探究开元溶洞景区的喀斯特地貌
课程标准
通过野外观察或运用视频、图像，识别3～4种地貌，描述其景观的主要特点。
学习提示
1. 本节内容是《走近桂林山水》的校本化应用。
2. 学习工具：米尺、罗盘、温度计、湿度计、锤子、岩石标本盒（袋）、稀盐酸、手机APP（测量方位、走向、倾角、经纬度和海拔等）。
3. 学完课文后，学生想知道，北方地区有喀斯特地貌吗？哪里有？有什么特点？是怎样形成的？非常迫切地想亲眼看一看身边的喀斯特地貌，组织学生开展“探究开元溶洞景区的喀斯特地貌”研学旅行是非常必要的。
4. 开元溶洞景区示意图如下：
图4-4-1 开元溶洞景区示意图
学习过程
一、走进开元溶洞
（一）淄河沿岸
1. 阅读淄博市地图，寻找淄河的发源地。
2. 测量淄河流向、水位。
3. 观察曲流，分析成因。
设计意图：
淄河位于景区外，容易被忽视。河流是喀斯特地貌形成的重要的动力条件，与溶洞的形成具有密切联系，溶洞是地质历史时期的地下河通道，现在的河流可能是地下河改道后的河流，也可能是地下河汇入的干流。所以，注意观察淄河的位置、流向等特征。
（二）开元溶洞入口
图4-4-2 洞口题字
1. 欣赏“山东第一洞”题词。
由国内著名的喀斯特地貌专家赵俊芬亲笔题写。题词刻在什么岩石上？岩石具有什么特征？
2. 测量入口朝向、海拔以及洞外的温度和湿度。
设计意图：
测量洞外温度、湿度的目的是与洞内的进行比较。
（三）开元溶洞洞厅
1. 在水帘洞厅测量温度、湿度，推测水帘洞地面的海拔。
2. 欣赏喀斯特淀积地貌景观。
开元溶洞属于廊道厅堂式洞穴，发育于奥陶纪马家沟组厚层石灰岩中，岩石形成于约4.4亿年前。开元溶洞洞厅大而高，洞宽一般为6～15米，最宽达30米，洞高一般为6～8米，最高达30米以上。洞长1 280米，有水帘洞厅、龙脊厅、珍珠厅、聚仙厅、长寿厅、观音厅等，洞内石钟乳、石笋、石幔、石旗、石葡萄等自然景物丰富多彩，形象栩栩如生。如：水帘洞厅内钟乳石造型形态各异，石幔最为典型；珍珠厅洞顶壁上布满雪白的球粒，像珍珠，所以称为珍珠滩。
跟随导游依次考察，测量每个洞厅的大致走向，观察洞厅的主要特点，欣赏不同的喀斯特淀积地貌景观。
图4-4-3 石笋
图4-4-4 石瀑布
图4-4-5 珍珠滩
溶洞内采用先进的电光源技术控制彩灯照射，喀斯特地貌景观五彩缤纷，十分漂亮，但这不是它们的本色，如珍珠滩的珍珠应该是白色。
张博老师购买于奇石市场的石菜花显示的才是真正的颜色：土黄色。
这些喀斯特淀积地貌是怎样形成的呢？
大约4.4亿年前，淄博市是一片汪洋大海。海洋中的碎屑物、胶体溶液、生物遗体等物质经过化学沉积作用、生物化学沉积作用、生物沉积作用、机械沉积作用等形成厚层石灰岩。
图4-4-6 石菜花
后来，随着地壳抬升运动，海底石灰岩隆升形成山地、高原，岩体节理发育，多裂隙。
在气候湿暖时期，气温高，降水多，含有二氧化碳的地表径流流量大，地表径流沿着石灰岩裂隙下渗过程中不断溶蚀以及流水挟带着石块不断磨蚀，石灰岩裂隙不断扩大，形成洞穴。
地表径流沿着石灰岩岩体裂隙下渗过程中，生成溶解性较大的碳酸氢钙。
溶蚀作用化学方程式：CaCO3+CO2+H2O=Ca（HCO3）2。
含有大量的碳酸氢钙的地下水沿着裂隙向下渗流过程中，水中的碳酸氢钙又会分解，重新生成碳酸钙沉淀，同时释放二氧化碳。
淀积作用化学方程式：Ca（HCO3）2=CaCO3↓+CO2↑+H2O。
碳酸钙不断从洞顶向下淀积生长形成石钟乳，从地面向上淀积生长形成石笋，石钟乳与石笋上下连接形成石柱，地下水沿着洞壁向下流淌形成石幔、石旗、石瀑布，水珠溅到洞壁上，水中的碳酸钙再凝固形成珊瑚状的淀积物石珊瑚、球粒状淀积物石葡萄等。由于地下水在向下渗流的过程中含有泥土等成分，石葡萄多呈土黄色等颜色。
3. 新的发现。
在溶洞洞顶、侧壁上有大量的天锅分布，说明在相当长的地质历史时期，溶洞海拔较低，位于地表或地下，洞顶与河面高程相当。溶洞内水量巨大，流速很快，流量稳定，流水挟带石块沿着洞顶、侧壁上的裂隙不断溶蚀、磨蚀，形成天锅。后来，地壳不断抬升，原来的河流下切、改道，天锅出现在洞顶、侧壁之上。
图4-4-7 观音厅洞顶沿着裂隙发育的天锅
天锅与壶穴地貌成因相似，只不过天锅分布在洞顶、侧壁上，壶穴分布在河床上。
开元溶洞洞顶目前比较稳定，但有的洞厅地面上有坍塌的石块，洞厅顶部有大量的裂隙以及坍塌的痕迹，说明洞厅顶部曾因重力等作用发生坍塌，这个过程还在继续，将来洞厅顶部可能会因坍塌形成天窗。
图4-4-8 洞厅顶部坍塌的痕迹
4. 深入分析。
（1）以石钟乳、石笋为例，分析喀斯特淀积地貌的形成过程。
（2）认识石笋在研究古环境方面的重要作用。
怎样测定喀斯特地貌形成的年代呢？现在常用的方法是微量元素密度测量法和碳氧同位素含量测量法，需要采集石笋样品。由于石笋能够提供高精度、高分辨率古气候变化的信息，与冰芯、黄土、深海沉积一起被称为研究古气候和古环境的“四大支柱”。
假如检测一个石笋最古老的部分，从哪里取样呢？检测最年轻的部分，从哪里取样呢？为什么？
（3）写出喀斯特淀积地貌淀积作用化学方程式。
设计意图：
研学中，先让学生观察、想象，讲述“是什么？”“像什么？”“怎样形成的？”“我又发现了……”老师点拨，避免过多地讲，束缚学生思维。
引导学生关注科学发展信息，了解测定喀斯特地貌年代的方法，激发学生探究的激情和动力。
（四）开元溶洞的出口
1. 测量出口朝向、海拔。
2. 观察开元溶洞位于山地的什么部位？
3. 探究开元溶洞与河流的关系。
开元溶洞是地质时期地下河的通道，地下河的入口在哪里？出口在哪里？
设计意图：
测量出口海拔是为了与入口、水帘洞厅地面进行比较，探究开元溶洞与河流的关系。
二、登上玉龙山顶
（一）观测山顶岩石和地层
测量山顶的海拔、地层倾斜方向和倾角，分析倾斜地层对开元溶洞、石海喀斯特地貌等自然环境的影响。
图4-4-9 山顶的岩石和地层
图4-4-10 玉龙山倾斜地层对地表径流的影响
（二）推测地理环境的演化
根据玉龙山岩石和地层的特点，推测地理环境演化过程。
（三）观察下山沿途景观
随着沿途地势的变化，人类有哪些活动？有什么不同？为什么？
设计意图：
在山顶考察地层产状特征，发现南北两坡地理环境的差异，有利于培养学生地理分析能力；观察人类活动，有利于学生分析地形对人类生产活动的影响。
三、探究石海的形成
（一）寻找马兰峪
马兰峪位于源泉镇东高村南，隔淄河与东高村相望，峪呈东南—西北方向，峪口朝向西北，长约3千米，面积约45公顷。东南峪顶称大顶（玉龙山顶），峪东坡山腰处有一天然石洞，被称为“狼窝”。“狼窝”可能是溶洞的一个入口。
古时候，马兰峪称作拦马峪，与唐王李世民有关。唐王李世民东征时，这里是过马场。拦马峪进口狭窄，两岸山峰耸立，树木丛生，只容单人单骑通过。
在马兰峪东侧的山岭上，有一个石窟，雨后常有云雾缭绕升起，当地人称作“云窟窿”。有人向里面投石块，好几分钟后才听到石块的滚动声，深不可测。1993年4月22日，东高村青年张以强、张德成顺着绳索攀缘而下，进入洞中，揭开了开元溶洞神奇瑰丽的面纱。
1. 根据材料描述，指出马兰峪的大致位置和范围，分析马兰峪地形特征对开元溶洞形成的影响。
2. 张以强、张德成进入洞中可能会遇到哪些危险？
（二）探究石海的形成
1. 欣赏石海景观，判断喀斯特地貌类型，描述石海景观特征。
2. 在石灰岩上做滴盐酸实验。
3. 分析石海的形成过程。
此地分布着厚层石灰岩，产状大致水平；石灰岩垂直裂隙和水平裂隙发育；气候高温多雨，降水量大；地表水中二氧化碳含量高；缓坡地区，地表水流速快，流水溶蚀、磨蚀作用强；玉龙山上部地层向北倾斜，有利于南坡地表径流渗流汇集；马兰峪东、南、西三面高，北面低，有利于地表径流汇集，流量大；地表径流不断溶蚀、磨蚀石灰岩裂隙，逐渐发育成溶沟、石牙等地貌景观；随着地壳不断抬升，石海出现在山坡地带。
图4-4-11 开元溶洞景区的石海
其实，在社区里、公园里、马路边的景观石上也有溶沟、石芽等喀斯特地貌微景观。
图4-4-12 张店水系公园景观石上的溶沟和石芽微景观
4. 写出喀斯特地貌溶蚀作用化学方程式。
（三）采集岩石标本
在不对景观造成破坏的前提下采集石灰岩标本。
设计意图：
1. 什么是“峪”？哪里是“马兰峪”？发掘地名的文化价值。
2. 小石海，大乾坤。从石海、溶洞地貌景观探秘喀斯特地貌的形成和演化过程，这是研学的最大价值。
四、注意事项
1. 淄河、聚仙湖水较深，远离河湖，以免滑落水中。
2. 溶洞内地面湿滑，台阶陡峭，有的洞壁低矮狭窄，处处小心，以免滑倒、碰头。
3. 玉龙山顶山坡陡峭，不要拥挤，注意安全。
4. 石海崎岖不平，容易绊倒、滑倒，防止磕碰受伤。
5. 拍照时不走路，站在安全的位置。
6. 聚仙湖上有吊桥，胆量大的学生可以挑战，但不要超载，禁止摇晃吊桥。
7. 听从工作人员和老师的指挥。
学习测评
1. 阅读图文资料，完成下列要求。
芙蓉江是一条地跨黔、渝的深切峡谷型河流，流域内出露地层多为石灰岩。受第四纪构造运动影响，芙蓉江靠近乌江入口段右岸有多层岩溶洞穴地貌发育，由竖向洞穴和横向洞穴组成，有序地分布在峡谷右岸的岸顶、岸坡和岸边（河水面附近）。第四纪前期多形成竖向洞穴；后期横向洞穴占优势（有相近高程的阶地对应），但横向与竖向洞穴反复交替。竖向和横向洞穴的发育反映了构造运动的不同特点。下图示意该河段右岸岩溶洞穴分布。
图4-4-13
（1）从岩石和气候角度说明图示区域岩溶洞穴地貌发育的有利条件。
（2）指出第四纪前期和后期图示区域构造运动的特点。
（3）推断芙蓉洞与四方洞形成的先后顺序并说明理由。
2. 暑假期间，高一学生张岩到开元溶洞景区开展研学旅行，请列举他应注意防范的安全隐患并说明理由。
参考答案：1.（1）岩石条件：岩石多为石灰岩，可溶性强；受构造运动影响，多裂隙发育，透水性强。气候条件：气候温暖湿润，植被茂密，地表水和地下水丰富。
（2）第四纪前期：以地壳抬升为主；第四纪后期：地壳较稳定，出现间歇性抬升。
（3）顺序：芙蓉洞早于四方洞（或四方洞晚于芙蓉洞）。
理由：溶洞海拔越高，形成时间越早（或距离河道越远，形成时间越早）；芙蓉洞比四方洞海拔高（或芙蓉洞比四方洞距离河道远）。
2. 略。
学生成果
望鲁山自然地理野外考察
一、考察目的
认识望鲁山的岩石、地形、土壤、植被等自然地理特征和各自然地理要素之间的相互关系；运用仪器测量、分析学校和山区空气质量的差异；游览祖国的大好河山，开阔视野，陶冶情操，磨炼意志。
二、考察内容
岩石：辨认岩浆岩、沉积岩和变质岩，观察花岗岩的球状风化和沉积岩的沉积层理结构。
土壤：了解土壤的发育，认识土壤的分层结构。
植被：调查主要植被类型和垂直变化特点。
地形：辨认山脊、山谷和鞍部等山地地貌类型。
空气质量：比较学校和山区二氧化碳、氧气和粉尘含量。
三、考察线路
起点：莱芜市的青石关村，穿越整个望鲁山区；终点：淄博市的樵岭前村，线路长约9千米。
图4-4-14 望鲁山考察路线
四、考察过程
地点①：认识土壤的分层结构，采集土壤标本。
图4-4-15 土壤的分层结构和土壤标本
地点②：调查山麓到山顶植被类型的变化。
图4-4-16 向着山顶前进
表4-4-1 植被类型的垂直变化
地点③：认识鞍部地形，观测林区二氧化碳、氧气和粉尘含量并与学校所在地对比。
图4-4-17 测量山上空气质量
表4-4-2 望鲁山与学校空气质量比较
地点④：观察花岗岩的球状风化，采集花岗岩标本。
地点⑤：认识山谷和山脊，观察沉积岩的层理结构，采集沉积岩标本。
五、考察结论
（一）岩石与土壤
望鲁山主峰岩石为15亿年前岩浆侵入形成的古老花岗岩，周围许多山体的岩石为5亿年前形成的寒武—奥陶纪石灰岩。花岗岩、变质岩山体发育形成的土壤是棕壤，石灰岩山体发育形成的土壤为褐土。
（二）植被
望鲁山地区植被以暖温带落叶阔叶林为主，从山麓到山顶由落叶阔叶林逐渐演变为针阔混交林、针叶林，垂直变化明显。
（三）空气质量
学校位于张店区南郊，山东铝业公司附近，大气中粉尘、二氧化碳的含量高于山区，氧气含量低于山区。同为望鲁山，山顶的空气质量明显优于山麓的空气质量，充分说明了森林具有净化空气、调节大气成分等生态作用。
（2003级 白琰 本文在第22届全国青少年科技创新大赛中荣获省级三等奖）
研学案例
关于四宝山的探究
四宝山，位于淄博市高新区东南部，海拔199.3米，山体主要为石灰岩。曾因为挖山采石，生态遭到极大破坏。现已实现生态修复，成为著名的“氧吧”。
图4-4-18 四宝山的“伤疤”
现在，四宝山有了名副其实的“新四宝”——生态宝地、宜居宝地、文化宝地、创业宝地。
关于四宝山名称的由来，还有一个美丽的传说。
元朝天顺年间（天顺元年为1328年），山下有个叫房迎山的男子与母亲以种地、打柴为生。一次，房迎山上山砍柴，遇到仙人。仙人赠送西瓜种子，传授种瓜方法。很快，他成了种瓜能手，并把种瓜方法教给乡亲，与大家共同致富。
一天，房迎山来到瓜地拔秧，他刚提起一根瓜蔓，突然传来一声巨响，地面裂开了一道口子，房迎山坠入地下洞穴中。他发现洞内有青砖瓦舍，一女子正赶着一匹枣红骡子拉碾，碾盘上全是黄豆。女子抓起一把黄豆，装进他的口袋，又摘下几串葡萄赠给他。忽然，一阵狂风大作，房迎山被吹到洞外。
回家后，房迎山拿出女子给他的黄豆、葡萄察看，竟然是金豆子、金葡萄，母子把宝物分送乡亲。从此，人们知道山里藏有四件珍宝：金姑娘、金骡子、金豆子和金葡萄。
这个传说反映了一个什么事实呢？据我推测，由于四宝山地区的岩石是厚层石灰岩，在地质历史时期，四宝山地区形成一个巨大的溶洞。一天，溶洞洞顶突然坍塌，房迎山跌落溶洞内。洞内到处都是黄色石葡萄、石珍珠等喀斯特淀积地貌景观，阳光透过天窗照在上面，金光闪闪，故称为金葡萄、金豆子。
2021年12月5日，我在四宝山南麓、人民东路北侧路边发现了一处石葡萄喀斯特淀积地貌微景观。
由于修路，大部分被挖掉了，只剩下南向岩壁上的一部分，分布在高约3米、宽约2米的范围内。规模小，发育程度低，以石葡萄为主。
图4-4-19 喀斯特淀积地貌微景观发现地
图4-4-20 石葡萄
经过观察发现，这些石葡萄主要形成于石灰岩裂隙内。
和淄博市博山区开元溶洞内喀斯特淀积地貌相比，这里的喀斯特淀积地貌太普通了，难以引起人们的关注。
四宝山的石葡萄尽管不够典型，毕竟经历了上万年的地质作用，现将真面目完全展现我们面前，已是十分难得，具有非常重要的学习价值。
四宝山喀斯特淀积地貌为什么发育不够典型呢？
一是四宝山喀斯特淀积地貌发育的空间狭小。开元溶洞洞厅大而高，洞顶、洞壁上裂隙多，洞穴淀积地貌规模大。四宝山喀斯特淀积地貌形成于石灰岩裂隙中，裂隙空间小，难以形成大规模典型的喀斯特淀积地貌景观。
开元溶洞内，洞顶的高处有一条大裂隙，地下水滴下来在底部岩壁上形成大片石葡萄。
二是四宝山水文条件差。四宝山喀斯特淀积地貌上面的石灰岩残余较薄，上面植被稀疏，难以涵养较多地下水，喀斯特作用基本停滞。开元溶洞顶部石灰岩厚度较大，山上植被茂密，涵养地下水较多。现在，溶洞内仍有地下水从洞壁、洞顶上流下来，汇成溪流，成为源泉源头。溶洞内喀斯特作用仍在进行中，许多鹅管、石钟乳、石笋不断诞生、成长。
图4-4-21 开元溶洞中的石葡萄
图4-4-22 开元溶洞中正在成长的石笋
三是四宝山喀斯特淀积地貌发育时间较短。开元溶洞喀斯特地貌是经过二十多万年的喀斯特作用逐渐形成的，经历过地球上的温暖湿润期。在溶洞洞顶有大量的天锅分布，表明在地质历史时期，这里气温高，降水多，河流水量大。
气候温暖湿润时期，喀斯特作用强，石钟乳等生长很快。四宝山喀斯特淀积地貌发育较晚，气候处于寒冷干燥时期，气温低，降水少，喀斯特作用弱，石钟乳等生长缓慢。研究显示，在气候温暖湿润时期，沉积速率较大值可达到10毫米/百年；在气候寒冷干燥时期，沉积速率最小值只有0.13毫米/百年，甚至出现一万年都难以生长1毫米的现象。
希望人们注意保护身边的喀斯特地貌微景观，更多的人来研究和学习喀斯特地貌。
我的“他山之石”
铝城一中的老师和学生有一个习惯：外出考察、学习、旅游时采集岩石、土壤等标本并带回来，贴上标签，放在地理教室的标本架上。它们有来自黄山、崂山的花岗岩，有来自五岳之首泰山的变质岩，有来自太行大峡谷的石英砂岩，有来自威海海滨浴场的细沙和海水……特别是从太行大峡谷采集来的12亿年前形成的古老沉积岩——石英砂岩，因为块头大、具有典型的流水侵蚀痕迹——波痕，颇受学生的喜爱。
图4-4-23 太行大峡谷的石英砂岩
这里，成为学生学习的乐园。学生走出题海，走出课本，走进自然大课堂，一件件标本引领学生探索大自然的奥秘。学生欣赏祖国大好河山，感叹自然的神奇。学生仔细观看每一件标本，亲自掂一掂它们的重量，试一试它们的硬度，摸一摸石英砂岩表面的波痕，感受地质历史时期风、流水和波浪对于沉积物表面的作用，惊叹地球表面沧海桑田的变化。同时，对于“自力更生、艰苦创业、团结协作、无私奉献”的红旗渠精神有了更为深刻的理解和认识。
这里，学生学习热情高涨。学生高兴地说：“大自然太神奇了！”“这是我长这么大第一次看到这么多标本，十分兴奋和激动。”“非常美丽，太长知识啦！”“这种方式记得牢固。”“超级喜欢看！”“外出时，我也要采标本，为学校作贡献。”
注：
本文是2011年7月山东省教师远程研修中的一篇总结，得到课程团队专家的推荐和老师们的好评，深表谢意。
相炜（课程团队专家）：“他山之石”，可以攻玉。田老师的做法与专家团队王晶华老师的实践有异曲同工之妙。
淄川区般阳中学翟红云：田老师走出课堂，亲自考察，搜集资料，非常值得我们学习！
临清市第一中学赵娟：地理重在实践，平时做有心人，积累素材，必有大用。
淄博第四中学乔宏伟：田老师的敬业精神非常值得我们学习，学生跟着您真是幸运！
淄博第六中学李柏青：以前的地理教学就是如此的，多年来的应试教育下，学生还有多少实践活动课？田老师做得好，教育的回归！
胶州市第二中学赵培河：有心的老师肯定受学生的爱戴，这样的课也受学生的欢迎。
山东省平邑第一中学寇辉：这真的是他山之石了，可以看出田老师平时注重地理资料的搜集，精神可贵。
泰安长城中学代金国：教学用心、留心，时刻不忘学生，值得学习。