世界上最大的溶洞系统：美国猛犸洞国家公园

一、猛犸洞国家公园概述

美国猛犸洞国家公园（MammothCave National Park），位于美国中部偏东的肯塔基州西南部，占地207.83平方公里，于1941年建立，是世界上最大的由石灰岩构成的天然洞穴群和地下长廊。猛犸洞和猛犸象两者并无关系。洞穴之所以被命名为“猛犸洞”，是因为连接着入口和圆形大厅的通道长而宽敞，故而便以身形庞大的猛犸象命名。自从1941年正式辟为猛犸洞国家公园以来，这里一直保持着洞穴的原样而未作人工改变。

猛犸洞国家公园地理位置图

（美国喀斯特地貌图，据互联网资料）

1981年猛犸洞国家公园被联合国教科文组织认定为世界遗产，1990年又被列入世界生物圈保护区网络，这里的洞穴系统是世界上最大的石灰岩地下洞穴网。

最长的洞穴勘测范围目前超过627公里，潜力可达1600公里。此外，公园内有二百多个洞穴，它们由石灰岩溶解在从地下渗出的水中形成。该地区的地质和地理条件使得这里形成了各种各样的岩溶盆地，这些盆地也成为世界上可被了解的管流含水层。

猛犸洞国家公园分布区的卫星遥感图及地理位置图（据互联网资料）

猛犸洞国家公园喀斯特地貌地表的航拍图片（溶洞出现于其地下环境）（USGS，2008）

洞内有久远至密西西比系石灰岩，经长期的地质侵蚀作用，形成石钟乳、石笋、石桂、石花等。格林河（Green River (Kentucky)）及其支流诺林河蜿蜒流过公园，还有高22米的冰冻尼加拉瀑布。洞内有多种珍稀动物，其中包括盲鱼、穴蟋蟀、无色蜘蛛、印第安纳蝙蝠和盲鳌虾等50多种洞穴生物，一些动物一直与世隔绝，仅靠河水提供养分得以生存。但近年来的污水却对这些生物造成严重威胁。

猛犸洞地下水流动示意图（USGS）

猛犸洞是美国境内最古老、最著名的洞穴景观。该洞穴是于18世纪末期被美国移民发现，在此之前，当地土著居民于数千年前就发现了这一地下奇观。

全球喀斯特地貌区的分布图（据互联网资料，墨卡托投影）

二、猛犸洞国家公园的地理位置

18世纪晚期，前往美洲定居的人们发现了猛犸洞。但是早在数千年前，当地土著部落，就已经知道这个洞穴的存在。

（USGS，1997）

猛犸洞洞穴分布图（R.E.Call，1897，右侧指向北）

早期洞穴勘察过程中，非洲裔居民当向导在洞内划船（据互联网资料）

猛犸洞早期的探查及其旅游场景（据互联网资料）

三、猛犸洞的溶洞地质特点

它以其规模巨大的水平通道和竖井组成的网络而闻名。几乎每种类型的洞穴形式都能在这里被发现。而且猛犸洞洞穴系统中拥有丰富的野生动物和植物。它满足世界自然遗产评定的三条标准：

标准（vii）：猛犸洞是世界上最长的洞穴系统。有着巨大洞室的长通道，竖井，石笋和钟乳石，美丽的石花，精美的石针，罕见的芒硝花和其他洞穴系统特征产物，都是全球典型范例。世界上没有其他已知的洞穴系统有如此多样的硫酸盐矿物质。

标准（viii）：猛犸洞展现了1亿年的洞穴形成过程，几乎呈现了所有类型的洞穴沉积形式及其形成的地质过程。今天，这个巨大而复杂的洞穴通道网络为世界地貌和气候变化提供了一个清晰、完整的记录。在洞穴外，岩溶地形也是十分卓越的，具有迷人的景观和岩溶排水系统的所有经典特征：大量补给区，复杂的地下暗渠网络、天坑、地缝和地下河流及泉水。

标准（x）：猛犸洞中包含了丰富的穴居动植物，共有130多种，其中有十四种穴居动物只在这里生存。

美国喀斯特地貌分布图（红色为火山岩熔洞、蓝色为蒸发岩溶洞）

（http://www.goodearthgraphics.com/virtcave/karst/karst.html）

除了特拉华州和罗得岛州，几乎每个州都有碳酸盐岩。喀斯特最多的州包含了最多的洞穴，田纳西以8000多个洞穴位居首位，密苏里以4000多个洞穴紧随其后。

美国本土地质简图（据互联网资料）

肯塔基州地质简图（上图）及其东西向地质剖面图（下图）（据互联网资料）

目前已探明的猛犸洞洞道的初步地质情况根据洞穴分布的高度不同，可以划分为5层。整个洞平面上迂回曲折，上下左右均可连通，形成扑朔迷离的地下迷宫。在猛犸洞已探知的600公里中，仅仅只旅游开放16公里左右，约只占总长度的2.6%。在这已开放的16公里长的洞穴中，共有255个溶洞，暗河、瀑布、地湖等。其中，最高的一座地下大厅可以容纳上千人，大致呈椭圆形，称作酋长殿。

猛犸洞旅游开放区的3D几何形态模型如纵横交叉树干（据互联网资料）

猛犸洞的地质地形剖面简图（USGS，2008）

上图代号：A=砂岩盖层；B=上覆层，部分沉积物填充；C，D=下层；E=现活动河道；F=泉；G=溪谷切入切斯特高地，现在通过底部的天坑排水；H=低溶解度的石灰岩支撑着地表的溪流

通过猛犸洞穴的理想化轮廓，展示其与岩石单元和周围景观的关系 (Palmer,2017)

猛犸洞穴从上到下贯穿三个主要的石灰岩层。猛犸洞国家公园内古生界沉积地层平坦展布，但由于大陆的缓慢上升、下降和扭曲，使得它们向各个方向倾斜。在猛犸洞穴，河床向西北倾斜了大约一度或更少(Palmer,2017)。

历史路线地图及剖面图(Palmer,2017)

猛犸洞穴是巨大的密西西比河排水系统的地下部分。虽然这个洞穴占地面积相对较小，但它保存了美国东部大约1000万年的排水历史。时至今日，它仍在积极成长。由于地表河流在其山谷的形状和模式上有所不同，洞穴将这些事件记录为不同的水平和类型的地下通道。这些变化的性质和时间在洞穴中保存得很好。它们的年龄可以通过分析在洞穴形成过程中被带入洞穴的沙子和砾石来确定。不同层次的洞穴记录了俄亥俄河的悠久历史以及大陆尺度的冰川对地表排水模式的影响。绿河侵蚀程度的许多变化有助于解释洞穴的巨大复杂性(Palmer,2017)。

猛犸洞国家公园地质简图（左图：西部；右图：核心区（局部））

（据互联网资料）

猛犸洞国家公园地层柱状图

（左图：猛犸洞公园区；右图：猛犸洞）

（USGS，2008;Palmer,2017重绘左图）

猛犸洞穴中的矿物沉积环境（White，2017）

猛犸洞穴展示了各种各样的沉积环境，允许一些不寻常的矿物沉积，尽管整个洞穴相当缺乏洞穴生物。方解石以钟乳石、石笋和流石的形式存在，是常见的碳酸盐矿物，存在于通道延伸到保护盖层之外的地方。文石也有，但比较少见。石膏是常见的硫酸盐矿物，广泛存在于盖层下的干燥通道中。石膏以硬壳和弯曲的晶体的形式出现，被称为石膏花。在洞穴异常干燥的部分还发现了其他硫酸盐矿物，包括芒刺石、Na2SO4.10H2O、泻利盐、MgSO4.7H2O、六水石、MgSO4.6H2O、天青石、SrSO4和白钠镁石、Na2SO4.MgSO4.4H2O。稀有硫酸盐矿物紫辉石(2Na2SO4.CaSO4.2H2O)和水钡石(Na2SO4.CaSO4.4H2O)。硫酸盐的来源可能是在石灰岩和上覆沉积物中黄铁矿、FeS2的氧化作用。在洞穴沉积物中发现的硝石于19世纪被开采。其他矿物质包括溪流鹅卵石和燧石壁架上的黑色锰氧化物（White，2017）。

四、猛犸洞的地质成因和演化历史

猛犸洞属典型的喀斯特地貌，地表和地下充沛的水源与3亿多年前沉积的石灰岩，共同创造出这无比庞大的地下洞穴网络。千百年来由于水位下降，留下了这些狭窄的水平通道、宽广的洞室和联系这个巨大迷宫的垂直通道，最底下的通道仍然在水流的作用下不断扩大。

猛犸洞穴形成于一亿年前，拥有已经探明的456公里的通道（在遗产范围外至少还有128公里）和其它尚未探明的通道，因而成为世界上最为庞大的洞穴体系。地表和地下充沛的水源与地质上的早石炭世期间（三亿多年前）沉积的石灰岩，共同创造出这个被称作“万洞之地”的地下洞穴网。最底下的通道仍然在水流的作用下不断扩大。

猛犸洞的平面分布的地形图（左图为公园全图，右图为局部放大）

（据互联网资料和USGS公开资料）

左图卡通图显示猛犸洞的成因机理（地质地貌控制了地下水的流动过程）

右图猛犸洞古生界灰岩地层的含水层分布情况（据互联网资料）

美国猛犸洞国家公园周围的石油和天然气井分布图（Olson，2017）

在猛犸洞穴国家公园附近已经钻了数千口石油和天然气井。《美国环境法》比过去严格得多，但流入公园的喀斯特含水层仍有可能受到污染（Olson，2017）。

本文据（李江海，2020，《世界地质学》（讲义））修改补充