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Tropical Geography >

2023 , Vol. 43 >Issue 1: 103 - 114

DOI: https://doi.org/10.13284/j.cnki.rddl.003614

Basic Characteristics and Genesis of Cavernous Weathering Features on the Steep Slopes of Danxia Landscape in Danxiashan UNESCO Global Geopark

  • Yuexin Shi ,
  • Liuqin Chen ,
  • Dingding Du ,
  • Le Chai ,
  • Zihan Wang
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  • School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, China

Received date: 2022-09-10

  Revised date: 2022-10-21

  Online published: 2023-02-03

Fold

Highlights

Cavernous weathering is widely distributed in different climate zones worldwide. The dominant controlling factors and their formation processes have long been discussed in the geomorphological community; however, many controversies remain. In the danxia landscape, various forms of cavernous weathering develop on steep slopes. They are important elements of the landscape and provide shelter for the preservation of many precious historical cultures, yet there have been few studies investigating their origin. Danxiashan is representative of the Natural World Heritage site 'China Danxia', with widespread cavernous weathering features of various sizes and shapes, providing a good opportunity for investigating the origin of cavernous weathering in subtropical humid climates. Typical caverns on sandstone and conglomerate slopes at five sites in Danxiashan were selected and studied by field investigation, morphological measurement, meteorological monitoring, sample microscopic observation, and salt experiments. The results show the following. First, the diameters of the cavern openings vary from centimeters to meters, and the shape of the cavern openings is elliptical to elliptical. The tafoni on conglomerate slopes are generally large and tend to grow upward and inward, while the caverns on sandstone slopes are generally small and arranged in a honeycomb-like structure. Second, lithology is fundamental for the development of caverns. At the macroscopic scale, it determines their location and arrangement because the caverns generally align within the lamination of beddings or cross-beddings. Indeed, the morphological characteristics of caverns developed differently under varying lithologies. At the microscopic scale, the red beds consist of abundant soluble mineral components, such as feldspars and carbonate cements, which are chemically dissolved in the seepage of acid rainwater, the salt crystallization of which leads to the destruction of the rock texture. Collectively, they would have initiated the formation of caverns. Third, the favorable microclimate within the caverns is a key factor that is water and salt accumulation, and consequently, salt weathering and enlargement of the caverns over time. Notably, the microclimate within the Jinshiyan Cave has provided favorable conditions for algae colonization, which controlled the formation of the cell-and-wall structure of the regular honeycombs at the Longlingpian Rock. Finally, the dominant controlling factors were dissimilar between caverns and interplayed in different development stages of cavernous weathering, the entire progression of which was potentially regulated by a self-organized mechanism. However, the influencing factors and critical values of the positive and negative feedback mechanisms require further study.

Cite this article

Yuexin Shi , Liuqin Chen , Dingding Du , Le Chai , Zihan Wang . Basic Characteristics and Genesis of Cavernous Weathering Features on the Steep Slopes of Danxia Landscape in Danxiashan UNESCO Global Geopark[J]. Tropical Geography, 2023 , 43(1) : 103 -114 . DOI: 10.13284/j.cnki.rddl.003614

在全球不同气候区的天然岩石陡坡、巨砾侧面及人工建筑陡立面上，广泛发育风化洞穴（cavernous weathering features），有的洞穴群具有蜂巢结构（Paradise, 2013），一般称为蜂窝状洞穴。国外研究表明，不同地区洞穴形成的主导因素存在差异。如Viles等（2011）基于长期野外观测，对干旱沙漠区的洞穴风化进行总结，认为水、温度、地衣和风等对洞穴发育的影响极为关键；Mustoe（2010）通过野外观察记录、岩石表面的吸湿性测试、样品显微观察及X射线光谱仪检测，证明在海岸带附近的蜂窝状洞穴主要由盐风化引起，海水对盐分的供应及干湿循环是其关键控制因素；Ponti等（2021）对极端气候条件的南极地区的风化洞穴进行研究，通过矿物学分析强调裂隙和石英含量对洞穴发育的重要性，通过盐化学和IRT（infrared thermography）分析指出氯化物以及较高的水分含量是盐作用的关键因素。国内在风化洞穴的研究上也积累了较多的方法，如朱诚等（2015）系统介绍了中国丹霞地貌区不同类型风化洞穴，并对岩石样品进行了干、湿抗压强度、酸蚀抗压强度、冻融抗压强度等实验；Chen等（2021）通过形态测量、微气候监测和盐化学实验等分析丹霞山砾岩中大型风化洞穴的影响因素；刘东兴等（2022）通过形态测量、相对湿度及抗压强度测试分析宁都翠微峰的大型风化洞穴的成因。在风化洞穴成因解释上取得的主要成果包括：谭艳等（2015）认为丹霞山“玉女拦江洞”内蜂窝状洞穴的形成与岩石内部成分差异关系不大，而主要受岩石矿物组成及结构、地形、气候及微气候的影响；Huang等（2017）认为庙湾岛海岸蜂窝状洞穴受盐的影响较弱，而洞穴内的相对湿度变化引起的盐和黏土矿物的膨胀和收缩加速了洞穴风化；吕洪波等（2017）以国内不同气候带风化洞穴为例，系统分析了盐风化作用的机理及表现形式。综合其他学者（陈留勤 等，2018 ；Chen et al., 2019, 2022a; Kogure et al., 2022）的研究成果，风化洞穴形成的主要影响因素还存在争议，而盐风化目前被认为是最有效的机制。
位于广东省北部的丹霞山是国家5A级风景名胜区、世界地质公园、世界自然遗产地“中国丹霞”壮年期的典型代表、首批全国中小学生研学实践教育基地，是亚热带湿润气候砾岩地貌研究的热点地区（Migoń, 2021），其地质遗迹和地质多样性保存完好（Chen et al., 2022b），也是中国丹霞地貌对外国际交流的重要窗口。丹霞山的陡坡上广泛分布着形态和规模各异的风化洞穴，多数成为历史文化遗存的载体，如发育大型风化洞穴的梦觉关、恐龙岩、扬州寨等和小型风化洞穴的锦石岩洞和禄意堂等，尤其是长老峰锦石岩寺主洞的小型蜂窝状洞穴由于被藻类覆盖而独具特色，为从生物角度补充分析洞穴风化成因提供了良好样本。因此，本文以这5处典型风化洞穴为对象开展野外考察和室内实验研究，总结亚热带湿润气候条件下风化洞穴的特征，在探讨风化洞穴影响因素的基础上，分析不同发育阶段主控因素的变化，以期深刻理解岩石风化作用过程，同时为丹霞山及相似丹霞地貌区洞穴景观及其内部文物的保护提供参考。

1 区域概况

丹霞山世界地质公园位于广东省北部的韶关市仁化县境内，覆盖面积约为292 km2（图1）。丹霞山位于南岭南麓，属于中亚热带湿润季风气候，盛行东南风。根据景区多年的气象数据，年均温度为19.7℃，1月份平均气温为9.3℃，7月份平均气温相对较高，为28.4℃，极端最高气温为38.5℃，最低气温为-5.4℃。年均降水量为1 715 mm，其中3—8月降水量约占全年的75%。锦江自北向南流经园区，最终汇入浈江。
图1 丹霞山世界地质公园DEM图

注：ASTER GDEM 30 m分辨率的数据来源于地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn/home）

Fig.1 DEM map of Danxiashan UNESCO Global Geopark

丹霞山所在的丹霞盆地内充填一套白垩纪陆相红色碎屑岩，丹霞山山体以红色砂岩和砾岩为主，园区内成景地层主要为丹霞组（陈留勤 等，2019）。风化洞穴的发育是丹霞山重要的景观地貌类型，在不同岩性上发育着形态和规模不同的风化洞穴，其中蜂窝状洞穴的发育最具特色，而且在不同研究点都保存不同发育程度的洞穴，具有对比研究价值。

2 方法

2.1　野外观测及采样

在野外对锦石岩、禄意堂、梦觉关、恐龙岩、扬州寨五地风化洞穴的露头进行观测记录，并使用罗盘测量洞穴的开口朝向。用直尺和激光测距仪测量洞穴的长度、高度和深度。
在锦石岩洞和恐龙岩洞的内、外部各放置1台风速仪（KESTREL 5500）进行气候监测，每隔10 min记录1次数据，主要记录的气象指标包括温度、相对湿度、风速和风向，温度测量范围为29~70℃±1℃，相对湿度范围为0~100%±3%，风速范围为0.6~60 m/s±3%。
采集长老峰龙王泉、雪岩石乳泉、船头石前约200 m岩槽以及浸碧浮金左边和中间池水中的水样，共5个。在恐龙岩巴寨段砾岩和禄意堂锦石岩段砂岩分别采集岩石样品用以薄片制备；从锦石岩的龙鳞片石左右侧各选取1个蜂窝状洞穴，在其内部及隔壁各取样1个，共4个砂岩样品；在恐龙岩，采集洞穴顶部、后壁和其下的风化碎屑样品各2个，底部样品1个，共7个砾岩样品。

2.2　室内分析及实验方法

扁率（e）可以描述洞穴的开口形态，测得的长度和高度值用于扁率计算公式（刘晓娇 等，2013）：
e=（L 1/2-L 2/2）/（L 1/2）=（L 1-L 2）/L 1
式中：L 1代表洞穴的长轴（长度）；L 2代表洞穴的短轴（高度）。当e=0，为正圆形洞穴，当0<e≤0.1时，为近圆形洞穴，当0.1<e≤0.4时，为椭圆形洞穴，当0.4<e<1时，为极椭圆形洞穴。为了解洞穴内外的微气候差异，并保证两地微气候对比的准确性，选取锦石岩2019-05-28—2019-08-20和恐龙岩2021-04-28—2021-07-21两个相近时间段的数据进行对比。使用METTLER TOLEDO FiveEasy Plus仪器对采集的水样进行pH值测定。
为对比砂岩和砾岩洞穴的岩石特征差异，恐龙岩巴寨段的砾岩和禄意堂锦石岩段的砂岩样品被切割制备成薄片，在蔡司偏光显微镜以及扫描电镜下观测其矿物组成和结构。为研究不同岩性洞穴不同部位的盐风化差异，在中国地质大学（武汉）地质调查实验中心完成对锦石岩4个砂岩样品和恐龙岩7个砾岩样品的电导率值测定，并对恐龙岩的7个砾岩样品使用离子色谱仪（美国赛默飞，IC-2100）测定阴离子质量浓度，使用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES iCAP7600）测定阳离子质量浓度。

3 结果分析

3.1　风化洞穴的基本特征

在丹霞山红色陡坡上，分布着形态和规模各异的风化洞穴（图2）。根据洞穴发育的位置、岩性、形态规模等特征，对5个研究点的洞穴特征进行总结（表1）：恐龙岩和扬州寨发育的风化洞穴位于砾岩陡坡上，个体形态较大；禄意堂和锦石岩寺龙鳞片石发育的风化洞穴处于陡坡的砂岩层中，呈蜂窝状密集分布，形态较小，一般称为蜂窝状洞穴；梦觉关与锦石岩洞类似，都位于陡坡的砂岩层中，但洞穴直径较大，局部可见与锦石岩洞后壁相似的蓝绿藻条带。
图2 丹霞山陡坡的砾岩和砂岩层上的风化洞穴

注：a~f图为砾岩中的大型风化洞穴。其中a~c图为恐龙岩，d~f图为扬州寨；g~i图为梦觉关砂岩中的大型风化洞穴，i图为梦觉关左侧一个直径约1 m的圆形洞穴，注意该洞穴的顶部边缘有一个宽约20 cm的小型蜂窝状洞穴条带，与锦石岩寺主洞的龙鳞片石非常相似；j图为锦石岩寺主洞沿着砂岩层发育，其顶底均为砾岩；k~n图为锦石岩寺主洞内后壁上的小型蜂窝状洞穴（龙鳞片石），其中图m显示次一级的小洞穴发育，图n显示小洞穴分布受到层理的控制；o图为睡美人山禄意堂砂岩弧形崖壁上发育小型蜂窝状洞穴，p、q图分别是图o顶部和下部蜂窝状洞穴的局部放大照片，小洞穴密集发育，但洞穴之间的隔壁非常薄

Fig.2 Cavernous weathering features on conglomerate and sandstone slopes of Danxiashan

表1 丹霞山风化洞穴的基本特征总结

Table1 Basic characteristics of cavernous weathering features in Danxiashan

研究点 位置 岩性 形态
恐龙岩 玉屏峰，开口朝向232°，面向西南 厚层块状砾岩 大型
扬州寨 扬州寨北坡，洞穴的开口345°，其余开口朝向为15°至60°，大致为东北方向 厚层砾岩 大型
梦觉关 长老峰，开口方向290° 中-细粒厚层砂岩 大型
锦石岩洞 长老峰北坡半山腰，位于大型层控洞穴内部，开口朝向300°，河流凹岸 中-细粒厚层砂岩 小型
禄意堂 睡美人（玉女拦江）南坡弧形崖壁上，朝向190° 厚层砂岩 小型

3.1.1　恐龙岩

恐龙岩位于玉屏峰陡坡的底部，洞穴的开口朝向为232°，总体上面向西南方向。发育的风化洞穴一般较大，形态不一。恐龙岩主洞的长度为13.35 m，是由多个洞穴贯通合并后形成的，扁率最大，达到0.87，洞穴开口形态为极椭圆形（图2-a~c）。其余洞穴的长度在2.03~9.21 m，深度在1.43~8.35 m，洞穴发育状态不一，扁率在0.13~0.66，为椭圆形和极椭圆形（表2）。
表2 丹霞山恐龙岩和扬州寨洞穴尺寸和洞口朝向统计

Table 2 Size and opening orientation of cavernous weathering features at Dinosaur Rock and Yangzhouzhai of Danxiashan

洞穴统计 长度/m 深度/m 高度/m 扁率 洞口朝向
KLY1 13.35 9.00 1.75 0.87 205°SW
KLY2 2.03 1.43 1.26 0.38 205°SW
KLY3 3.35 7.90 2.91 0.13 205°SW
KLY4 9.21 8.35 3.16 0.66 205°SW
KLY5 2.92 3.65 1.32 0.55 193°SW
YZZ1 5.39 2.83 1.22 0.77 15°NE
YZZ2 7.50 2.27 2.20 0.71 60°NE
YZZ3 6.60 3.33 2.64 0.60 20°NE
在洞穴顶部可观察到许多向上发育的次级洞穴，顶部缓慢向内凹进。洞穴外部通常有巨大的悬挑，洞穴底部大多平缓且略微向外倾斜。大多数洞穴的内部比边缘更高更宽。相邻的2个洞穴在外部有石柱分隔，内部相互连通形成穿洞，有的可供人穿行。洞穴岩石裸露，表面粗糙，底部堆积黏土和沙粒等风化剥落物质（见图2-a~c），反映洞穴内风化剥蚀作用比较活跃。

3.1.2　扬州寨

扬州寨的大型风化洞穴位于陡坡的砾岩层上，具有沿层理分布的特征，比恐龙岩的洞穴分布更为整齐有序，但洞穴外部形态与恐龙岩相比，具有较高的相似性（图2-d~f）。位于扬州寨北坡的洞穴开口朝向为345°，其余洞穴开口朝向为15°~60°，大致为东北方向，长度为5.39~7.50 m，深度为2.27~3.33 m，洞穴发育比较均匀，洞穴扁率为0.60~0.77，比恐龙岩大，为极椭圆形（见表2）。
整个坡面呈现偏灰的色调，由于雨水的冲刷，表面形成灰黑色的结壳。下部同一层理的洞穴多数已合并成一个大的洞穴，而稍偏上位置的洞穴虽然没有合并但内部也已贯通，并且通过石柱分隔（图2-d~f）。

3.1.3　梦觉关

梦觉关所在陡坡的厚层砂岩上发育多个大型风化洞穴（图2-g~i）。洞穴开口方向为290°，与锦石岩的开口方向近似。洞穴的顶部较深，有结壳和片状风化，而下部较浅且平缓。主洞长10.1 m，高3.1 m，深2.7 m，主洞后壁底部也初步形成一层薄的结壳。此外，在主洞的左角可以识别出3个较小的洞穴。主洞右侧其他较小的洞穴为次圆形或椭圆形，直径从几分米到一米不等。这些洞穴的空间排列表明，主洞是由于相邻较小洞穴的合并而形成的。在主洞和邻近的小洞穴可以观察到严重的片状风化，而且各个洞穴内壁都可见盐结晶现象，洞穴有向顶部和内部扩张的趋势。
值得注意的是，在主洞最左侧的一个洞穴顶部边缘有一条窄的黄色条带。该条带宽20~30 cm，由厘米级的小型蜂窝状洞穴组成（图2-i），其结构与锦石岩洞的龙鳞片石十分相似。

3.1.4　锦石岩洞

锦石岩洞位于长老峰西北坡，锦江凹岸。该洞穴夹于上、下砾岩层之间，是一个沿着具有大型交错层理的风成砂岩发育的大型扁平洞穴（图2-j）。锦石岩洞穴开口朝向约为320°，最左侧的大雄宝殿洞穴长约20 m，高8 m，深12 m，小型蜂窝状洞穴发育在锦石岩洞穴后壁上，该处蜂窝状洞穴的分布类似规则的蜂巢（图2-j~n）。锦石岩洞的小型蜂窝状洞穴相对较大，直径在3~11 cm不等，最大可达19 cm，深度1~8 cm不等，最大可达20 cm，隔壁约厚1~2 cm，在这些洞穴内部还发育有更小的洞穴。这些蜂窝状洞穴横向连续分布，长度可达10 m，下部被藻类覆盖而呈现绿色（图2-k），故名龙鳞片石。在洞穴底部常见一薄层黏土和沙粒，是洞穴内壁不断风化剥落的产物。

3.1.5　禄意堂

长老峰与睡美人2座山峰隔江相望，分别坐落于锦江的南东岸和北西岸。禄意堂位于睡美人峰南坡，开口朝向约为191°。蜂窝状洞穴沿大型弧形崖壁呈集群状分布在顶部和下部，分布面积大约4~5 m2，具有明显的沿大型交错层理纹层分布的趋势（图2-p、q）。禄意堂蜂窝状洞穴的长度最大仅为12 cm，主要分布在3~5 cm，深度相对较浅，大多数＜5 cm；小型蜂窝洞穴之间的隔壁比龙鳞片石更薄，大约0.5 mm，基本都＜1 cm（图2-o~q）。

3.2　微气候监测结果

锦石岩洞和恐龙岩洞的气象数据（图3、4）表明，夏季洞穴外部的气温普遍高于内部，而相对湿度却普遍低于内部，受气流影响洞穴外部风速变化不稳定，而两洞穴规模相对较大，形成的内部空间相对封闭，所以内部风速都记为0，洞穴内温差和相对湿度差也较小，而且两地洞穴内的温度和相对湿度都呈明显的日周期变化，而相对湿度可能由于降水的影响，其日周期性变化没有温度稳定。
图3 锦石岩洞气象监测曲线

Fig.3 Meteorological changes at the Jinshiyan Cave

图4 恐龙岩洞气象监测曲线

Fig.4 Meteorological changes at the Konglongyan (Dinosaur Rock) Cave

3.3　样品显微镜观察

在显微镜下，丹霞山恐龙岩砾岩表现为碎屑支撑结构，砾石颗粒呈次棱角状至次圆状，分选性较差，大多数颗粒的直径为2~3 mm。砾岩样品的砾石成分主要由石英和石英砂岩组成，包括少量砂岩、花岗岩（图5-a、b）。其中石英含量所占比例最高，在长石颗粒上可以观察到蚀变产生的绢云母化现象。砾石颗粒之间由方解石和氧化铁胶结物以及大量砂质杂基充填而成，胶结程度较好。总体上，丹霞山砾岩的结构和成分的成熟度较低。
图5 丹霞山砾岩和砂岩显微镜照片

注：a和b采自恐龙岩，为丹霞组巴寨段砾岩，砾岩颗粒支撑结构，风选性和磨圆程度较差，砾石呈次棱角-次圆状，颗粒之间有大量钙质胶结物（Ca）；c~f采自禄意堂，为丹霞组锦石岩段风成砂岩，颗粒支撑结构，主要为钙质和铁质胶结物，前者充填于颗粒之间的空隙，后者常呈薄膜覆盖在颗粒上，颗粒胶结程度较为疏松，颗粒间钙质胶结物溶解流失导致颗粒松解脱落（f）

Fig.5 Microscopic photos of conglomerate and sandstone samples of Danxiashan

丹霞山禄意堂的砂岩样品碎屑颗粒主要呈次圆状，分选性中等—较好，粒径主要为0.05~0.35 mm（图5-c~f）。碎屑颗粒成分主要包括石英（包括单晶石英和燧石、脉石英等多晶石英）、岩屑和长石及少量云母，颗粒之间呈点-线接触。碎屑颗粒含量为75%~93%，杂基含量为4%~15%，胶结物主要为钙质，含量为3%~5%。在碎屑颗粒中，石英表面干净，可见压裂现象，波状消光，含量为35%~48%；长石表面浑浊，部分绢云母化，可见聚片双晶的斜长石、树枝状条纹长石、细条纹长石、发育格子双晶的微斜长石，含量为17%~18%；岩屑有泥岩、火山岩岩屑等，其中火山岩屑占8%~11%，沉积岩屑占4%~8%；黑云母碎屑含量为1%~2%，常被压实弯曲。

3.4　样品盐化学结果

表3显示，不同泉水和池水中水样的pH值均呈现弱酸性。
表3 丹霞山不同泉水和池水中水样的pH

Table 3 PH values of water samples in different springs and pools of Danxiashan

样品编号 pH 采样位置
LWQ-1 5.78 龙王泉
SRQ-1 5.86 雪岩石乳泉
CTS-1 6.92 船头石向前约200 m的岩槽（小瀑布）
JBFJ-1 6.91 锦石岩寺浸碧浮金中间池水
JBFJ-2 6.81 锦石岩寺浸碧浮金左边池水
从图6可以看出，锦石岩小型蜂窝状洞穴内部的电导率值高于洞穴隔壁，恐龙岩大型风化洞穴后壁的电导率值略高于顶部，且后壁和顶部都高于底部。对比可知，无论是发育在砂岩还是砾岩上，无论是大型还是小型，洞穴后壁的电导率值都高于其他部位。尤其在恐龙岩收集的风化碎屑物，其电导率值远高于其他部位岩石样品的电导率值。
图6 锦石岩和恐龙岩岩石样品的电导率

Fig.6 Electrical conductivity of samples from Jinshiyan Cave and Dinosaur Rock

图7显示，恐龙岩后壁和顶部的阴、阳离子质量浓度差异不明显，但后壁略高于顶部，而底部的离子质量浓度最低，这与电导率具有一致性。恐龙岩的主要阴离子质量浓度由高到低依次为 S O 4 2 -、 N O 3 -、Cl-，主要阳离子质量浓度由高到低依次为Ca2+、Na+、K+、Mg2+，说明洞穴的岩石中有较多的石膏（CaSO4）和芒硝（Na2SO4）等硫酸盐，并伴随有硝酸盐（KNO3）及岩盐（NaCl）。
图7 恐龙岩岩石样品的主要阴阳离子（mg/L）

Fig.7 The contents (mg/L) of main anions and cations of samples from Dinosaur Rock

4 洞穴风化的影响因素

4.1　岩石特征

岩石是地貌发育的基础，对洞穴的形成和演化具有重要意义。Inkpen（2016）基于南极洲的800个大型风化洞穴形态数据构建了一个相空间，对其形态进行集群分类，说明岩石结构对洞穴的发展起整体控制作用，形态和过程的演变受到岩石结构的严格限制。
研究区丹霞组总体形成于晚白垩世干旱的地表氧化环境，主要为冲积扇、河流及少量沙漠沉积环境（陈留勤 等，2019），红层剖面中可见薄层蒸发岩夹层（张显球，1992）。丹霞组锦石岩段发育大型高角度交错层理的风成砂岩（陈留勤 等，2018；2019），锦石岩洞和禄意堂同属于锦石岩段，其两地的小型蜂窝状洞穴的分布明显受到风成砂岩交错层理纹层的控制（见图2-n、p、q），这是岩石特征在宏观上对洞穴发育方式影响的直接证据。
恐龙岩主要阴离子为 S O 4 2 -、 N O 3 -、Cl-，主要阳离子为Ca2+、Na+、K+、Mg2+，所以岩石中可能含有较多的石膏（CaSO4）和芒硝（Na2SO4）等硫酸盐，并有少量硝酸盐（KNO3）及岩盐（NaCl），这些盐类的结晶膨胀作用能破坏岩石结构。岩石薄片中可以观察到长石、云母、钙质胶结物等不稳定组分（见图5），朱诚等（2005； 2015）认为酸性雨水会对钙质胶结的岩层产生溶蚀作用，欧阳杰等（2011）和张娜（2016）通过半定量的抗酸腐蚀实验证明酸雨在丹霞山体岩石中渗流导致的化学风化对洞穴的形成具有重要影响。彭华等（2014）测量的丹霞山雨水样pH均值为4.41，为酸性雨水，而本研究采集的泉水样pH值都大于4.41，呈弱酸性（见表3），说明酸性雨水在岩石中渗流发生化学反应，同时生成更多盐离子，进一步为盐风化提供物质条件。化学稳定性弱的长石类矿物在雨水充足条件下易于向黏土矿物（蒙脱石、高岭石）转变，体积膨胀，也会导致岩石结构变疏松。这与前人对云冈石窟的风化过程研究结果（马在平 等，2005；严绍军 等，2015）类似。
锦石岩和恐龙岩的电导率实验结果与形态观测结果相符，恐龙岩洞穴后壁和顶部的离子电导率更高，可能含有比底部更多的盐，导致其风化速率更快，所以在恐龙岩，洞穴表现为向内和向上发育的趋势，尤其是风化掉落的碎屑物，其离子电导率值远高于其他样品，进一步证明盐风化的作用。在锦石岩，蜂窝状洞穴内部电导率值高于洞穴隔壁，所以在形态上也表现为向内凹进，隔壁由于电导率值相对较低，盐风化相对较弱而被保留下来。

4.2　微气候

Rodriguez-Navarro等（1999）的研究表明，硫酸钠在相对湿度的变化下产生的相变会对岩石颗粒产生严重的破坏。Angeli等（2010）的研究表明，温度是硫酸钠进行盐风化破坏作用的决定性参数。Guo等（2018）的研究也指出温度和相对湿度的日变化或季节性变化对物理风化有重要影响，所以微气候的相对湿度、温度、风速等对洞穴发育产生重要影响。丹霞山地处亚热带湿润气候环境，年均温较高，降水丰富，化学风化比较活跃。当陡坡上的洞穴扩大到一定规模后，由于洞顶缘对阳光和气流的遮挡，会在洞穴内部形成一个不同于外部的微气候，表现为相对湿度、温度变化幅度小、风速几乎为零。由于锦石岩洞是大型层控洞穴，深度达到12 m，规模比恐龙岩洞穴大得多，所以洞穴内外的微气候差异表现更明显，这种微气候对洞穴后期的发育起关键影响（Chen et al., 2019）。
在相对湿度高值或降水带来的湿润期时，在恐龙岩洞或锦石岩洞中，由于洞穴内部气温更低，相对更潮湿，而且很少受到风的影响，水分会更易凝结。洞穴内部相对潮湿的环境使得水分在岩石孔隙内运移，为岩石中可溶性颗粒及胶结物的化学溶解提供水分介质的辅助，有利于盐的不断积累。谭玉芳等（2019）发现均质砂岩洞穴内壁吸水产生球面状的湿度应力，会使内壁呈洋葱式剥落。所以这可能是造成洞穴内部整体风化剥落的原因之一。Huinink等（2004）通过物理模拟发现，洞穴的生长是由干湿循环中的干燥阶段持续时间控制。在干燥期时，岩石孔隙中的盐溶液通过毛细作用上升到岩石表面，失水开始结晶，对周围的岩石颗粒产生压力，此时盐风化占主导。往复多次，会破坏岩石结构，使洞穴继续发育扩大。因此，周期性的干湿交替条件对洞穴风化也必不可少。
锦石岩洞和禄意堂分别是位于长老峰和睡美人山上的大型扁平洞穴和弧形崖壁，开口的正下方为蜿蜒曲折的锦江，容易受到来自河流水汽浸润的影响（图8）。锦石岩洞的海拔高度约为210 m，禄意堂蜂窝状洞穴的海拔高度约在230~250 m，虽然存在高差，但同属丹霞组二段（锦石岩段）。虽然锦石岩洞与禄意堂都发育小型的蜂窝状洞穴，但在形态上还有一定差异，禄意堂的蜂窝状洞穴隔壁更薄，这可能与微气候差异有关，禄意堂弧形崖壁很浅，与外界空气几乎直接接触，小型蜂窝状洞穴演化速率可能很快，难以长期保留，而锦石岩洞穴内的微气候相对稳定，适宜蓝绿藻的生长，对后壁蜂窝状洞穴的多边形蜂巢结构起到保护作用。
图8 丹霞山锦江两岸的禄意堂和锦石岩洞相对位置示意

注：禄意堂为一个较浅的弧形崖壁，底部和顶部发育小型蜂窝状洞穴；锦石岩洞为一个深12 m、高8 m的扁平洞穴，在洞穴后壁发育小型蜂窝状洞穴——龙鳞片石

Fig.8 Sketch diagram of relative positions of Luyitang and Jinshiyan caves located at both sides of Jinjiang River in Danxiashan

4.3　生物的保护和破坏作用

定居在岩石上的生物会形成一层坚硬的生物膜，称为生物成因结壳（biologically-initiated rock crust）（Slavík et al., 2017; Wieler et al., 2019），其群落包括细菌、真菌和藻类（Lang-Yona et al., 2018）。Slavík等（2017）认为生物膜在近地表区域内形成硬化表面，可以保护下伏砂岩免受雨水和流水侵蚀，从而在岩石崩解中起保护作用。与禄意堂相比，位于锦江东岸的锦石岩洞为蓝绿藻的发育提供适宜的微气候条件，蓝绿藻覆盖在龙鳞片石上呈近似水平状分布，这些藻类在砂岩上形成一层生物薄膜（图2-l），被蓝绿藻覆盖的小型蜂窝状洞穴开口形态非常规则，符合泰森多边形分布规律（陈留勤 等，2018），而龙鳞片石之下未被蓝绿藻覆盖的区域，正在进行严重风化，在其下的洞底地面可观察到风化碎屑物。由此可见，蓝绿藻在锦石岩洞内小型蜂窝状洞穴生长中起保护作用。禄意堂浅弧形崖壁与外界大气沟通较流畅，微气候影响不太明显，无藻类或地衣生长，导致小型蜂窝状洞穴深度较小，隔壁较薄，仅在局部符合泰森多边形（Chen et al., 2019）。同时，在龙鳞片石上部的部分洞穴内观察到蜜蜂等昆虫的定居，昆虫生命活动中分泌的有机酸及产生的O2、CO2等，在一定程度上影响局部的风化进程。

5 风化洞穴的形成过程及机制

5.1　风化洞穴的形成过程

砾岩颗粒分选性差，颗粒间孔隙较大且不均匀，为陡坡上的大气降水或者周围蒸发水汽的流通提供通道。水在流通过程中溶解岩石中的长石、钙质胶结物等可溶性组分而成为盐溶液，由于砾岩的透水性强，毛细作用弱，这些盐溶液受重力的影响渗透到岩性界面流出，或沿岩体内微裂隙部位流出，最先开始盐结晶，相对孔隙较大且渗透盐溶液较多的部位，盐风化作用更明显，导致该部位的砾石颗粒崩解留下凹坑，长年累月，随着盐风化不断加强，凹坑不断扩大，小洞穴扩大到一定规模后，受洞穴顶缘和侧缘的“保护”，与外界环境接触变少，内部环境相对稳定，形成适宜的微气候，影响其后的演化过程。同样地，盐溶液由于重力的原因，不断在洞穴顶部累积，盐风化向内向上继续进行，所以在垂直型陡坡上生长的洞穴具有向上生长的趋势，从而形成有别于砂岩上发育的小型蜂窝状洞穴的大型风化洞穴。
砂岩颗粒粒径较小，分选性良好，具有较高的孔隙度和良好的渗透性，孔隙小且均匀，相比于砾岩，毛细作用更明显。所以岩石中的盐溶液容易被毛细作用均匀地带到岩石表面蒸发而结晶，开始盐风化过程，在岩石表面均匀密集地产生初始的小凹坑。盐风化进一步作用于初始凹坑，使其不断与周围凹坑合并扩大，逐渐地形成小型的蜂窝状洞穴。所以砂岩层上发育的洞穴一般都密集均匀分布，呈聚集的蜂窝状，且形态较小。由于受限于岩层的厚度及岩石本身的性质，风化不易突破上下的砾岩层，最终可能发育为类似梦觉关的大型砂岩型风化洞穴，或进一步向内凹进发育为类似锦石岩洞的大型层控洞穴。
在洞穴演化过程中，生物可以起破坏和保护作用。如在锦石岩洞内，居住在洞穴后壁的昆虫等的生命活动间接加速岩石风化，而蓝藻则对小洞穴的蜂窝型结构起稳固作用。所以洞穴的形成是化学风化、物理风化、生物风化相互作用的结果，其中物理风化中的盐风化是主导也是最直接的因素。

5.2　自组织机制

自组织机制是一个能自然地达到非平衡状态的复杂系统，变量的微小改变可以导致整体结果发生巨大变化（Bak, 1996）。自组织机制的特点是正反馈和负反馈的组合导致固有顺序的变动，通常涉及多个变量之间的复杂交互（Mustoe, 2010）。在洞穴形成过程中，正反馈指洞穴加速发育的过程，负反馈指洞穴减缓或停止发育的过程（Paradise, 2013）。Turkington等（2004）认为洞穴的发育过程符合自组织机制，由于各因素相互影响，一个因子的微小变化，其产生的能量都会被长时间尺度不断放大而影响整体，直到突破一个限制值后，整体的后续发展才需要重新考虑其他因素，如力学因素。也即洞穴发生合并或者岩体坍塌，或进入下一个发展阶段。
丹霞山恐龙岩为砾岩中大型风化洞穴的典型代表，基本没有受到生物风化作用的影响，每个洞穴底部都覆盖了一层风化掉落的细碎屑物质，说明风化活跃，洞穴正在生长。而洞穴发育的整个过程与盐风化作用密切相关，盐风化作用使洞穴扩大形成一定规模后，洞穴大小足以形成一个独立于外部的有利微气候时，会进一步加速洞穴内的风化，所以盐风化和微气候的形成是正反馈机制，其结果使得洞穴内部风化较快而外部较慢。
丹霞山锦石岩大型扁平洞内的前期情况虽与恐龙岩同样拥有盐风化和微气候的形成2个正反馈机制，但后期却显得更加复杂。由于受到洞顶缘的遮挡，洞穴微气候适宜蓝绿藻生长。龙鳞片石上的蓝绿藻主要附着在小洞穴的侧壁，与砂岩颗粒紧密粘结，保护其下砂岩，减缓进一步风化，而未被蓝绿藻覆盖的龙鳞片石之下正在进行严重风化。因此，由于蓝绿藻的生长，锦石岩大洞内小型蜂窝状洞穴的后期发展主要应为负反馈过程。但这种自组织机制的存在并不能停止洞穴的发育，只是在一定程度上减缓风化进程，或者把风化的时间尺度拉长，而且正、负反馈过程之间的临界值尚不清楚。

6 结论

1）丹霞山陡坡上风化洞穴发育，单个洞穴开口直径从厘米级到米级不等，是亚热带湿润气候条件下风化洞穴的典型代表，是重要的地质遗迹和景观要素。研究区洞穴主要呈极椭圆状或椭圆状，洞穴开口主要朝向北西、北东和南西。在砾岩中发育的洞穴一般个体形态较大，而且洞穴会向上向内生长。砂岩中发育的洞穴一般具有蜂巢结构，密集排列，形态较小。
2）岩石特征是洞穴发育的基础，在宏观尺度决定了洞穴的发育位置和排列方式，因为洞穴总是沿着层理或交错层理的纹层发育，也决定了不同岩性中洞穴的形态特征。在微观尺度，除盐结晶导致岩石结构破坏的主要物理风化作用外，其他风化形式也在蜂窝状洞穴的发育中发挥了不可替代的作用。研究区砾岩和砂岩含有大量可溶性组分，在酸性雨水或蒸发水汽的渗透下发生化学溶解，形成细小坑洼，即洞穴发育的初始阶段。洞穴形成一定规模后，微气候控制下的干湿交替及其为生物创造的有利条件在洞穴的演化过程中则起关键作用。龙鳞片石蜂窝状洞穴生物风化作用具有两面性，蜜蜂等昆虫穴居导致岩石破坏，而蓝绿藻的生命活动对蜂巢结构起保护作用。
3）洞穴风化的过程机制包括正、负反馈机制，在整体上调节洞穴发育的速度。盐风化和微气候因素为正反馈机制，而在锦石岩洞内的情况却指示蓝绿藻对蜂窝状洞穴主要起保护作用，为负反馈机制。但洞穴发育过程中正、负反馈机制之间变化的影响因素和临界值尚需进一步研究。

史月欣：数据处理、论文撰写和修改；

陈留勤：实验分析、基金支持、论文设计和修改；

杜丁丁、柴乐、王子涵：实验分析和论文修改。

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