洞穴次生碳酸盐是饱含CO₂的地下水溶蚀石灰岩后到达洞穴，CO₂ 释放或水分蒸发导致溶液中CaCO₃过饱和而沉淀形成的，其主要形态有石钟乳、石笋、石柱等。石钟乳是从洞顶垂直往下悬挂的堆积形态。最初的堆积围绕于出水口发生，接着形成小管（鹅管），往下加长和往内加厚。当管内滴水不畅时，水会穿过管壁，沿壁外下流，并在管外形成堆积。如果滴水充足，石钟乳末端的滴水会滴在洞底的位置，产生与石钟乳相对应的但生长方向相反的石笋。它的外形与下滴的水量和高度有关。大的水量或高的跌落都会失去尖笋状的外观，变为山丘状。若石钟乳下伸触及洞底，或石笋长至洞顶或两者相向对生后连接时，就成为石柱，但当滴水的碳酸钙含量不饱和时，则会产生溶蚀及滴水窝。堆积形态有时会由于地壳运动或洞底、洞顶的破坏，供水位置或水质水量的改变导致弯曲变形。

图1 石钟乳、石笋、石柱的形成

 

图2 石笋抛光面

 

由于洞穴滴水来源于大气降水，滴水中的CO₂主要由土壤中微生物活动和植物根系的呼吸作用而产生，而且洞穴碳酸盐形成所经历的地球化学作用过程都受到气候和环境因素的影响和控制，因此其生长速率及物质组成均可反映洞穴上部气候和环境的变化。在洞穴次生碳酸盐中，石笋由于受干扰少、沉积稳定等特点成为过去气候环境变化研究的理想材料，有许多指标（如碳氧同位素、微量元素、生长速率、孢粉、流体包裹体、微生物等）被提取用来研究洞穴上部气候和环境的变化，在这些指标中应用最多、最广泛的就是碳氧同位素。

洞穴次生碳酸盐的古气候研究早在20世纪60年代就开展起来，如Hendy 和 Wilson在1968年提出洞穴次生碳酸盐可以用来恢复古温度变化，并利用新西兰石笋δ¹⁸O重建了当地的古温度。随后在1971年又提出判断洞穴次生碳酸盐能否用来进行古气候研究的两个条件，即著名的“Hendy 准则”；Duplessy 等人在1970年利用石笋δ¹⁸O重建了法国130~90 ka BP的温度变化；Thompson 等人在1976利用美国西弗吉尼亚的石笋δ¹⁸O重建了最近200 ka的古温度记录；在国内，陈跃等人1986年对北京周口店石笋样品进行了分析，建立了距今8~5 万年北京地区的古温度变化。

然而，直到20世纪80年代末90年代初发展起来的高精度热电离质谱（Thermal Ionization Mass Spectrometry, TIMS）以及90年代后期的电感耦合等离子质谱（Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry, ICP-MS）在洞穴次生碳酸盐铀系定年研究中的应用以及稳定同位素分析测试技术的发展，才使得洞穴次生碳酸盐在高分辨率古气候、环境研究中占有不可或缺的一席，研究区域遍布亚洲、欧洲、非洲、美洲和大洋洲，取得了一系列引人瞩目的成果。我国研究者利用洞穴石笋记录在亚洲季风系统（东亚季风、印度季风）不同时间尺度（年—十年—百年—千年到万年）变迁的历史、幅度、原因及其全球联系的研究上取得了许多重要成果，引起了国际同行的普遍关注。相信随着研究的深入，中国的洞穴次生碳酸盐工作将有助于人们进一步认识亚洲季风这一地球气候系统的重要子系统，为预测未来气候变化趋势做出重要贡献。