洞穴沉积物的成因类型
——以广西为例
2012自然地理 何 文
1.洞穴沉积的概念
洞穴沉积物（cave deposit）又称洞穴堆积物（cave accumulation）。通常是指石灰岩洞穴中的沉积物。它是由洞穴中重力堆积的角砾、地下水机械沉积的泥沙和化学沉积的石钟乳、石灰华等组成，有时还有地下河沉积的砂砾和地下湖沉积的粘土。有的洞穴保存有人类和动物化石、石器和文化层。洞穴沉积物的规模和厚度不等，大者厚度可达五六十米，能划分出不规则的层次。中国重要的洞穴沉积物地点有北京周口店、重庆万州盐井沟、湖北长阳龙洞、广西柳城巨猿洞、柳江通天岩、广东曲江马坝、云南富民河上洞、浙江杭州留下洞等。在海岸、湖岸洞穴中，有时也充填有砂砾石，与此处所称的洞穴沉积物不同。
2.洞穴沉积物的类型
地下洞穴空间形成之后，即被各种成因的沉积物所充填。广西岩溶洞穴中主要有以下几种沉积物。
2.1流水沉积
包括砾石、砂和粘土等不同粒级的碎屑沉积物，系由地下河、地下湖或地面洪水、裂隙中的渗流水等所携带而在洞内沉积下来。砾石层主要分布在峰丛地区的古地下河型洞穴和现代地下河河道中，其物质来源于非碳酸盐岩组成的中低山区。洞穴粘土主要发育于峰林平原区的洞穴中，出现在不同高度，其分布规律大致有以下特点：垂向上看，高层洞穴粘土往往年代较早，呈红色；相对高度在10-15米范围内的洞穴粘土多为灰褐色至黄褐色；低层或现代地下河河床的粘土多为灰色、灰褐色。从水平分布看，粘土的沉积厚度在峰林平原边缘部分的洞穴中较薄，有时不足一米，而在峰林平原中部的洞穴中厚度可达15米以上，如桂林市穿山岩。在多数洞穴内，粘土为单一结构的连续沉积，在部分洞穴中，粘土含有钙华夹层或是粘土与钙华互层。 如桂林市区的芙蓉岩洞穴沉积剖面厚为1.8米，除顶层钙板外，有钙华、团块状钙质粘土及铁锰层各一层。
2.2崩塌堆积
为块石至巨砾，常见于洞口附近和跨度大的洞穴内，如阳朔县罗田大岩、桂林市芦笛岩等。崩塌岩块除来自洞顶外，还由于石峰坡面平行后退作用而使边坡崩塌物堆积于洞口。有时洞口崩塌堆积物的高度可达40米以上。
2.3生物堆积和文化层堆积
广西的洞穴中保存有大量的古人类、古脊椎动物化石。从区域分布看，北自桂林，南到六万大山的灵山，西到右江河谷的田东，皆有动物化石发现。除举世闻名的巨猿化石外，仅旧石器时代晚期人类化石遗址和哺乳动物化石地点即已发现数十处，哺乳动物化石至少有七目五十二种。从洞穴内部堆积物看，主要有两种情况，一种是在灰黄色堆积物中含有剑齿象、中国犀、真象、最后鬣狗等较多的绝灭种的洞穴，时代往往较早，如柳江人洞出土的柳江人化石，其时代大约距今四、五万年。另一种是洞穴堆积物中不含“大熊猫—剑齿象”动物群中绝灭种动物化石，常常伴生较多的螺蛳、蚌壳等软体动物化石，这类洞穴生物堆积时代较晚，如来宾麒麟山人洞和桂林甑皮岩内的堆积。洞穴生物粪便堆积中，最重要的是蝙蝠粪。广西多数洞穴中均有蝙蝠栖息，在一些较大的洞穴中，洞底蝙蝠粪的堆积厚度可达20厘米。
2.4洞穴次生化学沉积
洞穴次生化学沉积是洞穴中数量最多、造型最复杂多样、最引人注目的一类沉积物。可以将其简称为“钟乳石”。
2.4.1 洞穴次生化学沉积物沉积作用机理种类
①碳酸钙沉积物，这种沉积物在洞穴次生化学沉积物中最为重要。碳酸钙在洞内的沉积析出是在碳酸盐岩—二氧化碳—水系统中，液体与固体交界面上的一种复杂反应。在为碳酸钙所饱和的溶液中，二氧化碳的任何损失都会引起钙的过饱和，从而引起碳酸钙的沉积。
②由于水分的蒸发，使溶液过饱和而发生沉积，如洞穴石膏。
③由于含溶剂的渗透水对洞穴围岩或钟乳石类的淋滤作用而形成新矿物。例如洞穴中氢氧磷灰石是含磷渗透水与碳酸盐岩或钙华的相互作用而形成的。在一些年代较老的石笋和石钟乳的表面往往有氢氧磷灰石的皮壳， 如桂林光明山大岩中， 氢氧磷灰石多以褐色的皮壳(厚几毫米)附着在较早期的洞穴次生化学沉积物的表面或岩壁上。洞穴次生化学沉积物是由洞穴矿物组成的。所谓洞穴矿物是指在洞穴环境下，与地下水的溶蚀、搬运和沉积作用
有关的表生矿物。广西洞穴内已发现的洞穴矿物有10种，它们是：方解石、文石、石膏、氢氧磷灰石、磷铝石、磷铝钾石、磷钙铝石、半蛋白石、褐铁矿、硬锰矿
2.4.2洞穴次生化学沉积物形态分类
岩溶洞穴在脱离地下水位而升入到渗流带之后，在渗流水的作用下，形成多种多样的洞穴次生化学沉积形态。洞穴中的化学沉积物按矿物成分的不同可分为：碳酸盐矿物、蒸发盐矿物、磷酸盐矿物、硝酸盐矿物、氧化物及其他矿物等。最令人赞叹不已的是出现最广泛的碳酸盐矿物(主要是方解石)所构成的种种魅人的景物，洞穴所特有的自然环境—恒定的温度、极高的湿度、微弱的空气流动、含有溶解质的溶液的长时期的渗漏—造成了一种稳定的矿物缓慢沉积的特殊环境，加上沉积机理的多样性，从而造成了晶体发育非常完美的形形色色、千姿百态的迷人景致。洞穴次生化学沉积形态的多样不但与洞穴的物理、化学和生物环境有关，而且取决于溶液活动的方式和水的流量等多种因素。概括地说，形态变化万千的洞穴化学沉积物是由三种状况的水的沉积作用所形成，它们是重力水沉积、非重力水沉积和复合水的协同沉积。滴水、流水，飞溅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细水，水量很小。协同沉积类型以滴水与流水、滴
水与飞溅水、滴水与池水复合形式最为普遍。广西洞穴中化学沉积类型很多，国内外已报导过的类型中的绝大多数在广西都有发现，并且拥有某些特殊沉积类型，如莲花盆沉积之完美，世所未见，钙膜晶锥、石灵芝世所罕见。对广西洞穴次生化学沉积形态可作如下划分：
（1）重力水沉积类
滴水沉积(滴石类)：石钟乳及鹅管、石笋、石柱、石蘑菇。
流水沉积(流石类)：石带、石旗、石幔、石盾、石幕、石瀑、流石坝、钙板、穴珠、穴饼。
池水沉积：水钙膜、边石、晶花、石珊瑚、石葡萄。
飞溅水沉积：棕榈片、石珊瑚、石葡萄。
（2）非重力水沉积
洞穴毛发、石枝(卷曲石)、皮壳、花斑(常由文石组成)。
（3）复合沉积
滴水—流水沉积：堆积石笋、大型石柱等。
滴水—池水沉积：莲花盆(云盆)、钙膜晶锥、穴珠、纺缍状石钟乳。
滴水—飞溅水沉积：棕榈状石笋。
滴水—非重力水沉积：乳房状石钟乳、石瘤。
2.4.3主要的洞穴次生化学沉积形态
石钟乳和鹅管 是最常见的洞穴化学沉积物，悬挂于洞顶。从洞顶节理裂隙中渗出的水，由于水的表面张力而以水滴形式在洞顶作一定时间 (几分钟到几小时)的悬挂，于是少量的碳酸钙便在与洞穴顶板连结处呈环形沉积下来。形成细长、中空的石钟乳， 我国从古代起就称之为鹅管。鹅管通常长几十厘米。鹅管的内径一般为3-4毫米，壁厚0.5-2毫米，几乎全由方解石构成。桂林穿山岩中有几根长度超过1米的鹅管。由于下渗水中往往含有其他成分物质(如粘土、石英颗粒等杂质)，或由于鹅管中央空洞中晶体的生长，从而使石钟
乳中央通道被堵塞，下滴的水便沿石钟乳外部流动和沉积，形成锥形、冰柱形或不规则形状的石钟乳。在石钟乳的横切面上总是可以看到直径5-6毫米的中央通道，横断面表现出以鹅管为中心的同心圆状结构。石钟乳的主要化学成分是氧化钙，酸不溶物含量为千分之几到万分之几。桂林穿山岩石钟乳的组成为(单位为％)：氧化钙(56.65) 、氧化镁(0.17) 、二氧化硅(0.14) 、五氧化二磷(0.11)、三氧化二铁(0.08)、三氧化二铝(0.04)、氧化钠(0.018)、氧化锰(0.007)、氧化钾(0.004)、水(0.43)、烧失量(43.71)。
石笋和石柱 洞穴底板上的石笋，是石钟乳的对应物。石笋的位置由下落的水滴所决定。石笋的形态受水滴的化学性质、溶解的物质、水滴落下的距离、滴水的频率、空气流通状况等多种因素的支配。石笋的直径通常比其上部对应的石钟乳的直径要大，没有中央通道，具层状构造，切面上白色和暗色层理呈同心状交替分布。石笋在洞穴“年龄”的测定和环境变化研究方面最有意义。现今对石笋的“年龄”采用多种方法予以测定，包括碳十四法、铀系法、热解光法、电子旋转共振、超导古地磁、加速器质谱计等方法，在广西岩溶洞穴研究中，这些方法都有所运用。在阳朔县盘龙洞、柳州市白莲洞、桂林市甑皮岩、桂林市光明山大岩等洞穴都进行过大量的年龄测定。对桂林光明山大岩中石笋的年龄测定表明，该石笋根部钙华“年龄”大于69万年，在距今13万年、21万年和22-23万年左右有3次沉
积间断，这与古气候变化有关，在距今4万年前该石笋停止生长。有时可利用历史方法来计算石钟乳和石笋的生长速度。例如桂林七星公园龙隐洞左侧岩壁高处有一块宋代张杓等人的题名石刻，从石刻的人工修整面上下垂一个长1.6米的石钟乳，迄今历时820年，计算出其生长速度平均为1.95毫米。石钟乳和石笋相向生长，联结起来便形成石柱。石柱在洞穴厅堂中“顶天立地”，蔚为壮观。桂林芦笛岩中有密集的石柱，构成迷人的“原始森林”。阳朔县罗田大岩内有数根高达50米的巨型石柱。
