嶗山天然石臼成因*

冷　康　宋召軍　劉錫清　唐文佳　楊樹森

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室；2.山東科技大學地球科學與工程學院；3.國土資源部青島海洋地質研究所；4.赤峰第四紀環境研究所)

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嶗山天然石臼成因*

冷康1,2宋召軍1,2劉錫清3唐文佳1,2楊樹森4

(1.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室；2.山東科技大學地球科學與工程學院；3.國土資源部青島海洋地質研究所；4.赤峰第四紀環境研究所)

摘要近年來，我國東部地區不斷發現“第四紀冰川地貌”，加劇了第四紀冰川學說的爭論，其中，青島嶗山地區花崗巖上發育的天然石臼一直是被關注的重點。通過對嶗山地區發育數量眾多的氣泡洞(晶洞)進行考察，發現較多氣泡洞(晶洞)尺寸和分布上與較大的天然石臼十分接近，由此認為，嶗山天然石臼是由暴露出的氣泡洞經風、流水等因素逐漸發育而成，較多開口面朝各方向的氣泡洞(晶洞)受積水風化等作用的影響較小，基本保留了原生洞穴的特征，對于進一步深入研究嶗山天然石臼成因有一定的參考價值。

關鍵詞花崗巖天然石臼氣泡洞

近年來，學術界對我國東部地區發育的臼狀坑穴屬于冰臼或非冰臼存在一定的分歧，其中各類成因歸納起來有冰臼[1-2]、壺穴[3]、風蝕穴[4]、風化坑[5]、巖臼[6]等。其中，分歧較大的是該類發育于基巖表面、開口朝上的臼狀坑穴，因其外觀形態類似于舂米臼，為此，本研究稱其為天然石臼。從20世紀30年代李四光提出廬山第四紀冰期理論至今，我國東部地區存在的天然石臼穴的成因便一直存在學術爭論，其中嶗山地區花崗巖上發育的天然石臼的類型及成因一直是爭論重點。2004年，韓同林[1]將我國北方地區許多天然石臼歸為“冰臼”，并認為嶗山地區具有非常完整的古冰川地貌，由此加劇了新一輪的學術爭論[7]。上述爭論歸根結底在于我國東部地區是否存在過第四紀冰川。為此，本研究在分析前人成果的基礎上，結合野外實地考察，對嶗山地區天然石臼的種類及成因進行分析。

1區域地質背景

嶗山地處北緯36°05′～36°19′，東經120°26′～120°43′，總面積446 km2，主峰“巨峰”海拔約1 133 m。該地區巖體大多為中生代燕山運動晚期形成的花崗巖，屬于A型花崗巖，因其中晶洞(氣泡洞)發育數量多，又被稱為晶洞花崗巖。A型花崗巖是一種富堿、貧水的花崗巖類，主要形成于伸展的構造環境中，在燕山運動的同時，伴隨有大量的火山活動，由此引發強烈的構造運動，形成了NE向的深斷裂，進而深層的巖漿上涌，最終形成目前所見的嶗山花崗巖帶。

2嶗山天然石臼種類

嶗山地區已發現的天然石臼達上千個[2]，深度大多小于1 m，直徑十幾厘米至數米，呈圓形或橢圓形。石臼內部形態不一，有的口小肚大，也有口大肚小，底部有的光滑渾圓，有的較平坦，也有的形態不規則。有關于嶗山地區眾多開口朝上的天然石臼的成因，主要有如下幾類：①與冰川融水有關的冰臼[1-2,8]，其特征為口小、肚大、底平；②山脊壺穴[9-10]，認為其成因與正常流水等作用相關；③風化坑，泛指發育于基巖頂面的平坦區域，或坡度不大的斜面上的天然石臼，口徑常大于深度，底部較平坦(圖1(a))。嶗山花崗巖內部和表面發育有眾多尺寸大小不一的晶洞(圖1(b))。野外考察發現，研究區內有相當一部分晶洞內部并未發育晶體(圖1(c)、圖1(d))，將該類內腔中空的原生晶洞稱為氣泡洞。嶗山地區有眾多的天然石臼是在氣泡洞(晶洞)的基礎上發育而來[11-12]。氣泡洞是在巖石沿裂隙劈開后才暴露出，其洞腔呈橢球體，內壁較圓滑，可在巖石各方向的表面觀察到。研究區內氣泡洞分布較廣泛，在不同海拔高度均有發現，直徑一般僅數厘米(圖1(c))，直徑為數十厘米氣泡洞也較常見(圖1(d))，大的晶洞直徑可達1 m以上，包括華樓景區的玉皇洞、巨峰的慈光洞、玄真洞、明霞洞、老君洞(圖1(e))、北九水的仙古洞等，稱之為卵形洞穴[12]，此外，還有許多未暴露的氣泡洞被包含于巖石內部。

圖1　嶗山天然石臼和氣泡洞

3嶗山天然石臼成因

(1)冰臼成因。冰臼一般指在冰川演化后期，在冰川融水的作用下逐漸形成的一個個開口朝上的坑穴。韓同林等[1]提出了“全球泛大冰蓋”觀點，認為嶗山地區的天然石臼是在距今約二三百萬年的第四紀早期，冰川融水沿冰川裂縫向下流，強烈沖擊、研磨冰川下的巖石，從而形成了冰臼。

(2)壺穴成因。壺穴因受侵蝕作用(河水侵蝕、冰水侵蝕、浪蝕等)的不同，可分為幾種不同的類型，最常見的是在河流上游，由急速旋轉水流攜帶的沙粒侵蝕而成的河成壺穴。相當一部分學者[8-10]將嶗山地區山峰頂部、山脊、丘頂和巨大礫石上發育的天然石臼歸納為山脊壺穴，但在分析其成因時卻又不盡相同，呂洪波等[8]將山脊壺穴作為我國東部存在第四紀冰川的重要證據，認為山脊壺穴是由冰下或冰旁湍流形成；章雨旭等[9]認為山脊壺穴是在花崗巖上原本發育著一些小型坑洞的基礎上，因坑洞積水后期發生差異風化作用而形成，是近現代的產物；朱銀奎[10]認同花崗巖上存在原始小坑的觀點，分析指出嶗山山頂部位花崗巖上發育的山脊壺穴是由冬季水面結冰對原始小坑內壁產生的冰蝕作用形成，即為現代花崗巖冰蝕作用的產物。

(3)風化坑成因。王為等[5]認為嶗山地區發育的天然石臼是由巖石表面存在的原始小坑積水風化不斷擴大形成，并猜想該類原始小坑的最初形態是巖石風化碎屑層與新鮮巖體之間叢生的云母、長石等不穩定礦物因溶解、水合、水解等作用逐漸風化改造形成；李德文等[13]在對華北北部地區花崗巖上發育的天然石臼進行調查研究之后，對風化坑的形態類型和成因進行了詳細區分，認為風化坑的形態特征與環境因素(大氣降水、巖石流水等)密切相關。

(4)氣泡洞成因。近年來，有學者[11-12]根據嶗山地區巖石表面各方向發育的眾多氣泡洞(晶洞)，對嶗山地區天然石臼的最初發育形態提出了一種新的解釋，認為大量氣泡洞在基巖表面暴露之后，經過長時間的風化改造、剝蝕脫落，晶洞內腔逐漸加深，洞口面積也逐漸擴大，慢慢地被改造形成目前所見到的天然石臼。嶗山花崗巖屬于中國東部A型花崗巖帶的一部分，巖漿冷凝時，內部包裹的許多揮發氣體和水蒸氣來不及逃逸，被包含于結晶體的內部形成氣泡。巖石形成過程中，氣泡中的氣體逐漸逃散，便在巖石的內部和表面留下許多空洞，即氣泡洞。很多暴露于巖石表面的氣泡洞被后期熱液運動形成的石英和水晶充填，變為晶洞[12]。在嶗山地區氣泡洞被發現之前，曾有在吉林省拉法山發現白崗巖洞穴群的報道[13-14]，認為該類洞穴為巖漿氣泡洞，即國內學術界對于大型氣泡洞(即“卵形洞穴”)最早的描述。此外，吳維平等[15]在安徽九華山地質公園內首次發現了晶洞花崗巖，其中晶洞十分發育，具有原生洞穴的特征。

4嶗山天然石臼最初形態與成因

4.1原始小坑的來源

有關山脊壺穴的成因，部分學者認為該類石臼是在花崗巖上原先存在的小坑的基礎上演變而來[11-12]。對于該類原始小坑，王為等[5]認為其為由花崗巖中云母、長石等不穩定的礦物水解而成，并由此判定石臼為風化坑。上述爭議都僅針對嶗山地區基巖表面開口朝上的天然石臼，事實上，嶗山地區不僅存在眾多開口朝上的天然石臼，還有大量的臼狀坑穴開口面朝各個方向，很多巖石上同時分布著眾多大小不一、面朝不同方向的臼狀坑穴，大者為天然石臼，小者為氣泡洞(晶洞)，兩者在形態或尺度上十分接近。因此，本研究認為上述學者提及的原始小臼狀坑，實質上即為花崗巖原生洞穴。嶗山地區的天然石臼很大一部分是在氣泡洞(晶洞)的基礎上發育而來，但并不排除其為后來經風、流水等因素逐漸發育形成的風化坑或壺穴的可能性。

4.2嶗山天然石臼與氣泡洞的聯系

花崗巖中存在2組垂直、1組水平的節理，在花崗巖風化地貌的形成過程中，花崗巖體常受垂直或平行于節理的寒凍風化等作用的切割。當垂直節理切割時，巖石內部的一些原生洞穴便會在垂直表面上暴露出來；當水平節理切割時，原生洞穴則會在朝上的巖石表面暴露出來[12]。該類開口面朝各個方向、寬度大多僅數厘米的原生洞穴，在歷經數千年甚至上萬年的物理、化學和生物風化作用之后，最終形成了目前所見到的直徑數十厘米，甚至達到1～2 m的天然石臼。對于嶗山地區氣泡洞暴露過程及天然石臼的形成過程，可大致劃分為以下幾個階段：

(1)A型花崗巖是在巖漿定位深度較淺(小于3 km)、壓力低、冷卻速度較快的條件下形成的[12]。在上述條件下，巖漿黏度較大，流動性差，大量揮發氣體和水蒸氣便存留于巖漿內部，無法逃逸。

(2)后期巖石形成過程中，伴隨著各種地質作用的進行，巖石不斷被切割破壞，產生新鮮的巖石面，該類面朝各個方向的巖石平面同時暴露出大量的氣泡洞，暴露出的氣泡洞尺寸不一，包括直徑較大的卵形洞穴(圖2(a)、圖2(b))。

(3)發育于基巖水平面上，即開口朝上的氣泡洞易蓄積降水，故受侵蝕的速率高于周邊花崗巖體。隨著時間的推移，該類氣泡洞被風、水流等因素引發的各種地質作用改造，很多氣泡洞洞口變大，內部不再渾圓，慢慢演變成淺碟狀、盆狀、匙狀甚至為完全不規則的形態。而相當一部分開口面朝其他方向的氣泡洞因無法積水，受風化作用影響相對較小，形態特征改變不及開口朝上者明顯(圖2(c))。

(4)開口朝上的氣泡洞進一步被改造擴大，逐漸演變成較大的天然石臼。部分坑穴因發育在有傾角的基巖表面，坡度較低一側沿節理發育處側壁外彎，逐漸形成出水通道(圖2(d))。

圖2　嶗山地區氣泡洞暴露過程及天然石臼形成過程

5結論

(1)青島嶗山地區發育眾多天然石臼，其成因主要有冰臼成因、壺穴成因、風化坑成因、氣泡洞成因等學說。

(2)嶗山花崗巖因其內部和表面發育有眾多大小不一、開口面朝各個方向的晶洞，又被稱作晶洞花崗。野外考察發現，研究區內有相當一部分晶洞內部并未發育晶體，稱該類內腔中空的原生洞穴為氣泡洞，很多氣泡洞(晶洞)的尺寸、分布與較大的天然石臼十分接近。

(3)嶗山地區的天然石臼許多是在氣泡洞(晶洞)的基礎上發育而來，即嶗山晶洞花崗巖沿節理等薄弱帶被切割破壞，暴露出大量的氣泡洞，其中開口朝上者經風、流水等因素逐漸發育，形成較大的天然石臼，很多開口面朝各個方向的氣泡洞(晶洞)受積水風化等作用影響較小，基本保留了原生洞穴的特征。

參考文獻

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(收稿日期2016-04-02)

*國家自然科學基金項目(編號：41472155);山東科技大學大學生創新創業訓練計劃項目(編號：201510424007)。

冷康(1995—)，男，266590 山東省青島市經濟開發區前灣港路579號。