巖性差異對(duì)石材開發(fā)利用方式的影響研究
——以長(zhǎng)嶼硐天和龍游石窟為例

楊秋彬，葉 瑋，呂惠進(jìn)，王學(xué)燁，顏麗美，吳江潔，劉超凡

(浙江師范大學(xué)地理環(huán)境學(xué)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(gòu)造單元獨(dú)特，在長(zhǎng)期的地質(zhì)演化歷史進(jìn)程中，形成了種類多樣且儲(chǔ)藏量大的石材資源，奠定了浙江省在中國(guó)石材資源開發(fā)業(yè)中的地位。由于地層、巖性、地貌、水文、區(qū)位、采石歷史、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等因素的差異，石材資源的開發(fā)利用方式存在區(qū)域差異。溫嶺長(zhǎng)嶼硐天主要開采中生代的火山碎屑巖，開發(fā)歷史悠久，已被批準(zhǔn)設(shè)立為國(guó)家礦山公園，在浙東南地區(qū)具有典型性和代表性。龍游石窟主要的開采對(duì)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(nèi)的中生代紅色巖系分布區(qū)具有典型性和代表性。上述兩個(gè)區(qū)域由于地理環(huán)境條件的差異，導(dǎo)致石材資源開發(fā)方式的地域分異。筆者通過野外調(diào)查，文獻(xiàn)資料整理的方法，分析巖性差異對(duì)長(zhǎng)嶼硐天和龍游石窟開發(fā)方式的影響，探索石材資源開發(fā)利用方式的空間差異規(guī)律，以探究人與自然地理環(huán)境和諧相處之道。

1 長(zhǎng)嶼硐天和龍游石窟巖性差異

1.1 長(zhǎng)嶼硐天巖性特征

1.1.1 長(zhǎng)嶼硐天概況。長(zhǎng)嶼硐天位于溫黃平原南部，分布在臺(tái)州灣南隅溫嶺市中部的樓岙山、黃監(jiān)山、鳳凰山一帶［1］，面積約10 km2。該區(qū)為亞熱帶季風(fēng)氣候，全年溫和濕潤(rùn)，年均溫17.4℃，年均降雨量1 702.1 mm，雨量豐富;該區(qū)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(zhì)火山碎屑巖是當(dāng)?shù)刂匾膸r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(zhì)公園的一個(gè)園區(qū)，2010年成為國(guó)家礦山公園。

1.1.2 長(zhǎng)嶼硐天巖性。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，溫嶺處于浙江省東南沿?；鹕綆r帶東南段，中生代火山活動(dòng)強(qiáng)烈，火山巖分布廣泛，區(qū)內(nèi)出露地層大部分為中生代上侏羅統(tǒng)磨石山群火山沉積巖系［2］，還有一小部分為第四系地層?；野咨骷y質(zhì)角礫凝灰?guī)r為長(zhǎng)嶼硐天采石的主要對(duì)象，形成凝灰?guī)r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(gè)火山錐底面30 km2左右，高約500 m［3］。這一帶噴發(fā)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?guī)r，其形成原因?yàn)榛鹕奖l(fā)，圍巖崩碎形成的碎屑物被拋至高空，通過風(fēng)力搬運(yùn)和重力作用后，碎屑物降落，經(jīng)壓實(shí)和水化學(xué)膠結(jié)過程形成巖石，因而巖石成巖時(shí)溫度較低，未經(jīng)歷熔結(jié)作用，使得該地含角礫凝灰?guī)r結(jié)構(gòu)較疏松，密度較小，利于開發(fā)利用。凝灰?guī)r形成后受后期構(gòu)造破壞和剝蝕影響小，大部分巖石粒度在0.1～0.25 mm，材質(zhì)細(xì)膩。長(zhǎng)嶼地區(qū)凝灰?guī)r強(qiáng)度中偏上，一般民用已經(jīng)足夠。此外長(zhǎng)嶼硐天凝灰?guī)r具有儲(chǔ)藏量大、厚度大、完整性大、規(guī)模大、成層性好、保存好等特點(diǎn)，為大規(guī)模開采提供了基礎(chǔ)。

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(fēng)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(zhì)歷史時(shí)期常發(fā)生沉降，第三紀(jì)衢江紅砂巖廣泛沉積。自龍游石窟被發(fā)現(xiàn)以來，其用途之謎仍未解開，不同學(xué)者看法不同，有藏軍說、倉(cāng)庫(kù)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(guó)古代最高水平的地下空間開發(fā)利用工程［13］，其開鑿出的石材被外運(yùn)利用，紅色砂巖、粉砂巖是其主要開鑿對(duì)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(gòu)成的上白堊統(tǒng)金華組二段之中［14］，棕紅、淺棕紅色粉砂巖、細(xì)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(qū)紅砂巖巖體強(qiáng)度中偏下，利于人工開鑿;巖體結(jié)構(gòu)為塊狀、完整狀。

砂巖最大的特點(diǎn)就是易風(fēng)化。據(jù)現(xiàn)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(jié)物(30%)組成:碎屑物有石英、長(zhǎng)石、鋯石、銳鈦礦、電氣石等，其中石英占65%，長(zhǎng)石、鋯石、銳鈦礦、電氣石約占5%;膠結(jié)物主要為泥質(zhì)物質(zhì)和方解石，其中泥質(zhì)物質(zhì)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(fā)現(xiàn)龍游石窟砂巖泥質(zhì)膠結(jié)物組成成分有石英、斜長(zhǎng)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(fù)吸水膨脹和失水收縮的作用下，會(huì)減弱龍游石窟砂巖的抗風(fēng)化能力。

2 長(zhǎng)嶼硐天和龍游石窟開發(fā)方式差異

2.1 采石方式差異

2.1.1 長(zhǎng)嶼硐天采石方式。長(zhǎng)嶼硐天主要采取豎井開采、平硐運(yùn)輸、連硐擴(kuò)展的石材資源開發(fā)模式。開采石料有條石與石板兩種，長(zhǎng)嶼地區(qū)憑借當(dāng)?shù)亟堑[凝灰?guī)r厚度巨大的特點(diǎn)，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(jié)合的手工生產(chǎn)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(jù)開采石板大小鑿出補(bǔ)孔(圖1b)，然后由4～6個(gè)石工同時(shí)工作完成出板。

圖1 兩地野外調(diào)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?；鶐r裸露的山坡表層或淺層多采用此種采石方式，一般規(guī)模較小。直穴式采坑現(xiàn)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(cè)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(kuò)大，直至開采結(jié)束，形成覆鐘式的采坑。

長(zhǎng)嶼硐天石材資源開發(fā)較早，至今已有1 500多年歷史，期間形成了28個(gè)大小不等的硐群，硐體一般高40 m，寬30～50 m，其中最高達(dá)73.4 m，最寬達(dá)56.8 m，規(guī)模之大令人震驚。規(guī)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(shí)，利用穹形結(jié)構(gòu)保證洞內(nèi)的穩(wěn)定性，不同于龍游石窟。

2.1.2 龍游石窟開鑿方式。從洞內(nèi)形態(tài)特征可見，龍游石窟和長(zhǎng)嶼硐天的開鑿方式有顯著區(qū)別。龍游石窟內(nèi)并沒有發(fā)現(xiàn)與長(zhǎng)嶼硐天類似的排孔、補(bǔ)孔遺跡，但是洞內(nèi)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(nèi)形成環(huán)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(diǎn):朝洞口一面寬而方，朝洞內(nèi)的窄而尖，同時(shí)以弧形方式過渡［18］。

洞窟開鑿從洞口開始，入洞后再對(duì)待開鑿的巖體進(jìn)行分層開挖，越向下開鑿面積越大，最終形成斜頂結(jié)構(gòu)，同時(shí)留下魚尾形巖柱，臺(tái)階、洞窟整體呈倒斗形結(jié)構(gòu)。通過對(duì)斜頂與平頂兩種模型下的應(yīng)力和位移的對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)斜頂結(jié)構(gòu)在應(yīng)力方面遠(yuǎn)優(yōu)于平頂結(jié)構(gòu);對(duì)比分析魚尾形巖柱和方形巖柱的應(yīng)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(jié)理裂隙面基本一致這一點(diǎn)，足以說明倒斗形結(jié)構(gòu)的形成與巖體特征關(guān)系密切。古人通過順層開鑿，可以節(jié)省時(shí)間精力，提高工作效率?？紤]到洞內(nèi)的采光問題，大部分洞的開口朝向西南。綜上，長(zhǎng)嶼硐天與龍游石窟采石方式差異體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:①開采石材類型不同:長(zhǎng)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(zhǎng)嶼硐天以露天、半露天方式開采，龍游石窟進(jìn)行地下開采。③開采場(chǎng)地結(jié)構(gòu)不同，長(zhǎng)嶼硐天半露天開采呈覆鐘式，利用了穹形結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，龍游石窟地下開采呈倒斗形結(jié)構(gòu)，加上魚尾巖柱支撐洞體。

圖2 長(zhǎng)嶼硐天凝灰?guī)r用途

2.2 利用方式差異 長(zhǎng)嶼硐天地區(qū)凝灰?guī)r由于強(qiáng)度適中、石質(zhì)細(xì)膩、色彩多樣等特點(diǎn)，加之儲(chǔ)藏量和開采量巨大，在日常生活中被廣泛應(yīng)用于民居、橋梁、墓地、水利工程、道路、軍事防御設(shè)施以及各類生產(chǎn)生活用具;利用凝灰?guī)r石質(zhì)細(xì)膩的特點(diǎn)，當(dāng)?shù)厥窆に嚉v史悠久，產(chǎn)品種類包羅萬(wàn)象。概括而言，長(zhǎng)嶼石利用方式有三大方向。

2.2.1 作為建筑材料。在采石場(chǎng)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(qū)內(nèi)保存了161棟各個(gè)時(shí)期的石板民居，市級(jí)文物保護(hù)單位張?jiān)獎(jiǎng)坠示右允?圖2b)為材料建造(圖2c)，從地面到墻壁，再到房柱，均以凝灰?guī)r為材料;在新河古鎮(zhèn)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(jí)文物保護(hù)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(guó)重點(diǎn)文物保護(hù)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(qū)中還發(fā)現(xiàn)全由凝灰?guī)r建造的石亭(圖2f);此外，新河鎮(zhèn)地區(qū)的墳?zāi)?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(fēng)、石磨(圖2j)、石馬槽、石臉盆、石井、石質(zhì)洗衣板、石鼓、石攆等。在生活中應(yīng)用廣泛。

2.2.3 作為石雕原材料。長(zhǎng)嶼石雕藝人利用凝灰?guī)r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(shù)觀賞價(jià)值。各色石窗(圖2l)展示了當(dāng)?shù)厝私】甸L(zhǎng)壽的愿望。

龍游石窟紅砂巖與凝灰?guī)r相比強(qiáng)度小，容易風(fēng)化，用途沒有凝灰?guī)r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(jìn)行精細(xì)雕刻。

圖3 龍游石窟紅砂巖用途

在實(shí)地調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，全部用紅砂巖建造的民居數(shù)量不多，且保存情況較好的民居建造年代新近。如林場(chǎng)的一間長(zhǎng)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(chǎng)民房一墻角處(圖3c)紅砂巖風(fēng)化物已經(jīng)堆積。而時(shí)間稍久的紅砂巖房屋則風(fēng)化嚴(yán)重，如在五爪壟附近的一座房屋(圖3d)，墻體出現(xiàn)裂縫，已經(jīng)處于坍塌的邊緣。這說明了紅砂巖是較易風(fēng)化的巖石，用其建造的房屋需要經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。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(fā)現(xiàn)多處由紅砂巖建造的墻基(圖3efg)。此外，在調(diào)查過程中還發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)嶼地區(qū)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(fēng)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(duì)長(zhǎng)嶼地區(qū)凝灰?guī)r的細(xì)膩，紅砂巖石質(zhì)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(jīng)精雕細(xì)琢。

3 結(jié)論

筆者通過野外調(diào)查和資料梳理，初步展開了對(duì)長(zhǎng)嶼硐天和龍游石窟石材資源開發(fā)利用的研究。研究結(jié)果表明:①巖性是影響石材資源開發(fā)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(zhǎng)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(fā)利用方式:長(zhǎng)嶼硐天地處東南沿?；鹕剿樾紟r分布區(qū)，巖石以流紋質(zhì)角礫凝灰?guī)r為主，巖石抗風(fēng)化能力強(qiáng)，多以露天半露天方式開采;龍游石窟所在地區(qū)為中生代紅層盆地，以砂巖、粉砂巖為主，巖石在地表易于風(fēng)化，所以多進(jìn)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(zhǎng)嶼硐天的石材多以石板形式產(chǎn)出，洞體利用穹形構(gòu)造保證穩(wěn)定性，石材用途廣泛，尤其是石雕藝術(shù)發(fā)展完善;龍游石窟石材多以石條產(chǎn)出，洞內(nèi)利用斜頂結(jié)構(gòu)和魚尾形石柱支撐頂板相結(jié)合的方式保證洞窟的穩(wěn)定，石材主要用于建筑物基底部分，不進(jìn)行精細(xì)加工。

由此可見，人類活動(dòng)與自然環(huán)境關(guān)系密切，合理的資源利用開發(fā)方式是人地和諧相處之道。古人根據(jù)地理環(huán)境的地域性特征，因地制宜地開發(fā)資源，促進(jìn)了可持續(xù)發(fā)展。

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