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长子木化石群形成与太行山大峡谷地质期气候关系初探
2015-08-10 16:17 长治市气象学会 程玉斌 

   摘要:通过对山西太行大峡谷断层的考察分析,在讨论太行山大峡谷地质时期气候变迁的一些现象基础上,结合同一盆地边缘另一侧的长子木化石群的发现,提出了燕山运动前期气候变化暖湿期佐证的初步意见。

   关键词:大峡谷  木化石  地质期气候变化 

 引言

    山西壶关县东南的太行山大峡谷,有浓荫蔽日的林海,有刀削斧劈的峭壁,有千奇百态的山石,有如练似银的瀑布,有碧波荡漾的深潭,又有引人神往的溶洞。险峰、奇石、深潭、银瀑,虚实明暗,参差不齐,错落有致,相映成趣。谷中的天桥是迄今为止我国北方最大的天然石拱桥,而八泉峡以断岩流水、飞瀑苍松而被称为“世界级极品旅游资源”。  

    在距壶关太行大峡谷以西140公里左右的长子仙翁山,有总面积达21平方公里的木化石。据地质学家鉴定,长治木化石群形成于2.5亿年前的晚二叠纪,属新生代第三纪范畴,为国家第一类古迹,举世无双。

    两种地质奇观出现在上党盆地的东西两侧,其中必定有某种关联,本文试从地质演化角度浅探地质时期气候变化的一些现象。

    1 太行山大峡谷

    1.1 基本特征

    壶关太行山大峡谷国家地质公园位于山西境内的太行山南段,地貌位置位于中国大陆中部山地与平原交接地带的山地一侧,西倚雄伟的山西高原,东临广袤的华北平原。峡谷里众多的岩壁是典型的地质断层,地层属华北地层区山西地层分区,平顺“峰峰地层小区”。 出露地层由新太古代,中元古代,古生代寒武纪、奥陶纪、石炭纪、二迭纪和新生代第四纪,桥上乡大河村的大河组地层出露比较完整,厚度大,成为太行山大峡谷地层的典型代表。

    由于长时间的地壳演变和燕山运动时期碱性或偏碱性岩体侵入,公园内沉积了丰富的矿藏资源,也形成了山势雄险、河谷幽深、千姿百态、造型独特的地质地貌景观。同时,峡谷气候独特,气候资源丰富,广大的崇山峻岭间,人迹罕至,常年雾霭缭绕,绝壁之上,常年流瀑下泻。

    1.2 基本思路

    通过对太行山大峡谷断层的考察,我们可以了解地球的形成、地壳运动,以及太行山大峡谷在古代地质时期所处的位置和发生的变化,还能了解古代地质时期的气候变迁。按照这个思路,2005年10月,笔者对大峡谷古代气候遗迹进行了为期一个月的调查,竭力寻找从太古代、元古代、古生代寒武纪、奥陶纪,直到新生代第四纪各个地质时期的遗迹。经过初步研究发现,断层里蕴含着丰富的地质时期气候信息,地质时期的“冷-热-冷-热-冷”气候变迁在这里得到印证。

    1.3 实地考察

    2005年10月初的大峡谷,峭壁夹缝中吐出的灌木,一绺绺挂在上面。我们首先来到峡谷的底部青龙峡,顺着当地地矿局工程师给我们的草图,没费多少劲就找到了那片新太古代赞皇群变质岩,尽管分布区域有限,但我们还是非常兴奋,毕竟这是我们能看到的最古老的岩石了。随后,我们一路插到谷底的桥上乡大河村一带,在这里从中元古代到古生代石炭纪的岩层出露非常典型,地质学家称为“大河组地层”,比较完整的出露和比较大的厚度,成为太行山大峡谷地层的典型代表。主要分布有:中元古代的紫红色石英状砂岩、粉砂岩,夹少量泥岩,岩石中铁质含量高;古生代寒武纪的碎屑岩—碳酸盐混合沉积,岩性以紫红色页岩、泥灰岩、颗粒灰岩为主;古生代奥陶纪的典型的陆表海碳酸盐沉积,代表性岩石有:砾屑灰岩、砂屑灰岩、鲕粒灰岩、叠层石灰岩等;古生代石炭纪的海陆交互相的含煤沉积岩,主要岩性有泥岩、页岩、砂岩、铁质粘土岩等,这里分布有大量的铁矿、铝土矿、煤矿。

    2010年6月,我们又一次来到大峡谷寻找中生代时期的地质遗迹。位于峡谷北部的石河沐乡一带分布着的中性闪长岩(花岗岩)类岩体。从侵入形成时间先后大致分早晚两期,早期形成偏基性橄榄角闪长岩、辉长辉绿岩、角闪辉长岩、角闪闪长石等,分布在沙陀村附近;晚期形成闪长岩,与石灰岩接触形成接触交代型磁铁矿,分布在梁家沟附近。

    1.4 形成过程

    太行山大峡谷中的地层主要是古生代寒武纪和奥陶纪时期形成的石灰岩,下面是寒武纪,上面是奥陶纪,这是构成大峡谷地层的基础。在奥陶纪以前,地台非常稳定,整个山西淹没在一片海洋之中,中奥陶纪时期的加里东地壳运动,这里抬升为陆地。随后经过几个时期如志留纪、泥盆纪、石炭纪的大规模造山运动,在奥陶纪侵蚀面上形成了铁矿、金矿、铝土矿等矿藏。中生代时期的燕山运动,整个山西向上升起,形成高原(相对于平原而言)。新生代第三纪时期的喜玛拉雅山运动,高原升的更快,上升过程中抬升了垂直运动,使得太行山急速上升,形成山脉。

    在八泉峡、红豆峡等景区的地层中有两组节理,即石头中间有两条缝,一个南北向,一个东西向,流水渗进去以后,沿着这两条缝向下切割。燕山运动时期,由于石灰岩很容易溶解,太行山在抬升过程中,随着流水的入侵,岩石不断溶解,便形成峡谷,因此峡谷是深切的,很窄也很深。峡谷也是沿两个方向延伸,与地质构造方向一致或近乎一致(南北向)的纵谷,有八泉峡、红豆峡、五指峡等,与地质构造方向正交或近乎正交(东西向)的横谷主要是龙泉峡和王莽峡。

    1.5  地质时期的气候特征

    按照地球气候变迁史的划分,一般分为地质时期(距今22亿年—1万年)的气候变迁、历史时期(距今1万年以来)的气候起伏和近代(最近一、二百年)的气候变动三个阶段。对于后两个阶段的气候变化,有史书记载,有气象记录,研究结论比较详细;而对地质时期气候变化主要是靠对地质沉积物和古生物化石等遗迹去研究,研究结果较简单,漫长的地质时期气候变化可分为三个冷期和两个暖期,在冷暖交替的过程中兼有干湿的变化。

    地质时期地球气候史与太行山大峡谷地质岩层对照表

地质年代

距今年龄(百万年)

地壳运动

气候状况

太行山大峡谷地质概况

        

第四纪

2或3

喜马拉雅山运动

湿

 

新第三纪

25

 

老第三纪

65

 

      

白垩纪

136

燕山运动

中性闪长岩(花岗岩)类岩体

侏罗纪

192.5

三迭纪

225

        

二迭纪

280

海西运动

湿

 

石炭纪

345

含煤沉积岩

泥盆纪

395

加里东运动

 

志留纪

435

 

奥陶纪

500

陆表海碳酸盐沉积岩

寒武纪

570

碎屑岩——碳酸盐混合沉积

        

震旦纪

1000

吕梁运动    

 

 

 五台运动   

 

 

劳伦运动

紫红色石英砂岩、粉砂岩

 

 

 

 

      

 

2000

 

4500

赞皇群变质岩(少量)

    我们把地质时期地球气候史与太行山大峡谷地质岩层进行一个对比,可以看出:

    对太古代和元古代的气候状况,由于年代久远,证据缺乏,研究不太详细,只能说明当时地球上已经有大气圈和水圈,真正的冷暖和干湿变化是从距今6亿年前的元古代震旦纪开始的,此时是冷期,即第一个冷期。震旦纪之后是距今5亿年前的古生代寒武纪,此时气候转暖,太行山大峡谷地层中寒武纪和奥陶纪地层分布极广,说明当时地壳运动非常剧烈,峡谷由海洋上升为陆地,寒武纪的碎屑岩——碳酸盐混合沉积和奥陶纪的陆表海碳酸盐沉积岩就是在潮坪、潮下浅滩的沉积环境下形成的,地层中含盐层,说明当时气候干燥,地层中带红色或紫色,说明当时气候炎热,氧化作用强,这是第一个暖期;志留纪和泥盆纪的地层遗迹较少,说明当时地壳运动相对平静,温暖的气候状况一直延伸,干燥现象却有所缓解;到石炭纪时已是典型的温暖湿润气候,湿润环境有利于煤的形成,峡谷以西的百尺乡、黄山乡一带有丰富的煤炭资源;随后进入二迭纪,气候转冷,这第二个冷期相对短暂,之后又变暖,湿润则被干燥取代,此时已是中生代。中生代时,峡谷的地质岩层已基本成型,后来又经过两次地壳运动,即中生代的燕山运动和新生代的喜玛拉雅山运动造就了今天的山脉和峡谷。到新生代后期的第四纪,大峡谷的地形地貌已具有现在的特征,大气中的含氧量也达到现在的水平。中生代和新生代期间,一直是比较温暖的气候,干湿则交替出现,第四纪后期气温下降,转入第三个冷期。大概在距今1万年前,地质时期结束,进入历史时期。

    2   长子木化石群

    2.1 长子木化石群的发现

    1977年,在距壶关太行大峡谷以西140公里左右的长子仙翁山,发现了总面积达21平方公里的木化石,目前可直接观赏的共有100余株。其中树身最长的为14米,最短的直径为1.24米,呈褐色,有松、柏等多个树种,甚至有亚热带才有的树种。据地质学家鉴定,长治木化石群形成于2.5亿年前的晚二叠纪,属新生代第三纪范畴,为国家第一类古迹,举世无双。

    木化石又名树化石、化石木,在地质学上称为硅化木,在2.5亿年前剧烈的地壳运动中,被泥土、沙石和火山灰覆盖的原始森林,由于二氧化硅水溶液的长期作用,逐渐形成为具有原始树木结构的硅质岩石。它所遭遇的氧化物的不同,又使它呈现出红、黄、黑、紫等不同的颜色。而红褐色的年代则最为久远,它的形成要比普通木化石早1亿年左右。长子木化石群规模之浩大,分布之均匀,保存之完整,品种之珍贵,都令人叹为观之。因此,长子木化石群的发现,填补了世界木化石种类的空白,它的发现,无论是对考古、科研,还是旅游、观赏,都具有不可估量的价值。

    2.2 硅化木石佐证燕山运动前期气候

   <<山海经.北山经>>说:“发鸠之山,其上多柘木。有鸟焉,其状如乌,文首,白喙,赤足,名曰精卫,其名自詨。是炎帝之少女,名曰女娃。女娃游于东海,溺而不返,故为精卫。常衔西山之木石,以堙于东海。”又据<<述异记>>卷上云:“昔炎帝女溺死东海中,化为精卫,偶海燕而生子,生雌状如精卫,生雄状如海燕。今东海精卫誓水处,曾溺此川,誓不饮其水。一名誓鸟,一名冤禽,又名志鸟,俗称帝女雀。”晋代诗人陶渊明曾在<<读山海经>>中写道:“精卫衔微木,将以填沧海。刑天舞干戚,猛志固常在。”“精卫填海”的传说就发生在太行之巅发鸠山,而仙翁山是发鸠山的支脉。

    神话传说不足为凭。但是,一座山的神话传说与地质奇观同时存在,两者之间有没有关联?气候发生了怎样变迁?气候变化对环境变化起了什么作用?那只神鸟栖息过的植物园为何消失?残留在木化石里的古代气候信息有多少?

    两亿五千万年前,正是燕山运动前期,我们无从详细知道漫长的造山运动如何让太行山变成了今天的大样,但这些木化石至少佐证了燕山运动前期即二三叠纪交叉期太行山地区的气候有过短暂的暖湿期,期间种类繁多的植物郁郁葱葱。

    3 太行山大峡谷与长子木化石群形成时期基本一致  

    在地质学中有一个名词叫“中朝准地台”,即中国加上南北朝鲜是一个很稳定的地区,地台就象一个台子一样,它的基础是新太古代(25亿年以前)时期的变质岩系,上面是盖层,元古代、古生代等时期的岩层一层一层地盖上去。

    太行山大峡谷中的地层主要是古生代寒武纪和奥陶纪时期形成的石灰岩,下面是寒武纪,上面是奥陶纪,这是构成大峡谷地层的基础。在奥陶纪以前,地台非常稳定,整个山西淹没在一片海洋之中,中奥陶纪时期的加里东地壳运动,这里抬升为陆地。随后经过几个时期如志留纪、泥盆纪、石炭纪的大规模造山运动,在奥陶纪侵蚀面上形成了铁矿、金矿、铝土矿等矿藏。中生代时期的燕山运动,整个山西向上升起,形成高原(相对于平原而言)。新生代第三纪时期的喜玛拉雅山运动,高原升的更快,上升过程中抬升了垂直运动,使得太行山急速上升,形成山脉。

    而燕山运动前期即二三叠纪交叉期太行山地区的气候暖湿期和植物繁茂为形成木化石奠定了气候条件和物质条件。

参考文献:

[1] 罗汉民等. 《气候学》.  气象出版社 , 1986年

    

 

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