中国香港大型酸性火山岩六方柱状节理构造景观及其地质成因意义

方世明, 李江风, 伍世良, 郭 旭

(1. 中国地质大学 资源学院, 湖北 武汉, 430074; 2. 香港中文大学 地理与资源管理学系, 中国 香港)

中国香港大型酸性火山岩六方柱状节理构造景观及其地质成因意义

方世明1, 李江风1, 伍世良2, 郭 旭1

(1. 中国地质大学 资源学院, 湖北 武汉, 430074; 2. 香港中文大学 地理与资源管理学系, 中国 香港)

在简单介绍中国香港地质概况的基础上, 对发育在香港境内酸性火山岩中的大型六方柱状节理构造景观进行了介绍, 并对其形成的地质基础和过程进行了探讨。对世界上著名的十多个柱状节理构造景观进行对比后指出, 香港酸性火山凝灰岩大型六方柱状节理景观是世界上同类岩石中罕见的地质现象, 分布面积大, 露头完整, 具有稀缺性、独特性和典型性, 对西太平洋中生代火山岩发育历史有重要的科学价值。

酸性火山岩; 六方柱状节理; 香港

香港,全名中华人民共和国香港特别 行政区,又称“东方之珠”。地理位置在珠江三角洲的东面, 北面陆地与广东省深圳市接壤, 南部海域与广东省珠海市万山群岛海域连接。截至2009年2月, 香港陆地面积为1 108 km2, 水域面积为1 647 km2, 总面积共2 755 km2。从地域上讲, 香港由3个大区组成, 分别是香港岛、九龙半岛和新界(包括260多个离岛)。2007年的香港总人口达6 925 900人, 平均居住6 410人/ km2,使香港成为全世界人口密度最高的城市。

香港素以金融、商业贸易中心闻名于世界, 是世界著名的大都市。香港作为一个高人口密度的城市,栉比林立的高楼大厦、灯火通明的维多利亚港湾、充满生机的现代化动感都市, 一直是世人对香港的印象。而香港人多年来开发和建设的地质公园、郊野公园、湿地公园和海岸公园等市民活动场所, 以及曲折有致的岩石海岸、幽远宁静的海滩、巍峨多姿的群山、造型奇异的岛礁, 弥足珍贵的自然生态和地质遗迹却鲜为人知。尤其是从万宜水库到果洲群岛一带最为特色和突出的全球罕见的大型酸性火山岩柱状节理景观, 其稀有性、科学性、独特性、美学性,尚未被香港市民完全认知, 使得市民未能体验和领悟大自然所展示的地质魅力, 对于港岛的形成、演化和未来趋势缺乏有深度的理解。这些罕见大规模的酸性柱状节理景观只是香港得天独厚自然景观的一部分, 对于研究香港的地质发展史和地质演化特征有重要的意义, 是对世界地质历史发展史的重要补充, 是人类了解地球的窗口之一。

1 香港地质概况

在区域地质背景中, 香港位于中国大陆的东南边缘。中国东南边缘位于亚洲东部大陆边缘南段, 是元古代以来扬子古陆块和华夏古陆块在漫长的地质演化历史中多次拼合-裂解-再拼合而成的复杂大陆板块; 是晚中生代火山-侵入杂岩大量分布的地区[1-4], 是濒太平洋地区一个宏伟构造——岩浆岩带的重要组成部分。

火成岩、沉积岩和变质岩这三大类岩石在香港均发育和出露, 但出露面积最为广泛的是火成岩,包括火山岩和侵入岩, 它们的分布范围占据了香港面积的 85%左右。沉积岩和变质岩在香港的分布非常局限, 主要集中在新界北部地区和零星散布在赤门海峡两侧以及大屿山岛的边缘。

中国南方著名的莲花山断裂带控制着香港的地质构造。莲花山断裂带区域上属丽水—海丰大断裂之西南段, 总体呈北东 45°左右展布, 由二条相间约50 km, 大致平行延伸的断裂束及夹持于其间的一系列断裂构造带、复式褶皱带、岩浆带、断裂动热变质带和韧性剪切带组成。在香港境内, 同样也以北东方向较大型而连续的断层为其他地质构造的主要走向。赤门海峡—沙田—荔枝角断裂是最典型的代表,其地貌特征非常显著。北西方向的断层规模较小, 以张性断裂为主, 而且往往延伸不连续, 这种构造格局控制着香港现今山脉的分布和基本地形的态势。

根据目前的资料, 香港境内缺失中生代三叠纪、早古生代及更早时期的地层和岩石记录。泥盆纪的沉积岩是目前香港发现的最古老的岩石, 而新界东北部平洲岛上古近纪(以前称为“早第三纪”)的沉积岩则是香港最年轻的岩石。第四纪末固结成岩的沉积岩, 则会告诉我们最近的将近2 Ma以来的地质历史事件。所有这些岩石和沉积层构成一个由下至上,由老而新的地层柱。根据各岩层的岩石特征和它们形成的时代, 香港的地质工作者将这个地层柱划分为17个地层组和4个火山岩群(表1)[5]。

表1 香港地层柱Tab. 1 The stratigraphic column of Hong Kong

2 香港六方柱状节理构造景观

柱状节理是发育于火山岩中的一种呈规则的六方或不规则的四方、五方、六方棱柱体形态的原生张性破裂构造。近一个多世纪以来, 许多学者均认为这种构造只能发育在 SiO2质量分数在 45%～52%之间、黏度小、流动性大的基性喷出岩体中, 而在SiO2质量分数大于65%以上、黏度大、流动性小的酸性喷出岩体中则不可能发育。因此, 玄武岩柱状节理构造一词长期来实际上已被人们作为特指的、专门性的基性岩浆喷出岩体原生破裂构造形态术语加以引用[6-7]。

但是, 随着野外地质调查工作的广泛开展, 人们逐渐发现柱状节理构造非玄武岩所特有, 它也可以发育于非基性的火山岩中。例如世界著名的美国怀俄明州“魔鬼塔”柱状节理就发育在属于碱性喷出岩类的响岩体中[8-10]。另外在中国内地浙江临海桃渚、衢州湖南镇和吉林四平等地的酸性熔岩中发育有柱状节理的报道[11-12]。

香港六边形柱状节理较为发育, 主要分布在西贡粮船湾万宜水库及果洲群岛一带(含海域部分),面积约 150 km2, 其岩性特征为粮船湾组酸性凝灰岩。从粮船湾组的分布特征看, 火山岩柱形成在一个巨大的破火山口内, 而且其周边主要由断层所控制。岩层厚度超过400 m, 个别岩柱的长度可达30 m, 直径可达3 m以上(图1)。

万宜水库东坝附近是观察六方柱节理的极佳场所, 交通极为方便。这里的节理露头表面新鲜, 易于观察, 节理柱高达50 m(图2)。柱状节理的形成, 表明极热的火山灰在贴近地面处迅速冷却, 引致收缩及形成六角形。目前世界上发现的大多数柱状节理景观都是由玄武岩形成, 而这里的六方柱节理却是由构造十分均一的细火山灰玻璃屑凝灰岩形成。凝灰岩经收缩而形成深深的六角形节理, 冷却作用亦延伸至熔化物质的中心部位。最后结果与一团干燥的黏土相似, 但黏土变干是因为失去水分, 而火山凝灰岩的冷却则是由于推动热力所致。

在万宜水库东坝下面可以看到一组弯弯曲曲的岩柱(图 3), 这些被扭曲的岩柱展现了大自然神奇的一面。约于 140 Ma前, 西贡的古老火山坍塌, 造成凹陷, 这些岩柱便是凹陷处大量沉积火山灰和熔岩的剩余部分。圆滑的曲线显示岩石在仍然炽热时被弄弯, 在弯曲部分的中央造成裂隙。在1亿a前左右,源自地底岩浆库的玄武岩熔岩侵入裂隙, 形成今日所见的入侵玄武岩岩墙及扭曲状六角形岩柱, 甚为壮观。

图1 香港西贡区火山岩柱Fig. 1 The volcanic column in Hong Kong Sai Kung District

图2 万宜水库东坝附近发育的六方柱状节理景观Fig. 2 The six-party columnar joints Landscape near the eastern dam of High Island Reservoir

图3 弯曲六方柱岩柱与侵入岩脉Fig. 3 Six-column bent with the intrusive dyke rock column

3 成因

从万宜水库到果洲群岛一带出露的具柱状节理的火山岩是酸性的凝灰岩, 岩石较均一, 含有大量的钾长石和石英的斑晶。这套岩石被命名为“粮船湾组”, 属于早白垩世滘西洲火山岩群。估计粮船湾组的厚度约为400 m。

这些奇特的火山岩柱形成于大约140 Ma前。当时, 地底的岩浆活动剧烈, 火山频繁爆发。当火山猛烈爆发时, 伴随着帜热的火山灰流, 大量的熔岩从地底涌出地表, 覆盖了山坡和大地, 刹时间形成了巨厚的火山熔岩层。多次间歇性的喷溢形成了多层的火山熔岩层。当大面积的火山熔岩层慢慢冷却, 逐渐凝固变成坚固的岩石时, 出现了非常规则的收缩,形成了今天所看到的这种具六方形柱状节理的岩石。

柱状节理常见于玄武岩中, 但也见于其他火成岩与熔结凝灰岩中。在岩体中柱状节理长轴延伸方向垂直于岩体冷却表面。所以它们通常垂直于岩流和岩床的顶面、底面, 垂直于岩墙的侧壁。柱状节理是火成岩在摄氏几百度固结以后继续冷却到空气温度并发生收缩作用的条件下发生的[13](图4)。当淤泥干固, 失水而收缩时, 也会形成类似的柱状节理。

从粮船湾组的分布特征看, 它似乎形成在一个巨大的破火山口内, 而且其外围主要由断层所控制[14]。熔岩流快速地填充进这个低凹的地带, 如同稀饭倒进一个碗内。破火山口的半封闭环境为熔岩的缓慢冷却提供了有利的条件。当熔岩慢慢冷却时, 就形成了规则的收缩节理。节理所形成的石柱可高达30 m,造成了今天所看到的壮丽无比的景观。

图4 六方柱状节理成因示意图Fig. 4 Schematic diagram of the causes of six-party columnar joints

4 意义

尽管地球上许多地方出露有六方柱状节理的岩石, 但绝大多数为玄武岩柱状节理, 很少有酸性火成岩六方柱节理, 尤其难得见到如香港地区出露的酸性火山凝灰岩大型六方柱节理, 因此, 香港地区的酸性火山凝灰岩大型六方柱节理地质现象, 具有独特性、稀有性, 并具有极高的美学性和观赏价值(表 2)。

通过对比分析不难得出以下结论: (1)香港火山岩在区域上属于西太平洋中生代火山岩带的重要组成部分, 在地质构造上位于欧亚板块东缘裂陷带。由于大洋板块向大陆板块俯冲, 大陆边缘出现大陆裂谷带, 从而造成火山喷发和岩浆侵入。香港火山岩的深入研究对西太平洋中生代火山岩发育历史有重要的科学价值; (2)香港酸性流纹质火山凝灰岩大型六方节理柱是地球上同类岩石中罕见的地质现象, 是属于人类共有的自然遗产; (3)香港具有大型六方柱节理的酸性流纹质火山凝灰岩分布面积大, 露头完整, 景观奇特, 具有稀缺性、独特性和典型性。

表2 世界主要六方柱状节理岩石的对比分析Tab. 2 Comparative analysis of the world’s major party columnar joints

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Large six-party columnar joints of acidic volcanic rocks and its geological causes and significance in Hong Kong China

FANG Shi-ming1, LI Jiang-feng1, NG Sai-Leung2, GUO Xu1
(1. Faculty of Earth Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; 2. Department of Geography ＆ Resource Management, The Chinese University of Hong Kong, Hong Kong, China)

Nov., 2, 2009

acidic volcanic rocks; the six-party columnar joints; Hong Kong

In this paper, the author described the large six-party columnar joints structural landscapes in HongKong China, which is developed in the acidic volcanic rocks, an discussed its geological formation. In addition, through comparing more than 10 columnar joints landscape structures worldwide, the author pointed out that the large six-party columnar joints structural landscape of acidic volcanic tuff rocks is a rare geological phenomenon of the same kind rocks in the word, characteristic of large distribution area and complete outcrops, which has important scientific value to the developmental history of the Western Pacific Mesozoic volcanic rocks.

X141

A

1000-3096(2011)05-0089-06

2009-11-02;

2011-01-13

国家自然科学基金面上项目(40772196)

方世明(1977-), 男, 安徽太湖人, 中国地质大学(武汉)副教授, 博士, 博士后, 主要从事国土资源调查评价与规划等方向教学研究工作, 电话: 027-67883088, E-mail: fsmcug@qq.com

刘珊珊)