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洞穴沉积物

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最常见六种类型的洞穴沉积物：流石、钟乳柱、石窗帘、石笋、钟乳石 和洞穴吸管

洞穴沉积物（英语：speleothem） 是一种在天然洞穴中积累的地质沉积物[1]。 由于碳酸盐溶解反应，它们通常形成于钙质洞穴中。 根据它们的沉积历史和环境，这些沉积物形成多种形式，由于它们的化学成分、生长缓慢和在洞穴中的保存，使它们成为研究古气候最佳材料之一。

化学和物理特性

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洞穴沉积物已发现300 多种洞[2]。 都是钙质的，由碳酸钙 (CaCO3) 矿物（方解石或文石）组成。 少有的是由硫酸钙（石膏或芒硝）或蛋白石制成[2]。 纯碳酸钙或硫酸钙的洞穴沉积物呈半透明无色。 含氧化铁或铜则呈红棕色。含氧化锰会使颜色加深，例如黑色或深棕色。 若含泥土和淤泥，则呈棕色[2]。

许多因素影响洞穴沉积物的形状和颜色，包括岩石和水的化学成分、渗水率、水流方向、洞穴温度、洞穴湿度、气流、地上气候和地上植物覆盖。 较弱的水流和较短的下落距离会形成较窄的石笋，而较大的水流和较大的下落距离往往会形成较宽的石笋。

形成过程

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大多数洞穴沉积物的形成涉及碳酸钙化学反应，含有由方解石或文石矿物的石灰岩或白云岩等岩石， 在较高的二氧化碳 (CO2) 和较低的温度环境下，碳酸盐矿物容易溶解。 钙质洞穴通过碳酸盐溶解反应形成，雨水与土壤 中的CO2 反应，产生弱酸性水如下[3]：

H2O + CO2 → H2CO3

当酸性水从地表穿过碳酸钙岩石到达洞穴顶部时，它会通过以下反应溶解基岩：

CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2 HCO3−


当溶液到达洞穴时，因为洞穴中的 CO2 较低，通过以下反应驱动 CaCO3 沉淀：

Ca2+ + 2 HCO3− → CaCO3 + H2O + CO2

这些沉淀物的积累形成滴石（石笋、钟乳石）和流石，这是洞穴的两种主要类型。

气候指标

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洞穴沉积物的横断面可以提供类似于冰芯或树木年轮的古气候记录[4]。 起缓慢的几何生长和含放射性元素的结合使洞洞穴沉积物，能够通过放射性碳测年和铀-钍测年，能准确和精确地测出，第四纪晚期的年代，前提是洞穴是一个封闭系统并且沉积物没有经过再结晶 [5]。 氧 (δ18O) 和碳 (δ13C) 稳定同位素用于追踪过去 ~500,000 年间降雨温度、降水和植被变化的变化[6] [7], 降水量的变化能改变了洞穴沉积物生长环的宽度：间距小的生长环环表示降雨量少，间距较宽表示降雨量较大，而较密的生长环表示水分较高。计数滴速和水滴中微量元素的分析能推测短期气候变化，例如厄尔尼诺-南方涛动 (ENSO) 气候事件[8]。 在俄克拉荷马州理查兹斯普尔地区采石场， 有一个暴露在地表但被充填的洞穴。从中提取了早期二叠纪的气候数据[9]，而获得2.89 亿年前的气候变化的资讯。

类型和分类

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洞穴沉积物类型:
(A)  钟乳石 (B)  洞穴吸管 (C)  石笋 (D)  锥形石笋 (E)  石笋或圆柱 (F)  石窗帘 (G)  石窗帘 (H)  洞穴石枝 (I) Moonmilk月乳石 (J)  边石坝 (K) 方解石晶体 (L)  水池 (M) 喀斯特地貌 (N)  水体 (O)  地盾 (P)  洞穴云层 (Q)  洞穴珍珠 (R)  塔锥 (S)  棚石头 (T)  树冠 (U)  瓶刷钟乳石 (V)  洞锥石 (W)  流石 (X)  盘型石 (Y) 方解石筏 (Z)  洞穴爆米花 (AA)  洞穴霜花 (AB)  流石 (AC)  洒石 (AD)  地震洞穴堆积物 (AE)  箱型晶 (AF)  排列钟乳石 (AG)  倒塌的瓦砾

洞穴有多种形式，具体取决于水是滴落、渗出、凝结、流动还是形成于池塘。 许多洞穴因其与人造或自然物体的相似性而得名。 洞穴的类型包括[10]：

  • 滴石是碳酸钙组成的锺乳石或石笋：
    • 钟乳石是悬挂在洞穴天花板上的尖头吊坠碳酸钙沉积物，
      • 洞穴吸管是非常细但很长的钟乳石，
      • 洞穴石枝是一种带有树枝状或螺旋状的钟乳石，它有一个中央通管。
      • 吊灯是在洞穴天花板上的复杂集群钟乳石。
      • 丝带钟乳石，形如丝带。
    • 石笋是锺乳石在地面对应物，包括扫帚形状，图腾柱形状，煎蛋形状等石笋。
    • 钟乳柱（Stalagnate），当钟乳石和石笋连接或钟乳石生张到达洞底时，就会产钟乳柱。
  • 流石 堆积在于洞穴地板和墙壁上的片状碳酸钙沉积物。
    • 石窗帘，是向下垂的薄片状、波浪形的方解石。
      • 培根，是一种窗帘一种，带有各种颜色。
    • 边石坝，生张在有涟漪的水池边的石坝状碳酸钙沉积物。
      • 石瀑布，形如冰冻瀑布。
  • 洞穴水晶
    • 犬齿晶是大型方解石晶体，经常在季节性水池附近。
    • 洞穴霜花 是针状的方解石或文石。
    • 月乳石 是白色的，像奶酪一样的碳酸钙沉积物。
    • 石膏花 是像花状的文石晶体的。
    • 低温造成的方解石晶体，是指在洞穴底部发现的松散方解石颗粒，其溶质在水冻结期间分离岩石而形成的。
  • 洞穴残馀物（Spelegens）（不同于洞穴沉积物）是洞穴内的岩石，经由溶解方解石后形成的是通过去除基岩而形成的残馀个体，而不是作为次生沉积物。 这些包括：
  • 其他
  • 洞穴爆米花，是小而多节的方解石沉积物。
  • 洞穴珍珠是一种球形状碳酸钙，在生长过程中，经常受水从高处滴落到水池的波动而翻转，导致小的球形晶体。
  • 洞穴涕石主要是由硫氧化细菌造成有如“鼻涕”状的粘液。
  • 方解石筏是出现在洞穴水池表面的薄薄的方解石堆积物
  • 洞穴狱钟指在尤卡坦半岛 El Zapote cenote 发现的一种水下钟形的洞穴堆积物，
  • 熔岩管含有硫酸盐、芒硝或蛋白石组成的洞穴堆积物。 当熔岩冷却时，这些矿物就沉淀出来。

参考文献

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  1. ^ White, W. B. (2019). "Speleothems". Encyclopedia of Caves: 1006–17. doi:10.1016/B978-0-12-814124-3.00117-5. ISBN 9780128141243.
  2. ^ 2.0 2.1 2.2 White, William (2016). "Chemistry and karst". Acta Carsologica. 44 (3). doi:10.3986/ac.v44i3.1896. ISSN 0583-6050.
  3. ^ Fairchild, Ian (2012). Speleothem science: from process to past environments. Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4051-9620-8. OCLC 813621194.
  4. ^ Bradley, Raymond S. (2015). Paleoclimatology: Reconstructing Climates of the Quaternary. Academic Press. pp. 291–318. doi:10.1016/b978-0-12-386913-5.00008-9. ISBN 978-0-12-386913-5.
  5. ^ Richards, David A.; Dorale, Jeffrey A. (2003). "Uranium-series Chronology and Environmental Applications of Speleothems". Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 52 (1): 407–460. Bibcode:2003RvMG...52..407R. doi:10.2113/0520407. ISSN 1529-6466.
  6. ^ Fairchild, Ian J.; Smith, Claire L.; Baker, Andy; Fuller, Lisa; Spötl, Christoph; Mattey, Dave; McDermott, Frank; E.I.M.F. (2006). "Modification and preservation of environmental signals in speleothems" (PDF). Earth-Science Reviews. ISOtopes in PALaeoenvironmental reconstruction (ISOPAL). 75 (1–4): 105–153. Bibcode:2006ESRv...75..105F. doi:10.1016/j.earscirev.2005.08.003.
  7. ^ Hendy, C. H (1971). "The isotopic geochemistry of speleothems–I. The calculation of the effects of different modes of formation on the isotopic composition of speleothems and their applicability as palaeoclimatic indicators". Geochimica et Cosmochimica Acta. 35 (8): 801–824. Bibcode:1971GeCoA..35..801H. doi:10.1016/0016-7037(71)90127-X.
  8. ^ McDonald, Janece; Drysdale, Russell; Hill, David (2004). "The 2002–2003 El Niño recorded in Australian cave drip waters: Implications for reconstructing rainfall histories using stalagmites". Geophysical Research Letters. 31 (22): L22202. Bibcode:2004GeoRL..3122202M. doi:10.1029/2004gl020859. ISSN 1944-8007.
  9. ^ Woodhead, Jon; Reisz, Robert; Fox, David; Drysdale, Russell; Hellstrom, John; Maas, Roland; Cheng, Hai; Edwards, R. Lawrence (2010-05-01). "Speleothem climate records from deep time? Exploring the potential with an example from the Permian". Geology. 38 (5): 455–458. Bibcode:2010Geo....38..455W. doi:10.1130/G30354.1. hdl:1959.13/931960. ISSN 0091-7613.
  10. ^ Hill, C A, and Forti, P, (1997). Cave Minerals of the World, (2nd edition). [Huntsville, Alabama: National Speleological Society Inc.] pp. 217, 225
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