秦燕、范昌福等——广西大石围天坑中洞洞穴硝石的成因

我国岩溶洞穴硝石数量多、分布广，是古代采硝制作火药的主要对象，在古代战争和社会发展中发挥了重要作用。虽然岩溶洞穴硝石的开采历史悠久，但研究程度低，成矿机制不明。本文对广西大石围天坑中洞正在形成的洞穴硝石开展野外地质调查和氮、三氧同位素研究。发现中洞下部连接地下暗河，地面和洞壁上发育很多与下部洞穴连通的喷气孔，白色硝石粉末均围绕这些喷气孔集中分布，硝酸盐等气溶胶正从这些气孔中喷发出来。硝石的氮氧同位素具有土壤铵硝化形成硝酸盐的典型特征，提出这些硝酸盐来自地下暗河河水。河水中部分硝酸盐等易溶盐类组分随着河水蒸发进入水汽中以气态形式在洞穴中迁移。该硝石洞由一系列巨大洞厅和狭窄洞道组成，这种天然的多级气体压缩制冷系统是形成洞穴硝石的关键。当溶洞内气流由容积巨大的洞厅进入狭窄的洞道时，压力增大，流速加快，温度升高；相反，当气流穿过狭窄的洞道进入容积巨大的洞厅时，由于压力突然释放，气体温度快速下降，水汽中溶解的硝酸盐等盐类组分逐渐达到过饱和，析出形成盐类气溶胶沉降。盐类饱和析出的先后顺序与其溶解度大小相反，溶解度最小的硫酸盐类首先析出沉降，在洞穴系统下部的洞厅富集；然后是溶解度较大的氯化物类，在中部的洞厅聚集；溶解度最大的硝酸盐类，最后在上部洞厅/洞口聚集成矿。地下暗河与上部洞口的距离越大，洞厅数量越多，不同溶解度的盐类分离得越彻底，形成的硝石品位越高；积累时间越长，形成的洞穴硝石规模越大。