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石柱群形成之谜
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石柱群形成之谜
——漫话石柱群与瑞利—贝纳尔对流
王 振 东
在北爱尔兰安特里姆山脚下长达8公里海岸线上,矗立着四万多根造型相似的玄武岩石柱。它们高低参差、错落有致，从山脚延伸至海中，宛如一条通向大海深处的天然阶梯，人们将它称作为：巨人堤（Giant's Causeway），是北愛尔兰著名的旅游景地。
地质学家认为，这4万多根象似很规整地切割出来的六边形棱柱石体,造就自大约5000万年前不列颠群岛的火山运动，喷涌出的熔岩形成了巨大石柱，长年的冷却收缩和海浪冲击、腐蚀，将石柱雕凿成了现在的模样。
古代阿尔斯特人不肯相信如此规整的石柱出自于天然，于是产生了种种传说，流行的一种说法是，这里曾住着一位叫芬恩·麦克库尔的巨人，这片石柱是他建造的堤道，以让其涉海远渡至苏格兰，与那边的巨人决斗。巨人堤的称呼就来源于此传说。这个传说使得在黑铁色石柱上嬉戏的游客,像是误入了失落的世界，巨人随时会回来，脚步声如雷鸣…… 这就是巨人堤的张力与魅力，像星空一样，古老、神秘。
实际上，在中国也有许多类似的石柱群景色,只因很少宣传，鲜有人知。有的石柱群的柱子数目还远远超过了北愛尔兰的巨人堤。比如福建南碇岛,有140多万根灰褐色的玄武岩石柱，北爱尔兰巨人堤的石柱数目仅仅是南碇岛石柱数目的零头。
福建省漳浦县前亭镇南碇岛位于台湾海峡西部的海上，距离福建漳浦县的海岸仅8公里。据专家们的初步测算，并不大的小岛上至少有140万根玄武岩石柱，如此密集、巨大的玄武岩石柱群可谓世所罕见。南碇岛上这些排列整齐、近于垂直海平面的岩柱，在海水与大风等外力的冲击下，还不断有细长的岩柱折断、坍塌。
这是座令人不可思议的火山岛，在人们的脚下、周围以及所能看到的地方，除了石头柱子还是石头柱子！最为可观的是，岛上大片大片的悬崖峭壁全是由一排排高高悬挂的玄武岩石柱组成。很显然，石柱群一直延伸到了海底，不知道它们在水下又是一个什么情景？
在离北京不远的河北省张家口市张北县也发现有一片石柱群，它们大致是距今1亿多年前火山喷发的遗留物。
这个石柱群位于河北张家口市张北县台路沟乡，由排列整齐有序的六棱形石柱组成，直立，密切排列，如人工雕琢一般。己有专家考证，石柱群是火山爆发后，岩浆在均匀冷却及缓慢收缩的条件下生成的。现在这个石柱群仅是当地农民开山采石，随意挖开而发现的一处，石柱群面积究竟有多大？石柱究竟埋有多深？都是未解之谜！有趣的是，这个地方的地名就叫“大疙瘩村”,而大圪瘩这种造型规则，垂直排列的石柱群，也很令人叫绝。
我国南海群岛中的桶盘屿是距离台湾本岛较近的岛屿之一，因岛形酷似倒盖的桶状圆盘而得名。桶盘屿位于澎湖西南方，面积约0.4平方公里，在马公市的西南方约七公里处，由马公市到桶盘屿大约二十分钟的船程。桶盘屿上也有石柱群。
桶盘屿素有“澎湖黄石公园”之美誉。在岛上的任何角落，都能感受到不同的美丽，特别是在大退潮的时候，站在海滨步道上，可以看到一边是柱状玄武岩崖壁，一边为海蚀莲花座的奇景。
在吉林省长白山区的望天鹅火山下，有一条叫做“十五道沟”的山谷，沟中的玄武岩柱整齐、笔直，仿佛严阵以待的军队。在水流的侵蚀切割下，十五道沟河道两侧的石林暴露无遗，许多折断的石柱散落在河床中，石面上早已长满青苔。
在浙江大鹿岛上，有十分整齐、紧密地排成队列的石柱群，经受着一阵阵海浪的搏击。
在内蒙古自治区太仆寺旗不远处，也有一座由许许多多根石柱组成的“石条山”。
在广东湛江和吉林四平，都发现有玄武岩岩柱的石柱群。
这些石柱群究竟是怎样形成的？它们的形成过程有什么科学道理吗？现在从流体力学角度，己能揭开石柱群的形成之谜，它是在火山喷发时，由于热分格对流而形成的。在流体力学中，最典型的热分格对流，是瑞利—贝纳尔对流（Rayleigh –Bénard Convection），也称为贝纳尔对流（Bénard Convection）。
瑞利—贝纳尔对流是指在重力作用下底部受热的水平液体层中的热不稳定性流动问题。
1900年，法国学者贝纳尔(H.Bénard)在实验中发现：在温度均匀的水平金属板上盛一薄层液体。当从下面均匀加热金属板，液体上下面温差不大时，液体保持静止，热量通过热传导方式自下向上传递；若上下温差超过一临界值，液体因静平衡失稳而开始流动，液体中出现类似蜂房的六边形网格胞状结构，每个六边形中心的液体向上流动，边界处液体向下流动，形成环流。这是对流与抑止因素(黏性和热扩散)竞争的结果。这一过程就是热分格对流。
当液体上下两面均与金属板接触而无自由表面时，临界的R值为1708。此值与实验结果很吻合。
如果液体有自由表面，表面张力会对这种稳定性有影响。当液体很薄时，表面张力可促使更早发生不稳定现象。
前述世界和我国多处的玄武岩石柱群，都是熔化岩浆由地下喷涌的过程中形成的。在熔化岩浆的冷却过程中，存在着类似瑞利—贝纳尔对流不稳定性的热分格对流。熔化岩浆由地下喷涌而出，其表面冷却时在岩浆中形成了不稳定的热边界层，在边界层中重力引起具有六边形格栅结构的对流流动，固化后就形成了典型的岩石柱群。石柱群如在海边，除长年的冷却收缩以外，还又要经受海浪冲击、和腐蚀的雕凿。这就是象似很规整地切割出来的六边形棱柱，排列整齐有序的石柱群的形成原因。
热分格对流在很多工程技术问题中也是很重要的。例如，工程师要尽力设计好利用多层空气的隔热层（如多层隔热玻璃），以防止热分格对流；另一方面，在设计交流換热炉的结构时，又要利用热分格对流，以求发生尽可能强的对流过程。
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