洞穴化学沉积物

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第710页（2989字）

洞穴化学沉积物在1952年由G．W．Moore提出，系指渗流水进入洞穴中，由于物理化学条件的改变，使得溶于水中的碳酸钙等物质达到饱和而析出，形成各种沉积物并沉积在洞穴的不同部位。

洞穴化学沉积物的研究对洞穴环境、洞穴沉积和洞穴年代有重要的理论意义。张英骏等(1985)认为，洞穴碳酸钙是由过饱和水流的沉淀产生的，也可以由蒸发引起。沉淀的速度在化学条件和物理条件相同的情况下，取决于水－空界面面积的大小，界面越大，沉淀的速度越快；温度增高也能加快离子扩散并使CO₂溶度降低，使沉淀速度增大。俞锦标在调查上百个洞穴化学沉积物时发现，凡洞穴内相对湿度在95%以上的洞穴，化学沉积物十分丰富，石膏只沉积在相对湿度低于90%的洞穴内，因此，俞锦标(1985)提出：洞穴化学沉积物的沉积原因中，蒸发作用不占主导地位。主要原因是大气降水降落地面后，溶解地面附近空气中的CO₂，继续渗入土壤时，不断溶解土壤空气中的高浓度的CO₂(比空气中正常CO₂含量高10～100倍)。这种渗流水具有较高的PCO₂，在下渗经过碳酸盐岩石时，溶蚀碳酸盐岩石，当成饱和水时才停止溶蚀作用，一旦进入洞穴，渗流水中的PCO₂要高于洞穴空气中的PCO₂，渗流水就释放CO₂，使得渗流水呈过饱和状态而沉淀出各种各样的洞穴化学沉积物。

因此，在大量化学沉积物的洞穴中，水量较大，空气中相对湿度较大，蒸发作用就相对较微弱。

根据洞穴化学沉积物的成因，可将其分为重力水沉积、非重力水沉积以及两者混合沉积等3种类型。

1．重力水沉积。主要包括：(1)滴石类(dripstone)(见滴石沉积条)。(2)流石类(flow stone)，由连续运动的水流形成的洞穴碳酸钙沉积物，其形态具有条带状、流层状、环纹状。朱学稳(1988)将流石类沉积分为洞顶流石为石带(stone girdle)、肉条石(cave bacon)、水母石(cave medusa)、石旗(stone flag)；将洞壁流石分为石幔(draperies)、石幕(curtain)、石瀑布(stone fall)、穴盾(cave shield)、盾帐(round mosquitonet)、穴板(cave baord)和石柱盘(column tray)等；将洞底流石分为流石坝(flowstone dam)、石梯田(terraced-fields)流石板或岩席(flowstone sheets)。

钙板往往覆盖在其他沉积物之上起保护作用，所以洞穴内沉积物不易受到破坏。有时当钙板下的碎屑物被后期水流冲蚀掉后，钙板可以形成无支撑的悬空物，称天蓬(canopy)，天蓬下又可以被后期的物质充填。

穴盾和盾帐的形成，是由裂隙中涌出的渗流水具有一定承压性质，流出洞壁后形成两片圆形的盾板，上下吻合而对应，有环形纹理，小的为10cm，一般为60cm，大的可达3m左右，两板之间为缝隙，承压水通过该缝道向四周流出，在盾板的周缘向下滴落，从而形成碳酸钙下堕，称为盾堕，呈圆形状挂的帐子，又称盾帐。

盾帐的长度最大可达5m，一般为1～2m。盾帐因重力作用而崩塌。(3)溅水沉积类，洞穴水流常因滴落而形成飞溅的水珠和水雾依附于其他沉积体上，形成多种类型，有菜叶片、棕榈树片(palm leaf)、石葡萄(botryoid)、石蘑菇(stone mushroom)、石花瓣(stone petal)和石珊瑚(stone coral)等。

(4)水池沉积类，洞底的流石坝内池水中当贮水不溢而又不涸的情况下，其表面因蒸发呈饱和状态生成水钙膜或石荷叶或穴筏浮冰(cave raft or floating film)、穴泡(cave bubble)和边石(rimstone)，在池水下还可形成石花(stone flowers)、晶花(crystal flowers)、晶刷(crystal brush)、石葡萄(stont grape)、月奶石(moonmilk)等。

2．非重力水沉积。

系在微细的裂隙和多孔隙的洞顶，在具薄膜水毛细管水和弥漫于空气中含有碳酸钙微粒的气溶胶体时，可以形成非重力沉积物。如毛细管水和气溶胶微粒生成的石枝或卷曲石(helictite and heligmite)，附生在管状钟乳石上，如树枝分岔，有的如发髻形成∞形。

此外还有洞穴毛发(cave hair)。非重力沉积的生成的必要环境是：(1)无流动空气的平静空间；(2)高湿度(相对湿度大于98%)；(3)有相关的依附体。

上述化学沉积物的形成与形态类型，1965年Г．А．Mакcuмотвиu研究认为与渗流水的来水量有关，他提出：钙板形成的水量为1L／s，流石为10^－1L／s，石幔为10^－2L／s，石笋为10^－3L／s，棕榈树石笋为10^－4L／s，钟乳石为10^－5L／s，鞭状钟乳石为10^－6L／s，管状钟乳石(鹅管)为10^－7L／s，卷曲石为10^－9L／s，石花为10^－10L／s。

3．混合沉积类。由两种或两种以上运动方式的水流协同作用形成的化学沉积物，又称协同沉积(synergetic deposits)，如锥状石笋、片状钟乳石和大型石柱等为滴水一流水沉积；棕榈树石笋、飞溅石花为滴水－飞溅水沉积；钙膜晶锥(rat-crystal cone)和穴珠(见洞穴珍珠条)为滴水－池水沉积；云盘(cave lotus)、石灵芝为滴水－池水－流水沉积。

目前洞穴学家致力于洞穴化学沉积物的研究的目的，在于解决洞穴化学沉积的环境和成因。例如河南巩县的雪花洞中的洞穴毛发；广西恭城县的钙膜晶锥、南宁附近龙虎山洞穴内的石灵芝以及阳朔附近兴坪莲花洞内的云盘等的研究，在恢复洞穴古环境以及喀斯特成矿作用中气、液、固三相作用、平衡、转化的复杂过程，洞穴矿床在常温成矿作用中成矿物质来源特征、迁移、聚集和结晶成矿过程等成矿模式及喀斯特矿床的标志，促进喀斯特矿床研究向高层次发展均具有实际意义。

【参考文献】：

1 Moore G W．Spelcothem-a new cave term．NNS，new，1952，10(6)∶2

2 Moore G W & Nicholas G．Speleolgy the study on caves．Boston：Heath and Co，1964

3 张英骏，等．应用岩溶学及洞穴学．贵州：贵州人民出版社，1985．208～211

4 俞锦标，等．南京大学学报(地理学)．1985，(1)∶49～58

5 朱学稳，等．桂林岩溶地貌与洞穴研究．北京：地质出版社，1988．102～109

(南京大学俞锦标教授撰)