半干旱气候下从深成洞穴到生物成因洞穴的转变：以色列Chariton洞穴中蝙蝠粪驱动的碳酸盐风化与洞穴改造

本研究聚焦半干旱区蝙蝠粪对深成洞穴后期改造的定量影响，通过形态学、沉积物分析和U-Pb/14C测年技术，揭示Chariton洞穴30%体积由粪源风化形成，最大风化速率达0.07 mm/ka，首次证实生物作用对深成洞穴演化的关键贡献，为喀斯特地貌演化机制提供新视角。

　　

在喀斯特地貌研究中，深成洞穴（hypogenic cave）的形成机制长期受到学界关注，但这类洞穴脱离原始形成环境后（如抬升至包气带vadose zone）的改造过程却鲜少被量化。传统观点认为，此类洞穴进入包气带后仅受崩塌或沉积填充等被动影响，而以色列Chariton洞穴的特殊性在于——作为南黎凡特地区最大的深成洞穴，其内部存在大量蝙蝠粪（bat guano）沉积，暗示生物活动可能主动参与了洞穴改造。这一现象在年均降水仅280 mm的半干旱环境中尤为反常，因为常规岩溶作用需要充足的水分参与。

为破解这一科学谜题，以色列研究团队通过多学科交叉方法，首次量化评估了蝙蝠粪对深成洞穴的改造强度。研究发现发表在国际地貌学期刊《Geomorphology》上，结合洞穴三维建模、矿物学分析和放射性测年技术，揭示了生物风化作用对洞穴形态的惊人影响。

研究采用的关键技术包括：1）激光测距（Leica DistoX）构建洞穴三维模型计算体积变化；2）磷灰石（apatite）沉积序列的U-Pb测年确定蝙蝠活动起始时间（5.19±0.85 Ma）；3）¹⁴C测定近代粪层年代（3360–3620 BP）；4）温湿度传感器监测洞穴微气候；5）几何形态学分析区分原生与次生洞穴结构。

洞穴形态与风化机制
通过4128个横截面测量发现，典型"锁眼状"通道（keyhole cross-section）与磷灰石沉积的共定位现象，证实粪源酸性流体对碳酸盐岩的溶蚀扩大作用。体积重建表明，生物风化贡献至少30%的洞穴现有空间（约1200 m³），这一规模在缺乏地表水渗透的半干旱条件下极为罕见。

微气候驱动机制
温湿度监测显示，洞穴内部（距入口>100 m处）维持90%相对湿度，形成持续的冷凝-蒸发（condensation-evaporation）循环。这种微气候为粪源有机酸（如尿酸）与石灰岩反应提供了必要水分，解释了干旱区生物风化的可行性。

年代学框架
U-Pb测年显示蝙蝠活动始于新近纪（5.19 Ma），对应洞穴抬升至包气带时期。风化速率计算表明，最大碳酸盐溶解速率为0.05–0.07 mm/ka，而Chariton峡谷的下切速率达19.2 mm/ky，说明生物作用虽缓慢但持续影响地貌演化。

讨论与意义
该研究颠覆了深成洞穴"形成后静止"的传统认知，证明生物活动可通过化学风化持续改造地下空间。在Chariton洞穴案例中，蝙蝠粪产生的磷酸和有机酸（phosphoric/organic acids）与冷凝水协同作用，形成独特的生物岩溶（biokarst）现象。这一发现拓展了喀斯特演化理论，尤其为干旱区洞穴发育提供了新解释模型。

从应用角度看，研究建立的生物风化定量方法可推广至其他古洞穴系统，其年代学数据还能反演古气候——例如¹⁴C数据反映的中全新世蝙蝠种群波动，可能指示区域湿度变化。此外，磷灰石-方解石沉积序列为深时（deep-time）生物-矿物相互作用研究提供了理想载体。

这项研究将洞穴学（speleology）、生物地球化学和地貌学交叉融合，开创性地提出"生物改造型洞穴"（biogenic-modified cave）新亚类，为理解地表-地下系统耦合作用树立了里程碑。未来研究可进一步探究不同气候带生物风化的效率差异，以及微生物在粪源风化中的催化作用。