斯洛伐克Plavecky Karst地区硫酸作用过程对洞穴形成的影响：地貌学与矿物学视角

《Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C》：Speleogenetic implications of sulfuric acid processes in the Plavecky Karst, Slovakia: geomorphological and mineralogical insights

硫磺酸洞穴成因与地质构造关联性研究——以捷克Plavecky Karst为例，通过形态学、矿物学及硫同位素分析，揭示三叠纪石膏经热化学及微生物还原生成硫化氢，与Leitha断层地下水循环共同驱动硫磺酸洞穴形成机制，建立首个该区域概念模型。

　　

Petr Mikysek|Pavel Bella|Juraj Littva|Eliska Mikyskova|Pavel Bosák

捷克科学院地质研究所，Rozvojová 269，165 00 布拉格 6-Lysolaje，捷克

摘要

斯洛伐克西部喀斯特地区的Plavecky Karst中的次生洞穴为该国提供了首个经过可靠记录的硫酸洞穴形成（SAS）实例。这些洞穴的形成与从潜水层上升后地表水平稳定期的变化有关。最具诊断性的形态学特征包括具有平坦腐蚀面的水平通道和地下水位凹槽，这些特征被垂直渗流裂缝切割而成。Plavecká priepas?竖井的详细数据揭示了具有腐蚀面和凹槽的通道及大厅，这些特征与附近的Plavecká jaskyňa洞穴的最底层相对应，该洞穴的形成可追溯到中更新世晚期。对洞穴沉积物的矿物学分析表明，尽管某些矿物（如石膏、铝矾和水合铁硫酸盐）含量较少，但仍存在硫酸洞穴形成的证据。基于新的观察结果和先前的硫同位素数据，我们提出了Plavecky Karst地区硫酸洞穴形成的首个概念模型。该模型认为H₂S通过上三叠统硬石膏的热化学作用及随后的微生物硫酸盐还原作用生成，从而导致黄铁矿沉淀和次生硫酸盐矿物的形成。Plavecky hradny vrch地区的硫酸洞穴现象表明，沿Leitha断层带存在深水循环，这将洞穴发育与维也纳盆地构造前缘的碳氢化合物相关盐类矿化过程联系起来。这一概念为理解该地区及类似复杂次生系统的硫酸洞穴形成提供了全面的基础。

引言

硫酸洞穴是一类由富含硫酸的水体在地下形成的溶解洞穴。次生硫酸洞穴沿着地下水位形成，当深层产生的硫化氢（H₂S通过渗流裂缝上升到含氧的地下环境中时便会形成（参见Hill, 1990; Palmer and Hill, 2005; Audra et al., 2009a, b; Palmer, 2013; De Waele et al., 2016, 2024）。而表生硫酸洞穴则与下降的含氧水体氧化硫化物（主要是黄铁矿、方铅矿、闪锌矿等矿石矿物）所产生的硫酸有关（参见Webb, 2020；另见Morehouse, 1968; Auler and Smart, 2003以及De Waele et al., 2024的综述）。目前全球多地都发现了硫酸洞穴（De Waele et al., 2024）。

Plavecká jaskyňa和Plavecky hradny vrch地区的Pec洞穴被确认为斯洛伐克首例受硫酸洞穴形成影响的洞穴（Bella et al., 2019a, b, 2022）。我们的数据为该地区的硫酸洞穴形成提供了确凿证据。多次硫酸洞穴活动与从潜水层上升后的地表水平稳定期相关。在附近的Plavecká priepas?竖井中也观察到了与硫酸洞穴形成一致的形态学和矿物学特征（Bella et al., 2024）。然而，该地区硫酸洞穴形成的地球化学机制尚未完全阐明。

因此，我们的目标是提供关于硫酸洞穴形成的新视角。我们团队之前的研究已经表明，洞穴沉积物中用于诊断硫酸洞穴形成的矿物含量极低，这阻碍了其分离和同位素分析。为此，我们采用了一种创新方法，包括：（i）形态学和矿物学数据；（ii）对地质环境的详细研究；（iii）对存放在布拉迪斯拉发Dionyz ?túr地质研究所（Geofond）档案中的未发表报告以及已发表文献中的硫同位素数据进行数学处理和解释（详见参考文献）。该方法应用于Plavecky Karst地区的完整数据集。在本研究中，我们提出了该地区洞穴形成机制的首个概念模型，并对该地区的地貌和结构发展进行了综合分析，并将其与全球典型的硫酸洞穴进行了比较。新的形态学和矿物学数据补充了我们对Plavecky hradny vrch地区硫酸洞穴形成的现有认识，该地区位于Malé Karpaty山脉（MKM）与维也纳盆地之间的深部断层带之上。

地质学

Malé Karpaty山脉（MKM）位于西部喀斯特地区的最西端，形成了一条大致呈NE–SW走向的狭窄山脉，部分地段不连续，长度约为100公里，宽度可达16公里。该山脉两侧分布着两个充满新近纪沉积物的盆地：东南部的多瑙河流域和西北部的维也纳盆地（图1A）。MKM的抬升块暴露出了古生代至新生代的岩石。多个喀斯特区域主要分布在三叠纪碳酸盐岩中（例如Stankoviansky, 1982; Mitter, 1983; La?ny et al.,

方法

为了更全面地了解Plavecky hradny vrch地区的硫酸洞穴形成情况，2023年对该地区的Plavecká priepas?竖井进行了构造地质和地貌研究，以明确其与周边次生洞穴的关系。研究重点关注与次生喀斯特作用和硫酸洞穴形成相关的断层结构及基岩溶解形态。此外，还整合了先前研究中的矿物学信息（Bella et al., 2019b, 2022）

Plavecká priepas?竖井的形态学与结构控制

Plavecká priepas?竖井的入口海拔约270米，由上部垂直部分和下部近水平部分组成（图2C）。垂直部分沿着W–E方向的裂缝延伸，从Pec洞穴和Stenlyho jaskyňa洞穴下方几米处的一个大型塌陷凹陷处向下延伸。该竖井包含两个主要的垂直台阶，两者通过一段陡峭的倾斜段相连（图4A）。原始溶解过程中形成了多个向上延伸的壁通道和类圆顶状的空腔

Plavecká priepas?竖井及相关次生洞穴的起源与发育

竖井上部保存的向上延伸的壁通道和类圆顶状空腔表明曾经存在上升的水流。当Pec洞穴形成于早更新世晚期（Bella et al., 2022）时，Plavecká priepas?竖井的上部作为更大范围地下喀斯特排水系统的出口通道，位于Plavecky hradny vrch山体的西北麓。控制Plavecká priepas?竖井下部的NE–SW和NNE–SSW走向的裂缝

结论

对Plavecky hradny vrch地区的三个主要洞穴（Plavecká jaskyňa洞穴、Pec洞穴、Plavecká priepas?竖井）的多学科研究表明，它们均具有次生起源。通过形态学和矿物学分析，解释了其中涉及的多个硫酸溶解阶段。位于MKM与维也纳盆地断层接触处的Plavecké predhorie高地结构是斯洛伐克唯一一个具有此类特征的地质区域

作者贡献声明

Juraj Littva：数据可视化、调查、数据整理、初稿撰写。Pavel Bella：初稿撰写、资源获取、调查、资金筹措、数据可视化、修订与编辑。Petr Mikysek：数据可视化、方法论研究、概念构建、修订与编辑。Pavel Bosák：修订与编辑、监督工作、概念构建。Eliska Mikyskova：修订与编辑、验证工作、概念构建

未引用参考文献

Harzhauser et al., 2020; Süveges, 2011.

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了VEGA [1/0146/19和1/0323/24]资助项目、斯洛伐克国家自然保护局、斯洛伐克洞穴管理局以及捷克科学院地质研究所（RVO67985831）的支持。我们感谢Ji?í Adamovi?对稿件的修改、评论和建议，这些工作极大地提升了论文质量。部分照片由Pavol Staník提供。Plavecké洞穴探险团队的协助也对研究工作起到了重要作用。