喇叭沟门所见几个地质现象的解释

喇叭沟门区域的山脉属于燕山山脉,这里的山体多为中生代和新生代燕山运动时期侵入的花岗岩。这里我简要的介绍一下花岗岩,然后根据我所学的解释一下我们在喇叭沟门所见到的一些与花岗岩有关的现象。

我们经常可以看到用花岗岩做的地砖,其质地坚硬,色泽美丽,是一种很好的建筑材料。那么什么是花岗岩呢?花岗岩是岩浆侵入到地表以下冷凝结晶形成的火成岩。因此它属于岩浆岩,具体的说是一种酸性的深成侵入岩,其主要矿物成分为长石、石英和云母。由于所含长石类型的差异,花岗岩可呈现出不同的颜色来,如果所含的长石主要为钾长石(碱性长石)的话,则花岗岩呈红色色调,如果所含的长石主要为斜长石的话,则花岗岩呈白色色调(图1)

【图】花岗岩手标本

 图1 这块花岗岩里,肉红色的矿物是钾长石,黑色片状的是云母,白色半透明的是石英。图/中国科普展览馆

 

图2 偏光显微镜下的花岗岩。图/小老虎

花岗岩是一种分布非常广的一种岩石,中国9%的土地(约80多万平方公里)都是花岗岩岩体。我国的很多名山都是花岗岩组成的。包括安徽的黄山,九华山,天柱山,浙江的天柱山,陕西的华山和太白山,山东的崂山,北京的莲花山,湖南的衡山等。而这些名山之所以成名,这与它们是花岗岩质的山体是不无关系的。这是因为花岗岩本身的特性,可以形成各种各样的奇特地貌景观,例如石蛋,垒砌造型,石柱、孤峰、峰林、绝壁、陡崖、一线天、洞穴和石窟等。

在我们这次去喇叭口扎营的途中至少见到了石蛋,垒砌造型和绝壁陡崖这几种地貌,那么它们又是如何形成的呢?

要谈到这些地貌的成因,就不得不提花岗岩的三组节理。根据传统的认识,花岗岩浆生成并侵入地壳之后,会逐渐由热变冷,在花岗岩浆由塑性冷凝成固态后,由于岩浆的冷却会导致收缩作用,由此形成了花岗岩中十分典型的纵(L)横(Q)和水平(或斜)(S)三组节理。这和五大连池看到的玄武岩的柱状节理是一样的道理。

此外花岗岩由于形成于地壳深部,当其被抬升地表,上覆的岩层被剥蚀掉之后,由于上覆压力减小,就会产生一种卸载作用,形成卸载节理。这些垂直和近乎垂直的(三组)节理系统是花岗岩类的一个重要特征。纵节理(S)代表岩浆的流动方向;横节理(Q)垂直岩浆流动方向;层节理(L)平行岩体的表面(图3)。纵节理、横节理倾角较陡,它们都垂直于层节理。

【图】 岩浆岩体中的原生节理

 图3 岩浆岩体中的原生节理(据Cloos,1922)。F-流线;L-层节理;S-纵节理;Q-横节理;A-岩脉;Str-斜节理或平缓正断层。图/吉林大学

节理犹如一道先天性的疤痕,破坏了岩石的连续性和完成性,增加了岩石的可透性,是促进花岗岩石风化的重要原因,因而岩石中节理发育程度常常影响岩石的风化作用。节理发育部位及节理密集处,往往风化作用最强烈,尤其几组节理交汇的地方更易遭受风化及剥蚀作用叠加。花岗岩体在漫长的岁月里,受风吹、日晒、雨淋的侵蚀,在裂隙中的水及岩石本身就会因热胀冷缩作用,使岩石沿着三组节理面开始破坏、破碎,由于花岗岩中不同矿物抵抗风化作用的能力也不同,在上述因素作用下就能形成各种各样特殊的地形地貌景观。

花岗岩互相垂直的三组节理常常会把岩石分割成多面体小块。我们戏称这种现象为豆腐块,这就是炸鱼让我们看的那块方方正正貌似人工切割的石块(图4-1)。如果花岗岩只是水平节理很发育的话,则岩石就像薄板状叠至在一块,形成垒砌造型,从侧面犹如人工堆砌的墙体一样(图4-2)

【图】豆腐块状的花岗岩

图4-1 豆腐块状的花岗岩。图/韦栋梁

 【图】薄板状花岗岩

图4-2 薄板状花岗岩。图/炸鱼

当花岗岩体遭受垂向的应力时,由于花岗岩节理发育,脆性较高,容易发生整体断裂,就会在花岗岩体的周边或内部产生悬崖绝壁。另外,流水沿垂直节理冲刷,也会产生高差较小的陡崖。绝壁和陡崖为花岗岩地貌增添了险俊的美感。这一点在华山体现最为明显。我们在进入沟之前看到远处的那个绝壁以及在沟谷中见到的那个绝壁都是这样形成的(图5-6)

【图】花岗岩绝壁1

【图】花岗岩绝壁2

图5-6 喇叭沟门的绝壁山崖

在漫长的岁月里,受风吹日晒、雨淋,由于热胀冷缩及水渗入裂隙,花岗岩沿三组节理开始破坏,小岩块的边缘和隅角从多个方向受到温度及水溶液等因素的作用最先破坏且破坏深度较大,久而久之,其棱角逐渐被侵蚀掉,变成球形或椭球形,这就是球状风化,它是物理风化与化学风化联合作用的结果。裂隙张开→裂隙加大→岩石破碎→棱角被风化→岩块被圆化,这就是球状风化的全过程。由于球形最稳定,所以强烈风化的花岗岩体中经常出现许多石球,在地貌上被称为石蛋。我们这边的老师戏称为狗屎状花岗岩(图7)

【图】 “狗屎状”花岗岩

 图7 “狗屎状”花岗岩

此外在我们第二天回去的途中,我们还见到了一种奇特的现象,图中可见一道近似椭圆形的缝(图8-9),起初我以为是节理,但后来又觉得不是,因为花岗岩比较坚硬,所形成的节理多为刚性的剪节理,节理面一般比较平直,延伸较远,但此处所看到的明显不是。回来查阅了相关资料后,我个人觉得这其实与花岗岩不同部位结晶冷却速度有关。我们知道岩浆的温度是远远高于地壳的温度的,当花岗岩浆侵入到地壳后,就会逐渐由外向内逐渐降温冷却结晶,这样就会在外部已经冷却结晶变为固体时,其内部仍然保持液态,当内部的岩浆冷却结晶时,由于降温收缩,就使得内部形成的花岗岩与外部脱离。此外由于内部岩浆冷却的速度要慢于外部岩浆,岩浆就会有充裕的时间来结晶,因此内部岩浆结晶形成的矿物颗粒要较外部的粗一点。这种颗粒粒度的差异也是使得岩体沿着冷凝速度的边界容易发生脱离。所以也不难理解为什么会形成这样一个近椭圆状的裂缝了。

【图】花岗岩内椭圆状的裂缝1 

【图】花岗岩内椭圆状的裂缝2

图8-9 花岗岩内椭圆状的裂缝

(编辑/空错)

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