常山石的科學價值解析

文/王德滋 陳小明 舒良樹 by Wang Dezi Chen Xiaoming Shu Liangshu

常山石是指產(chǎn)于浙江省常山縣，原巖為形成于4.4～4.8億年前奧陶紀的竹葉狀灰?guī)r，經(jīng)后期漫長的地質(zhì)作用雕琢而成的筍狀觀賞石，其外觀有的可見清晰的“竹葉”（圖1），有的呈現(xiàn)出蜂巢狀孔洞（圖2）。常山石的另一特點是可以組合造型（圖3）。

浙江省常山縣有悠久的賞石歷史，北京故宮中就有二處利用常山石設計的景觀（圖4、5）。常山縣于2018年被命名為“中國觀賞石之鄉(xiāng)”。另外，常山縣賞石資源豐富，境內(nèi)奧陶紀地層分布廣泛，其中包含了我國第一個國際標準地層剖面（即俗稱的“金釘子”剖面；陳旭等，1998），奧陶紀地層中灰?guī)r占比大，由于灰?guī)r相對性脆、易溶蝕，這為常山縣出產(chǎn)各類碳酸鹽質(zhì)觀賞石奠定了物質(zhì)基礎。常山縣既有以多孔洞為特色的“太湖石類”觀賞石，又有以神似見長的“靈璧石類”觀賞石，但主要產(chǎn)出的還是一種獨特的、以竹葉狀結構為特征的筍狀觀賞石——常山石。本文將主要從科普角度，來解析常山石所蘊含的科學知識信息，使常山石在發(fā)揮其藝術價值的同時，釋放其科普價值，達到寓教于樂之目的。

一、常山石蘊含的形成環(huán)境信息

常山石的原巖為以碳酸鈣為主要成分的竹葉狀灰?guī)r，指示其形成環(huán)境為海洋環(huán)境。這就是說雖然現(xiàn)在常山地區(qū)是陸地環(huán)境，但在常山石原巖形成的時代，常山地區(qū)為海洋環(huán)境，正應驗了所謂的“滄海桑田”之說。大家知道，海水中溶解有大量的鹽類，其中最主要的有氯化物、硫酸鹽和碳酸鹽等，而灰?guī)r的形成就揭示：當時海水中碳酸鈣處于過飽和狀態(tài)；野外調(diào)研顯示形成常山石的灰?guī)r只是局部分布，并不是分布于整個海洋環(huán)境，這說明當時海水中碳酸鈣的過飽和現(xiàn)象只是局部的，是受海洋中局部區(qū)域海水中碳酸鈣濃度以及海水的深度、溫度等因素制約的。

而常山石的竹葉狀結構進一步指示其原巖經(jīng)歷了兩種不同的海洋環(huán)境。常山石雖然外觀上有的顯現(xiàn)出竹葉結構、有的呈現(xiàn)孔洞結構（圖1、圖2），但在新鮮面上，其原巖均是由兩種不同顏色的灰?guī)r組成，顏色相對較淺的灰?guī)r呈碎屑狀（竹葉）散布于深色灰?guī)r（膠結物）中，凸顯出形神各異的竹葉形態(tài)（圖6）。從顏色角度分析，碎屑狀灰?guī)r（竹葉）較膠結物灰?guī)r顏色偏紅，說明碎屑狀灰?guī)r較膠結物灰?guī)r經(jīng)歷了相對更氧化的環(huán)境，導致碎屑狀灰?guī)r中的鐵質(zhì)更多的呈現(xiàn)出Fe3+的價態(tài)；從結構角度分析，碎屑狀灰?guī)r（竹葉）較膠結物灰?guī)r經(jīng)歷過水動力條件比較動蕩的、相對比較淺的海洋環(huán)境，形成碎屑狀灰?guī)r（竹葉）的碳酸鹽沉積物在水動力的作用下發(fā)生破碎、磨圓，變成竹葉狀的碎屑；膠結竹葉的碳酸鹽沉積物是在水動力條件相對比較弱的和比較深的海洋環(huán)境中形成的，其形成后基本保持了原始狀態(tài)。

圖1 具“竹葉結構”的常山石（右圖為局部放大）

圖2 具蜂巢狀孔洞的常山石（右圖為局部放大）

圖3 常山石組合景觀（常山縣慢城文化藝術博物館前）

所以，常山石揭示了其原巖經(jīng)歷了兩種不同的海洋環(huán)境：竹葉經(jīng)歷了相對氧化的、水動力動蕩的淺海環(huán)境，膠結物灰?guī)r形成于相對還原的、水動力較弱的相對深的海洋環(huán)境。

二、常山石所經(jīng)歷的地質(zhì)作用指示意義

構成常山石藝術性或觀賞性的要件為竹葉狀結構和筍狀外形，常山石的藝術價值是多種地質(zhì)作用塑造的。首先，常山石竹葉狀結構的形成先后經(jīng)歷了至少三種地質(zhì)作用：

（一）碳酸鹽沉積作用，這是受海水中以碳酸鈣為主的碳酸鹽類物質(zhì)過飽和度、海水溫度以及海水深度等因素綜合影響的結果，任一因素的改變都可能導致碳酸鹽類無法沉積；（二）外動力地質(zhì)作用，早先沉積的碳酸鹽沉積物沿斜坡發(fā)生水下滑塌，使原先層狀沉積物發(fā)生破碎、并塑造成形態(tài)各異的竹葉狀碎屑，這些竹葉狀碎屑滑入位置較深的未固結的碳酸鹽沉積物（膠結物）中，攪動懸浮起來的沉積物在沉降后將滑入的竹葉覆蓋、包裹；（三）成巖作用，碳酸鹽沉積物經(jīng)歷膠結、壓實成巖作用，形成常山石即竹葉狀灰?guī)r。

常山石的組合形態(tài)表現(xiàn)為一組高低錯落的“柱狀體”（圖1、3、4、5），彼此緊挨著，這些“柱狀體”受地質(zhì)作用的影響，棱角被磨蝕，形似一根根“石筍”，常山石的筍狀外形先后經(jīng)歷至少兩次地質(zhì)作用：

（一）構造運動（內(nèi)動力地質(zhì)作用），在擠壓、剪切或拉張作用力下，竹葉狀灰?guī)r中產(chǎn)生直立的裂隙，從而將竹葉狀灰?guī)r切割成不同大小的柱狀體；（二）風化作用（外動力地質(zhì)作用），地表水和地下水對灰?guī)r有較強的溶蝕作用，特別是水中溶解有少量酸性組分后溶蝕作用會更強；另外，在相同條件下，水對柱狀體不同部位的溶蝕作用強度是不一樣的，對三面匯聚而成的角的溶蝕最強，其次為二面相交而成的棱，溶蝕相對最弱的是柱面，這就使得構造作用形成的柱狀體在水的淋濾、溶蝕下慢慢變?yōu)椴粠Ю饨堑墓S狀造型。

三、常山石所記載的漫長形成歷史信息

常山石的原巖形成時代遙遠。原巖中含牙形刺、三葉蟲、筆石等化石（陳旭等，1998；李文杰等，2018），在常山“金釘子”剖面中，常山石原巖的層位分布于“金釘子”點位的上、下兩側，同屬于古生代奧陶紀地層；經(jīng)與“金釘子”的同位素定年結果比對，常山石原巖距今已有4.4～4.8億年的歷史。

常山石除原巖時代悠久外，構造運動將原巖切割成柱狀體也是一個漫長的地質(zhì)過程，另外要塑造成筍狀造型還必須經(jīng)歷漫長的淋濾、溶蝕作用過程。根據(jù)Palmer（1991）的研究，碳酸鈣洞穴的溶解速率為0.1～1.0mm/年；考慮到常山石原巖中泥質(zhì)成分含量較高，嚴重阻礙了地下水在原巖中的交換速度，因此我們選擇常山石原巖的溶解速率為0.1mm/年，那么要溶蝕掉一個50×10mm的竹葉狀碎屑至少需要100年，可以想象，要形成如圖1、2、3、4、5中所展示的常山石，至少需要幾千年甚至幾萬年。

四、常山石的社會價值

常山石除所述科學性、藝術性外，還具備商品性。常山縣硯瓦山村是常山石的主產(chǎn)區(qū)，整座硯瓦山都由常山石（或其原巖）構成，儲量豐富，經(jīng)營觀賞石，特別是常山石，已成為該地區(qū)的主要產(chǎn)業(yè)，該村有1萬多人從事相關產(chǎn)業(yè)。這個產(chǎn)業(yè)也使得該村成為常山縣比較富裕的地區(qū)。

圖4 北京故宮利用常山石設計的景觀

圖5 北京故宮利用常山石設計的景觀

圖6 二種不同顏色灰?guī)r組成的“竹葉”狀結構