江西省“三清山式”花崗巖地貌景觀發育機制探討

葉張煌 ,尹 斌,劉嘉麒,王安建,陳安澤,閆 強

1)江西科技師范大學,江西南昌 330038;2)中國地質科學院礦產資源研究所,北京 100037;3)江西省地質調查院,江西南昌 330030;4)中國科學院地質與地球物理研究所,北京 100029

截至2013年10月,全球共有100處地質遺跡列入世界地質公園。其中花崗巖地貌類有 7處,中國獨占 6處。從景觀形態看,花崗巖景觀具有不同的地域性特征。在北緯20°至南緯20°的低緯度熱帶地區,花崗巖多形成渾圓低矮的丘陵;北緯 20°至35°的中亞熱帶地區,是最重要的花崗巖地貌成景帶,多呈現出“尖山陡坡”的特點,我國的風景名勝區大多位于此帶;40°—50°以上的中高緯度地區,寒凍風化和風蝕作用越強烈,流水侵蝕作用減弱,花崗巖多呈低山緩丘狀(崔之久等,2007)。

在世界花崗巖地貌景觀中,三清山明顯不同于世界其他地方的高海拔寒凍地區、潮濕熱帶地區或炎熱干旱地區形成的花崗巖山體,有人稱之為“三清山式”花崗巖地貌(浦慶余等,2007;尹國勝等,2007;楊明桂等,2009),即以“奇、秀的尖峰陡坡”為特色的奇峰怪石,堪稱天下花崗巖微地貌的天然博物館,具有世界性對比意義。本文將從 4個方面分析探討“三清山式”花崗巖地貌景觀的發育機制。

1 “三清山式”花崗巖景觀發育的構造背景

三清山位于江西省上饒市,北緯 28°48′22″—29°00′45″、東經 117°58′20″—118°08′28″。景區總面積229.5 km2。三清山為懷玉山地體的一部分,位于歐亞板塊東南部、兩個一級大地構造單元華夏與揚子板塊的碰撞結合帶,處于贛杭構造-火山巖帶的中段。

三清山地區除了志留系中上統、泥盆系中下統、老第三系地層缺失外,涵蓋了自中元古代至第四紀10多億年幾乎連續的地層。經歷了多次重大地質事件和“三海三陸”滄海桑田的演化。

區內巖漿巖十分發育(圖1),晚侏羅世至早白堊世,隨著太平洋板塊的俯沖擠壓,三清山地區的中酸性巖漿噴發活動形成鈣堿性中酸性火山巖組合。早白堊世在拉張的構造環境下,又發生酸性巖漿的大規模強烈上侵,冷凝形成了大面積的“三清山花崗巖體”。中生代是三清山花崗巖地質、地貌和生態的奠基時期。此后,又通過新生代的塑造,三清山花崗巖體多次不斷被抬升,才造就了現今奇特的花崗巖景觀。

構造在地貌發育過程中起主導作用。首先,正是由于構造條件的不同,懷玉山花崗巖區呈現出四種不同風格的花崗巖地貌(楊明桂等,2009)。三清山花崗巖峰尖坡陡、棱角分明、石蛋較少,相對高差大,第四紀堆積物很少,一方面說明三清山目前仍處在不斷緩慢抬升的狀態。裂變徑跡數據表明三清山第4階段的隆升速率明顯快于前3個階段,這與新構造運動期間三清山在獨特的“隆上隆”構造背景下快速隆升的特點是一致的(裂變徑跡數據另文發表)。但另一方面,三清山剝露出地表的時間不長,剝蝕程度不及黃山,這與兩者裂變徑跡和鋯石U-Pb測年等實驗室數據及野外地質現象是吻合的。黃山最后侵入一期的年齡為(123.4±5) Ma,與三清山巖體的第二期(123±2.2) Ma基本同時,顯然要稍早于三清山最后補充期的時間(115.6±2.0) Ma(張招崇等,2007)。三清山上部三清宮附近(北緯 28°52′36″,東經 118°04′02″)保留有殘留頂蓋(圖版 I-1),寒武系西陽山組條帶狀灰巖產狀為 135°∠45°,見有三葉蟲化石和少量底棲腕足類化石,而黃山沒有類似現象的報道。三清山巖體不僅侵位于早寒武紀地層,還與泥盆紀的西湖組地層呈侵入接觸關系,而黃山巖體只與寒武紀地層侵入接觸。三清山山體下部300～400 m即為沉積圍巖,并還能見到巖體與圍巖的原始侵入接觸界面,中心相出露面積最小。這些都說明三清山還處在地貌發育的早期階段,剝蝕程度不高。

其次,斷層和節理等次一級的斷裂構造使巖石發生破碎,在控制景觀發育方面起到至關重要的作用。三清山花崗巖體中的斷層和節理發育,是研究不同尺度構造現象的理想場所。

圖1 三清山地質公園地質和斷裂構造簡圖(據三清山地質公園管理委員會,2009)Fig.1 Simplified geological and fault structural map of Mt.Sanqingshan Geopark (modified after Administration Committee of Mt.Sanqingshan Geopark,2009)

(1)斷層構造:三清山巖體在燕山晚期形成后,地殼仍以抬升作用為主,三清山花崗巖斷層(帶)主要有3組方向和7條主要斷層(帶):長棚斷層、冷水坑—徐家村斷層、吳家—土城斷層、小坑—芭蕉塢斷層、鵝公嶺—下西坑斷層(圖版I-2)、楓林—紫湖鎮斷層帶(圖1)。其中后三者是控制三清山的主構造,發育早期分別為逆沖斷層,左行走滑斷層和張性斷層。到喜馬拉雅期轉化為區內三條正斷層,即相對三清山山體而言,其傾向均向外傾,即斷塊山以內的巖石為上升盤,以外為下降盤。這三條斷層將三清山主巖體分割成一個典型的“三角形斷塊山”。

三清山形成了一個獨特的“隆上隆”地質構造山體,即在懷玉山地體隆起的背景上又受到三條斷層圍限的三角形斷塊控制,進一步加劇了三清山的隆升,其抬升幅度明顯比周邊地質體大得多。

(2)節理:根據節理與流動構造的關系將節理分為 3類:平行節理、縱節理和橫節理。從與造景關系的角度出發,又可分為造景節理,保景節理和損景節理 3種,造景節理主要指縱節理,稀疏縱節理主導的花崗巖多形成懸崖峭壁的峰巒,密集縱節理主導的花崗巖多形成峰叢、峰柱、造型石等景觀;保景節理主要指水平節理;損景節理主要指橫節理,俗稱斜節理,傾角越大越不穩定,容易沿節理面產生滑塌(崔之久等,2007)。

三清山在巖體形成過程中,巖漿侵位上升,減壓降溫,體積收縮,形成原生節理。三清山節理主要有3組方向,即北東—北北東向節理(縱節理),北西—近東西向節理(橫節理),以及水平節理。北東—北北東和北西西走向的節理整體上構成棋盤式格局。前者自南西往北東呈帶狀展布,整體走向具有由收斂到撒開的趨勢,在宏觀上呈似帚狀形態,發育規模較大;后者總體走向北西西向,往南東部轉為近南北向(圖2)。“三清山式”花崗巖地貌景觀成因與這三組節理是密切相關的,鋸解石(圖版 I-3)就是節理控景的實例。這些節理具有“規模大、延伸長、切割深、網格狀”的特征,將花崗巖切割成塊狀、厚板狀、棱柱狀的塊體。其中縱節理的規模較大且成帶發育,是控制西部峰墻(如西海重墻、九天長城等)和南部峽谷(如福壽門、一線天等)的主要構造。橫節理是控制中部峰柱、東南部峰墻及部分峽谷的主要構造。同時發育的近水平節理裂隙是造型石的主控構造和產生球形風化的必備條件之一。即峰墻、峰叢、峰柱等棱角分明的巖塊,經水平節理切割和球形風化剝蝕及流水侵蝕等作用,棱角被磨圓,變成(橢)球形景觀,如東方女神(圖版I-4)、神龜探海、猴王石(圖版I-5)等造型石。即使同一組節理在不同區段的規模、密度也有差異,致使有的形成峰墻,有的形成峰叢,如在多組節理交匯的三清山中部,形成了天門峰叢。在外營力的繼續作用下,有的峰墻、峰叢逐漸被切斷而形成峰柱,也有的變窄形成規模更小的石芽,如犀牛石(圖版1-6)。

三清山區域構造的主應力方向在晚白堊至始新世為南北向,在漸新世至中新世為東西向(萬天豐,1999),可見區域主應力方向與花崗巖體的原生節理走向基本吻合,這使巖體在受區域主應力作用下更容易沿著花崗巖的節理裂隙薄弱面發生擠壓和斷裂等現象。在三清山經常看到發生在花崗巖中的斷裂結構面,由花崗巖的劈理化帶、斷層泥和花崗巖透鏡體組成,巖壁直立,易遭受進一步的侵蝕破壞,形成一線天、河溝和峽谷等負地形。

從巖體結構力學的角度看,巖體結構和結構面是主導巖體穩定性的主導因素(浦慶余等,2007)。三清山花崗巖體的三組互相垂直的節理面,將巖體切割成似長方體,形成了塊狀的花崗巖結構體和硬性的結構面,巖體的穩定性能較好。三清山的兩組垂直節理使巖體沿節理面陡立,近水平節理起到“承上啟下”的承接作用,正如磚塊可以砌起高大的建筑一樣,巨蟒出山峰柱高達 128 m,但重心穩定(圖版 I-7)。

2 “三清山式”花崗巖景觀的物質基礎

巖性是影響巖石地貌成因的另一重要因素。總體上說,花崗巖是致密堅硬、透水性差(若無節理切割,僅為頁巖的五分之一)、抗壓強度大(147～225 MPa)和抗剪強度高的塊狀結構的巖石。

三清山花崗巖屬于燕山晚期形成的高硅、富鉀、低鎂鈣的A型花崗巖(葉張煌等,2013),巖石化學組成具有高硅(SiO2平均含量為76.6%)、富鉀(K2O平均含量為 4.52%)、低鎂(MgO的平均含量為0.15%),低鈣(CaO平均含量為0.41%)的特征。

圖2 三清山構造解譯和節理玫瑰花圖(據三清山地質公園管理委員會,2009)Fig.2 Structural geological interpretation and rose diagram of joints in Mt.Sanqingshan (after Administration Committee of Mt.Sanqingshan Geopark,2009)

巖性與地貌究竟存在怎么的相關關系呢？首先,化學成分差異影響化學風化的強弱。花崗巖是致密塊狀的侵入巖,主要由石英、長石組成,少量暗色礦物為黑云母和角閃石。花崗巖中的黑云母和角閃石是抗化學風化能力較低的礦物,在濕熱條件下,它們很快風化成為蒙脫石等粘土礦物,透水性增加,化學風化速度加快,強度增加,繼而長石也被風化成為高嶺石、絹云母等,由于中酸性的花崗巖中,暗色礦物明顯增多,化學風化的程度高于酸性花崗巖,這就是靈山巖基中部和德興銅礦田形成負地形,而在三清山形成懷玉山脈最高峰的原因。

下面的化學式可以代表中國南方熱帶和亞熱帶地區長石的風化過程(盧欣祥等,2007):

其中,SiO2和 KOH呈真溶液或膠體狀態流失,硅鋁酸根和部分氫氧根結合成高嶺土殘留在原地,高嶺土還有可能進一步水解。

其次,礦物成分差異也影響物理風化。石英、長石、角閃石和云母等不同礦物的熱脹冷縮率相差很大,白天結晶礦物的膨脹率不同,夜晚礦物收縮也不均勻,致使晶體之間產生松動。如石英的膨脹系數比長石膨脹系數大18倍之多(浦慶余等,2007)。一般來說,酸性和超酸性花崗巖中比中酸性的花崗巖礦物成分更加單調,就礦物導致的物理風化而言,前者弱于后者。

再次,花崗巖體與圍巖抗風化侵蝕能力的差異。三清山花崗巖圍巖是以泥砂質、鈣質為主的沉積巖,花崗巖體的抗侵蝕能力明顯強于圍巖,花崗巖體就能從順利從圍巖中“脫穎而出”。反之,當圍巖抗侵蝕能力與巖體相當,就難以形成花崗巖峰林地貌。

最后,結晶顆粒大小對風化作用有直接的影響。細粒花崗巖抗風化能力強,中粗粒花崗巖抗風化能力弱,前者形成主峰玉京峰,其巖性為補充期細粒(微細粒)花崗巖,斑晶大小僅約為2～4 mm,抗風化能力強,節理稀疏,穩定性高,形成高大山體;后者形成南清園和萬壽園等主景區,巖性為邊緣相中粒斑狀黑云母鉀長花崗巖,斑晶粒徑更大,節理密集,地表被強烈切割。黃山也有“前山雄偉,后山秀麗”之稱,皆因巖性不同所致。

3 “三清山式”花崗巖景觀發育的外動力條件

各種外營力地質作用主要是由氣候因素決定的,不同的地貌類型是不同的氣候帶的具體響應。也有人根據外動力作用條件將全國的花崗巖地貌景觀分為水蝕型、差異風化型、冰蝕型、剝蝕殘余型、風蝕型(文雪峰等,2013)。三清山又是典型的水蝕型地貌,與風蝕、冰蝕、海蝕等地貌有明顯的差異。

三清山地處中亞熱帶季風氣候區,受太平洋暖濕氣流的影響,又處于懷玉山的腹地,兼具海洋性和山地氣候的特征。正是這種典型的江南山地氣候及其相應的生物多樣性環境無聲地塑造著三清山的微地貌景觀。流水侵蝕、冬季的凍融、生物風化、重力崩塌等綜合地質作用,是三清山花崗巖奇特微地貌景觀的雕刻師。

三清山地區徑流發育,流水對地貌的塑造隨處可見。年降水量大,達1900 mm以上,年平均蒸發量1300 mm左右,受地勢中高周低的控制,呈放射性水系。雨水多集中在春夏季節,占全年總雨量75%,汛期多暴雨,河水屬 HCO2-Ca(Na)型水(陳安澤等,2008),溶蝕性強,對沿途的地層產生強烈沖刷和切割,形成了深切河谷。

根據中國凍土區劃和類型圖(周幼吾等,2000),三清山位于短時凍土區內,冬天經常銀裝素裹一片,充填于巖石節理裂隙中的水結冰,體積膨脹使巖石裂解,水結成冰時其體積可增大9.2%。冰體對裂縫壁產生 960～2000 kg/cm2的巨大壓力(楊坤光等,2009),冰劈作用使花崗巖體發生機械崩塌和破碎。這種冰緣環境的冰劈作用,是三清山高陡邊坡花崗巖地貌形成的重要原因。三清山常形成花崗巖洞穴景觀,有的洞穴直徑達 20 cm(圖版 I-8),應是軟弱巖層風化剝落,冬天積水成冰,體積膨脹,洞穴進一步擴大。

三清山地區植被茂盛,是我國生物多樣性的典型區域之一,匯集了各種典型的針葉林、針闊葉混交林和常綠闊葉林,森林覆蓋率高達 88.1%;其總熱點值高達 25.10,比黃山地區高出近一倍(李迪強等,2003)。生物風化既有物理的方式,又有化學的方式。物理方式主要是根劈作用,在峭壁、陡坡上隨處可見植物的根系扎在巖石裂縫中,對裂縫壁產生強大壓力,加速巖石破裂與崩落的進程。化學方式主要是生物在腐爛過程中釋放出大量的有機酸,使巖石中的礦物發生分解,鉀長石在有機酸中的化學分解如下(王根厚等,2008)。高大的崖壁因失去支撐而發生崩塌作用,形成崩塌殘余型地貌。

4 外動力作用的變化

三清山不同的花崗巖地貌類型不僅是可見的現代氣候的產物,更是第四紀以來該地區不同階段氣候變化的印跡。第四紀氣候變化的基本特征是晚新生代以來的全球性轉冷和周期性的冷暖變化。

現代三清山屬中亞熱帶季風氣候區,但在第四紀以來地質時期,三清山可能呈現完全不同的一番景象。第四紀我國經歷了 4次明顯的冰期,即東部地區的鄱陽冰期、大姑冰期、廬山冰期和大理冰期(即末次冰期)(田明中等,2009)。冰期全球氣溫下降,北半球冰川面積擴大和凍土區南擴,這一點是毋庸置疑的,但凍土區南擴的界限、降溫幅度、雪線降幅以及冰期-間冰期旋回的成因是一個有爭議的學術問題。有的人認為晚更新世晚期的末次冰期極盛期(LGM,距今 22～18 ka)中國東部多年凍土區的南界在北緯38°—40°(崔之久等,2004),東亞雪線的平均高度要比現在低1000 m(施雅風等,2006;張威等,2009),中國東部平均氣溫比現今的降幅有不同的觀點,崔之久等(2004)認為低 8～12°C,浦慶余(1982)認為低 11～12°C,楊懷仁(1988)認為低 10～12°C,周幼吾等(2000)認為低9～12°C。綜合上述數據,LGM我國東部平均降溫按 11°C計算,三清山現在的年平均氣溫為 11.2°C,那么三清山地區當時的年平均氣溫 0.2°C,假定氣象觀測站的海拔為 1500 m,即現在三清宮腹地所在的高度,那么在海拔 1600 m以上的區域則為多年凍土區。這說明第四紀降溫事件有利于三清山凍融物理風化作用的發生。

氣候變化不僅有冰期,也有間冰期。據大青山花崗巖殘留的亞熱帶化學風化殼和石蛋層,推測上新世我國的亞熱帶北界北移了 5°到達了北緯 41°,位于大青山—遼東半島一帶(崔之久等,2007),這對三清山花崗巖地貌的影響與冰期時代是完全不同的。這種“忽冷忽熱”的氣候變化,是造成微地貌景觀多樣性的原因之一。

5 結論

地貌的形成演化是構造、巖性和外動力等因素共同作用的結果。“三清山式”花崗巖微景觀也是多個因素耦合的產物:獨特的構造背景、巖石類型及其物質組成、適宜的外動力地質作用、外動力作用隨時間的變化等,這就分別好像雕刻大師雕刻石雕或木雕時用的架子、材料、工具和不同時間使用的不同工具。

圖版說明

圖版I Plate I

1-殘留頂蓋;

2-鵝公嶺—下西坑斷層;

3-節理控景——鋸解石;

4-東方女神;

5-猴王石;

6-犀牛石;

7-巨蟒出山;

8-花崗巖洞穴

1-residual cover;

2-Egongling–Xiaxiken Fault;

3-stones like a saw,controlled by joints;

4-Oriental Goddess;

5-King of Monkey;

6-Stone of Rhino;

7-Gigantic Boa;

8-granite caves

圖版I Plate I

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