主题：【分享】科学家揭示湖北空山洞钟乳石“奏乐”之谜

科学家揭示湖北空山洞钟乳石“奏乐”之谜 

地球化学研究所     


    5月上旬，中国科学院地球化学研究所环境室刘再华研究团队与国土资源部岩溶动力学重点实验室组成科考小组，赴湖北京山县境内的空山洞，破解科学难题服务地方政府。科考组对去年在空山洞发现的一组能发出音乐的“石编钟”(钟乳石群)进行了科学考察。这组钟乳石群有12根，用橡胶软锤敲击不同位置，每根都能发出2个或3个不同的音高，音色柔和浑厚，符合标准的现代七声音阶和十二平均律，被音乐界专家誉为天然“石编钟”。科考组的专家通过为期三天的现场检测和实验，基本揭示了洞里的钟乳石能“奏乐”的奥秘。

    从事二十余年岩溶研究的中科院专家刘再华表示，位于京山县七宝山下的空山洞，属于典型的岩溶洞穴，主要发育在三迭纪的薄层灰岩地层中。洞穴发育受层面、NW和NE向节理、裂隙构造控制，由地下水沿层面、节理、裂隙构造溶蚀、侵蚀扩大而成。空山洞内发现的这组酷似“石编钟”的大小10余根钟乳石，分布在4米范围之间，通过对钟乳石的敲击，能发出全音阶(1－7)，因而可演奏各种大小调乐曲，音色浑厚悠扬、发音自然、意境悠远。“精美的石头会唱歌”，堪称世界地质奇观。从科学上揭开它的成因不仅有利于人们了解自然奥秘，同时，也将为今后精心保护这一世界奇观提供有效保障。

    现场勘察发现，钟乳石的形成过程是：雨水渗入土壤溶解其中的大量CO2形成富含碳酸的土壤水、土壤水在继续向下渗流过程中溶解碳酸盐岩地层形成富含钙和碳酸氢根离子的地下水，这些地下水沿岩石裂隙进入洞穴，由于洞穴空气中的CO2分压远低于水的CO2分压，水中CO2便快速逸出使洞穴滴水在下滴以前就在洞顶处于碳酸钙过饱和状态, 从而使得碳酸钙在洞穴顶部滴水的出口周围发生沉积，逐渐形成一种自洞顶向下生长的碳酸钙沉积体——钟乳石。

    专家们经过细致的勘察后，认为钟乳石群能奏出音乐，与钟乳石群的物质组成和结构特征等因素综合作用有关。钟乳石为同心状的圈层结构，其中心部分有一空管。钟乳石主要由方解石矿物组成，它的化学成分为碳酸钙，方解石由于具有特殊的物理性能，被称为特种金属矿物。方解石的晶形为斜方晶系，具有双折射率和偏光性能。其双折射率是透过晶体，可以明显地看到一个物体有两个像，具有透过性的特征。

    能发出音阶的钟乳石群主要为7根，高度为1.5－2.5m不等，直径为8－30cm不等; 每根钟乳石内的空心石管大小不同，直径为1.5－4cm不等；钟乳石的锥顶均己断掉，断掉长度为10？40cm不等。各钟乳石存在的这些差异性，使得钟乳石在敲击时所发出的音阶各不相同。

    观测还发现，在空山洞被发现前，钟乳石在靠近洞顶部位及周缘有近期的沉积物，显示钟乳石的表面湿度较大，开发后由于其它原因和日光灯的高强度照射作用，使钟乳石的表面水分被蒸发而变得干燥，因而对钟乳石进行敲击时会发出浑厚的音律；而在表面相对较潮湿时，是不能发出这种浑厚音律的，而可能是另一种清脆的音律。

    此外，空山洞中钟乳石群所处的位置比较通风，有利于空气的流动、二氧化碳的交换和钟乳石表面湿度的变化等，使钟乳石的表面形成了0.5~1cm厚的风化层。由于风化层的作用，对钟乳石进行敲击时只能发出浑厚的音律不能发出清脆锐耳的音律。另外，由于钟乳石群所处的位置空间狭窄，对钟乳石进行敲击时发出的音律在来回穿透或振荡。

    上述一系列条件，构成了“石编钟 ”(钟乳石群)特有的音律与音阶，敲击时如钟磬轰鸣，构成了独特的音乐世界。

    最后，专家们从以上石编钟的形成和发声原理提出了石编钟保护主要应考虑其稳定性和控制其风化速度，特别应在灯光源及其强度(控制湿度和灯光植物)、游客容量(控制CO2)和减少敲击等三个方面尽早采取措施。

    科考团在空山洞采集了钟乳石样品，不久，这些样品的铀系测年数据将发布，到时“石编钟”的形成年代之谜也将被揭开。