新知 | 地球表面大小不一的坑洞因何而来？​凝视“深渊”，聆听久远的故事

交汇点讯 架上天文望远镜仰望月球，首先能见到的就是月球表面大小不一的坑洞，这似乎与我们所生活的这颗蔚蓝星球泛着荧荧蓝光的表面大不一样。实际上，地球表面亦并非如我们在太空中所见那般平坦，各种各样的坑洞点缀于地球表面，增添了别样的风景。是什么造就了这些坑洞？它们又有着怎样的故事？

坑洞：既是风景，也是珍稀动植物避难所

“在地球上，存在着各种各样的坑洞。”江苏省地质学会会员、中国地质调查局南京地质调查中心工程师段政告诉《科技周刊》记者，这些坑洞类型丰富，既有地下水溶蚀形成的喀斯特溶洞、天坑，又有因火山爆发坍塌形成的火山口，还有因陨石撞击形成的陨击坑，冰川溶蚀形成的冰洞。当坑洞在海洋之下，也被称为“蓝洞”。此外，还有人工形成的各种坑洞。

“自然形成的天然坑洞最常见的就是岩溶坑，我国是世界上岩溶天坑的主要分布地。”中国科学院地球环境研究所研究员谭亮成说。在重庆奉节县，有着世界第一大天坑“小寨天坑”，这是构成地球第四纪演化史的重要例证，也被称为长江三峡成因的“活化石”。在陕西汉中、广西乐山也分布着世界级的天坑群。

自然界的巨型坑洞中往往发育着独特的生态系统，对于一些濒危珍稀物种来说，天坑是保护他们的天然避难所。“尤其是喀斯特天坑，我们站在顶端看到的是垂直的深渊和陡直险峻的峭壁。但在天坑底部，森林植物种类丰富，其中不乏珍稀动植物。”段政介绍，1995年在广西乐业黄猄洞天坑开展的植物资源考察中，科学家们发现坑底的任豆、香叶树、白桂木等珍稀植物，整个乐业天坑群更是保育有82种珍稀濒危种子植物，其中有2种国家Ⅰ级保护植物——掌叶木和灰岩红豆杉。

“物竞天择，适者生存。在岩溶洞中，也生存着一些完全适应洞穴黑暗环境的动物。而岩溶洞穴作为地表的负地形，也是保存化石的理想场所。”谭亮成说。在科学考察中，科学家们曾发现过洞穴萤火虫、天使鱼、盲目蝾螈等比较奇特的生物，这些动物经过长期进化，已经完全适应黑暗的洞穴环境。其中，盲目蝾螈是一种两栖类生物，拥有和人类一样的肤色，外形像鳗鱼或蛇，也被叫做“人鱼”。它们可以存活超过100年，10多年不吃东西也没有问题。虽然盲目蝾螈的眼睛已经退化，但依旧可以用触须捕捉猎物。

在非洲坦桑尼亚恩格罗恩格罗破火山口，有一个被称作“非洲伊甸园”的地方。在这个260平方公里的区域中，生活着50多种大型哺乳动物和200多种鸟类，是非洲野生动物最集中的地区。“破火山口坑底树木茂盛、水源充沛，生活在这里的动物不需要进行迁徙，故而构成了一个独立的火山口生态系统。”段政介绍。

年龄各异：拜赐大自然鬼斧神工

自然界的天然坑洞主要分为碳酸盐岩类洞穴、火成岩洞穴、冰洞等类型。其中碳酸盐岩类洞穴分布最广，约占整个天然洞穴的90%以上。人们所熟知的喀斯特溶洞、天坑以及深海“蓝洞”都属于碳酸盐岩类洞穴。

“如果了解碳酸盐的化学方程式，一定可以联想到其与碳酸钙和水有关。”段政解释，石灰岩的主要成分是不能溶于水的碳酸钙，当其与地下水或沿岩石裂隙下渗的水长期反应，则能不断形成可溶于水的碳酸氢钙，这种化学反应历经千年万年，石灰岩不断溶解，便会在地下形成体积巨大的空洞——喀斯特溶洞。当深埋在地下的溶洞顶部坍塌时，就会形成口径巨大、深度极深，四周多呈陡崖状的深坑——天坑。“在岩溶坑洞中，我们可以发现许多可用来研究历史时期气候变化的载体，例如，石笋和蝙蝠粪沉积，我们可以通过高分辨率的同位素(或微量元素)变化序列重建古气候与古环境的演变过程。”谭亮成补充。

而“蓝洞”则是洞穴与海洋的邂逅。谭亮成告诉记者，大多数“蓝洞”是由岩溶过程诱发的。在冰川时期，海平面降低，石灰岩受到溶蚀作用，在下部发育成为大型的落水洞。冰川期结束后，海平面上升，海水灌入洞中，就形成了镶嵌在浅蓝色海洋上的深色“海洋之瞳”，世界最大的且最著名的蓝洞应该是伯利兹大蓝洞，口径约330米，深约140米。在蓝洞内，也可以找到钟乳石。“不过，海洋里也有其他的深坑，比如在百慕大三角附近的巴伦支海海床上存在许多巨大坑穴，很可能是由临近海岸的甲烷累积爆炸形成。”

形成一个碳酸盐岩类洞穴需要多长时间呢？“水滴石穿，极其缓慢。”谭亮成告诉记者，据研究，桂林岩溶地区平均每1000年才溶蚀88毫米左右，一个数百万平米的巨型天坑，则需要数十万到数百万年才能形成。“不过，有些坑洞在几秒内就能形成。”谭亮成进一步解释，“陨石撞击、火山喷发、地震或者人类活动导致的坍塌，在弹指之间可能就会形成一个坑洞。这种瞬间形成的坑洞也会给人们带来一些意外发现。”以陨石坑为例，“天外来客”所带来的陨石坑可以为月球、水星及其卫星表面圆形坑和环形山构造的“陨石轰击成因假说”找到依据，也可以为矿物和岩石冲击变质的研究提供大量素材。在6500万年前形成的墨西哥犹加敦的希克苏鲁伯陨石坑，就一定程度上曾印证了恐龙灭绝的小行星撞击假说。

警惕“定时炸弹”：别让“地陷”成为城市病

除了自然界形成的各种坑洞之外，还有一类深坑源自人类。段政告诉记者，现代矿藏开采主要分为露天开采和地下坑道开采两种，露天采矿最显著的特征就是会在地表留下一个或数个巨型大坑。开采深度一般与矿种无关，而与开采成本和开采技术密切相关，全世界60%的煤 、90%的铁、90%的铜、100%的建筑材料及钻石矿都源自露天开采。

“一般情况下，矿藏钻石矿坑最深，铜矿坑次之，世界上著名的人造坑洞均为钻石矿坑和铜矿坑。”段政表示，如南非金伯利钻石矿坑被认为是世界上最大的人力挖掘矿坑，从1866年至1914年，50000名矿工使用铁铲等工具进行挖掘，共挖掘出2722公斤钻石，露天矿坑深度达215米，采矿隧道深至1100米；俄罗斯米尔内钻石矿坑直径达1200米，深达525米；俄罗斯乌尔其娜亚矿坑直径约1200米，深度达600米；而智利丘基卡马塔铜矿坑深度更是超过了850米，在地球表面留下了一个个巨坑。

“还有一种坑洞，相当于在我们的日常生活中埋下了一颗定时炸弹，需要尤其关注。这就是城市地面塌陷。”段政表示，城市地面塌陷主要是人们不合理的开采或破坏活动造成的，包括地下采矿、过量抽采地下水、地下管线破损，或者下水管道施工开挖后回填土不合格等。城市地面塌陷所造成的人员伤亡以及经济损失往往不可小觑。比如在20世纪20年代，我国上海、天津在市区集中开采地下水的地区就曾发生地面沉降。

“人为形成的坑洞是我们很常见的城市路面塌陷，已经成为一种‘城市病’，近几年频繁发生。”谭亮成表示，之前大家还可以开玩笑说 “天塌了也不怕，有高个子顶着”，但是，当“地陷了”谁都躲不过了。

交汇点记者 叶真 谢诗涵

编辑: 王甜