常山石的科学价值解析

文/王德滋 陈小明 舒良树 by Wang Dezi Chen Xiaoming Shu Liangshu

常山石是指产于浙江省常山县，原岩为形成于4.4～4.8亿年前奥陶纪的竹叶状灰岩，经后期漫长的地质作用雕琢而成的笋状观赏石，其外观有的可见清晰的“竹叶”（图1），有的呈现出蜂巢状孔洞（图2）。常山石的另一特点是可以组合造型（图3）。

浙江省常山县有悠久的赏石历史，北京故宫中就有二处利用常山石设计的景观（图4、5）。常山县于2018年被命名为“中国观赏石之乡”。另外，常山县赏石资源丰富，境内奥陶纪地层分布广泛，其中包含了我国第一个国际标准地层剖面（即俗称的“金钉子”剖面；陈旭等，1998），奥陶纪地层中灰岩占比大，由于灰岩相对性脆、易溶蚀，这为常山县出产各类碳酸盐质观赏石奠定了物质基础。常山县既有以多孔洞为特色的“太湖石类”观赏石，又有以神似见长的“灵璧石类”观赏石，但主要产出的还是一种独特的、以竹叶状结构为特征的笋状观赏石——常山石。本文将主要从科普角度，来解析常山石所蕴含的科学知识信息，使常山石在发挥其艺术价值的同时，释放其科普价值，达到寓教于乐之目的。

一、常山石蕴含的形成环境信息

常山石的原岩为以碳酸钙为主要成分的竹叶状灰岩，指示其形成环境为海洋环境。这就是说虽然现在常山地区是陆地环境，但在常山石原岩形成的时代，常山地区为海洋环境，正应验了所谓的“沧海桑田”之说。大家知道，海水中溶解有大量的盐类，其中最主要的有氯化物、硫酸盐和碳酸盐等，而灰岩的形成就揭示：当时海水中碳酸钙处于过饱和状态；野外调研显示形成常山石的灰岩只是局部分布，并不是分布于整个海洋环境，这说明当时海水中碳酸钙的过饱和现象只是局部的，是受海洋中局部区域海水中碳酸钙浓度以及海水的深度、温度等因素制约的。

而常山石的竹叶状结构进一步指示其原岩经历了两种不同的海洋环境。常山石虽然外观上有的显现出竹叶结构、有的呈现孔洞结构（图1、图2），但在新鲜面上，其原岩均是由两种不同颜色的灰岩组成，颜色相对较浅的灰岩呈碎屑状（竹叶）散布于深色灰岩（胶结物）中，凸显出形神各异的竹叶形态（图6）。从颜色角度分析，碎屑状灰岩（竹叶）较胶结物灰岩颜色偏红，说明碎屑状灰岩较胶结物灰岩经历了相对更氧化的环境，导致碎屑状灰岩中的铁质更多的呈现出Fe3+的价态；从结构角度分析，碎屑状灰岩（竹叶）较胶结物灰岩经历过水动力条件比较动荡的、相对比较浅的海洋环境，形成碎屑状灰岩（竹叶）的碳酸盐沉积物在水动力的作用下发生破碎、磨圆，变成竹叶状的碎屑；胶结竹叶的碳酸盐沉积物是在水动力条件相对比较弱的和比较深的海洋环境中形成的，其形成后基本保持了原始状态。

图1 具“竹叶结构”的常山石（右图为局部放大）

图2 具蜂巢状孔洞的常山石（右图为局部放大）

图3 常山石组合景观（常山县慢城文化艺术博物馆前）

所以，常山石揭示了其原岩经历了两种不同的海洋环境：竹叶经历了相对氧化的、水动力动荡的浅海环境，胶结物灰岩形成于相对还原的、水动力较弱的相对深的海洋环境。

二、常山石所经历的地质作用指示意义

构成常山石艺术性或观赏性的要件为竹叶状结构和笋状外形，常山石的艺术价值是多种地质作用塑造的。首先，常山石竹叶状结构的形成先后经历了至少三种地质作用：

（一）碳酸盐沉积作用，这是受海水中以碳酸钙为主的碳酸盐类物质过饱和度、海水温度以及海水深度等因素综合影响的结果，任一因素的改变都可能导致碳酸盐类无法沉积；（二）外动力地质作用，早先沉积的碳酸盐沉积物沿斜坡发生水下滑塌，使原先层状沉积物发生破碎、并塑造成形态各异的竹叶状碎屑，这些竹叶状碎屑滑入位置较深的未固结的碳酸盐沉积物（胶结物）中，搅动悬浮起来的沉积物在沉降后将滑入的竹叶覆盖、包裹；（三）成岩作用，碳酸盐沉积物经历胶结、压实成岩作用，形成常山石即竹叶状灰岩。

常山石的组合形态表现为一组高低错落的“柱状体”（图1、3、4、5），彼此紧挨着，这些“柱状体”受地质作用的影响，棱角被磨蚀，形似一根根“石笋”，常山石的笋状外形先后经历至少两次地质作用：

（一）构造运动（内动力地质作用），在挤压、剪切或拉张作用力下，竹叶状灰岩中产生直立的裂隙，从而将竹叶状灰岩切割成不同大小的柱状体；（二）风化作用（外动力地质作用），地表水和地下水对灰岩有较强的溶蚀作用，特别是水中溶解有少量酸性组分后溶蚀作用会更强；另外，在相同条件下，水对柱状体不同部位的溶蚀作用强度是不一样的，对三面汇聚而成的角的溶蚀最强，其次为二面相交而成的棱，溶蚀相对最弱的是柱面，这就使得构造作用形成的柱状体在水的淋滤、溶蚀下慢慢变为不带棱角的笋状造型。

三、常山石所记载的漫长形成历史信息

常山石的原岩形成时代遥远。原岩中含牙形刺、三叶虫、笔石等化石（陈旭等，1998；李文杰等，2018），在常山“金钉子”剖面中，常山石原岩的层位分布于“金钉子”点位的上、下两侧，同属于古生代奥陶纪地层；经与“金钉子”的同位素定年结果比对，常山石原岩距今已有4.4～4.8亿年的历史。

常山石除原岩时代悠久外，构造运动将原岩切割成柱状体也是一个漫长的地质过程，另外要塑造成笋状造型还必须经历漫长的淋滤、溶蚀作用过程。根据Palmer（1991）的研究，碳酸钙洞穴的溶解速率为0.1～1.0mm/年；考虑到常山石原岩中泥质成分含量较高，严重阻碍了地下水在原岩中的交换速度，因此我们选择常山石原岩的溶解速率为0.1mm/年，那么要溶蚀掉一个50×10mm的竹叶状碎屑至少需要100年，可以想象，要形成如图1、2、3、4、5中所展示的常山石，至少需要几千年甚至几万年。

四、常山石的社会价值

常山石除所述科学性、艺术性外，还具备商品性。常山县砚瓦山村是常山石的主产区，整座砚瓦山都由常山石（或其原岩）构成，储量丰富，经营观赏石，特别是常山石，已成为该地区的主要产业，该村有1万多人从事相关产业。这个产业也使得该村成为常山县比较富裕的地区。

图4 北京故宫利用常山石设计的景观

图5 北京故宫利用常山石设计的景观

图6 二种不同颜色灰岩组成的“竹叶”状结构