江西省“三清山式”花崗巖地貌景觀發(fā)育機(jī)制探討

葉張煌 ,尹 斌,劉嘉麒,王安建,陳安澤,閆 強(qiáng)

1)江西科技師范大學(xué),江西南昌 330038;2)中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,北京 100037;3)江西省地質(zhì)調(diào)查院,江西南昌 330030;4)中國科學(xué)院地質(zhì)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(zhì)遺跡列入世界地質(zhì)公園。其中花崗巖地貌類有 7處,中國獨(dú)占 6處。從景觀形態(tài)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(qū),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(qū),是最重要的花崗巖地貌成景帶,多呈現(xiàn)出“尖山陡坡”的特點(diǎn),我國的風(fēng)景名勝區(qū)大多位于此帶;40°—50°以上的中高緯度地區(qū),寒凍風(fēng)化和風(fēng)蝕作用越強(qiáng)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(qū)、潮濕熱帶地區(qū)或炎熱干旱地區(qū)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(duì)比意義。本文將從 4個(gè)方面分析探討“三清山式”花崗巖地貌景觀的發(fā)育機(jī)制。

1 “三清山式”花崗巖景觀發(fā)育的構(gòu)造背景

三清山位于江西省上饒市,北緯 28°48′22″—29°00′45″、東經(jīng) 117°58′20″—118°08′28″。景區(qū)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(gè)一級(jí)大地構(gòu)造單元華夏與揚(yáng)子板塊的碰撞結(jié)合帶,處于贛杭構(gòu)造-火山巖帶的中段。

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

區(qū)內(nèi)巖漿巖十分發(fā)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(qū)的中酸性巖漿噴發(fā)活動(dòng)形成鈣堿性中酸性火山巖組合。早白堊世在拉張的構(gòu)造環(huán)境下,又發(fā)生酸性巖漿的大規(guī)模強(qiáng)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(zhì)、地貌和生態(tài)的奠基時(shí)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(xiàn)今奇特的花崗巖景觀。

構(gòu)造在地貌發(fā)育過程中起主導(dǎo)作用。首先,正是由于構(gòu)造條件的不同,懷玉山花崗巖區(qū)呈現(xiàn)出四種不同風(fēng)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(duì)高差大,第四紀(jì)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(tài)。裂變徑跡數(shù)據(jù)表明三清山第4階段的隆升速率明顯快于前3個(gè)階段,這與新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期間三清山在獨(dú)特的“隆上隆”構(gòu)造背景下快速隆升的特點(diǎn)是一致的(裂變徑跡數(shù)據(jù)另文發(fā)表)。但另一方面,三清山剝露出地表的時(shí)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(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)及野外地質(zhì)現(xiàn)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(shí),顯然要稍早于三清山最后補(bǔ)充期的時(shí)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(jīng) 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?guī)r產(chǎn)狀為 135°∠45°,見有三葉蟲化石和少量底棲腕足類化石,而黃山?jīng)]有類似現(xiàn)象的報(bào)道。三清山巖體不僅侵位于早寒武紀(jì)地層,還與泥盆紀(jì)的西湖組地層呈侵入接觸關(guān)系,而黃山巖體只與寒武紀(jì)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(fā)育的早期階段,剝蝕程度不高。

其次,斷層和節(jié)理等次一級(jí)的斷裂構(gòu)造使巖石發(fā)生破碎,在控制景觀發(fā)育方面起到至關(guān)重要的作用。三清山花崗巖體中的斷層和節(jié)理發(fā)育,是研究不同尺度構(gòu)造現(xiàn)象的理想場所。

圖1 三清山地質(zhì)公園地質(zhì)和斷裂構(gòu)造簡圖(據(jù)三清山地質(zhì)公園管理委員會(huì),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(gòu)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(zhèn)斷層帶(圖1)。其中后三者是控制三清山的主構(gòu)造,發(fā)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(zhuǎn)化為區(qū)內(nèi)三條正斷層,即相對(duì)三清山山體而言,其傾向均向外傾,即斷塊山以內(nèi)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(gè)典型的“三角形斷塊山”。

三清山形成了一個(gè)獨(dú)特的“隆上隆”地質(zhì)構(gòu)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(jìn)一步加劇了三清山的隆升,其抬升幅度明顯比周邊地質(zhì)體大得多。

(2)節(jié)理:根據(jù)節(jié)理與流動(dòng)構(gòu)造的關(guān)系將節(jié)理分為 3類:平行節(jié)理、縱節(jié)理和橫節(jié)理。從與造景關(guān)系的角度出發(fā),又可分為造景節(jié)理,保景節(jié)理和損景節(jié)理 3種,造景節(jié)理主要指縱節(jié)理,稀疏縱節(jié)理主導(dǎo)的花崗巖多形成懸崖峭壁的峰巒,密集縱節(jié)理主導(dǎo)的花崗巖多形成峰叢、峰柱、造型石等景觀;保景節(jié)理主要指水平節(jié)理;損景節(jié)理主要指橫節(jié)理,俗稱斜節(jié)理,傾角越大越不穩(wěn)定,容易沿節(jié)理面產(chǎn)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(jié)理。三清山節(jié)理主要有3組方向,即北東—北北東向節(jié)理(縱節(jié)理),北西—近東西向節(jié)理(橫節(jié)理),以及水平節(jié)理。北東—北北東和北西西走向的節(jié)理整體上構(gòu)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(tài),發(fā)育規(guī)模較大;后者總體走向北西西向,往南東部轉(zhuǎn)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(jié)理是密切相關(guān)的,鋸解石(圖版 I-3)就是節(jié)理控景的實(shí)例。這些節(jié)理具有“規(guī)模大、延伸長、切割深、網(wǎng)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(jié)理的規(guī)模較大且成帶發(fā)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(gòu)造。橫節(jié)理是控制中部峰柱、東南部峰墻及部分峽谷的主要構(gòu)造。同時(shí)發(fā)育的近水平節(jié)理裂隙是造型石的主控構(gòu)造和產(chǎn)生球形風(fēng)化的必備條件之一。即峰墻、峰叢、峰柱等棱角分明的巖塊,經(jīng)水平節(jié)理切割和球形風(fēng)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(jié)理在不同區(qū)段的規(guī)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(jié)理交匯的三清山中部,形成了天門峰叢。在外營力的繼續(xù)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(guī)模更小的石芽,如犀牛石(圖版1-6)。

三清山區(qū)域構(gòu)造的主應(yīng)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(qū)域主應(yīng)力方向與花崗巖體的原生節(jié)理走向基本吻合,這使巖體在受區(qū)域主應(yīng)力作用下更容易沿著花崗巖的節(jié)理裂隙薄弱面發(fā)生擠壓和斷裂等現(xiàn)象。在三清山經(jīng)?？吹桨l(fā)生在花崗巖中的斷裂結(jié)構(gòu)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(jìn)一步的侵蝕破壞,形成一線天、河溝和峽谷等負(fù)地形。

從巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度看,巖體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)面是主導(dǎo)巖體穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素(浦慶余等,2007)。三清山花崗巖體的三組互相垂直的節(jié)理面,將巖體切割成似長方體,形成了塊狀的花崗巖結(jié)構(gòu)體和硬性的結(jié)構(gòu)面,巖體的穩(wěn)定性能較好。三清山的兩組垂直節(jié)理使巖體沿節(jié)理面陡立,近水平節(jié)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(dá) 128 m,但重心穩(wěn)定(圖版 I-7)。

2 “三清山式”花崗巖景觀的物質(zhì)基礎(chǔ)

巖性是影響巖石地貌成因的另一重要因素?？傮w上說,花崗巖是致密堅(jiān)硬、透水性差(若無節(jié)理切割,僅為頁巖的五分之一)、抗壓強(qiáng)度大(147～225 MPa)和抗剪強(qiáng)度高的塊狀結(jié)構(gòu)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(xué)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(gòu)造解譯和節(jié)理玫瑰花圖(據(jù)三清山地質(zhì)公園管理委員會(huì),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(guān)關(guān)系呢？首先,化學(xué)成分差異影響化學(xué)風(fēng)化的強(qiáng)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?；◢弾r中的黑云母和角閃石是抗化學(xué)風(fēng)化能力較低的礦物,在濕熱條件下,它們很快風(fēng)化成為蒙脫石等粘土礦物,透水性增加,化學(xué)風(fēng)化速度加快,強(qiáng)度增加,繼而長石也被風(fēng)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(xué)風(fēng)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(fù)地形,而在三清山形成懷玉山脈最高峰的原因。

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

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

其次,礦物成分差異也影響物理風(fēng)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(jié)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(chǎn)生松動(dòng)。如石英的膨脹系數(shù)比長石膨脹系數(shù)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(diào),就礦物導(dǎo)致的物理風(fēng)化而言,前者弱于后者。

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

最后,結(jié)晶顆粒大小對(duì)風(fēng)化作用有直接的影響。細(xì)粒花崗巖抗風(fēng)化能力強(qiáng),中粗?；◢弾r抗風(fēng)化能力弱,前者形成主峰玉京峰,其巖性為補(bǔ)充期細(xì)粒(微細(xì)粒)花崗巖,斑晶大小僅約為2～4 mm,抗風(fēng)化能力強(qiáng),節(jié)理稀疏,穩(wěn)定性高,形成高大山體;后者形成南清園和萬壽園等主景區(qū),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(jié)理密集,地表被強(qiáng)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(fā)育的外動(dòng)力條件

各種外營力地質(zhì)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(yīng)。也有人根據(jù)外動(dòng)力作用條件將全國的花崗巖地貌景觀分為水蝕型、差異風(fēng)化型、冰蝕型、剝蝕殘余型、風(fēng)蝕型(文雪峰等,2013)。三清山又是典型的水蝕型地貌,與風(fēng)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(fēng)氣候區(qū),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(yīng)的生物多樣性環(huán)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(fēng)化、重力崩塌等綜合地質(zhì)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(qū)徑流發(fā)育,流水對(duì)地貌的塑造隨處可見。年降水量大,達(dá)1900 mm以上,年平均蒸發(fā)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(jié),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(qiáng),對(duì)沿途的地層產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷和切割,形成了深切河谷。

根據(jù)中國凍土區(qū)劃和類型圖(周幼吾等,2000),三清山位于短時(shí)凍土區(qū)內(nèi),冬天經(jīng)常銀裝素裹一片,充填于巖石節(jié)理裂隙中的水結(jié)冰,體積膨脹使巖石裂解,水結(jié)成冰時(shí)其體積可增大9.2%。冰體對(duì)裂縫壁產(chǎn)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(fā)生機(jī)械崩塌和破碎。這種冰緣環(huán)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(dá) 20 cm(圖版 I-8),應(yīng)是軟弱巖層風(fēng)化剝落,冬天積水成冰,體積膨脹,洞穴進(jìn)一步擴(kuò)大。

三清山地區(qū)植被茂盛,是我國生物多樣性的典型區(qū)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(dá) 88.1%;其總熱點(diǎn)值高達(dá) 25.10,比黃山地區(qū)高出近一倍(李迪強(qiáng)等,2003)。生物風(fēng)化既有物理的方式,又有化學(xué)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(duì)裂縫壁產(chǎn)生強(qiáng)大壓力,加速巖石破裂與崩落的進(jìn)程?；瘜W(xué)方式主要是生物在腐爛過程中釋放出大量的有機(jī)酸,使巖石中的礦物發(fā)生分解,鉀長石在有機(jī)酸中的化學(xué)分解如下(王根厚等,2008)。高大的崖壁因失去支撐而發(fā)生崩塌作用,形成崩塌殘余型地貌。

4 外動(dòng)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(xiàn)代氣候的產(chǎn)物,更是第四紀(jì)以來該地區(qū)不同階段氣候變化的印跡。第四紀(jì)氣候變化的基本特征是晚新生代以來的全球性轉(zhuǎn)冷和周期性的冷暖變化。

現(xiàn)代三清山屬中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),但在第四紀(jì)以來地質(zhì)時(shí)期,三清山可能呈現(xiàn)完全不同的一番景象。第四紀(jì)我國經(jīng)歷了 4次明顯的冰期,即東部地區(qū)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(kuò)大和凍土區(qū)南擴(kuò),這一點(diǎn)是毋庸置疑的,但凍土區(qū)南擴(kuò)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(gè)有爭議的學(xué)術(shù)問題。有的人認(rèn)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(qū)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(xiàn)在低1000 m(施雅風(fēng)等,2006;張威等,2009),中國東部平均氣溫比現(xiàn)今的降幅有不同的觀點(diǎn),崔之久等(2004)認(rèn)為低 8～12°C,浦慶余(1982)認(rèn)為低 11～12°C,楊懷仁(1988)認(rèn)為低 10～12°C,周幼吾等(2000)認(rèn)為低9～12°C。綜合上述數(shù)據(jù),LGM我國東部平均降溫按 11°C計(jì)算,三清山現(xiàn)在的年平均氣溫為 11.2°C,那么三清山地區(qū)當(dāng)時(shí)的年平均氣溫 0.2°C,假定氣象觀測站的海拔為 1500 m,即現(xiàn)在三清宮腹地所在的高度,那么在海拔 1600 m以上的區(qū)域則為多年凍土區(qū)。這說明第四紀(jì)降溫事件有利于三清山凍融物理風(fēng)化作用的發(fā)生。

氣候變化不僅有冰期,也有間冰期。據(jù)大青山花崗巖殘留的亞熱帶化學(xué)風(fēng)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(dá)了北緯 41°,位于大青山—遼東半島一帶(崔之久等,2007),這對(duì)三清山花崗巖地貌的影響與冰期時(shí)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(jié)論

地貌的形成演化是構(gòu)造、巖性和外動(dòng)力等因素共同作用的結(jié)果。“三清山式”花崗巖微景觀也是多個(gè)因素耦合的產(chǎn)物:獨(dú)特的構(gòu)造背景、巖石類型及其物質(zhì)組成、適宜的外動(dòng)力地質(zhì)作用、外動(dòng)力作用隨時(shí)間的變化等,這就分別好像雕刻大師雕刻石雕或木雕時(shí)用的架子、材料、工具和不同時(shí)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(jié)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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