江西省“三清山式”花岗岩地貌景观发育机制探讨

叶张煌 ,尹 斌,刘嘉麒,王安建,陈安泽,闫 强

1)江西科技师范大学,江西南昌 330038;2)中国地质科学院矿产资源研究所,北京 100037;3)江西省地质调查院,江西南昌 330030;4)中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029

截至2013年10月,全球共有100处地质遗迹列入世界地质公园。其中花岗岩地貌类有 7处,中国独占 6处。从景观形态看,花岗岩景观具有不同的地域性特征。在北纬20°至南纬20°的低纬度热带地区,花岗岩多形成浑圆低矮的丘陵;北纬 20°至35°的中亚热带地区,是最重要的花岗岩地貌成景带,多呈现出“尖山陡坡”的特点,我国的风景名胜区大多位于此带;40°—50°以上的中高纬度地区,寒冻风化和风蚀作用越强烈,流水侵蚀作用减弱,花岗岩多呈低山缓丘状(崔之久等,2007)。

在世界花岗岩地貌景观中,三清山明显不同于世界其他地方的高海拔寒冻地区、潮湿热带地区或炎热干旱地区形成的花岗岩山体,有人称之为“三清山式”花岗岩地貌(浦庆余等,2007;尹国胜等,2007;杨明桂等,2009),即以“奇、秀的尖峰陡坡”为特色的奇峰怪石,堪称天下花岗岩微地貌的天然博物馆,具有世界性对比意义。本文将从 4个方面分析探讨“三清山式”花岗岩地貌景观的发育机制。

1 “三清山式”花岗岩景观发育的构造背景

三清山位于江西省上饶市,北纬 28°48′22″—29°00′45″、东经 117°58′20″—118°08′28″。景区总面积229.5 km2。三清山为怀玉山地体的一部分,位于欧亚板块东南部、两个一级大地构造单元华夏与扬子板块的碰撞结合带,处于赣杭构造-火山岩带的中段。

三清山地区除了志留系中上统、泥盆系中下统、老第三系地层缺失外,涵盖了自中元古代至第四纪10多亿年几乎连续的地层。经历了多次重大地质事件和“三海三陆”沧海桑田的演化。

区内岩浆岩十分发育(图1),晚侏罗世至早白垩世,随着太平洋板块的俯冲挤压,三清山地区的中酸性岩浆喷发活动形成钙碱性中酸性火山岩组合。早白垩世在拉张的构造环境下,又发生酸性岩浆的大规模强烈上侵,冷凝形成了大面积的“三清山花岗岩体”。中生代是三清山花岗岩地质、地貌和生态的奠基时期。此后,又通过新生代的塑造,三清山花岗岩体多次不断被抬升,才造就了现今奇特的花岗岩景观。

构造在地貌发育过程中起主导作用。首先,正是由于构造条件的不同,怀玉山花岗岩区呈现出四种不同风格的花岗岩地貌(杨明桂等,2009)。三清山花岗岩峰尖坡陡、棱角分明、石蛋较少,相对高差大,第四纪堆积物很少,一方面说明三清山目前仍处在不断缓慢抬升的状态。裂变径迹数据表明三清山第4阶段的隆升速率明显快于前3个阶段,这与新构造运动期间三清山在独特的“隆上隆”构造背景下快速隆升的特点是一致的(裂变径迹数据另文发表)。但另一方面,三清山剥露出地表的时间不长,剥蚀程度不及黄山,这与两者裂变径迹和锆石U-Pb测年等实验室数据及野外地质现象是吻合的。黄山最后侵入一期的年龄为(123.4±5) Ma,与三清山岩体的第二期(123±2.2) Ma基本同时,显然要稍早于三清山最后补充期的时间(115.6±2.0) Ma(张招崇等,2007)。三清山上部三清宫附近(北纬 28°52′36″,东经 118°04′02″)保留有残留顶盖(图版 I-1),寒武系西阳山组条带状灰岩产状为 135°∠45°,见有三叶虫化石和少量底栖腕足类化石,而黄山没有类似现象的报道。三清山岩体不仅侵位于早寒武纪地层,还与泥盆纪的西湖组地层呈侵入接触关系,而黄山岩体只与寒武纪地层侵入接触。三清山山体下部300～400 m即为沉积围岩,并还能见到岩体与围岩的原始侵入接触界面,中心相出露面积最小。这些都说明三清山还处在地貌发育的早期阶段,剥蚀程度不高。

其次,断层和节理等次一级的断裂构造使岩石发生破碎,在控制景观发育方面起到至关重要的作用。三清山花岗岩体中的断层和节理发育,是研究不同尺度构造现象的理想场所。

图1 三清山地质公园地质和断裂构造简图(据三清山地质公园管理委员会,2009)Fig.1 Simplified geological and fault structural map of Mt.Sanqingshan Geopark (modified after Administration Committee of Mt.Sanqingshan Geopark,2009)

(1)断层构造:三清山岩体在燕山晚期形成后,地壳仍以抬升作用为主,三清山花岗岩断层(带)主要有3组方向和7条主要断层(带):长棚断层、冷水坑—徐家村断层、吴家—土城断层、小坑—芭蕉坞断层、鹅公岭—下西坑断层(图版I-2)、枫林—紫湖镇断层带(图1)。其中后三者是控制三清山的主构造,发育早期分别为逆冲断层,左行走滑断层和张性断层。到喜马拉雅期转化为区内三条正断层,即相对三清山山体而言,其倾向均向外倾,即断块山以内的岩石为上升盘,以外为下降盘。这三条断层将三清山主岩体分割成一个典型的“三角形断块山”。

三清山形成了一个独特的“隆上隆”地质构造山体,即在怀玉山地体隆起的背景上又受到三条断层围限的三角形断块控制,进一步加剧了三清山的隆升,其抬升幅度明显比周边地质体大得多。

(2)节理:根据节理与流动构造的关系将节理分为 3类:平行节理、纵节理和横节理。从与造景关系的角度出发,又可分为造景节理,保景节理和损景节理 3种,造景节理主要指纵节理,稀疏纵节理主导的花岗岩多形成悬崖峭壁的峰峦,密集纵节理主导的花岗岩多形成峰丛、峰柱、造型石等景观;保景节理主要指水平节理;损景节理主要指横节理,俗称斜节理,倾角越大越不稳定,容易沿节理面产生滑塌(崔之久等,2007)。

三清山在岩体形成过程中,岩浆侵位上升,减压降温,体积收缩,形成原生节理。三清山节理主要有3组方向,即北东—北北东向节理(纵节理),北西—近东西向节理(横节理),以及水平节理。北东—北北东和北西西走向的节理整体上构成棋盘式格局。前者自南西往北东呈带状展布,整体走向具有由收敛到撒开的趋势,在宏观上呈似帚状形态,发育规模较大;后者总体走向北西西向,往南东部转为近南北向(图2)。“三清山式”花岗岩地貌景观成因与这三组节理是密切相关的,锯解石(图版 I-3)就是节理控景的实例。这些节理具有“规模大、延伸长、切割深、网格状”的特征,将花岗岩切割成块状、厚板状、棱柱状的块体。其中纵节理的规模较大且成带发育,是控制西部峰墙(如西海重墙、九天长城等)和南部峡谷(如福寿门、一线天等)的主要构造。横节理是控制中部峰柱、东南部峰墙及部分峡谷的主要构造。同时发育的近水平节理裂隙是造型石的主控构造和产生球形风化的必备条件之一。即峰墙、峰丛、峰柱等棱角分明的岩块,经水平节理切割和球形风化剥蚀及流水侵蚀等作用,棱角被磨圆,变成(椭)球形景观,如东方女神(图版I-4)、神龟探海、猴王石(图版I-5)等造型石。即使同一组节理在不同区段的规模、密度也有差异,致使有的形成峰墙,有的形成峰丛,如在多组节理交汇的三清山中部,形成了天门峰丛。在外营力的继续作用下,有的峰墙、峰丛逐渐被切断而形成峰柱,也有的变窄形成规模更小的石芽,如犀牛石(图版1-6)。

三清山区域构造的主应力方向在晚白垩至始新世为南北向,在渐新世至中新世为东西向(万天丰,1999),可见区域主应力方向与花岗岩体的原生节理走向基本吻合,这使岩体在受区域主应力作用下更容易沿着花岗岩的节理裂隙薄弱面发生挤压和断裂等现象。在三清山经常看到发生在花岗岩中的断裂结构面,由花岗岩的劈理化带、断层泥和花岗岩透镜体组成,岩壁直立,易遭受进一步的侵蚀破坏,形成一线天、河沟和峡谷等负地形。

从岩体结构力学的角度看,岩体结构和结构面是主导岩体稳定性的主导因素(浦庆余等,2007)。三清山花岗岩体的三组互相垂直的节理面,将岩体切割成似长方体,形成了块状的花岗岩结构体和硬性的结构面,岩体的稳定性能较好。三清山的两组垂直节理使岩体沿节理面陡立,近水平节理起到“承上启下”的承接作用,正如砖块可以砌起高大的建筑一样,巨蟒出山峰柱高达 128 m,但重心稳定(图版 I-7)。

2 “三清山式”花岗岩景观的物质基础

岩性是影响岩石地貌成因的另一重要因素。总体上说,花岗岩是致密坚硬、透水性差(若无节理切割,仅为页岩的五分之一)、抗压强度大(147～225 MPa)和抗剪强度高的块状结构的岩石。

三清山花岗岩属于燕山晚期形成的高硅、富钾、低镁钙的A型花岗岩(叶张煌等,2013),岩石化学组成具有高硅(SiO2平均含量为76.6%)、富钾(K2O平均含量为 4.52%)、低镁(MgO的平均含量为0.15%),低钙(CaO平均含量为0.41%)的特征。

图2 三清山构造解译和节理玫瑰花图(据三清山地质公园管理委员会,2009)Fig.2 Structural geological interpretation and rose diagram of joints in Mt.Sanqingshan (after Administration Committee of Mt.Sanqingshan Geopark,2009)

岩性与地貌究竟存在怎么的相关关系呢？首先,化学成分差异影响化学风化的强弱。花岗岩是致密块状的侵入岩,主要由石英、长石组成,少量暗色矿物为黑云母和角闪石。花岗岩中的黑云母和角闪石是抗化学风化能力较低的矿物,在湿热条件下,它们很快风化成为蒙脱石等粘土矿物,透水性增加,化学风化速度加快,强度增加,继而长石也被风化成为高岭石、绢云母等,由于中酸性的花岗岩中,暗色矿物明显增多,化学风化的程度高于酸性花岗岩,这就是灵山岩基中部和德兴铜矿田形成负地形,而在三清山形成怀玉山脉最高峰的原因。

下面的化学式可以代表中国南方热带和亚热带地区长石的风化过程(卢欣祥等,2007):

其中,SiO2和 KOH呈真溶液或胶体状态流失,硅铝酸根和部分氢氧根结合成高岭土残留在原地,高岭土还有可能进一步水解。

其次,矿物成分差异也影响物理风化。石英、长石、角闪石和云母等不同矿物的热胀冷缩率相差很大,白天结晶矿物的膨胀率不同,夜晚矿物收缩也不均匀,致使晶体之间产生松动。如石英的膨胀系数比长石膨胀系数大18倍之多(浦庆余等,2007)。一般来说,酸性和超酸性花岗岩中比中酸性的花岗岩矿物成分更加单调,就矿物导致的物理风化而言,前者弱于后者。

再次,花岗岩体与围岩抗风化侵蚀能力的差异。三清山花岗岩围岩是以泥砂质、钙质为主的沉积岩,花岗岩体的抗侵蚀能力明显强于围岩,花岗岩体就能从顺利从围岩中“脱颖而出”。反之,当围岩抗侵蚀能力与岩体相当,就难以形成花岗岩峰林地貌。

最后,结晶颗粒大小对风化作用有直接的影响。细粒花岗岩抗风化能力强,中粗粒花岗岩抗风化能力弱,前者形成主峰玉京峰,其岩性为补充期细粒(微细粒)花岗岩,斑晶大小仅约为2～4 mm,抗风化能力强,节理稀疏,稳定性高,形成高大山体;后者形成南清园和万寿园等主景区,岩性为边缘相中粒斑状黑云母钾长花岗岩,斑晶粒径更大,节理密集,地表被强烈切割。黄山也有“前山雄伟,后山秀丽”之称,皆因岩性不同所致。

3 “三清山式”花岗岩景观发育的外动力条件

各种外营力地质作用主要是由气候因素决定的,不同的地貌类型是不同的气候带的具体响应。也有人根据外动力作用条件将全国的花岗岩地貌景观分为水蚀型、差异风化型、冰蚀型、剥蚀残余型、风蚀型(文雪峰等,2013)。三清山又是典型的水蚀型地貌,与风蚀、冰蚀、海蚀等地貌有明显的差异。

三清山地处中亚热带季风气候区,受太平洋暖湿气流的影响,又处于怀玉山的腹地,兼具海洋性和山地气候的特征。正是这种典型的江南山地气候及其相应的生物多样性环境无声地塑造着三清山的微地貌景观。流水侵蚀、冬季的冻融、生物风化、重力崩塌等综合地质作用,是三清山花岗岩奇特微地貌景观的雕刻师。

三清山地区径流发育,流水对地貌的塑造随处可见。年降水量大,达1900 mm以上,年平均蒸发量1300 mm左右,受地势中高周低的控制,呈放射性水系。雨水多集中在春夏季节,占全年总雨量75%,汛期多暴雨,河水属 HCO2-Ca(Na)型水(陈安泽等,2008),溶蚀性强,对沿途的地层产生强烈冲刷和切割,形成了深切河谷。

根据中国冻土区划和类型图(周幼吾等,2000),三清山位于短时冻土区内,冬天经常银装素裹一片,充填于岩石节理裂隙中的水结冰,体积膨胀使岩石裂解,水结成冰时其体积可增大9.2%。冰体对裂缝壁产生 960～2000 kg/cm2的巨大压力(杨坤光等,2009),冰劈作用使花岗岩体发生机械崩塌和破碎。这种冰缘环境的冰劈作用,是三清山高陡边坡花岗岩地貌形成的重要原因。三清山常形成花岗岩洞穴景观,有的洞穴直径达 20 cm(图版 I-8),应是软弱岩层风化剥落,冬天积水成冰,体积膨胀,洞穴进一步扩大。

三清山地区植被茂盛,是我国生物多样性的典型区域之一,汇集了各种典型的针叶林、针阔叶混交林和常绿阔叶林,森林覆盖率高达 88.1%;其总热点值高达 25.10,比黄山地区高出近一倍(李迪强等,2003)。生物风化既有物理的方式,又有化学的方式。物理方式主要是根劈作用,在峭壁、陡坡上随处可见植物的根系扎在岩石裂缝中,对裂缝壁产生强大压力,加速岩石破裂与崩落的进程。化学方式主要是生物在腐烂过程中释放出大量的有机酸,使岩石中的矿物发生分解,钾长石在有机酸中的化学分解如下(王根厚等,2008)。高大的崖壁因失去支撑而发生崩塌作用,形成崩塌残余型地貌。

4 外动力作用的变化

三清山不同的花岗岩地貌类型不仅是可见的现代气候的产物,更是第四纪以来该地区不同阶段气候变化的印迹。第四纪气候变化的基本特征是晚新生代以来的全球性转冷和周期性的冷暖变化。

现代三清山属中亚热带季风气候区,但在第四纪以来地质时期,三清山可能呈现完全不同的一番景象。第四纪我国经历了 4次明显的冰期,即东部地区的鄱阳冰期、大姑冰期、庐山冰期和大理冰期(即末次冰期)(田明中等,2009)。冰期全球气温下降,北半球冰川面积扩大和冻土区南扩,这一点是毋庸置疑的,但冻土区南扩的界限、降温幅度、雪线降幅以及冰期-间冰期旋回的成因是一个有争议的学术问题。有的人认为晚更新世晚期的末次冰期极盛期(LGM,距今 22～18 ka)中国东部多年冻土区的南界在北纬38°—40°(崔之久等,2004),东亚雪线的平均高度要比现在低1000 m(施雅风等,2006;张威等,2009),中国东部平均气温比现今的降幅有不同的观点,崔之久等(2004)认为低 8～12°C,浦庆余(1982)认为低 11～12°C,杨怀仁(1988)认为低 10～12°C,周幼吾等(2000)认为低9～12°C。综合上述数据,LGM我国东部平均降温按 11°C计算,三清山现在的年平均气温为 11.2°C,那么三清山地区当时的年平均气温 0.2°C,假定气象观测站的海拔为 1500 m,即现在三清宫腹地所在的高度,那么在海拔 1600 m以上的区域则为多年冻土区。这说明第四纪降温事件有利于三清山冻融物理风化作用的发生。

气候变化不仅有冰期,也有间冰期。据大青山花岗岩残留的亚热带化学风化壳和石蛋层,推测上新世我国的亚热带北界北移了 5°到达了北纬 41°,位于大青山—辽东半岛一带(崔之久等,2007),这对三清山花岗岩地貌的影响与冰期时代是完全不同的。这种“忽冷忽热”的气候变化,是造成微地貌景观多样性的原因之一。

5 结论

地貌的形成演化是构造、岩性和外动力等因素共同作用的结果。“三清山式”花岗岩微景观也是多个因素耦合的产物:独特的构造背景、岩石类型及其物质组成、适宜的外动力地质作用、外动力作用随时间的变化等,这就分别好像雕刻大师雕刻石雕或木雕时用的架子、材料、工具和不同时间使用的不同工具。

图版说明

图版I Plate I

1-残留顶盖;

2-鹅公岭—下西坑断层;

3-节理控景——锯解石;

4-东方女神;

5-猴王石;

6-犀牛石;

7-巨蟒出山;

8-花岗岩洞穴

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

图版I Plate I

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