绿维文旅:洞穴基础理论研究
一、洞穴的分类
洞穴是指人能进出的天然地下空间，它可以部分或全部被沉积物、水或冰所充填。洞穴有多种类型，从不同的角度可以有许多分类标准。
（一）不同的分类标准
按其形成的围岩性质分为岩溶洞穴、石膏洞、砾岩洞、熔岩洞、砂岩洞、花岗岩洞和冰川洞等，其中岩溶洞穴占绝大多数；
按洞穴与围岩形成的先后可分为原生洞穴和次生洞穴；
按照洞穴的成因形态，可分为横向洞穴、竖向洞穴、复合洞穴等；
按照洞穴规模可分为单一洞穴和洞穴系统。
宏观上，从洞穴形成作用的差异性出发，可将洞穴分为三大成因类型：第一类是雨水型洞穴，由大气降雨及其次生渗透水形成；第二类是由地下热水所形成的洞穴，其主要受构造条件控制，与地表岩溶关系不大，且其通道多以立体空间构成迷宫型；第三类是由不同化学类型水混合溶蚀作用而形成的洞穴。
（二）岩溶洞穴
岩溶洞穴是洞穴的重要构成，全球范围内开发的旅游洞穴绝大多数为熔岩洞穴。
岩溶洞穴，也叫喀斯特溶洞。"喀斯特"一词来源于南联盟（南斯拉夫）的喀斯特高原。因为那里的地貌景观奇特，在石灰岩中有洞穴形成而引起科学家的关注。此后,凡是美好现象都称其为"喀斯特"。研究这一对象的科学就叫"喀斯特学及洞穴学。
岩溶洞穴是在可溶性岩石特别是碳酸盐岩类的石灰岩和白云岩岩层当中，由于水的长期溶解作用而形成的。世界上最长的岩溶洞穴是美国肯塔基州的麻蒙洞群（犸猛洞群Mamofh Cave System），该洞从1802年始勘测，历经180年才查清其长度为550Km。我国最长的岩溶洞穴是湖北省利川市的腾龙洞，长度为39.5Km。
下文所讲洞穴，除特殊说明外，都为岩溶洞穴。
二、洞穴的形成及钟乳石的类型
（一）洞穴的形成
岩溶洞穴是在可溶性岩石特别是碳酸盐岩类的石灰岩和白云岩岩层当中，当含有二氧化碳的水遇到石灰岩时,在石灰岩的裂隙中流动就会发生碳酸化反应，生成碳酸氢钙，因碳酸氢钙溶解于水，故而被水带走，久而久之，裂隙被溶蚀成洞穴。
岩溶洞穴的形成，可划分为三个阶段，即早期的潜水洞阶段、中期的地下水位洞、半充水洞阶段和晚期的完全脱离地下水位的早洞（又称化石洞）阶段。
（二）钟乳石的构成分类
洞穴内钟乳石按照构成原因分为重力水沉积、非重力水沉积和协同沉积三大类。
1、重力水沉积
重力水沉积是洞穴中最常见、数量最多的沉积物，它又可分为二类：
滴水沉积：有鹅管、石钟乳、石笋、石柱。鹅管向下生长，很细，中空，管壁洁白，透明。钟乳就是鹅管长粗，长大后的形态，多是圆锥形。石笋在滴水的作用下，由下向上生长，中心无孔，成叠帽状 。石柱就是石钟乳和石笋连在一起后的形态。流水沉积—从洞顶流下来的叫天流石，如石旗、石幔等。沿洞壁流下来的叫壁流石，如石维幕、石瀑布等。产生与洞底的称为底流石，如流石坝最为明显。
池水沉积：有边石、晶花、穴珠、月奶石、穴筏等形态。边石常形成边石坝，形状和流石坝相似，要根据形成方式不同注意区分。
2、非重力水沉积
由洞壁或钟乳石中析出的毛细水和薄膜水沉积而成。如石枝(卷曲石)、穴发等不常见的形态。他们的出现很有意思，给洞穴增色不少
3、协同沉积
由两种或以上不同运动方式的水流，交互协同作用形成。如莲花盆、棕榈状石笋、晶锥等形态。
（三）钟乳石的主要景观类型
主要的钟乳石景观类型有：
1、鹅管：这是石钟乳的最初形态，属滴石类，在国外称麦杆状钟乳石，它的直径与水滴一样大小。
2、石盾：这是因为它呈园盘状的盾形板石而得名。它是一种特殊的裂隙性水流形成的。
3、石笋：是由滴水作用形成的，因其形呈笋状而得名。
4、石柱：是石钟乳与石笋上下连接起来呈柱形而得名。
5、斜塔：这是一种歪斜的石笋。这种石笋原本是直立在岸边土层台地上的,因地下河水冲刷土层使台地坍塌,石笋也就倾斜了。
6、钟乳石吊石柱：它原是一根石柱，竖立在岸边土层台地上，后因地下河水把土层冲走，使石柱悬挂在洞顶而成。
7、石幔：洞壁上的石幔，是沿洞壁裂隙由连续不断的片状流水所形成的幔状沉积物而得名。
8、石瀑布：是连续不断的片状流水所形成的瀑布状的沉积物而得名。
三、洞穴的生态环境
（一）生态环境构成
喀斯特洞穴环境是由洞穴地质、水文、地貌、洞穴气候及洞穴生物环境因子所组成，与洞穴沉积物堆积密切相关的环境因子是洞穴围岩、水文、洞穴气候和洞穴生物因子。喀斯特洞穴环境是一个相对封闭或半封闭的特殊生态环境，它具有如下特点：洞内黑暗无光，空气流动性差，温度较稳定，湿度较高，洞穴中正负离子和CO2含量高，空气较清洁。喀斯特洞穴与外界只能通过洞1:3或裂隙进行物质与能量的交换。相对于地表其它生态系统而言，洞穴环境是很脆弱的，一旦受到污染，就很难恢复，甚至比地表环境更难恢复。
（二）洞穴生物
洞穴生物包括洞穴中的动物、植物、微生物等。通过洞穴生物的不同特化程度研究，可以推测洞穴生物的退化演变过程和其对特殊环境的适应性，探索洞穴物种的进化过程模式。
洞穴中的动物可分三种：一是真洞穴动物。这种动物只能在洞穴中生活，离开洞穴环境在洞外就失去了生存的能力。具代表性的此类动物有：盲鱼、盲鳅、蜘蛛和蚰蜒等。这类动物以眼睛明显退化或消失，有特殊的感应器官，缺乏色素，代谢较低，生长缓慢，繁殖能力差而寿命很长为其特征。
二是洞穴动物。这类动物的眼睛和体色发生了不同程度的变异，基本上能适应洞穴生活和繁衍后代，如洞鼠、蚯蚓等。
三是拟洞穴动物。这类动物具有喜洞性，是一些暂居及季节性回洞内生活的动物，如蝙蝠、雨燕、蛇及昆虫。
洞穴植物和微生物则指在洞口段和灯光照明区（游览洞穴）的喜阴湿植物,主要有羊齿植物、苔藓和地衣、藻类等。另外,在某些沉积物表面还有霉菌生长。这些低等级的生物主要通过空气传播、水流活动、人类和动物活动把它们的孢子带入洞内。
四、洞穴的医疗康体价值
由于现代文明的伤害，若干慢性病的发病率世界性的增加。由于传统医疗的缺陷，天然康复方法已见端倪，其中之一便是气候疗法。洞穴医疗就是利用洞穴自身的性能来治疗多种疾病。目前，洞穴医疗主要在德国、奥地利、捷克、匈牙利、俄罗斯、波兰、斯洛文尼亚、斯洛伐克、乌克兰等国开展，已建有30多处洞穴医疗中心。它们大多数建在天然洞穴中，少部分建在岩盐矿井、人工洞穴中。
当前，洞穴医疗的两个不同的领域正在实施：放射性溶洞被用来治疗慢性运动失调系统的疾病；而有着舒适和清洁空气的洞穴主要用于慢性呼吸道疾病的治疗和康复。其医疗作用和效果，不仅得到现代医学界和非医学界人士的支持和认同，而且已经被大量的现代科学观测和医学实验所证实。
洞穴医疗研究揭示洞穴环境系统以一种特殊的形式对人体组织器官产生积极的效果，洞穴内存在能疗疾和对人体健康有益的特殊物质或场(如较高的负离子浓度、气溶胶、共振效应、微量“杂质”等因素)可能是取得良好疗效的重要条件。实践证明，洞穴疗法对多种慢性呼吸道疾病有显著疗效，仅就支气管哮喘而言，目前我国至少有千万余患者，全世界则超过1.5亿的病人，哮喘病作为严重的公共卫生问题正引起世界各国的关注，洞穴医疗将有广阔的应用前景。
五、人为活动对洞穴物理属性的干扰分析
（一）对洞穴气温的影响
洞穴内的温度比较稳定，一般一个巨大洞穴系统中的气温，接近于当地的年平均气温，年较差常不到1℃。
旅游活动的开展，洞穴的恒温现象被破坏，总的趋势是使洞温不断升高。专家们对许多洞穴研究后发现，洞温与洞内灯光照度和旅游人数呈正相关关系洞穴气温升高的因素来自于洞穴的灯光和人体散热两方面。灯光是洞穴热量增加的一个重要原因, 如美国卡尔斯巴德洞穴有1400处照明、65公里长的电缆、6公里长的步道、70处公示牌和56处排水，其测量表明，距离1千瓦灯50厘米的岩壁温度在几秒钟内由15℃上升到25℃，相对湿度由95%～100%下降到55%～60%，并形成强烈的上升气流，还造成方解石石笋上生长文石花，光源附近有藻类和苔藓类扩散，对美丽的洞穴环境有负面影响，还因生物化学作用而使洞穴钙质沉积物遭到溶蚀。
人是一个均热发热体，在洞内，一个成年游客产生的热量相当于100W灯泡所释放的热量。如西班牙阿尔塔米拉洞的计算表明，一个年游客量50万人的洞穴，游客平均逗留时间为1.5小时，每年释放的热量是128兆瓦。卡斯特拉纳洞22年间洞内温度增加了3℃。
（二）对洞穴湿度的影响
洞穴内的湿度取决于当地自然地理特征和岩石裂隙以及洞穴所在高度。大多数洞穴内的相对湿度为95%～100%，变化极小。较大的湿度可使各种洞穴沉积形态表面保持湿润，不仅可使这些堆积物不脱水而风化，同时可使它们在灯光照射下显得更加美丽。当洞穴湿度小于85%时，在洞中就感到很干燥，走路都能带起灰尘，因此对于洞穴景观的保护及游人均属较差。如正在生长的石泡、石枝、石针、鹅管等，其环境湿度在9O%～100%，当环境湿度降到6O%以下时，它们就会逐渐失水变干。管壁很薄的石枝、石针、鹅管等会在几分种之内就会被烘干。
由于洞穴的开放，灯光、通风等使洞穴湿度迅速下降。如在一个1KW光源的照射下，空气的相对湿度从90%～100%下降到55%～60%游客在洞穴游览时会不断从体内散发水分，增加洞穴空气的湿度。据研究，每一游人每小时蒸发掉约40g水。另外，在灯光的照射下，洞池水及洞壁水等的蒸发量也将增大。
（三）对洞穴CO2的影响
洞穴CO2是旅游洞穴最主要的环境指标，它对洞内化学沉积平衡、洞石的溶解及游客的舒适感有直接的影响。洞穴空气中的CO2必须在5000ppm之下才能使洞穴旅游活动正常进行。处于原始状态的洞穴，CO2浓度均≤1000ppm。
旅游活动开展后，必然使洞内的CO2浓度发生变化。程寿全认为，洞穴大气中CO2收支取决于游客呼出量、洞外流入量、洞内流出量、洞内自然生成量和洞穴次生本底量等指标。据此，他建立了洞穴大气CO2含量的增长模式：洞内CO2含量=游客呼出量+洞外流入量-洞内流出量+洞内自然生成量+洞穴次生本底量。
要确保洞穴环境系统在受到一定程度的人为干扰时仍能维持系统稳定性，必须加强洞穴环境系统监测与景观保护研究，对洞穴环境系统主要因子进行长期监测，研究洞穴环境要素的相互关系及时空变化规律，分析旅游设施建设、游览活动以及洞外环境变化对洞穴环境的影响，评价洞穴环境容量和稳定性。对游览过程中可能出现的洞穴环境变化、钟乳石景观退化（风化、变黄、变黑等）、灯光植物等技术问题进行分析研究，探讨洞穴景观修复、保护与可持续利用的方案，并在游览洞穴中开展试验研究，如洞穴加水保湿、游道和灯光改造、客流量控制、利用高浓度碳酸钙溶液加速钟乳石复辉等。
洞内CO2含量的增加，会对洞穴沉积物有污染作用，使色自如玉的碳酸钙沉积物颜色变黄发黑，降低其观赏价值。同时，CO2含量过高会造成游客心理郁闷和烦躁，影响游客的旅游活动质量，严重时还有使游客发生窒息的危险。
（四）对洞穴风力的影响
风力是洞内空气对流的表征。洞穴风速大小及方向变化反映洞穴空气流动状况，与洞穴内、外的物质、能量交换有重要关系。旅游活动对洞内风力的影响主要是缘于不科学的洞内施工，如新开洞口，使洞内空气形成回流，加剧风力。有些景区为了连接相邻的两个溶洞，人为开凿通道，形成弄堂风，也加剧洞内风速。
洞穴风促进了洞穴内外的能量和物质交换，使洞穴空气中的湿度明显降低，加剧了洞内钟乳石景观的风化。如北京石花洞开了一个100多米的出口隧道，使80m的景观遭受风化；云南弥勒白龙洞开放后由于通风条件改善和白炽灯的照射，石笋、石竹的外皮风化、剥落；路南石林的祭白龙洞的微景观也是由于洞穴风的作用而遭到严重破坏。在贵州的织金洞、独山神仙洞、云南建水的燕子洞及河南栾州的鸡冠洞等洞中风速较强的洞段都可观察到岩溶景观遭受风蚀的现象。
（五）对洞穴生物的影响
一般洞穴深处无光线，没有光合作用，所以没有植物生长。原始洞穴仅在洞口附近生长一些低等植物及洞内无叶绿素的菌类。洞穴开放后，许多洞穴生物数量减少甚至绝灭，破坏了洞穴生态系统；更为严重的是，由于洞内灯光照明、游客带进洞穴的孢子及细菌，引起灯光植物滋生，如贵州织金洞、浙江瑶琳洞、桂林芦笛岩、北京石花洞及其它许多游览洞穴中都有灯光植物生长，有的地方甚至相当严重。灯光植物不仅污染环境，给洞穴景观带来不美观的感觉，而且灯光植物的生长能释放出CO2和腐植酸，破坏景石的结构，腐蚀景石，使景石变色，观赏价值大幅度下降引。有的研究者认为，卷曲石因雾而形成，而由于游客呼吸的飞沫及孢子使凝结核增加，削弱了导致卷曲石生长雾滴的凝结，并增强卷曲石变成珊瑚状形成物。
