南京地质那些事

江苏科技馆  李云海

我们南京地质上有许多科学故事，今天我们就聊聊南京地质上的那些事儿。首先我们先说说南京的地貌。如果问你南京有高山吗，大家一定摇摇头。没错，我们南京周围没有海拔超过500米的山峰。南京东郊的紫金山海拔400多米，已经是南京地区最高的山了。我们南京属于宁镇扬（也就是南京镇江扬州）丘陵地区，丘陵地貌特征就是山体不高也不大，山势比较缓，没有明显的悬崖陡坡。如果我们坐车出了南京城，我们会看到周边有大量平整的农田，中间夹杂着水塘、湖泊和一些小河流，其中还有一些低矮的岗地，有的岗地上面坐落着一些房屋和村舍。所以南京地貌以丘陵、平原和岗地为主，大约占南京地貌面积的百分之九十以上。

说起南京的河流，大家心里一定会闪现出浩浩荡荡奔流东去的长江，在南京附近江面宽阔，宛如一条巨龙将南京分成江南江北。大家知道吗，长江在南京地区的位置其实一直都在变化，一段时间河床向北面移动，过了一段时间又向南边移动。不过这时间是相当漫长的。同时长江江面的宽度也是不断变化。在古地质时期，那时候长江流域比现在更为温暖湿润。长江汇集的水量比现在要大，南京附近江面与河床都要比现在宽得多。现在长江在上海附近入海，而在远古时代，大概在镇江扬州附近，长江便逐渐拥向大海的怀抱。

我们南京在古地质时代曾经有过火山喷发，火山喷发的遗迹在南京还是比较容易找到。如果我们要仔细寻找的话，我们江宁区就有一座体量还比较大的古火山。这座古老的火山已经融入到我们南京城市当中，成为了一座名副其实的“城市里的火山”。它就是南京江宁区方山，它位于南京市江宁区科学园内。

方山（图片来自网络）

我们登紫金山时，站在紫金山头陀岭朝南边眺望，就能隐约看到远处地平线上有一座山的轮廓。这座山很有意思，它的海拔不高，大约只有208米，但是它的顶部非常平整，好像山头被人用神奇的斧子横着削去一块，这就是方山。方山是一座平顶山，远远望去很像古代官老爷用的一方大官印，以前人们称它叫印山。方山虽不高，但由于位于平原之上，看起来依然比较有气势。

地质学家将火山分为死火山、活火山和休眠火山。它们如何区分呢？有些火山在人类有史以前就喷发过，但现在已不再活动，这样的火山称之为“死火山”，如果是历史上曾经喷发过，但长期以来处于相对静止状态的火山。此类火山都保存有完好火山锥的形态，仍具有火山活动能力，或者在目前技术条件下不能断定其已丧失火山活动能力,人们称之为“休眠火山”；而从人类有史以来，曾经有喷发而且还有可能继续喷发的火山，称为“活火山”，比如长白山从6世纪以来就喷发过3次，它就是活火山。

方山火山在喷发两次之后就一直没有再喷发过，所以方山就属于死火山；它山体基部的坡度较缓，上部坡度则较陡峭，四周受雨水冲刷而沟壑纵横。大约在距今300万至1000万年之间的地质时期，也就是上新世时期，方山曾经发生过两次火山喷发，岩浆冷却凝固形成山体。方山的山上有两层玄武岩覆盖，最下面一层玄武岩覆盖在第三纪中砂砾层上，这一层的玄武岩厚度约54米，足足有十多层楼那么高，这是第一次喷发的玄武岩堆积形成的。在这一层玄武岩上又被第二次喷发时堆积起来的火山岩覆盖。

我们脑海中的火山，一般都有一个高高的火山锥体，锥体顶部是火山口，火山口是那种典型的锅底形状，比如日本富士山。但是去过方山的朋友可能会发出疑惑，我为什么怎么找不到火山口呢？一般来说火山喷发有猛烈喷发和溢流两种。当岩浆在从地壳薄弱的地方上升到地表的过程中，溶解在岩浆中气体逐渐溶出，形成气泡，当气泡占有的岩浆体积比例超过75%时，如果禁锢在液态岩浆中的气泡被迅速地释放出来，会导致爆炸性喷发，表现为火山猛烈喷发，一般称为中心喷发。如果岩浆含有气体成分少，释放气体不剧烈，表现为岩浆宁静式溢流，就像煮沸的米汤从锅里漫溢流出一样。那么方山火山喷发是属于哪一种喷发呢？

火山岩浆溢流式喷发（图片来自网络）

火山中心式喷发（图片来自网络）

其实方山前后经历过两次喷发阶段，第一次方山古火山的喷发属于比较温和的溢流方式。让我们把时钟倒着拨回，回到当年火山喷发的现场：300~450万年前的一天，方山周围的地底隆隆作响，仿佛传来阵阵闷雷声，大有一场风暴即将来临的势头。接着地动山摇，方山位置下面炽热的岩浆，顺着裂隙慢慢涌上地表。涌动的岩浆和地下的气体产生出巨大的压力，让地壳岩石渐渐隆起，形成了一个火山锥。方山第一次喷发时，岩浆并没有爆炸喷涌而出，而是慢慢在火山口堆积，逐渐口部形成了一个炙热滚烫的熔岩湖。据科学家估计，当时的熔岩湖直径大约有300~400米。随着熔岩的不断上涌，熔岩湖东北角，也就是朝向现在大学城公园的方向破开了一个口子，火红的岩浆慢慢地从这个破口开始向外漫溢出来，朝着山下流淌了1公里左右，逐渐冷却成为黑色的熔岩岩。后来火山口的熔岩湖逐渐冷却，熔岩湖面冷却后凝结形成了一个火山口。可惜的是由于第一次喷发的火山口，被深埋在厚厚的火山岩下面，我们无法看到。

火山熔岩（图片来自网络）

火山熔岩在火山口形成岩浆湖（图片来自网络）

方山的第二次喷发相比第一次温和的方式，就显得剧烈得多。话说有那么一天，沉寂多年的方山山顶开始冒出白烟，这可不是祖坟冒青烟，而是说明火山又开始活跃起来。过了没多久，突然一阵惊雷般的巨响，岩浆夹杂着碎石伴随着气体爆裂喷出，碎屑、浓烟、热浪充满着方山的上空，天空一下变得昏暗起来。这次火山喷发产生巨大的爆炸，把山体东北侧炸出一个豁口，山顶14公顷左右的面积被炸上天空。爆炸的威力之大，喷出的碎屑甚至向东北方向飞出了5公里，落在了今天东焦水库，以及梅龙路以北的区域。如果我们在这个区域的草丛中仔细挖掘，能够发现当年喷出的碎屑遗迹。这次爆炸结束后，岩浆直接从豁口溢出，不停流淌了几年后，方山才完全沉寂下来。由于第二次喷发时顶部的山体被炸飞削去，山顶变得十分平整，我们也很难看到第二次喷发火山口的原貌了。

现在方山已经成为江宁汤山方山地质公园，这座公园是以汤山猿人洞、地质剖面、温泉、新近纪火山为主题的综合性地质公园，分汤山园区和方山园区，总面积38.4平方公里，主要地质遗迹面积18.4平方公里。说完了方山，下面我们说说靠在一起的汤山。

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汤山因东端山脚的温泉出露而得名，汤山温泉在南京温泉中最为著名。汤山山清水秀，风景优美，泉眼里泉水终年流淌，到了冬天泉水热气腾腾，宛如仙境。汤山温泉是全国四大温泉疗养区之一。一般说来多火山活动的地方，往往有地热温泉等地热资源存在。比如云南腾冲热海温泉群就和340万前上新世火山喷发有关联。汤山有丰富的地热资源，地热资源开发利用距今已有1500多年的历史。早在在1500多年前《水经注》里已有南京汤山温泉的记载。汤山温泉多分布于汤山东及东南一带，包括汤山东及东南坡的汤王庙一带，共有九个泉眼，其中以汤山泉、汤山浴室一带最为集中。泉水来自地下2公里的地方，水温常年保持摄氏50-60度，且冬夏温度相差不大。据化验，汤山温泉水中富含钙、镁等30多种微量元素，对关节炎、风湿症、高血压等多种顽疾疗效显著。

汤山温泉是怎么形成的呢？从古至今汤山一直流传着这样的神话，神话人物后羿射日后有一个太阳落在汤山后，太阳的热量加热泉水形成四季喷涌的温泉。当然神话归神话传说，那是古人美好的想象，现代科学地质考察说明，汤山温泉是在一亿多年前的晚侏纪末期，由于地质断层的作用，使雨水渗入地下深处，经地热加温，又沿地层裂隙上升而流出地表，这就是汤山温泉的成因。南京汤山地下水水量丰沛，所以温泉的日出水量达数千吨，汤山附近地层含有丰富的矿物质，因此地下水含有钙、镁、硫等30余种矿物质。

汤山溶洞（图片来自网络）

汤山除了温泉，还有溶洞，人们在一个叫葫芦洞的溶洞中，发现了古猿人的骨骼化石。溶洞也被称为喀斯特地貌，汤山地区是石灰地层，地下水含有的二氧化碳会溶解石灰石中的碳酸钙，生成溶于水的碳酸氢钙，将地层溶解腐蚀成一个个空洞。随着喜马拉雅造山运动，南京地区的地层开始隆起，地下水位逐渐下降，这些原先浸没在水中的洞穴便显露出来。在汤山的溶洞中我们会看到许多钟乳石。它们是如何形成的？原来在石灰岩中，含有二氧化碳的水，会渗入溶洞石灰岩的隙缝中，与碳酸钙发生反应生成碳酸氢钙。当溶解有碳酸氢钙的水从溶洞顶部慢慢滴下来时，由于温度升高，碳酸氢钙会分解生成碳酸钙、二氧化碳和水。碳酸钙不溶解于水，便在洞内沉积下来，随着日积月累含有碳酸氢钙的水不断滴下，分解成的碳酸钙会越积越多，如果在洞顶便形成由上而下生长，如果在洞底部就变成自下而上逐渐增长，慢慢形成外形酷似竹笋一样的石头，正就是溶洞中“钟乳石”的由来。

南京江北还有一处火山遗迹，那就是有名的桂子山石柱林。石柱林位于江苏省南京市六合区金牛湖街道东部的马头山东角。桂子山占地大约0.2平方公里，高52.6米，它的东侧为玄武岩，桂子山石柱林，其实是由大量的六边、五边形的石柱群体结合组成。这些石柱有长有短，但是排列整齐，紧紧地靠在一起，看上去就像石柱构成的森林。这些每根石柱的直径大概40-60厘米，高20-30米，石柱垂直于岩层层面，构成半壁石林，景色奇异，恢宏壮观。它的规整性、个体大小及总体规模在国内罕见，它是如何形成的呢？

桂子山石柱林（图片来自网络）

据科学家考证，大约在2千万到9百万年前，在地质年代上科学家将其归属新第三纪。当时由于火山喷发，大量的玄武岩浆溢出地表，随后温度下降，岩浆均匀冷却并且缓慢收缩裂开，最后分离形成一根根的柱体，这种整齐规整的熔岩石柱在地质学称柱状节理。

桂子山附近的瓜埠山是典型的“柱状节理”。瓜埠山是距今约一千二百万年前喷发的一座盾火山，这里的山是由多边形石柱组成，它是火山喷发、岩浆流动冷却而留下的。石柱自上而下，呈扇形排列，在山顶我们会发现覆盖着许多黑色岩石，这些岩石为当年火山通道中形成的火山渣。在山坡的东侧，这些石柱有垂直、有放射状等排列形式，这种十分壮观的地质景观，是古火山喷发岩浆流动的天然记录，也是青少年学习考察地质的天然课堂。

雨花石是南京的特产，美丽的雨花石中常可呈现各种山水、人物、鸟兽、树木等景象，非常漂亮。南京特产雨花石其实也和地质有关，是火山给南京的馈赠。南京雨花石的石质是玛瑙、蛋白石、玉髓、石英等的卵石，雨花石形成于距今250万年至150万年之间，是地球岩浆从地壳喷出之后四处流淌，岩浆热液凝固后形成玄武岩、流纹岩等火山岩，这些火山岩会有许多孔洞，如果岩浆中还含有较多的二氧化硅胶液，这种二氧化硅胶液会充填在玄武岩等火山岩的空隙中，因空隙的形状不同会形成形状不一的成玛瑙球。雨花石美丽的圈形或者平行的花纹就是二氧化硅胶液围绕在火山岩空隙或空腔，从里面向外经过多次沉淀后逐渐形成的。后来，又经过漫长的岁月，在自然力的作用，如流水沿孔洞渗透进岩石内部，将其中的二氧化硅慢慢分离，火山岩中的玛瑙便脱落而出，逐渐沉积成石英、玉髓和燧石或蛋白石的混合物。这些混合物被雨水或者山洪带入河流中，堆积在河床中的沉积物之中，在河水带动下相互摩擦，经过成千上万年使雨花石的石质变得细腻，并且将石头棱角磨圆，慢慢地变得晶莹可爱。最后河床暴露在地面上，人们将它们和砂砾、鹅卵石等分离出来，便成为雨花石。

雨花石的颜色五彩缤纷是和石头中所含的金属元素有关。其中雨花石鲜艳的红色是铁离子和亚铁离子的杰作，铜离子则让雨花石呈现蓝色，锰离子给雨花石抹上美丽的紫色。由于这些色素离子溶入二氧化硅热液中的种类和浓度含量千差万别，因而呈现出浓淡不同、深浅变化的绚丽色彩，使雨花石极其艳丽秀美。

雨花石最著名的产地就是南京六合横林镇，这里被誉为雨花石之乡，距离桂子山并不远。

雨花石（图片来自网络）

其实，南京地质方面的科学小故事还有许多许多，等着你们来聆听，等着你们来发现。限于时间关系我们今天就暂时聊到这，让我们在下一期的“科学的南京”再相会！

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