溶洞与钟乳石

土里的二氧化碳

雨水落到地上，先穿过一层土。土里有植物的根，也有数不清的微生物，它们呼吸，有机物在腐烂，土壤空气里的二氧化碳就比大气里多得多。

今天的大气里，二氧化碳约占 0.043%，2025 年的全球平均是 425.6 ppm。喀斯特地区的土壤空气一般含 0.1%–1%，是大气的几倍到二十几倍；在湿润的热带，生长季的平均值可以到约 3.5%。

水把这些二氧化碳溶进去，成了碳酸。碳酸是一种弱酸，汽水那点刺口的味道就来自它。

大气约 0.043% · 喀斯特土壤空气一般 0.1%–1% · 湿润热带的生长季平均可到约 3.5%

弱酸溶石

石灰岩主要是方解石，也就是碳酸钙。带着碳酸的水碰到它，就把它溶成钙离子和碳酸氢根：

CaCO₃ + H₂O + CO₂ ⇌ Ca²⁺ + 2 HCO₃⁻

水里的二氧化碳越多，溶得越多。按标准化学常数算，10 °C 的水与 1% 的二氧化碳平衡，每升能溶约 212 毫⁠克碳酸钙；只与今天的空气平衡，只有约 70 毫⁠克，三分之一。

水越冷，溶得下的二氧化碳越多；同样的二氧化碳下，冷水能溶的方解石也更多。按同样的常数算，在 1% 的二氧化碳下，每升水 5 °C 时约溶 231 毫⁠克，25 °C 时只溶约 165 毫⁠克。

10 °C：与 1% 二氧化碳平衡约 212 毫⁠克⁠每⁠升 · 与空气平衡约 70 毫⁠克⁠每⁠升（按 Plummer 和 Busenberg 1982 年的常数计算）

沿着裂隙往下

石灰岩是一层一层沉积下来的，层与层之间叫层面；竖着裂开的缝叫节理。水主要沿着这些缝往下走，溶蚀也从缝开始，在水最先碰到岩石的地方最强。

靠近地面的一段，缝被溶宽，填进了土，叫表层岩溶带。它比下面的岩石更透水，雨水往下渗到它的底部会停一停，再从缝里慢慢漏下去；所以洞里的许多钟乳石一年四季都在滴水。在纯的结晶灰岩里，它常厚约 10 米。

起初，水在缝里只是慢慢渗。哪条缝里的水多，哪条缝就溶得快，又抢来更多的水，其余的缝几乎不长；到某一刻，一条缝“突破”，变成一条管道。

层面和节理 · 表层岩溶带：缝被溶宽、填了土 · 水多的缝长得快

地面上的漏斗

地表的水往缝里钻，地面跟着往下凹，成了漏斗状的洼地，叫漏斗（也叫落水洞）。USGS 把它分成三类：岩石在地表被溶出的、上面的土慢慢沉下去的、土突然塌进下面空洞的。

溪流流到这样的洞口，就钻进地下不见了，成了伏流。台上的小溪就这样流进漏斗。

地下的大洞厅顶塌下来，碎石又被地下河冲走，地面上就留下一个巨坑，宽和深都超过 100 米，中国叫天坑。重庆奉节的小寨天坑，从最高的崖顶算深 662 米；从坑口最低处算是 511 米。

漏斗（落水洞）· 伏流 · 天坑：宽、深都超过 100 米

地下河

管道连成网，把整片地区的水汇到一起，就是地下河。在地下水面以上，水往下冲，切出又窄又高的峡谷；在水面附近，水把整条通道灌满，溶出圆圆的管子。

地下河从泉口流回地面。台上的地下河从洞底流进一条管道，在右边的石崖脚下变成一眼泉。

从一道缝长到人能钻进去，大多数洞要一万到十万年；洞壁每年最多后退约 1 毫⁠米。河往下切，水改走更低的路，老通道就留在高处干了。美国肯塔基的猛犸洞是已知最长的洞穴系统，2022 年测到 426 英⁠里（约 686 公⁠里）。

水面以上切出峡谷，水面附近溶出圆管 · 大多数洞要 1 万–10 万⁠年 · 洞壁每年最多后退约 1 毫⁠米

水滴放走二氧化碳

溶满碳酸钙的水从洞顶滴下来。洞里空气的二氧化碳比土壤里少得多，水里的二氧化碳就跑出来，像打开一瓶汽水。

没了二氧化碳，碳酸钙就留不住，同一个反应倒过来走，方解石重新析出。按标准化学常数算：在 1% 二氧化碳的土里溶满的水，到 0.1% 的洞里，每升能放下约 119 毫⁠克。水滴和洞里的空气达到平衡，只要几秒。

主要靠放气，不是靠蒸发。1964 年对美国三个洞穴的研究就发现，水里的镁在沉淀前后没有变；若是水蒸发了，镁会变浓。洞里空气的二氧化碳也随季节通风起落，有的洞冬天积累，有的正好相反。

洞里空气的二氧化碳少 · 水滴放气，方解石析出 · 只要几秒

从一根空心管开始

每根钟乳石都从一根空心的细管开始，叫鹅管。水滴挂在洞顶，表面放走二氧化碳，结出一层方解石薄膜；水滴落下，薄膜在洞顶留下一圈环。一滴接一滴，环接成管。

鹅管差不多一滴水那么粗，最细约 5 毫⁠米；一滴水约 0.1 毫⁠升。水从管中间流下，管越长越长。

只要还在滴水，管子就一点点加粗，长成像冰柱、像倒挂的胡萝卜一样的钟乳石。它中间有一根空心的细管，水起初就从那里流下，剖开的钟乳石看得见它。钟乳石常沿着洞顶的裂缝排成一行，水正是从那里渗进来的。

鹅管：一滴水那么粗，最细约 5 毫⁠米 · 一滴约 0.1 毫⁠升 · 钟乳石常沿洞顶裂缝排成行

石笋与石柱

水滴落到洞底，还有一些碳酸钙溶在里面，落地时放出二氧化碳，就在落点堆起来，长成石笋。石笋没有中空的管，往往比上面的钟乳石粗，顶是圆的。

钟乳石往下长，石笋往上长，两者接在一起就是石柱。

水不一滴滴落下，而是沿着洞壁或斜坡一片片流过，铺出的是流石，像凝固的瀑布。

石笋：水滴落地处 · 石柱：钟乳石和石笋接在一起 · 流石：水沿洞壁流过

一年长多少

石笋长得很慢，快慢也相差很大。在一个全球数据库里，同期生长的石笋平均每年长 1 毫⁠米到约 0.00002 毫⁠米不等，差了近五个数量级。

快慢取决于水里多出来的碳酸钙、温度和滴水的快慢。沉淀速率常数从 0 °C 到 30 °C 大约增大十倍。按本页的模型算，10 °C、土壤 1%、洞里 0.1% 时，每 30 秒一滴，每年约长 0.18 毫⁠米；每小时一滴，约长 0.04 毫⁠米；每天一滴，只长约 0.002 毫⁠米。

鹅管是空心的，看上去长得最快。1885⁠–⁠1922 年间，美国大盆地国家公园 Lehman Caves 里的不少鹅管被折断，后来又长出了不到 1 英寸到约 4 英寸。

平均每年约 0.00002⁠–⁠1 毫⁠米 · 滴得越慢长得越慢（本页模型）

石笋里的气候

石笋一层层往上长，有的像树木一样有年层；年层要用放射性测年核对。最常用的是铀钍测年。条件理想时，1 万⁠年前的样品能定到约 ±10 年，13 万⁠年前约 ±100 年，60 万⁠年前约 ±1.2 万⁠年。

中国洞穴石笋的氧同位素记录，已经连起来覆盖了过去 64 万⁠年。南京葫芦洞的石笋，和格陵兰冰芯的记录惊人地相似，时间是 1.1 万到 7.5 万⁠年前；湖北三宝洞的记录以约 2.3 万⁠年的周期起伏，与北半球夏季日照同步。

这些氧同位素被读作亚洲季风的信号，但它记录的到底是当地的雨量、上游的水汽还是风，科学家还在争论。葫芦洞的石笋同时测了碳-14 和铀钍年龄，成了放射性碳校正曲线 IntCal20 的一部分。

铀钍测年：1 万⁠年前约 ±10 年，60 万⁠年前约 ±1.2 万⁠年 · 中国洞穴的记录覆盖 64 万⁠年

中国南方喀斯特

中国南方的喀斯特区约 55 万⁠平⁠方⁠公⁠里，从云贵高原一路降到广西盆地。中国南方喀斯特分两批列入世界遗产，一批在 2007 年，一批在 2014 年，共七片，包括云南石林、贵州荔波、重庆武隆、广西桂林等。

联合国教科文组织称它是峰林、峰丛和石林三种地貌的全球典型地，桂林是大陆峰林最著名的例子。台上的后面是一簇峰丛，山脚相连；右边那座孤立的石峰，是峰林里的一座。

在世界上没有冰盖的陆地中，约 15% 露着碳酸盐岩。住在这些地方的人约占六分之一，2015 年是 11.8 亿；真正喝喀斯特地下水的人要少，2016 年约有 6.8 亿，约占 9%。这种水来得快，几乎不经过过滤，污染也一样快。

约 55 万⁠平⁠方⁠公⁠里 · 2007 年、2014 年列入世界遗产 · 约 9% 的人喝喀斯特地下水

拆开这块岩石

台上这块地分五部分：土壤和植被、表层岩溶带、下面层层的石灰岩（溶洞就在里面）、洞里的钟乳石和石笋，还有水。

水把一部分石头从土下面搬走，又在洞里放下一部分。指针停在哪一部分上，它就被单独托出来，标出名字。

土壤和植被 · 表层岩溶带 · 层状石灰岩 · 钟乳石和石笋 · 水