洞穴学基础知识

　　洞穴，英文名叫cave，cavern，或cavity。 根据国际洞穴学协会 ( IUS，即 International Union of Speleology) 的定义，洞穴是指人能进出的天然地下空间。洞穴是地球自然景观的一个重要构成部分，亦是一种独特的自然资源，与人 类的生产活动有着密切的联系;而研究其形成、形态特征、发展演化以及开发利 用的科学就是洞穴学，英语叫SPELEOLOGY。在我国，尤其在南方岩溶山区，洞穴的调查、探测、及其形成和开发利用研究有着十分重大的理论意义和社会经济 价值。

　　1、洞穴的若干类型

　　根据洞穴的定义，洞穴实际上由洞穴空间(洞腔)及围绕其四周的岩体(围岩) 两部分构成。

　　洞穴有很多种类型，按其所形成的围岩性质分，有：

　　1) 碳酸盐岩洞，由岩溶作用形成，在我国分布最广，数量最多，规模最大;

　　2) 石膏洞，洞体一般规模不大，分布远不如碳酸盐岩洞普遍;

　　3) 砾岩洞，形成于钙质胶结的砾岩中，在我国数量很少，一般长度不大;

　　4) 玄武岩洞，由火山活动喷发出来的岩浆在流动过程中经差异冷却而成，主要分 布在我国东北及海南火山喷发区;

　　5) 砂岩洞，由差异风化作用而成;

　　6) 冰川洞。

　　按形成洞穴的主要地质作用来分，有：

　　1) 岩溶洞穴;

　　2) 非岩溶洞穴。

　　按洞穴与围岩形成先后分，有：

　　1) 原生洞，洞穴与围岩同时形成，如熔岩洞、岩堆洞、礁洞、灰华洞;

　　2) 次生洞，洞穴形成于围岩之后，自然界大多数洞穴均属于此类，如岩溶洞穴、 构造洞、风化洞、海蚀洞等。

　　按洞穴大小分，有：

　　1) 单一洞穴;

　　2) 洞穴系统。

　　按洞穴水文特征分，有：

　　1) 干洞，即渗流带(包气带)洞穴(vadose cave);

　　2) 水洞，包括地下水面洞(water table cave)和潜流带洞穴(phreatic cave)。

　　按洞穴形态特征分，有：

　　1) 垂向洞穴;

　　2) 横向洞穴。

　　我们在此讲述的，主要是在我国南方岩溶地区普遍发育与广为分布的岩溶洞穴，英语叫做Karst Caves。

　　2、岩溶洞穴形成的几个基本条件

　　岩溶洞穴的形成与发展实际上是一种极其复杂的化学溶蚀，机械侵蚀和崩塌过程。洞穴学认为，一个岩溶洞穴的形成必须要满足以下四个基本条件：

　　1) 可溶性岩石;

　　2) 可溶岩能提供水渗透和运移空间;

　　3) 具有溶蚀能力的水流;

　　4) 水流必须具有流动性。

　　无容置疑，岩溶洞穴只能发育在可溶岩体中，如石灰岩、白云岩、石膏等;其次，可溶岩必须具有能提供水流运移的空间，如裂隙，节理，层面，空隙等。 同时，如果运移在可溶岩体中的水流是饱和的而不再具有溶蚀能力，其也无法进 一步溶蚀岩石扩大其原始空间;此外，如若水流静止不动，其亦不能将水中溶蚀 掉的岩石成分带走，又怎能扩大岩体中的次生溶蚀空间?因此，要有物质与能量 输入输出的持续性活动。这四个基本条件必须同时满足，缺一不可。当水流从空 气，土壤，植被，岩石中获得具有溶蚀能力的碳酸或其它无机酸、有机酸通过可 溶岩体中的上述空间时，即产生溶蚀扩大作用;水流量及流速又在这些溶蚀扩大 了的缝隙中集中、增加，形成差异溶蚀;最后将其扩大形成超过人体大小的自然 地下空间--洞穴。

　　3、岩溶洞穴的成因类型与发育演化

　　3.1 岩溶洞穴成因类型的划分

　　如前所述，岩溶洞穴分类的方案有很多，但未能形成同一意见;目前较为普遍接受的方案是依据其所处的水动力带划分为渗流带洞穴、潜流带洞穴和地下水 面洞穴。

　　岩溶洞穴的形成和发展主要受到水的物理化学性质和水动力条件及所在地的自然地理和地质地貌特征。从洞穴形成作用差异性角度出发，世界上的岩溶洞穴 主要有三大成因类型：一是由大气降水及其次生地下表层渗透水形成的洞穴，即 雨水型岩溶洞穴，在我国最为发育，分布也最广;第二类是由地下热水形成的洞 穴，常表现为平面展布面积较小的迷宫状立体空间结构，如长度目前分居世界第 四和第九位的美国南达科他州Jewel Cave和Wind Cave，匈牙利布达佩斯和米什 科尔茨的热水洞穴等，我国则迄今尚未见报道;第三类是由不同化学类型水混合 作用形成的洞穴，如澳大利亚纳拉伯平原滨海岩溶区咸淡水混合作用所形成的洞 穴。我们在此主要介绍雨水型洞穴。

　　为此，我们从系统论观点出发，以岩溶含水层为一独立系统，根据控制洞穴形成发育的不同水流输入-输出方式，将岩溶洞穴划分为流入含水层型，流出含水 层型与穿越含水层型。流入型洞穴一般只有进水洞口发育而无出水洞口，通道末 端往往终止于没顶入水塘(Inlet Sump);流出型洞穴则只有出水洞口而无进水洞口 发育，其通道末端亦消失于没顶出水塘(Outlet Sump);穿越型洞穴既有进水洞口 又有出水洞口发育，通道贯穿整个系统，其实际上是一个岩溶洞穴发育系列的终 端。

　　3.2 岩溶洞穴发育演化的一般规律

　　岩溶洞穴的发育演化一般可划分为如下三个阶段：

　　1) 形成阶段：只要满足前述洞穴发育的四个基本条件，即可开始形成洞穴。在这 个洞穴形成的初期阶段，洞穴空间规模一般较小，多呈孔隙状，人们无法进入。

　　2) 发展阶段：随着参与洞穴发育的水流流量流速的增加，洞穴空间逐渐扩大，发 展成为人能进入具有一定规模的通道系统。

　　3) 衰亡阶段：由于地壳抬升，洞穴逐渐脱离地下水位进入包气带，失去了进一步 发展的动力条件;崩塌现象显著，钟乳石类次生化学沉积大量发育，洞穴空间逐 步壅塞减小 。

　　4、洞穴形态特征(speleogens)

　　洞穴形态是洞穴形成过程中所产生的溶蚀，侵蚀与崩塌形态;其对洞穴成因及开发利用研究是必不可少和有着十分重要的意义。洞穴形态又可进一步区分为 大形态和小形态。

　　4.1 洞穴大形态

　　洞穴大形态是指洞穴空间展布特征，包括平面形态，断面形态和三维空间组合形态。不同类型的洞穴在不同的洞段和不同的发育阶段，有着不同的大形态特 征。如流入型洞穴多为单一通道，其横断面多为裂缝形和三角形(渗流带);流出 型洞穴多树枝状、环状通道，横断面以矩形、椭圆形(地下水面或潜流带)最为常 见。

　　4.2 洞穴小形态

　　洞穴小形态是指发育在通道表面的各种小型溶蚀侵蚀形态，如洞顶天沟、倒石牙、天锅;洞壁边槽、波痕、角石、交织穴;洞底涡穴等。这类小形态，尤其 是指向流痕类对洞穴古水文状况的恢复有着重要的指导意义。

　　5、洞穴沉积

　　洞穴沉积是洞内各种物理、化学和生物堆积，其物质来源既可来自洞外，也可来自洞内;是构成洞内自然景观的重要部分，也是游览洞穴赖以开发的基础。

　　洞穴沉积包括机械沉积，次生化学沉积，生物和文化层沉积等三大类型。

　　5.1 机械沉积

　　洞穴机械沉积包括：

　　1) 流水沉积，如砂、砾石、粘土等，一般是被流水自洞外携入的外源碎屑沉积;

　　2) 崩塌沉积，是洞顶垮塌和洞壁及早期钟乳石类崩塌所产生的岩块堆积。

　　5.2 次生化学沉积(speleothems)

　　为区别洞穴围岩，凡在洞穴中由化学过饱和水体沉淀而成的后期化学沉积物统称为次生化学沉积，也叫钟乳石类沉积。按矿物成分，其可区分为碳酸盐沉积 、硫酸盐沉积、磷酸盐沉积和其他矿物沉积。

　　1) 洞穴次生碳酸盐沉积，其主要矿物是方解石(Calcite)和文石(Aragonite)，化学成 分是碳酸钙(CaCO3)，是石灰岩溶洞内最为发育、最多姿多彩的一种次生化学沉 积形态，构成了洞穴自然景观的主体。 按控制其形成的水流状态，可细分为：

　　a、滴水沉积，由洞内滴水形成，又称为滴石类(Dropstone)。包括鹅管(Straw)、石钟乳( Stalagtite)、石笋(Stalagmite)、石柱(Column)等。其中鹅管和石钟乳是自洞顶 往下生长，石笋是自洞底往上生长，石柱则由石钟乳和石笋相向生长连接而成。

　　b、流水沉积，由洞内流水形成，为流石类(Flow stone);其可分为顶流石、壁流 石和底流石。顶流石有水母石(Cave medusa);壁流石包括石带(Stone bacon)、 石 旗(Stone flag )、石幕(Stone curtain)、石瀑布(Stone fall)、穴盾(Cave shield)等; 底 流石包括流石坝(Flowstone dam)、石梯田(Terraced stone fields)、钙板(Travertine plate)等。

　　c、飞溅水沉积，由洞内滴落水溅飞的水雾或细微水珠而成。包括石葡萄(Cave grape)、石棕榈片(Palm slice)、石珊瑚(Cave coral)等。

　　d、池水沉积，形成于洞内积水池塘，如边石(Rimstone)、穴筏(Cave raft)、月奶石 (Moonmilk)、池中晶花(Crystal flower)等。

　　以上属于重力水沉积范畴。

　　e、毛细水沉积， 属于非重力水沉积范畴。由洞壁洞顶或其他洞内沉积物表面毛 细水形成，如石花(Cave flower)、卷曲石(Helictite)、洞穴毛发(Cave hair)等。

　　f、协同沉积，由两种以上不同运动方式的水流协同作用而形成，如石蘑菇(Stone mushroom)、莲花盆(Cave lotus)、穴珠(Cave pearl)、晶锥(Raft cone)、棕榈状石笋 (Palmlike stalagmite)等。

　　2) 洞穴硫酸盐沉积，其中以石膏(Gypsum)最为常见，多见于高位洞穴中较为干燥 部位 。

　　3) 洞穴磷酸盐沉积，如氢氧磷灰石(Hydroxyapatite)，多分布于洞顶洞壁石灰岩表 面，往往呈皮壳状。

　　4) 洞穴硝酸盐沉积，如硝石(Saltpeter)，多存在于洞底粘土沉积层中。由于其可制 火药，我国南方岩溶洞穴中常有过去当地老乡采硝所留遗迹。

　　5.3 洞穴生物与文化层沉积

　　洞穴生物堆积包括植物、动物粪便与骨骼化石沉积。植物与动物化石沉积多自洞外进入;而最常见的动物粪便则为蝙蝠粪。中国南方岩溶区洞穴中最为常见 的古脊椎动物化石为距今数十万年的大熊猫-剑齿象动物群。不少洞穴还发现有新 、旧石器时代人类居住生活文化层。

　　6、洞穴的一般气候特征

　　由于洞穴空间被围岩所圈闭，是一个相对独立的环境系统;调节其气候变化主要是通过洞内空气和水流运动来实现的，因而总的来说是一个温度比较稳定、 潮湿、黑暗、安静的地下世界。我们常说地下世界冬暖夏凉，实际上是指洞内气 温能保持相对稳定。一般来说，洞口带的气温受外部环境影响较大，其日变化与 年变化与当地地表气温变化相近;而越往洞内，则气温波动越小直至不受外界影 响，基本稳定在当地多年平均气温左右。洞内相对湿度一般较高;雨季，有地下 河的洞穴要比干洞的相对湿度高些。洞口数目越多、与外界空气交换越频繁，则 其气候波动幅度就越要大一些。如果洞穴所在地年温差或日温差大，就会因洞内 外温差较大而产生空气压力差，导致了洞穴空气运动的产生。如夏季或午间空气 多往洞外流动;冬季或夜间空气则多往洞内运动。在洞内因通道横断面突然变小 所产生的空气密度差也能导致速度较大的空气运动。

　　7、洞穴生物

　　在洞口有光段，往往长有能进行光合作用、性喜阴湿的植物，如草本植物、地衣、苔藓等;而在完全黑暗的洞穴深处，含叶绿素的植物虽无法生存，但也有 低等生物生存。就动物而言，现代最为常见的洞穴栖居动物有岩燕、蝙蝠、蟋蟀 、蜈蚣、蜘蛛等;偶尔也能见到鼠、蛇类动物等;地下河中则常常能见到鱼、青 蛙、螺等。真正的穴居动物因一生都生活在黑暗的地下世界，其最大的特点就是 没有眼睛，无色，如洞穴盲鱼等。

　　8、洞穴年代

　　要想知道洞穴形成的确切年代实属不易，只能够根据确定洞穴沉积物年代来进一步推断洞穴的大致形成时间。目前应用较广的用于测定洞穴沉积物年代的实 验室方法有碳14法、铀系法、古地磁法、热释光法、ESR法等，测定年代范围一 般在200~300万年以内，这就造成了我国南方岩溶区洞穴的沉积物年龄越老数据 越少，大多在35万年以下。根据业已得出的年龄测定数据，我国许多大型岩溶洞穴系统都有上百万年的高龄了。

　　9、洞穴开发利用

　　人类最初是利用洞穴作为居住和生活场所的，迄今为止，我国发现古人类化石的洞穴已有十数个，其中最著名的是1929年发现第一个北京猿人头盖骨的北京周口店龙骨山猿人洞，距今已有近50万年的历史了。随着人类社会不断的发展与进步，洞穴空间作为 人类主要生活居住处已是很不必要的了。根据历史记载与调 查研究，人类对洞穴的 开发利用可归纳为以下几个方面：

　　1) 居住：有史以来，我国人民就曾经利用洞穴作为隐居，避难处和进行宗教，文 化活动的场所;如贵州广西的许多石灰岩洞穴就被叫做逃兵洞和躲兵洞，桂林独 秀峰脚有读书岩，贵阳仙人洞建有道观等。

　　2) 工农业开发利用

　　a、厂房，仓库;

　　b、日常生活利用，如利用洞穴水源作为饮用水，改造为商场，电影院，旅社等;

　　c、种植业利用，如人工培植蘑菇;

　　d、矿产资源利用，如开采石膏，冰州石，磷块岩，硝土等;

　　e、水利水电开发，引用洞穴地下河水进行灌溉和发电等，如广西桂林冠岩地下水坝和引水隧洞，贵州织金洞水淹塘溶洞电站等。

　　3) 旅游：洞穴因其独特的环境特征和千姿万态的钟乳石类沉积早就被人类开发为 观光游览场所，如桂林七星岩根据洞壁碑刻所记，其游览历史至少可上溯至公元 894年，距今已有1100多年了。据不完全统计，到目前为止我国已经开发了约三 百多个游览洞穴，但总体来说开发水平相对不高，其中绝大多数事先并未进行过 相应的科学论证与综合规划;在洞内景点、道路、灯光及其他游览设施的布置、 设计、洞口布局、科普导游和洞穴环 境保护等方面与国外游览洞穴相比有较大差 距。

　　4) 医疗：东欧国家已有不少岩洞被开发为疗养洞穴，我国柳州的响水岩现在也正 进行这方面的研究与实验。洞穴医疗的科学依据是洞穴空气中的负离子对某些疾 病如重感冒、鼻窦炎和哮喘病等有一 定的治疗作用或能减轻其症状。

　　5) 体育活动，即洞穴探险：自80年代以来，通过中外联合洞穴探险活动的开展， 洞穴探险活动被引进我国，并逐步得到推广与普及，目前是一项正在兴起的群众 性运动。自洞穴研究会成立以来，更是以普及洞穴学知识，组织中外联合洞穴科 学探险，推动洞 穴调查与探测活动在我国的开展和进行洞穴科学研究与开发为己 任，并为此作出了不懈的努力，取得了巨大的社会经济效益。

　　10、洞穴保护

　　洞穴环境是一个较为封闭，脆弱的自然环境系统，易被破坏而难以恢复。以洞内钟乳石类沉积的生长为例，根据我们对桂林地区溶洞石笋样品的同位素年代 测定，其平均生长速度每万年只有数公分。是故其一旦遭破坏，就不知要多少个 万年才能长成原样，如此留给我们的子孙后代的是无论如何也挽不回的损失!而 目前对洞穴最直接，最大的破坏就是对洞内多姿多彩钟乳石沉积的采集与买卖， 又何其悲耶!我们有志于洞穴事业的全体同仁，应肩负起保护洞穴的责任，向全 社会呼吁、宣传洞穴保护的重要性并全力制止对钟乳石的肆意破坏。我们在进行 洞穴调查、探险、科学研究和参观游览时，除了少量必要的科学取样外，不应动 洞内的任何次生化学沉积，也不应在洞内乱扔废杂物品和任意大小便，真正做到 进洞留下的只有脚印，出洞带走的只有印象。

来源：户外救援联盟