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洞穴岩的形成

在溶洞裏，地下水流動的形態變化多端，
或是湍急奔騰，或是涓涓細流與滲水，有些則是幾乎靜止的水體。
且在溶洞發育的過程中，受到許多自然因素的影響，水流的形態又會不斷地發生變化。
 

由於不同的水流形態可以生成樣式各異的洞穴岩，
下面就將以水流形態為分類依據，介紹其對應的洞穴岩種類，
並配合距北京市50公里，房山區石花洞裏的各式洞穴岩照片做為解說參照。
 

碳酸鈣沉澱物會因含有不同的雜質而呈現不同的顏色，
如含氧化鐵而為紅棕色，含鎂離子而為灰黑色，
或是含有泥、粉砂而呈現土黃色。
不過，由於觀光需求，開放的溶洞常常被打上五顏六色的低光度人工光源，
所以本文照片中洞穴岩的色彩並非自然的原色。
另外，由於研究程度與分類方式的不同，
碳酸鈣沉澱物還有許多更細的種類劃分或是相異的名稱。
本文中僅就重點做概略性介紹，有興趣的網友可以自行參考相關著作與論述。

一、滲滴水沉積

由洞頂滲流而掉落的水滴或是沿著洞壁流下的水滴，由於量小而且速度緩慢，因此在下滴的過程中部分二氧化碳析出，降低了水的酸性以及碳酸鈣的溶解度，另一方面，水分蒸發到空氣中，又增加了剩餘水中的鈣離子濃度，因而沉澱出碳酸鈣，形成下列幾種型態的鈣華，統稱為滴石（dripstone）。

1.石管(soda straw)

當來自洞穴上部岩體中溶孔、溶隙的滲流水流至洞頂形成水珠時，由於表面張力的作用，會更迅速釋放出原本溶解在水中的二氧化碳，形成環形的碳酸鈣薄膜沉積，而後地下水便從管壁內緩慢流下。當這過程不斷進行時，碳酸鈣薄膜便會逐漸向下累積，在洞頂形成空心的管狀沉積物。一般直徑小於2公分，多呈半透明，亦稱為鵝管。

石管群

從橫剖面觀察可以發現石管為中空的管狀物。
地下水主要由管中滲流而下，碳酸鈣在四周呈環狀沉澱。

2.石鐘乳(stalactite)

3.石筍(stalagmite)

因為由石鐘乳上滴落的水中也仍含有鈣離子，落在洞底後，逐漸蒸發沉積，一段時日後屹立如筍，故稱為石筍。也因此，石鐘乳和石筍常常上下相對出現。

石筍

4.石柱(column)

5.石藤(helictite)

石鐘乳發育的時候，如果管狀周緣生長的速度不等，那就會發生捲曲轉彎的現象，形成石藤。有時也是由於毛細現象，讓滲流水有機會抵抗重力的作用而緩慢向上，沉積出碳酸鈣。這些形狀的變化，可能也與結晶生長的過程與洞內氣體流動方式相關。

二、管狀流水沉積

當地下水從規模較小的岩溶管道中流進大洞穴的時候，由於水流速度與壓力變化，迅速產生碳酸鈣等沉積。這類沉積物常常呈蓮花狀、鬚狀，當然還有許多形態上的變種。而當大管道的水流呈瀑布狀流下時，也會產生大片的瀑布華沉積(flowstone fall)。

三、裂隙狀流水沉積
溶蝕裂隙中的水流，由大洞穴的洞頂及洞壁呈片狀滲出時，常常會形成各種幔狀、簾狀、旗狀或是舌狀的沉積物。

1. 石幔（curtain）（上圖）

    由洞頂或是洞壁懸掛而下，呈波浪狀摺曲的片狀碳酸鈣沉澱，常為半透明。

2. 石簾（drapery）（上圖）

3.石壁(wall)

    當石簾接續發育，那麼最終會與地面上的成列石筍相接。這時呈條板狀排列的石柱就成為石壁。

4.石盾(shield)

當岩壁中有狹長的細裂縫時，有時水壓會讓地下水從裂縫向上滲出，沉澱出碳酸鈣。接續的少量水亦藉由毛細作用而抵抗重力，沿已沉澱的碳酸鈣繼續上升。此過程重覆發生，最後形成斜傾的圓板盾狀構造。

四、凝結水及飛濺水沉積

1. 石疙瘩(coral)

2.石花(flower)

洞穴中流動著的大股水流也常常撞擊洞底及洞壁岩體，形成霧狀、珠狀水滴。它們飛濺在洞壁岩體或是鈣華沉積物的表面，產生花狀及不規則形狀的沉積物。

五、底面流水沉積

    洞穴各部位的水流都流向洞底面，形成集中的洞穴底面水流。最低層暗河的底面水流，通常流量大、流速快，因此所形成的底面鈣華沉積規模反而不大，也易於遭受沖刷破壞。位處高處洞穴中的底面水流，由於季節性的流量與流態變化，就常形成規模大、種類多的沉積物。

1.緣石(rimstone)

    當底面流水受阻時，會因為擾動而沉澱出碳酸鈣，一段時日後，阻礙物之後便會出現一個寬而淺的池塘，含蓄著水體。池的周緣是碳酸鈣集中沉澱的地方，形成環形的堤狀構造。當一個一個淺池塘接續出現時，亦稱為石梯田。

2.鈣膜(shelfstone) 

    當在洞底有凹陷的地形，有時會形成靜止的水塘，只有少數滲滴水補給。由於蒸發作用，可使水面形成鈣質薄膜，稱為鈣膜(shelfstone)，當具有明顯的多期水位升降變化時，形成的鈣膜也具有多層狀。此外，在水塘的邊緣也可因滴水、飛濺水、流水等共同作用而形成許多瘤狀、疙瘩狀等沉積物。

    是較少見的碳酸鈣沉澱物種類。通常是因有砂礫等在池底不停地受水流激盪而滾動，四周逐漸被碳酸鈣包覆而形成。石珍珠有時直徑可發育至數英吋。

4.月奶石（發現於石花洞中，並無相對應英文名稱）

    通常洞穴中的化學沉積物是在濕熱的時期形成速率較快，但是根據研究，月奶石則應該是在較寒冷的氣候條件下形成。其形成確實原因仍在討探中，甚至可能與細菌的作用有關。月奶石通常呈漿糊狀、粉末狀、海棉狀等，是比較特殊的碳酸鈣沉澱物。

碳酸鈣沉澱物的研究價值

這些由碳酸鈣沉澱形成的洞穴岩不僅美觀，在學術研究上也有其價值。檢視溶洞裏不同沉澱物的分布模式及位置，可做為推測溶洞形成過程中地下水的流動模式基本資料。如懸掛在洞頂叢集的石管群代表的是通過岩體滲滴而下的地下水。長而彎曲的石簾則指示水流是由岩石的破裂面流出。

即便是這些沉澱物的顏色和組成成份也可提供有用的資訊。如地下水所流經的岩石及礦物種類。通常碳酸鈣沉澱物的顏色是白色的，當含有氧化鐵時會出現粉紅色、橘色、棕色及紅色，含有錳時則出現黑或是藍色。有些雜質進入碳酸鈣的結晶後，可以造成特殊的螢光或是磷光反應。

當這些沉澱物成長時會記錄下當時的大氣狀況資訊、氣候條件。另外科學家們也假設這些沉澱物成長的速度和雨量多寡或是地表的溫度呈正相關，因此檢視碳酸鈣的形成速率，便可以逆推出區域性的歷史氣候狀況。另外，大部分溶洞內的碳酸鈣沉澱物含有微量的鈾元素。其衰變的特性可以用來決定沉澱物的年紀，進而推測溶洞形成的年代。

石灰岩溶洞裏美觀的各式碳酸鈣沉澱物形成需要長久的時間累積，而人類呼吸所排放的二氧化碳、蠟燭火把的煙等，因為會影響洞穴內的氣體組成及濃度，都會對洞穴岩的形成造成嚴重的干擾。電燈的光線、上昇的氣溫也會讓原本黑暗的石灰岩洞開始生長藻類，甚至是蕨類，也會影響碳酸鈣進一步的沉澱。因此，當有機會參觀這類的溶洞時，一定要謹慎行動，千萬別破壞了大自然千萬年的孕育造化。

延伸閱讀

盧耀如(1986) 中國岩溶－景觀、類型、規律。地質出版社，北京。

王  鑫(1988) 地形學。聯經出版事業公司，臺北。

鄒豹君(1973) 小地形學。臺灣開明書店，臺北。