史月欣，陳留勤，杜丁丁，柴 樂，王子涵

（東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013）

在全球不同氣候區(qū)的天然巖石陡坡、巨礫側(cè)面及人工建筑陡立面上，廣泛發(fā)育風(fēng)化洞穴（cavernous weathering features），有的洞穴群具有蜂巢結(jié)構(gòu)（Paradise, 2013），一般稱為蜂窩狀洞穴。國外研究表明，不同地區(qū)洞穴形成的主導(dǎo)因素存在差異。如Viles等（2011）基于長期野外觀測，對干旱沙漠區(qū)的洞穴風(fēng)化進(jìn)行總結(jié)，認(rèn)為水、溫度、地衣和風(fēng)等對洞穴發(fā)育的影響極為關(guān)鍵；Mustoe（2010）通過野外觀察記錄、巖石表面的吸濕性測試、樣品顯微觀察及X射線光譜儀檢測，證明在海岸帶附近的蜂窩狀洞穴主要由鹽風(fēng)化引起，海水對鹽分的供應(yīng)及干濕循環(huán)是其關(guān)鍵控制因素；Ponti等（2021）對極端氣候條件的南極地區(qū)的風(fēng)化洞穴進(jìn)行研究，通過礦物學(xué)分析強(qiáng)調(diào)裂隙和石英含量對洞穴發(fā)育的重要性，通過鹽化學(xué)和IRT（infrared thermography）分析指出氯化物以及較高的水分含量是鹽作用的關(guān)鍵因素。國內(nèi)在風(fēng)化洞穴的研究上也積累了較多的方法，如朱誠等（2015）系統(tǒng)介紹了中國丹霞地貌區(qū)不同類型風(fēng)化洞穴，并對巖石樣品進(jìn)行了干、濕抗壓強(qiáng)度、酸蝕抗壓強(qiáng)度、凍融抗壓強(qiáng)度等實(shí)驗(yàn)；Chen等（2021）通過形態(tài)測量、微氣候監(jiān)測和鹽化學(xué)實(shí)驗(yàn)等分析丹霞山礫巖中大型風(fēng)化洞穴的影響因素；劉東興等（2022）通過形態(tài)測量、相對濕度及抗壓強(qiáng)度測試分析寧都翠微峰的大型風(fēng)化洞穴的成因。在風(fēng)化洞穴成因解釋上取得的主要成果包括：譚艷等（2015）認(rèn)為丹霞山“玉女?dāng)r江洞”內(nèi)蜂窩狀洞穴的形成與巖石內(nèi)部成分差異關(guān)系不大，而主要受巖石礦物組成及結(jié)構(gòu)、地形、氣候及微氣候的影響；Huang等（2017）認(rèn)為廟灣島海岸蜂窩狀洞穴受鹽的影響較弱，而洞穴內(nèi)的相對濕度變化引起的鹽和黏土礦物的膨脹和收縮加速了洞穴風(fēng)化；呂洪波等（2017）以國內(nèi)不同氣候帶風(fēng)化洞穴為例，系統(tǒng)分析了鹽風(fēng)化作用的機(jī)理及表現(xiàn)形式。綜合其他學(xué)者（陳留勤 等，2018；Chen et al., 2019,2022a; Kogure et al., 2022）的研究成果，風(fēng)化洞穴形成的主要影響因素還存在爭議，而鹽風(fēng)化目前被認(rèn)為是最有效的機(jī)制。

位于廣東省北部的丹霞山是國家5A 級風(fēng)景名勝區(qū)、世界地質(zhì)公園、世界自然遺產(chǎn)地“中國丹霞”壯年期的典型代表、首批全國中小學(xué)生研學(xué)實(shí)踐教育基地，是亞熱帶濕潤氣候礫巖地貌研究的熱點(diǎn)地區(qū)（Migoń, 2021），其地質(zhì)遺跡和地質(zhì)多樣性保存完好（Chen et al., 2022b），也是中國丹霞地貌對外國際交流的重要窗口。丹霞山的陡坡上廣泛分布著形態(tài)和規(guī)模各異的風(fēng)化洞穴，多數(shù)成為歷史文化遺存的載體，如發(fā)育大型風(fēng)化洞穴的夢覺關(guān)、恐龍巖、揚(yáng)州寨等和小型風(fēng)化洞穴的錦石巖洞和祿意堂等，尤其是長老峰錦石巖寺主洞的小型蜂窩狀洞穴由于被藻類覆蓋而獨(dú)具特色，為從生物角度補(bǔ)充分析洞穴風(fēng)化成因提供了良好樣本。因此，本文以這5處典型風(fēng)化洞穴為對象開展野外考察和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，總結(jié)亞熱帶濕潤氣候條件下風(fēng)化洞穴的特征，在探討風(fēng)化洞穴影響因素的基礎(chǔ)上，分析不同發(fā)育階段主控因素的變化，以期深刻理解巖石風(fēng)化作用過程，同時(shí)為丹霞山及相似丹霞地貌區(qū)洞穴景觀及其內(nèi)部文物的保護(hù)提供參考。

1 區(qū)域概況

丹霞山世界地質(zhì)公園位于廣東省北部的韶關(guān)市仁化縣境內(nèi)，覆蓋面積約為292 km2（圖1）。丹霞山位于南嶺南麓，屬于中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，盛行東南風(fēng)。根據(jù)景區(qū)多年的氣象數(shù)據(jù)，年均溫度為19.7℃，1 月份平均氣溫為9.3℃，7 月份平均氣溫相對較高，為28.4℃，極端最高氣溫為38.5℃，最低氣溫為-5.4℃。年均降水量為1 715 mm，其中3—8 月降水量約占全年的75%。錦江自北向南流經(jīng)園區(qū)，最終匯入湞江。

圖1 丹霞山世界地質(zhì)公園DEM圖Fig.1 DEM map of Danxiashan UNESCO Global Geopark

丹霞山所在的丹霞盆地內(nèi)充填一套白堊紀(jì)陸相紅色碎屑巖，丹霞山山體以紅色砂巖和礫巖為主，園區(qū)內(nèi)成景地層主要為丹霞組（陳留勤 等，2019）。風(fēng)化洞穴的發(fā)育是丹霞山重要的景觀地貌類型，在不同巖性上發(fā)育著形態(tài)和規(guī)模不同的風(fēng)化洞穴，其中蜂窩狀洞穴的發(fā)育最具特色，而且在不同研究點(diǎn)都保存不同發(fā)育程度的洞穴，具有對比研究價(jià)值。

2 方法

2.1 野外觀測及采樣

在野外對錦石巖、祿意堂、夢覺關(guān)、恐龍巖、揚(yáng)州寨五地風(fēng)化洞穴的露頭進(jìn)行觀測記錄，并使用羅盤測量洞穴的開口朝向。用直尺和激光測距儀測量洞穴的長度、高度和深度。

在錦石巖洞和恐龍巖洞的內(nèi)、外部各放置1臺風(fēng)速儀（KESTREL 5500）進(jìn)行氣候監(jiān)測，每隔10 min記錄1次數(shù)據(jù)，主要記錄的氣象指標(biāo)包括溫度、相對濕度、風(fēng)速和風(fēng)向，溫度測量范圍為29～70℃±1℃，相對濕度范圍為0～100%±3%，風(fēng)速范圍為0.6～60 m/s±3%。

采集長老峰龍王泉、雪巖石乳泉、船頭石前約200 m巖槽以及浸碧浮金左邊和中間池水中的水樣，共5個(gè)。在恐龍巖巴寨段礫巖和祿意堂錦石巖段砂巖分別采集巖石樣品用以薄片制備；從錦石巖的龍鱗片石左右側(cè)各選取1個(gè)蜂窩狀洞穴，在其內(nèi)部及隔壁各取樣1 個(gè)，共4 個(gè)砂巖樣品；在恐龍巖，采集洞穴頂部、后壁和其下的風(fēng)化碎屑樣品各2 個(gè)，底部樣品1個(gè)，共7個(gè)礫巖樣品。

2.2 室內(nèi)分析及實(shí)驗(yàn)方法

扁率（e）可以描述洞穴的開口形態(tài)，測得的長度和高度值用于扁率計(jì)算公式（劉曉嬌 等，2013）：

式中：L1代表洞穴的長軸（長度）；L2代表洞穴的短軸（高度）。當(dāng)e=0，為正圓形洞穴，當(dāng)0

為對比砂巖和礫巖洞穴的巖石特征差異，恐龍巖巴寨段的礫巖和祿意堂錦石巖段的砂巖樣品被切割制備成薄片，在蔡司偏光顯微鏡以及掃描電鏡下觀測其礦物組成和結(jié)構(gòu)。為研究不同巖性洞穴不同部位的鹽風(fēng)化差異，在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)調(diào)查實(shí)驗(yàn)中心完成對錦石巖4個(gè)砂巖樣品和恐龍巖7個(gè)礫巖樣品的電導(dǎo)率值測定，并對恐龍巖的7個(gè)礫巖樣品使用離子色譜儀（美國賽默飛，IC-2100）測定陰離子質(zhì)量濃度，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP-OES iCAP7600）測定陽離子質(zhì)量濃度。

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)化洞穴的基本特征

在丹霞山紅色陡坡上，分布著形態(tài)和規(guī)模各異的風(fēng)化洞穴（圖2）。根據(jù)洞穴發(fā)育的位置、巖性、形態(tài)規(guī)模等特征，對5個(gè)研究點(diǎn)的洞穴特征進(jìn)行總結(jié)（表1）：恐龍巖和揚(yáng)州寨發(fā)育的風(fēng)化洞穴位于礫巖陡坡上，個(gè)體形態(tài)較大；祿意堂和錦石巖寺龍鱗片石發(fā)育的風(fēng)化洞穴處于陡坡的砂巖層中，呈蜂窩狀密集分布，形態(tài)較小，一般稱為蜂窩狀洞穴；夢覺關(guān)與錦石巖洞類似，都位于陡坡的砂巖層中，但洞穴直徑較大，局部可見與錦石巖洞后壁相似的藍(lán)綠藻條帶。

表1 丹霞山風(fēng)化洞穴的基本特征總結(jié)Table1 Basic characteristics of cavernous weathering features in Danxiashan

3.1.1 恐龍巖 恐龍巖位于玉屏峰陡坡的底部，洞穴的開口朝向?yàn)?32°，總體上面向西南方向。發(fā)育的風(fēng)化洞穴一般較大，形態(tài)不一。恐龍巖主洞的長度為13.35 m，是由多個(gè)洞穴貫通合并后形成的，扁率最大，達(dá)到0.87，洞穴開口形態(tài)為極橢圓形（圖2-a～c）。其余洞穴的長度在2.03～9.21 m，深度在1.43～8.35 m，洞穴發(fā)育狀態(tài)不一，扁率在0.13～0.66，為橢圓形和極橢圓形（表2）。

在洞穴頂部可觀察到許多向上發(fā)育的次級洞穴，頂部緩慢向內(nèi)凹進(jìn)。洞穴外部通常有巨大的懸挑，洞穴底部大多平緩且略微向外傾斜。大多數(shù)洞穴的內(nèi)部比邊緣更高更寬。相鄰的2個(gè)洞穴在外部有石柱分隔，內(nèi)部相互連通形成穿洞，有的可供人穿行。洞穴巖石裸露，表面粗糙，底部堆積黏土和沙粒等風(fēng)化剝落物質(zhì)（見圖2-a～c），反映洞穴內(nèi)風(fēng)化剝蝕作用比較活躍。

3.1.2 揚(yáng)州寨 揚(yáng)州寨的大型風(fēng)化洞穴位于陡坡的礫巖層上，具有沿層理分布的特征，比恐龍巖的洞穴分布更為整齊有序，但洞穴外部形態(tài)與恐龍巖相比，具有較高的相似性（圖2-d～f）。位于揚(yáng)州寨北坡的洞穴開口朝向?yàn)?45°，其余洞穴開口朝向?yàn)?5°～60°，大致為東北方向，長度為5.39～7.50 m，深度為2.27～3.33 m，洞穴發(fā)育比較均勻，洞穴扁率為0.60～0.77，比恐龍巖大，為極橢圓形（見表2）。

表2 丹霞山恐龍巖和揚(yáng)州寨洞穴尺寸和洞口朝向統(tǒng)計(jì)Table 2 Size and opening orientation of cavernous weathering features at Dinosaur Rock and Yangzhouzhai of Danxiashan

整個(gè)坡面呈現(xiàn)偏灰的色調(diào)，由于雨水的沖刷，表面形成灰黑色的結(jié)殼。下部同一層理的洞穴多數(shù)已合并成一個(gè)大的洞穴，而稍偏上位置的洞穴雖然沒有合并但內(nèi)部也已貫通，并且通過石柱分隔（圖2-d～f）。

3.1.3 夢覺關(guān) 夢覺關(guān)所在陡坡的厚層砂巖上發(fā)育多個(gè)大型風(fēng)化洞穴（圖2-g～i）。洞穴開口方向?yàn)?90°，與錦石巖的開口方向近似。洞穴的頂部較深，有結(jié)殼和片狀風(fēng)化，而下部較淺且平緩。主洞長10.1 m，高3.1 m，深2.7 m，主洞后壁底部也初步形成一層薄的結(jié)殼。此外，在主洞的左角可以識別出3個(gè)較小的洞穴。主洞右側(cè)其他較小的洞穴為次圓形或橢圓形，直徑從幾分米到一米不等。這些洞穴的空間排列表明，主洞是由于相鄰較小洞穴的合并而形成的。在主洞和鄰近的小洞穴可以觀察到嚴(yán)重的片狀風(fēng)化，而且各個(gè)洞穴內(nèi)壁都可見鹽結(jié)晶現(xiàn)象，洞穴有向頂部和內(nèi)部擴(kuò)張的趨勢。

值得注意的是，在主洞最左側(cè)的一個(gè)洞穴頂部邊緣有一條窄的黃色條帶。該條帶寬20～30 cm，由厘米級的小型蜂窩狀洞穴組成（圖2-i），其結(jié)構(gòu)與錦石巖洞的龍鱗片石十分相似。

圖2 丹霞山陡坡的礫巖和砂巖層上的風(fēng)化洞穴Fig.2 Cavernous weathering features on conglomerate and sandstone slopes of Danxiashan

3.1.4 錦石巖洞 錦石巖洞位于長老峰西北坡，錦江凹岸。該洞穴夾于上、下礫巖層之間，是一個(gè)沿著具有大型交錯(cuò)層理的風(fēng)成砂巖發(fā)育的大型扁平洞穴（圖2-j）。錦石巖洞穴開口朝向約為320°，最左側(cè)的大雄寶殿洞穴長約20 m，高8 m，深12 m，小型蜂窩狀洞穴發(fā)育在錦石巖洞穴后壁上，該處蜂窩狀洞穴的分布類似規(guī)則的蜂巢（圖2-j～n）。錦石巖洞的小型蜂窩狀洞穴相對較大，直徑在3～11 cm 不等，最大可達(dá)19 cm，深度1～8 cm不等，最大可達(dá)20 cm，隔壁約厚1～2 cm，在這些洞穴內(nèi)部還發(fā)育有更小的洞穴。這些蜂窩狀洞穴橫向連續(xù)分布，長度可達(dá)10 m，下部被藻類覆蓋而呈現(xiàn)綠色（圖2-k），故名龍鱗片石。在洞穴底部常見一薄層黏土和沙粒，是洞穴內(nèi)壁不斷風(fēng)化剝落的產(chǎn)物。

3.1.5 祿意堂 長老峰與睡美人2 座山峰隔江相望，分別坐落于錦江的南東岸和北西岸。祿意堂位于睡美人峰南坡，開口朝向約為191°。蜂窩狀洞穴沿大型弧形崖壁呈集群狀分布在頂部和下部，分布面積大約4～5 m2，具有明顯的沿大型交錯(cuò)層理紋層分布的趨勢（圖2-p、q）。祿意堂蜂窩狀洞穴的長度最大僅為12 cm，主要分布在3～5 cm，深度相對較淺，大多數(shù)＜5 cm；小型蜂窩洞穴之間的隔壁比龍鱗片石更薄，大約0.5 mm，基本都＜1 cm（圖2-o～q）。

3.2 微氣候監(jiān)測結(jié)果

錦石巖洞和恐龍巖洞的氣象數(shù)據(jù)（圖3、4）表明，夏季洞穴外部的氣溫普遍高于內(nèi)部，而相對濕度卻普遍低于內(nèi)部，受氣流影響洞穴外部風(fēng)速變化不穩(wěn)定，而兩洞穴規(guī)模相對較大，形成的內(nèi)部空間相對封閉，所以內(nèi)部風(fēng)速都記為0，洞穴內(nèi)溫差和相對濕度差也較小，而且兩地洞穴內(nèi)的溫度和相對濕度都呈明顯的日周期變化，而相對濕度可能由于降水的影響，其日周期性變化沒有溫度穩(wěn)定。

圖3 錦石巖洞氣象監(jiān)測曲線Fig.3 Meteorological changes at the Jinshiyan Cave

3.3 樣品顯微鏡觀察

在顯微鏡下，丹霞山恐龍巖礫巖表現(xiàn)為碎屑支撐結(jié)構(gòu)，礫石顆粒呈次棱角狀至次圓狀，分選性較差，大多數(shù)顆粒的直徑為2～3 mm。礫巖樣品的礫石成分主要由石英和石英砂巖組成，包括少量砂巖、花崗巖（圖5-a、b）。其中石英含量所占比例最高，在長石顆粒上可以觀察到蝕變產(chǎn)生的絹云母化現(xiàn)象。礫石顆粒之間由方解石和氧化鐵膠結(jié)物以及大量砂質(zhì)雜基充填而成，膠結(jié)程度較好?？傮w上，丹霞山礫巖的結(jié)構(gòu)和成分的成熟度較低。

圖4 恐龍巖洞氣象監(jiān)測曲線Fig.4 Meteorological changes at the Konglongyan (Dinosaur Rock) Cave

丹霞山祿意堂的砂巖樣品碎屑顆粒主要呈次圓狀，分選性中等—較好，粒徑主要為0.05～0.35 mm（圖5-c～f）。碎屑顆粒成分主要包括石英（包括單晶石英和燧石、脈石英等多晶石英）、巖屑和長石及少量云母，顆粒之間呈點(diǎn)-線接觸。碎屑顆粒含量為75%～93%，雜基含量為4%～15%，膠結(jié)物主要為鈣質(zhì)，含量為3%～5%。在碎屑顆粒中，石英表面干凈，可見壓裂現(xiàn)象，波狀消光，含量為35%～48%；長石表面渾濁，部分絹云母化，可見聚片雙晶的斜長石、樹枝狀條紋長石、細(xì)條紋長石、發(fā)育格子雙晶的微斜長石，含量為17%～18%；巖屑有泥巖、火山巖巖屑等，其中火山巖屑占8%～11%，沉積巖屑占4%～8%；黑云母碎屑含量為1%～2%，常被壓實(shí)彎曲。

圖5 丹霞山礫巖和砂巖顯微鏡照片F(xiàn)ig.5 Microscopic photos of conglomerate and sandstone samples of Danxiashan

3.4 樣品鹽化學(xué)結(jié)果

表3顯示，不同泉水和池水中水樣的pH值均呈現(xiàn)弱酸性。

表3 丹霞山不同泉水和池水中水樣的pHTable 3 PH values of water samples in different springs and pools of Danxiashan

從圖6可以看出，錦石巖小型蜂窩狀洞穴內(nèi)部的電導(dǎo)率值高于洞穴隔壁，恐龍巖大型風(fēng)化洞穴后壁的電導(dǎo)率值略高于頂部，且后壁和頂部都高于底部。對比可知，無論是發(fā)育在砂巖還是礫巖上，無論是大型還是小型，洞穴后壁的電導(dǎo)率值都高于其他部位。尤其在恐龍巖收集的風(fēng)化碎屑物，其電導(dǎo)率值遠(yuǎn)高于其他部位巖石樣品的電導(dǎo)率值。

圖6 錦石巖和恐龍巖巖石樣品的電導(dǎo)率Fig.6 Electrical conductivity of samples from Jinshiyan Cave and Dinosaur Rock

圖7顯示，恐龍巖后壁和頂部的陰、陽離子質(zhì)量濃度差異不明顯，但后壁略高于頂部，而底部的離子質(zhì)量濃度最低，這與電導(dǎo)率具有一致性?？铸垘r的主要陰離子質(zhì)量濃度由高到低依次為SO2-4、NO-3、Cl-，主要陽離子質(zhì)量濃度由高到低依次為Ca2+、Na+、K+、Mg2+，說明洞穴的巖石中有較多的石膏（CaSO4）和芒硝（Na2SO4）等硫酸鹽，并伴隨有硝酸鹽（KNO3）及巖鹽（NaCl）。

圖7 恐龍巖巖石樣品的主要陰陽離子（mg/L）Fig.7 The contents (mg/L) of main anions and cations of samples from Dinosaur Rock

4 洞穴風(fēng)化的影響因素

4.1 巖石特征

巖石是地貌發(fā)育的基礎(chǔ)，對洞穴的形成和演化具有重要意義。Inkpen（2016）基于南極洲的800個(gè)大型風(fēng)化洞穴形態(tài)數(shù)據(jù)構(gòu)建了一個(gè)相空間，對其形態(tài)進(jìn)行集群分類，說明巖石結(jié)構(gòu)對洞穴的發(fā)展起整體控制作用，形態(tài)和過程的演變受到巖石結(jié)構(gòu)的嚴(yán)格限制。

研究區(qū)丹霞組總體形成于晚白堊世干旱的地表氧化環(huán)境，主要為沖積扇、河流及少量沙漠沉積環(huán)境（陳留勤 等，2019），紅層剖面中可見薄層蒸發(fā)巖夾層（張顯球，1992）。丹霞組錦石巖段發(fā)育大型高角度交錯(cuò)層理的風(fēng)成砂巖（陳留勤 等，2018；2019），錦石巖洞和祿意堂同屬于錦石巖段，其兩地的小型蜂窩狀洞穴的分布明顯受到風(fēng)成砂巖交錯(cuò)層理紋層的控制（見圖2-n、p、q），這是巖石特征在宏觀上對洞穴發(fā)育方式影響的直接證據(jù)。

恐龍巖主要陰離子為SO2-4、NO-3、Cl-，主要陽離子為Ca2+、Na+、K+、Mg2+，所以巖石中可能含有較多的石膏（CaSO4）和芒硝（Na2SO4）等硫酸鹽，并有少量硝酸鹽（KNO3）及巖鹽（NaCl），這些鹽類的結(jié)晶膨脹作用能破壞巖石結(jié)構(gòu)。巖石薄片中可以觀察到長石、云母、鈣質(zhì)膠結(jié)物等不穩(wěn)定組分（見圖5），朱誠等（2005；2015）認(rèn)為酸性雨水會對鈣質(zhì)膠結(jié)的巖層產(chǎn)生溶蝕作用，歐陽杰等（2011）和張娜（2016）通過半定量的抗酸腐蝕實(shí)驗(yàn)證明酸雨在丹霞山體巖石中滲流導(dǎo)致的化學(xué)風(fēng)化對洞穴的形成具有重要影響。彭華等（2014）測量的丹霞山雨水樣pH均值為4.41，為酸性雨水，而本研究采集的泉水樣pH值都大于4.41，呈弱酸性（見表3），說明酸性雨水在巖石中滲流發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)生成更多鹽離子，進(jìn)一步為鹽風(fēng)化提供物質(zhì)條件?；瘜W(xué)穩(wěn)定性弱的長石類礦物在雨水充足條件下易于向黏土礦物（蒙脫石、高嶺石）轉(zhuǎn)變，體積膨脹，也會導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)變疏松。這與前人對云岡石窟的風(fēng)化過程研究結(jié)果（馬在平 等，2005；嚴(yán)紹軍 等，2015）類似。

錦石巖和恐龍巖的電導(dǎo)率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與形態(tài)觀測結(jié)果相符，恐龍巖洞穴后壁和頂部的離子電導(dǎo)率更高，可能含有比底部更多的鹽，導(dǎo)致其風(fēng)化速率更快，所以在恐龍巖，洞穴表現(xiàn)為向內(nèi)和向上發(fā)育的趨勢，尤其是風(fēng)化掉落的碎屑物，其離子電導(dǎo)率值遠(yuǎn)高于其他樣品，進(jìn)一步證明鹽風(fēng)化的作用。在錦石巖，蜂窩狀洞穴內(nèi)部電導(dǎo)率值高于洞穴隔壁，所以在形態(tài)上也表現(xiàn)為向內(nèi)凹進(jìn)，隔壁由于電導(dǎo)率值相對較低，鹽風(fēng)化相對較弱而被保留下來。

4.2 微氣候

Rodriguez-Navarro等（1999）的研究表明，硫酸鈉在相對濕度的變化下產(chǎn)生的相變會對巖石顆粒產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。Angeli 等（2010）的研究表明，溫度是硫酸鈉進(jìn)行鹽風(fēng)化破壞作用的決定性參數(shù)。Guo等（2018）的研究也指出溫度和相對濕度的日變化或季節(jié)性變化對物理風(fēng)化有重要影響，所以微氣候的相對濕度、溫度、風(fēng)速等對洞穴發(fā)育產(chǎn)生重要影響。丹霞山地處亞熱帶濕潤氣候環(huán)境，年均溫較高，降水豐富，化學(xué)風(fēng)化比較活躍。當(dāng)陡坡上的洞穴擴(kuò)大到一定規(guī)模后，由于洞頂緣對陽光和氣流的遮擋，會在洞穴內(nèi)部形成一個(gè)不同于外部的微氣候，表現(xiàn)為相對濕度、溫度變化幅度小、風(fēng)速幾乎為零。由于錦石巖洞是大型層控洞穴，深度達(dá)到12 m，規(guī)模比恐龍巖洞穴大得多，所以洞穴內(nèi)外的微氣候差異表現(xiàn)更明顯，這種微氣候?qū)Χ囱ê笃诘陌l(fā)育起關(guān)鍵影響（Chen et al., 2019）。

在相對濕度高值或降水帶來的濕潤期時(shí)，在恐龍巖洞或錦石巖洞中，由于洞穴內(nèi)部氣溫更低，相對更潮濕，而且很少受到風(fēng)的影響，水分會更易凝結(jié)。洞穴內(nèi)部相對潮濕的環(huán)境使得水分在巖石孔隙內(nèi)運(yùn)移，為巖石中可溶性顆粒及膠結(jié)物的化學(xué)溶解提供水分介質(zhì)的輔助，有利于鹽的不斷積累。譚玉芳等（2019）發(fā)現(xiàn)均質(zhì)砂巖洞穴內(nèi)壁吸水產(chǎn)生球面狀的濕度應(yīng)力，會使內(nèi)壁呈洋蔥式剝落。所以這可能是造成洞穴內(nèi)部整體風(fēng)化剝落的原因之一。Huinink 等（2004）通過物理模擬發(fā)現(xiàn)，洞穴的生長是由干濕循環(huán)中的干燥階段持續(xù)時(shí)間控制。在干燥期時(shí)，巖石孔隙中的鹽溶液通過毛細(xì)作用上升到巖石表面，失水開始結(jié)晶，對周圍的巖石顆粒產(chǎn)生壓力，此時(shí)鹽風(fēng)化占主導(dǎo)。往復(fù)多次，會破壞巖石結(jié)構(gòu)，使洞穴繼續(xù)發(fā)育擴(kuò)大。因此，周期性的干濕交替條件對洞穴風(fēng)化也必不可少。

錦石巖洞和祿意堂分別是位于長老峰和睡美人山上的大型扁平洞穴和弧形崖壁，開口的正下方為蜿蜒曲折的錦江，容易受到來自河流水汽浸潤的影響（圖8）。錦石巖洞的海拔高度約為210 m，祿意堂蜂窩狀洞穴的海拔高度約在230～250 m，雖然存在高差，但同屬丹霞組二段（錦石巖段）。雖然錦石巖洞與祿意堂都發(fā)育小型的蜂窩狀洞穴，但在形態(tài)上還有一定差異，祿意堂的蜂窩狀洞穴隔壁更薄，這可能與微氣候差異有關(guān)，祿意堂弧形崖壁很淺，與外界空氣幾乎直接接觸，小型蜂窩狀洞穴演化速率可能很快，難以長期保留，而錦石巖洞穴內(nèi)的微氣候相對穩(wěn)定，適宜藍(lán)綠藻的生長，對后壁蜂窩狀洞穴的多邊形蜂巢結(jié)構(gòu)起到保護(hù)作用。

圖8 丹霞山錦江兩岸的祿意堂和錦石巖洞相對位置示意Fig.8 Sketch diagram of relative positions of Luyitang and Jinshiyan caves located at both sides of Jinjiang River in Danxiashan

4.3 生物的保護(hù)和破壞作用

定居在巖石上的生物會形成一層堅(jiān)硬的生物膜，稱為生物成因結(jié)殼（biologically-initiated rock crust）（Slavík et al., 2017; Wieler et al., 2019），其群落包括細(xì)菌、真菌和藻類（Lang-Yona et al., 2018）。Slavík 等（2017）認(rèn)為生物膜在近地表區(qū)域內(nèi)形成硬化表面，可以保護(hù)下伏砂巖免受雨水和流水侵蝕，從而在巖石崩解中起保護(hù)作用。與祿意堂相比，位于錦江東岸的錦石巖洞為藍(lán)綠藻的發(fā)育提供適宜的微氣候條件，藍(lán)綠藻覆蓋在龍鱗片石上呈近似水平狀分布，這些藻類在砂巖上形成一層生物薄膜（圖2-l），被藍(lán)綠藻覆蓋的小型蜂窩狀洞穴開口形態(tài)非常規(guī)則，符合泰森多邊形分布規(guī)律（陳留勤等，2018），而龍鱗片石之下未被藍(lán)綠藻覆蓋的區(qū)域，正在進(jìn)行嚴(yán)重風(fēng)化，在其下的洞底地面可觀察到風(fēng)化碎屑物。由此可見，藍(lán)綠藻在錦石巖洞內(nèi)小型蜂窩狀洞穴生長中起保護(hù)作用。祿意堂淺弧形崖壁與外界大氣溝通較流暢，微氣候影響不太明顯，無藻類或地衣生長，導(dǎo)致小型蜂窩狀洞穴深度較小，隔壁較薄，僅在局部符合泰森多邊形（Chen et al., 2019）。同時(shí)，在龍鱗片石上部的部分洞穴內(nèi)觀察到蜜蜂等昆蟲的定居，昆蟲生命活動中分泌的有機(jī)酸及產(chǎn)生的O2、CO2等，在一定程度上影響局部的風(fēng)化進(jìn)程。

5 風(fēng)化洞穴的形成過程及機(jī)制

5.1 風(fēng)化洞穴的形成過程

礫巖顆粒分選性差，顆粒間孔隙較大且不均勻，為陡坡上的大氣降水或者周圍蒸發(fā)水汽的流通提供通道。水在流通過程中溶解巖石中的長石、鈣質(zhì)膠結(jié)物等可溶性組分而成為鹽溶液，由于礫巖的透水性強(qiáng)，毛細(xì)作用弱，這些鹽溶液受重力的影響滲透到巖性界面流出，或沿巖體內(nèi)微裂隙部位流出，最先開始鹽結(jié)晶，相對孔隙較大且滲透鹽溶液較多的部位，鹽風(fēng)化作用更明顯，導(dǎo)致該部位的礫石顆粒崩解留下凹坑，長年累月，隨著鹽風(fēng)化不斷加強(qiáng)，凹坑不斷擴(kuò)大，小洞穴擴(kuò)大到一定規(guī)模后，受洞穴頂緣和側(cè)緣的“保護(hù)”，與外界環(huán)境接觸變少，內(nèi)部環(huán)境相對穩(wěn)定，形成適宜的微氣候，影響其后的演化過程。同樣地，鹽溶液由于重力的原因，不斷在洞穴頂部累積，鹽風(fēng)化向內(nèi)向上繼續(xù)進(jìn)行，所以在垂直型陡坡上生長的洞穴具有向上生長的趨勢，從而形成有別于砂巖上發(fā)育的小型蜂窩狀洞穴的大型風(fēng)化洞穴。

砂巖顆粒粒徑較小，分選性良好，具有較高的孔隙度和良好的滲透性，孔隙小且均勻，相比于礫巖，毛細(xì)作用更明顯。所以巖石中的鹽溶液容易被毛細(xì)作用均勻地帶到巖石表面蒸發(fā)而結(jié)晶，開始鹽風(fēng)化過程，在巖石表面均勻密集地產(chǎn)生初始的小凹坑。鹽風(fēng)化進(jìn)一步作用于初始凹坑，使其不斷與周圍凹坑合并擴(kuò)大，逐漸地形成小型的蜂窩狀洞穴。所以砂巖層上發(fā)育的洞穴一般都密集均勻分布，呈聚集的蜂窩狀，且形態(tài)較小。由于受限于巖層的厚度及巖石本身的性質(zhì)，風(fēng)化不易突破上下的礫巖層，最終可能發(fā)育為類似夢覺關(guān)的大型砂巖型風(fēng)化洞穴，或進(jìn)一步向內(nèi)凹進(jìn)發(fā)育為類似錦石巖洞的大型層控洞穴。

在洞穴演化過程中，生物可以起破壞和保護(hù)作用。如在錦石巖洞內(nèi)，居住在洞穴后壁的昆蟲等的生命活動間接加速巖石風(fēng)化，而藍(lán)藻則對小洞穴的蜂窩型結(jié)構(gòu)起穩(wěn)固作用。所以洞穴的形成是化學(xué)風(fēng)化、物理風(fēng)化、生物風(fēng)化相互作用的結(jié)果，其中物理風(fēng)化中的鹽風(fēng)化是主導(dǎo)也是最直接的因素。

5.2 自組織機(jī)制

自組織機(jī)制是一個(gè)能自然地達(dá)到非平衡狀態(tài)的復(fù)雜系統(tǒng)，變量的微小改變可以導(dǎo)致整體結(jié)果發(fā)生巨大變化（Bak, 1996）。自組織機(jī)制的特點(diǎn)是正反饋和負(fù)反饋的組合導(dǎo)致固有順序的變動，通常涉及多個(gè)變量之間的復(fù)雜交互（Mustoe, 2010）。在洞穴形成過程中，正反饋指洞穴加速發(fā)育的過程，負(fù)反饋指洞穴減緩或停止發(fā)育的過程（Paradise, 2013）。Turkington 等（2004）認(rèn)為洞穴的發(fā)育過程符合自組織機(jī)制，由于各因素相互影響，一個(gè)因子的微小變化，其產(chǎn)生的能量都會被長時(shí)間尺度不斷放大而影響整體，直到突破一個(gè)限制值后，整體的后續(xù)發(fā)展才需要重新考慮其他因素，如力學(xué)因素。也即洞穴發(fā)生合并或者巖體坍塌，或進(jìn)入下一個(gè)發(fā)展階段。

丹霞山恐龍巖為礫巖中大型風(fēng)化洞穴的典型代表，基本沒有受到生物風(fēng)化作用的影響，每個(gè)洞穴底部都覆蓋了一層風(fēng)化掉落的細(xì)碎屑物質(zhì)，說明風(fēng)化活躍，洞穴正在生長。而洞穴發(fā)育的整個(gè)過程與鹽風(fēng)化作用密切相關(guān)，鹽風(fēng)化作用使洞穴擴(kuò)大形成一定規(guī)模后，洞穴大小足以形成一個(gè)獨(dú)立于外部的有利微氣候時(shí)，會進(jìn)一步加速洞穴內(nèi)的風(fēng)化，所以鹽風(fēng)化和微氣候的形成是正反饋機(jī)制，其結(jié)果使得洞穴內(nèi)部風(fēng)化較快而外部較慢。

丹霞山錦石巖大型扁平洞內(nèi)的前期情況雖與恐龍巖同樣擁有鹽風(fēng)化和微氣候的形成2個(gè)正反饋機(jī)制，但后期卻顯得更加復(fù)雜。由于受到洞頂緣的遮擋，洞穴微氣候適宜藍(lán)綠藻生長。龍鱗片石上的藍(lán)綠藻主要附著在小洞穴的側(cè)壁，與砂巖顆粒緊密粘結(jié)，保護(hù)其下砂巖，減緩進(jìn)一步風(fēng)化，而未被藍(lán)綠藻覆蓋的龍鱗片石之下正在進(jìn)行嚴(yán)重風(fēng)化。因此，由于藍(lán)綠藻的生長，錦石巖大洞內(nèi)小型蜂窩狀洞穴的后期發(fā)展主要應(yīng)為負(fù)反饋過程。但這種自組織機(jī)制的存在并不能停止洞穴的發(fā)育，只是在一定程度上減緩風(fēng)化進(jìn)程，或者把風(fēng)化的時(shí)間尺度拉長，而且正、負(fù)反饋過程之間的臨界值尚不清楚。

6 結(jié)論

1）丹霞山陡坡上風(fēng)化洞穴發(fā)育，單個(gè)洞穴開口直徑從厘米級到米級不等，是亞熱帶濕潤氣候條件下風(fēng)化洞穴的典型代表，是重要的地質(zhì)遺跡和景觀要素。研究區(qū)洞穴主要呈極橢圓狀或橢圓狀，洞穴開口主要朝向北西、北東和南西。在礫巖中發(fā)育的洞穴一般個(gè)體形態(tài)較大，而且洞穴會向上向內(nèi)生長。砂巖中發(fā)育的洞穴一般具有蜂巢結(jié)構(gòu)，密集排列，形態(tài)較小。

2）巖石特征是洞穴發(fā)育的基礎(chǔ)，在宏觀尺度決定了洞穴的發(fā)育位置和排列方式，因?yàn)槎囱偸茄刂鴮永砘蚪诲e(cuò)層理的紋層發(fā)育，也決定了不同巖性中洞穴的形態(tài)特征。在微觀尺度，除鹽結(jié)晶導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)破壞的主要物理風(fēng)化作用外，其他風(fēng)化形式也在蜂窩狀洞穴的發(fā)育中發(fā)揮了不可替代的作用。研究區(qū)礫巖和砂巖含有大量可溶性組分，在酸性雨水或蒸發(fā)水汽的滲透下發(fā)生化學(xué)溶解，形成細(xì)小坑洼，即洞穴發(fā)育的初始階段。洞穴形成一定規(guī)模后，微氣候控制下的干濕交替及其為生物創(chuàng)造的有利條件在洞穴的演化過程中則起關(guān)鍵作用。龍鱗片石蜂窩狀洞穴生物風(fēng)化作用具有兩面性，蜜蜂等昆蟲穴居導(dǎo)致巖石破壞，而藍(lán)綠藻的生命活動對蜂巢結(jié)構(gòu)起保護(hù)作用。

3）洞穴風(fēng)化的過程機(jī)制包括正、負(fù)反饋機(jī)制，在整體上調(diào)節(jié)洞穴發(fā)育的速度。鹽風(fēng)化和微氣候因素為正反饋機(jī)制，而在錦石巖洞內(nèi)的情況卻指示藍(lán)綠藻對蜂窩狀洞穴主要起保護(hù)作用，為負(fù)反饋機(jī)制。但洞穴發(fā)育過程中正、負(fù)反饋機(jī)制之間變化的影響因素和臨界值尚需進(jìn)一步研究。