洞穴沉積物的成因類型
——以廣西為例
2012自然地理 何 文
1.洞穴沉積的概念
洞穴沉積物（cave deposit）又稱洞穴堆積物（cave accumulation）。通常是指石灰巖洞穴中的沉積物。它是由洞穴中重力堆積的角礫、地下水機械沉積的泥沙和化學沉積的石鐘乳、石灰華等組成，有時還有地下河沉積的砂礫和地下湖沉積的粘土。有的洞穴保存有人類和動物化石、石器和文化層。洞穴沉積物的規模和厚度不等，大者厚度可達五六十米，能劃分出不規則的層次。中國重要的洞穴沉積物地點有北京周口店、重慶萬州鹽井溝、湖北長陽龍洞、廣西柳城巨猿洞、柳江通天巖、廣東曲江馬壩、云南富民河上洞、浙江杭州留下洞等。在海岸、湖岸洞穴中，有時也充填有砂礫石，與此處所稱的洞穴沉積物不同。
2.洞穴沉積物的類型
地下洞穴空間形成之后，即被各種成因的沉積物所充填。廣西巖溶洞穴中主要有以下幾種沉積物。
2.1流水沉積
包括礫石、砂和粘土等不同粒級的碎屑沉積物，系由地下河、地下湖或地面洪水、裂隙中的滲流水等所攜帶而在洞內沉積下來。礫石層主要分布在峰叢地區的古地下河型洞穴和現代地下河河道中，其物質來源于非碳酸鹽巖組成的中低山區。洞穴粘土主要發育于峰林平原區的洞穴中，出現在不同高度，其分布規律大致有以下特點：垂向上看，高層洞穴粘土往往年代較早，呈紅色；相對高度在10-15米范圍內的洞穴粘土多為灰褐色至黃褐色；低層或現代地下河河床的粘土多為灰色、灰褐色。從水平分布看，粘土的沉積厚度在峰林平原邊緣部分的洞穴中較薄，有時不足一米，而在峰林平原中部的洞穴中厚度可達15米以上，如桂林市穿山巖。在多數洞穴內，粘土為單一結構的連續沉積，在部分洞穴中，粘土含有鈣華夾層或是粘土與鈣華互層。 如桂林市區的芙蓉巖洞穴沉積剖面厚為1.8米，除頂層鈣板外，有鈣華、團塊狀鈣質粘土及鐵錳層各一層。
2.2崩塌堆積
為塊石至巨礫，常見于洞口附近和跨度大的洞穴內，如陽朔縣羅田大巖、桂林市蘆笛巖等。崩塌巖塊除來自洞頂外，還由于石峰坡面平行后退作用而使邊坡崩塌物堆積于洞口。有時洞口崩塌堆積物的高度可達40米以上。
2.3生物堆積和文化層堆積
廣西的洞穴中保存有大量的古人類、古脊椎動物化石。從區域分布看，北自桂林，南到六萬大山的靈山，西到右江河谷的田東，皆有動物化石發現。除舉世聞名的巨猿化石外，僅舊石器時代晚期人類化石遺址和哺乳動物化石地點即已發現數十處，哺乳動物化石至少有七目五十二種。從洞穴內部堆積物看，主要有兩種情況，一種是在灰黃色堆積物中含有劍齒象、中國犀、真象、最后鬣狗等較多的絕滅種的洞穴，時代往往較早，如柳江人洞出土的柳江人化石，其時代大約距今四、五萬年。另一種是洞穴堆積物中不含“大熊貓—劍齒象”動物群中絕滅種動物化石，常常伴生較多的螺螄、蚌殼等軟體動物化石，這類洞穴生物堆積時代較晚，如來賓麒麟山人洞和桂林甑皮巖內的堆積。洞穴生物糞便堆積中，最重要的是蝙蝠糞。廣西多數洞穴中均有蝙蝠棲息，在一些較大的洞穴中，洞底蝙蝠糞的堆積厚度可達20厘米。
2.4洞穴次生化學沉積
洞穴次生化學沉積是洞穴中數量最多、造型最復雜多樣、最引人注目的一類沉積物。可以將其簡稱為“鐘乳石”。
2.4.1 洞穴次生化學沉積物沉積作用機理種類
①碳酸鈣沉積物，這種沉積物在洞穴次生化學沉積物中最為重要。碳酸鈣在洞內的沉積析出是在碳酸鹽巖—二氧化碳—水系統中，液體與固體交界面上的一種復雜反應。在為碳酸鈣所飽和的溶液中，二氧化碳的任何損失都會引起鈣的過飽和，從而引起碳酸鈣的沉積。
②由于水分的蒸發，使溶液過飽和而發生沉積，如洞穴石膏。
③由于含溶劑的滲透水對洞穴圍巖或鐘乳石類的淋濾作用而形成新礦物。例如洞穴中氫氧磷灰石是含磷滲透水與碳酸鹽巖或鈣華的相互作用而形成的。在一些年代較老的石筍和石鐘乳的表面往往有氫氧磷灰石的皮殼， 如桂林光明山大巖中， 氫氧磷灰石多以褐色的皮殼(厚幾毫米)附著在較早期的洞穴次生化學沉積物的表面或巖壁上。洞穴次生化學沉積物是由洞穴礦物組成的。所謂洞穴礦物是指在洞穴環境下，與地下水的溶蝕、搬運和沉積作用
有關的表生礦物。廣西洞穴內已發現的洞穴礦物有10種，它們是：方解石、文石、石膏、氫氧磷灰石、磷鋁石、磷鋁鉀石、磷鈣鋁石、半蛋白石、褐鐵礦、硬錳礦
2.4.2洞穴次生化學沉積物形態分類
巖溶洞穴在脫離地下水位而升入到滲流帶之后，在滲流水的作用下，形成多種多樣的洞穴次生化學沉積形態。洞穴中的化學沉積物按礦物成分的不同可分為：碳酸鹽礦物、蒸發鹽礦物、磷酸鹽礦物、硝酸鹽礦物、氧化物及其他礦物等。最令人贊嘆不已的是出現最廣泛的碳酸鹽礦物(主要是方解石)所構成的種種魅人的景物，洞穴所特有的自然環境—恒定的溫度、極高的濕度、微弱的空氣流動、含有溶解質的溶液的長時期的滲漏—造成了一種穩定的礦物緩慢沉積的特殊環境，加上沉積機理的多樣性，從而造成了晶體發育非常完美的形形色色、千姿百態的迷人景致。洞穴次生化學沉積形態的多樣不但與洞穴的物理、化學和生物環境有關，而且取決于溶液活動的方式和水的流量等多種因素。概括地說，形態變化萬千的洞穴化學沉積物是由三種狀況的水的沉積作用所形成，它們是重力水沉積、非重力水沉積和復合水的協同沉積。滴水、流水，飛濺水和池水是重力水的主要存在形式。非重力水的主要存在形式是薄膜水和毛細水，水量很小。協同沉積類型以滴水與流水、滴
水與飛濺水、滴水與池水復合形式最為普遍。廣西洞穴中化學沉積類型很多，國內外已報導過的類型中的絕大多數在廣西都有發現，并且擁有某些特殊沉積類型，如蓮花盆沉積之完美，世所未見，鈣膜晶錐、石靈芝世所罕見。對廣西洞穴次生化學沉積形態可作如下劃分：
（1）重力水沉積類
滴水沉積(滴石類)：石鐘乳及鵝管、石筍、石柱、石蘑菇。
流水沉積(流石類)：石帶、石旗、石幔、石盾、石幕、石瀑、流石壩、鈣板、穴珠、穴餅。
池水沉積：水鈣膜、邊石、晶花、石珊瑚、石葡萄。
飛濺水沉積：棕櫚片、石珊瑚、石葡萄。
（2）非重力水沉積
洞穴毛發、石枝(卷曲石)、皮殼、花斑(常由文石組成)。
（3）復合沉積
滴水—流水沉積：堆積石筍、大型石柱等。
滴水—池水沉積：蓮花盆(云盆)、鈣膜晶錐、穴珠、紡綞狀石鐘乳。
滴水—飛濺水沉積：棕櫚狀石筍。
滴水—非重力水沉積：乳房狀石鐘乳、石瘤。
2.4.3主要的洞穴次生化學沉積形態
石鐘乳和鵝管 是最常見的洞穴化學沉積物，懸掛于洞頂。從洞頂節理裂隙中滲出的水，由于水的表面張力而以水滴形式在洞頂作一定時間 (幾分鐘到幾小時)的懸掛，于是少量的碳酸鈣便在與洞穴頂板連結處呈環形沉積下來。形成細長、中空的石鐘乳， 我國從古代起就稱之為鵝管。鵝管通常長幾十厘米。鵝管的內徑一般為3-4毫米，壁厚0.5-2毫米，幾乎全由方解石構成。桂林穿山巖中有幾根長度超過1米的鵝管。由于下滲水中往往含有其他成分物質(如粘土、石英顆粒等雜質)，或由于鵝管中央空洞中晶體的生長，從而使石鐘
乳中央通道被堵塞，下滴的水便沿石鐘乳外部流動和沉積，形成錐形、冰柱形或不規則形狀的石鐘乳。在石鐘乳的橫切面上總是可以看到直徑5-6毫米的中央通道，橫斷面表現出以鵝管為中心的同心圓狀結構。石鐘乳的主要化學成分是氧化鈣，酸不溶物含量為千分之幾到萬分之幾。桂林穿山巖石鐘乳的組成為(單位為％)：氧化鈣(56.65) 、氧化鎂(0.17) 、二氧化硅(0.14) 、五氧化二磷(0.11)、三氧化二鐵(0.08)、三氧化二鋁(0.04)、氧化鈉(0.018)、氧化錳(0.007)、氧化鉀(0.004)、水(0.43)、燒失量(43.71)。
石筍和石柱 洞穴底板上的石筍，是石鐘乳的對應物。石筍的位置由下落的水滴所決定。石筍的形態受水滴的化學性質、溶解的物質、水滴落下的距離、滴水的頻率、空氣流通狀況等多種因素的支配。石筍的直徑通常比其上部對應的石鐘乳的直徑要大，沒有中央通道，具層狀構造，切面上白色和暗色層理呈同心狀交替分布。石筍在洞穴“年齡”的測定和環境變化研究方面最有意義。現今對石筍的“年齡”采用多種方法予以測定，包括碳十四法、鈾系法、熱解光法、電子旋轉共振、超導古地磁、加速器質譜計等方法，在廣西巖溶洞穴研究中，這些方法都有所運用。在陽朔縣盤龍洞、柳州市白蓮洞、桂林市甑皮巖、桂林市光明山大巖等洞穴都進行過大量的年齡測定。對桂林光明山大巖中石筍的年齡測定表明，該石筍根部鈣華“年齡”大于69萬年，在距今13萬年、21萬年和22-23萬年左右有3次沉
積間斷，這與古氣候變化有關，在距今4萬年前該石筍停止生長。有時可利用歷史方法來計算石鐘乳和石筍的生長速度。例如桂林七星公園龍隱洞左側巖壁高處有一塊宋代張杓等人的題名石刻，從石刻的人工修整面上下垂一個長1.6米的石鐘乳，迄今歷時820年，計算出其生長速度平均為1.95毫米。石鐘乳和石筍相向生長，聯結起來便形成石柱。石柱在洞穴廳堂中“頂天立地”，蔚為壯觀。桂林蘆笛巖中有密集的石柱，構成迷人的“原始森林”。陽朔縣羅田大巖內有數根高達50米的巨型石柱。
