崂山天然石臼成因*

2016-08-01宋召军刘锡清唐文佳杨树森

现代矿业 2016年6期

关键词：石臼崂山风化

冷　康　宋召军　刘锡清　唐文佳　杨树森

(1.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室；2.山东科技大学地球科学与工程学院；3.国土资源部青岛海洋地质研究所；4.赤峰第四纪环境研究所)

崂山天然石臼成因*

冷康1,2宋召军1,2刘锡清3唐文佳1,2杨树森4

(1.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室；2.山东科技大学地球科学与工程学院；3.国土资源部青岛海洋地质研究所；4.赤峰第四纪环境研究所)

摘要近年来，我国东部地区不断发现“第四纪冰川地貌”，加剧了第四纪冰川学说的争论，其中，青岛崂山地区花岗岩上发育的天然石臼一直是被关注的重点。通过对崂山地区发育数量众多的气泡洞(晶洞)进行考察，发现较多气泡洞(晶洞)尺寸和分布上与较大的天然石臼十分接近，由此认为，崂山天然石臼是由暴露出的气泡洞经风、流水等因素逐渐发育而成，较多开口面朝各方向的气泡洞(晶洞)受积水风化等作用的影响较小，基本保留了原生洞穴的特征，对于进一步深入研究崂山天然石臼成因有一定的参考价值。

关键词花岗岩天然石臼气泡洞

近年来，学术界对我国东部地区发育的臼状坑穴属于冰臼或非冰臼存在一定的分歧，其中各类成因归纳起来有冰臼[1-2]、壶穴[3]、风蚀穴[4]、风化坑[5]、岩臼[6]等。其中，分歧较大的是该类发育于基岩表面、开口朝上的臼状坑穴，因其外观形态类似于舂米臼，为此，本研究称其为天然石臼。从20世纪30年代李四光提出庐山第四纪冰期理论至今，我国东部地区存在的天然石臼穴的成因便一直存在学术争论，其中崂山地区花岗岩上发育的天然石臼的类型及成因一直是争论重点。2004年，韩同林[1]将我国北方地区许多天然石臼归为“冰臼”，并认为崂山地区具有非常完整的古冰川地貌，由此加剧了新一轮的学术争论[7]。上述争论归根结底在于我国东部地区是否存在过第四纪冰川。为此，本研究在分析前人成果的基础上，结合野外实地考察，对崂山地区天然石臼的种类及成因进行分析。

1区域地质背景

崂山地处北纬36°05′～36°19′，东经120°26′～120°43′，总面积446 km2，主峰“巨峰”海拔约1 133 m。该地区岩体大多为中生代燕山运动晚期形成的花岗岩，属于A型花岗岩，因其中晶洞(气泡洞)发育数量多，又被称为晶洞花岗岩。A型花岗岩是一种富碱、贫水的花岗岩类，主要形成于伸展的构造环境中，在燕山运动的同时，伴随有大量的火山活动，由此引发强烈的构造运动，形成了NE向的深断裂，进而深层的岩浆上涌，最终形成目前所见的崂山花岗岩带。

2崂山天然石臼种类

崂山地区已发现的天然石臼达上千个[2]，深度大多小于1 m，直径十几厘米至数米，呈圆形或椭圆形。石臼内部形态不一，有的口小肚大，也有口大肚小，底部有的光滑浑圆，有的较平坦，也有的形态不规则。有关于崂山地区众多开口朝上的天然石臼的成因，主要有如下几类：①与冰川融水有关的冰臼[1-2,8]，其特征为口小、肚大、底平；②山脊壶穴[9-10]，认为其成因与正常流水等作用相关；③风化坑，泛指发育于基岩顶面的平坦区域，或坡度不大的斜面上的天然石臼，口径常大于深度，底部较平坦(图1(a))。崂山花岗岩内部和表面发育有众多尺寸大小不一的晶洞(图1(b))。野外考察发现，研究区内有相当一部分晶洞内部并未发育晶体(图1(c)、图1(d))，将该类内腔中空的原生晶洞称为气泡洞。崂山地区有众多的天然石臼是在气泡洞(晶洞)的基础上发育而来[11-12]。气泡洞是在岩石沿裂隙劈开后才暴露出，其洞腔呈椭球体，内壁较圆滑，可在岩石各方向的表面观察到。研究区内气泡洞分布较广泛，在不同海拔高度均有发现，直径一般仅数厘米(图1(c))，直径为数十厘米气泡洞也较常见(图1(d))，大的晶洞直径可达1 m以上，包括华楼景区的玉皇洞、巨峰的慈光洞、玄真洞、明霞洞、老君洞(图1(e))、北九水的仙古洞等，称之为卵形洞穴[12]，此外，还有许多未暴露的气泡洞被包含于岩石内部。

图1　崂山天然石臼和气泡洞

3崂山天然石臼成因

(1)冰臼成因。冰臼一般指在冰川演化后期，在冰川融水的作用下逐渐形成的一个个开口朝上的坑穴。韩同林等[1]提出了“全球泛大冰盖”观点，认为崂山地区的天然石臼是在距今约二三百万年的第四纪早期，冰川融水沿冰川裂缝向下流，强烈冲击、研磨冰川下的岩石，从而形成了冰臼。

(2)壶穴成因。壶穴因受侵蚀作用(河水侵蚀、冰水侵蚀、浪蚀等)的不同，可分为几种不同的类型，最常见的是在河流上游，由急速旋转水流携带的沙粒侵蚀而成的河成壶穴。相当一部分学者[8-10]将崂山地区山峰顶部、山脊、丘顶和巨大砾石上发育的天然石臼归纳为山脊壶穴，但在分析其成因时却又不尽相同，吕洪波等[8]将山脊壶穴作为我国东部存在第四纪冰川的重要证据，认为山脊壶穴是由冰下或冰旁湍流形成；章雨旭等[9]认为山脊壶穴是在花岗岩上原本发育着一些小型坑洞的基础上，因坑洞积水后期发生差异风化作用而形成，是近现代的产物；朱银奎[10]认同花岗岩上存在原始小坑的观点，分析指出崂山山顶部位花岗岩上发育的山脊壶穴是由冬季水面结冰对原始小坑内壁产生的冰蚀作用形成，即为现代花岗岩冰蚀作用的产物。

(3)风化坑成因。王为等[5]认为崂山地区发育的天然石臼是由岩石表面存在的原始小坑积水风化不断扩大形成，并猜想该类原始小坑的最初形态是岩石风化碎屑层与新鲜岩体之间丛生的云母、长石等不稳定矿物因溶解、水合、水解等作用逐渐风化改造形成；李德文等[13]在对华北北部地区花岗岩上发育的天然石臼进行调查研究之后，对风化坑的形态类型和成因进行了详细区分，认为风化坑的形态特征与环境因素(大气降水、岩石流水等)密切相关。

(4)气泡洞成因。近年来，有学者[11-12]根据崂山地区岩石表面各方向发育的众多气泡洞(晶洞)，对崂山地区天然石臼的最初发育形态提出了一种新的解释，认为大量气泡洞在基岩表面暴露之后，经过长时间的风化改造、剥蚀脱落，晶洞内腔逐渐加深，洞口面积也逐渐扩大，慢慢地被改造形成目前所见到的天然石臼。崂山花岗岩属于中国东部A型花岗岩带的一部分，岩浆冷凝时，内部包裹的许多挥发气体和水蒸气来不及逃逸，被包含于结晶体的内部形成气泡。岩石形成过程中，气泡中的气体逐渐逃散，便在岩石的内部和表面留下许多空洞，即气泡洞。很多暴露于岩石表面的气泡洞被后期热液运动形成的石英和水晶充填，变为晶洞[12]。在崂山地区气泡洞被发现之前，曾有在吉林省拉法山发现白岗岩洞穴群的报道[13-14]，认为该类洞穴为岩浆气泡洞，即国内学术界对于大型气泡洞(即“卵形洞穴”)最早的描述。此外，吴维平等[15]在安徽九华山地质公园内首次发现了晶洞花岗岩，其中晶洞十分发育，具有原生洞穴的特征。

4崂山天然石臼最初形态与成因

4.1原始小坑的来源

有关山脊壶穴的成因，部分学者认为该类石臼是在花岗岩上原先存在的小坑的基础上演变而来[11-12]。对于该类原始小坑，王为等[5]认为其为由花岗岩中云母、长石等不稳定的矿物水解而成，并由此判定石臼为风化坑。上述争议都仅针对崂山地区基岩表面开口朝上的天然石臼，事实上，崂山地区不仅存在众多开口朝上的天然石臼，还有大量的臼状坑穴开口面朝各个方向，很多岩石上同时分布着众多大小不一、面朝不同方向的臼状坑穴，大者为天然石臼，小者为气泡洞(晶洞)，两者在形态或尺度上十分接近。因此，本研究认为上述学者提及的原始小臼状坑，实质上即为花岗岩原生洞穴。崂山地区的天然石臼很大一部分是在气泡洞(晶洞)的基础上发育而来，但并不排除其为后来经风、流水等因素逐渐发育形成的风化坑或壶穴的可能性。

4.2崂山天然石臼与气泡洞的联系

花岗岩中存在2组垂直、1组水平的节理，在花岗岩风化地貌的形成过程中，花岗岩体常受垂直或平行于节理的寒冻风化等作用的切割。当垂直节理切割时，岩石内部的一些原生洞穴便会在垂直表面上暴露出来；当水平节理切割时，原生洞穴则会在朝上的岩石表面暴露出来[12]。该类开口面朝各个方向、宽度大多仅数厘米的原生洞穴，在历经数千年甚至上万年的物理、化学和生物风化作用之后，最终形成了目前所见到的直径数十厘米，甚至达到1～2 m的天然石臼。对于崂山地区气泡洞暴露过程及天然石臼的形成过程，可大致划分为以下几个阶段：

(1)A型花岗岩是在岩浆定位深度较浅(小于3 km)、压力低、冷却速度较快的条件下形成的[12]。在上述条件下，岩浆黏度较大，流动性差，大量挥发气体和水蒸气便存留于岩浆内部，无法逃逸。

(2)后期岩石形成过程中，伴随着各种地质作用的进行，岩石不断被切割破坏，产生新鲜的岩石面，该类面朝各个方向的岩石平面同时暴露出大量的气泡洞，暴露出的气泡洞尺寸不一，包括直径较大的卵形洞穴(图2(a)、图2(b))。

(3)发育于基岩水平面上，即开口朝上的气泡洞易蓄积降水，故受侵蚀的速率高于周边花岗岩体。随着时间的推移，该类气泡洞被风、水流等因素引发的各种地质作用改造，很多气泡洞洞口变大，内部不再浑圆，慢慢演变成浅碟状、盆状、匙状甚至为完全不规则的形态。而相当一部分开口面朝其他方向的气泡洞因无法积水，受风化作用影响相对较小，形态特征改变不及开口朝上者明显(图2(c))。

(4)开口朝上的气泡洞进一步被改造扩大，逐渐演变成较大的天然石臼。部分坑穴因发育在有倾角的基岩表面，坡度较低一侧沿节理发育处侧壁外弯，逐渐形成出水通道(图2(d))。