洞穴中形状各异的石笋和钟乳石是如何形成的?
取一个大茶杯(或试管),将少量熟石灰(即氢氧化钙)溶于水中,静置片刻。未溶解的熟石灰会沉积在杯子底部。这时杯子分为两层:上层是像水一样清澈的石灰水,里面含有溶解的氢氧化钙;下层是石灰乳,浑浊。小心翼翼地将上层的澄清石灰水倒入约2ml的试管中,然后通过玻璃管(塑料管——喝汽水用的那种吸管也可以代替)向石灰水中吹入空气。由于人体呼出的气体中含有二氧化碳,石灰水与之反应生成不溶于水的白色固体石灰石,石灰水变浑浊。
氢氧化碳+二氧化碳→碳酸钙↓+水
[氢氧化钙][二氧化碳][碳酸钙] [H2O]
如果我们继续往浑浊的石灰水里吹气,它很快又会变得清澈。这是因为二氧化碳与碳酸钙反应生成水溶性的碳酸氢钙,所以浑浊的液体会随着沉淀的溶解而变得清澈。如果将这种澄清的溶液加热,碳酸氢钙将再次转化为不溶性碳酸钙,因此溶液将再次变得浑浊。
碳酸钙+二氧化碳+水→碳酸氢钙
[碳酸钙][二氧化碳][H2O][碳酸氢钙]
在自然界中,许多石灰岩地区(主要是石灰岩)因为这个原因形成了奇峰怪洞,钟乳石和石笋也随之生长。
钟乳石和石笋非常不同。它们就像冬天挂在屋檐上的冰柱。像春天一样破土而出的竹笋。
洞顶上有许多裂缝,水滴不断从每个裂缝中渗出。每当水蒸发时,就会留下一些钙质沉积物。一滴,两滴,三滴...水不断出现和挥发,洞顶的石灰越积越多,最后生成一个乳头——这就是钟乳石的“童年”时代。后来乳头上覆盖了层层石灰,越挂越长。一些钟乳石可以达到几米长。
石笋是钟乳石的亲密伙伴。当洞穴顶部的水滴落下时,石灰也会沉积在地面上。就这样,石笋靠着钟乳石向上生长。可以说,钟乳石是“先生”,石笋是“后生”。但石笋的底盘较大,相对稳定,不易折断,所以它的“生长”速度往往比钟乳石快。石笋最高可达30米,像一座“石塔”拔地而起。
向下生长的钟乳石有时与向上生长的石笋相连,形成一个两端粗中间细的石柱。不了解详情的人还以为是谁凿的。在许多石灰岩洞穴中,钟乳石和石笋大多是不相连的;那是因为要么是钟乳石断了,要么是石灰太多挡住了水滴的路径,水滴被迫改变路径,移动到另一个地方,又长出了新的钟乳石。这样钟乳石和石笋就不会“相遇”了。
地下水对钟乳石和石笋的形成起着决定性的作用。流过的地方都会留下痕迹,或沟或洞,或钟乳石,或石笋,或石柱;当它们组合在一起,就成了“树林”、“珠帘”等奇妙的场景。
日常生活中经常会遇到这种现象:比如用来烧水的锅底经常会形成一层水垢。取出一些,加点醋,会看到很多泡泡。这是因为自来水中含有碳酸氢钙、碳酸氢镁等。水垢的某些成分是它们受热时的分解产物,如碳酸钙和氢氧化镁。
因为自然界的温度没有开水高,所以钟乳石和石笋没有那么快形成。它们是经过数万年的长期沉积和不断变化而形成的。