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洞穴狱钟

洞穴狱钟（英语：Hells bell）是一种空心锺形或圆锥形的碳酸盐结构，长度可达 2 米（6 英尺 7 英寸）。 它们是在墨西哥尤卡坦半岛金塔纳罗奥州的El Zapote cenote水下首先发现的； 其他洞穴中也有类似的构造[1]。这些结构，在一定的深度范围内，能覆盖了整个洞穴表面，包括被淹没的树乾和其他洞穴狱钟，但它们从不相互接触[2]。

El Zapote
White bell-like structures hanging from the roof of a dark cave
在El Zapote Cenote内的洞穴狱钟

洞穴狱钟是洞穴沉淀物之一，它的成因尚未完全理解，似乎是通过洞穴中的水、微生物和洞穴狱钟表面之间的复杂作用形成的。 这个名字也指一首同名歌曲。

外观

洞穴狱钟被发现时在水下 29-35 米（95-115 英尺）深处，呈圆锥形、类似于锺、灯罩、舌头、喇叭或悬挂的树干[3] ， 其锥形[4].或钟形向下扩宽[5]。几乎覆盖了洞穴的整个表面区域，包括地表上的树干。 有时洞穴狱钟成堆在一起，但相邻表面总是分开的。 其表面常覆盖着不规则的堆积物，形状如同颗粒、结节、突起、脓疱，和因暴露在空气中而产生的流石。所以表面通常不光滑[6]。 也有一些是“气泡轨迹” 的结构；这些是由二氧化碳气泡在石灰石上溶蚀的遗迹[7]。

洞穴狱钟通常呈椭圆形或圆形，下缘是水平的，通常有一个横向间隙，使它们呈现出像马蹄形轮廓；马蹄形的开口总是面向洞穴的墙壁[8]，一般来说，洞穴狱钟在生长时往往会远离障碍物。 钟的开口角度在其整个长度上通常是相同的[9]。 它们的长度可以超过 2 米（6 英尺 7 英寸），宽度可以达到 0.8 米（2 英尺 7 英寸）， 而它们的钟壁厚度可达 3 厘米（1.2 英寸）。 在树干上形成的铃铛较小，形状类似于阳台。 在横切面看，洞穴狱钟是分层的，白色，黄色到棕色层部分由叶片状方解石晶体形成，长度可达 1 厘米（0.39 英寸），部分由非结晶层形成。 在一些较浅的洞穴狱钟，表面有氧化锰，形成棕色涂层[10]。

洞穴狱钟在El Zapote天坑 (cenote)内，这是一个装满水的垮塌洞穴，54 米深（177 英尺）[11]， 60–100 米（200– 330 英尺）宽[12] 。在洞穴的底部有一个碎片堆。 是被强雨冲入天坑的树叶和其他植物残骸，包括一些长达 8 米（26 英尺）树干 。这个天坑像一个竖井，在地表面的宽度约为 8.7 x 10.8 米（29 英尺 × 35 英尺），而水下洞穴的宽度超过 100 米（330 英尺）；坑底没有流动水流[13]。像 El Zapote 这样的天坑在地区很普遍，多由洞穴坍塌形成的[14]。

形成过程

洞穴狱钟声在一层浑水之上

洞穴中的碳酸盐沉积物（碳酸盐洞穴）通常是由于水中二氧化碳的蒸发逸出导致水中方解石过饱和而沉积形成的[15]。 但水下沉积碳酸盐也是已知的，是通过生物和物理化学过程形成。 洞穴狱钟是属于这种水下形成的类型，因为它们未曾暴露在空气中[16]。

邻近的天坑也有类似洞穴狱钟的结构，但它们比 El Zapote 的小。但在而尤卡坦[17] 和世界其他地方， 没有类似的结构，原因未知，可能需要特殊的水文条件才能形成[18]。 但洞穴狱钟所属的“folia”碳酸盐结构[19] 却在世界上分布很广泛[20]。

洞穴狱钟的生长从半球形芽的开始，然后向下生长成圆锥形，一旦达到 3-4 厘米（1.2-1.6 英寸）的长度和 4 厘米（1.6 英寸），内侧的方解石堆积就停止。 洞穴狱钟的生长是不稳定的，有时慢，快甚至停止生长交替出现[21] ，由于在洞中缺乏水流，化学物质在水中的传输主要是靠扩散作用[22]。 根据放射测年表明，洞穴狱钟生长于全新世中期和晚期， 从 5,200 多年前开始，一直到今天[23]；水在当时已经被淹没洞穴。

尤卡坦的洞穴内部水有来自海水的咸地下水和来自降水的地下淡水； 淡水和咸水之间为混合层（盐跃层）。 在cenotes 的天坑，其洞穴水系统与大气相连； 通常较旧的天坑有浑浊、停滞的水，分为有富氧和贫氧层。 例如在El Zapote天坑中，富氧曾在盐跃层以上，以下为贫氧层[24] 而淡水层含有氧气[25] 盐水层可能 也可能不含氧气[26]。

在 El Zapote，洞穴狱钟的成长限制在盐跃层和上面的淡水层； 也不能在能溶解方解石的水层内成长。洞穴狱钟的向下生长受到盐跃层的限制。它们生长区域与氧化还原边界有关，而此边界又受由微生物新陈代谢所产生的硫酸盐和硝酸盐[27] 所控制[28]，因此这边界也受降雨量变化而上下移动。 在 El Zapote 洞穴[29]，此边界的缓慢下降也增进洞穴狱钟的生长[30], 至于其他化学因素能影响洞穴狱钟的生长，由于缺乏水文化学数据，未知[31]。

生物起源说

在El Zapote 和 Hells Bells 中，所含的微生物生态系统很多，包括化能自养生物, 异营生物 及混营生物等细菌物种。 这些物种能依赖代谢氢、各种氮化合物、氧和各种硫化合物而生存。 在新陈代谢中这些物种通过1）消耗二氧化碳影响洞穴狱钟的生长. 2）也能在硫和氮氧化还原过程的影响下，通过消耗氮造成酸性中性化合物[32]，因而促进方解石的沉积[33] ,3）在洞穴狱钟表面形成生物膜，通过生产可以浓缩钙的有机聚合物[34]。

微生物活动能产生沉积层，类似于一些淡水叠层石。 但连接方解石的沉淀与生物活动尚无法证实。 但在水层中硫化合物的氧化会被酸化，从而阻止洞穴狱钟的生长，若邻近的洞穴狱钟消耗溶解的方解石也是如此； 这或许可以解释为什么洞穴狱钟可以远离障碍。

目前对洞穴狱钟的形成过程属高度推测性的，而且非生物机制也是可能的。 根据二氧化碳气泡理论，在上升的气泡若含有二氧化碳， 就会侵蚀气泡附近的石灰岩，造成钙的过饱和水层，因而沉淀出石灰岩。这些石灰会沉淀在被困住的气泡的边缘，引发了洞穴狱钟的形成。 石灰岩本省也被盐跃层的波动进行侵蚀，进一步提供的石灰岩的沉淀物质 [35]。

由于洞穴狱钟的生长受水的分层控制，它们的深度和生长历史可用于推断盐跃层的位置，进而推断以前的降水率； 然后来推断过去的气候。 此外，由于洞穴狱钟的黑暗、淹没的生态系统，可以被用来研究早期地球生命的发展， 当时的生命是受电离和紫外线辐射的限制。

El Zapote cenote 也是首次发现地懒属 Xibalbaonyx 的地方， 这种新近纪期间的地面树懒是美洲大型动物之一，它的化石在中美洲很少。 但在水坑的地板上发现此动物的残骸.

参考文献

  1. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 210.
  2. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 2.
  3. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 213.
  4. ^ Taschwer, Klaus (27 November 2017). "Die Rätsel der "Hells Bells" von Yucatán". Der Standard (in German)
  5. ^ Römer, Jörg (2017-12-08). "Unterwasserhöhle in Mexiko: Die Höllenglocken von El Zapote". Spiegel Online (in German). Retrieved 2019-05-21.
  6. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 216.
  7. ^ López-Martínez et al. 2020, p. 176.
  8. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 214.
  9. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 215.
  10. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 6.
  11. ^ López-Martínez et al. 2020, p. 175.
  12. ^ Leberecht et al. 2022, p. 500.
  13. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 19.
  14. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 3.
  15. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 209.，
  16. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 222.
  17. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 226.
  18. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 28.
  19. ^ López-Martínez et al. 2020, p. 174.
  20. ^ López-Martínez et al. 2020, p. 173.
  21. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 223.
  22. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 23.
  23. ^ López-Martínez et al. 2020, p. 182.
  24. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 218.
  25. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 219.
  26. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 10.
  27. ^ Leberecht et al. 2022, p. 514.
  28. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 24.
  29. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 25.
  30. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 27
  31. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 18.
  32. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 224.
  33. ^ Stinnesbeck et al. 2019, p. 22.，
  34. ^ Stinnesbeck et al. 2018, p. 225.
  35. ^ López-Martínez et al. 2020, p. 183.
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