巖性差異對石材開發利用方式的影響研究
——以長嶼硐天和龍游石窟為例

楊秋彬，葉 瑋，呂惠進，王學燁，顏麗美，吳江潔，劉超凡

(浙江師范大學地理環境學院，浙江金華 321004)

浙江省地貌特征呈“七山一水二分田”的格局，因所處的大地構造單元獨特，在長期的地質演化歷史進程中，形成了種類多樣且儲藏量大的石材資源，奠定了浙江省在中國石材資源開發業中的地位。由于地層、巖性、地貌、水文、區位、采石歷史、經濟發展水平等因素的差異，石材資源的開發利用方式存在區域差異。溫嶺長嶼硐天主要開采中生代的火山碎屑巖，開發歷史悠久，已被批準設立為國家礦山公園，在浙東南地區具有典型性和代表性。龍游石窟主要的開采對象是中生代紅色盆地中的粉砂巖，形成了典型的人工丹霞地貌，在浙江省境內的中生代紅色巖系分布區具有典型性和代表性。上述兩個區域由于地理環境條件的差異，導致石材資源開發方式的地域分異。筆者通過野外調查，文獻資料整理的方法，分析巖性差異對長嶼硐天和龍游石窟開發方式的影響，探索石材資源開發利用方式的空間差異規律，以探究人與自然地理環境和諧相處之道。

1 長嶼硐天和龍游石窟巖性差異

1.1 長嶼硐天巖性特征

1.1.1 長嶼硐天概況。長嶼硐天位于溫黃平原南部，分布在臺州灣南隅溫嶺市中部的樓岙山、黃監山、鳳凰山一帶［1］，面積約10 km2。該區為亞熱帶季風氣候，全年溫和濕潤，年均溫17.4℃，年均降雨量1 702.1 mm，雨量豐富;該區主要地貌類型為低山丘陵，受流水侵蝕作用影響明顯，早白堊世的流紋質火山碎屑巖是當地重要的巖石類型，其次為少量的流紋斑巖等次火山巖，2005年成為雁蕩山世界地質公園的一個園區，2010年成為國家礦山公園。

1.1.2 長嶼硐天巖性。根據區域地質資料，溫嶺處于浙江省東南沿海火山巖帶東南段，中生代火山活動強烈，火山巖分布廣泛，區內出露地層大部分為中生代上侏羅統磨石山群火山沉積巖系［2］，還有一小部分為第四系地層。灰白色流紋質角礫凝灰巖為長嶼硐天采石的主要對象，形成凝灰巖的古火山碎屑錐錐體，中心由珍珠巖和流紋斑巖組成，外圍是席狀展開的火山碎屑流堆積物，整個火山錐底面30 km2左右，高約500 m［3］。這一帶噴發的火山碎屑主要是被拋射入高空后降落下來的，屬空落凝灰巖，其形成原因為火山爆發，圍巖崩碎形成的碎屑物被拋至高空，通過風力搬運和重力作用后，碎屑物降落，經壓實和水化學膠結過程形成巖石，因而巖石成巖時溫度較低，未經歷熔結作用，使得該地含角礫凝灰巖結構較疏松，密度較小，利于開發利用。凝灰巖形成后受后期構造破壞和剝蝕影響小，大部分巖石粒度在0.1～0.25 mm，材質細膩。長嶼地區凝灰巖強度中偏上，一般民用已經足夠。此外長嶼硐天凝灰巖具有儲藏量大、厚度大、完整性大、規模大、成層性好、保存好等特點，為大規模開采提供了基礎。

1.2 龍游石窟巖性特征

1.2.1 龍游石窟概況。龍游石窟地處金衢盆地西部，位于浙江省龍游縣，處于錢塘江上游衢江北岸河漫灘以上的丘陵地帶，為亞熱帶季風氣候，年均溫17.3℃，多年平均降水量1 622 mm，集中于3～6月，地形以丘陵為主［3］。由于所在地層處于兩大古陸塊的碰撞地帶，所以地質歷史時期常發生沉降，第三紀衢江紅砂巖廣泛沉積。自龍游石窟被發現以來，其用途之謎仍未解開，不同學者看法不同，有藏軍說、倉庫說、采石說、采石非唯一目的說、陵墓說、祭祀說、礦寇所居說、地下宮殿說［4－12］。但是，可以肯定的是，龍游石窟是我國古代最高水平的地下空間開發利用工程［13］，其開鑿出的石材被外運利用，紅色砂巖、粉砂巖是其主要開鑿對象。

1.2.2 龍游石窟巖性。龍游石窟分布于由水平層狀巖層構成的上白堊統金華組二段之中［14］，棕紅、淺棕紅色粉砂巖、細砂巖是該段主要巖石，此外還有灰白色厚層狀砂巖、砂礫巖透鏡體和礫砂巖。該區紅砂巖巖體強度中偏下，利于人工開鑿;巖體結構為塊狀、完整狀。

砂巖最大的特點就是易風化。據現有研究資料，龍游石窟洞室砂巖礦物成分由碎屑物(70%)和膠結物(30%)組成:碎屑物有石英、長石、鋯石、銳鈦礦、電氣石等，其中石英占65%，長石、鋯石、銳鈦礦、電氣石約占5%;膠結物主要為泥質物質和方解石，其中泥質物質含量大于20%，方解石分布很不均勻［14－15］。李黎、谷本親伯通過X－射線衍射分析，發現龍游石窟砂巖泥質膠結物組成成分有石英、斜長石、蒙脫石、伊利石、綠泥石、方解石和赤鐵礦，蒙脫石含量較高［15］。由于蒙脫石是膨脹性黏土礦物，在反復吸水膨脹和失水收縮的作用下，會減弱龍游石窟砂巖的抗風化能力。

2 長嶼硐天和龍游石窟開發方式差異

2.1 采石方式差異

2.1.1 長嶼硐天采石方式。長嶼硐天主要采取豎井開采、平硐運輸、連硐擴展的石材資源開發模式。開采石料有條石與石板兩種，長嶼地區憑借當地角礫凝灰巖厚度巨大的特點，以開采石板為主。其石板開采的主要工序自古流傳下來沒有太大變化，一直沿用鐵釬和榔頭相結合的手工生產工藝。采石的主要流程為開面試采—打巖頭與打銷——打斷—拄巖及劃線—鑿錚—出板六大工序。圖1a為打巖頭打銷留下的排孔遺跡，鑿出排孔后，石工根據開采石板大小鑿出補孔(圖1b)，然后由4～6個石工同時工作完成出板。

圖1 兩地野外調查圖像資料

采石形成的采坑形式主要為階坎式、直穴式和覆鐘式3種。階坎式(圖1c)和直穴式均屬露天開采，是比較原始的采礦方式，位于突出而完整的巖壁上，有水平和豎向兩種采石面組成，呈簸箕狀。基巖裸露的山坡表層或淺層多采用此種采石方式，一般規模較小。直穴式采坑現多因有積水而成石水塘，比如凌霄硐一帶。覆鐘式(圖1d)屬半露天采石方式，一般從山側開口，自地表向下開采，入口小，但隨著開采深度的加大，向下開采面積逐漸擴大，直至開采結束，形成覆鐘式的采坑。

長嶼硐天石材資源開發較早，至今已有1 500多年歷史，期間形成了28個大小不等的硐群，硐體一般高40 m，寬30～50 m，其中最高達73.4 m，最寬達56.8 m，規模之大令人震驚。規模如此宏大的硐群雖然沒有支撐的石柱或巖柱，卻能屹立千年而不坍塌。究其原因，古人在開采石材時，利用穹形結構保證洞內的穩定性，不同于龍游石窟。

2.1.2 龍游石窟開鑿方式。從洞內形態特征可見，龍游石窟和長嶼硐天的開鑿方式有顯著區別。龍游石窟內并沒有發現與長嶼硐天類似的排孔、補孔遺跡，但是洞內頂板、墻壁和巖柱的表面隨處可見排列整齊的斜向紋理(圖1e，f)和水平紋理。水平紋理高約8～10 cm，斜向紋理每層高度約50～70 cm，與民間所用的條石高度相符。洞頂上形成放射狀鑿痕，洞窟內形成環狀鑿痕，由條狀石材分層開采、逐層下剝的方法所致［12，16－17］。魚尾柱(圖 1g)是龍游石窟另一大特點:朝洞口一面寬而方，朝洞內的窄而尖，同時以弧形方式過渡［18］。

洞窟開鑿從洞口開始，入洞后再對待開鑿的巖體進行分層開挖，越向下開鑿面積越大，最終形成斜頂結構，同時留下魚尾形巖柱，臺階、洞窟整體呈倒斗形結構。通過對斜頂與平頂兩種模型下的應力和位移的對比分析，發現斜頂結構在應力方面遠優于平頂結構;對比分析魚尾形巖柱和方形巖柱的應力與位移情況，魚尾形巖柱具有更好的阻止頂板下沉的功能［13］。從斜坡洞頂巖體的傾向和傾角與巖體主干組節理裂隙面基本一致這一點，足以說明倒斗形結構的形成與巖體特征關系密切。古人通過順層開鑿，可以節省時間精力，提高工作效率?？紤]到洞內的采光問題，大部分洞的開口朝向西南。綜上，長嶼硐天與龍游石窟采石方式差異體現在以下3個方面:①開采石材類型不同:長嶼硐天以石板為主，龍游石窟以條石為主。②開采形式不同，長嶼硐天以露天、半露天方式開采，龍游石窟進行地下開采。③開采場地結構不同，長嶼硐天半露天開采呈覆鐘式，利用了穹形結構的穩定性，龍游石窟地下開采呈倒斗形結構，加上魚尾巖柱支撐洞體。

圖2 長嶼硐天凝灰巖用途

2.2 利用方式差異 長嶼硐天地區凝灰巖由于強度適中、石質細膩、色彩多樣等特點，加之儲藏量和開采量巨大，在日常生活中被廣泛應用于民居、橋梁、墓地、水利工程、道路、軍事防御設施以及各類生產生活用具;利用凝灰巖石質細膩的特點，當地石雕工藝歷史悠久，產品種類包羅萬象。概括而言，長嶼石利用方式有三大方向。

2.2.1 作為建筑材料。在采石場附近的自然村落中保留有大量用石板建造的石板房(圖2a)，景區內保存了161棟各個時期的石板民居，市級文物保護單位張元勛故居以石板(圖2b)為材料建造(圖2c)，從地面到墻壁，再到房柱，均以凝灰巖為材料;在新河古鎮周邊則保留有59座完全用石板建造的明清古橋和4座宋代閘橋［19］。建于清嘉慶年間的省級文物保護單位金清大橋(圖2d)建造精致，橫跨金清港，至今依然保存完好;全國重點文物保護單位新河水利閘橋群始建于宋朝，由中閘、麻糍閘(圖2e)、北閘、下盧閘組成，在水利史和建筑史上意義重大;在景區中還發現全由凝灰巖建造的石亭(圖2f);此外，新河鎮地區的墳墓(圖2g)也多由石板建成。

2.2.2 制成生活用具。如石桌、石凳(圖2h)、石浴缸、石碗、石秤砣(圖2i)、石鎖、石屏風、石磨(圖2j)、石馬槽、石臉盆、石井、石質洗衣板、石鼓、石攆等。在生活中應用廣泛。

2.2.3 作為石雕原材料。長嶼石雕藝人利用凝灰巖雕刻出石獅子、石虎、石麒麟、石龍柱，在石梁、石柱、石壁上雕刻龍鳳呈祥、天女散花、嫦娥奔月、鯉魚跳龍門、六鶴楓松、梅蘭竹菊等裝飾圖案(圖2k)，具有藝術觀賞價值。各色石窗(圖2l)展示了當地人健康長壽的愿望。

龍游石窟紅砂巖與凝灰巖相比強度小，容易風化，用途沒有凝灰巖廣泛，主要作為建筑材料建造房屋、橋梁、塔基［20］等，基本不加工成生活用具或進行精細雕刻。

圖3 龍游石窟紅砂巖用途

在實地調查中發現，全部用紅砂巖建造的民居數量不多，且保存情況較好的民居建造年代新近。如林場的一間長約30 m的民居(圖3a)，龍游石窟出口處一座由純紅砂巖建造的房屋(圖3b)，保存完整性較好，但是林場民房一墻角處(圖3c)紅砂巖風化物已經堆積。而時間稍久的紅砂巖房屋則風化嚴重，如在五爪壟附近的一座房屋(圖3d)，墻體出現裂縫，已經處于坍塌的邊緣。這說明了紅砂巖是較易風化的巖石，用其建造的房屋需要經常進行維護。除用于建造房屋主體外，紅砂巖廣泛用于建造墻基。如在定埠村發現多處由紅砂巖建造的墻基(圖3efg)。此外，在調查過程中還發現用紅砂巖堆砌而成的房柱(圖3hi)。用紅砂巖建造的房屋都為單層建筑，而溫嶺長嶼地區石板房則多為雙層建筑。

紅砂巖也用于建造橋梁，龍游石窟附近的一座小橋(圖3j)橋基及橋面圍欄處(圖3k)均為紅砂巖，而受力較集中的拱形洞則選用硬度和抗風化能力高的巖石。停埠橋(圖3l)建于清道光年間，橋身也用紅砂巖建成。始建于明代嘉靖十二年(1534年)的橫山塔塔基及須彌座也以砂巖砌成。相對長嶼地區凝灰巖的細膩，紅砂巖石質顯得比較粗糙，一般不作為石雕的原材料，而是直接拿來使用，未經精雕細琢。

3 結論

筆者通過野外調查和資料梳理，初步展開了對長嶼硐天和龍游石窟石材資源開發利用的研究。研究結果表明:①巖性是影響石材資源開發利用方式的重要因素，不同巖性石材開采方式不同，而且用途也不同。②溫嶺長嶼硐天和衢州龍游石窟受巖性影響，形成了兩種不同的開發利用方式:長嶼硐天地處東南沿海火山碎屑巖分布區，巖石以流紋質角礫凝灰巖為主，巖石抗風化能力強，多以露天半露天方式開采;龍游石窟所在地區為中生代紅層盆地，以砂巖、粉砂巖為主，巖石在地表易于風化，所以多進行地下采掘。③巖性不僅決定了石材的開采方式，也影響石材的利用方式。長嶼硐天的石材多以石板形式產出，洞體利用穹形構造保證穩定性，石材用途廣泛，尤其是石雕藝術發展完善;龍游石窟石材多以石條產出，洞內利用斜頂結構和魚尾形石柱支撐頂板相結合的方式保證洞窟的穩定，石材主要用于建筑物基底部分，不進行精細加工。

由此可見，人類活動與自然環境關系密切，合理的資源利用開發方式是人地和諧相處之道。古人根據地理環境的地域性特征，因地制宜地開發資源，促進了可持續發展。

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