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根据国际洞穴学协会的定义,洞穴是指人类能进出的天然地下空间,可部分或全部被堆积物、水或冰所充填[1⁃3]。根据围岩性质的不同,洞穴可分为岩溶洞穴、砂岩洞穴以及花岗岩洞穴等。其中,岩溶洞穴是喀斯特地貌的重要组成部分,指地下水沿可溶性碳酸盐岩的层面、节理或断层进行溶蚀、侵蚀、崩塌而形成的地下空间[3⁃4]。岩溶洞穴通常与地下水、油气等自然资源的贮存与运移密切相关[5⁃7]。如果岩溶洞穴曾被人类利用,则成为洞穴遗址,是考古学研究的重要对象[8]。
在洞穴发育过程中,受各种自然、生物与人为营力的影响,洞穴底面保存了极为丰富的洞穴堆积物（图1）。由于洞穴堆积物的成因复杂,且在堆积、埋藏过程中容易受到沉积期后作用的扰动,往往会对野外观察与识别造成一定程度的干扰,导致对同一现象有不同认识[11⁃12]。微形态是利用显微及超显微技术对原位定向样品进行研究的一门学科,旨在分析肉眼无法识别的成分、结构、构造特征,以及其时序、空间和成因关系[13⁃15]。因此,微形态分析可从微观角度充分揭示洞穴堆积物所蕴含的地质学与考古学信息,为洞穴堆积物的堆积、埋藏过程的研究提供重要证据[10,16⁃18]。
本文总结洞穴堆积物微形态研究的最新进展,重点介绍微形态分析在恢复洞穴古气候与古环境、重建洞穴堆积物的堆积与埋藏过程、构建地层年代学框架、解译人类活动及遗传信息等方面的应用,评估洞穴堆积物中所蕴含的地质学与考古学价值,并进一步展望微形态分析在洞穴堆积物研究中的未来发展方向与广阔应用前景。
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在欧洲和澳大利亚等地区,土壤和考古科学家普遍将微形态作为一门独立的学科,而美国同行则将微形态作为一项技术手段[19]。本文为避免混淆,以“微形态”（研究）（micromorphology）指代“地质考古学”（geoarchaeology）下的一门分支学科；以“微形态分析”（micromorphological analysis）指代对原位、定向、由树脂浸渍胶固的堆积物薄片进行研究的一项技术手段。
微形态最早起源于20世纪30年代土壤学的研究[20],在近百年的发展过程中,微形态逐步应用到了农业、考古、第四纪环境等多个研究领域中。自20世纪50年代开始,微形态分析便作为一种关键的原位微区技术手段,在考古学领域中受到广泛关注[21⁃24]。微形态分析主要用于解决传统手段无法解决的考古问题,包括对特定成分、结构、构造的识别,以及对关键遗迹现象的解译,可以有效地提升考古学工作中对遗址沉积过程、地层层序和特殊遗迹现象的准确解析[19,25⁃31]。近年来,随着观察和测试技术的发展,微形态分析的范围由最初在显微镜下进行观察和描述,拓展到与其他原位微区分析技术（micro-contextual approach）相结合[32],不仅可观察到超微观尺度的结构、形貌特征,还可以对物质组成进行定性、定量分析（表1）。
表 1 原位微区分析技术
序号 原位微区分析技术 样品类型 功能意义 参考文献 1 微形态分析（micromorphological analysis） 薄片 1）单偏光、正交偏光下观察物质成分、结构及构造,识别关键的沉积期后作用；2）荧光下识别有机质和磷酸盐物质；3）反射光下识别煤、不透明组分和有机质 Courty et al.[13]；Bullock et al.[25]；Stoops [19,33]；Ligouis[34] 2 扫描电镜—背散射电子探头/能谱仪/阴极发光/背散射电子衍射仪（SEM-BSE/EDS/CL/EBSD） 薄片 1）观察超微观尺度下的物质成分、形貌、结构特征；2）配置背散射电子探头（BSE）,可获得高分辨形貌特征；3）配置能谱仪（EDS）,可获取微区元素组成,对物质成分做出鉴定并进行半定量分析；4）配置阴极发光（CL）,可对物质内部结构进行表征,用于碳酸盐研究；5）背散射电子衍射仪（EBSD）,可识别物相及晶体结构信息 Schiegl et al.[35]；Karkanas et al.[36]；Karkanas[37]；Rellini et al.[38]；Wilson[39] 3 X射线衍射（XRD） 薄片/胶固样品/粉末样品 分析矿物类型、组合及分布特征 Weiner et al.[40]；Ajas et al.[41]；Berthold et al.[42]；McAdams et al.[43] 4 X射线荧光光谱（XRF） 薄片/胶固样品/粉末样品 1）点分析可确定薄片中难以识别的成分或特征；2）线分析可获得主量、微量元素的半定量分布趋势 McAdams et al.[43]；Mentzer et al.[44]；Mentzer[45]；Haaland et al.[46] 5 傅里叶红外光谱（FTIR） 薄片/胶固样品/粉末样品 识别自生矿物、有机物,并确定其结晶程度、保存状态及加热程度 Ajas et al. [41]；Weiner et al.[47]；Berna et al.[48⁃49]；Berna[50]；Morley et al.[51]；Haaland et al.[52]；Monnier[53]；Patania et al.[54] 6 拉曼光谱（Raman） 薄片/胶固样品/粉末样品 确定炭质的性质及成因,结合微形态分析可进一步判断燃烧温度以及燃料类型 Ajas et al.[41]；Morley et al.[51]；Lambrecht et al.[55] 7 气相色谱—质谱法（GC-MS） 胶固样品/粉末样品 分析堆积物中油脂等有机残留物质的组成、含量和结构 Rodríguez de Vera et al.[56] 8 显微CT扫描（micro-CT） 胶固样品 对堆积物的物质成分、有机物及孔隙进行3D空间分析 Ngan-Tillard et al.[57]；Haaland et al.[58] 9 QEMSCAN 薄片 可自动扫描识别物质成分,并作出定性、定量分析 Ward et al.[59] 10 TIMA Ward et al.[60] 微形态分析主要包括样品采集、薄片制备和鉴定、描述与解译等相关环节。在野外样品采集过程中,应保持其原位特征,避免任何扰动,对于较为坚硬的堆积物样品,一般使用刀具直接切割,可用锡箔纸、胶带、药棉和铝针盒等采集包装；对于较为松散的堆积物样品,需要使用皮劳克包裹采集。采集过程中应注意标注和记录采集层位、深度与方位等信息[19]。实验室内,将原位样品的包装拆开,阴干数日,随后置于恒温鼓风干燥箱,设置60 ℃干燥数日；再将样品放置于盛有固定配比树脂混合物的不锈钢容器,进行注胶、渗透；待树脂混合物在样品中渗透完全后,置于恒温鼓风干燥箱,设置60 ℃热固化一昼夜,最后将胶固样品磨制成30 μm厚的多功能薄片[16,27]。对多功能薄片的鉴定、描述与解译,主要利用偏光显微镜,识别并分析薄片中的主要成分（无机组分、有机组分、土壤形成物pedological features等）、典型结构（fabric,堆积物成分的空间排列、形状、大小及丰度）和构造（microstructure,团聚体aggregate与孔隙void的大小、形状以及排列关系）[19,25,27]。目前国际上比较公认的鉴定、描述与解译参考标准是Handbook for Thin Soil Section Description[25]与Guidelines for Analysis and Description of Soil and Regolith Thin Sections[19]。
国际上,微形态分析不仅成功应用于多个经典旷野遗址的研究[61⁃65],在南非、地中海周缘、东亚与东南亚等区域的洞穴遗址研究中,微形态分析同样发挥了不可替代的作用（图2）,为探究人类演化历程提供了独特、可靠的证据。在国内,考古学领域的微形态分析聚焦于旷野遗址[90⁃100],仅在北京周口店洞[85]、贵州盘县大洞[86]、湖南玉蟾岩洞[87]、江西仙人洞[54]等少数洞穴遗址开展了微形态分析工作。
图 2 已开展过微形态研究的典型洞穴遗址分布
Figure 2. Distribution of typical cave sites where micromorphological studies have been conducted
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在洞穴的发育过程中,受各种自然、生物与人为营力的影响,洞穴底面保存了极为丰富的洞穴堆积物,主要包括原地碎屑堆积物、异地碎屑堆积物、化学堆积物、生物堆积物以及人为堆积物（图1）。通过微形态分析,可从微观角度充分揭示洞穴堆积物中蕴含的地质学与考古学信息（表2）。
表 2 常见洞穴堆积物的微形态分析 (续表)
洞穴堆积物 微形态特征 研究意义 示意图 石器碎屑 微米至厘米级,岩性主要为燧石、石英岩及玄武岩,棱角分明,表面规则光滑,边缘轮廓清晰且突出 1）具有较强的抗风化侵蚀能力,与周围成分形成强烈对比；2）尺寸较小,数量较少,所反映的信息比较有限 火塘 完整火塘见烧红基底,上覆烧焦的植物炭质,可见烧骨碎屑,顶部为灰烬 反映古人类主动用火行为 草席 顶部为细层状的高碱性灰烬,主要由方解石与植硅体组成,底部主要为炭质 1）由古人类编织,用于休息与劳作；2）最终被燃烧,以驱除害虫并保持住处的清洁 物理沉积期后作用 自然扰动 以古气候与古环境变化扰动最为典型,随着扰动程度的增强,微结构表现为板状—透镜状—粒状的过渡变化 反映古气候、古环境信息,如低温冻融作用 生物扰动 穴居生物（如老鼠、蚯蚓等）的踩踏、翻找、挖掘等行为,以及植物根系的生长,在堆积物中形成孔隙与通道 1）增加堆积物的孔隙度；2）造成关键堆积物的垂直位移与混合 人为扰动 骨骼、壳类等关键信息发生压实、断裂、位移 人类清扫、倾倒、践踏等行为 化学沉积期后作用 碳酸盐矿物 方解石、文石 1）与碳酸盐饱和滴水、地下水有关；2）大量存在可指示洞穴底面覆水环境；3）易在蝙蝠/鸟类粪便降解营造的酸性环境下溶解 硫酸盐矿物 纤维状石膏、菱形硬石膏 1）与蝙蝠/鸟类粪便降解有关；2）在干燥环境下蒸发形成 磷酸盐矿物 常以微晶结核、球粒、包膜形式存在 1）与蝙蝠/鸟类粪便降解有关；2）在不同pH值、基岩成分以及磷浓度等微环境条件下,可发生洞穴成岩作用 铁锰矿物 暗色,常使骨骼等成分染色 与蝙蝠/鸟类粪便降解、微生物活动及水饱和条件有关 -
原地碎屑堆积物是指受季节性气候变化、生物活动以及地震等因素的影响,洞穴的基岩或洞穴次生碳酸钙从洞壁或洞顶发生剥落,最终以不同形式堆积在洞穴底面,形成的崩塌堆积物,即“éboulis”或“roofspall”[10,16]。当洞穴底面不平坦或洞穴底面遭受地下河冲刷,崩塌堆积物会发生短距离的重力、水力搬运与堆积作用。在这些情况下,崩塌堆积物的碎屑结构特征（包括碎屑的粒度、分选性与磨圆度）主要与堆积位置以及搬运过程有关。粒度较小、分选性与磨圆度较好的崩塌堆积物可能经历过地下河流的搬运和堆积（图3a）。在一些以石英岩为基岩的洞穴中,如南非Pinnacle Point Cave 5-6[67],崩塌堆积物的主要成分为细粒石英岩碎屑,在小型重力流（gravity flows）的影响下可能发生微旋转变形（图3b）,有研究表明重力流的形成与人类用火产生的灰烬有关[101]。
图 3 原地碎屑堆积物
Figure 3. Autochthonous deposits
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风积物是指在风力作用下,由洞穴外部输入并堆积在洞穴底面的异地碎屑堆积物。风积物主要由分选较好的细—粉砂级碎屑组成,常混杂有骨骼、木炭与壳类等碎屑成分,易受径流、生物扰动、人类踩踏行为等沉积期后作用的影响[18,46,67,102]（图4a,b）。风积物常见于洞口较开阔或洞顶局部坍塌形成“天窗”的洞穴,其堆积速率往往由洞口的结构决定。在一些沿海洞穴,如南非的Pinnacle Point Cave 29、Staircase Cave以及Crevice Cave[68],随着海平面下降和海岸线后退,洞穴内的物质输入逐渐以风积物为主,甚至形成沙丘（dune）。因此,对风积物的微形态分析可用于海岸区域洞穴堆积过程的重建与对比[10,16,66⁃68]。
图 4 异地碎屑堆积物
Figure 4. Allochthonous deposits
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冲积物是指由地下河或洞外河流、洪水携带,在洞穴底面堆积的异地碎屑堆积物[10,16,103- 105]。冲积物的结构特征（粒度、分选性与磨圆性）主要取决于冲/洪积能量。冲积物显示与露天环境冲/洪积物类似的沉积构造特征[17,106],例如经历低能径流或片状冲刷的砂—粉砂堆积物发育水平层理,黏土堆积物局部集中发育脉状层理（图4c,d）,这些微细层的层理构造可指示古水流方向及强度,但易被沉积期后作用（如古气候环境扰动）破坏[18,107]。在洪水过境后的短暂平流时期,洞穴底面易形成平流堆积物（slackwater deposits）,主要由细粒的悬移质粉砂—黏土物质组成,并含有植物孢子、花粉、草木、根茎、碎叶和有机质等成分,因此可根据平流堆积层位划分古洪水事件[108⁃111]。
洞穴中还存在一些特殊情况下形成的冲积物。当洞口外部存在斜坡时,坡面上的堆积物会被地表水流搬运并堆积在洞口底面,形成洞口坡积物（entrance talus）,其分选性与磨圆度一般较差,孔隙度较高[10,111]。
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在长期封闭的洞穴内部,由于空气对流条件差且湿度较大,在水分与生物活动的作用下,常发育丰富的化学堆积物。最为常见的是洞穴次生碳酸钙（speleothems）,由富含CaCO3的滴水或地下水形成,包括滴石（如钟乳石、石笋）、流石（如钙华、边石）（图5a）,常用于铀系精确测年[112⁃113],作为古气候、古环境指标[114],还具有可靠的海平面指示意义[115]。洞穴钙华（cave tufa）的形成还与洞顶或洞壁上生长的植物有关[111]（图5b）。此外,当CaCO3饱和的滴水、地下水穿过洞穴底面时,可浸渍、胶结、角砾化先前存在的洞穴堆积物,形成岩溶角砾岩（breccia）。
图 5 化学堆积物
Figure 5. Chemical deposits
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洞穴作为天然庇护所,除被人类占领作为生活场所外,还吸引着各类生物到此栖息。在人类弃用洞穴的阶段,大型穴居肉食动物、鸟类、蝙蝠通常会占据洞穴,在洞穴底面残存大量的生物粪便堆积[43,83,116⁃117]（图6）。在人类占据洞穴阶段,狩猎、进食等行为会在洞穴底面残留大量动物骨骼（图7a,b）,人类在建造火塘用火的过程中,还会将动物骨骼作为一种燃料进行燃烧,导致骨骼的颜色、结晶程度发生变化。通常情况下,新鲜骨骼的颜色为自然白色—黄色,经燃烧后变为橙色—红色[89,118⁃119],因此对比烧骨的颜色程度,结合X射线衍射与傅里叶红外光谱技术手段分析烧骨的结晶程度,可进一步反推烧骨所经历的燃烧温度范围[48,120]。在一些沿海或临河洞穴中还存在壳类生物化石（如贝壳、蛋壳、蜗牛壳等）（图7c,d）,可能是由海水或河流输入至洞穴,或由人类带入进行食用或商用[59]。
图 6 生物粪便
Figure 6. Biological coprolites
图 7 生物堆积物
Figure 7. Biological deposit
在洞穴入口见光区,由于自然光照、环境温度和湿度条件较好,高等植物多在此处生长。在潮湿的洞穴微环境中,高等植物根系在吸收地下水的同时,还吸收了一定量的可溶性CaCO3,导致根系发生次生钙化,形成钙质根茎体（图7e,f）。当可溶性CaCO3经植物的输导组织传输并沉淀在植物细胞中时,则会形成植物细胞假晶（图7g,h）。同理,当地下水中可溶性SiO2经传输并沉淀在植物细胞中时,则会形成植硅体。在人类占据洞穴阶段,洞外的植物通常会被人类带入洞穴,作为一种燃料用于取火,或用于编制草席（详见3.4节讨论）。在燃烧过程中,如果植物经过不完全燃烧,则会发生碳化作用形成木炭（fossil charcoal）,其反射率可反映形成时的温度范围[46,121]；如果植物经过完全燃烧,则会形成大量灰烬（ash）,重结晶后可形成方解石,在某些特殊情况下会以植物细胞假晶的形态保存下来[111]。
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在许多洞穴遗址中,由于自然堆积过程十分缓慢,即便人类只在洞穴中进行过短暂的栖息,在关键文化层中的人为堆积物也可能多于自然堆积物。常见的人为堆积物包括人类骨骼化石、文化遗存（如赭石、石器、骨器等）[58⁃59,122]以及火塘、草席等古人类活动面（图8,详见3.4节）。
图 8 人为堆积物
Figure 8. Anthropogenic deposits
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物理沉积期后作用是指受自然、生物、人为营力作用的影响,洞穴堆积物的结构、构造以及空间位置发生改变,而成分未发生变化的过程。
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自然扰动是指古气候与古环境变化（温度、降雨量）、地震活动、新构造运动等自然因素对洞穴堆积物造成的扰动。在对自然扰动的微形态分析中,最为典型的是古气候与古环境变化对洞穴堆积物结构产生的扰动,随着低温冻融作用加剧,洞穴堆积物的微结构表现出板状—透镜状—粒状的逐渐过渡变化（图9,详见3.1节）。
图 9 低温冻融作用
Figure 9. Cryogenesis
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生物扰动主要是指穴居生物（如老鼠、蚯蚓等）的踩踏、翻找、挖掘等行为,以及植物根系的生长对洞穴堆积物造成的扰动,一方面会导致堆积物孔隙度增加,另一方面还会破坏关键文化层位的堆积信息,造成关键堆积物的垂直位移与混合,扰乱堆积物的原始空间分布,进而影响年代学分析结果[18,59,80,124]（图10a,b）。
图 10 物理沉积期后作用
Figure 10. Physical post⁃depositional processes
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人为扰动是指人类的清扫（sweeping）、倾倒（dumping）、踩踏（trampling）等行为对洞穴堆积物造成的扰动,如导致骨骼、壳类等关键信息发生压实、断裂、位移[43]（图10c,d）。Miller et al.[125]曾在重建火塘的实验中,在微观尺度下区分了清扫、倾倒、踩踏三种行为。
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化学沉积期后作用与洞穴内活跃的水文环境、蝙蝠/鸟类粪便以及其他有机质的聚集、氧化、降解密切相关,主要受水分、温度、pH值、氧化态和离子浓度等因素影响,控制着碳酸盐矿物、硫酸盐矿物、磷酸盐矿物以及铁锰矿物的形成[40, 126]。
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水是影响化学沉积期后作用最为关键的因素,主要控制着方解石、文石等碳酸盐矿物的沉淀与溶解（图11a,b）。在Karkanas et al.[86]对贵州盘县大洞的微形态分析中,发现堆积物中存在大量泥晶/亮晶方解石胶结物,由此推测洞穴底面曾长期被水覆盖。
图 11 化学沉积期后作用
Figure 11. Chemical post⁃depositional processes
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蝙蝠/鸟类粪便的降解是影响化学沉积期后作用的另一重要因素。蝙蝠/鸟类粪便在洞穴中不易保存,降解后溶解的CO2可营造酸性环境,同时释放硫酸盐、磷酸盐等多种酸根离子[35⁃36,40,47,102,104]。方解石、文石在酸性环境下发生溶解,释放的碳酸盐与硫酸盐发生反应,在干燥条件下蒸发可形成石膏[37,89,127⁃128]（图11c,d）。
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蝙蝠/鸟类粪便降解释放的磷酸盐,还可与方解石、文石溶解释放的碳酸盐发生反应,形成碳酸磷灰石（dahllite）。在不同的微环境条件下（如pH值、基岩成分以及磷浓度）,碳酸磷灰石进一步发生成岩作用（diagenesis）,可形成一系列磷酸盐矿物[18,36,40,104,126,129⁃130]（图11e,f）。Shahack-Gross et al.[128]研究洞穴蝙蝠粪便发现,磷钾铝石（taranakite）、磷铝石（variscite）通常在酸性条件下形成,可能是食虫蝙蝠粪便降解的结果。
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蝙蝠/鸟类粪便降解在营造酸性环境的同时,还可促进有机物发生氧化,创造还原条件,有利于铁锰矿物的形成（图11g,h）。此外,铁锰矿物的形成还与微生物活动（促进铁锰元素的迁移）以及水饱和条件（创造厌氧环境）有关[59,89,128]。
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棱角状洞穴碎屑堆积物的大量存在,曾被用于指示寒冷低温的古气候、古环境条件[131]。然而受沉积期后作用的影响,碎屑堆积物容易发生溶解或蚀变,其形状随之发生改变（图12）,因此将棱角状洞穴碎屑堆积物的丰度作为古气候、古环境变化指标存在较大的争议[18]。最新的研究证明,微形态分析可为恢复洞穴堆积物古气候、古环境研究提供更为可靠的证据。低温冻融作用（cryogenesis）是指在季节性的寒冷低温气候环境下,洞穴基岩裂缝和堆积物中的水分发生周期性的冻结、融化。在低温冻融作用初期,洞穴堆积物会逐渐产生裂缝,形成板状和透镜状结构。随着低温扰动程度的持续加强,洞穴堆积物的层理等构造特征逐渐被破坏,透镜状聚合物发生旋转,最终形成颗粒状结构[132]（图9a,b）。在意大利Arene Candide Cave[38]、Tana di Badalucco Cave[77]、法国Combe Sauni`ere[41]、西班牙Esquilleu Cave[78]、西伯利亚Denisova Cave[83]以及中国盘县大洞[86]等多个洞穴的微形态分析中均识别出典型的低温冻融作用。
图 12 蚀变崩塌堆积物
Figure 12. Dissolved Roof spall
古气候与古环境条件还可以反映古人类对洞穴占领阶段的性质与规律。McAdams et al.[43]根据对越南Con Moong Cave洞穴堆积物的微形态分析,结合云南小白龙洞穴石笋δ18O所记录的印度季风强度与区域降水量变化[133],证明在MIS 3时期,古人类对洞穴的占领发生在强季风环流和强降水时期,在干燥气候环境时期洞穴被弃用。
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在自然、生物、人为营力的作用下,不同年代、不同来源或不同成因的堆积物在洞穴底面叠置,形成一定的堆积层序和界面[12]。受沉积期后作用的影响,洞穴堆积物的堆积与埋藏过程以及相互之间的接触关系十分复杂,尤其人类活动产生的人为堆积物具有很强的变异性,这些因素都干扰着对洞穴剖面的整体研究。
为了更好地重建洞穴堆积物的堆积与埋藏过程,在对洞穴堆积物进行微形态分析的基础上,引入沉积微相的概念,以表征薄片、揭片、磨光面或堆积物样品中的沉积学和古生物学资料[69,134⁃137]。通过划分不同沉积微相类型,追踪重复出现的关键堆积物或沉积期后作用,分析其在水平和垂直方向上的变化,结合地层年代学框架,可重建洞穴堆积物在空间与时间上的堆积、埋藏演化历史（图13）。总结洞穴中典型沉积微相的发育、演化规律以及时空组合形式,还可进一步建立具有普遍意义的洞穴堆积物沉积微相模式。目前沉积微相分析已在多个洞穴的堆积物微形态分析中成功实践,如南非Blombos Cave[46]、Pinnacle Point Cave 5-6[67]、Sibudu Cave[69]、希腊Klisoura Cave 1[76]以及西班牙Cendres Cave[79]。
图 13 洞穴堆积物微相分析
Figure 13. Microfacies analysis of cave deposits
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重建洞穴堆积物的堆积与埋藏过程离不开地层年代学框架的构建。目前,洞穴堆积物的地层对比与年代研究以绝对测年方法为主[138]（图14）。14C测年主要针对木炭、贝壳、粪便、骨头等材料,年代测定范围在5万年以内[88]。释光测年主要针对堆积物中的石英与长石矿物,年代测定范围介于数百到数十万年[82]。铀系测年主要针对石笋、钙华等洞穴次生碳酸钙,年代测定范围为1千年至80万年[68]。
图 14 典型洞穴堆积物测年结果
Figure 14. Dating results of typical cave deposits
由于洞穴堆积物的堆积和埋藏过程十分复杂,且易受沉积期后作用的干扰,洞穴堆积层位并不总是遵守层序叠加律,可能遭受破坏,甚至发生混合、倒转,导致不同年代的测年材料或年代学指示物出现在同一层位中,影响最终测年结果的准确性。在2015年对湖南省福岩洞遗址人类化石和古脊椎动物化石的研究中,Liu et al.[141]利用铀系测年方法对钙板层位展开年代测定,推测覆盖于钙板层下方的人类化石的埋藏年代介于距今8~12万年。Sun et al.[142]在2019年对湖南省福岩洞遗址展开的研究工作中,直接对部分牙齿化石进行了14C测年,结果显示人类化石的埋藏年代未超过5万年。Sun et al.[142]认为Liu et al.[141]利用上下地层年代来确定人类化石的埋藏年代是不全面、不准确的,在洞穴内复杂的流水侵蚀与堆积过程的作用下,洞穴堆积层位可能发生倒转,造成所选用测年的钙板层位对下覆化石层可能是“假覆盖”。在Martinón-Torres et al.[143]对Sun et al.[142]的回复中认为,湖南省福岩洞内部结构复杂,Sun et al.[142]与Liu et al.[141]分别采集到的人类化石并非来自同一发掘剖面的同一层位,因此两批测年结果之间是否可以用于直接对比仍然值得商榷。在出土距今约1.9~2万年陶片的江西省仙人洞遗址中,Patania et al.[54]通过对洞穴堆积物展开微形态分析,确定了测年样品所处层位未受沉积期后作用的扰动,进一步证明了陶片埋藏年代的准确性与可信性。
因此,微形态分析可有效识别关键测年材料所处层位,分析沉积期后作用的影响,确定所处层位的完整性以及不同堆积层位之间的接触关系,充分记录层序背景以及堆积、埋藏过程,为构建洞穴地层年代框架提供有力可靠的证据。
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使用并控制火是人类演化过程中重要的技术变革和使用功能行为。火塘是这一技术与行为的物质表现,指人类有意将木材或植物材料运输至活动地点或居址,在特定位置将其燃烧后用于炊食、取暖或照明[32,144],因此对于火塘的研究一直受到学术界的广泛关注。对史前时期,特别是旧石器时代洞穴遗址中火塘的研究一直存在较大的争议,主要是由于：火塘的保存通常并不完整；对火塘的宏观研究通常是间接的、主观的描述,始终缺乏定量和定性的证据；自然火灾以及洞穴内蝙蝠/鸟类粪便自燃等现象会干扰对火塘的判断[145]。
Berna et al.[48]对南非Wonderwerk Cave的研究中,综合野外宏观观察证据以及微形态分析与傅里叶红外光谱分析结果,排除自然火灾或蝙蝠/鸟类粪便自燃现象,最终证实了洞穴内约1百万年前的人类主动用火行为。因此,微形态分析是识别火塘等人类主动用火遗迹最强有力的手段之一[46,48,52,146⁃147]（图8a,b）。微形态分析结合其他原位微区分析技术还可提供燃料类型、燃烧温度、强度、功能用途（如生活、宗教仪式）等信息,进一步结合傅里叶红外光谱分析可获得烧土与烧骨的燃烧温度范围[48,50,87]；结合拉曼光谱分析可判断炭质的性质（如脂质或木炭）[55]。
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在Wadley et al.[71]对南非Border Cave的研究中发现,至少在20万年前古人类便开始将洞穴周围的植物带入洞中,编制成草席（Bedding）,用于休息与劳作,最终古人类为驱除害虫并保持住处的清洁,会将草席燃烧。在对Sibudu Cave[69]与Cendres Cave[79]的微形态分析中,同样识别出草席燃烧的古人类活动面。后来在Wadley et al.[70]对Sibudu Cave的微形态研究,以及Miller et al.[123]的实验研究中发现,在草席燃烧过程中,顶部由于氧气充足,通常会形成细层状的高碱性灰烬（pH=9~13.5）,由98%的方解石和少量硅质成分（如植硅体）组成；而底部由于缺氧则会导致植物发生炭化（图8c,d）。
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动物骨骼油脂的开发和利用是古人类重要的生计方式,可为古人类的生存与活动提供能量来源和营养补充[148⁃149]。在旧石器时代晚期,通过煮熟加热骨骼提取油脂的行为活动已经较为普遍[148]。在Patania et al.[87]对湖南玉蟾岩洞穴的研究中,综合微形态分析与傅里叶红外光谱分析结果,发现受机械破碎的骨骼碎屑显示出与周围黏土不同的受热特征,由此推测是古人类利用陶器将骨骼煮熟加热,从中获取骨脂的结果。最新的实验研究表明,在微形态样品制备过程中,利用树脂混合物对原位堆积物样品进行胶固后,可从胶固样品中直接提取脂质以及生物标志物,利用气相色谱—质谱法确定其组成、含量和结构,判断其生物种属,进而揭示其中蕴含的古人类活动信息[56,149]。
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堆积物古DNA的研究已进入全基因组时代,随着近几年提取方法的不断革新,目前已在欧洲比利时Trou Al'Wesse Cave、克罗地亚Vindija Cave、西班牙El Sidrón Cave和Estatuas Cave、法国Caune de l'Arago Cave和Les Cottés Cave,西伯利亚Denisova Cave和Chagyrskaya Cave以及青藏高原白石崖溶洞等多个洞穴遗址的堆积物中成功采集到了古人类DNA信息[150⁃154]。
最新的实验研究证明,与脂质以及生物标志物类似,古DNA信息在胶固样品中同样可以完整保留[155]。此外,鉴于微形态分析未受扰动的特性,从样品采集到薄片制备的整个流程中,样品都保持着原位状态,因此胶固洞穴堆积物是古DNA采集的理想对象。在对西伯利亚Denisova Cave洞穴堆积物研究中发现,受沉积期后作用的影响,不同哺乳动物的古DNA分布存在毫米级的差异,因此古DNA在洞穴堆积物中的分布并不均匀[83]。微形态分析可有效识别骨骼、粪便化石等富含古DNA的关键成分（图15）,评估沉积期后作用造成的影响,从而提高胶固洞穴堆积物中古DNA的采集率,并将遗传信息与微地层尺度上的考古和生境记录紧密关联[84,155]。
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微形态分析可充分揭示洞穴堆积物中所蕴含的丰富地质与考古学信息,并为恢复洞穴古气候与古环境、重建洞穴堆积物的堆积与埋藏过程、构建地层年代学框架、解译古人类活动及遗传信息研究提供有力的证据。未来洞穴堆积物研究应重点开展以下几个方面的工作。
（1） 在我国,洞穴主要分布于长江中下游及其以南地区,尤以西南热带和亚热带气候区最为密集,目前仅在北京周口店洞穴、贵州盘县大洞、湖南玉蟾岩洞、江西仙人洞等少数洞穴开展了微形态分析工作。因此在未来对洞穴堆积物的研究中,微形态分析应作为关键手段,与传统的研究方法以及最新的原位微区分析测试手段（如TIMA自动矿物分析系统）相结合,使得对洞穴堆积物的解译更加完善、可信。
（2） 尽管微形态分析在各项学科领域中的应用越来越普遍,但大多数鉴定、描述与解译结果都取决于分析者的工作经验、个人技能以及知识体系,具有很强的主观性,对于某些关键现象的解译可能仍存在争议[15,156]。因此,为进一步增强微形态分析结果的可信度,在未来的微形态研究中应当：1）拓宽多学科领域的交叉合作,从不同专业的思维角度印证微形态分析结果的可靠性；2）定期召开国际学术交流与培训,统一专业术语,规范微形态分析的鉴定、描述与解译标准；3）开展实验研究,模拟洞穴堆积物的堆积与埋藏过程,探究沉积期后作用机理及其影响因素,为微形态分析的解译工作提供重要的参考依据。
（3） “深时数字地球”（DDE）是由我国科学家发起的国际大科学计划,旨在整合地球演化全球数据、共享全球地学知识[157]。目前关于洞穴堆积物的显微图像数据存在欠缺,因此将洞穴堆积物的微形态研究融入到DDE计划,一方面可加强各研究团队之间的交流共享,另一方面也可为日后的研究工作提供参考标准,为未来的学术研究建立数据档案和存储库。
洞穴堆积物 微形态特征 研究意义 示意图 原地碎屑堆积物 崩塌堆积物 成因复杂,粒度不等,形状不规则,分布不规律 1）受季节性气候变化、生物生长活动及地震活动等因素的影响,洞穴基岩或洞穴次生碳酸钙从洞顶、洞壁剥落；2）可受重力、地下水的影响发生短距离搬运与堆积,粒度、分选性、磨圆度可反映堆积位置与搬运过程；3）易受沉积期后作用的影响而发生溶解或蚀变 异地碎屑堆积物 风积物 成分主要为分选较好的细—粉砂级碎屑,常混杂有骨骼、木炭及壳类等碎屑成分 1）粒度、分选性、磨圆度取决于物源条件；2）常用于海岸区域洞穴堆积过程的重建与对比 冲积物 结构特征取决于冲/洪积能量,常发育层理构造 1）层理构造指示古水流方向及强度,易被沉积期后作用破坏；2）平流堆积物可用于划分古洪水事件 化学堆积物 洞穴次生碳酸钙 滴石（如钟乳石、石笋）、流石（如钙华、边石） 1）用于铀系精确测年；2）古气候、古环境指标；3）具有可靠的海平面指示意义time 生物堆积物 肉食动物粪便 浅黄色或棕黄色、纤维状、磷酸盐质致密团块,见骨屑、植物碎屑以及毛发形成的细长孔隙、胃气形成的囊泡 1）寒冷条件有利于粪便中遗传物质和脂质的保存,可从中提取aDNA和生物标记物；2）大量堆积指示人类弃用洞穴时期；3）用于14C测年 蝙蝠/鸟类粪便 单偏光下为黄棕色,呈纤维层状,多孔；正交偏光下为蓝灰色,均质 1）降解后营造酸性环境,促进化学沉积期后作用；2）影响骨骼及壳类的保存与分布；3）大量堆积指示人类弃用洞穴时期；4）用于14C测年 草食动物粪便 呈海绵状、纤维状,含有植物纤维、有机质、磷酸盐及矿物颗粒 1）多存在于新石器时代以来的洞穴遗址,反映家畜圈养信息；2）用于14C测年 骨骼 新鲜骨骼颜色为自然白色—黄色,烧骨颜色为橙色—红色 1）可作为人类用火的燃料,烧骨的颜色可反映大致的燃烧温度范围；2）利用XRD与FTIR手段,分析烧骨的结晶度,可得到精准的燃烧温度范围；3）用于14C测年；4）富含古DNA信息 壳类 蛋壳、贝壳、蜗牛壳 1）易在蝙蝠/鸟类粪便降解营造的酸性环境下溶解；2）大量堆积可反映稳定的洞穴环境；3）人类食用或商用；4）用于14C测年 壳类 蛋壳、贝壳、蜗牛壳 1）易在蝙蝠/鸟类粪便降解营造的酸性环境下溶解；2）大量堆积可反映稳定的洞穴环境；3）人类食用或商用；4）用于14C测年 植物碎屑 可保存有细胞结构,多以假晶形式的形式存在（如植硅体）,燃烧后会形成木炭或灰烬 1）多生长于洞穴入口见光区；2）由人类带入用于取火或编制草席；3）根系发育可增加堆积物的孔隙度；4）木炭可用于14C测年
Research Progress and Application of Micromorphology in Cave Deposits
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摘要: 洞穴是岩溶环境系统的重要组成部分,在发育过程中形成了极为丰富的洞穴堆积物。洞穴堆积物主要包括原地碎屑堆积物、异地碎屑堆积物、化学堆积物、生物堆积物以及人为堆积物,在堆积、埋藏过程中受到沉积期后作用的扰动。微形态是利用显微及超显微技术对原位定向样品进行研究的一门学科,旨在分析肉眼无法识别的成分、结构、构造特征,以及其时序、空间和成因关系。通过总结洞穴堆积物微形态研究的最新进展,重点介绍了微形态分析在恢复洞穴古气候与古环境、重建洞穴堆积物的堆积与埋藏过程、构建地层年代学框架、解译古人类活动及遗传信息等方面的应用,评估了洞穴堆积物中所蕴含的地质学与考古学价值。目前,在国内的洞穴堆积物研究中,微形态分析并未得到广泛的应用,由此展望了微形态分析的未来发展方向与广阔应用前景。Abstract: As the important part of a karst system, caves preserve numerous geological and archaeological deposits, including autochthonous, allochthonous, chemical, biological, and anthropogenic deposits, which are disturbed by the post-depositional processes in the cave deposit process. Micromorphology is the study of undisturbed, oriented samples, with the aid of microscopic and ultramicroscopic techniques, to identify the composition, texture, and structure that cannot be observed by the naked eye and deduce their chronological, spatial, and genetic relationships. Here, we reviewed the current research on micromorphological analysis of different cave deposits. The micromorphological analysis has been applied widely, including the restoration of the cave paleoclimate and paleoenvironment, the reconstruction of the cave deposit and burial process, the construction of stratigraphic chronology framework, and the interpretation of ancient human activities and genetic information. However, micromorphological analysis has not fully applied on the cave deposits in China. We are curious as to the broad application prospect of this effective research method.
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图 2 已开展过微形态研究的典型洞穴遗址分布
南非地区：1. Pinnacle Point Cave 13B[66]; 2. Pinnacle Point Cave 5⁃6[67]; 3~5. Pinnacle Point Cave 29, Staircase Cave, Crevice Cave[68]; 6. Blombos Cave[46]; 7. Sibudu Cave[69⁃70]; 8. Border Cave[71]; 9. Wonderwerk Cave[48]; 10. Drimolen palaeocave[72]; 地中海周缘：11. Haua Fteah Cave[73]; 12. Kebara Cave[74]; 13. Qesem Cave[75]; 14. Manot Cave[49]; 15. Klissoura Cave 1[76]; 16.Tana di Badalucco Cave[77]; 17. Arene Candide Cave[38]; 18. Combe⁃Saunière[41]; 19. Esquilleu Cave[78]; 20. Cendres Cave[79]; 21. Contrebandiers Cave[80]; 22. Ifri El Baroud[81]; 亚洲地区：23. Denisova Cave[82⁃84]; 24. Zhoukoudian Cave[85]; 25. Panxian Dadong Cave[86]; 26. Yuchanyan Cave[87]; 27. Xianrendong Cave[54,88]; 28. Con Moong Cave[43]; 29. Great Cave[89]; 30. Liang Bua[51]; 澳大利亚：31. Boodie Cave[59⁃60]
Figure 2. Distribution of typical cave sites where micromorphological studies have been conducted
Fig.2
图 3 原地碎屑堆积物
（a）崩塌堆积物,见灰岩与洞穴次生碳酸钙的角砾状碎屑,局部见钙质包膜（红色箭头）,暗场宏观扫描,Liang Bua,Indonesia[51]；（b）富基质的石英岩崩塌堆积物,具有旋转特征；碎屑呈弧形和线性排列,实线指示粗碎屑的排列方向,虚线指示细碎屑的排列,薄片扫描,Pinnacle Point 5⁃6,South Africa[67]
Figure 3. Autochthonous deposits
(a) roof spall, including angular clasts of limestone and speleothems, several of which show localised laminated calcareous coatings (with red arrows), dark field macroscan, Liang Bua, Indonesia[51]; (b) matrix⁃rich quartzite Roof spall showing rotational features with the arcuate and linear alignment of clasts, straight lines mark the long axes of large elongated clasts and dotted lines mark the main lines of fine clast alignment, thin section scans, Pinnacle Point 5⁃6, South Africa[67]
图 4 异地碎屑堆积物
（a）风成砂,主要为圆—次圆状砂级的石英（Q）,石英表面见明显沙漠漆,见褐色富有机质（OM）及暗色烧焦聚合物（红色箭头）,PPL,Pinnacle Point 5⁃6,South Africa[67]；（b）风成砂,主要成分为次圆状、分选较好、中—粗粒石英（Q）,见生物碎屑（绿色箭头）、粉砂岩屑（黄色箭头）、重矿物（蓝色箭头）,被弯月状泥晶方解石（白色箭头）与亮晶方解石胶结,PPL,Crevice Cave,South Africa[68]；（c,d）粉砂—黏土堆积物,由低能径流形成,见水平层理构造,PPL,XPL,Bois Roche,France[18]
Figure 4. Allochthonous deposits
(a) aeolian sand consisting of rounded to sub⁃rounded sand⁃grains, mostly quartz (Q) with several brown organic⁃rich (OM) and black charred microaggregates (red arrow) in between sand grains, plain polarized light (PPL), Pinnacle Point 5⁃6, South Africa[67]; (b) aeolian sand consisting of sub⁃rounded, sorted, medium⁃coarse sand composed mainly of quartz (Q), but also bioclasts (with green arrow), a few siltstone grains (with yellow arrow), and heavy mineral grains (with blue arrow), cemented by meniscus micritic (with white arrow) and sparite calcite, PPL, Crevice Cave, South Africa[68]; (c, d) silty clayey sediment deposited through low energy runoff, These microfabrics are characterized by horizontal bedding, PPL, cross polarized light (XPL), Bois Roche, France[18]
图 6 生物粪便
（a）鬣狗粪便（红色箭头）,次棱—圆状,浅黄色,均质,边缘呈深褐色,PPL,Denisova Cave,Russia[83]；（b）草食动物粪便,含有植物纤维（红色箭头）,PPL,Boodie Cave,Australia[59]；（c）鸟类粪便,黄褐色,包含骨骼碎屑（红色箭头）,PPL；（d）鸟类粪便,蓝灰色,均质,XPL[18]
Figure 6. Biological coprolites
(a) hyena coprolites (with red arrows), Rounded to sub⁃angular, with a pale yellow and homogeneous fabric and a darker brown rim, PPL, Denisova Cave, Russia[83]; (b) herbivore excrement containing plant fibres (with red arrows), PPL, Boodie Cave, Australia[59]; (c) bird guano containing bone (with red arrow), yellow brown, PPL; (d) bird guano, bluish grey and isotropic, XPL[18]
图 7 生物堆积物
（a）海绵状骨骼碎屑（B）,显示烧焦迹象,PPL；（b）牙齿碎屑（B）,存在于灰烬聚合物中,PPL,Contrebandiers Cave,Morocco[80]；（c）蛋壳（红色箭头）,PPL；（d）灰岩中的壳类化石（红色箭头）,PPL,Boodie Cave,Australia[59]；（e,f）根茎体（R）,对烧骨（B）造成了扰动,PPL,XPL,Pinnacle Point Cave 13B,South Africa[66]；（g）植物假晶（PP）,黄褐色,细胞状,磷酸盐质,PPL,Great Cave of Niah,Borneo[89]；（h）钙质根管石,XPL,Contrebandiers Cave,Morocco[80]
Figure 7. Biological deposit
(a) cm⁃size spongy bone fragment (B) showing signs of burning, PPL; (b) tooth fragments (B) within one of the ash accumulations, PPL, Contrebandiers Cave, Morocco[80]; (c) eggshell (with red arrow); (d) fossil shell (with red arrow) within limestone, Boodie Cave, Australia[59]; (e, f) root casts (R), note the disturbance of a burnt bone (B) by the rooting. PPL, XPL, Pinnacle Point Cave 13B, South Africa[66]; (g) yellowish-brown, cellular, phosphate plant pseudomorph (PP), PPL, Great Cave of Niah, Borneo[89]; (h) calcitic rhizoliths attesting to plant growth in localized areas, XPL, Contrebandiers Cave, Morocco[80]
图 8 人为堆积物
（a,b）完整火塘,包括烧红的堆积物基底（Ru）,上覆烧焦的植物碎屑（Ch）,顶部为灰烬（Ash）,见烧骨碎屑（B）及石器碎屑（L）,PPL,XPL[32]；（c）烧焦草席,见层状碳化物,且由浅色的植硅体薄层分隔,XPL,Sibudu Cave,South Africa；（d）烧焦草席实验例,见与c类似的层状植硅体与炭化植物秆,PPL[123]；（e）石英岩质石器碎屑,PPL；（f）灰岩质石器碎屑,XPL,Boodie Cave,Australia[59]
Figure 8. Anthropogenic deposits
(a, b) intact hearth, containing a basal layer of rubified sediment (Ru) overlain by charred plant fragments (Ch) and topped with ashes (Ash). the sequence also contains microscopic artifacts such as bone fragments (B) and lithic debitage (L), PPL, XPL[32]; (c) archaeological example of burnt bedding Sibudu Cave, South Africa, Notice the distinct zones of laminated carbonized material separated by thin, light colored layers of phytoliths, XPL; (d) experimental example of laminated phytoliths and carbonized culms, notice the similarity in appearance of the laminations compared to the archaeological example, PPL[123]; (e) possible quartz shard, PPL; (f) possible limestone shard Boodie Cave, Australia, XPL[59]
图 9 低温冻融作用
（a）低温冻融作用初期,均质、细粉砂方解石（Cal）呈板状微观结构（由裂隙界定）,PPL；（b）低温冻融作用后期,见透镜状或颗粒状微观结构,碎屑边缘见叶状方解石（Cc）及弯月状黏土包膜（白色箭头）,XPL,盘县大洞,中国[86]；（c,d）囊泡,具有圆形、规则、光滑的表面,PPL,XPL；（e,f）粉砂包膜,覆盖在基岩碎屑上（红色箭头）,PPL,XPL,Tana di Badalucco Cave,Italy[77]
Figure 9. Cryogenesis
(a) early stage of cryogenesis, homogeneous fine silty calcite (Cal) with incipient platy microstructure (defined by fissure pattern), PPL; (b) late stage of cryogenesis, lenticular and granular microstructure with grains having rims of bladed calcite (Cc) and dusty clay meniscus coatings (with white arrow), Panxian Dadong Cave, China. XPL[86]; (c, d) vesicles are easily recognizable thanks to their characteristic well⁃rounded shape and regular smooth surface. PPL, XPL; (e, f) silt capping above a rock fragment (with red arrow), Tana di Badalucco Cave, Italy, PPL, XPL[77]
图 10 物理沉积期后作用
（a）扁平的植物或昆虫通道（V）,边缘见富铁粉砂外包膜（红色箭头）,PPL,Boodie Cave,Australia[59]；（b）木炭碎片受通道（V）扰动,PPL,Contrebandiers Cave,Morocco[80]；（c,d）骨骼碎屑,砂砾大小,可能经历过燃烧,并在原位折断,骨骼碎屑部分被方解石交代（白色箭头）,PPL,XPL,Con Moong Cave,North Vietnam[43]
Figure 10. Physical post⁃depositional processes
(a) iron⁃rich silty quasi⁃coating (with red arrow) around a flattened plant/insect channel (V), Boodie Cave, Australia, PPL[59]; (b) charcoal fragment disturbed by a passage feature (V), Contrebandiers Cave, Morocco, PPL[80]; (c, d) sand⁃sized, bone fragment, possibly burnt, fractured in situ. Bone fragment partly replaced by calcite (with white arrow), Con Moong Cave, North Vietnam. PPL, XPL[43]
图 11 化学沉积期后作用
（a,b）骨骼碎屑（B）,见次生碳酸盐沉淀胶结,PPL,XPL；（c）纤维状石膏（G）,形成于骨骼碎屑（B）与灰岩岩屑（Ls）之间,XPL,Boodie Cave,Australia[59]；（d）菱形硬石膏晶体（A）和石膏残核（G）,XPL,Pinnacle Point Cave 13B,South Africa[66]；（e,f）磷钾铝石结核（Tr）,周缘为微淡磷钾铁矿球粒（L）,PPL,XPL,Klissoura Cave,Greece[129]；（g）铁锰聚合物,含有带状磷酸盐结核（白色箭头）,PPL；（h）铁锰矿物,含有石英砂粒（白色箭头）,PPL,Con Moong Cave,North Vietnam[43]
Figure 11. Chemical post⁃depositional processes
(a, b) bone fragment (B) with secondary carbonate precipitation, PPL, XPL; (c) fibrous gypsum (G) intergrowths within void between bone (B) and limestone fragment (Ls)., Boodie Cave, Australia, XPL[59]; (d) lozenge⁃shaped crystals of anhydrite (A) with remnant cores of gypsum (G), Pinnacle Point Cave 13B, South Africa, XPL[66]; (e, f) taranakite aggregated nodule (Tr) surrounded by leucophosphite spherulites (L), Klissoura Cave, Greece, PPL, XPL[129]; (g) Fe/Mn aggregate containing banded phosphatic nodules (with white arrow), PPL; (h) Fe/Mn aggregate containing quartz sand (with white arrow), Con Moong Cave, North Vietnam, PPL[43]
图 12 蚀变崩塌堆积物
（a）崩塌堆积物遭受溶蚀,基岩为砂屑灰岩（CF）,见磷酸盐蚀变边缘（红色箭头）,PPL；（b）蚀变边缘显示明显的均质特性,XPL,Contrebandiers Cave,Morocco[80]
Figure 12. Dissolved Roof spall
(a) roof spall calcarenite fragment (CF) being dissolved and displaying a phosphatic alteration rim (red arrow), PPL; (b) same as (a) where the isotropic nature of the alteration rim is clear, Contrebandiers Cave, Morocco, XPL[80]
图 13 洞穴堆积物微相分析
（a）样品光面扫描,见灰烬（A）、骨骼碎屑（B）、基岩碎屑（BR）、有机质（OM）、壳类（SF）；（b）薄片扫描（PPL）；（c）微相分析（详见文献[46]）
Figure 13. Microfacies analysis of cave deposits
(a) block scans; A. ash; B. bone fragment; BR. bedrock fragment; OM. organic material; SF. shellfish; (b) thin section film scans (PPL); (c) microfacies analysis (for more details, see reference [46])
图 14 典型洞穴堆积物测年结果
洞穴数字代号同图2；9. Wonderwerk Cave测年结果为1.58~0.99 Ma（宇生核素埋藏测年）；10. Drimolen palaeocave测年结果为2.77~1.78 Ma（US⁃ESR、U⁃Th测年）；15. Klissoura Cave 1测年结果参考文献[139⁃140]；16. Tana di Badalucco Cave测年结果未发表；24. Zhoukoudian Cave（北京猿人遗址第一地点）利用了裂变径迹、热释光、U系、古地磁四种测年方法
Figure 14. Dating results of typical cave deposits
Fig.14 
图 15 注胶固化样品的DNA采集[155]
（a）胶固样品光面的宏观扫描；（b）DNA的常规及微观采样点位（圆圈）；（c）由μXRF扫描P（橙色）与Ca（湖绿色）元素获取的磷酸钙（黄色）分布图,指示骨骼中的羟基磷灰石、粪便及含磷质灰岩的分布
Figure 15. DNA extraction from impregnated sediment[155]
(a) macro scan of the surface of the impregnated sediment; (b) locations of the regular and micro sampling spots from which DNA was extracted (size of sample indicated by circle size); (c) a μXRF surface scan for P (orange) and Ca (aqua) produces a distribution map of calcium phosphate (yellow) that indicates fragments of hydroxyapatite from bone, coprolite, and phosphatized limestone
表 1 原位微区分析技术
序号 原位微区分析技术 样品类型 功能意义 参考文献 1 微形态分析（micromorphological analysis） 薄片 1）单偏光、正交偏光下观察物质成分、结构及构造,识别关键的沉积期后作用；2）荧光下识别有机质和磷酸盐物质；3）反射光下识别煤、不透明组分和有机质 Courty et al.[13]；Bullock et al.[25]；Stoops [19,33]；Ligouis[34] 2 扫描电镜—背散射电子探头/能谱仪/阴极发光/背散射电子衍射仪（SEM-BSE/EDS/CL/EBSD） 薄片 1）观察超微观尺度下的物质成分、形貌、结构特征；2）配置背散射电子探头（BSE）,可获得高分辨形貌特征；3）配置能谱仪（EDS）,可获取微区元素组成,对物质成分做出鉴定并进行半定量分析；4）配置阴极发光（CL）,可对物质内部结构进行表征,用于碳酸盐研究；5）背散射电子衍射仪（EBSD）,可识别物相及晶体结构信息 Schiegl et al.[35]；Karkanas et al.[36]；Karkanas[37]；Rellini et al.[38]；Wilson[39] 3 X射线衍射（XRD） 薄片/胶固样品/粉末样品 分析矿物类型、组合及分布特征 Weiner et al.[40]；Ajas et al.[41]；Berthold et al.[42]；McAdams et al.[43] 4 X射线荧光光谱（XRF） 薄片/胶固样品/粉末样品 1）点分析可确定薄片中难以识别的成分或特征；2）线分析可获得主量、微量元素的半定量分布趋势 McAdams et al.[43]；Mentzer et al.[44]；Mentzer[45]；Haaland et al.[46] 5 傅里叶红外光谱（FTIR） 薄片/胶固样品/粉末样品 识别自生矿物、有机物,并确定其结晶程度、保存状态及加热程度 Ajas et al. [41]；Weiner et al.[47]；Berna et al.[48⁃49]；Berna[50]；Morley et al.[51]；Haaland et al.[52]；Monnier[53]；Patania et al.[54] 6 拉曼光谱（Raman） 薄片/胶固样品/粉末样品 确定炭质的性质及成因,结合微形态分析可进一步判断燃烧温度以及燃料类型 Ajas et al.[41]；Morley et al.[51]；Lambrecht et al.[55] 7 气相色谱—质谱法（GC-MS） 胶固样品/粉末样品 分析堆积物中油脂等有机残留物质的组成、含量和结构 Rodríguez de Vera et al.[56] 8 显微CT扫描（micro-CT） 胶固样品 对堆积物的物质成分、有机物及孔隙进行3D空间分析 Ngan-Tillard et al.[57]；Haaland et al.[58] 9 QEMSCAN 薄片 可自动扫描识别物质成分,并作出定性、定量分析 Ward et al.[59] 10 TIMA Ward et al.[60] 
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表 2 常见洞穴堆积物的微形态分析 (续表)
洞穴堆积物 微形态特征 研究意义 示意图 石器碎屑 微米至厘米级,岩性主要为燧石、石英岩及玄武岩,棱角分明,表面规则光滑,边缘轮廓清晰且突出 1）具有较强的抗风化侵蚀能力,与周围成分形成强烈对比；2）尺寸较小,数量较少,所反映的信息比较有限 火塘 完整火塘见烧红基底,上覆烧焦的植物炭质,可见烧骨碎屑,顶部为灰烬 反映古人类主动用火行为 草席 顶部为细层状的高碱性灰烬,主要由方解石与植硅体组成,底部主要为炭质 1）由古人类编织,用于休息与劳作；2）最终被燃烧,以驱除害虫并保持住处的清洁 物理沉积期后作用 自然扰动 以古气候与古环境变化扰动最为典型,随着扰动程度的增强,微结构表现为板状—透镜状—粒状的过渡变化 反映古气候、古环境信息,如低温冻融作用 生物扰动 穴居生物（如老鼠、蚯蚓等）的踩踏、翻找、挖掘等行为,以及植物根系的生长,在堆积物中形成孔隙与通道 1）增加堆积物的孔隙度；2）造成关键堆积物的垂直位移与混合 人为扰动 骨骼、壳类等关键信息发生压实、断裂、位移 人类清扫、倾倒、践踏等行为 化学沉积期后作用 碳酸盐矿物 方解石、文石 1）与碳酸盐饱和滴水、地下水有关；2）大量存在可指示洞穴底面覆水环境；3）易在蝙蝠/鸟类粪便降解营造的酸性环境下溶解 硫酸盐矿物 纤维状石膏、菱形硬石膏 1）与蝙蝠/鸟类粪便降解有关；2）在干燥环境下蒸发形成 磷酸盐矿物 常以微晶结核、球粒、包膜形式存在 1）与蝙蝠/鸟类粪便降解有关；2）在不同pH值、基岩成分以及磷浓度等微环境条件下,可发生洞穴成岩作用 铁锰矿物 暗色,常使骨骼等成分染色 与蝙蝠/鸟类粪便降解、微生物活动及水饱和条件有关
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洞穴堆积物 微形态特征 研究意义 示意图 原地碎屑堆积物 崩塌堆积物 成因复杂,粒度不等,形状不规则,分布不规律 1）受季节性气候变化、生物生长活动及地震活动等因素的影响,洞穴基岩或洞穴次生碳酸钙从洞顶、洞壁剥落；2）可受重力、地下水的影响发生短距离搬运与堆积,粒度、分选性、磨圆度可反映堆积位置与搬运过程；3）易受沉积期后作用的影响而发生溶解或蚀变 异地碎屑堆积物 风积物 成分主要为分选较好的细—粉砂级碎屑,常混杂有骨骼、木炭及壳类等碎屑成分 1）粒度、分选性、磨圆度取决于物源条件；2）常用于海岸区域洞穴堆积过程的重建与对比 冲积物 结构特征取决于冲/洪积能量,常发育层理构造 1）层理构造指示古水流方向及强度,易被沉积期后作用破坏；2）平流堆积物可用于划分古洪水事件 化学堆积物 洞穴次生碳酸钙 滴石（如钟乳石、石笋）、流石（如钙华、边石） 1）用于铀系精确测年；2）古气候、古环境指标；3）具有可靠的海平面指示意义time 生物堆积物 肉食动物粪便 浅黄色或棕黄色、纤维状、磷酸盐质致密团块,见骨屑、植物碎屑以及毛发形成的细长孔隙、胃气形成的囊泡 1）寒冷条件有利于粪便中遗传物质和脂质的保存,可从中提取aDNA和生物标记物；2）大量堆积指示人类弃用洞穴时期；3）用于14C测年 蝙蝠/鸟类粪便 单偏光下为黄棕色,呈纤维层状,多孔；正交偏光下为蓝灰色,均质 1）降解后营造酸性环境,促进化学沉积期后作用；2）影响骨骼及壳类的保存与分布；3）大量堆积指示人类弃用洞穴时期；4）用于14C测年 草食动物粪便 呈海绵状、纤维状,含有植物纤维、有机质、磷酸盐及矿物颗粒 1）多存在于新石器时代以来的洞穴遗址,反映家畜圈养信息；2）用于14C测年 骨骼 新鲜骨骼颜色为自然白色—黄色,烧骨颜色为橙色—红色 1）可作为人类用火的燃料,烧骨的颜色可反映大致的燃烧温度范围；2）利用XRD与FTIR手段,分析烧骨的结晶度,可得到精准的燃烧温度范围；3）用于14C测年；4）富含古DNA信息 壳类 蛋壳、贝壳、蜗牛壳 1）易在蝙蝠/鸟类粪便降解营造的酸性环境下溶解；2）大量堆积可反映稳定的洞穴环境；3）人类食用或商用；4）用于14C测年 壳类 蛋壳、贝壳、蜗牛壳 1）易在蝙蝠/鸟类粪便降解营造的酸性环境下溶解；2）大量堆积可反映稳定的洞穴环境；3）人类食用或商用；4）用于14C测年 植物碎屑 可保存有细胞结构,多以假晶形式的形式存在（如植硅体）,燃烧后会形成木炭或灰烬 1）多生长于洞穴入口见光区；2）由人类带入用于取火或编制草席；3）根系发育可增加堆积物的孔隙度；4）木炭可用于14C测年
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