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“蛇蟠石”特性研究及其用途调查
2017-10-15    阅读 107 次

杨志法1 陶克捷1 张中俭2 方建平3 杨俊健4 郑子琦4 黄北秀1

1 中国科学院地质与地球物理研究所

2 中国地质大学

3 浙江省衢州学院

4 浙江蛇蟠岛旅游开发有限公司


(一)为什么写这篇科普文章

    2017年8月3日我们在中科院地质地球所的科普平台上发了一篇名为“蛇蟠岛古洞室群探秘”科普文章。下图给出了该文中所涉及的部分因岛上采石而遗存的古洞室。面对着多达1300多个古洞室的蛇蟠岛,有朋友问古人采这些石材干什么用?例如长风引朋友,除了

   

  野人洞古洞室                              太坑山古洞室

  

海盗邨古洞室已损坏的部分                       清风洞古洞室


准确地回答出编辑所出的两个问题外,还在他的留言中问了两个很有意思的问题:

    · 该地石料(即石材)有何特别之处呢?

    · 古人采这些石具体用途是什么,做建筑石料?

采自蛇蟠岛的石材

      这两个问题引发我们写有关蛇蟠岛探秘的第二篇科普文章,即本文的兴趣,以介绍蕴藏于其中的地质知识和岩石力学知识。

(二)蛇蟠岛所采的石料有何特别之处

    进入蛇蟠岛,随时都可以听到人们把岛上采出的赭红色石材称为“蛇蟠石”。这显然不是岩石的专业名字,但祖祖辈辈生活在蛇蟠岛上的采石者和石材经营者一直都这么称蛇蟠岛上岩石及所采的石材为“蛇蟠石”。它是以原产地地名作为石材的名字的。

    

古代工匠在岛上采石板时的情景

  

                                                                         (a)                                                            (b)

因岛上采石板而遗存的陡壁及留在陡壁上的水平条状凿痕

被采空的蛇蟠岛野人洞景区某古洞

1、蛇蟠岛的地层

    蛇蟠岛主要分布的地层为火山碎屑岩。它所形成的地质年代为距今1.455亿年至1.996亿年的侏罗纪。具体的岩性有流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩、流纹质玻屑凝灰岩、英安质含砾玻屑熔结凝灰岩等各种凝灰岩,以及流纹岩、流纹斑岩、英安岩和沉凝灰岩等。

呈赭红色的流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩

呈灰白色的沉凝灰岩(航拍)

    在上述分布位于蛇蟠岛的各种凝灰岩和流纹岩等岩石中,凡适合于开采石材的岩石都被古人称为蛇蟠石。

2、主要采石对象——流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩的特性

流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩是古人在蛇蟠岛采石的主要对象,也是岛上所遗存的各大古洞室群的主要围岩。

之所以它成为古人的主要采石对象,是由于古人所采的称为蛇蟠石(即流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩)的石材具有以下特性:

(1)因具有赭红色而带有喜庆特点的蛇蟠石,深受当时人们的喜爱。

位于流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩地层中的一个古地下采石场

(2)该种岩石的镜下鉴定结果表明,岩屑的粒度一般为3~5毫米,所以石质十分细腻。这也是它被古人选作为建筑用的石材(包括雕刻三门古石窗)的原因。

  

流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩的显微特征


(3)由X射线衍射(XRD)谱图可以看出,流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩含有伊利石、石英和透长石。

X-射线衍射(XRD)谱图(Ι:伊利石, Q:石英, S:透长石)

(4)采用下图MTS-SANSCMT型试验机对该种岩进行了力学实验。结果表明,在风干条件下该种岩石的单轴抗压强度可达99.97MPa(约合979.7公斤/厘米2)。可满足作为建筑材料的强度要求。

       另外,还需说明,上述岩石的强度与古代工匠所用的铁质工具的水平相适应。

中科院地质与地球物理研究所的MTS-SANSCMT型试验机

(5)从建筑用材角度看,要求石材有足够的尺寸,也即要求待采的岩体具有较高的完整性:从下图给出的一块立于蛇蟠岛野人洞景区门口的巨型蛇蟠石标本看,因它的长、高和厚分别达4.4米、3.0米和1.6米,故它所在的岩体在一般情况下,可满足有关完整性的要求,也即可满足在尺寸方面的建筑材料要求。

一块巨大的蛇蟠石标本

(6)对于被称为蛇蟠石的流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩,作者还发现一个罕见而有意思的现象:在赭红色蛇蟠石中分布有不少具有观赏价值的天然白色图案,包括白色圆盘、白色圆环、白色圆珠,及其由它们组成的复杂而有趣的各种白色图案。

      在下图中可以看到:在赭红色岩石中呈现出一个白色圆环套白色圆盘,且散布着许多白色圆珠。它们所组成的图案,十分奇特。由于

这种天然的蛇蟠石图案具有观赏价值,所以历史上不乏收藏者。例如,在民国期间,三门县当地有一位叫祁文豹的名人就从蛇蟠岛上采了一块长约1200毫米、高约450毫米的这种蛇蟠石石板,作为一幅“图画”安装在他家的高大围墙上。这幅难得一见的“图画”酷似在“星

空”中“升”起了一轮带“月晕”的银白色“明月”。不能不让人叫绝。实际上,上述圆环的直径达270毫米的图案,在蛇蟠岛也难得一见。

     在蛇蟠岛清风洞作者还找到了一种白色圆珠绕白色圆环套白色圆盘的蛇蟠石图案,也很有特色;

       下图则更加少见。这一在蛇蟠岛海盗邨景区找到的白色图案是由双圆环和双圆盘构成的。这种有点类似于“行星运行轨道图”令人遐想不已。

发现于海盗邨景区的蛇蟠石图案


问题是为什么这些图案是白色的?

(a)根据X射线衍射谱图分析,上述赭红色流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩主要含伊利石、石英和透长石。但对白色图案样品的分析结果却是:除伊利石、石英等外,还含有呈白色的方解石和高岭石(见下图);

白色图案岩样X-射线衍射谱图(C:calcite, I:illite, K:kaolinite, M:microcline, Q:quartz)


(b)根据全岩化学分析(XRF),赭红色的蛇蟠石的全铁含量达1.5%,而白色图案样品中全铁含量只有0.54%。前者为后者的2.78倍。由于铁元素是蛇蟠石的红色着色元素,所以含铁多的岩石的颜色,必定比含铁少的岩石的颜色更红。

那么,为什么会出现这种罕见的白色图案?

据猜想,白色图案是由于多期火山喷发和化学交代作用而形成的:在前一次火山喷发中有一部分火山灰可能落在一些形状不同的长条形浅水坑中,并凝灰成泥条。在隔一段时间后可能又有一次火山爆发发生。于是,一条条形状各异的泥条与火山灰一起也被抛向天空。它们落下后并一起成岩。在成岩这一条复杂过程中,通过上述化学交代作用(即物质的带出和加入)而使处于成岩过程中的上述“泥条”的部分原有矿物被分解消失,形成新矿物,即它与周围的赭红色蛇蟠石相比,增加了呈白色的方解石和高岭石等矿物(上图)。当然,其化学成分也得有所变化:其红色着色元素的全铁含量将降至上述的0.54%,远低于周围呈赭红色的蛇蟠石的全铁含量。结果,其颜色也变得比周围岩石白得多。

(7)天然“壁画”的发现

    作者在蛇蟠岛清风洞景区大门东“墙”外侧发现了一条“龙”形的天然“壁画”。它像神话传说的“龙”吗?不妨看一下由它的实际

分布的线条逐一描出的一张单线平图。不难看出,它酷似一条“龙”。产生这一“龙”形图案的陡壁,长11m,高5m。其壁面的产状为N25°W,SW∠87°。不少观者,无不称奇。显然,从旅游角度看,这幅罕见的“龙”形天然“壁画”具有相当高的观赏价值。

按实际分布的线条“龙”形描绘的单线平图


(b)关于“龙”形图案形成的科学解答

    它是谁?似龙非龙。大自然是拿什么来“画”出这幅“龙”形天然“壁画”的?其中作为“龙”头和“龙”身主色调的黄色是什么物质组成?而构出“龙”轮廓线的黑色和灰色又是什么物质呢?

分布在“龙”身上的黄色和黑色的局部放大图

    为了回答上述“龙”形天然“壁画”形成的科学问题,我们进行了现场的地质考察和矿物分析,并确认了以下四点:

(a)在该陡壁上分布着整齐的采石凿痕,加之周围均是采石场遗迹,所以可以断定这一呈现“龙”形图案的石壁为采石场的遗存。

分布着整齐但风化严重的凿痕的部分石壁

换言之,历史上采石工匠在采石后所遗留下来的这一陡壁成为“作出”上述天然“壁画”的一张“纸”。

(b)经矿物分析,认为出现在天然“壁画”上的黄色,是因为在该陡壁的某些部位上出现了被称为黄钾铁矾的矿物。其化学式为KFe3[SO4]2(OH)6,而另一种主要颜色——黑色,则为黑锌锰矿,其化学式为ZnMn3O7•3H2O。有意思的是,因颜色浓淡不一而造成了国画中所谓 “墨分五彩”的效果,无论是黄钾铁矾的黄色,还是黑锌锰矿的黑色,都是如此。显然,正是浓淡不同的黄色、黑色和岩石本身所具有的浅红色(因长期西晒风化而使岩石从赭红色变成了浅红色),

因风化而形成的浅红色岩石壁面

碰巧形成了色彩如此丰富的“龙”形天然“壁画”。

(c)含有黄色的黄钾铁矾和黑色的黑锌锰矿的液体是沿着裂隙面从岩体中向外渗出,并弥散和沉积在裂隙两侧的一定范围的。

   (d)而“龙”形图案的形成,纯属巧合。

(8)具有“铁结核”的蛇蟠石标本

    在蛇蟠岛的流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩中还发现了为数不少的具有“铁结核”。它的中心部位是一圈凸出的像铁皮的“空心钉”。其

颜色从其中心的黑色向四周的黄色变化。这也说明铁元素向该处富集的过程。为了进一步确定上述“铁结核”的化学成分,作者取样进行了电子探针测试。结果表明,铁元素的含量是“铁结核”中间部分高,并向四周逐步降低。铁元素含量的最高值接近80%。

      另外,下图虽然还没有形成上图的“空心钉”,但也说明在铁元素在向该圆形图案富集。

4、具有球状构造的凝灰岩

在蛇蟠岛还发现具有球状构造的凝灰岩。所谓球状构造,是指在岩石中矿物围绕某些中心呈同心层分布,外形呈球状的一种构造。下图为一发现于蛇蟠岛清风洞中的一个直径约为125毫米的球状构造。

5、石泡流纹岩

岛上除分布大量凝灰岩外,还存在着流纹岩。所谓流纹岩构造,是指在火山熔岩中具有不同成分和颜色的条带,以及拉长的气孔相互平行的排列特征的火成岩构造。另外,在蛇蟠岛上还发现了石泡流纹岩。

  

直径约为15毫米~60毫米的小尺寸球状构造

6、粗面岩

在蛇蟠岛野人洞、清风洞和狮子洞等景区的山顶上都分布有粗面岩。据矿物分析,粗面岩主要由碱性长石组成,并含少量斜长石、石英和

分布在清风洞景区山顶的粗面岩

分布在狮子洞景区山顶的粗面岩

铁镁矿物。它的薄片的镜下鉴定表明,它是由斑晶(含量5%)和基质(含量90%)组成。岩石呈斑状结构。基质由微晶斜长石(含量40%),隐晶质(含量30%)和玻璃质(含量20%)组成,且基质的局部绢云母化较强,基质为粗面结构。另外,沿裂隙有石英(含量3%)、褐铁矿(含量2%)充填。

      粗面岩由于呈斑状结构,基质为粗面结构,所以其外表往往因风化等原因而显得又黑又粗(见上述两图)。但其内部却呈粉红色,很美(见下图)。

  

7、新发现的火山角砾集块岩

    在蛇蟠岛的滑泥公园东南角发现有火山角砾集块岩分布(下图)。据此,似可推测火山口位于南面离此不远的海中。

  


发现火山角砾集块岩的                                      所发现的火山角砾集块岩的

滑泥公园东南角                                                     粒径可达300mm


(三)蛇蟠石用途的调查

1、关于蛇蟠石用途的历史调查

    据统计,蛇蟠岛历史上的采石量可达几百万方。如此多的石材都销往何方?这也许可以借助于储国秀(南宋进士)的《宁海县赋》(据胡声雷的《霁园集》,1991)作出回答:储国秀在提及航海业时写道“其海则停纳万流,宗长四渎,控直港于稽、鄞,引大洋于温、福。出鸟崎,通鸭绿、晞日本、睇旸谷……一日再潮,阳往阴复,千艭万艘,东奔西逐。”这说明宁海县不仅同今绍兴、宁波、温州、福州等地经贸往来密切,还同朝鲜、日本有船队往来。据调查,在浙江宁波、台州、绍兴、温州等地建房用的石板、石条,及制作石门窗等的石材中有许多都是由当时属宁海县管辖的蛇蟠岛采出的。

    

古代工匠在蛇蟠岛采石、运石及装船出海的情景


2、三门县和宁海县部分乡镇蛇蟠石石材用途的调查

    虽然褚国秀生活的南宋早已过去,蛇蟠岛的采石已结束,海面

旭日东升时的蛇蟠岛及蛇蟠洋

晚霞下的蛇蟠洋及绕岛的养殖场

也早已平静,但在三门邻近市县的不少乡镇还留存着许多用蛇蟠石石材建造的古民居、庙宇、古桥梁,以及大量的用蛇蟠石制作的石工具。

   (1)古民居蛇蟠石石材的用途举例

   (a)用蛇蟠石石板铺成的三门东屏村的一个道地(即院子)

(b)用蛇蟠石雕刻的三门东屏村的一个豪宅的大门

(c)用蛇蟠石条石制作的三门县任家村的一个石门框

(d)用蛇蟠石块石制作的三门县任家村的一个方形的雕花柱础

(e)用蛇蟠石石板制作三门县任氏宗祠院角的两个古钱纹地漏

(f)用蛇蟠石石板制作的宁海县东岙村一家古民居的储粮柜

(g)用蛇蟠石石板制作的三门县沙柳附近的一个道地的院内花坛

(h)用蛇蟠石石板建造的路边古民居的窗下墙

(i)用蛇蟠石条石制作的三门县亭旁镇一家古居民的大门口石凳

(2)祠堂古庙和古戏台的蛇蟠石石材用途举例

(a)用蛇蟠石石板和块石铺设的三门县亭旁杨氏家庙的大殿和走廊及其所设的柱础

(b)用蛇蟠石块石雕刻的灵康庙石狮

(3)用蛇蟠石制作三门古石窗及其举例

    (a)三门古石窗有关地质和岩石力学方面的主要研究成果

     据分析,用蛇蟠石制作的古石窗不仅具有重要的历史价值和科学价值,而且还因它们的美而具有重要的艺术价值。正因为如此,三门古石窗于2006年6月被批准称为浙江省非物质文化遗产。还应指出,蛇蟠岛三门石窗博物馆和石窗展示洞等是三门县三门古石窗的最大保护基地和展示中心,共有254个古石窗。

  

蛇蟠岛野人洞景区“三门石窗博物馆”

  

部分石窗展示洞


三门古石窗有关地质和岩石力学的主要研究成果有三:

    第一,用于三门古石窗制作的板材,系上述流纹质晶屑玻屑熔结凝灰岩,其完整性基本上可保证制作古石窗的尺寸要求;

    第二,据上述对该种岩石的显微镜鉴定,得出其石质十分细腻,特别适合于古石窗图案的雕刻;

    第三,据上述,MTS-SANSCMT型试验机测试,该种岩石的强度与古人所用的铁质工具相适应。

  (b)三门古石窗图纹的艺术分类

    据作者研究,并参照前人的研究成果,认为可把三门古石窗分为7类:


· 多条块组合纹类古石窗

该类古石窗,系指取单一的竖条、横条、斜条和圆弧条或它们的组合为图纹的古石窗,例如:

  

蛇蟠岛景区的竖条横条组合纹窗     蛇蟠岛景区的斜条步步锦纹窗

拍自三门县灵康庙的步步锦纹古石窗


·植物纹类古石窗


    该类古石窗,是指取枝叶舒展、卷曲的草类、象征着富贵的牡丹和不老的青松等与植物有关的内容为图纹的古石窗,例如:

  

蛇蟠岛景区的如意卷草纹古石窗   蛇蟠岛景区的七朵梅花竖条纹古石窗

  

蛇蟠岛景区的卷草寿桃-梅花纹古石窗   蛇蟠岛黄泥洞村的蔓草灵芝纹古石窗

·动物纹类古石窗

     该类古石窗,是指取与生存于世上象征福、禄、寿、吉、喜的动物及存在于神话中的龙、凤和麒麟等有关内容为图纹的古石窗,例如:

    

                                                        蛇蟠岛景区的鹊梅纹              蛇蟠岛景区的双龙戏                拍自三门县祁家祁院


                                                                   古石窗                            珠纹古石窗                        附近的双龙纹古石窗


·人物纹类古石窗

     该类古石窗,系指取来自戏曲或故事中的人物及神话中的神仙(如八仙等)为图纹的古石窗,例如:

  

                                                      蛇蟠岛景区的八仙之汉钟离纹古石窗              蛇蟠岛景区的麻姑献寿纹古石窗

状元及第加双福临门纹古石窗

· 文字纹类古石窗

     该类古石窗,是指祝福的用于并反映人们的愿望、追求以及信仰的文字(如福、禄、寿和佛教的“卍”等)为图纹的古石窗,例如:

    

                                                           蛇蟠岛景区的万字                蛇蟠岛景区的团寿纹               蛇蟠岛景区的福字纹

                                                           ——梅花纹古石窗                           古石窗                                  古石窗


· 物件纹类古石窗

     该类古石窗,是指存在于现实世界上,为当时人们所追求的物件(如铜钱、宝剑等)和来自神仙世界的物件(如八仙法器等)为图纹的古石窗,例如:

    

                                                       蛇蟠岛景区的暗八仙                        蛇蟠岛景区的宝剑                  拍自三门县祁家祁宅

                                                         ——条形纹古石窗                          ——-绸带纹古石窗                 附近的六钱纹古石窗


· 混合纹类古石窗

     该类古石窗,是指取属于上述两类或两类以上图纹混合而成的内容为图案的古石窗。一般而言,它们的构图较为复杂、生动,艺术性和观赏价值也都较高,常为古代工匠所采用,例如:

  

                                                                   蛇蟠岛景区的龙福捧寿纹古石窗  蛇蟠岛景区的献礼——双龙捧寿纹古石窗

    

                                                                    蛇蟠岛景区的万字——           拍自三门县沙柳镇沙柳村的取扇、琵琶、

                                                                 梅花多条块组合纹古石窗               绸带和多块混合纹类半道古石窗


(4)蛇蟠石制作的石工具举例

  (a) 蛇蟠岛景区展出的两种蛇蟠石石磨

  

  (b)蛇蟠岛景区展出的石碾

  

  (c)用蛇蟠石块石制作的两个石臼

      · 蛇蟠岛野人洞景区展出的一个石臼

      · 拍自三门县蒲峰村的一个石臼

(d)用蛇蟠石制作的石井圈

    · 拍自三门县东屏村的圆形石井圈


    · 拍自三门县一农村的方形石井圈


    · 拍自三门县祁文豹宅院的刻有8中花卉的蛇蟠石八角井圈


    · 拍自三门县健跳镇为明代抗倭名将戚继光驻扎部队所建的井口较大的八角井圈


    · 拍自三门县东屏村的双井圈,较为少见

    (e)用蛇蟠石块石制作的石墩等一类民间练功用的石具举例

    (f)用蛇蟠石块石制作的石槽举例

 · 蛇蟠岛野人洞景区展出的石槽


 · 拍自三门县寺前村的一家农户院子里的2个石槽

(4)用蛇蟠石石板铺的乡村石板路举例

    (a)铺设在三门县横渡老街上的一条蛇蟠石石板路

(b)铺设在三门县健跳镇南江巷一带的一条蛇蟠石石板路

(5)用蛇蟠石建造的乡村石桥举例

     (a)三门县东屏村古石拱桥

(b)三门县六敖镇小蒲村村口的登云桥,为三门县重点文物保护单位

(6)用蛇蟠石建造的宁海县一市镇东岙村的古闸槽

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