基于实验分析的乳房状石钟乳成因机理初步研究——以湖北阳新地心大峡谷洞穴沉积形态为例

段武辉; 周现金; 潘洋; 徐柯健; 郭申祥; 谭明

doi:10.11932/karst20210601

基于实验分析的乳房状石钟乳成因机理初步研究——以湖北阳新地心大峡谷洞穴沉积形态为例

doi: 10.11932/karst20210601

段武辉¹,
周现金²,
潘洋³,
徐柯健³,
郭申祥⁴,
谭明^{1, 5,}

1.
中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029
2.
湖北枫林石佛泉旅游投资有限公司，湖北阳新 435204
3.
中国地质大学（北京），北京 100083
4.
湖北非金属地质公司，湖北武汉，430030
5.
中国地质学会洞穴专业委员会，广西桂林 541004

详细信息

作者简介:
段武辉（1982-），男，副研究员，主要从事洞穴沉积与古气候研究。E-mail：duanwuhui@mail.iggcas.ac.cn。

通讯作者:
谭明（1954-），男，研究员，主要从事岩溶水文地貌学与古气候研究。E-mail：tanming@mail.iggcas.ac.cn。

中图分类号: P931.5
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2021-04-30
- 发布日期: 2021-12-25
- 刊出日期: 2021-12-25

Forming mechanism of breast-like stalactites based on the experimental analysis of cave deposition from Dixin canyon, Yangxin, Hubei

1.
Institute of Geology and Geophysics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China
2.
Hubei Fenglin Shifo Spring Tourism Investment Co. LTD，Yangxin，Hubei 435204，China
3.
China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China
4.
Hubei Nonmetallic Geology Company，Wuhan，Hubei 430030， China
5.
Hubei nonmetallic geology company，Wuhan，Hubei 430030，China
5.
Committee on Speleology of G.S.C，Guilin，Guangxi 541004， China

摘要

摘要: 目前，关于乳房状石钟乳成因的研究仍然停留在“科学猜想”阶段。通过对湖北阳新“地心大峡谷”洞穴内采集的一对孪生乳房状石钟乳样品进行矿物构成、晶体形态以及年代学分析，获得如下新认识：①乳房状石钟乳由致密—疏松互层递序生长的方解石构成。②致密层方解石呈菱面体晶型，无色透明，垂直向下生长，没有横向扩张；疏松层方解石呈细小颗粒状，乳白色不透明，呈“皮壳”状聚集，有一定程度的横向扩张，是乳房状石钟乳基部和主干部位膨胀的主要原因。③致密层和疏松层之间并不是连续生长的，存在显著的沉积间断。疏松层的²³²Th含量普遍比致密层高1~2个数量级，说明疏松层中不溶于水的杂质含量显著高于致密层。结合以上实验结果，以及洞内“皮壳”状沉积物可以在洞壁、洞顶分布的特征，推测：①“皮壳”沉积的溶液是从围岩或相关沉积物（石钟乳）基底以面状缓慢渗出的。②当溶液过饱和析出碳酸钙后，溶剂以水分蒸发的形式离开沉积界面。③“皮壳”沉积结构疏松的原因可能是由于地下河改道，洞穴密闭度变差，洞穴空气CO₂浓度降低，方解石结晶速率加快，从而造成方解石晶体缺陷增多，并以微晶集合体堆积。
- 乳状石钟乳石 /
- 形成机理 /
- 实验分析 /
- 阳新地心大峡谷洞穴
Abstract: The current study on the forming mechanism of breast-like stalactites is still at the stage of "scientific conjecture". In this study，samples of a pair of twin breast-like stalactites were collected in a cave of Dixin canyon at Yangxin county， Hubei Province. We carried out the mineral composition， crystal morphology and geochronology studies on the samples， and obtained new understanding. The breast-like stalactite is composed of calcite that formed the compact/porous inter-layers. The calcite of compact layer is rhombohedral，colorless and transparent，growing vertically downwards without lateral expansion. The calcite of porous layer is in the form of fine particles，milky white and opaque，and aggregates in a "coating" structure， with a certain degree of lateral expansion， which accounts for the expansion of the base and trunk of the breast-like stalactite. The dating results suggest that the compact and porous layers do not grow continuously， but existing significant hiatus. The ²³²Th content of the porous layer is generally one to two orders of magnitude higher than that of the compact layer，indicating that the content of water-insoluble impurities in the porous layer is significantly higher than that of the compact layer. Based on the experimental results and the observations that the "coating" depositions are also on the walls and roofs of the cave，we speculate that the solution recharging "coating" depositions seeps from surrounding rocks or solid sediments （stalactites）. The porous structure of "coating" deposition may be due to the diversion of underground river， the deterioration of the cave sealing， the decrease of CO₂ concentration in the cave， and resultant acceleration of calcite crystallization rate. These factors make calcite crystal more defects and messy accumulation.
- breast-like stalactite /
- forming mechanism /
- experimental analysis /
- Dixin canyon cave of Yangxin
注释:

1) 段武辉，周现金，潘洋，等.基于实验分析的乳房状石钟乳成因机理初步研究：以湖北阳新地心大峡谷洞穴沉积形态为例［J］.中国岩溶，2021，40（6）：907-913.

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图 1 阳新“地心大峡谷”洞穴平面图（左）和洞内乳房状石钟乳（右）

Figure 1. Plan view of Dixin canyon cave in Yangxin county, Hubei Province (left) and the breast-like stalactites in the cave (right)

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图 2 乳房状石钟乳样品的剖面及其致密、疏松层互层结构

Figure 2. Profile of the twin breast-like stalactite samples, with compact/porous inter-layers

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图 3 乳房状石钟乳不同层X射线粉晶衍射图谱

Figure 3. X-ray diffraction (XRD) spectra of the twin breast-like stalactite samples

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图 4 乳房状石钟不同层的采样点、绝对年代和致密、疏松层晶体结构

Figure 4. Ages and crystal structures of the compact/porous layers of the twin breast-like stalactite samples

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表 1 铀系定年结果

Table 1. ²³⁰Th dating results with 2σ error

Sample	结构	²³⁸U	²³²Th	²³⁰Th / ²³²Th	δ²³⁴U*
编号	致密/疏松	ppb	ppt	(atomic ×10^-6)	(measured)
YXRF-0	疏松层	349.4±0.6	11 303±227	49.2±1.0	176.8±2.5
YXRF-1	致密层	322.6±0.4	3 195±64	171.5±3.5	178.4±2.2
YXRF-2	致密层	326.8±0.4	3 278±66	189.4±3.8	222.7±2.1
YXRF-3	疏松层	637.2±1.3	30 125±606	107.2±2.2	178.7±2.5
YXRF-4	致密层	313.9±0.4	389±8	4 855.8±98.1	192.6±2.1
YXRF-5	疏松层	375.5±0.6	16 151±324	154.6±3.1	204.0±2.4
YXRF-6	致密层	359.6±0.6	3 837±77	718.6±14.5	148.2±2.3
Sample	结构	²³⁰Th / ²³⁸U	²³⁰Th Age (yr)	²³⁰Th Age (yr)	δ²³⁴U_Initial**	²³⁰Th Age (yr BP)***
编号	致密/疏松	(activity)	(uncorrected)	(corrected)	(corrected)	(corrected )
YXRF-0	疏松层	0.096 6±0.000 3	9 319±40	8 519±567	181±3	8 499±567
YXRF-1	致密层	0.103 0±0.000 4	9 954±41	9 710±177	183±2	9 690±177
YXRF-2	致密层	0.115 2±0.000 4	10 761±42	10 524±173	229±2	10 504±173
YXRF-3	疏松层	0.307 5±0.001 0	32 703±143	31 546±830	195±3	31 526±830
YXRF-4	致密层	0.364 6±0.000 9	39 370±141	39 340±142	215±2	39 320±142
YXRF-5	疏松层	0.403 2±0.001 0	43 914±176	42 892±743	230±3	42 872±743
YXRF-6	致密层	0.465 1±0.001 2	55 906±241	55 641±304	173±3	55 621±304
δ²³⁴U = ([²³⁴U/²³⁸U]_activity – 1)×1 000. * δ²³⁴U_initial was calculated based on ²³⁰Th age (T), i.e., δ²³⁴U_initial = δ²³⁴U_measured ∙ e^λ234xT
Corrected ²³⁰Th ages assume the initial ²³⁰Th/²³²Th atomic ratio of 4.4 ±2.2 ×10^-6. Those are the values for a material at secular
equilibrium, with the bulk earth ²³²Th/²³⁸U value of 3.8. The errors are arbitrarily assumed to be 50%***B.P. stands for ＂Before Present＂ where the ＂Present＂ is defined as the year 2000 A.D.

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参考文献(11)

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