青铜马弓手，量一弓手，安敢乱言 阅读原文 艾尔斯巨石，声名显赫，常作为澳洲的地理名片。 因其极具视觉冲击力的外观，荣登许多地貌学专著的封面，妥妥的封面明星。 其成因如何？ 本文尝试从地质学角度回答这个问题。 探索艾尔斯巨石的形成过程，需要从 3 个方面入手： 1. 物质基础：地层沉积阶段，形成抗风化能力不同的岩层； 2. 内动力机制：褶皱构造和地壳抬升； 3. 外动力机制：差异风化，抗风化能力强的岩石得以保留。 图为国外地球科学教材给出的成因模式简图（Earth Portrait of a Planet 2015 和 Natural Wonders of the World-2017） 内容较长，结论先行： 简言之， 艾尔斯的岩性是长石砂岩，是近距离剥蚀搬运、快速沉积的沉积岩。 艾尔斯所处的 Amadeus 盆地形成于 9 亿年前，在距今约 9-3 亿年内断断续续沉积了巨厚的、抗风化能力不同的、产状水平的地层。 与艾尔斯岩石相关的沉积事件，缘起自 5 亿年前Petermann 造山事件，造山带剥蚀的物质被河流带入盆地，近源沉积形成抗风化能力强的长石砂岩，即构成艾尔斯的岩石。 距今约 3 亿年前，Alice Springs 构造运动使原本水平的地层褶皱变形，艾尔斯及其上下相邻的岩层由水平状态弯折为近直立，并且抬升至地表。 经历亿万年的差异风化作用，能干性弱的岩石被剥蚀殆尽，抗风化能力强的艾尔斯被保留了下来。 正文开始： 1. 引子：乌鲁鲁简介 艾尔斯岩（Ayers Rock），又名乌鲁鲁（Uluru）（坐标：25°20′42″S，131°2′10″E），位于乌鲁鲁 - 卡塔丘塔国家公园内。 艾尔斯岩，号称世界七大奇景之一, 被联合国科教文组织确定为世界自然和文化保护遗产, 美国《国家地理杂志》甚至将其列入地球上“51 个一生中必须看一次”的著名旅游地。 艾尔斯这个名字起于 1873 年，是一个名叫 William C. Gosse 的地质勘探员给起的，以当时南澳州省长亨利·艾尔斯( Henry Ayers) 的名字命名。 艾尔斯岩是殖民者的称呼，澳洲的原住民称之为乌鲁鲁（相聚相会的地方），因此我们下文称之为乌鲁鲁。 乌鲁鲁高约 348 米，超过了美国自由女神像、巴黎埃菲尔铁塔和埃及胡夫金字塔的高度。 长 3600 余米，基围周长约 9.4 千米，常被认为是世界最大的整块单体岩石，但其实位于西澳的奥古斯特斯山（Mount Augustus）的体积是它的 2.5 倍，因此乌鲁鲁应坐第二把交椅。 What’s Where on Earth- Atlas_-The World as You’ve Never Seen It Before!-DK Publishing (2017) 不过乌鲁鲁的名气更大，几乎成为澳大利亚的自然地理标志。 如下图介绍的是澳大利亚地理，乌鲁鲁被单独拎出来介绍。 What’s Where on Earth- Atlas_-The World as You’ve Never Seen It Before!-DK Publishing (2017) 乌鲁鲁通常会被称为巨石，这种叫法有些含糊不清。 按照地质学的术语，乌鲁鲁是一座孤山，或称为残山，是原始山脉经历缓慢侵蚀后残留的孤迹。 乌鲁鲁的显著特点是其均匀性，岩层缺少节理和断裂，因而表面很少能见到碎石坡和浮土层。 其较强的抗风化能力，决定其能够像孤岛以上独立于大漠，而周围的岩石被岁月侵蚀。 地质学家通常将构成乌鲁鲁的岩层称为Mutitjulu 长石石英砂岩，是一种富含矿物长石的粗粒砂岩，它是填充Amadeus 盆地的众多沉积地层之一。 乌鲁鲁地形图（图源@ Rowl Twidale） 俯瞰乌鲁鲁 图源@NASA 2. Amadeus 盆地——孕育乌鲁鲁的胚胎 乌鲁鲁位于 Amadeus 盆地西南角。 Amadeus 盆地，南北皆为山脉，构成两山夹一盆的格局。 类似中国的塔里木盆地，北有天山，南有阿尔金 - 喀喇昆仑山。 Amadeus 盆地，北为 Alice Springs 山，南为 Petermann 山。 中国构造运动频繁且复杂， 天山、阿尔金山、喀喇昆仑山在几亿年前已经成山，被后来风化作用剥蚀殆尽， 但是近几千万年的构造运动又将它们抬升到现在的高度。 澳大利亚的地质情况截然不同， 澳大利亚是一块古老的克拉通，相当稳定，地质活动弱。 Petermann Orogen 形成于距今大约五亿年前，为乌鲁鲁岩石的形成提供了物质来源； Alice Springs Orogen 形成于距今大约三亿年前，为乌鲁鲁岩层的变形、抬升提供了动力来源。 Petermann Orogen 相关年代学研究工作，1Ma=1 百万年 在随后的亿万年里，没有太多剧烈的构造活动，风化作用占据了主导。 Petermann Orogen 和 Alice Springs Orogen 本为高山，昔日万仞高冈，今已满是风霜之色，低矮的山包如大漠中的荒冢，早已雄风不在。 风化侵蚀对山脉的影响，Understanding Earth, 7th edition-W. H. Freeman (2014) 但是关于它们的往事，留在了 Amadeus 盆地巨厚的沉积岩中，为地质学家所解读、破译，传扬后世。 3. 山 - 盆的源 - 汇过程 据研究，早在 9 亿年前，Amadeus 盆地便形成， 这是个多旋回沉积 - 构造叠合盆地。 一层层沉积物逐渐汇聚、累积于此，断断续续一直到 3 亿年起才结束沉积历史。 此间或连续沉积，或有几百万年抬升地表，沉积间断。 Earth Portrait of a Planet 2015-W. W. Norton 有时，Amadeus 盆地是收集沉积物的浅海； 有时，沉积物抬升，浮出水面，残留的海水蒸发留下析出的盐，后来成为盐岩； 在寒冷的时期，留下了冰川相关的沉积物； 在温暖的时期，留下层层盐岩、膏岩等蒸发岩和红色的泥岩； 有时，盆地离山较远，地质作用温和平静，河流经过长距离的搬运，将较细的沉积物汇聚到盆地内，形成颗粒极细的泥岩、页岩或粉砂岩； Earth Portrait of a Planet 2015-W. W. Norton 有时，构造作用较强，盆地靠近造山带， 构造 - 气候作用将山上的碎屑剥露，由河流、洪水搬运到盆地内， 此时，由于搬运距离较短，剥蚀作用强烈，碎屑物只能离物源区较近堆积。 因此形成了分选、磨圆较差的岩石， 构造乌鲁鲁的岩石便是这种成因。 4. Petermann 造山运动——物质来源 约五亿年前，发生了被称为 Petermann 造山运动的构造事件。 乌鲁鲁南部 Petermann 山的花岗岩被剥露出地表，成为了构成乌鲁鲁岩石的物源来源。 因此，组成乌鲁鲁的岩石从这时开始沉积。 组成乌鲁鲁的岩石被称为Mutitjulu 长石石英砂岩，其特点是颗粒磨圆、分选较差，且含较多长石，这是近源、快速堆积的标志。 Earth Portrait of a Planet 2015-W. W. Norton 大约 5 亿年前，一片浅海再次覆盖了该地区。 构成乌鲁鲁的 Mutitjulu 长石石英砂岩逐渐被沙子和泥土以及海洋生物的遗骸所覆盖。 这些沉积物形成的岩石，抗风化程度较弱， 数亿年来他们越积越厚，将下面的 Mutitjulu 长石石英砂质沉积物压实成为坚硬的岩石。 它们一直守护着构成乌鲁鲁的 Mutitjulu 长石石英砂岩，直到自己的生命尽头， 而乌鲁鲁之所以能出露，还要归功于第二次造山作用。 5. Alice Springs 造山运动——动力来源 大约3 亿年前的Alice Springs 造山运动使 Alice Springs 山隆升， 也使乌鲁鲁南部的 Petermann 山焕发第二春——活化、抬升，古老的造山带被激活。 位于两山之间的 Amadeus 盆地被压缩、褶皱、断裂、抬升，使该地区升至海平面以上。 乌鲁鲁 Mutitjulu 长石石英砂岩原本是近乎水平的地层， 而现今露出地表的乌鲁鲁岩石，它的层理近乎直立。 乌鲁鲁巨石近直立的层理 - 底图来自 Natural Wonders of the World-DK Publishing (2017) 将水平的地层弯折成直立，这样的构造叫褶皱， Alice Springs 造山运动正是这双上帝之手。 水平地层受到水平挤压力的作用，形成褶皱 造山运动通过水平挤压盆地内的地层，水平的地层抵抗不住强大的力， 只能发生缩短和弯折，便形成了如图所示的向斜褶皱， 这图，这种褶皱样式被成为斜歪向斜褶皱。 但是，事情如果仅仅发展至此，乌鲁鲁只不过是夹在众多沉积岩层中的厚层砂岩而已， 无法出露头角，无法引人注目。 完成最后塑形的是外动力地质作用。 6.差异风化作用——鬼斧神工、完成塑形 乌鲁鲁 Mutitjulu 长石石英砂岩上下都有沉积岩， 但正如前文所述，上下的沉积岩抗风化作用较弱。 自然界的风化作用一向是欺软怕硬， 风化作用往往会先将软弱的岩石侵蚀掉， 留下抗风化能力较强的坚硬岩石。 这一过程叫作差异风化作用，在自然界极为常见。 An Introduction to the Geography, Geology, and Natural History-Elsevier (2013) 先捡着软柿子捏，所以乌鲁鲁上下的地层的侵蚀速度远大于 Mutitjulu 长石石英砂岩。 因此，向斜褶皱两端坚硬的、抗风化的 Mutitjulu 长石石英砂岩逐渐显露。 风化剥蚀过程是缓慢、持续的，受到气候变化的影响，风化作用的强弱也不同。 大约 6500 万年前，两块岩石之间形成了一个宽阔的山谷，部分充满了河沙和沼泽沉积物，包括薄薄的煤层。当时气候潮湿。 直到在过去的 50 万年里，气候变得更加干燥，一层薄薄的风沙覆盖了沉积物。 这也与澳大利亚持续向北、向赤道的漂移有关。 乌鲁鲁周围的岩石剥蚀殆尽，逐渐为现今我们看到的样子，这种侵蚀现在仍然以较慢的速度继续。 其实，乌鲁鲁并不孤独，因为他还有个同伴——卡塔丘塔。 7. 乌鲁鲁和卡塔丘塔——兄弟 or 邻居？ 关于乌鲁鲁成因最大的争议可能在于，其与卡塔丘塔（Kata Tjuta）是否“本是同根生”。 我们上述解释过程是将二者作为向斜褶皱的两翼。 底图来自 -https://parks.dpaw.wa.gov.au/park/mount-augustus 乌鲁鲁和卡塔丘塔是延伸到地下深处的巨大岩石板的可见尖端。 但这种解释是由争议的，因为有学者认为二者并非同根。 因此，就有“同根生”和“非同根生”两种解释。 乌鲁鲁和卡塔丘塔的不同主要体现在两方面： （1）岩性不同： 乌鲁鲁由长石石英砂岩组成，是一种富含矿物长石的粗粒砂岩。 卡塔丘塔岩石是砾岩，由鹅卵石，鹅卵石和巨石组成，由沙子和泥土粘合而成。砾岩也是一种沉积岩。 岩性的不同，“同根生”的支持者可以将之解释为乌鲁鲁和卡塔丘塔是同一沉积过程，但分属于不同的沉积相所致。例如，冲积扇的不同部位，岩性相差较大。 冲积扇的不同部位，岩性相差较大 -Earth Portrait of a Planet 2015-W. W. Norton 目前对于二者年代学的研究，起码可以证明二者沉积的时间接近，或许一致。 “非同根生”的支持者的解释就简单了，二者可能并非同一套的沉积岩。 卡塔丘塔（图源@ Rowl Twidale） （2）产状不同 乌鲁鲁砂岩的层理产状近直立。 卡塔丘塔砾岩仅从水平方向倾斜约 15-20°。 “同根生”的支持者认为二者分别归属于斜歪向斜褶皱的两翼。 “非同根生”的支持者认为构造过程更为复杂，他们承认褶皱的存在，此外还强调了断层的作用。 他们认为：乌鲁鲁和卡塔丘塔并非同一套沉积岩，卡塔丘塔是距离造山带更近的沉积物，是冲积扇沉积，乌鲁鲁相对距离略远，是一套河流相沉积物。 乌鲁鲁经历了褶皱和断层作用抬升剥露地表，而卡塔丘塔经历的构造作用稍弱，以单斜为主，因此产状较缓。后期都经历了差异剥蚀。 https://www.awe.gov.au/parks-heritage 造成两种成因分析的主要原因是缺少精细的深部资料，由于地表可见的地质露头太少，对于二者深部联系的研究程度受限，不过，随着地球物理探测的增加，对于“非同根生”解释似乎逐渐成为主流观点。 但是无论是哪种成因，都不影响我们对乌鲁鲁成因的理解。 8. 乌鲁鲁的表面为何有许多凹坑？ 远看乌鲁鲁，非常震撼，犹如天外来客。 近看乌鲁鲁，额……，你怎么满脸凹坑？ 图片来源：嵇少丞，2017 其实这些凹坑，在地质学中被称为“壶穴”， 因其内部形状像壶一样，口小腹大，因此得名。 其实我们经常能在一些基岩出露的河床，甚至在山顶，见到壶穴。 壶穴是如何形成的？ 壶穴（Pothole）：通常指流水携带岩粒或砾石对基岩表面研磨钻掘而形成的凹坑。 河道壶穴壶穴形成过程示意图 流水既可以是河道的水, 也可以是山坡上的雨水与洪水, 由前者形成河道壶穴， 后者形成的称之为山坡壶穴或暴雨流壶穴， 乌鲁鲁巨石表面的凹坑，就是后者，是无数次暴雨流反复冲刷的综合结果。 乌鲁鲁山体裸露，没有植被和土壤。 每当夏季，它只能正面硬抗暴雨的侵袭。 雨水顺坡迅速汇聚，形成激流，冲携山坡上的砂砾与小石块, 对石坡上原先小幅度的洼凹之地，主要是节理与层理交界处或砾石经风化蚀变形成的薄弱部位的岩石，进行反复的磨蚀，形成一系列形态各异、大小与深浅不同的冲刷坑或壶穴。 例如下图中呈串珠状展布的壶穴。 雨水顺坡流下, 进一步冲刷与磨蚀着已有的山坡壶穴。图片来源：嵇少丞，2017 后面的暴雨将山坡上新的砂砾与岩块冲进壶穴， 质量大的砾石沉在底部，对凹坑底部进行进一步研磨，不断加大凹坑的深度,； 质量较小的砂粒，容易随壶穴中的涡流对壶穴壁进行磨蚀，逐渐加大凹坑的直径。 雨停之后，积水还会对壶穴产生溶蚀作用，逐渐破坏、弱化壶穴底部和壁部的岩石，使之更容易被风化侵蚀。 上述地质过程，年复一年地反复进行，逐渐形成乌鲁鲁的壶穴。 近看乌鲁鲁中，其底部有很多被称为“袋鼠尾”的微地貌： 图源@C.R. Twidale 这些，是流水和风蚀，共同作用的产物。 附一张近景（这是一位在 Alice Springs 生活过的知乎朋友私发给我的图片，感谢分享 @Diwen ） 图源@Diwen 9. 乌鲁鲁为何爱变色？ 乌鲁鲁还有一个特点，就是经常变脸。 据说，这块巨石，在一天内可以呈现出三、四种不同的颜色。 这是因为当地气温炎热( 夏季的平均温度为 37. 8℃ ，最高温度甚至达到过 46℃ ) ， 岩石中的铁几乎全部转变成三价的氧化铁， 山体的颜色随着太阳照射角度和天气的改变而变化。 当太阳从荒漠的边际冉冉升起时， 山体呈浅红色; 到中午， 则呈橙色; 当夕阳西下时， 山体则姹紫嫣红，在蔚蓝色的天空下犹如熊熊的火焰在燃烧; 乌鲁鲁夕照 图源@Diwen 至夜幕缓缓降临时， 它又呈神秘的黄褐色。 “我就是我，是颜色不一样的烟火”。 总结： 乌鲁鲁的岩性是长石砂岩，是近距离剥蚀搬运、快速沉积的沉积岩。 乌鲁鲁其所在的Amadeus 盆地形成于 9 亿年前，在 9-3 亿年内断断续续沉积了巨厚的抗风化能力不同的产状水平的地层。 与乌鲁鲁岩石相关的沉积事件，缘起自 5 亿年前Petermann 造山事件，造山带剥蚀的物质被河流带入盆地，近缘沉积形成抗风化能力强的长石砂岩，即构成乌鲁鲁的岩石。 距今约 3 亿年前，Alice Springs 构造运动使原本水平的地层褶皱变形，乌鲁鲁及其上下相邻的岩层由水平状态弯折为近直立，并且抬升至地表。 经历亿万年的差异风化作用，能干性弱的岩石被剥蚀殆尽，抗风化能力强的乌鲁鲁被保留了下来。 流水和风蚀，使其表面遍布壶穴，给乌鲁鲁完成雕刻与塑性，呈现出现今的面貌。 封面明星乌鲁鲁 整理总结不易，希望读到这里的朋友们多支持，多互动 参考文献： 【1】http://www.crystalinks.com/ayersrock.html 【2】https://www.awe.gov.au/parks-heritage/national-parks/uluru-kata-tjuta-national-park/natural-environment/geology#caves-patterns-and-sand-dunes 【3】https://parks.dpaw.wa.gov.au/park/mount-augustus 【4】https://mp.weixin.qq.com/s/th9w22rZ4h4kubz_cUQPow 【5】Hand, M., & Sandiford, M. (1999). Intraplate deformation in central Australia, the link between subsidence and fault reactivation. Tectonophysics, 305(1-3), 121–140. doi:10.1016/s0040-1951(99)00009-8. 【6】Walsh, A. K., Raimondo, T., Kelsey, D. E., Hand, M., Pfitzner, H. L., & Clark, C. (2013). Duration of high-pressure metamorphism and cooling during the intraplate Petermann Orogeny. Gondwana Research, 24(3-4), 969–983. doi:10.1016/j.gr.2012.09.006. 【7】Aitken, A. R. A., Betts, P. G., & Ailleres, L. (2009). The architecture, kinematics, and lithospheric processes of a compressional intraplate orogen occurring under Gondwana assembly: The Petermann orogeny, central Australia. Lithosphere, 1(6), 343–357. doi:10.1130/l39.1. 【8】Raimondo, T., Collins, A. S., Hand, M., Walker-Hallam, A., Smithies, R. H., Evins, P. M., & Howard, H. M. (2010). The anatomy of a deep intracontinental orogen. Tectonics, 29(4), n/a–n/a. doi:10.1029/2009tc002504. 【9】Sandiford, M.; Hand, M.; McLaren, S. (2001). Tectonic feedback, intraplate orogeny and the geochemical structure of the crust: a central Australian perspective. Geological Society, London, Special Publications, 184(1), 195–218. doi:10.1144/GSL.SP.2001.184.01.10. 【10】Heron, Philip J.; Pysklywec, Russell N. (2016). Inherited structure and coupled crust-mantle lithosphere evolution: Numerical models of Central Australia. Geophysical Research Letters, 43(10), 4962–4970. doi:10.1002/2016gl068562. 【11】C.R. Twidale（2010）Uluru (Ayers Rock) and Kata Tjuta (The Olgas): Inselbergs of Central Australia. from P. Migoń (ed.), Geomorphological Landscapes of the World,Springer Science+Business Media B.V. 2010 【12】W. W. Norton，2015，Earth Portrait of a Planet 【13】 An Introduction to the Geography, Geology, and Natural History-Elsevier (2013) 【14】Natural Wonders of the World-DK Publishing (2017). 【15】嵇少丞. "关于基岩山坡上的暴雨流冲刷坑被误认为驮兽蹄窝的讨论." 大地构造与成矿学 41.6(2017):14. 【16】嵇少丞. "暴雨流冲刷:山坡壶穴的成因." 矿物岩石地球化学通报 36.3(2017):4. 阅读原文
