洞穴沉積物

洞穴沉積物（英語：speleothem）是一種在天然洞穴中積累的地質沉積物^[1]。由於碳酸鹽溶解反應，它們通常形成於鈣質洞穴中。根據它們的沉積歷史和環境，這些沉積物形成多種形式，由於它們的化學成分、生長緩慢和在洞穴中的保存，使它們成為研究古氣候最佳材料之一。

化學和物理特性

洞穴沉積物已發現300 多種洞^[2]。都是鈣質的，由碳酸鈣 (CaCO3) 礦物（方解石或文石）組成。少有的是由硫酸鈣（石膏或芒硝）或蛋白石製成^[2]。純碳酸鈣或硫酸鈣的洞穴沉積物呈半透明無色。含氧化鐵或銅則呈紅棕色。含氧化錳會使顏色加深，例如黑色或深棕色。若含泥土和淤泥，則呈棕色^[2]。

許多因素影響洞穴沉積物的形狀和顏色，包括岩石和水的化學成分、滲水率、水流方向、洞穴溫度、洞穴濕度、氣流、地上氣候和地上植物覆蓋。較弱的水流和較短的下落距離會形成較窄的石筍，而較大的水流和較大的下落距離往往會形成較寬的石筍。

形成過程

大多數洞穴沉積物的形成涉及碳酸鈣化學反應，含有由方解石或文石礦物的石灰岩或白雲岩等岩石，在較高的二氧化碳 (CO2) 和較低的溫度環境下，碳酸鹽礦物容易溶解。鈣質洞穴通過碳酸鹽溶解反應形成，雨水與土壤中的CO2 反應，產生弱酸性水如下^[3]：

H₂O + CO₂ → H₂CO₃

當酸性水從地表穿過碳酸鈣岩石到達洞穴頂部時，它會通過以下反應溶解基岩：

CaCO₃ + H₂CO₃ → Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻

當溶液到達洞穴時，因爲洞穴中的 CO2 較低，通過以下反應驅動 CaCO3 沉澱：

Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻ → CaCO₃ + H₂O + CO₂

這些沉澱物的積累形成滴石（石筍、鐘乳石）和流石，這是洞穴的兩種主要類型。

氣候指標

洞穴沉積物的橫斷面可以提供類似於冰芯或樹木年輪的古氣候記錄^[4]。起緩慢的幾何生長和含放射性元素的結合使洞洞穴沉積物，能夠通過放射性碳測年和鈾-釷測年，能準確和精確地測出，第四紀晚期的年代，前提是洞穴是一個封閉系統並且沉積物沒有經過再結晶 ^[5]。氧 (δ18O) 和碳 (δ13C) 穩定同位素用於追蹤過去 ~500,000 年間降雨溫度、降水和植被變化的變化^[6] ^[7], 降水量的變化能改變了洞穴沉積物生長環的寬度：間距小的生長環環表示降雨量少，間距較寬表示降雨量較大，而較密的生長環表示水分較高。計數滴速和水滴中微量元素的分析能推測短期氣候變化，例如聖嬰-南方濤動 (ENSO) 氣候事件^[8]。在俄克拉荷馬州理查茲斯普爾地區採石場，有一個暴露在地表但被充填的洞穴。從中提取了早期二疊紀的氣候數據^[9]，而獲得2.89 億年前的氣候變化的資訊。

類型和分類

洞穴有多種形式，具體取決於水是滴落、滲出、凝結、流動還是形成於池塘。許多洞穴因其與人造或自然物體的相似性而得名。洞穴的類型包括^[10]：

滴石是碳酸鈣組成的鍾乳石或石筍：
- 鐘乳石是懸掛在洞穴天花板上的尖頭吊墜碳酸鈣沉積物，
  - 洞穴吸管是非常細但很長的鐘乳石，
  - 洞穴石枝是一種帶有樹枝狀或螺旋狀的鐘乳石，它有一個中央通管。
  - 吊燈是在洞穴天花板上的複雜集群鐘乳石。
  - 絲帶鐘乳石，形如絲帶。
- 石筍是鍾乳石在地面對應物，包括掃帚形狀，圖騰柱形狀，煎蛋形狀等石筍。
- 鐘乳柱（Stalagnate），當鐘乳石和石筍連接或鐘乳石生張到達洞底時，就會產鐘乳柱。
流石堆積在於洞穴地板和牆壁上的片狀碳酸鈣沉積物。
- 石窗簾，是向下垂的薄片狀、波浪形的方解石。
  - 培根，是一種窗簾一種，帶有各種顏色。
- 邊石壩，生張在有漣漪的水池邊的石壩狀碳酸鈣沉積物。
  - 石瀑布，形如冰凍瀑布。
洞穴水晶
- 犬齒晶是大型方解石晶體，經常在季節性水池附近。
- 洞穴霜花是針狀的方解石或文石。
- 月乳石是白色的，像奶酪一樣的碳酸鈣沉積物。
- 石膏花是像花狀的文石晶體的。
- 低溫造成的方解石晶體，是指在洞穴底部發現的鬆散方解石顆粒，其溶質在水凍結期間分離岩石而形成的。
洞穴殘餘物（Spelegens）（不同於洞穴沉積物）是洞穴內的岩石，經由溶解方解石後形成的是通過去除基岩而形成的殘餘個體，而不是作為次生沉積物。這些包括：
- 支柱
- 扇貝
- 埋骨地
- 箱型晶
其他
洞穴爆米花，是小而多節的方解石沉積物。
洞穴珍珠是一種球形狀碳酸鈣，在生長過程中，經常受水從高處滴落到水池的波動而翻轉，導緻小的球形晶體。
洞穴涕石主要是由硫氧化細菌造成有如「鼻涕」狀的粘液。
方解石筏是出現在洞穴水池表面的薄薄的方解石堆積物
洞穴獄鐘指在尤卡坦半島 El Zapote cenote 發現的一種水下鐘形的洞穴堆積物，
熔岩管含有硫酸鹽、芒硝或蛋白石組成的洞穴堆積物。當熔岩冷卻時，這些礦物就沉澱出來。

參考文獻

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