密布，高山深谷，利于降水向地下深处渗流，地下水也容易沿沟谷溢出形成泉群。溶解了石灰岩并成为饱含碳酸钙的地下水在地表溢出后，一旦条件合适，水中的碳酸钙又会沉淀为钙华。

黄龙的钙华池。九寨沟—黄龙所在的岷山，石灰岩被溶蚀后再沉积形成的的钙华，大量分布在地表，而不是在地下溶洞里（黄龙管理局供图）

二氧化碳来源之谜

在九寨沟、黄龙以及相邻的横断山东缘，地表钙华堆积的规模是惊人的。这表明这里地下有大量的石灰岩被溶蚀，而且还存在大量的二氧化碳。如果没有大量二氧化碳加入到地下水中，这种大规模的溶蚀是很难进行的，因为正是二氧化碳与水结合产生了大量碳酸，才足以对石灰岩进行溶蚀。这就引出了一个问题：加入到地下水中的大量二氧化碳，是从哪里来的?

一般情况下，当降水由地表向下渗透淋滤时，会把植物根系以及土壤有机质中产生的二氧化碳带入到水中，这是喀斯特作用中二氧化碳的主要来源。因此在植被茂密、土壤层深厚的华南，喀斯特很容易发育。在植被茂密的横断山区，这种因素也是存在的。这样产生的二氧化碳被称为“冷源”二氧化碳。

但科学家发现，在黄龙等地溢出地表的泉水中，被溶解的碳酸钙以及二氧化碳的浓度异常高，如果仅用“来自地表生物的二氧化碳”来解释，显然不够充分。通过对泉水的碳同位素分析发现，其中的确可能有来自地下深处的温度较高环境中的二氧化碳，被称为“热源”二氧化碳。

上述二氧化碳冷源和热源的差异，实际上是二氧化碳浅源和深源的不同，并不是指钙华沉积的泉水冷热之别。横断山的钙华景观大都是在冷泉环境下堆积的。

有意思的是，九寨沟—黄龙紧邻岷山主峰雪宝顶这个地貌高点，也是断裂错动和断块抬升最强烈的区域，这里给地下水在石灰岩层中深度循环提供了空间。而且，在九寨沟、黄龙，与喀斯特作用相关的泥盆系至三叠系的石灰岩地层中，夹有多层碳质页岩、沥青质灰岩、生物灰岩。在造山过程中，因地下压力、温度升高，这些岩石会产生变质，并可以释放出较多的二氧化碳，加入到地下水中。

无独有偶，横断山最精彩的钙华堆积，似乎都和著名的高峰形影不离，岷山主峰雪宝顶周边，除了九寨沟、黄龙，还有牟尼沟；蜀山之王贡嘎山附近有玉龙溪、亚拢沟；哈巴雪山旁侧有白水台……这些钙华堆积规模较大的区域都有类似的地质构造背景。

九寨沟五花海湖底的喀斯特涌泉群。泉群沿湖底的裂隙呈带状延伸，泉口有灰白色的钙华沉积，并有大量上冒的二氧化碳气泡。说明九寨沟的湖水有相当部分是由地下水通过喀斯特泉补给的(范晓 摄)

云南香格里拉白水台钙华池群上源的喀斯特泉形成的溪流(范晓 摄)

喀斯特泉——钙华堆积的源泉

在九寨沟、黄龙的钙华堆积区源头，都有水量巨大的喀斯特泉。这些喀斯特泉涌出的泉水都是碳酸钙含量很高的泉水。喀斯特泉就像一台台钙华制造机的喷口，成为钙华堆积的源泉。

在横断山的其他地方也不例外。例如：在贡嘎山西侧，四川康定玉龙溪的钙华滩源头，有喷高可达1.6 米的喀斯特喷泉；在附近的亚拢沟钙华滩，也以一个巨大的喀斯特泉作为源头；位于四川黑水卡龙沟的钙华瀑群，皆出自上游的喀斯特大泉；云南香格里拉白水台的钙华池群，亦源于上游的喀斯特泉群。

溶解在水中的碳酸钙要重新沉淀，关键在于水中二氧化碳的逸出。来自深处的地下水涌出地表后，压力会骤然减小；加上高山、高原水的蒸发量较大等因素，都会导致水中的二氧化碳容易逸出，从而使钙华沉积。

光合作用促进钙华沉积

藻类和水生植物的光合作用可以促进钙华的沉积(范晓 摄)

使九寨沟、黄龙地表钙华沉积的一个重要因素，是水生植物的光合作用。

在水体中或钙华的表面，生长着许多藻类和其他水生植物。以黄龙为例，这里已发现蓝藻门、黄藻门、绿藻门和硅藻门的19 个属共86 种藻类。

藻类和水生植物白天要进行光合作用，吸收水中的二氧化碳，放出氧气，使水中的二氧化碳减少，促进钙华沉积；但在夜晚要进行呼吸作用，消耗水中的氧气，产生二氧化碳，让钙华溶解。

九寨沟五花海中的藻类和水生植物(范晓 摄)

最终是否产生钙华的沉积，要看总的光合作用是否大于总的呼吸作用，也就是净光合作用（总光合作用减去总呼吸作用）的大小。据已有实验和研究，只有在较低的气温下（低于20 ℃），净光合作用才会为正值。这也可以解释：为什么在常年气温较低的横断山高寒山区，会出现大规模的地表钙华堆积。

藻类的光合作用可以促进钙华沉积，藻类还可以成为钙华生长的晶核，藻类的黏液和丝状体具有的粘裹作用也有利于钙华沉淀。在显微镜下，可以观察到钙华晶体与藻类相互嵌生的现象。

我们用肉眼也可以观察到，钙华表面可以被厚达数厘米的藻体覆盖，就像“藻被”，钙华看上去的颜色，实际上是“藻被”的颜色。此外，在九寨沟、黄龙，常常可以看到水中的植物枝干被白色的钙华所包裹，或者围绕植物根系形成的圆丘状钙华体，这都证实了生物作用与钙华沉积之间的联系。

多姿多彩的高寒喀斯特景观

横断山的钙华地貌主要有钙华池、钙华滩、钙华瀑和钙华堰塞湖等。在不同地段，有不同的类型组合与特点，呈现出丰富多彩的景观。

钙华池 多见于地势较平缓的斜坡台地。它可以看成是放大的鱼鳞状波纹流痕，每一个波纹状的小坑都有可能生长、合并和扩展成更大的水池。

最精彩、最让人神迷的钙华池当属四川的黄龙、神仙池和云南的白水台。看着这些玲珑剔透、晶莹如玉的彩池，就像是在欣赏陶艺大师的杰作，很难想象凭借自然水流，就可造出如此精巧的“杯盘碟盏”来。

黄龙五彩池（钙华池）。自然水流造出的“杯盘碟盏”（九寨沟管理局供图）

钙华池的池埂（堤坝）形态丰富多样，有尖削内空的外倾型，有端庄厚重的直立型，还有上端前突的内倾型……有专家认为，外倾型、直立型多出现在钙华池的雏形期和稳定期，而内倾型意味着钙华池开始由稳定转向衰退。

钙华滩 是溪流在宽阔陡倾的斜坡地上形成的钙华堆积，它是岷山式喀斯特景观最普遍的形式之一。

钙华瀑 在地形陡坎处，溪流形成跌水瀑布，水的流速突然加快，使水面张力变小，二氧化碳容易逸出，因此瀑布所在处成为钙华沉积最旺盛的地方。沉积的钙华其形态犹如固化的瀑布，故称“钙华瀑”。

钙华堰塞湖 以九寨沟的湖泊最为典型。首先，湖泊洼地的形成和河谷中的溶蚀洼地和溶蚀漏斗有关；其次，湖泊前端阻水的堤坝，几乎都是钙华沉积。2017 年8 月8 日九寨沟7 级地震以后，火花海前端的钙华堤溃决，暴露出来的钙华堤断面和湖底的钙华沉积，证实了这类钙华堰塞湖的成因。

黄龙的“金沙铺地”钙华滩（范晓 摄)

牟尼沟的钙华溶蚀塌陷湖，湖岸可以看到厚厚的钙华堆积层（范晓 摄）

神仙池的钙华瀑（范晓 摄）

此外，以牟尼沟为代表的钙华溶蚀塌陷湖，可以说是钙华堰塞湖的一个特类。牟尼沟位于四川松潘县城西侧，为岷江右岸支流。钙华溶蚀塌陷湖是钙华沉积以后，巨厚的钙华层因水文地质条件改变，遭受溶蚀，并且因溶蚀塌陷的洼地积水而形成湖泊。这是“石灰岩溶蚀→钙华沉积→钙华溶蚀”的循环过程。牟尼沟还以富含二氧化碳的喀斯特泉闻名，其泉水被称为“天然汽水”。

上面列举的钙华景观地，并不是青藏高原东缘的全部。在青藏高原边缘甚至内部，这种高寒喀斯特并不罕见。而且，这些钙华景观地只是冰山一角，在它的周围，常常有体量大出许多倍的古钙华堆积体存在，这说明至少几万年以来，横断山区大规模的地表钙华沉积一直在进行。例如在黄龙沟东边的张家沟，虽然没有黄龙那样的钙华池群，但沟中却有厚度巨大的古钙华堆积层。据同位素测年，其形成在1 万年至3 万年前。在白水台所在山谷的右侧，整个山坡几乎都由古钙华堆积体构成，而且白水台下方的古钙华层也一直延伸到三坝乡以下的白水河主沟中。

九寨沟的钙华堰塞湖——树正群海（九寨沟管理局供图）

九寨沟、黄龙的水色为什么这样美?

彩池、湖泊碧玉般的水色，是岷山式喀斯特景观最诱人之处。水本身是无色的，就像大气层一样。但它为什么会呈现如此美丽的色彩呢?

其实，科学家早就探究过天空和大海为什么看上去是蔚蓝的。英国科学家瑞利发现，具有七色光谱的太阳光穿过大气层时，长波光的红光更容易透过大气，而蓝紫色等短波光更多地被大气中的微粒散射，所以天空看起来是蓝色的。印度科学家拉曼进一步证明，水分子对自然光的散射使海水呈现蓝色，这与大气分子对太阳光选择性散射（它被称为瑞利散射）的机理完全相同。

瑞利散射的产生是因为纯净大气中的微粒分子直径远小于光波波长。无色透明的池水、湖水看起来呈蓝绿色，是因为水体对太阳光进行了选择性散射，而且水体的洁净程度越高，这种选择性散射就越强。九寨沟植被茂密，加上钙华对悬移质的固定作用，使水中杂质极少，湖水洁净度与透明度极高。

当大气或水体混入直径比光波波长大得多的粉尘、水滴和泥沙时，瑞利散射就会失效，此时天空灰暗，水体混浊。

黄龙钙华彩池的斑斓水色(黄龙管理局供图)

在钙华沉积最旺盛、正处在成长和稳定阶段的钙华池中，钙华沉积会促进水中的杂质微粒沉淀，增加水的纯净与透明度，这有利于蓝绿光的散射，所以池水也呈现最鲜艳的蓝绿色。

以九寨沟、黄龙为代表的青藏高原东缘的钙华景观，是一种特殊地质地貌背景下的独特喀斯特景观，既有重要的科学价值，也有重要的美学价值，是地球上具有独特意义的地质景观和自然遗产，还伴生了独特的文化遗产。人们需要去欣赏它、保护它，也需要进一步去探寻它的科学奥秘。

除了在青藏高原以外，类似的钙华沉积景观，在世界上其他气候比较温凉的地形阶梯带也有出现，在类型上具有由岷山式喀斯特向典型喀斯特过渡的特征，在地表可以有喀斯特溶蚀地貌伴生。

在中国的云贵高原向广西丘陵过渡的地形陡坡带，有罗平九龙瀑、兴义马岭河峡谷和荔波大小七孔等地的钙华瀑、钙华堰塞湖等景观。

在欧洲，阿尔卑斯山东南支的大卡佩拉山—普列舍维查山向多瑙河平原过渡的地貌斜坡带，在克罗地亚的普里特维采（十六湖）形成了类似九寨沟的钙华瀑、钙华堰塞湖等景观。

在土耳其的棉花堡，由安纳托利亚高原向地中海过渡的地形斜坡带，形成了与黄龙类似的钙华池、钙华瀑、钙华滩景观。

在上述这些地方，都有广布的石灰岩、规模较大的断裂、陡变的地形和温凉的气候等条件，有利于地表的钙华堆积。但它们的钙华沉积规模都不能和横断山区相比。横断山区的钙华沉积也许与青藏高原东缘不仅有大面积石灰岩分布，而且有极大的地形反差、最强烈的断裂活动有关，断裂活动既给地下水提供了深循环的通道，也造成了岩石在深部发生变质，从而形成大量释放二氧化碳的构造环境。

克罗地亚普里特维采（十六湖）的钙华堰塞湖与钙华瀑

土耳其棉花堡的钙华池群