中國(guó)香港大型酸性火山巖六方柱狀節(jié)理構(gòu)造景觀及其地質(zhì)成因意義

方世明, 李江風(fēng), 伍世良, 郭 旭

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院, 湖北 武漢, 430074; 2. 香港中文大學(xué) 地理與資源管理學(xué)系, 中國(guó) 香港)

中國(guó)香港大型酸性火山巖六方柱狀節(jié)理構(gòu)造景觀及其地質(zhì)成因意義

方世明1, 李江風(fēng)1, 伍世良2, 郭 旭1

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院, 湖北 武漢, 430074; 2. 香港中文大學(xué) 地理與資源管理學(xué)系, 中國(guó) 香港)

在簡(jiǎn)單介紹中國(guó)香港地質(zhì)概況的基礎(chǔ)上, 對(duì)發(fā)育在香港境內(nèi)酸性火山巖中的大型六方柱狀節(jié)理構(gòu)造景觀進(jìn)行了介紹, 并對(duì)其形成的地質(zhì)基礎(chǔ)和過(guò)程進(jìn)行了探討。對(duì)世界上著名的十多個(gè)柱狀節(jié)理構(gòu)造景觀進(jìn)行對(duì)比后指出, 香港酸性火山凝灰?guī)r大型六方柱狀節(jié)理景觀是世界上同類巖石中罕見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象, 分布面積大, 露頭完整, 具有稀缺性、獨(dú)特性和典型性, 對(duì)西太平洋中生代火山巖發(fā)育歷史有重要的科學(xué)價(jià)值。

酸性火山巖; 六方柱狀節(jié)理; 香港

香港,全名中華人民共和國(guó)香港特別 行政區(qū),又稱“東方之珠”。地理位置在珠江三角洲的東面, 北面陸地與廣東省深圳市接壤, 南部海域與廣東省珠海市萬(wàn)山群島海域連接。截至2009年2月, 香港陸地面積為1 108 km2, 水域面積為1 647 km2, 總面積共2 755 km2。從地域上講, 香港由3個(gè)大區(qū)組成, 分別是香港島、九龍半島和新界(包括260多個(gè)離島)。2007年的香港總?cè)丝谶_(dá)6 925 900人, 平均居住6 410人/ km2,使香港成為全世界人口密度最高的城市。

香港素以金融、商業(yè)貿(mào)易中心聞名于世界, 是世界著名的大都市。香港作為一個(gè)高人口密度的城市,櫛比林立的高樓大廈、燈火通明的維多利亞港灣、充滿生機(jī)的現(xiàn)代化動(dòng)感都市, 一直是世人對(duì)香港的印象。而香港人多年來(lái)開(kāi)發(fā)和建設(shè)的地質(zhì)公園、郊野公園、濕地公園和海岸公園等市民活動(dòng)場(chǎng)所, 以及曲折有致的巖石海岸、幽遠(yuǎn)寧?kù)o的海灘、巍峨多姿的群山、造型奇異的島礁, 彌足珍貴的自然生態(tài)和地質(zhì)遺跡卻鮮為人知。尤其是從萬(wàn)宜水庫(kù)到果洲群島一帶最為特色和突出的全球罕見(jiàn)的大型酸性火山巖柱狀節(jié)理景觀, 其稀有性、科學(xué)性、獨(dú)特性、美學(xué)性,尚未被香港市民完全認(rèn)知, 使得市民未能體驗(yàn)和領(lǐng)悟大自然所展示的地質(zhì)魅力, 對(duì)于港島的形成、演化和未來(lái)趨勢(shì)缺乏有深度的理解。這些罕見(jiàn)大規(guī)模的酸性柱狀節(jié)理景觀只是香港得天獨(dú)厚自然景觀的一部分, 對(duì)于研究香港的地質(zhì)發(fā)展史和地質(zhì)演化特征有重要的意義, 是對(duì)世界地質(zhì)歷史發(fā)展史的重要補(bǔ)充, 是人類了解地球的窗口之一。

1 香港地質(zhì)概況

在區(qū)域地質(zhì)背景中, 香港位于中國(guó)大陸的東南邊緣。中國(guó)東南邊緣位于亞洲東部大陸邊緣南段, 是元古代以來(lái)?yè)P(yáng)子古陸塊和華夏古陸塊在漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化歷史中多次拼合-裂解-再拼合而成的復(fù)雜大陸板塊; 是晚中生代火山-侵入雜巖大量分布的地區(qū)[1-4], 是瀕太平洋地區(qū)一個(gè)宏偉構(gòu)造——巖漿巖帶的重要組成部分。

火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖這三大類巖石在香港均發(fā)育和出露, 但出露面積最為廣泛的是火成巖,包括火山巖和侵入巖, 它們的分布范圍占據(jù)了香港面積的 85%左右。沉積巖和變質(zhì)巖在香港的分布非常局限, 主要集中在新界北部地區(qū)和零星散布在赤門海峽兩側(cè)以及大嶼山島的邊緣。

中國(guó)南方著名的蓮花山斷裂帶控制著香港的地質(zhì)構(gòu)造。蓮花山斷裂帶區(qū)域上屬麗水—海豐大斷裂之西南段, 總體呈北東 45°左右展布, 由二條相間約50 km, 大致平行延伸的斷裂束及夾持于其間的一系列斷裂構(gòu)造帶、復(fù)式褶皺帶、巖漿帶、斷裂動(dòng)熱變質(zhì)帶和韌性剪切帶組成。在香港境內(nèi), 同樣也以北東方向較大型而連續(xù)的斷層為其他地質(zhì)構(gòu)造的主要走向。赤門海峽—沙田—荔枝角斷裂是最典型的代表,其地貌特征非常顯著。北西方向的斷層規(guī)模較小, 以張性斷裂為主, 而且往往延伸不連續(xù), 這種構(gòu)造格局控制著香港現(xiàn)今山脈的分布和基本地形的態(tài)勢(shì)。

根據(jù)目前的資料, 香港境內(nèi)缺失中生代三疊紀(jì)、早古生代及更早時(shí)期的地層和巖石記錄。泥盆紀(jì)的沉積巖是目前香港發(fā)現(xiàn)的最古老的巖石, 而新界東北部平洲島上古近紀(jì)(以前稱為“早第三紀(jì)”)的沉積巖則是香港最年輕的巖石。第四紀(jì)末固結(jié)成巖的沉積巖, 則會(huì)告訴我們最近的將近2 Ma以來(lái)的地質(zhì)歷史事件。所有這些巖石和沉積層構(gòu)成一個(gè)由下至上,由老而新的地層柱。根據(jù)各巖層的巖石特征和它們形成的時(shí)代, 香港的地質(zhì)工作者將這個(gè)地層柱劃分為17個(gè)地層組和4個(gè)火山巖群(表1)[5]。

表1 香港地層柱Tab. 1 The stratigraphic column of Hong Kong

2 香港六方柱狀節(jié)理構(gòu)造景觀

柱狀節(jié)理是發(fā)育于火山巖中的一種呈規(guī)則的六方或不規(guī)則的四方、五方、六方棱柱體形態(tài)的原生張性破裂構(gòu)造。近一個(gè)多世紀(jì)以來(lái), 許多學(xué)者均認(rèn)為這種構(gòu)造只能發(fā)育在 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在 45%～52%之間、黏度小、流動(dòng)性大的基性噴出巖體中, 而在SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于65%以上、黏度大、流動(dòng)性小的酸性噴出巖體中則不可能發(fā)育。因此, 玄武巖柱狀節(jié)理構(gòu)造一詞長(zhǎng)期來(lái)實(shí)際上已被人們作為特指的、專門性的基性巖漿噴出巖體原生破裂構(gòu)造形態(tài)術(shù)語(yǔ)加以引用[6-7]。

但是, 隨著野外地質(zhì)調(diào)查工作的廣泛開(kāi)展, 人們逐漸發(fā)現(xiàn)柱狀節(jié)理構(gòu)造非玄武巖所特有, 它也可以發(fā)育于非基性的火山巖中。例如世界著名的美國(guó)懷俄明州“魔鬼塔”柱狀節(jié)理就發(fā)育在屬于堿性噴出巖類的響巖體中[8-10]。另外在中國(guó)內(nèi)地浙江臨海桃渚、衢州湖南鎮(zhèn)和吉林四平等地的酸性熔巖中發(fā)育有柱狀節(jié)理的報(bào)道[11-12]。

香港六邊形柱狀節(jié)理較為發(fā)育, 主要分布在西貢糧船灣萬(wàn)宜水庫(kù)及果洲群島一帶(含海域部分),面積約 150 km2, 其巖性特征為糧船灣組酸性凝灰?guī)r。從糧船灣組的分布特征看, 火山巖柱形成在一個(gè)巨大的破火山口內(nèi), 而且其周邊主要由斷層所控制。巖層厚度超過(guò)400 m, 個(gè)別巖柱的長(zhǎng)度可達(dá)30 m, 直徑可達(dá)3 m以上(圖1)。

萬(wàn)宜水庫(kù)東壩附近是觀察六方柱節(jié)理的極佳場(chǎng)所, 交通極為方便。這里的節(jié)理露頭表面新鮮, 易于觀察, 節(jié)理柱高達(dá)50 m(圖2)。柱狀節(jié)理的形成, 表明極熱的火山灰在貼近地面處迅速冷卻, 引致收縮及形成六角形。目前世界上發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)柱狀節(jié)理景觀都是由玄武巖形成, 而這里的六方柱節(jié)理卻是由構(gòu)造十分均一的細(xì)火山灰玻璃屑凝灰?guī)r形成。凝灰?guī)r經(jīng)收縮而形成深深的六角形節(jié)理, 冷卻作用亦延伸至熔化物質(zhì)的中心部位。最后結(jié)果與一團(tuán)干燥的黏土相似, 但黏土變干是因?yàn)槭ニ? 而火山凝灰?guī)r的冷卻則是由于推動(dòng)熱力所致。

在萬(wàn)宜水庫(kù)東壩下面可以看到一組彎彎曲曲的巖柱(圖 3), 這些被扭曲的巖柱展現(xiàn)了大自然神奇的一面。約于 140 Ma前, 西貢的古老火山坍塌, 造成凹陷, 這些巖柱便是凹陷處大量沉積火山灰和熔巖的剩余部分。圓滑的曲線顯示巖石在仍然熾熱時(shí)被弄彎, 在彎曲部分的中央造成裂隙。在1億a前左右,源自地底巖漿庫(kù)的玄武巖熔巖侵入裂隙, 形成今日所見(jiàn)的入侵玄武巖巖墻及扭曲狀六角形巖柱, 甚為壯觀。

圖1 香港西貢區(qū)火山巖柱Fig. 1 The volcanic column in Hong Kong Sai Kung District

圖2 萬(wàn)宜水庫(kù)東壩附近發(fā)育的六方柱狀節(jié)理景觀Fig. 2 The six-party columnar joints Landscape near the eastern dam of High Island Reservoir

圖3 彎曲六方柱巖柱與侵入巖脈Fig. 3 Six-column bent with the intrusive dyke rock column

3 成因

從萬(wàn)宜水庫(kù)到果洲群島一帶出露的具柱狀節(jié)理的火山巖是酸性的凝灰?guī)r, 巖石較均一, 含有大量的鉀長(zhǎng)石和石英的斑晶。這套巖石被命名為“糧船灣組”, 屬于早白堊世滘西洲火山巖群。估計(jì)糧船灣組的厚度約為400 m。

這些奇特的火山巖柱形成于大約140 Ma前。當(dāng)時(shí), 地底的巖漿活動(dòng)劇烈, 火山頻繁爆發(fā)。當(dāng)火山猛烈爆發(fā)時(shí), 伴隨著幟熱的火山灰流, 大量的熔巖從地底涌出地表, 覆蓋了山坡和大地, 剎時(shí)間形成了巨厚的火山熔巖層。多次間歇性的噴溢形成了多層的火山熔巖層。當(dāng)大面積的火山熔巖層慢慢冷卻, 逐漸凝固變成堅(jiān)固的巖石時(shí), 出現(xiàn)了非常規(guī)則的收縮,形成了今天所看到的這種具六方形柱狀節(jié)理的巖石。

柱狀節(jié)理常見(jiàn)于玄武巖中, 但也見(jiàn)于其他火成巖與熔結(jié)凝灰?guī)r中。在巖體中柱狀節(jié)理長(zhǎng)軸延伸方向垂直于巖體冷卻表面。所以它們通常垂直于巖流和巖床的頂面、底面, 垂直于巖墻的側(cè)壁。柱狀節(jié)理是火成巖在攝氏幾百度固結(jié)以后繼續(xù)冷卻到空氣溫度并發(fā)生收縮作用的條件下發(fā)生的[13](圖4)。當(dāng)淤泥干固, 失水而收縮時(shí), 也會(huì)形成類似的柱狀節(jié)理。

從糧船灣組的分布特征看, 它似乎形成在一個(gè)巨大的破火山口內(nèi), 而且其外圍主要由斷層所控制[14]。熔巖流快速地填充進(jìn)這個(gè)低凹的地帶, 如同稀飯倒進(jìn)一個(gè)碗內(nèi)。破火山口的半封閉環(huán)境為熔巖的緩慢冷卻提供了有利的條件。當(dāng)熔巖慢慢冷卻時(shí), 就形成了規(guī)則的收縮節(jié)理。節(jié)理所形成的石柱可高達(dá)30 m,造成了今天所看到的壯麗無(wú)比的景觀。

圖4 六方柱狀節(jié)理成因示意圖Fig. 4 Schematic diagram of the causes of six-party columnar joints

4 意義

盡管地球上許多地方出露有六方柱狀節(jié)理的巖石, 但絕大多數(shù)為玄武巖柱狀節(jié)理, 很少有酸性火成巖六方柱節(jié)理, 尤其難得見(jiàn)到如香港地區(qū)出露的酸性火山凝灰?guī)r大型六方柱節(jié)理, 因此, 香港地區(qū)的酸性火山凝灰?guī)r大型六方柱節(jié)理地質(zhì)現(xiàn)象, 具有獨(dú)特性、稀有性, 并具有極高的美學(xué)性和觀賞價(jià)值(表 2)。

通過(guò)對(duì)比分析不難得出以下結(jié)論: (1)香港火山巖在區(qū)域上屬于西太平洋中生代火山巖帶的重要組成部分, 在地質(zhì)構(gòu)造上位于歐亞板塊東緣裂陷帶。由于大洋板塊向大陸板塊俯沖, 大陸邊緣出現(xiàn)大陸裂谷帶, 從而造成火山噴發(fā)和巖漿侵入。香港火山巖的深入研究對(duì)西太平洋中生代火山巖發(fā)育歷史有重要的科學(xué)價(jià)值; (2)香港酸性流紋質(zhì)火山凝灰?guī)r大型六方節(jié)理柱是地球上同類巖石中罕見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象, 是屬于人類共有的自然遺產(chǎn); (3)香港具有大型六方柱節(jié)理的酸性流紋質(zhì)火山凝灰?guī)r分布面積大, 露頭完整, 景觀奇特, 具有稀缺性、獨(dú)特性和典型性。

表2 世界主要六方柱狀節(jié)理巖石的對(duì)比分析Tab. 2 Comparative analysis of the world’s major party columnar joints

[1]謝家瑩, 陶奎元. 中國(guó)東南大陸中生代火山地質(zhì)及火山侵入一雜巖[M]. 北京: 地質(zhì)出版社, 1996.

[2]任紀(jì)舜. 論中國(guó)南部的大地構(gòu)造[J]. 地質(zhì)學(xué)報(bào), 1990,64: 275-288.

[3]王德滋, 周金城. 我國(guó)花崗巖研究的回顧與展望[J].巖石學(xué)報(bào), 1999, 2: 161-169.

[4]周新民, 李武顯.中國(guó)東南部晚中生代火成巖成因:巖石圈消減和玄武巖底侵相結(jié)合的模式[J].自然科學(xué)進(jìn)展, 2000, 1: 240-247.

[5]Hong Kong Geological Survey, Geotechnical Engineering Office, Civil Engineering Department Hong Kong. The Pre-Quaternary Geology of Hong Kong[R].Hongkong: Hong Kong Geological Survey, 2000.

[6]徐松年. 玄武巖柱狀節(jié)理構(gòu)造研究的進(jìn)展與動(dòng)向[J].地質(zhì)科技情報(bào), 1986, 5(3): 16-23.

[7]徐松年. 浙江中生代酸性火山巖柱狀節(jié)理構(gòu)造的發(fā)現(xiàn)及其地質(zhì)意義[J]. 巖石學(xué)報(bào), 1995, 11(3): 325-332.

[8]Beard C N. Quantitative study of columnar jointing[J].Geol Soc Amer Bull, 1959, 70(3): 379-381.

[9]Spry A. The origin of columnar jointing, particularly in basalt flows[J]. Geol Soc Australia Jour, 1962, 8:191-216.

[10]Hills E S. Elements of structure Geology[M]. London:Methuen, 1963: 360-364.

[11]呂惠進(jìn). 我國(guó)酸性火山巖中的柱狀節(jié)理構(gòu)造景觀[J].自然雜志, 2005, 27(1): 33-36.

[12]趙明, 劉福臣. 吉林省四平市山門中生代流紋巖柱狀節(jié)理特征及成因意義[J]. 吉林地質(zhì), 2003, 22(3):57-61.

[13]Knight J. Field guide to the coastal environments of Northern Ireland[R]. Northern Ireland: University of Ulster, 2002.

[14]邢光福, 孫敏, 王步云, 等. 香港九龍復(fù)活破火山的鑒別及其地質(zhì)意義[J]. 地質(zhì)論評(píng), 2007, 53(3): 363-370.

Large six-party columnar joints of acidic volcanic rocks and its geological causes and significance in Hong Kong China

FANG Shi-ming1, LI Jiang-feng1, NG Sai-Leung2, GUO Xu1
(1. Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Department of Geography ＆ Resource Management, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China)

Nov., 2, 2009

acidic volcanic rocks; the six-party columnar joints; Hong Kong

In this paper, the author described the large six-party columnar joints structural landscapes in HongKong China, which is developed in the acidic volcanic rocks, an discussed its geological formation. In addition, through comparing more than 10 columnar joints landscape structures worldwide, the author pointed out that the large six-party columnar joints structural landscape of acidic volcanic tuff rocks is a rare geological phenomenon of the same kind rocks in the word, characteristic of large distribution area and complete outcrops, which has important scientific value to the developmental history of the Western Pacific Mesozoic volcanic rocks.

X141

A

1000-3096(2011)05-0089-06

2009-11-02;

2011-01-13

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(40772196)

方世明(1977-), 男, 安徽太湖人, 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)副教授, 博士, 博士后, 主要從事國(guó)土資源調(diào)查評(píng)價(jià)與規(guī)劃等方向教學(xué)研究工作, 電話: 027-67883088, E-mail: fsmcug@qq.com

劉珊珊)