岩溶洞穴对比实例

岩溶地下空隙的地质概化模型~

几乎所有的岩溶塌陷实例都涉及了盖层以下的岩溶块体中岩溶发育特征的问题。这些岩溶发育归纳起来大致有以下几种情况。
2.3.2.1 单层岩溶空洞地质概化模型
这里“单层”的概念主要指岩溶空隙发育在靠近盖层以下单层岩溶洞穴发育时的情况［图2-4（1）］。在该种情况下发育的岩溶实例以何宇彬描述的塌陷实例较为典型（见图2-3）。在此地质条件下，水位下降的力学效应与水位恢复时相比，因为前者只与其洞高有关，所以并不很大（见第5章）；而在水位下降时较大水力坡度形成的渗透力，却不容忽视。这种力将使空隙中浸泡在水中的粘土等充填物，被疏通并冲到下游。对于相反的过程，即水位恢复时，由于此时产生的附加力与岩溶空间的大小有关，所以空间越大，产生的附加力也越大（见第5章）。在上例中，水位的下降没有使地表发生塌陷，而在水位恢复时，近100m厚的盖层被破坏，充分反映出这类浅大地下洞穴在盖层中造成的力学效应特征。当水位恢复时，力学效应与地下空洞的体积关系，可通过波-马定律证明。从波-马定律可知：
p1V1=p2V2
式中V为空隙体积；p1为大气压力；p2为空洞中气体压力。水位恢复前后，在空洞中的压力为：

岩溶塌陷机理及其预测与评价研究

若将洞穴视为圆柱体，水位在空洞中，则有：

岩溶塌陷机理及其预测与评价研究

式中H为水面以上到洞顶的高度（张三慧，1991；王思谦，1992）。若水位上升到H1的1/2，则理论上在盖层底板上将产生2倍于大气压的压力，即p2=2p1；若水位恢复到H1的1/4，则有：p2=4p1。显然水位恢复时的力学效应远比水位下降时的力学效应大得多。这就是上例中水位下降时没有塌陷，而水位上升时发生塌陷的原因。水位下降时在盖层中的破坏力等于土洞上的土层重量加上水位下降的附加力，即：
Fp=Gt+Ff（2-4）
式中：Fp为水位下降中的破坏力；Gt为土层的自重应力；Ff为水位下降的附加力。从波-马定律中很容易推出其极值为1个大气压。相应的当水位恢复时，有：
Fp=Gt-Ff（2-5）
上式中，当Fp为负时，表示破坏力向上。关于水位恢复时的附加力将在第5章中详细介绍。
2.3.2.2多层洞穴地质概化模型
指地下洞穴成多层分布的岩溶介质结构［图2-4（2）］。由于岩溶洞穴的成层性发育特征，在一般情况下岩溶发育带都是成层分布的。这种成层特征可表现为1层、2层或3层等。很显然，层数越多，岩溶水的渗透速度越快。在水位恢复中，对附加力的形成越有利，而对盖层的稳定性不利。同时，层数发育得越多，反映出岩溶过程发育得越彻底，根据上面的描述，空间越大，在土洞中产生的破坏力也越大。对于这类实例，赵国敏等（1996）曾在钻探的基础上，运用CT层析成像、地质雷达等地质物理探测手段，对辽南瓦房店三家子地区岩溶发育进行了研究，最后认为，研究区岩溶发育主要分布在10～30m，50～70m的两个带内。
当此类模型为单层并离盖层很近时，即为单层岩溶空洞模型；当模型中层数很多时，可以归结为均布空隙概化［图2-4（4）］模型的情况。
2.3.2.3 竖向洞穴地质概化模型
当洞穴受断层等结构面控制或是在两断层的交汇处时，在空间上常发育成竖井状［图2-4（3）］。对于这类地下空隙导致的岩溶塌陷，国外的研究者将其称为塌陷落水洞。Byron E.Ruth等描述了美国的此类塌陷，并认为其塌陷是由于地表水的下渗引起的。对于此类岩溶洞穴，在相同的地下水位条件下，由于其地下空间远不如单层岩溶空洞模型的大，所以当水位波动时力学效应也比单层岩溶空洞模型小。但是如果水位在该类模型中波动很大，对表层盖层的毁坏也是很大的。

图2-4 岩溶介质中的地质概化模型示意图

（1）单层岩溶空洞模型；（2）多层洞穴概化模型；（3）竖向洞穴概化模型；（4）均布空隙概化模型
2.3.2.4 均布空隙地质概化模型
指岩溶洞穴或岩溶空隙均匀分布的岩溶介质结构［图2-4（4）］。当盖层下的基岩中溶蚀裂隙强烈发育时，地下虽没有很大的岩溶空间，但很多较小的空间加起来也可形成较大的地下等效空隙，只是在此种情况下，空隙的体积等于岩溶率乘以岩石的总体积。由于其空隙不大，对盖层粘土的搬运不利，这将使土洞的形成时间变长。当水位在这类模型中时，其力学效应可以很大，这取决于岩溶块体的岩溶率。在一些非岩溶地区的断层破碎带中，其力学效应同样可以等效于该类模型产生的力学效应。图2-5为该种模型的典型实例（刘建茂，1993），在图中的K2塌陷，其下的地下空隙实际为F10所造成的断层破碎带引起。当地下水位在破碎带中波动时，造成岩溶塌陷。由于此类模型的地下空间可以很大，所以其力学效应也较明显。

图2-5 均布岩溶空隙模型实例示意

（据刘建茂，1993）

一、轮南低凸起构造演化特征
塔北隆起是古生代长期发育的古隆起，其形成主要经历了3个主要时期，即加里东形成期、海西-印支定型期、燕山-喜马拉雅沉降期。在隆起及斜坡上，形成了大量构造与非构造圈闭。轮南凸起是一个古生界残余古隆起，经历了多期构造演化，随着构造应力场的变化，在不同的构造阶段其构造形态和形变特点不同。轮南潜山经历了3次重要的构造运动的改造，即早海西期、中晚海西期-印支期、燕山-喜马拉雅早期构造运动，地层遭受剥蚀，直接影响了潜山油气藏的形成与改造，相应地形成3级天窗和3条尖灭线(潘文庆等，2001)。发生于泥盆纪晚期—石炭纪早期的海西早期运动，使地层抬升幅度大，剥蚀地层厚度大，持续时间长，对中-下奥陶统裂缝、孔洞、大型洞穴等储集空间形成、演化和分布的影响最为强烈(徐国强，2005;刘存革等，2008)。
二、沉积相与储盖组合
奥陶系潜山部分地层自上而下划分为:上奥陶统桑塔木组(O3s)、良里塔格组(O3l)和吐木休克组(O3t)，中奥陶统一间房组(O2y)，中-下奥陶统鹰山组(O1-2y)，下奥陶统蓬莱坝组(O1p)。鹰山组进一步划分为上段(砂屑灰岩段)(O1-2y1)和下段(含云质砂屑灰岩段)(O1-2y2)，蓬莱坝组进一步划分为云质灰岩段(O1p1)和泥晶灰岩段(O1p2)。良里塔格组缺失良一段至良四段，仅存良五段。良里塔格组在塔河盐下区(侯明才，2006)和轮古东地区均具有由北向南减薄的趋势。
轮南地区奥陶系自早奥陶世蓬莱坝组沉积期开始至晚奥陶世桑塔木组沉积期，总体上经历了半局限台地相—开阔台地相—台地边缘相—台缘斜坡相—混积浅水陆棚相的演化。在这个演化过程中，海水的深度及水动力强度总体上经历了浅—深—浅和较弱—强—弱的演化，从而构成一个完成的海侵-海退旋回。
轮南潜山主要有4套储盖组合:三叠系俄霍布拉克组泥岩-下奥陶统组合，石炭系中泥岩段-下奥陶统组合，石炭系底砾岩段-下奥陶统组合、上奥陶统桑塔木组-中下奥陶统组合。
三、轮南低凸起储层特征
通过岩心、测井、三维地震、油井生产等静态、动态资料，结合现代岩溶认识，寻找古岩溶的发育规律及控制因素，研究古岩溶与有效储集体分布的内在联系，指导油田勘探、开发。
1.储层纵向展布规律
表层岩溶带和垂直渗流带古岩溶缝洞系统相对发育，储集空间多为裂缝-孔洞型、溶洞型，岩溶缝洞系统比较发育，岩溶储层储集性能较好。表层岩溶储层最发育，横向连片。
潜流带岩溶发育相对较弱，仅局部发育小规模溶洞或岩溶管道，岩溶储层以裂缝-孔洞型或孔洞型为主。如桑南西区块奥陶系顶面10～35ms分频均方根振幅属性表明(图6-15)，下部溶蚀带储层呈星点状和条带状分布，储层发育明显比上部差。

图6-15 轮古中斜坡地区潜山表层弱振幅属性+潜山内幕强振幅属性叠合图

2.储层平面展布规律
轮南奥陶系碳酸盐岩主要发育两套3类储集体(图6-16)。
第一套储集体主要受加里东中期岩溶影响，发育于良里塔格组上部30m左右范围内，储层类型以洞穴、裂缝-孔洞、孔洞型为主。储集体主要发育于桑塔木组尖灭线以东。
第二套储集体分两类。在桑塔木组尖灭线以东区域，海西期岩溶不发育，储集体主要受加里东中期及深埋岩溶作用影响，分布在泥灰岩段下部和一间房组上部50m范围内，储层类型以裂缝、裂缝-孔洞、孔洞型为主，也有部分洞穴型储层，轮古东气田以该类储层为主。在桑塔木组尖灭线以西的广大区域，储集体受加里东、海西期多期岩溶作用影响，部分地区加里东期岩溶可能因后期构造运动而遭受剥蚀。储集体总体发育在奥陶系不整合面以下150m范围内，个别井达400m，以一间房组、鹰山组为主，储层类型主要包括洞穴、孔洞、裂缝和孔洞-裂缝，这种储集体是轮古油田和塔河油田的主要储集体类型。

图6-16 塔北南缘奥陶系风化壳岩溶储层平面分布

四、油气分布规律
研究区油气性质具有以下规律:
(1)晚期成藏过程中，轮古东走滑断裂的南部—桑塔木断垒带—桑南西和中平台西部的轮古8井和轮古2井区的奥陶系遭受强烈气侵作用，原油密度相对较低，为中质油或凝析油，原油含蜡量高，胶质和沥青质含量低，天然气成熟度高，δ13C1较重，干燥系数大，iC4/nC4及iC5/nC5比值小，H2S含量高，N2含量低。在轮古东地区北部、轮南断垒带和中平台的中部和东部地区气侵作用较弱;在轮古7井区，除了轮古4井、轮南1井等少数井，大部分地区未遭受或受气侵作用影响不明显，与遭受强烈气侵的地区相反。
(2)在纵向上，石炭系、三叠系和奥陶系油气性质具有明显差异。奥陶系天然气干燥系数大，N2含量低，δ13C1较重;三叠系天然气干燥系数小，N2含量高，δ13C1较轻。在桑塔木断垒带的中段和东段，奥陶系原油密度明显小于三叠系;在中平台西部(LG8井和LG801井所在区域)，石炭系原油密度小于奥陶系和三叠系。晚期气侵过程对三叠系影响不明显，说明三叠系和奥陶系油气性质受控于不同的成藏期次和过程。
(3)在纵向上，天然气明显具有下干上湿的特征，反映了天然气的气侵方向是由下向上进行的，先到奥陶系，然后再到石炭系和三叠系;在横向上，天然气表现为东干西湿，反映天然气的气侵方向是自东向西进行的。气侵过程中，原来储层中的原油受到气洗作用，表现为高蜡含量。
五、油气高产富集的主控因素
轮南低凸起已发现众多油气藏，分布层位从古生界至中生界，多期构造运动叠加，多期成藏，呈现出不同性质、不同类型油气藏交叉叠置的复式油气藏特征。平面上油气藏主要沿断裂带分布，油气性质分带性强;纵向上不同层位油气藏类型多样，各种性质油气藏叠置，油气藏埋深大，油气储量分布集中，油气藏相态复杂，不同期成藏的油气并存。
1.充足的油气源
对轮古-塔河油气田群有贡献的生油岩主要有两套:中上奥陶统烃源岩和中下寒武统烃源岩。与生烃凹陷相邻是碳酸盐岩缝洞型油气藏高产富集的基础。寒武-奥陶系主力烃源岩长期生烃、多期供烃，为轮南低凸起不同层系油气大规模多期成藏提供了可靠的资源保障。
2.发育准层状缝洞系统
轮古油田奥陶系储层从宏观上可以分为两部分，一部分是位于桑塔木组尖灭线以西的地区，另一部分为桑塔木组尖灭线以东的轮古东地区。轮古东地区储层物性差，油气储量丰度相对偏低。试油效果好的井储层相对发育，失利井储层普遍欠发育(表6-5)。
表6-5 轮古东地区失利井分析



图6-17 桑南西奥陶系测井解释储层厚度与累计产量关系

3.构造相对高部位富集
位于大型岩溶残丘及岩溶洼地的储层均发育。如位于岩溶洼地的轮古102井测井解释溶洞型储层17.2m，钻井过程中发生4段放空，累计放空厚度为15.64m，为该区溶洞型储层最发育井。储层厚度和累产之间有一定正相关性(图6-17)，储层发育与否是首要条件，但在储层发育前提下，微构造为主控因素，在桑南西地区表现为位于大型岩溶残丘高部位的LN54井、LG100-6井、LG100-10井、LG100-11井、LG101井、LG101-2井油柱高度大(图6-18)，累产高，是油气富集区。

图6-18 过桑南西奥陶系大型岩溶残丘的油柱高度剖面图

4.岩溶上覆盖层
轮古7井区位于轮南潜山高部位，剥蚀程度高，盖层欠发育。如LG7-11井、LG7-10井、LG7-15井缺少石炭系和三叠系俄霍布拉克组泥岩盖层，LN1井和LG21井缺失石炭系盖层，仅剩余部分三叠系俄霍布拉克组泥岩，奥陶系的油气向上调整到上覆三叠系中。LN11-3井、LN11-4井、LG7-7井等位于岩溶洼地，水体能量强，且油气受浮力作用向岩溶斜坡运移，造成水柱高度大，以产水为主。在岩溶斜坡，由于上覆石炭系和储层强非均质性导致的垂向和侧向封堵，使油气得以保存，油柱高度相对最大，如LG7-5井、LG7-1井、LG7-8井、LG701井等(图6-19)。

图6-19 盖层欠发育区(轮古7井区)油气水分布图

在轮古东地区，存在奥陶系桑塔木组、石炭系等多套盖层，且盖层厚度大。油气水的分布主要受晚期气侵强度的控制。由于轮古东走滑断裂为晚期油气的优势运移通道，沟通了轮古东南部的满加尔生油坳陷，因此在轮古东断裂附近的南部，天然气丰度大，以气层为主。随着与气源沟通能力变差，流体分布变为油气水共存，而在轮古东北部的雀马1井和雀马2井，由于与气源沟通能力差，地层以产水为主。
总之，轮南低凸起碳酸盐岩缝洞型油气藏，高产富集主控因素有4个:①烃源岩是基础;②储层发育是油气富集的前提条件;③构造高点及大型岩溶残丘是油气富集的最有利地位;④优质盖层是油气高产富集的保证。

岩溶洞穴是大自然的产物，在漫长的地质时代中由于不同的自然环境在碳酸盐的岩层中形成了不同类型、不同成因、不同形态、不同用途的洞穴。人类最早是利用洞穴来定居，在中国许多洞穴中发现有大量的不同时期的古人类化石和文化遗存。洞穴不但能使原始人避风雨，抗寒热更重要的是使他们得到安全感，可防御猛兽的侵袭，当人们发现和使用火时，洞穴是保存火种的最好地方。北京周口店“北京人”遗址，就是世界上最知名的早期人类岩溶洞穴居住遗址。岩溶洞穴景观是现代最有价值的旅游和美学自然景点。现在大约全世界有1000多个对外开放的游览洞穴，其中中国约有300多个，每年吸引了大约3千万游客。还有一些洞穴来供探险人员深入探索研究。洞穴也是人类文化创造和保存最佳场所，洞穴文化几乎又是一个独立的学科。

所以许多人类学家、考古学家、地质学家、地理学家、生物学家、化学家、环境学家、气候学家、历史学家、文学家、探险家，旅游专家等都非常重视对洞穴的研究、开发和利用，他们在洞穴中不但可找到古人类化石及其文化遗存还可发现大量生物化石及新的生物种族，各种洞穴和堆积物及其美学和旅游价值它是研究人类进化和生物环境、全球变化的重要地点。

由于全球岩溶洞穴数量巨大，无法统计，如在桂林地区就已知发育有2000多个具有一定规模的(人可以进去，长度超过20m以上)岩溶洞穴，所以在岩溶洞穴对比中我们仅选了地质工作较详细的美国新墨西哥州的卡尔斯巴德洞穴国家公园进行对比。

1.卡尔斯巴德洞穴国家公园

据ArthurN.Palmer资料介绍:

卡尔斯巴德洞是美国所有洞穴中最大的地下洞穴之一;也是化学沉积物最多样的洞穴，尤其是滴石。

(1)区域背景

卡尔斯巴德洞穴国家公园位于新墨西哥城的东南角，沿着著名的瓜德罗普(Guada-lupe)东南向断崖分布，该断崖从得克萨斯州的瓜德罗普(Guadalupe)山国家公园起，向东北延伸，高度也在逐渐降低。这两个公园的区域背景几乎相同，都覆盖着二叠纪的巨型礁石和层状礁后石灰岩。这里是深切的高原区，平均海拔4000到6000英尺，向下1000英尺处是干旱的特拉华(Delaware)盆地。

卡尔斯巴德洞穴是公园中最大洞穴之一，具有一般洞穴都应该看到的要素。洞内有相互连通的大型阴凉洞室、通往洞内各个方向的拱形洞口;还有丰富多彩的石钟乳和石笋点缀其间;洞室在长度和深度上规模巨大。该洞穴里最大的也是世界上最大的洞室，叫做Big Room，占地14英亩。在所谓的“无底洞”处，它洞内最大深度是370英尺。过去，地质学家把该洞穴看做是一般性成因的石灰岩洞穴的一个最佳例子。然而，令人惊奇的是，卡尔斯巴德洞穴的地质概况和成因与其他大多数洞穴极不相同。

早在12000年前，瓜德罗普(Guadalupe)山就有人类居住，但是印第安人却一直没有开发卡尔斯巴德洞穴，主要因为洞穴通道的入口极其陡峭。直到19世纪末，这个入口才为当地的牛仔所熟悉，因为每到晚上，就会有大量的蝙蝠出来觅食昆虫，而破晓时分它们就又回到洞穴里。这些有益的小动物是成百上千只墨西哥free-tailed蝙蝠。它们栖息在一个叫做蝙蝠洞(没有向游人开放)的地方，就在卡尔斯巴德洞穴的里面。每天晚上这些蝙蝠群会吃掉一吨多的昆虫。

1883年，12岁的Rolh Sublett被他父亲用绳子吊到洞里，这是人们第一次进洞，但是他也仅仅在阳光能照到的地方看了看。

一个叫吉姆怀特的年轻肥料矿工人，着迷于一条从蝙蝠洞通向未知地方的巨大而陡峭的地下通道。他经常一个人深入洞底进行探险，在怀特的帮助下，美国地质调查局的Wil-lisT.Lee领导着联邦地质调查局(USGS)对这个洞穴进行了为期6个月的探险，用以研究和绘制地图。洞穴的大小和洞内美景被核实后，Coolidge总统在1923年通过立法建立了卡尔斯巴德洞穴国家遗迹。1930年又建立了卡尔斯巴德洞穴国家公园。

(2)地质特征

1)洞穴的成因:卡尔斯巴德洞穴不同于由地表的碳酸形成的其他洞穴，而主要是由氧化硫形成的硫酸侵蚀而成的。硫酸在地下水中不常见，然而有一些地方是例外的，比如从深源溢出硫化氢气体的地方，或者硫化铁，比如黄铁矿被风化的地方。最新证据显示卡尔斯巴德洞穴的成因是:从地表深处上升的硫化氢和地下水面或水面附近的氧气反应生成极易溶解石灰岩的硫酸。化学反应如下:

中国典型地质景观成因及全球对比

2)基岩和地质构造:这里的地质背景细部特征和得克萨斯州的瓜德罗普(Guada-lupe)山国家公园附近区域相似，所以这里就简单介绍一下。同时代的岩性相异的3个岩石层序都出现在卡尔斯巴德洞穴国家公园。瓜德罗普(Guadalupe)断崖是由二叠纪时期发育在特拉华(Delaware)盆地周围的剥落堡礁形成。这种礁石称作Capitan石灰岩，含有苔藓虫、海绵体的骨架，以及非层状基质中的藻类化石，还有纹理细密的石灰岩。礁石的北北东方向是礁后石灰岩(Artesia Group)，层理结构很明显。岩石中含有大量侵蚀附近陆地而来的粉砂和在受阻水循环区形成的石膏。在东南方向，Capitan礁边缘是礁石岩屑冲积裙，混杂着沉积在特拉华(Delaware)盆地深水里的和其他岩石单元同期形成的石灰岩，这种盆地里的石灰岩上覆盖着二叠纪Castile地层中的石膏和蒸发盐。图3-68表示卡尔斯鲁厄(Carlsbad)地区基岩沉积相。

由于中生代和新生代的地壳隆升，使得大部分石膏都被溶解侵蚀掉了。只有一些抗蚀性强的石灰岩现在还留在突起处，当它们在2亿～2.5亿年前内海沉积时，具有基本一致的地质表达。东南向的倾斜和大范围的褶皱伴随着地壳隆升。发生了几百英尺位移的断层遍布公园，尤其是沿着礁石和盆地相之间的边缘地带。沿着瓜德罗普(Guadalupe)山脉(公园外部)西侧的正断层产生了几千英尺的位移。卡尔斯巴德洞穴附近有两组显著的节理:平行和垂直礁前。许多平行于礁前的主要节理都被陆源的浅水沉积物填充。这些沉积物作为砂岩和粉砂岩碎屑岩脉出现在石灰岩中。

图3-68 瓜德罗普(Guadalupe)断崖的地质截面面，显示了卡尔斯巴德洞穴的位置

(3)洞穴特征

主要由溶解特征形成的景观当然就要涉及喀斯特地貌了。一个典型的喀斯特地区包括许多溶解裂缝、溶蚀坑以及称作落水洞的漏斗形下陷，在那里地表水汇聚并向地下流动。溶洞是地下水溶蚀的结果。在瓜德罗普(Guadalupe)山脉的半干旱气候区内，基本上看不出喀斯特地貌，尽管该地区有许多洞穴，但它并非真的喀斯特地貌。喀斯特地貌在潮湿地区发育的比较好，比如肯塔基州猛犸洞国家公园。

大多数的洞穴都是由地下河溶蚀而成的沟渠状长通道组成。在这些洞穴尤其是许多现在仍在形成的洞穴内，很容易找出补给地下水的临界点，以及排放地下水的泉眼。相反，卡尔斯巴德洞穴和瓜德罗普(Guadalupe)山脉的大多数洞穴由巨大的相互连通的洞室组成，这些洞室的形态轮廓极不规则。被水流废弃以后，几乎所有的洞穴现在已经不活动了。因为关于原始水源、水流模式以及泉水的线索事实上已经不存在了，所以尝试以普通地下水循环和碳酸反应的方式来描述卡尔斯巴德洞穴成因是不能解释那些洞穴复杂体的特征的。

卡尔斯巴德洞穴大部分位于礁石岩区内，但是也延伸到邻近的礁后基岩(洞穴的西北方)和礁前岩屑堆(在Big Room的南端)。不过，尽管岩石类型差异很大，但是洞穴的模型和特征相当一致。洞穴的主要洞室很宽敞，拱形的洞室以及线形的裂缝状的通道的走向由Capitan石灰岩的主要节理控制。有几处地方，复杂的海绵状顶板分布在洞室边缘，在这些地方，石灰岩上原有的孔隙，已经被溶解扩大，形成相互连通的迷宫状孔洞，就像瑞士干酪一般。The Boneyard就是其中一个最好的例子。洞室、裂缝和海绵状顶板都是潜水区(地下水位以下)溶解的结果。渗流的溶解特征受限于一些次要的细沟和溶蚀坑。

一些最大的大厅和通道集中在入口下的三个不同深度:－160英尺的蝙蝠洞(Bat Ca-ve);－660英尺的大洞(Big Room)和Lunch Room;以及－740英尺的低洞(Lower Ca-ve)、王宫(King's Palace)和一些临近的大厅。这些水平面不受岩石类型差异的控制，不同的平面可能代表洞穴发展中的不同阶段。几个小湖泊散布在最低的洞室中，包括洞穴入口以下1037英尺最低处的云湖(Lake of the Clouds)。这些仅仅是渗流区内有蓄水的地方，而不能代表地下水位。很多地方，洞穴的原始形态被洞顶岩石崩塌改变。巨大的冰山岩(IcebergRock)就是最大的崩塌岩石。一些块体上有渗流的石灰华，表明崩塌发生在洞穴发展晚期;然而洞顶看上去还很坚固。据人们所知，在整个洞穴发展时期，还没有岩块崩塌。

卡尔斯巴德洞穴里的沉积物分布广泛，种类繁多。最吸引人的是复合石灰华，是地下水里的二氧化碳释放到洞内空气后，碳酸钙沉积形成的。这些石灰华的生长率有很大不同，但是洞穴内石灰华的最大生长率大约是100年1cm。卡尔斯巴德洞穴里的钟乳石、石笋和卷曲石比猛犸洞或风洞里的要多。其中一些石笋长到60英尺高。

在往外渗水的岩石小孔处沉淀了瘤状的，像葡萄一般的突出，被称为洞穴爆米花结构。这些沉淀物可能以同样方式在其他洞穴堆积物上形成。在被穿过洞穴的微风和干燥的气流从潮湿的岩石带来的毛细水处，尤为发育。在迎风面，附着在钟乳石和石笋上的洞穴爆米花状结构看上去就更复杂多样。然而，来自洞穴湖泊深处的暖湿气流使滴水则在冰冷的岩石表面冷凝了。这些地方洞穴堆积物的迎风面被部分溶解，因此，爆米花状结构就仅仅发育在背风面。

当水缓慢滴入含有砂粒等细粒物质的浅盆地时，砂粒上就会覆上一层碳酸钙。如果有充分的扰动，这些砂粒就不被固结到地上，这样圆形的洞穴珠就形成了。卡尔斯巴德洞穴里最大的洞穴珠直径超过了1英寸。

某些洞穴沉积物堆积或沉积在滞水区里，包括犬齿状的方解石晶体、沉积在水坑边上的被称作边石的石灰华沉积物，还有球茎形的、乳头状的看起来像云彩的墙壁镀层(“云湖(Lake of The Clouds)”名称的由来)。

多数的大块洞穴堆积物现在已经不再发育了，而且在逐渐变干。大量的洞穴堆积物存在表明了过去这里的气候一定比较湿润，应该是形成于更新世的多雨期。近期发现大量的湿气以水蒸气的形式逸出洞穴，因此在洞口电梯处设置了气闸以阻止洞穴加速风干。

(4)卡尔斯巴德洞穴沉积物

多种多样的物理堆积、化学堆积为卡尔斯巴德洞穴如何形成提供了证据。其中最著名的是广泛沉积在洞穴中间水平面的石膏体。那些最大厚度达20英尺的石膏沉积物被部分溶解了，只有当时被隔离开的块体才保留到了今天。洞顶的滴水垂直溶蚀石膏体，在许多地方形成“钻孔”(图3-69)。

多数沉积在洞穴底板的石膏来源于曾经充满整个洞穴的富硫酸盐海水;但是在一些地方，几英尺深处的石灰岩围岩事实上已经被石膏替代了。最近对这些石膏的分析结果显示硫的同位素³²S，含量很大，推测出该处早期可能受到生物的影响。石膏不是来自Castile地层的，至少不是直接来的，因为Castile并不富含³²S。

被高岭石覆盖的粘土矿物埃洛石的存在，进一步为卡尔斯巴德洞穴的起源提供了线索。埃洛石是在酸性的富硫酸盐的环境下由其他一些粘土矿物蚀变而成的，而高岭土(也是一种粘土矿物)则是一种典型的石灰岩溶解后的不溶残余物。石膏和埃洛石的同时出现，表明了硫酸在卡尔斯巴德洞穴的成因中起的作用要比碳酸大。富集在礁后石灰岩里的黄铁矿氧化能形成硫酸;但是除了个别的例子，大多数洞穴的类型和黄铁矿的分布没有关系。油田卤水里的氧化硫更可能是硫酸的来源。硫化氢(H₂S)气体产生于富集石油的特拉华(Delaware)盆地岩层中。硫化氢首先氧化生成硫和水，接着硫进一步氧化生成硫酸。纯硫的残留物在卡尔斯巴德和附近其他洞穴都有发现;这就有力地支持了硫化氢在洞穴起源中发生作用这一观点。洞穴演变的方式和地下水流的通常模式之间缺少联系这一现象，也可以得到解释了。洞穴里的这3个水平面，可以代表不同时期的地下水位的平均高度，因为硫化物的最大氧化率是在地下水面或水面以上的高度，但是在潜水区高度会稍稍降低。石膏层覆盖在粉砂上面，这些粉砂大多是石灰岩溶解过程中留下的不溶矿物。还有一些在洞穴形成过程中从地面带来的稀少的圆形石灰质鹅卵石，但是它们仅仅代表一件很小的事件，几乎在洞穴起源中不起什么作用。

图3-69 卡尔斯巴德洞穴

2.岩溶洞穴对比

中国北京房山世界地质公园石花洞与美国世界自然遗产卡尔斯巴德岩溶洞穴对比。石花洞形成在奥陶纪灰岩中，发育有7层水平洞穴，洞中集中了几乎所有喀斯特洞穴化学沉积物的类型与形态。附近周口店北京猿人洞是世界上最著名的含远古人类化石岩溶洞穴。卡尔斯巴德洞穴发育在二叠纪灰岩中，有3层水平洞穴，洞中也有大量绚丽多姿的化学沉积物。其附近洞穴中留下了古印第安人的壁画(图3-70)。

图3-70 洞穴中的壁画

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