地貌研究是以地貌演化为线索展开的(Chorley et al.,1964)。以地貌的演化模式而言,可分为两派:一是以Davis,Penck和King为代表的学者认为,地貌演化按一定的演化序列进行,按地貌组合变化可以划分不同的发育演化阶段,代表著作有《河流发育循环》和《地貌循环》,提出了著名的“侵蚀循环”理论,成为近代地貌学的理论核心;二是以Hack为代表的另一些学者则认为整个陆地表面是自我调整和自我适应的过程,当一个因素改变,其他因素通过自我调整实现动态平衡,物质和能量的变化不会导致总体地貌形态的改变,即“稳定平衡”理论。
以地貌学的研究手段而言,研究初期受到客观条件和认识水平的限制,研究多停留在描述性的感知认识上,但这些通过地貌考察得到的结论可为定量方法提供理论指导。近年来,地球科学的新思维和科学技术的进步,地貌研究中引入了遥感技术和定量计算方法,通过山体隆升剥蚀幅度和速率的计算,将动力的侵蚀、搬运和堆积数量化(李琼,2008;傅建利,2009;琚存勇,2009;姜勇彪,2010;崔之久等,2007;袁万明等,2011)。这是地貌学的发展方向之一,也是一门学科走向成熟的标志。
以地貌学的研究对象而言,主要集中在三大的地貌类型:丹霞地貌、喀斯特地貌和花岗岩地貌。丹霞地貌是中国走向世界的“民族品牌”,我国以丹霞地貌为主体的地质公园数量众多。2010年8月江西龙虎山、广东丹霞山、湖南崀山、浙江江郎山、福建泰宁、贵州赤水等六处地质公园共同捆绑,用“中国丹霞”的名称成功申报为中国第八个世界自然遗产。由于得天独厚的因素,中国学者对丹霞地貌的研究居于世界领先地位。花岗岩地貌是世界上最重要的地学旅游资源,中国是世界上花岗岩景区最多的国家,具有类型多、美学价值高、特征突出等特点。在全球七个花岗岩类地貌世界地质公园中,中国独占六处。2006年7月,在江西三清山召开了第一届国际花岗岩地质和地貌景观会议,国内外100多名花岗岩地质地貌专家参加,并出版了论文专辑,成立了花岗岩景观研究中心。可以说,中国是全球花岗岩地貌研究中不可或缺的重要成员。
花岗岩地貌的分类是地貌学家经常讨论但难以达成共识的热点之一。在众多花岗岩地质地貌景区中,具有景观各异、成因多样、分类众多等突出特点。
早在20世纪60年代,我国著名地貌学家曾昭璇先生在《岩石地形学》一书中,划分了高山花岗岩地形、热带花岗岩地形、干燥区花岗岩地形、石蛋地形和冲沟地形等五种类型(注:此处地形等同于地貌)。
有的学者按成因的主导因素将花岗岩山体划分为五类:湿润区中高山花岗岩水蚀型地貌、湿润区低山丘陵花岗岩侵蚀-堆积型地貌、干旱区花岗岩风蚀型地貌、高寒区花岗岩冰雪剥蚀型地貌、海岸区花岗岩海蚀地貌(卢云亭,2007)。在这一方案中,三清山属于湿润区中高山花岗岩水蚀型地貌类型。
有的学者从旅游服务的角度提出了花岗岩旅游地貌的分类方案,共11 类:(高山)尖峰花岗岩地貌,(高山)断壁悬崖花岗岩地貌,(低山)圆丘(巨丘)花岗岩地貌,石蛋花岗岩地貌,(低丘)花岗岩石柱群地貌,(低山)塔峰花岗岩地貌,崩塌叠石花岗岩地貌,海蚀崖、柱、穴花岗岩地貌,风蚀蜂窝花岗岩地貌,犬齿状岭脊花岗岩地貌,圆顶峰长岭脊花岗岩地貌(陈安泽,2007)。在这一方案中,三清山属于(高山)尖峰花岗岩地貌类型。
有的学者从风化剥蚀作用的角度把花岗岩地貌分为四大类:化学风化壳类、化学风化壳剥露类、化学风化+抬升下切类、物理风化剥蚀类;又进一步分成八个亚类:侵蚀丘陵沟谷型、露突岩型、中小露突岩型、中小凹地型、残留石蛋-独立巨峰型、抬升下切巨峰型、寒冻剥蚀型、风化-风蚀型(崔之久等,2007)。崔之久先生把三清山划入化学风化+抬升下切类。
《Granite Landscapes of the World》(Migon,2006)提出了与世界花岗岩景观可对应的8种主要地貌成因类型的分类方案,包括节理谷、多重凹陷、平原和低山、平原、多重凹陷、陡坡、切割高原,各种类型之间相互演化,见图1.1。Migon认为,有些花岗岩地形可以兼有不同地貌成因类型的因素,因此虽然不能将三清山完全对应于某种地形,但三清山山体形态确实代表了“陡坡”(all-slopes)地形,同时还具有“切割高原”和“节理谷”地形的特点。
根据Twidale(1982)和Campbell(1997)的划分方案,将花岗岩地貌划分为大型地貌和小型地貌:①大型地貌可划分为四类:巨石(boulder)、岛山(inselberg)、尖顶山(all-slopes topography)、花岗岩平原(granite plains)。巨石有核岩、碎砾、摇摆石和坡栖漂砾四个亚类;岛山包括残山、基岩残丘、城堡岛山三个亚类;尖顶山含四周倾斜山、峰林两个亚类;花岗岩平原含掩埋和剥露平原、刻蚀平原、山前侵蚀平原、准平原、阶梯状平原等五个亚类。②小型地貌可划分为四类:缓倾斜地貌(gentle slopes)、陡倾斜地貌(steep slopes)、洞穴和蜂窝穴(caves and tafoni)、碎裂石(cracked blocks)。缓倾斜地貌含岩盆、蘑菇石、岩环、浅沟四个亚类,陡倾斜地貌分喇叭型倾斜、底部侵蚀倾斜、浪蚀台地、崖麓凹陷、山麓角、槽沟六个亚类,洞穴和蜂窝穴分为洞穴和蜂窝穴两个亚类,碎裂岩包含分裂岩、片状岩、多边型碎裂岩、位移块四个亚类。
图1.1 花岗岩景观演化路线图
(据Migon,2006)
还有学者建议依照一定的标准进行分类,通过对比研究建立花岗岩景观系列中的标准型式(杨明桂等,2009;尹国胜等,2007),类似地层学标准剖面的金钉子。
花岗岩地貌的发育机制是花岗岩地貌的研究重点。地貌的经典定义是“地貌系地球内外营力共同作用于地表的结果”。基于此形成了气候地貌学和构造地貌学两大分支,很多教科书也是沿这个思路编写的(杨景春等,2005;张根寿,2005;高抒等,2006)。但值得注意的是,这个定义中忽视了地貌的物质组成——岩石应有的地位。曾昭璇(1960)认为“地貌是岩性、动力相互作用的发育阶段表现”。综上所述,花岗岩地貌主要受构造、岩石、气候等因素的影响,这与其他类型的岩石地貌成因控制因素并无太大差异,花岗岩地貌发育的三大控制因素也得到多数地貌学者的认同(Campbell,1997;尹国胜,2007;浦庆余,2007;魏罕蓉等,2007;董传万等,2007)。到具体的地貌景观区,只不过是再加上时间和空间的维度,具体情况具体分析。既然花岗岩是形成花岗岩地貌的基础,这里不得不提一下花岗岩(类)的研究进展。这也是花岗岩地质地貌相互交叉的具体体现。
花岗岩类一直是地质工作者的重要研究对象之一,对其认识也取得了重要的进展,主要可以划分为以下几个主要阶段。
第一阶段是Chappell ＆White(1974)按物质来源,将花岗岩划分为I型和S型,中国学者徐克勤则把花岗岩划分为陆壳改造型、同熔型和幔源型三种类型,揭开了花岗岩源岩研究的序幕;
第二阶段是Pitcher(1979,1983,1997)把花岗岩类的成因类型和构造环境相结合,提出了A型花岗岩的划分,花岗岩的研究深入到岩体形成构造环境的探讨阶段;
第三阶段是美国大陆动力学计划(NSF,1993)提出花岗岩实际上是大陆生长过程的产物,是壳幔相互作用的过程,中国学者也认为壳-幔相互作用,特别是下地壳、岩石圈地幔/软流圈系统相互作用对花岗岩的成因有重要的控制作用(洪大卫,1994,2000;莫宣学,2002;王德滋等,1999;王涛,2000;邓晋福等,1996;吴福元,1997;肖庆辉等,2002),从而开启了从软流圈地幔物质向地壳输送的新视角研究花岗岩形成与大陆生长关系的新阶段。
中国学者通过大量的工作,基本查清了我国花岗岩类的时序和空间分布规律,具有如下的一些特点。
第一,时代上,花岗质岩浆活动时代漫长,从太古宙到新生代呈多幕式旋回侵入,以中生代为最高潮。前寒武纪出露的花岗岩面积占11%,古生代占37%,中生代占40%,新生代占12%(张德全,2002)。每个花岗岩带都由多个时代的花岗岩组成。如南岭花岗岩带,从元古宙开始活动,历经古生代、中生代的三叠纪,到侏罗纪、白垩纪达到高潮。北方的天山—内蒙古—大兴安岭花岗岩带,从元古宙开始活动,早古生代到晚古生代达到高潮,至白垩纪还有微弱岩浆活动。甚至在这一个大型的岩基内也出现多旋回演化的特点,万洋山—诸广山花岗岩基就是一个多时代复式岩体(洪大卫,2007)。
第二,空间上,中国是世界上花岗岩类分布最广泛的国家之一,面积达86×104km2,占陆地国土面积的9%。以秦岭-昆仑山以北,主要出露太古宙至晚古生代的花岗岩;以大兴安岭—太行山—武陵山一线以东和西南三江地区主要发育中生代的花岗岩;西藏和滇西地区发育有新生代花岗岩;以贺兰山—龙门山一线为界,东、西部花岗岩的空间展布具有明显差异。西部的花岗岩呈明显的带状分布,受板块俯冲、碰撞作用的控制,发育于刚性地块之间的结合带。东部以面状分布为主,受伸展构造控制,发育于板内构造环境(洪大卫,2007)。广东、福建、广西、江西、湖南5 省区的出露面积最大,前两者花岗岩面积占全国的30%～40%,后三者占10%～20%(崔之久,2007)。所谓“世界的花岗岩看中国,中国的花岗岩看东部”。
第三,岩性上,中国花岗岩类岩石的成分从太古宙到新生代由偏基性向偏酸性、偏碱性的方向演化。根据对750个较大面积花岗岩体6080 件样品768 件组合样的加权统计,SiO2、K2O含量有增高的趋势,Al2O3、MgO、CaO、TFeO含量有降低的趋势(史长义等,2007),同地壳在垂向上由硅镁质逐渐向硅铝质转化的趋势一致(程裕淇,1994),这可能代表了地壳物质组成的演化规律。
第四,从与构造环境关系的角度看,不同的构造环境常常有不同花岗岩类的组合。有的花岗岩是同板块俯冲碰撞作用有关,有的花岗岩是形成于碰撞之后的板内环境,相应地,花岗岩类的组合也不同。如南岭中生代花岗岩是二长花岗岩—钾长花岗岩—二云母花岗岩—花岗闪长岩组合,华北地台的中生代花岗岩是闪长岩—石英闪长岩—花岗闪长岩花岗岩—石英二长岩组合,喜马拉雅带是白云母花岗岩—电气石花岗岩组合,冈底斯带是花岗岩—花岗闪长岩组合。岩石组合不同决定了它们的岩石化学、地球化学性质也有显著差异(史长义等,2007)。同时,由于同一地区在不同的时期有不同的构造环境,往往出现不同类型花岗岩的重叠、交错和转换的现象。如中国东南沿海地区,白垩纪时由于太平洋板块的俯冲,形成闽浙沿海一带的I型花岗岩。之后构造环境从挤压转化为拉张环境,形成A型花岗岩,两种花岗岩在空间上紧密共生在一起(洪大卫等,2007)。
赣东北地区的地质调查和地质研究工作始于20世纪30年代。这里回顾一下赣东北地区地质和三清山地貌的研究历史。
1939年,老一辈地质学家刘辉泗在玉山县—贵溪市一带开展1∶25万地质调查工作,首次在本区建立了地层系统,并对岩浆岩、火山岩作了初步研究。自1954年以来,地质、冶金、建材系统所属地质队以及科研、院校等单位对本区开展了较为系统的地质矿产调查和科学研究工作。
1954—1959年,地矿部中南地质局409队对德兴铜厂、朱砂红等地进了踏勘和勘探,发现并探明了德兴超大型斑岩铜矿。
1975—1978年,江西省地质局组织了德兴铜矿大会战,新增铜储量350×104t,并对斑岩铜矿进行了系统的总结和研究,1983年,朱训等出版了《德兴铜矿》专著。
1959—1980年,北京地质学院、浙江区测队、江西省区测队开展了上饶市幅1∶20万区域地质调查,基本建立了测区的地层层序、岩浆岩活动顺序和区域构造格架,积累了丰富的基础地质资料。
1976—1981年,江西省水文地质工程地质大队开展了上饶市幅1∶20万水文地质普查工作,初步查明工作区水文地质、工程地质条件和地下水资源状况。
1983—1988年,赣东北地质大队开展了紫湖口幅、玉山县幅、古城幅1∶5万地质矿产调查,对三清山花岗岩侵位机制、形成时代进行研究。
1993年,江西省城乡规划设计研究院编制了《三清山风景名胜区总体规划》;2000年,三清山管理委员会邀请同济大学风景科学研究所,进行了《三清山风景名胜区总体规划》的修编工作;2003年1月—2004年3月,江西省城乡规划设计研究院对《三清山风景名胜区总体规划》进行了再次修编,为三清山的开发与保护提供了科学的依据。
2000—2002年,江西省地质调查研究院进行了上饶市幅1∶25万区域地质调查,根据同源岩浆演化序列,将三清山花岗岩划归为怀玉山构造岩浆小区,建立了岩石谱系单位系统,进一步提高了三清山的地质科学研究程度。
1985年7月—1986年8月,江西省地质调查研究院对三清山开展了专项旅游地质调查。
1999—2003年,江西省地质调查研究院在进行江西省地质遗迹调查工作期间,对三清山花岗岩峰林地貌进行了概略调查和评价。
2002—2004年,南昌大学与江西师范大学的学者与三清山管委会合作完成了《三清山志》的编篡,系统研究了跨越1921个年度,从西晋太康四年(即公元283年)至2004年上半年有关三清山的历史资料。重点突出了旅游资源、自然地理及历史文化遗产等方面的研究。
2005—2006年,江西省人民政府组织不同专业学科的专家和聘请了国内外地质科学顾问,对三清山自然遗产进行研究,侧重于生物学和生态学的研究,并开展了三清山自然遗产科学价值的国际对比研究,著名生态学家林英(1986)曾指出,江西是东亚-北美植物区系中中国植物区系的一个重要发源中心,是这些植物在中国的核心分布区。
2005—2006年,中国地质科学院、江西省地质调查研究院等单位对三清山地质公园内的地质遗迹景观进行了比较全面的调查和初步研究,并提出了“三清山式”花岗岩景观的概念。
应该说三清山所在区域的地质研究程度很高,成果也很多(陈思本等,1986;邓国辉等,2005;李献华等,1994,李献华,2000;陆松年,1998;马长信,1991;王一先等,1999;邢凤鸣等,1992;徐备,1990;徐备等,1989,1992;赵建新等,1995;赵崇贺等,1997;曾勇等,2002;周国庆,1991),归纳起来,最重要的成果有三个:德兴铜矿的发现;赣东北深大断裂带规模、延伸和成因的研究;赣东北中新元古代蛇绿混杂岩带的发现。可以看出,对赣东北的研究多集中在该地区前寒武纪的古造山带及其构造格架、古老变质岩及其年代学、元古宙蛇绿岩混杂岩带及其地质意义。赣东北与成矿作用相关的花岗岩也是研究热点之一(朱训,1983;杨明桂等,2004;金章东等,2007;芮宗瑶等,1984;王强等,2007;袁忠信,1988)。但对三清山景区花岗岩进行的科学定量研究不多,相关文献也多为三清山地学旅游资源的介绍或花岗岩景观的描述(刘细元等,2005,2006;杨明桂等,2007)。三清山是花岗岩微地貌的天然博物馆,记录了地球中生代以来地壳的演化历史,在成山成景机理上,传统上都解释为内动力使地壳不断隆升,外动力沿节理裂隙不断风化剥蚀塑造成各种惟妙惟肖的微型景观。但与作为物质基础的花岗岩本身有何关系?在中国东部岩石圈减薄作为一个被公认科学认识的前提下,中国东部众多花岗岩山体的形成与中国东部岩石圈减薄有何关系?是形成于挤压环境还是拉张环境?三清山山体隆升与剥蚀过程的有哪些特点?与处于同一造山带,具有相同岩石类型和地貌类型的黄山相比,三清山是否具有相同的隆升和剥蚀过程?
陈安泽先生曾指出:花岗岩专家不研究花岗岩地貌,而地貌学家则对花岗岩岩石学知之甚少,对花岗岩地貌与地质的关系也无法解释,这种把地质地貌分成两张皮的做法是不可取的。地貌学家要懂得地质学的基础知识和前沿研究领域,地质公园的研究者也应明白地质公园只是研究的载体,研究的内容可以是岩石学、地貌学、地球化学、地球物理和构造学,等等。花岗岩地貌是研究地质演化过程的重要证据(陈安泽,2007),因为地貌包含着过去地质历史时期里环境变化的相关信息,有助于了解地球环境变化的历史,更重要的是还可以为预测未来变化的方向和趋势提供科学依据(李琼,2008)。前苏联地貌学家马尔科夫(1948)就研究了地貌过程中的岩浆运动。在第一届国际花岗岩地质地貌研讨会论文专辑(《地质论评》,第53卷,增刊)中就有洪大卫、肖庆辉、张招崇、罗照华等岩石学家发表的论文,这是一个好的开端,有助于地貌和岩石工作者的讨论交流。但总体而言,花岗岩地貌在研究地质演化历史上没有得到应有的重视。正是基于这样的考虑,本专著将研究三清山的岩石地球化学,三清山山体隆升剥蚀的低温年代学约束,三清山的地貌特征和成因机制等几个方面的内容。
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