石灰岩里的洞穴

在英国和爱尔兰的几种多洞穴岩石中，有一种岩石高度集成了尺寸可允许生物学家较为容易地研究其中生物的洞穴系统。这就是石炭纪石灰岩。

多洞穴石灰岩集中于六个区域：弗马纳郡（最大的但勘查最少的区域）、北奔宁山、德比郡的峰区、克莱尔郡、萨默塞特的门迪普丘陵和威尔士南部。仅在北奔宁山，就有超过1800个被记载的洞穴入口、约350千米被勘查过并被绘制下来的洞穴通道，而根据目前的估计，在英国和爱尔兰，被绘制下来的洞穴通道的总长约有800千米。在这些岛屿上，洞穴勘查仍处于一个非常活跃的阶段，重大的新发现不断被创造。例如，最近几次对南威尔士圣甘托克山下的达伦基兰洞的勘查中，人们在不到两年的时间内发现了超过20千米的新洞穴通道，其中包括迄今为止在英国境内发现的最大的洞穴通道。

无论以任何标准，800千米的开放型洞穴通道都意味着一个巨大的栖息地，值得博物学家去关注，然而在整个洞穴栖息地中，尺寸达到允许人类探索的只占一小部分，大部分区域都在中型洞穴的尺寸范围。在缺乏数据的情况下，我猜想，石灰岩地域的中型洞穴里可栖息的表面面积至少是可被人类探索的部分的面积的2～3个数量级。

那么，究竟是什么使得石灰岩中拥有数量如此惊人的洞穴呢？要了解洞穴形成的过程，我们首先要研究一下石灰岩自身的起源、性质和结构。石灰岩属于一种沉积岩，也就是说，它以悬浮颗粒的形式在古老的海洋中开始了生命，这些颗粒在数百万年间一毫米一毫米地逐渐沉到海底。在这段长得难以想象的时间里，有某些时间段外界条件会突然改变，扰乱了不断下落的石灰雨，某些其他种类的沉积物会在短期内掺入到纯净的碳酸钙中。亿万年之后，颗粒变硬成为岩石，而那些地质上的小波动石化成为层理面（bedding plane）——石灰岩固体层面之间软质的平面。

不列颠群岛上的石炭纪石灰岩最初沉积于南半球热带海底的某个地方。在向南漂移的大陆地壳板层的推动下，石灰岩经历了一场颠簸的旅程。一些石炭纪石灰岩在长达3亿～4亿年的旅程中一路幸存了下来，比如约克郡山谷的石灰岩，虽然它们因为大面积的垂直断层（vertical fault）而略显破碎。而门迪普的石灰岩就像一辆被撞毁的汽车一样趴在那里，蜿蜒陡峭，层理面以50°左右的平均角度斜插入山坡中。在所有的情况下，颠簸的旅程都会造成石灰岩在垂直方向上的应力开裂，这种裂纹称为节理（joint），它将石灰岩的断层面与原始的层理面软质层相连接，形成了蜂窝状的裂纹网络，从山顶一直延伸至谷底。

石灰岩是一种坚固的岩石，因而经常会形成高地。固态的石灰岩是不透水的，但水可以沿着其中的裂缝流过。而这些裂缝正是了解洞穴起源的关键所在。石灰岩洞穴主要是通过一个简单的化学反应形成的，地下水中的氢离子被水中溶解的二氧化碳酸化后与石灰岩中微溶于水的碳酸根离子反应，产生了溶于水的碳酸氢根离子并被水冲走。这个反应使石灰岩比纯水中的溶解度提高了25倍，从而导致了孔状结构。

地下水中有一些二氧化碳是通过大气层的雨滴下落积聚而来的，还有一些是有机物分解后被雨水带入泥土中慢慢流下来的。紧贴着土壤下方的风化表层岩石比深处的岩石更加脆弱，酸化的侵蚀性土壤水在表层的作用最为显著，使得石灰岩表层3米的范围内有高达15%的部分是空气或水填充的空隙（斯特恩，1977年美国田纳西州中部的数据）。这些中型洞穴就像屋顶下的排水沟槽一样，将土壤水收集起来并迅速输送到天然的排水通道中，这些排水通道常常形成于主节理裂缝或陡倾层理面的交汇处。

石灰岩内向下渗透的水中携带着含有颗粒状有机物、水溶性有机酸以及微生物（细菌和真菌）的沉积物。在土壤下方的石灰岩裂隙中，有机物的分解一路进行着。套用一句胡佛吸尘器的经典广告语，地下水中的微生物们“一边随着水在石缝中渗流着、一边吃着水中的有机物，越吃越干净”。（eat-as-they-seep-as-they-clean，译注：胡佛吸尘器的广告原文是It beats as it sweeps as it cleans，意思是吸尘器一边发出声响，一边进行清扫，越扫越干净）在较大的排水管道中，渗透水大概需要长达50天的时间、流经几千米的距离，细菌们才能将水中的食物完全消化，而要完全清除洞穴水里的化学侵蚀物则需要更久的时间和更长的距离。在这段时间里，石灰岩正被不断腐蚀着，水流经过的裂缝逐渐扩大，一个直达地下深层水位的复杂排水网络便慢慢被打通了。

在被水浸没的缝隙内，水流的初始走势是由石灰岩的地质构造以及陆地表面的形貌所决定的。在地表与石隙间，这两个因素决定了水将从岩石的哪个部分流出成为泉水，也为日后洞穴的形成铺垫了蓝图。如果岩层是水平分布的，就像约克郡山谷那样，那么水会以一条成直角的路径顺着垂直节理向下沿着小段的水平层理面流动，于是便产生了具有阶梯状形态特点的“壶穴”系统。如果岩层是倾斜的，就像门迪普丘陵那样，那么排水通道会在较短的由节理控制的竖井与较长的层理面斜坡之间交替穿梭，产生了形态陡峭但垂直部分较少的洞穴。

在地下水面附近或其下方，渗流水所选取的路径是由水从哪里进入到被称为“潜流层”（phreas）的长期充满水的裂缝系统与水又从哪里出来变成泉水的这两个位置之间的水文梯度走向决定的。在潜流层中，水会自由地沿着裂缝的三维迷宫向上或向下，以产生可能的最通畅的总水流。倘若岩床是水平分布的，那么最通畅的水流剖面可能只沿着一个岩床，这样便产生了一个绵延几千米的水平洞穴（约克郡有很多这样的洞穴系统）。倘若岩石陡峭耸立且不与水文决定的水流方向交汇，那么地下水可能会被迫进入一系列垂直的Z形弯，顺着节理向下、沿着层理向上，开辟出一条通往泉水的路（一个典型的例子就是门迪普丘陵的伍基洞）。倘若石灰岩床陷在不透水的岩石下面的向斜层（syncline，译注：向斜属于褶曲的基本形态之一）或U形弯里，那么水可能会被迫顺着岩层的结构流入到很深的地方。中国地质学家袁道先最近发现了一个位于中国四川盆地地下水面下方2900米处的一个大型洞穴。当他们进行钻孔时，孔洞里涌出水来。然而，位于如此深度的洞穴是极其罕见的，可能很少或根本没有生物学意义。

随着洞穴的轮廓逐渐成形，在水文和地质的双重控制下，水流的“最佳路径”必然是可以使其产生更大流速的通道，这将促使水流加快对洞穴围壁地腐蚀，这又会导致更大的水流量。如此，石灰岩中最初的分散状排水通道随着时间（与深度）的增加逐渐汇聚为直径不断变大的集水系统。亿万年之后，变幻莫测的地质与水文可能会协力从各种路径中选出一条特定的路径，将其开辟成一条主通道，将整个地下潜流层输送成为泉水或“涌泉（resurgence）”。

正如我在前面所写的，在重力作用下缓缓滴落到地下水面的腐蚀性水或缓缓向涌泉流动的侵蚀性地下水汇聚，可以将石灰岩中的裂缝拓宽成中型洞穴的排水通道。然而，化学溶液并不是洞穴形成的全部原因，一旦洞穴变得大到足以形成一条有效的排水通道时，快速流动的水可以携带锋利的沙砾，在化学的牙齿上又增添了物理的利爪。石英（一种比方解石更坚硬的矿石）颗粒是一种特别有效的冲刷剂，在我们的洞穴石灰岩上广泛分布着磨石粗砂岩（Millstone Grit），石英颗粒很容易被流过磨石粗砂岩的水流带走。当这样的水流进入到一个已然成型的约克郡节理时，结果就是一个垂直的壶穴。在门迪普，一个倾斜的涌泉洞便是这样形成的。

石灰岩块中水流对山谷的侵蚀可能会降低其中的地下水面，使得充满水的潜流层中所形成的排水通道最终失去了水而充满了空气。位于门迪普丘陵的GB洞穴就是这样的一个洞穴系统，近些年来学者们对其进行了深入研究，先后有布里斯托尔大学的蒂姆·阿特金森博士、皮特·斯玛特博士和汉斯·弗里德里希博士。他们的工作表明了覆盖在GB洞穴上的中型洞穴的范围及其重要性，它们为GB洞穴提供了水和沉积物。这些排水通道可以分为三类。第一类是在土壤下方顶层3米岩石内密集的“表层”裂缝系统。它们总量庞大，可以通过中型洞穴集水系统将水迅速排到底层的洞穴。它们在雨后的两天内间歇地作用，但不会存储大量的水。另两种入水口直接流入洞穴。其中一种是小口径漏流，它们一直充满水并且流量变化（受小口径限制的水流）极小；另一种是渗流，它们的流量变化比漏流大。据斯玛特和弗里德里希报告，入水口更常与较浅的洞穴通道相连，而很少与深处的通道相连，但他们并没有给出这些入水口的孔隙率大概有多少，因此我们需要参照斯特恩关于田纳西州喀斯特地形的数据。在地下10米深处，表层流区域内最初高达15%的孔隙率可能降到了1.5%，此时向下的流动主要是通过中型洞穴的竖井与渗流裂隙。在地下30米深处，孔隙率降到了0.002%，水流（至少在大规模层状石灰岩中）被越来越多地限制在中型洞穴的集水通道中，这些水流来自于中型洞穴尺寸的小集水通道汇聚起来的一个网络。因此，主要的洞穴栖息地（中型洞穴尺寸）分布于基岩的表层3米范围内。

潜流层内形成的排水通道可以通过它们特有的圆形或至少是对称的横截面来辨认，这是由侧壁、顶部和底部被均匀地腐蚀所导致的（一个典型的例子是德比郡的峰洞）。一旦它们形成了一个空气界面，腐蚀和侵蚀便会沿着通道向下，而洞穴的水流开始向底部切出一条沟槽，正如南威尔士的黑泉洞穴里的水道一样。这样最终可能产生一个几米深的峡谷形状的通道。

随着洞穴成形，节理和层理面的扩大可能削弱顶部和底部的所有岩石，导致它们碎裂。在有侵蚀水流的洞穴中，这些物质可能在掉落时被带走，于是产生了一个尺寸只由上覆岩层的结构强度限制的腔体。只要有足够的时间，顶部最终会塌陷下来，从而形成露天的洞穴；如果碎裂的石块没有被水带走，那么洞穴会堆满碎石。

图2.5 克莱尔郡波尔纳戈卢姆壶洞里的溪流水道——一个经典的渗流通道，由斯里弗埃尔娃山流出的外源溪流切割石灰岩床而形成（与图2.1形成对比）（克里斯·豪斯提供）

当酸化的、载有石灰的水从靠近地表的裂缝中滴落到一个充满新鲜空气的地下通道中时，在裂缝中将石灰岩通过溶液去除的相同化学过程也可以反过来。随着悬挂的液滴中的二氧化碳向洞穴的空气里扩散，碳酸氢盐转化为碳酸根离子，这使得石灰从溶液中沉淀出来。水滴下落，一圈石灰便留在了洞穴顶部，就像变戏法一样，几千年后洞穴挂满了闪闪发光的钟乳石。亿万年后，这些钟乳石可能完全填满并堵住洞穴通道。

洞穴也可以被来自外界的不溶性沉积物填充。这样的例子在英国很常见，这些沉积物主要以三种机制进入洞穴中：更新世冰川推进时大量的混杂的黏土碎石如半凝固的糊状物一样滑落到洞穴中；沙砾通过洞穴水流被冲入到洞穴中，它们随着水流在较为平缓的洞穴区域内减慢流速而沉降；细泥通常通过渗流水向下流淌，直到其完全填满了洞穴顶部的通道。

最严重的坍塌与沉降可以通过一个鲜为人知的称为“挖掘”的生化现象而逆转。这一现象最早是在门迪普的洞穴中被发现，似乎是由一群全身大汗淋漓、手提塑料桶的男人所引起的，此现象发生在寻找地下新发现的时期。这一过程的化学成分来自于对坚固的堵塞物使用“诺贝尔博士的润喉糖”（译注：指炸药），有时会有骄人的成绩。在后面的章节中我们将考虑洞穴中挖掘与爆破的保护意义。