《Geomorphology》：Hypogenetic morphologies and morphometric data reveal new insights into the speleogenesis of the Loltún Cave, Yucatan Peninsula, Mexico
编辑推荐：
尤卡坦半岛洛尔特恩洞穴的隐生与表生洞穴形成机制研究。通过形态测量与多变量统计分析，发现该洞穴具有4公里水平溶道、46.4米垂直范围，呈现迷宫状ramiform和spongework结构，其形成涉及古地下水表阶段的隐生洞穴发展及构造抬升后的表生作用叠加。
雨果·E·萨尔加多-加里多（Hugo E. Salgado-Garrido）|海梅·乌鲁蒂亚-富库加乌奇（Jaime Urrutia-Fucugauchi）|安赫莉卡·德·拉·克鲁斯-费尔南德斯（Angélica de la Cruz-Fernández）|拉斐尔·洛佩斯-马丁内斯（Rafael López-Martínez）|海伦娜·巴尔巴-迈内克（Helena Barba-Meinecke）|何塞·胡奇姆-埃雷拉（José Huchím-Herrera）|华金·阿罗约-卡布拉莱斯（Joaquín Arroyo-Cabrales）|奥斯卡·R·索利斯-托雷斯（Oscar R. Solís-Torres）
墨西哥尤卡坦州梅里达市帕帕卡尔山脉（Sierra Papacal）的尤卡坦科技园区（Parque Científico Tecnológico de Yucatán）下属的奇克苏鲁布研究所（Instituto de Investigación y Estudios Avanzados Chicxulub），邮编097302
摘要
尤卡坦半岛的洛尔顿洞穴（Loltún Cave）发现了晚更新世和全新世期间动物群及人类活动的证据。尽管该洞穴在考古学和古生物学上具有重要意义，但其洞穴形成机制至今尚未确定。本研究结合了地貌学和形态测量数据，并通过多元统计分析将其与全球34个洞穴系统进行了对比。洛尔顿洞穴包含4公里的地下水流通道，分布在两个亚水平层中，垂直范围达46.4米。洞穴内部形成了复杂的迷宫状结构，主要由分支状和海绵状洞壁组成，走向呈NW-SE、E-W和SW-NE方向。中观形态学分析揭示了地下水流通道、天窗、上升竖井、塌陷坑洞、细粒沉积物、塌陷块体以及多种洞穴沉积物，还包括供水系统、悬挂结构、残余柱体、盲通道和不同类型的洞顶结构。形态测量指标包括垂直度（0.01）、水平度（0.98）、线性（0.004）、水平复杂性（4.6）、体积密度（212.7立方米/米）、洞穴孔隙度（9.8%）和通道密度（21.5%）。主成分分析表明，洞穴形态的主要变化与围岩体积、洞穴面积和洞穴总体积有关，这些因素解释了62.1%的变异。聚类分析将表生洞穴群与地下成因洞穴群区分开来，两者之间的距离分别为4.58和3.5倍。单向ANOOSIM检验显示表生洞穴群与地下成因洞穴群之间存在显著差异（R值为0.705，p<0.001），而洛尔顿洞穴与任一组洞穴之间无显著差异。洛尔顿洞穴的形成过程初期为地下成因作用，与古代地下水位及深部或浅层二氧化碳/硫化氢源有关；随后由于地壳抬升引发了地表渗流作用，形成了洞穴沉积物和塌陷现象，并有人类活动痕迹。
引言
洛尔顿洞穴位于尤卡坦半岛，是墨西哥第四纪研究的重要地点。该洞穴最早于19世纪被探索（Mercer, 1896; Thompson, 1897），随后在1977至1980年间由墨西哥国家人类学与历史研究所（INAH）进行了大规模研究，最近一次研究是在2024年。自首次探索以来，洛尔顿洞穴的科学价值得到了广泛认可。然而，其洞穴形成机制及相关喀斯特现象仍不甚明了。其丰富的考古和古生物学记录为研究古气候变化、史前人类与环境的互动以及后续文化发展提供了重要依据（Velázquez Valadéz, 1980a, 1980b, 1980c, 1981; González Licón, 1986; Schmidt, 1988）。古生物学研究表明，该洞穴对于研究更新世动物群（包括已灭绝的巨型动物）具有关键价值。迄今为止，从Huechil洞室挖掘出的沉积物中已鉴定出68种物种（Arroyo Cabrales and álvarez, 2003; Morales Mejía et al., 2009; Gutiérrez-García et al., 2021）。
尤卡坦半岛的喀斯特作用形成了复杂的淹没洞穴和干洞系统，金塔纳罗奥州（Quintana Roo）已绘制出2040公里的洞穴分布图（Quintana Roo Speleological Survey, 2024），其中包括世界上最长的水下洞穴——萨克阿克顿系统（Sac Actun System, Kambesis and Coke, 2016），以及大量塌陷坑洞（cenotes）。
传统上，尤卡坦半岛的洞穴形成被认为是表生作用的结果，即大气降水与土壤、地表条件的相互作用使水化学性质增强，从而溶解碳酸盐岩并形成洞穴（Ford and Williams, 2007; Palmer, 2007; Audra and Palmer, 2015）。然而，越来越多的研究表明非表生过程也在洞穴形成中起重要作用，例如混合过程（Back et al., 1979, 1986; Salgado-Garrido et al., 2024）、与硫氧化还原现象相关的复杂生化过程（Stoessell et al., 1993; Perry et al., 2002; Socki et al., 2002; López-Martínez et al., 2020）、海洋热对流（Thomas, 1999, 2010），以及介于表生洞穴和地下成因洞穴之间的中间形成模式（Smart et al., 2006; Kambesis and Coke, 2013）。
这些现象大多属于地下成因洞穴形成，根据Klimchouk（2017）的定义：“由上升流体在低渗透层或深层水源处形成溶解-扩大的渗透结构（空洞-通道系统），这些流体与地表或邻近地表的补给无关”。目前，地下成因洞穴形成有两种主要观点：地球化学观点认为这些洞穴是由在深处形成的具有高化学活性的水体形成的，与地表CO?或其他近地表酸性物质无关（Palmer, 2000, 2007; Klimchouk, 2007, 2017; Dublyansky, 2014）；另一种观点认为洞穴形成是上升流体从较低地层补给洞穴的结果，这些流体来自远处、低渗透性的深层水源，与地表补给无关（Klimchouk, 2007, 2017; Dublyansky, 2014）。尽管化学活性的来源和地质水文环境仍存在争议，但这些系统的地貌特征与表生洞穴形成过程不同（Klimchouk, 2005, 2007, 2009）。因此，形态学研究对于理解喀斯特系统的演化至关重要，因为特定的地貌特征可以揭示洞穴系统的起源（Klimchouk, 2005, 2009; Ford and Williams, 2007; Palmer, 2007），即使在抬升过程中表生作用叠加在原有地下成因洞穴之上（Klimchouk, 2017）。形态测量参数有助于区分受限含水层和非受限含水层中的地下成因洞穴形成过程（Frumkin and Fischhendler, 2005; Klimchouk, 2005; Lazaridis, 2009; Kambesis et al., 2016; Dora et al., 2023）。
本研究通过整合地貌学证据和形态测量数据，并运用多元统计分析，揭示了洛尔顿洞穴的洞穴形成过程，建立了全面的洞穴形成机制框架。
方法
INAH在2024年的洛尔顿洞穴考古项目中进行了详细的洞穴识别和新的地形测量。测量使用了Leica DistoX310激光测距仪，并采用了标准的洞穴测绘方法（H?uselmann, 2011）。测距仪的校准通过14个方向的56次测量完成，误差为0.5°（依据DistoX2校准手册Heeb, 2013）。
洞穴特征与形态
洛尔顿洞穴是一个非活跃的亚水平洞穴，目前位于非饱和带，距离现代地下水位约100米，距离洞底约50米。洞穴包含两个亚水平的地下水流通道，平均倾角为6°，垂直范围为46.4米。从宏观形态特征来看，洛尔顿洞穴呈现出类似迷宫的外观，由分支状和海绵状洞壁组成。
洛尔顿洞穴的地貌特征
洛尔顿洞穴位于尤卡坦半岛的高内陆地区，该地区以低起伏的喀斯特丘陵为主。自渐新世以来，该地区持续经历了缓慢的地壳抬升（Lugo-Hubp et al., 1992）。与典型的抬升喀斯特地形中的表生洞穴不同，洛尔顿洞穴具有多种地貌特征，尤其是多层结构，这对研究其形成机制具有重要意义。宏观和中观形态特征均表明...结论
洛尔顿洞穴的地貌特征与崎岖地区的洞穴不同，后者通常具有树枝状和河流喀斯特特征，属于表生作用的结果。而洛尔顿洞穴则呈现出类似迷宫的外观，由分支状和海绵状洞壁组成，垂直范围接近50米，水平延伸距离达4公里。通过地下水流通道，我们识别出两个不同的海拔层次。CRediT作者贡献声明
雨果·E·萨尔加多-加里多（Hugo E. Salgado-Garrido）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、软件使用、资源管理、方法论设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构建。海梅·乌鲁蒂亚-富库加乌奇（Jaime Urrutia-Fucugauchi）：负责撰写、审稿与编辑、验证。安赫莉卡·德·拉·克鲁斯-费尔南德斯（Angélica de la Cruz-Fernández）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、数据分析。拉斐尔·洛佩斯-马丁内斯（Rafael López-Martínez）：
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
我们感谢洛尔顿洞穴的守护者桑托斯·查布尔（Santos Chable）在所有野外工作期间的支持，同时感谢加布里埃尔·莱昂（Gabriel Leon）和阿比乌德·皮扎（Abiud Piza）在洞穴测量中的协助，以及法蒂玛·特克·普尔（Fatima Tec Pool）提供的地图和关于洛尔顿洞穴的信息。我们也感谢萨尔瓦多·特雷霍（Salvador Trejo）、拉斐尔·洛佩斯（Rafael López）和哈维尔·罗伯特（Xavier Robert）的宝贵意见。此外，还要感谢墨西哥国家人类学与历史研究所（INAH）在洛尔顿洞穴研究中的支持。
