崂山花岗岩山脊壶穴的特征及成因探讨

朱银奎

中国地质调查局青岛海洋地质研究所，山东青岛，266071

内容提要：关于中国北方地区花岗岩山脊壶穴(有报刊称之为冰臼、冰川壶穴、A型风化穴、岩臼、锅穴、坑穴等)的争论一直不断，通过对青岛崂山花岗岩山脊壶穴的形态及分布特征的实地仔细观察和分析研究发现，青岛崂山花岗岩山脊壶穴同其他北方地区花岗岩山脊壶穴一样，具有口小、肚大、底平、内有水平纹理的特征。山脊壶穴有一出水口，以出水口水平面为界，以上为 “口小”的部分即本文称之为壶檐，以下即“肚大”的部分为壶穴的主体。根据山脊壶穴的这些特征认为，崂山花岗岩山脊壶穴是由于壶穴内冬季水面的结冰对壶穴内壁的冰蚀作用所形成的，每年冬季在不同的水位结冰，便在壶穴内不同的部位产生冰蚀,由于壶穴内最高水位与出水口持平，故其上部分不发生冰蚀，便形成壶檐即“口小”，其下部分不断被冰蚀扩大便形成“肚大”的特征。同时，崂山花岗岩山脊壶穴的生长发育必须满足这样的条件：位于山顶部位，没有外来流水、沉积物及生物枝叶等落入壶内。本文用冰蚀作用解释了崂山花岗岩山脊壶穴的基本特征，对花岗岩山脊壶穴发育过程进行了探讨，并指出崂山花岗岩山脊壶穴的产生—发育—消亡是现代花岗岩冰蚀作用的产物，而且这种过程目前仍在进行中，与第四纪冰川无关。

山脊壶穴，以口小、肚大、底平为特征，在中文期刊、报纸上还有冰臼、冰川壶穴、A型风化穴、岩臼、锅穴、坑穴等名称；吕洪波和章雨旭(2008)探讨了这些名词的来源，文中，章雨旭建议：修改“pothole”和“壶穴”的原始定义，摒弃“冰臼”、“岩臼”等中文术语。以克什克腾世界地质公园青山山脊上的“口小、肚大、底平”的凹坑为例，建议使用“壶穴”一词来称呼这类“凹坑”，并修改壶穴的原始定义，即不再强调水流冲蚀成因。按此建议，本文采用“山脊壶穴”一词来称呼崂山花岗岩山顶上的这种凹坑。

有很多的文章争论山脊壶穴的成因，有多种不同的观点。韩同林等提出了第四纪冰川成因说，但该观点没能得到普遍的认同。反之，许多学者均表达了强烈的发对意见，反对的同时也提出了许多不同的见解，但始终没有一个可以得到大家接受的成因解释，也即争论没有得出结论。笔者在崂山用5年多时间，对崂山山脊壶穴的形态、内壁光洁度、所处地表环境等特征进行了反复仔细的观察研究，现将观察的结果和一些不太成熟的想法写出来，以期能起到抛砖引玉的作用，或可以讨教到专家们的真知灼见。或许对探明花岗岩山脊壶穴成因能起到有益的作用。

1 有关北方花岗岩山脊壶穴成因的争议

关于山脊壶穴的成因，许多学者各有不同的看法。韩同林(2004)认为“冰臼主要是由冰川融水(包括冰川压融水)携带大量冰碎屑、岩屑及冰川粉物质，沿冰川裂隙自上向下以滴水石穿式形成滚流水钻，对下覆基岩进行强烈的冲蚀和研磨作用下形成的”。吕洪波等(2008，2010)赞同该观点，“中国北方花岗岩山脊上的壶穴只能是曾经覆盖其上的第四纪冰帽在冰川退缩期之冰川融水形成的。所以，花岗岩山脊上的壶穴为冰川壶穴(即冰臼)，可以看作第四纪冰帽的标志”(吕洪波等，2008)；在对“已经考察过的内蒙古赤峰北部山区、河北丰宁喇嘛山、秦皇岛祖山、山东青岛的崂山、大珠山、小珠山、山东新泰的青云山、蒙阴的蒙山等地”后认为，“壶穴的形成并不受花岗岩中节理的控制，也与风化作用无关，不能用‘负球状风化’来解释。壶穴是高速旋转水流侵蚀的结果，在中国东部花岗岩山脊上发现的壶穴是第四纪冰川融水侵蚀的标志”(吕洪波等，2010)。

施雅风(2010)认为，“花岗岩类地面小型臼状地形是近现代(冰后期)负球状风化(或剥落)与风、水等协力作用结果”,“这种小型臼状地形非moulin 过程所能解释，moulin在冰川区就很罕见，在非冰川区更不可能”。

章雨旭等(2005,2011)，根据臼生裸脊、口小肚大和臼中存水等推测，正是臼中存水这一原因导致了差异风化，使得原始的豆大小坑在几千年至几万年的历史长河中发展成了今日所见的斗大大坑，由于坑内积水，它就将比不积水的地方有快得多的风化速度，因为在有水存在的条件下，花岗岩中的长石将更易被分解。随着水坑的加大，积水的量会越来越多，一年中积水的时间会越来越长，差异风化也就更加显著，坑就会加速发展。由于坑中不会总是集满水的，所以坑的中、下部与水作用的时间会更长，风化更强；所以有口小肚子大的形态特征。由于这种差异风化、破坏在有植被或土壤覆盖的情况下就将不明显，故这种壶穴只见于光秃的山脊之上。

孙洪艳等(2008)，详细调查克什克腾世界地质公园的青山花岗岩山脊壶穴(岩臼)，先后野外调查了内蒙古阿尔山国家地质公园玫瑰峰、河北喇嘛山等地区的花岗岩山脊壶穴，发现这些地区花岗岩山脊壶穴发育的共同特征：花岗岩山脊壶穴均发育于高纬度寒冷地区，日夜温差大，寒冻时间长；发育山脊壶穴的花岗岩节理发育；形成这些山脊壶穴的花岗岩基本均为中粗粒花岗岩。对北方高纬度区如青山山顶的这类花岗岩山脊壶穴，作者等进行了花岗岩山脊壶穴的成因分析，得出了如下结论：中国北方高纬度区花岗山脊壶穴的形成受多种因素控制，如花岗岩性、水、气候等，萌芽态的花岗岩山脊壶穴在有水、冻融作用、风蚀作用参与的差异风化作用下进一步发展成初具外形型、中期基本成形型的山脊壶穴；风蚀作用、冻融作用等物理风化是使基本成形型山脊壶穴发展到完全成熟型的主要营力。

吴忱等(2012年)把壶穴与华北山地地貌演化等比较研究后指出，华北山地的“冰臼”绝大部分位于第四纪河谷内，与华北山地地貌演化相矛盾；所谓的“冰川地貌”组合是不同时代、不同成因地貌的混合，因此，华北山地不存在冰臼。所谓的“冰臼”是不同时代、多种成因的壶穴——距今2.50Ma前后的河蚀壶穴，距今10～20ka的雪蚀壶穴，距今10ka以来的溶蚀穴、溶蚀—河蚀壶穴、风化—风蚀壶穴、现代壶穴和水潭。

李乃胜等(2003)在研究了崂山的花岗岩后认为，崂山的山巅、河谷、冰碛巨砾上也存在类似的古冰臼，冰碛物的小古冰臼往往是在冰川融化过程中形成的，崂山上的许多冰碛物在不同的方向都可以形成洞穴。并展示了许多崂山古冰臼的照片。

李培英等(2008)、徐兴永等(2012)也将华北等地的山顶壶穴，特别是崂山山顶的壶穴当作古冰川遗迹。

关于花岗岩山脊壶穴成因的争论是相当激烈的，《中国国家地理》(2010年4月)刊文“‘壶’与‘臼’之争”(全新世,2010)也进行了比较详细的阐述。

2 崂山的地理位置及地质概况

崂山地处胶东半岛南部，西邻青岛市区丘陵及胶州湾海域，东南两面均为黄海所环绕，北连陆地，其主峰巨峰号称为中国一万八千千米大陆海岸线上的第一高峰，海拔1132.7m。崂山地理位置在：36°05′～36°19′N，120°26′～120°43′E，面积为四百多平方千米，崂山和其他中国东部山脉相比，绝对海拔虽然不太高，但相对周围地面的落差比较大，从崂顶1132.7m到崂山头外黄海海深约-30m，在水平距离约7000m的两点之间，落差近1200m，比降达17%。所以，崂山东侧海岸山体显得非常的雄伟挺拔。

崂山历年均温11～12 ℃之间，崂山山区12月、1、2、3月平均气温分别为为-0.4、-2.3、-0.4和4.8℃，年平均降水量为734.3mm(据李乃胜等2003)。如按每上升一千米降低6℃的气温梯度计算，崂顶年平均气温应比地面低7℃左右，大致应在4～5℃之间。崂山较高的山顶一年中至少应有四个月的时间气温处于冰点附近，即地表水处于结冰及融化的交替之中。

崂山地质，主体由燕山晚期的中酸性花岗岩组成，周边地区有少量前寒武纪变质岩及中生代河湖相火山碎屑岩系分布。崂山的地质构造为断块状的隆起，构造主体呈北东向，主要断裂如劈石口断裂等呈北东向展布。另有北西向的断裂分布。其主要的山脊、河流或山涧受地质构造的控制呈北东向及北西向展布。

崂山山顶岩石，燕山晚期的碱长花岗岩是崂山花岗岩的主体，分布于崂山主峰及周边地区，其矿物组成、结构特征、演化等方面形成有规律的变化。可依次划分为中粗粒、中粒、细中粒、中细粒、细粒等5个不同类型的碱长花岗岩及碱长花岗斑岩等组成了一个完整的侵入岩系列(据李乃胜等,2003)。

3 崂山花岗岩山脊壶穴的基本特征

3.1 崂山花岗岩山脊壶穴分布特征

崂山花岗岩山脊壶穴比较典型的也即发育比较成熟的山脊壶穴，无一例外都分布在山顶部位，在占地面积400多平方千米的崂山的所有山顶几乎都有分布，无论是南边的蟹子夹，还是西北边的华楼山,从海拔1132.7米的崂顶到海拔300多米的山顶均有分布，图1a中标示了比较集中的几处。

(1) 崂顶仰天池及周围，位于丹炉峰与崂顶之间的山巅之上，海拔约1050m，分布有十几个山脊壶穴，最大的叫仰天池，直径约3～4m，其他几个发育比较成熟，有的已经连体或破坏,见图3(j)。

(2) 灵旗峰，位于崂顶的东南侧，在海拔约900m左右的山坡上，由于地处斜坡上，分布有许多形态比较特殊大小不一的山脊壶穴，数量约有20多个,图1b 为其中的一个，图1c 为风景区设立的有关山脊壶穴的科普说明牌。

(3) 盆盆罐罐，盆盆罐罐地处崂山整个山体的西北部，海拔大约550～600m，在高低不一的几个山顶岩石上分布有深浅不同的十几个山脊壶穴。图1d 为其中比较典型的一个山脊壶穴，直径约2m，海拔约580m，冬季壶内结冰，照片为2010年7月拍摄，内有草本植物，右侧有一出水口，出水口水平面以上部分有典型的壶檐，出水口外有一小水槽，槽内有流水痕迹。

(4) 华楼山及石门山：位于崂山的西北部，崂山水库的南侧，海拔350～400m，华楼山有十几个比较典型的山脊壶穴，在与华楼山相邻的石门山附近的山顶上也有分布，图1e 为华楼山的玉女盆。图1f 为石门山三界(崂山、李沧、城阳三区交界)附近山脊壶穴，海拔约350m，2010年11月拍摄，由于拍摄时崂山已两个月无降水，该壶面积较大，较浅，壶内干枯，该山脊壶穴充分显示了山脊壶穴底面平坦的特征。其左侧为出水口，出水口水位以上部分，已不再有冰蚀现象发生，有比较典型的壶檐发育。

(5) 崂山另有一个比较大的山脊壶穴叫天钵池，见图1g，在崂山东侧华严寺南离海边不远的天钵石山顶，海拔大概在350m左右，呈椭圆形，长轴约4.5m，短轴约3.5m，深约1.4m，四季有水，冬季结冰。

另外，在山涧、海边的巨砾上(不是在基岩上)也有分布，所不同的是，分布相对较少，形态往往也不典型，而且这些砾石上的山脊壶穴，开口一般不再向上，有可能在砾石侧面，开口也不再是一个平面，内部纹理也有不同方向的两组甚至三组。如位于仰口太平宫前巨型砾石上生长的花岗岩山脊壶穴，见图1h，该山脊壶穴开口不再向上，明显有两组不同的内部纹理，一组基本与砾石岩面平行，显示是在巨砾在山顶原始位置时发育的特征，另一组则是呈水平状态，显示是巨砾滚下山后处于现在位置上，显示壶穴在原来的山脊壶穴的基础上再发育特征。图3l 可以看到两组比较清晰的山脊壶穴内部纹理。

总结崂山山脊壶穴的分布具有如下共同的特征：① 所看到的原生山脊壶穴无一例外均分布在山顶位置；② 开口垂直向上，内有水平纹理，见图1f、图1g、图3l；③ 附近无高大植物落叶等不会填满壶穴；④ 附近也没有高山的外来泥沙及其它物质可能落入山脊壶穴；⑤ 只有雨水落入，没有流水流入山脊壶穴。

崂山山脊壶穴的分布与海拔的关系，不同海拔的山顶均有壶穴分布。但是，海拔低的山顶相对较少，发育也不是很成熟，而海拔高的山顶相对多些，往往发育比较成熟，有的甚至已经连通或破坏，如仰天池及周边的山脊壶穴。

图1 崂山地形及部分山顶壶穴照片Fig. 1 Laoshan topography and some photos of granite potholes (a) 崂山地形及部分花岗岩山脊壶穴分布; (b) 为灵旗峰南坡的一个山脊壶穴，开口向南向下坡方向，呈现口小肚大的特征，2011年8月20日灵旗峰；(c) 崂山风景区有关山脊壶穴的科普介绍，石碑中的照片为天钵池,2011年8月20日灵旗峰；(d) 比较典型的崂山山脊壶穴，2010年7月24日盆盆罐罐；(e) 华楼山上的玉女盆，2010年12月1日；(f) 石门山山脊壶穴，充分显示底平及水平纹理的特征，水平纹理即为壶壁在不同水位的冰蚀或水蚀的痕迹线，2010年11月27日,石门山三界附近；(g) 崂山东北部海边山顶上的天钵池,2010年10月30日；(h) 巨型砾石上的山脊壶穴，2011年1月22日崂山东北部仰口太平宫前 (a)Laoshan topography and some distribution of granite potholes; (b) a pothole on hilltop in south-side of Linqi peak, have characteristics of a smaller mouth, bigger belly. August 20, Linqi peak; (c) a band introduce about Laoshan granite potholes, the photo on the band is Tianbochi(as fig. 1g), August 20, 2011, Linqi peak; (d) a more typical Laoshan hilltop pothole, July 24, 2010, Penpenguanguan peak; (e) a pothole named “” (at Hualoushan peak, December 1, 2010; (f) a pothole on Shimenshan, a characteristics of bigger belly and level bottom is showed. near Shanjie, Shimenshan November 27,2010; (g) “Tianbochi” in Chinese means as like as a pool on the heaven, on a top of northeastern part of Laoshan near seaside，October 30,2010; (h)A pothole on a big gravel at the front of Taipinggong Palace, Northeastern part of Laoshan, January 22,2011

3.2 崂山花岗岩山脊壶穴的形态特征

崂山的山脊壶穴其形态上有如下特征，见图2，也可在图1、图3的照片中看到。

(1) 崂山花岗岩山脊壶穴与中国北方其他山顶花岗岩山脊壶穴一样，具有如下典型特征：口小、肚大、底平。崂山花岗岩山脊壶穴的开口一般呈圆形，或准圆形，开口直径小的一般在几十厘米，大的可达几米，如天钵池可达4.5m。山脊壶穴的内部即肚大部分的内壁相对口沿一般内凹几厘米，多的可达二十厘米。所有能看到的崂山原生壶穴的底部均呈水平特征。崂山壶穴的深度一般小于其直径，大部分为直径的二分之一或三分之一或更小，如天钵池深大约为1.5m左右，图1g 中的壶穴深度大致为0.6m。

(2) 山脊壶穴的地表形态特征，从上往下看，山脊壶穴大部分呈圆形或椭圆形，山脊壶穴经常呈两个或多个山脊壶穴组合形状，即两个圆形及椭圆形的组合特征。一般来说，山脊壶穴分布在山顶位置，其所在的花岗岩体顶面大体呈水平状态或略有倾斜，当然，山脊壶穴所在的花岗岩顶面不可能是绝对严格的水平面，因此，山脊壶穴口沿一般也不是严格的水平状态，这样在比较低的口沿就有一出水口，位置一般位于岩石顶面比较低的位置上，如岩面有些倾斜的话，出水口一般朝向岩面的倾向。山脊壶穴出水口外有时会形成一小水槽，槽内有流水的痕迹，图1d 具有非常典型的出水口形态特征。

(3) 山脊壶穴的底面形态及沉积物特征，在没有水及沉积物时可看到其底面为一平坦的水平面，这里需要强调的是几乎所有能看到底部的原生山脊壶穴底面均为水平面。大部分山脊壶穴平常都有水，壶内底部一般有沉积物，颗粒较细，但山脊壶穴内没见有砾石堆积。部分山脊壶穴有青蛙等水生动物，崂山山脊壶穴内植物一般为草本植物。图2是一个典型的崂山花岗岩山脊壶穴通过出水口及中心点的垂直剖面示意图。

(4)崂山山脊壶穴的内壁纹理形态特征，山脊壶穴内壁上有很多纹理，这些纹理和底面平行即也是水平的,见图1f、图1g、图3i，这里要特别强调是完全严格的水平，水平纹理也就是壶壁内侧的冰蚀或水蚀的痕迹线，在不同水位由于侵蚀的程度不同，壶壁凹凸的不同，但这些凹凸的程度在同一水平面上几乎是一样的，即在同一水平面上山脊壶穴四周的凹凸程度相等，在图2上即为a=a＇，b=b＇。这些纹理如果投影到平面上的话，当山脊壶穴是圆形时，这些水平纹理表现为同心圆，当山脊壶穴为椭圆或其他形状的话，则这些纹理在水平面的投影上表现为平行的封闭曲线。

(5) 山脊壶穴出水口水位及壶檐特征，壶内的最高水位即为出水口水平面，出水口一般在花岗岩岩面的最低位置，即山脊壶穴四周其它地方岩面都要比出水口高。在这一出水口水平面以上位置，除出水口附近外，山脊壶穴有一壶檐(见图2所示)，文中照片均可见到壶檐，部分壶檐的底面在山脊壶穴周圈的不同部位均为同一水平面，如同上面的纹理。在剖面方向上，部分壶檐底面呈水平面，部分山脊壶穴壶檐的底面呈口缘处高，岩壁处低的倾斜面，也即壶檐内厚外薄的特点，山脊壶穴壶檐的水平宽度一般在岩面的高处较宽，岩面低处相对较窄，如岩面为规则的倾斜面则在出水口的正对面处最宽(图1中的宽度为c)，壶檐的宽度离出水口越近越窄，出水口处无壶檐即宽度为零。山脊壶穴其它部位，壶檐的宽度则处于零与c之间。壶檐的厚度在出水口处为零，山脊壶穴所在山顶岩面的最高处为最厚，如岩面为规则倾斜面的话，则在出水口对面最厚，其山脊壶穴某一点壶檐的厚度即为该点的岩面高程与山脊壶穴出水口高程的差值。

图2 典型崂山花岗岩山脊壶穴垂直切面(通过出水口及中心点)示意图Fig. 2 A vertical profile of a typical Laoshan granite hilltop pothole (pass water outlet and center point)

(6) 壶檐外部边缘的形态特征，理论上讲，壶檐的外部边缘部位应该是比较锋利的，应成水平的弧形刀口状，壶檐的底面为水平，顶面即岩面，山脊壶穴的口缘应为有这两个面交叉形成的夹角面。然而，山脊壶穴的壶檐其刀口一般已不是那么锋利，有的甚至看不到壶檐，即口缘已由于风化而有一定的圆度，甚至球状风化的速度较大的情况下，壶穴完全没有壶檐。在出水口附近，没有壶檐，自然就没有锋利的口沿，取而代之的是厚度相对比较大的有点像马鞍形的弧面，见图1d 的出水口。

(7) 山脊壶穴的内壁光滑度特征，除了有水平状的纹理外，其内壁的光滑程度一般与风化的岩石类似，表现为以矿物结晶颗粒为尺度的凹凸不平比较粗糙的面，岩石表面的矿物(一般为不易风化的石英及长石的矿物颗粒)表现为颗粒完整，用手摸上去的话，有特别粗糙的甚至有刺痛的感觉，没有如打磨花岗岩光滑如镜的感觉。打磨花岗岩表面的矿物颗粒是不完整的，均被切成同一平面，用手摸上去的话，感觉特别光滑。

4 崂山花岗岩山脊壶穴的成因探讨——现代冰蚀作用

4.1 现在冰蚀作用下山脊壶穴形成的基本过程

通过反复观察，根据前文描述的山脊壶穴形态特征及山脊壶穴内壁水平纹理及光滑度特征，笔者认为崂山花岗岩山脊壶穴的主要成因是现代冰蚀作用所形成，其作用过程如下。

壶内的水在冬季会产生表面结冰的现象，在冰与山脊壶穴内壁接触的部位，发生冰蚀作用。一般情况下壶内水体表面结冰会有一定的厚度，在冰面以上部位的山脊壶穴内壁及山脊壶穴壶檐等与空气接触，即不发生冰蚀，只发生风化；在冰底面以下的山脊壶穴内壁只与水接触，也不发生冰蚀。冰蚀只在冰与山脊壶穴直接接触的内壁上发生。假设冬季某时的表面的冰厚是2cm的话，则在山脊壶穴内壁与冰接触的上下2cm宽的部位发生冰蚀，即在山脊壶穴内壁产生上下2cm宽的凹槽，这凹槽在壶的内壁形成一个高2cm的水平环，这就是我们所看到的壶内壁的水平纹理。这也是为什么山脊壶穴内壁的纹理总是呈水平的原因。

如此在不同的年份，由于降雨量的不同，结冰时壶内水位的不同，冰的厚度也不同，在壶内壁的不同高度上均会发生冰蚀现象，由于不同的水位，冰蚀时间长短不同，在山脊壶穴内壁不同的高度上，冰蚀的程度是不同的；在冬季气温零度上下时的常见水位上，山脊壶穴内壁冰蚀发生的时间较长，岩壁向岩体凹的程度会比其他水位上大一些，而在时间较短的水位上，则凹的程度会相对会小一些，见图2。

由于山脊壶穴内的水位不能高于出水口，在出水口水位以上部分山脊壶穴内壁，就不发生冰蚀作用，而出水口所在的水平面，如冬季水量比较充沛的地区，则该水位也是比较常见的水位之一，此水平面的山脊壶穴内壁不断发生冰蚀，在这一水平面以上不发生冰蚀，只发生风化，显然风化的速度远小于冰蚀作用的速度，这样便形成壶檐(图2)。理论上讲，壶檐的底面为一与出水口同一高度的水平面，顶面即岩体表面，实际也有相当一部分山脊壶穴也确实如此。然而大部分山脊壶穴呈壶檐口缘处高，山脊壶穴内壁处较低些，即壶檐内厚外薄的特点，如图2所示，解释如下，假如出水口岩石不被冰蚀，或由于岩性的差别等原因，出水口处冰蚀微小可以忽略时，壶檐的底面则为一与出水口同一高度的水平面，在部分山脊壶穴便如此。大多数情况是，冰蚀作用也在出水口处发生，只是不常存水冰蚀速度比内壁慢，因此出水口的高程也在不断地降低，山脊壶穴壶檐下的最高冰蚀面也就随之下降，这使得壶檐的底面不再是严格的水平面，而是呈口沿处高，岩壁处低的倾斜面。另一方面，壶檐的口沿处比岩壁处空气中风化的时间也要长，也可能是原因之一。

4.2 各种不同情形下山脊壶穴内壁冰蚀作用发生的机理讨论

在山脊壶穴较浅或当水位降低到接近山脊壶穴底面时，或冬季长时间的低温，使山脊壶穴内的水从水面到壶底全部结冰，冰蚀作用便在山脊壶穴的侧面及底面同时发生，这时山脊壶穴不但横向发展，同时由于壶底结冰也发生冰蚀而加深，但与侧面不同的是山脊壶穴底面上各部位的冰蚀作用的时间是一样的，也即冰蚀的深度一致，因此壶穴呈现底平的特征，见图1f。当山脊壶穴发育到一定程度，壶穴有了一定的深度，山脊壶穴内有冰蚀下来的岩屑，而没有被风或水带出壶外，在壶内沉积下来，时间一长沉积物有了一定的厚度，便长出植物，崂山发育中的壶穴内生长的均为水生的草本植物，有时壶内还有青蛙等水生动物，说明这些壶穴内一年四季不断水，至少沉积物中含有相当的水份。由于崂山冬季气温不是太低，沉积物较厚的壶穴底面结冰的情况就不是经常发生，但水面结冰是每年均多次发生，即反复结冰—融化—再结冰，所以崂山山脊壶穴发展到一定的阶段，便横向发展比较快，这样山脊壶穴就呈扁平状，即直径远大于深度，也即比较大的发育比较成熟的山脊壶穴就呈扁平形状，如图1g。崂山发育中的壶穴中由于常有水没有看到木本植物，只有在不再发育即处于破坏消亡中的壶穴内由于没有水，有时可看到陆生的植物。

当降雨量较小，或蒸发量相对较大时，或所处位置风比较大，山脊壶穴内的沉积物由于被风吹出山脊壶穴，此时壶内就没有沉积物，有时有少量的水残留在壶底的某一部位，而不能覆盖整个壶底；这种情形下，结冰的部分壶底产生冰蚀，如果这样的情况经常出现，有水的局部壶底就会被不断地发生冰蚀现象，而其周围不发生冰蚀，这样便产生壶中壶现象。

当壶穴不断地横向发展，相邻两个山脊壶穴连通，见图3k 这时由于两个山脊壶穴内的水位形成一个水平面，这样两个山脊壶穴就不再按原来各自的水平面产生冰蚀，而是按统一的水平面产生冰蚀，从此以后，由于两个连通的山脊壶穴在统一水平面上发生冰蚀，也就有了统一的水平纹理。两个山脊壶穴的底面一般不在同一水平面上，水位较低时，水体不能同时覆盖两个山脊壶穴，即只有一个山脊壶穴内有水，另一个底部出露在空气中，这样冰蚀只在有水的山脊壶穴内发生，见图3k。水位较高时，水体同时覆盖两个山脊壶穴以统一的水平面发生冰蚀，便有了统一的冰蚀纹理。由于相连的两个壶穴其底部结冰的机会不相等，即冰蚀的速度也不一样，而且在较深的壶穴中常有水，所以经常是较深的壶穴比较浅的壶穴发生冰蚀的机会更多，这样便保持两个高低不平的壶底面。

当山脊壶穴横向不断扩展至岩体的边缘，山脊壶穴的一侧便发生侧漏，则产生新的出水口水位，在这新的水位以上部分便不再发生新的冰蚀，冰蚀只在该水位线以下发生。

当壶穴随着巨大的砾石翻到山下或河谷中时，由于原来的山脊壶穴开口就不能和原来一样朝上，其内壁的原始纹理也不再水平。山脊壶穴在岩石的侧面,且呈倾斜状态，这时，如果还能满足没有流水、泥沙等物质进入壶内这一条件，且壶内还能盛水的话，山脊壶穴还能有所发育,见图1h 仰口太平宫前巨型砾石上的山脊壶穴)，只是这时会发育一组新的水平纹理，壶内新的出水口水平面以下部分按新的山脊壶穴水平规律发生冰蚀作用，同时新的出水口水平面以上的原始山脊壶穴内壁纹理及山脊壶穴形态会保留原始的形态，当然要受球状风化的改造，只是其风化的速度远小于冰蚀作用。图3l 为在泉心河海边的巨砾上的山脊壶穴，倾斜的山脊壶穴口缘为在巨砾下山以前的原始山脊壶穴口缘，壶檐及内壁纹理由于海浪的冲刷已不明显，另一组呈水平状态的是现在正在发育的壶穴口缘，但是由于现在壶穴处于潮间带，水位始终在最高状态下，壶穴只横向发展，不能纵深发展，山脊壶穴即将被破坏。

图3 崂山山顶壶穴及含砂水流打磨花岗岩照片Fig. 3 Photos of Laoshan granite hilltop potholes and of granite surface polished by water flow with sand

(i) 仰天池东侧的小壶穴内壁，可清楚地看到典型的壶檐、出水口及壶穴内壁水平纹理,2013年6月12日；(j)崂顶附近的仰天池山顶壶穴,2013年6月12日；(k)两个连通的山脊壶穴只有较深的一个山脊壶穴有水，较深的壶底发生冰蚀机会较多，壶底较深，2010年10月10日烟袋锅；(l)滚落海边巨砾上的山脊壶穴，明显有两组不同的纹理，由于水位始终在满溢状态下，壶穴只横向发展，即将被破坏，2010年9月24日泉心河海滩；(m)在山脊时生成，随巨砾滚下山涧的山脊壶穴，现处高大植物中，不再发育，即将破坏,2010年10月10日公司涧；(n)沿节理发育的两个初始壶穴，其形状还在单向延伸的节理上向圆形转化的过程中,2010年7月24日盆盆罐罐；(o)处于幼年期的壶穴，其形状还不太标准，但其初始的壶檐均呈水平状态，能不能发展成成熟的壶穴取决于其所处的位置，如能满足条件则将发育成为山顶壶穴,2010年10月10日烟袋锅；(p)为崂山山涧中被人为采石遗留的岩石，在带砂水流磨蚀作用形成的磨光面,2007年8月17日大河东北石屋涧。(i) Inner wall of a small hilltop pothole by the northeastern of “Yangtianchi”, you can see typical brim of pothole, water outlet and level grains on inner wall of pothole clearly, June 12,2013; (j)A hilltop pothole near the Top of Laoshan named “Yangtianchi”, June 12,2013;(k)Two connected potholes, only the deeper has water, there is more chance of ice erosion, have deeper bottom，October 10, 2010;(l) A hilltop pothole on a big gravel near seaside,there are two clearly different groups of grains, because water level is continually the top of pothole, pothole only developed on the horizontal direction, will destroyed soon, September 24,2010, Quanxinhe beach;(m)It was formed on the top of mountain, a hilltop pothole rolled down valley with big gravel ,now is under plants, growth was shopped, is destroying now, Gongsi valley, October 10,2010; (n)Two infant potholes developed along joint, the shape is still transforming into round, July 24,2010, Penpenguanguan; (o)A group of infant potholes, the shape is not standardized, but the infant brim is also level, if it will become a hilltop pothole is determined by its position, it will become a real hilltop pothole as the conditions is met, October 10,2010, Yandaiguo; (p)A surface of granite by quarrying in a valley, it is polished by water flow with sand, August 17,2007

在山顶以外的其他花岗岩山体上的，山脊壶穴往往发育不好，一般只是较小较初期的山脊壶穴出现。原因是：假设有一山脊壶穴不是处在山顶部位，这时由于有流水不断地加入，或者有外来的沙土或生物残留物充填山脊壶穴，山脊壶穴长时间处于满溢的状态，到冬季结冰时，由于冰蚀只在山脊壶穴的顶部发生，山脊壶穴便在顶部横向不断扩大，破坏山脊壶穴的边沿，最终便成平坦的岩石。而事实上，在山脊壶穴的形成初期，由于有流水或泥沙及生物残留等物质充满山脊壶穴，冰蚀始终在山脊壶穴的顶面侧向扩展，在其他部位由于结冰时间短，较少发生，则初始山脊壶穴不能向深部发展，也就没有壶檐产生，不能形成口小肚大的这一山脊壶穴的典型特征，也就不能形成山脊壶穴。这就是山脊壶穴只能在没有外来物质充填的山顶发生的原因。图3(m)中，由于壶穴(母体为巨砾)现处于高大的植物丛中，壶内始终充满植物、泥土等，即使有水也只能在表面结冰，图中可以看出壶穴已没有了原始的壶檐，取而代之的是略微向壶穴中心倾斜的面，这时，结冰只在表面发生，山脊壶穴横向发展，不能纵深发展，故壶穴不再发育，即将破坏。

4.3 崂山花岗岩山脊壶穴发育过程

根据山脊壶穴的特点及不同发育阶段山脊壶穴的特征，推理其发育过程如下：

首先，雏形期，由于花岗岩原始结构不均一性，如在某一地方有一结构缺陷，即原始小坑，在这一小坑内会落入雨水，但是由于处于山顶位置，除雨水外没有其它物质如植物及风化残留物进入，也无流水进入，壶穴就在这小坑内开始发育。

第二，幼年期，在这一小坑内的积水，在冬天天气变冷时水体表面产生结冰现象，此时小坑较小且浅，很容易使小坑内的水全部结冰，冰蚀在整个小坑内壁、小坑底面发生，小坑便加深加宽，被冰蚀风化下来的岩屑，到不结冰时被风吹出，便形成小的山脊壶穴，即形成幼年期的山脊壶穴，这种小壶穴分布很多,见图3(o)，因为壶穴发育成型需要一定的尺度，这一时期的壶穴其形状特征还基本保持原始小坑的形状，不是很典型，看上去还不太像壶穴，图3(n)为沿节理面发育中的幼年期的壶穴。

第三，成熟期，山脊壶穴进一步发展，达到一定规模时，山脊壶穴壶壁内冰蚀在冬季始终发生，只是不同的年份由于冬季降雨量的不同，壶壁内的水位高低不同，冰蚀在不同的部位发生。由于此时山脊壶穴具有一定的深度，壶底往往有一定的沉积物覆盖，壶底一般不会再结冰，或者说结冰、融冰的机会就比壶壁少得多，这时山脊壶穴就横向发展，形成肚大、口小、底平的典型形态特征，即山脊壶穴发育成熟。

第四，消亡期，当山脊壶穴的壶壁扩展到花岗岩的边界，或遇到其它山脊壶穴时，发生侧漏，则按新的出水口水位继续发生冰蚀，山脊壶穴继续发展；如侧漏的出水口不高于山脊壶穴底部，则山脊壶穴破坏，即山脊壶穴消亡。

5 与壶穴相关问题的讨论

对于冰蚀发生的机理等问题的讨论，由于研究的深入程度不够，对花岗岩风化现象认识还不够深入，本节对在崂山观测到的现象进行了描述，并提出了一些不太成熟的观点,供参考。

5.1 冰蚀发生的机理及相关论点的讨论

首先，本文所说的冰蚀，可以说是花岗岩冻融风化的一种。山脊壶穴内的冰蚀作用推测是这样发生的，花岗岩是由不同的矿物结合而成的，花岗岩冻融循环实验证实，中粗粒碱长花岗岩大约有1.9%的孔隙度，且其间隙随冻融实验次数的增加而增加(周科平等，2012)，水可以参入其中。壶内冰蚀作用表现为两个方面，一方面，由于壶内水体表面结冰，体积膨胀会产生对山脊壶穴壶壁横向的压力。在结冰的初期，由于壶内的水先于花岗岩矿物间隙内的水结冰，这种压力对花岗岩表面矿物产生向花岗岩内部的压力；当融冰时，由于温差，壶内的水先于岩石矿物间隙水融化，这时间隙内的冰有一个向岩体外部的排斥力，使冰壶内壁上的矿物颗粒被剥落下来，这已由花岗岩的冻融实验所证实，冰蚀作用也就发生。这样由于壶内反复冻融作用使壶内与冰接触的部位产生冰蚀现象。这也解释了，结晶较好也即矿物晶体较大的花岗岩比较容易发生冰蚀，而矿物晶体较小的花岗岩冰蚀作用的速度相对比较慢。

另一方面，当岩石表面被水浸泡后，其中的矿物会吸收水分而膨胀，花岗岩中长石、石英的膨胀系数不同，矿物体积便会变化，使岩石结构松动。壶穴中处于水面附近的岩壁中的矿物，由于水位的变化或水面波浪作用，经常处于浸泡—晾干—再浸泡—再晾干的过程中时，岩石中的矿物处于膨胀—收缩的循环之中，岩石结构疲劳破坏，岩石碎屑脱落，即产生风化作用。脱落的碎屑部分被风或水带出壶外，部分保留在壶内。这一过程只在壶穴中的水面附近发生，而在长期处于水面以下的岩壁，不发生上述循环过程，即不发生风化，或风化速度远低于水面附近的岩壁。不同时期水位的不同，这种水蚀便在壶壁上下不同的部位及壶底(壶内水即将干出时)发生，便生成水平壶底及壶壁的水平纹理。从以上分析可以看到，水蚀作用也可能是山顶壶穴成因之一。

冰蚀、水蚀及风化作用在崂山花岗岩山脊壶穴内壁及壶檐中均会发生，共同对山脊壶穴产生作用，但是，冰蚀的作用应大于水蚀及风化作用，这一点应在山顶壶穴在中国北方的发育程度远高于中国南方而得到证实。

按崂山目前冬季的降雨量、温度等推测，崂山山顶花岗岩壶穴内部的风化作用当以冰蚀作用为主。

这两种风化同样也在花岗岩表面发生，也可能是花岗岩风化的组成部分，平常在岩石表面没有积水，也不结冰，岩石表面只在雨雪天有水及结冰时，才发生水蚀和冰蚀，因此其风化的速度远小于壶穴内部水面附近岩壁的速度。

吴忱等(2012)认为，所谓“山顶冰臼”是雪蚀壶穴及风化—风蚀壶穴，这与本文的冰蚀有些相似；章雨旭等(2011)认为壶穴内外的差异风化是壶穴的主要成因，由于坑内积水，它就将比不积水的地方有快得多的风化速度。本文则将这一理论更向前推一步认为，只是在水面附近壶壁的风化速度远大于其他的风化速度，水面以下部分壶壁由于与水长期接触，则其风化速度远小于水面附近。这由壶穴肚大的特征推理而来，因为如果与所有水接触的岩壁均加速风化的话，壶的底部由于始终接触水而不断加深加大，而上部因不能接触水而不长大，这样壶穴的形状就会变成三角杯的形状，即不能形成肚大底小的壶穴了。所以笔者认为冬季壶内水面结冰导致的冰蚀才是壶穴形成的第一要素，至少对崂山山顶壶穴如此。

5.2 山脊壶穴与节理的关系

花岗岩节理面在其结构上是一原始的薄弱面，在其出露地表后，由于水份的驻留，冬季的冰蚀作用，往往其风化的速度要比周围的岩石快，这样在出露的花岗岩岩石表面上，出现节理特别发育的现象。与壶穴的关系，壶穴初期有时在节理上发育，形成长长的两头尖尖的壶穴,见图3(n)，但经常是水沿节理面流走，冰蚀风化沿节理面单向发育比较快，就不能形成圆形或椭圆形的山脊壶穴，或山脊壶穴形成前就被破坏，所以山脊壶穴发育一般是要求岩性为各向同性，否则不能形成典型的圆形山脊壶穴。

5.3 冰蚀与水流带砂磨蚀表面的区别

在崂山大河东河谷有许多被人为的采石而遗留下来的岩石表面，见图3p，在河谷带砂水流作用下被磨光的岩石表面，这些表面如人工打磨花岗岩的表面，非常的光滑，即所有矿物颗粒均被切割磨平，图3p 的岩石是人工切开的，也即其表面出露不到20年的时间，在这么短的时间里，其表面基本已经被水流磨平。事实上，在崂山所有河谷中均可见到光滑如镜的花岗岩表面，人踩在其上容易滑倒，手的触摸感觉非常的光滑，这些均是带砂的河流中的水流打磨所形成的，水流中的砂颗粒较细，就像水磨机器一样把花岗岩都磨光了。而在山脊壶穴内壁的表面是与球状风化的花岗岩表面类似，由完整的矿物颗粒组成的粗糙面，这种花岗岩的表面矿物颗粒没有被切割的痕迹，手放在其上有刺痛的感觉，摩擦力也非常的大，由此也可证实崂山花岗岩山脊壶穴内壁不是由水流打磨形成的，而是由冰蚀作用形成的。

5.4 山脊壶穴形成的时代问题的讨论

所有崂山山顶原生花岗岩山脊壶穴内部纹理无一例外均程绝对的水平状态。如果山脊壶穴随巨砾从山顶滚落下河谷中，或海边，原来的山脊壶穴自然不可能再呈水平状态，山脊壶穴原来的水平纹理、山脊壶穴侧壁的冰蚀就停止发育；这时如果还满足前文所述的山脊壶穴发育条件，山脊壶穴会在老山脊壶穴中按现在的出水口水位的水平面及该水平面下，继续发生冰蚀，即新的出水口水平面以上就不再发生冰蚀，这些巨砾上的山脊壶穴就出现两个不同角度发育的情况，即一个是原来的在山顶的老山脊壶穴，另一个角度则是现在水平面的。由此可以证明，所有山脊壶穴目前均处于发育—发展—破坏—消亡这一过程中，不是由几万年或几十万年前冰期时形成的。如果是几十万年前的冰期形成的话，巨砾中的山脊壶穴也就不会按目前的水平面继续发育，因此崂山花岗岩山脊壶穴的发育与冰川无关，而是目前一直在进行的壶内冰蚀作用的结果。

6 结论

(1)山脊壶穴发育外部条件: ① 光秃的山顶；② 附近无高大植物，即植物的枝叶等不会落入壶内; ③ 壶穴附近没有高山，即没有外来泥沙及其它物质可能落入山脊壶穴；④ 只有雨水落入(崂山年均降水量750mm)，没有流水流入山脊壶穴；⑤ 所处位置常年气温在冰点上下波动。

(2)崂山花岗岩山脊壶穴有如下基本特征：① 口小、肚大、底平；② 开口向上，内壁纹理及地面均呈严格的水平状态；③ 同一纹理凹凸的程度在山脊壶穴各个部位基本相等；④ 每个山脊壶穴有一出水口，出水口以上不发生冰蚀，出水口处无壶檐；⑤ 当两个山脊壶穴连通时，其冰蚀在统一的水平面发生；⑥ 山脊壶穴内壁表面表现为以矿物结晶颗粒为尺度的凹凸不平的粗糙面，而非水流打磨的光滑面。

(3)山脊壶穴的发育经过雏形期，幼年期，成熟期，消亡期四个过程。

(4)崂山花岗岩山脊壶穴是现代冰蚀作用所形成的，目前仍在发育过程中，与古第四纪冰川作用无关。

(5)冰蚀作用可能的发生机理有待进一步的探讨研究。

致谢: 在对崂山花岗岩山脊壶穴的调查分析研究过程中，始终有我的驴友：老道、天驴、秋韵、杨帆、程素等十几位野驴部落的驴友与我一同前往调查研究和观察分析，可以说，如果没有他们的帮助，我一人无法攀登这么多的原始山顶，也即无法完成这么多崂山山脊壶穴日积月累的观察；尽管他们不是专业的地学工作者，但他们睿智的、毫无专业思想束缚的想法和问题，往往给我很多的启迪，也是我仔细观测和深入思考的动力，在此诚挚地向他们表示感谢！

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