喀斯特地形

典型的喀斯特地形是碳酸鹽類岩石分佈地區的特有地貌，指的是可溶性岩石 經過溶蝕等作用後形成的地表和地下形態總稱，又有溶蝕地形、石灰岩地形等別 名。中國地區碳酸鹽類岩石 (石灰石、白雲岩、石膏和岩鹽等) 分佈很廣，因此中 國的喀斯特地貌分佈廣泛，幾乎全國各省區都有，主要分佈於廣東西部、廣西、

貴州、雲南東部及四川和西藏部分地區等。地上常見孤峰、峰叢、峰林、窪地、

丘陵、落水洞和乾谷等景觀；地下則有石筍、石柱、石鐘乳、鵝管、地下暗河等 溶洞景觀 (圖 1-2)。

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圖 1-2、甘肅隴南武都黃爺洞洞穴景觀。

1.2.1 溶洞與洞穴碳酸鹽成因

洞穴碳酸鹽沉積主要發生在石灰岩洞 (溶洞)，以下對溶洞及洞穴沉積形成 過程作說明 (圖 1-3)。當降雨到達地表後會進入土壤，土壤中的空氣與大氣組成 差異很大，由於植物和微生物活動會在土壤中行呼吸作用，使得土壤中二氧化 碳的濃度比大氣高出許多。當降水進入土壤便會溶解較多的 CO₂而呈弱酸性 (如下式)。

H₂O + CO₂ ←→ H₂CO₃

弱酸性的水繼續往地下流滲遇到可溶性岩石(石灰岩)，會溶蝕周圍的碳酸鹽成為 富含鈣離子與碳酸氫根的溶液 (如下式)。

H₂CO₃ + CaCO₃ ←→ Ca²⁺ + 2HCO₃⁻

當溶解 CaCO₃的溶液流出岩層、進入洞穴時便會因蒸發和二氧化碳逸氣作用形

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成碳酸鈣沉澱 (如下式)。可分為兩種過程：一為蒸發作用導致溶液中的鈣離子 過飽和而析出沉澱。二為過飽和水溶液，因為流到洞穴、壓力降低，溶液中 CO₂ 逸出而沉澱出碳酸鹽。

Ca²⁺ + 2HCO₃⁻ ←→ CaCO₃ ↓ + CO₂ ↑ + H₂O

在利用洞穴沉積進行古氣候研究的情況下，一般在蒸發條件下沉澱的洞穴碳酸 鹽不適於進行研究，希望條件像是在 CO₂逸氣過程導致緩慢沉澱的碳酸鹽，因 為沉澱的過程要慢才有利於其同位素達到平衡。

圖 1-3、溶洞與洞穴沉積物形成示意圖。

1.2.2 洞穴碳酸鹽應用於古氣候研究

在洞穴形成的許多碳酸鹽沉積類型中，石筍以及鵝管較適合作為研究古氣 候的材料。作為研究材料必須考慮樣品的適宜性，像是受到快速的蒸發或風的 擾動產生動力學分餾，會影響洞穴滴水與碳酸鈣沉澱之間同位素分餾的平衡。

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因此選擇洞穴及採樣地點時，最好符合相對濕度高 (100％左右)，在洞內深部遠 離洞口的位置。如此可以減少洞外的干擾，沒有顯著的空氣流動，導致洞內 CO₂ 的分壓高，使得滴水的逸氣過程可以緩慢地進行。在穩定的洞穴環境中，洞穴 深部溫度基本上為恆定狀態 (接近於地表年均溫)，一年四季不會隨季節改變太 大，亦可減少溫度變化造成的分餾影響。