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2026-5-20 10:36
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楔子
2017-2018年我在深圳七娘山开展火山地质调查时顺便穿越了东西涌，在攀爬途中偶遇砂岩中发育的穴状风化。海风吹来，那些洞穴发出“呜呜”的声响，好似船家女翘首期盼打鱼未归的情郎内心焦虑所唱的悲歌。还是在深圳的时光，周末我漫无目的地从蛇岛乘船去珠海，蒙蒙细雨中沿海边情侣大道骑行一圈后实在感觉无所事事，于是登上了附近岛屿，在外伶仃岛上慨叹文天祥“零丁洋里叹零丁”，在九洲岛上再一次与花岗岩中的穴状风化不期而遇，令人困惑，引人遐思。2020年我来到了渤海与黄海交界处的庙岛群岛帮朋友研究黄土，在砣矶岛上我内心莫名其妙产生一种远离陆地的惶惶不安，面对满桌丰盛的海鲜因为身体缘故只能夹几口茄子，这里产有中国名砚—砣矶砚，沿着崎岖小径下到海边查看原产地时，粉砂岩上又出现了穴状风化。这么多的穴状风化短短几年间不期而来，不由得对之产生了探究之念，但往往看似简单的问题背后却深藏着不简单的道理，也正因如此，才欲罢不能。
图1 东西涌之间（上）及九洲岛上（下）的穴状风化
一、基本特征及研究历史
穴状风化（Cavernous weathering）是指在岩石表面形成孔洞的差异风化作用。这些孔洞形状奇特，错综复杂，好似迷宫，多呈花边状、蜂窝状、碗状、盘状，广泛见于砂岩、灰岩、花岗岩、杂砂岩、流纹岩、石英岩、砾岩、凝灰岩，相对在砂岩、花岗岩及凝灰岩中更为常见。它不拒严寒与炎热，干燥与潮湿，遍布沙漠与极地，海滨与内陆，甚至火星上也能见到它的身影（图3）。但由于不同研究者对其大小、形态、分布、成因等特征认识不一，致使出现了各种各样的术语，如 tafoni ， honeycomb, stone lace, alveoli,fretting, stone lattice 等等，尽管有学者建议使用 tafoni 作为统一术语，但迄今尚未得到积极响应。最常见的穴状风化有两种：蜂窝状风化（ honeycombs or alveoli ）与塔夫尼风化（ tafoni ）（图 2 ）。“ honeycombs ”通常被描述为大量紧密相邻的，尺寸达几厘米的凹坑，细窄而交错的孔壁将之分开， alveoli, lacework, stonelace, fretting 是其同义术语。而“ tafoni ”往往彼此分离，尺寸达几十厘米甚至十几米，发育于美国西部的巨大 tafoni 甚至被描述为“马和骑手的庇护所”。典型的 tafoni 具有拱形入口，凹形内壁，悬垂顶部及碎屑堆积底部特征。 honeycombs 与 tafoni 两者的差别仅在于尺寸大小，不同作者见解也会有所不同，有的更是将 honeycombs 视为 tafoni 的亚类。相对而言， honeycombs 更多发育于悬垂顶部下遮雨的地方，而 tafoni 则经常出露于垂直或倾斜的岩壁上，它们有时单独存在，有时又会集中出现于某一区域。
图2 honeycombs与tafoni形态示意图（根据文献7重绘）
图3 不同地区的穴状风化
注：照片 1,2,3 由河北地质大学常洪伦提供，拍摄于新疆阿克苏地区片麻岩中；照片 4 由中国地质大学（武汉）俎波提供，拍摄于新疆伊宁县吐拉苏盆地砂岩中；照片 5 由甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院陈国忠提供，拍摄地点不详；照片 6 由 中国地质科学院陈懋弘提供，拍摄于新疆巴楚花岗岩中；照片 7 由中国地质科学院王彦斌提供，拍摄于南极中山站花岗岩中；照片 8 由中国石油大学（华东）任丽华提供，拍摄于青岛海边砂砾岩中。
人类对穴状风化的认识已经有几千年的历史，目前已知最早记录这一特征的是希腊出土的拥有 3500 年历史的米诺斯壁画（图 4 左）。早期的探险家与学者，如 Charles Darwin （ 1839 ）与 James Dana （ 1849 ）在他们的日记中出于好奇亦有提及。更多关于穴状风化的早期记载则来自地中海地区， De Prado （ 1864 ）最早使用“ tafoni ”描述了这种形成于西班牙花岗岩中的非同寻常的风化形式（图 4 右），“ tafoni ”具体词源不清，更可能来自意大利语动词“ tafonare ”，意思是“穿孔”，是地中海地区“窗户”的俗语。后来 Reusch （ 1882 ）与 Penck （ 1894 ）借用描述了意大利科西嘉岛（ Corsica ）相同现象。第一次世界大战后，对地球荒凉地区的探索增大了，促生了详尽的旅行日记和新的研究方向。 Cotton （ 1922 ）爵士详尽研究了新西兰岛的穴状风化，将其成因归结为岩性差异所致，具体为富褐铁矿的岩层比周围的砂岩风化慢，从而形成了多边形的洞穴。 Hume （ 1925 ）在对埃及吉萨高原的研究中则指出，砂岩中的穴状风化是外部盐分与岩性本身共同作用的产物，这是“盐风化”概念第一次被提出。但对穴状风化早期研究的分水岭则来自美国两位著名学者， Bryan （ 1928 ）研究了美国西部某峡谷砂岩中发育的穴状风化，认为水分与岩石渗透性起了主导作用，然而 Blackwelder （ 1929 ）却认为风的作用也不可忽视，在清除风化产物过程中扮演了重要角色。
图4 米诺斯壁画（A、B、C处）及西班牙花岗岩上的穴状风化
（左图来自文献5，右图来自文献2）
二、穴状风化的演化阶段
穴状风化是多演化阶段的产物。从微小的孔洞和凹坑开始，经历数十、成百乃至上千年的发展，最终形成大型洞穴和凹坑，正是这种在人类时间尺度上较长的发育过程，使得科学家难以有效解释其变化速率，也难以解释为何在不同岩石基质和多样环境条件下会出现形态相似的各种类型的孔洞。根据孔洞形状、宽深比和高深比的变化， tafoni 演化可以划分为 5 个阶段（图 5 ），开始小的凹坑与孔洞出现，随后孔洞加深、加宽、加大，接着孔壁与底部渐成多边形，再进一步发育孔壁变薄，底部变平，最后随着孔洞变大，一些孔壁坍塌或破裂，使得孔洞合并形成更大的孔洞。孔洞内又可能出现凹坑，不断的重复……对于 tafoni 每个演化阶段的具体特征可以参阅 “Tafoni and Other Rock Basins” （ Thomas R. Paradise,2013,2022 ）一文，需要说明的是上述 tafoni 的演化阶段包含了 honeycombs 。
图5 Tafoni不同演化阶段示意图（来自文献2）
三、穴状风化的影响因素
岩性： 穴状风化虽然形成于各种岩石中，但相对在结构成分更为均一的砂岩与花岗岩中更为发育，岩性的矿物组成、结构构造及其完整程度对穴状风化都有影响。第一，矿物成分的变化会影响差异风化，个别矿物起到硬化剂的作用，当某些岩石分解时，产生富 Fe 或富 SiO 2 溶液，这些溶液迁移到岩石表面，使之硬化，与之相反内部软化，这种表面硬化（ case-hardening ）与核心软化（ core-softing ）机制被许多研究者认为是穴状风化产生的先决条件，但也有一些研究者不认同这样的观点。另一些易受风化影响的矿物（如层状硅酸盐、碳酸盐、长石）则会通过水解、溶解、离子交换或水合作用等过程发生风化，从而导致这些矿物颗粒脱落、体积膨胀并挤落周围颗粒。例如钾长石相对容易通过水解作用发生风化，被释放的 K + 活化迁移，重新结合形成钾盐，而这会进一步加速钾长石分解，释放出更多的 K + …… 第二，岩性的孔隙度与渗透率对穴状风化可能更具影响力。孔隙度高，更利于溶液储存，渗透率高，更有利于溶液在岩石内部运移，致使岩石整体发生风化而不是只停留在表面。英国海滨度假小镇 Weston 的海堤石材为砂岩与灰岩，砂岩明显比灰岩更发育穴状风化，很大程度上归于砂岩比灰岩拥有更高的孔隙度与渗透率。第三，岩石的完整性（节理、裂隙、层理等）的变化也会影响穴状风化发育。一些穴状风化会沿着节理面或层理面排列，大型花岗岩剥离面理处也常见穴状风化。一个有趣的例子是科罗拉多高原砂岩中节理遍布，即使孔隙度渗透率高，也很少有流水从砂岩中通过，穴状风化反而多见于非节理区或渗透较差区。
盐分： 穴状风化在沙漠和潮间带等含盐环境中普遍存在，这充分表明盐在其形成过程中起着至关重要的作用。氯化钠（岩盐）是最常见的盐类，较少见的盐类包括硫酸钠，硫酸钙（石膏），硫酸镁（泻利盐）和氯化钾（钾盐）。这些盐类可能来源于海水，也可能通过岩石露头及矿物溶解，或水在含有氯化物、碳酸盐和硫酸盐的地层中渗透而形成。溶解的盐沉淀于岩石基质浅部，结晶膨胀，将花岗岩或砂岩颗粒撑开、崩解，并随之堆积其风化产物岩屑、粉砂等。盐也会加速 SiO 2 的溶解，增加氯化物、硫化物和 / 或硫酸盐等盐离子浓度，使得硅酸盐岩石（如花岗岩）、矿物（如石英）以及非晶质硅（如蛋白石）更快遭到破坏。此外，盐的存在会改变水的 pH 值，进而加速穴状风化的起始与发展进程。研究发现，仅仅加入海水（和海盐）就能大大提高石英的溶解度；同时，海盐的存在还能引发黄铁矿及其他亚硫酸盐的风化，产生酸性溶液（ pH 值为 3-5 ），同样会加速风化。
生物： 生物对风化作用的影响早在 2000 多年前就讨论过。附着在岩石上的地衣通常被认为破坏岩石的完整性，因为地衣的假根会穿透岩石基质，并将岩石基质的颗粒撬开，分离。地衣的附着还会使皮层（ cortex ）下方的基质变得粗糙，磨蚀岩石表面，从而为穴状风化的启动创造条件，除了假根的穿透作用，地衣皮层下方所产生的草酸也会加剧地衣过度生长所带来的破坏力。然而，研究发现，某些地衣物种会通过产生一层草酸盐皮膜而使皮层下方的岩石硬化，导致砂岩、花岗岩或灰岩的实际风化速率反而比邻近没有地衣覆盖的区域更慢。此外，腐殖质分解产生的有机酸也被认为是重要的风化剂，有些有机化合物会在反应性表面形成覆盖层，从而降低岩石的可风化性，但总体而言，有机酸会加速风化。
气候环境： 风、湿度、日照等气候环境因素会进一步增强岩石表面差异风化程度，已经证实干湿循环持续时间及其间隔时长会对穴状风化的发育进程起关键作用。尽管日照作为风化主要因素的地位已相对被抛弃，但还是有些研究表明，一些地区的穴状风化与日照变化确实存在显著关联。在南极极寒环境中，花岗岩和片麻状变质沉积岩中的穴状风化被认为与冻融作用产生的石英微裂隙有关。风在沙漠环境中更多被认为是一种侵蚀因素，而非磨蚀因素，然而，曾有观测记录显示，“沙尘暴”在单次事件中就能冲刷悬崖和巨砾表面，抹去大面积的穴状风化。
一般而言太湿润或太干旱的气候环境都不利于穴状风化形成，只有可获得水分及随后干湿循环达到理想平衡状态下才会发育的更好，在穴状风化广泛发育的温带沿海或干燥 / 寒冷沙漠地带尤为突出。在水分分布更为均匀的沿海环境中，穴状风化的分布范围往往很大，但单个风化穴的尺寸却很小。而在干旱地区，水分仅限于阴凉的岩凹处和朝北的岩面，穴状风化可能会发育成更大的洞穴，但其分布范围却受到限制。在近岸区域，岩石持续处于湿润或潮湿状态（受日周期影响），岩石基质从未或极少完全脱水，因此也就很少或没有盐分积聚。海浪飞溅时，盐分均衡地“撒”在岩石表面，这导致了相对均匀、大小一致的孔洞分布。而在干旱沙漠地区，可用水分的来源往往仅限于季节性降水，而非昼夜变化。这些季节性降水循环的持续时间更长，在湿润和 / 或饱和期之间有更长的干燥期。与沿海地区以小时和天为单位的干燥期相比，干旱地区的干燥期通常持续数周甚至数月。这些较长的干燥期使得盐分能够在穴状风化的孔洞内大量积聚，从而加速风化，形成更大的孔洞，更大的孔洞又积聚更多盐分，进一步加速孔洞内部风化，从而推动这一循环持续推进。
反馈： 在自然界和人类社会中，当某一过程产生的产物抑制该过程本身（负反馈）或促进该过程本身（正反馈）时，就会发生反馈。这类机制和过程已在穴状风化作用中得到证实，并体现为一系列因果关系，它们或加速风化或减缓甚至阻止风化。一旦风化开始，岩石的分解速度就比邻近的未风化岩石快，从而形成凹坑或孔洞，随后，这些凹坑或孔洞遭受更快的风化，进而形成一个自我“加强版”的风化循环。然而，随着凹坑或孔洞的扩大，它们可能会促使岩石表面覆盖岩石漆或藻类，从而降低风化速率，或完全终止风化进程。反馈循环可通过这些影响施加正向和 / 或负向调节，例如，表面硬化可能导致核心软化或外壳硬化，像花岗岩和石英岩这样的结晶岩倾向于发生核心软化，而像砂岩这样的碎屑岩则倾向于形成外壳硬化。穴状风化的发育从初始到成熟可能会经历负反馈与正反馈的交替循环，因为研究发现其发展速率呈 S 形曲线，具有非线性特征：从初始阶段的缓慢发展，到成熟阶段的加速发展 —— 此时洞穴增深快于拓宽，再随着阶段推进而进入缓慢增长期。最初的起始和发展阶段可能受到低盐度的限制，随后在正反馈循环中，随着盐分浓度的增加，洞穴的扩大和加深成为主导过程。接着，洞穴持续发育，直到洞穴过大，无法有效从基岩中汲取水分，也无法维持盐分迁移、积聚及相关风化作用之间的平衡为止，此时，洞穴的生长超过了其自身继续扩大的能力，进入负反馈循环。
四、穴状风化的成因模式
在一个多世纪的研究中，形成了多种机制来解释穴状风化的成因，譬如风的作用、选择性化学溶解、温度变化、盐结晶或干湿循环等，其中盐结晶最为研究者青睐，然而，上述任一机制都无法单独完美解释穴状风化的所有特征。近年来，“水利假说”（ hydraulic hypothesis ）得到了越来越多研究结果的支持，盐分积聚与风化区域由流水决定，进而由水力场（ hydraulic potential field ）及其边界条件确定，即岩体中水流的速率、蒸发速率以及两者的时间变化。具体而言，穴状风化的外壁位于蒸汽带，而后壁接近于毛细带，当毛细带中的水流速率较低时，蒸发与盐积聚只发生在凹坑内，岩石分解，形成孔洞，反之水流速度较高时，蒸发发生于外壁或其他任何凸出部位，强烈的蒸汽流阻碍了凹坑内的蒸发，从而导致盐积聚在凸出部位，风化使之变得平滑（图 6 ）。在后壁，毛细带接近于表面，再加上空气湍流等因素，蒸发速率进一步提高，导致盐快速积聚，而在外壁，蒸发速率则要慢得多。此外，在湿润期，当毛细带向地表移动时，外壁基底处的盐分会周期性溶解，所有这些因素都极大地保护了外壁免受盐结晶的破坏作用，最终保留下来。离子和盐按其溶解度分布，较难溶解的 SiO 2 和石膏在后壁上的含量略高于外壁，在干燥的外壁，溶解度更高的明矾以及硝酸盐、镁盐、钠盐和铵盐等易溶盐类的离子占主导地位。在后壁随深度增加，盐含量会逐渐降低，譬如在 0-1cm 处，盐含量为 10% ， 4-5cm 处，则骤降为 0.5% ，再至 12cm 处，只是略有降低，与之相比外壁盐含量始终较低（ Wedekind and Ruedrich,2006 ）。总而言之，穴状风化的形成是一个“水分竞争”机制，随着岩石表面凹坑变深，暴露在空气中的面积增大，蒸发加快，内部渗出的水分优先被凹坑处（毛细作用强的区域）吸收，而外壁等表面区域变得越来越干燥，持续的水流也无法覆盖整个岩面，只能维持局部湿润。
图6 穴状风化“水利假说”成因模式图（根据文献1重绘）
Honeycombs 与 tafoni 的形成经历了两个阶段（图 7 ）。第一阶段，由于大量富含盐分的水蒸发主要发生在后壁，使得后壁不断加深。第二阶段，当后壁深到地表径流无法到达时，后壁会更高地积聚盐分，从而加剧自身盐风化，而外壁则会被径流周期性冲刷掉盐分，得以保留下来。 Honeycombs 是第一阶段的产物，此时后壁与外壁或同时暴露于径流之下或同时受到遮蔽，而发展到第二阶段才会形成 tafoni 。
图7 honeycombs与tafoni形成阶段示意图（根据文献7重绘）
对于其他以往认为对穴状风化形成至关重要的要素，Bruthans等（2018）进行了卓有见地的评述。蒸汽带主导，毛细水局限在凹坑底部的水力场分布及边界条件才是决定性因素，干湿循环只是达成这一条件的一种方式，处于次要地位。对于盐结晶，若没有水力场或应力场的协调，它只会造成随机性的表面侵蚀，它是破坏的最主要力量，也最受研究者关注，但它只是一个勤劳的奴仆，辛辛苦苦分解岩石，却不直接控制任何风化模式。盐结晶在形成穴状风化过程中是否必不可少呢？Bruthans等认为任何在毛细带活跃而在蒸汽带被抑制或强烈延缓的因素都可能引起穴状风化，例如化学、冻裂、生物风化等等。在穴状风化研究领域，人们以往过多地将注意力放在了那些“破坏”岩石的因素上，因为这些因素相对显著且容易研究，但与此同时，却对那些真正控制风化态势的潜在、不显著因素置若罔闻。有些研究者喜欢把所有风化因素罗列出来解释穴状风化，但它们之间都有着千丝万缕的内在联系，要将之依照作用发挥分类，例如分为初始外部因素（岩石形状、气候、植被）、组织因素（水力场及其边界条件）、破坏因素（盐结晶、冰冻、生物侵蚀）等，由此才能不断推动提高对穴状风化成因过程的认识。
结语
穴状风化是一种特殊的风化方式，因为迷人的外观历来受到文人学者的追捧，但早期多限于观察描述，对其成因推断居多。最近二十余年，大量先进技术设备投入使用，观察更为精细化，并辅以计算机模拟，对其成因有了全方位了解，“水利假说”就是这个时期的产物，但还有许多问题尚待解决，因此穴状风化的成因研究依然任重而道远。我们总是喜欢吟诗作赋，赞美大好河山，丹霞巉岩、石林参天……殊不知这美好景色恰是亿万年来，风雨点点，千锤万炼之作。大自然才是真正的艺术家，用她特有的方式，节省着能量，塑造着万物，感受着时光，由此更为钦佩当年提出“均变论”的那些地质先辈。在丝绸之路上，特别是新疆甘肃干旱之地，坐落着大量石窟，是否那些出露在河边、山脚处的“风蚀壁龛”（早期对穴状风化的一种称呼）曾经给那些建造者带来灵感呢？我越来越相信如此。今天有些名胜古迹正在遭受着穴状风化的侵蚀，云冈石窟、乐山大佛、佩特拉城、路巴教堂…… 这无疑给保护工作带来了巨大的挑战，简单的缝缝补补无济于事，甚至还起到副作用，唯有改变水力场极其边界条件才能起到有效防护，流芳万年。
后记： 作为一名地质工作者，我尤为关注野外所见地质现象，穴状风化无疑是最让人痴迷的一种，但对它的写作过程前前后后耗时八载，是用时最长的一篇。在此期间，我曾经有2-3次想拿起笔，但最终都没有成行，虽有被其他事牵扯的原因，更多则是一直缺乏对这种现象的系统认知。我在深圳虽只短短呆了一年半载，却有几种野外地质现象深印脑海，球状风化、黄铁矿结核与穴状风化，前两种我几年前就已经写就博文，唯有最后一种，今日方成，至此“深圳三部曲”终完结，也算了了一桩心愿。许多人对穴状风化成因存有误解，认为是风的作用或大的颗粒脱落……当扎入汗牛充栋的文献时，我才知道它有多复杂，但遨游其中，又感觉到无限的畅意。在成文过程中，河北地质大学常洪伦老师、中国地质大学（武汉）俎波老师、中国石油大学（华东）任丽华老师、甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院陈国忠高级工程师、中国地质科学院陈懋弘、王彦斌研究员提供了精美照片，一并表示感谢！当然也要感谢我曾经深圳地质局的同事，特别是方春波、姚锦梅、唐嘉锋三位高级工程师。
主要参考文献
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6. H. P. Huinink et al., 2004. Simulating the growth of tafoni. Earth Surf. Process. Landforms.29,1225-1233.
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9. 吕洪波、浦津、高于， 2022. 内蒙古赤峰召庙花岗岩表面的冰川壶穴、泄水槽、盐风化穴和剥离面理 . 地质通报 .41 （ 4 ）， 517-532.
10. 吕洪波、苏德辰、章雨旭、冯雪东、李春旺 .2017. 中国不同气候带盐风化作用的地貌特征 . 地质论评 .63 （ 4 ）， 911-926
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