似鬼斧神工，成地质奇观

——记那些神奇的石头柱子（柱状节理岩体）：下篇

■陈仁全

（4）形成地质背景

这一节与随后（5）主要摘抄徐松年（1995）专著内容，在此事先特别说明下。

火山柱状节理岩体是发育于火山岩中的一种原生张性破裂构造的岩体，其形成离不开相应的地质背景和物理条件变化。究其成因，是具有一定特性的火山岩，经受一定的应力作用，在一定的内、外环境条件下发生破裂变形的产物。内环境具体指其形成的物理条件，温度变化、应力积聚等；外环境就是形成所在地区的地质条件，如古地理环境（古地形、古气候、古海陆变化和火山喷发类型等）。

这里仍然重点讨论玄武岩。玄武岩为火山喷发形成最主要的岩石，其矿物组成主要为斜长石和辉石，其次为橄榄石。在地球表面分布极广，所覆盖的面积差不多是其他熔岩5倍还要多（卫管一，1995）。常呈厚大的岩流岩被产出，不仅分布在陆壳上（如北美、印度、西伯利亚和我国西南），而且太平洋、大西洋和印度洋的洋壳也几乎为它所覆盖。喷发形成的地质时代也跨越较多，二叠纪的峨眉山玄武岩构造的泛流式岩系，新近纪的南京六合、海南等地以及第四纪的大兴安岭中南部玄武岩流产出。

物理条件主要集中讨论玄武岩原生裂隙形成时的温度变化与应力积聚之间的关系，还有等温线分布等。上世纪60年代，Peck和Minakami曾经观察了Makaopuhi火山喷发，采用光学高温测量仪测得该处玄武岩处于炽热发红期开裂的温度为900℃左右，需要在岩浆凝固后继续下降80℃后才产生促使岩体开裂的张应力。当然，裂隙开裂时的最大温度并不与裂隙向四方传播（延伸）时的温度相一致，实际扩展时的最大温度要比裂隙开始形成时温度要高。一个张裂隙形成一旦形成，便可以自由地往没有应力的带内延伸，不过不会延伸至温度大于1040℃的地体中去。另外，当等温线的弯曲不太大时，最大引张应力总是平行于等温线，因而柱状节理垂直于等温线而延伸和发育（我凭空想象也头大，哈哈）。

地质条件主要反映在于古地形、古气候和火山喷发类型等，特别喷发类型和地形条件对于玄武岩岩浆流动覆盖规模的有很大影响。在浙江三门湾地区，上新世（距今258.8万年~530万年）玄武岩岩流发育有5条，长短、宽度和厚度各有不同，其中以桑州岩流和茶院岩流规模最大，且有分叉现象。这是因为当时喷发后岩流分别填充在上新世以前的河谷中，不少地方当时岩浆供应充足，甚至淹没了该区河谷两侧数级阶地。同样，古水系发育对于柱状玄武岩构造的空间分布也有制约作用，有一种玄武岩就叫“围堵玄武岩”（columnar jointing in poned basalt），便是在特殊地形、水文环境（堰塞湖）中冷凝而形成的，这也在现代火山活动中已有观察到。

发育在我国四川峨眉山和云南、贵州等地的“峨眉玄武岩”属于裂隙式火山喷发（fissure eruption，形成的玄武岩又叫溢流玄武岩），与另一类叫中心式火山喷发（central eruption）有明显区别。需要补充的是，峨眉玄武岩这种大面积发育火山岩地区又叫“大火成岩省”（large igneous province, LIP）。这种溢流玄武岩熔岩粘性小，不断流动，逐渐散热，在熔岩冷凝面形成许多收缩中心，呈规则等边三边形分布，受张应力作用最后形成6条裂隙分割成六边形柱体。中心式喷发指岩浆沿着一定的管形通道喷出地表，熔岩覆盖面积会小一些，当然这是现代火山活动最主要的类型了。其中有一种中心式喷发的类型叫宁静式喷发，熔岩温度较高，气体较少，不爆炸，没有固体喷发物，常常形成底座很大、坡度平缓的盾形火山锥。美国怀俄明州的魔鬼塔（Devil’sTower）便是这种碱性熔岩响岩（中性岩浆岩，SiO₂含量比玄武岩略高）所形成的，随着部分原始火山颈壁围岩被剥蚀后暴露出响岩火山颈，形成向上呈弧形的弯曲。裂隙式喷发和宁静式的中心喷发均为熔岩逐渐冷却、充分散热提供了很好的应力积聚和张裂条件。

（5）形成机制假说

尽管最早报道柱状玄武岩构造的是英国博物学家Foley（1694）和Sandys（1697）关于北爱兰的巨人之路，再过了100多年后，才有Watts（1804）提出了形成机制的一种假说——“固结说”（The concretion hypothesis），认为熔融的岩浆是围绕着一系列隔绝的中心凝固，而形成的大塑性球，这些球体被挤压在一起时就形成了六边形的对称排布。不过没过多少年，就得到了许多科学家的批评。

过了很久，Sosman（1916）首次提出了“双对流假说”（The convection hypothesis），认为当薄层的蜡或油在一只扁平的碟子加热时，就发育一个六边形对流胞系统。主张棱柱是对流的结果，某些柱体中心和边缘之间的成分差异则是由对流引起分化的结果。同样，百家争鸣，这个假说也得了许多人质疑。

而在这段漫长时间岁月里，立据最充分的、学术影响最大的假说却是“冷却收缩作用假说”（The hypothesis of contraction during cooling），起初以泥裂成因为对比，从而相对合理的解释了柱状节理的成因。

下面简述冷却收缩作用假说，其基本学术思想认为岩浆冷却收缩作用时，总伴着热应力的不断积聚，柱状节理是岩浆固结期由热应力作用导致的原生破裂变形结果的岩石记录。具体讲，当岩浆开始凝固时，收缩率就超过岩流的蠕变率，因为即使固体扩张系数比流体扩张系数低，粘度就会显著增加。热应力积累起来，岩石就作塑性伸展，当超过张力强度时就发生开裂。关于在冷凝面上裂隙是如何传播的，各组裂隙式如何构成六边形网格的，依然有许多看法不一致，可以说至今还是一个难以被攻破的问题。

不过最近半个世纪，随着学术认识的发展，美国学者Kantha（1981）以其独特的研究思路与新颖的学术观点，提出了玄武岩柱状节理形成机制新假说——双扩散对流作用假说。Kantha认为，高度规则的玄武岩柱状节理是由熔融的岩浆在冷凝期的双扩散对流作用引起的，在熔融的玄武岩浆中，粘滞的岩浆顶、底部之间温度和化学成分差异性，产生高度规则的对流运动。最后，当岩浆发生固结作用时，在冷却期，由收缩作用所产生的张裂隙就沿着互相毗邻的对流接合处，从表层传播，深入到岩体内部，从而导致柱状节理形成。

最近二十年国内已少有人从事这方面机理探究，国外最新文献目前我还未过多收集阅读，但足以留给我们一点提示：谁能更加合理的解释柱状玄武岩的形成，并能通过实验手段或实测数据加以证实这种解释，必定是写到教科书和Nature或Science杂志封面的人。

（6）工程建设影响

前面所述，国内外有许多专家都对柱状节理玄武岩开展过野外调查和实测工作，但成果主要集中在其特点、组构及成因机制等方面，还有不少结论是“将今论古”和“地质类比”的推测和假说。然而柱状节理玄武岩对工程建设的影响和其本身的岩土工程特性，早年相关报道及研究成果并不多见。随着近年来我国西南已建、在建或拟建的水利水电工程中，多个工程揭露柱状节理玄武岩（表5），引起工程设计者和研究人员的关注，开展了一些较为系统的理论和试验研究工作。其中比较突出的典型水电工程就有金沙江流域的白鹤滩水电站，在勘探平硐、交通洞、施工支洞等前期辅助洞室开挖过程中，多条隧洞揭露了柱状节理玄武岩，揭示了各种不同的开挖响应特征及破坏模式（倪绍虎等，2016）。柱状节理岩体开挖后主要表现为卸荷松弛、应力型解体2 种较为典型的破坏模式，前者主要属于卸荷变形问题，后者主要属于应力型问题（图26和图27），发生机理模式倪绍虎等（2016）作了探讨。

在国外，不得不提一个工程力学计算软件——UDEC/3DEC软件（离散元软件，一种针对离散物质的计算力学软件），它的发展就与柱状玄武岩有关（石崇等，2016）。那还是1972~1985年美国政府组织建设华盛顿州汉佛德核废料玄武岩处置场（Basalt Waste Isolation Project，简称BWIP），为了评估这种柱状节理发育的场地建设的适宜性，Itasca公司里Cundall博士等人开始在这个软件的初级版本上进一步开发针对这种岩体条件的计算方法。哥伦比亚高原位于太平洋板块与美洲板块交界处，历史上及现在火山活动频繁（如近几十年来喷发的圣海伦火山），形成了世界上较大规模的大陆溢流玄武岩（哥伦比亚河玄武岩统/Columbia River Basalt Group，简称CRBG），其覆盖面积达16.4万km²，体积达17.4万km³，分布于美国华盛顿州东部、俄勒冈州北部及爱达荷州西部。

CRBG玄武岩统中孕育了多层柱状节理玄武岩组，自地表从上而下有几层发育不一样的柱子。其中在NSTF（The Near Surface Test Facility）区域发育两种节理岩体：一类为规则小型或中型柱状节理玄武岩，主体断面类型以六边形为主，柱长2.4m，半径15~750px，平均半径500px，倾角15°~20°。岩体发育水平微裂隙，平均节理间距500px，节理密度13条/m以上。另一类，为柱体直径较大的不规则大型块状柱状节理玄武岩。通过室内力学实验，测得工程设计和计算所需的几种参数值，BWIP项目的玄武岩单轴抗压强度168~364MPa，抗拉强度10~20MPa，弹性模量20~100GPa，泊松比为0.09~0.32（Schultz，1996）。通过离散元软件模拟时，还需要知道这种主体之间裂隙面的力学参数，很重要的三个参数叫“节理法向刚度”、“节理切向刚度”和节理摩擦角，通过原位实验和数值试验，Cundall博士当时做BWIP项目时刚度取值均为220GPa，摩擦角取值16°（石崇等，2016）。

实际上，岩体的工程力学特性主要受3 个方面因素的影响，即岩石条件、岩体中结构面条件、岩体所处的应力环境。白鹤滩水电站坝区属中山峡谷地貌，金沙江总体由南向北流。坝址为单斜地层，岩层主要为二叠系上统峨眉山组玄武岩（石安池等，2008）。右岸岸坡顶部出露三叠系下统飞仙关组泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及少量砂岩。柱状节理的发育是不均匀的，柱体大小、长度也不相同，可以将柱状节理玄武岩分为3 类。其中一类柱状节理发育的密度较大，柱状节理面呈起伏状，较粗糙，大多未切割岩体成完整的柱体，柱体长度为2~3 m，直径为13~25 cm，岩石呈灰黑色，其内微裂隙发育，岩块直径为5 cm 左右，但未完全切断，呈柱状镶嵌结构；二类柱状节理发育不规则，未切割成完整的柱体，柱体长度为0.5~2.0 m，直径为25~1250px，其内微裂隙较发育，但相互咬合，未完全切断，岩块直径为10 cm 左右；三类柱状节理发育程度更差，对岩体工程特性影响较小，按非柱状节理玄武岩对待。岩石室内试验成果表明，岩石块体密度为2.90g/cm³，颗粒密度为2.93g/cm³，岩块自然状态下单轴抗压强度平均值在100 MPa 以上，岩块自然状态下变形模量平均值为65.1GPa，强制饱和条件下的变形模量平均值为51.6 GPa。这说明玄武岩中的岩块本身具有良好的强度和刚度，属坚硬岩，不成为弱化岩体力学特性的因素。因此，岩体结构面发育特征和岩体受力条件成为影响柱状节理玄武岩基本力学特性的重要因素。

岩体的变形模量是高拱坝设计的又一个重要岩体力学指标，确定岩体变形模量的方法很多，经验方法可以帮助宏观了解岩体的基本变形特征。白鹤滩柱状节理玄武岩采用多种方法比较后进行综合分类。微新状态的二类柱状节理玄武岩为II 类岩体，微新状态的一类柱状节理玄武岩为III1类岩体，弱风化下段的一类柱状节理玄武岩为III2 类岩体。岩体基本质量分级采用岩体声波波速指标，RMR经验公式计算岩体变形模量建立在岩体质量RMR 分级基础上，取值经验法给出柱状节理玄武岩变形模量。

另外，在于柱状节理岩体的地基承载力方面也因柱子发育不同而有所差别，地基受力与变形也是如此。理论与试验结果表明，在相同的外力作用下，岩体内应力传递规律会因节理偏转及层间滑动而有截然不同的差异（图32）。对柱状节理岩体的作用是各向异性的三维弹塑性问题，解析解难以推导，模型试验（图33和图34）代价较高，采用有限元（图32）或者离散元（图35）数值计算方法，取合理的物理与力学参数（表6）来分析柱状节理岩体三维各向异性应力传递规律，具有较好的工程应用价值。模型实验和数值模拟计算具体可参考郑文棠等（2010）、徐卫亚等（2010）、肖维民等（2014）、倪绍虎等（2016）等人的论文。

结束语

写到这里，感觉自己还有许多知识没有来得及细读和理解，更无法保证前面内容的准确性和引用完整性。不过由于没看到太多的点赞，我已没动力继续写了，索性来日方长。但是，初次见到这种神奇的地质景观，就觉得大自然无处不在是学问，任何一样存在的东西都有它背后规律性的原理，不论是分布的规律，还是本身生成的模样。可是出于人类认知的局限性，目前还不能非常完美的解释柱状节理岩体特别是玄武岩这种大面积出露的成因。已有的几种成因机制假说或多或少存在一些局限性，譬如地质学原理最基本的思想“将今论古”和“地质类比法”，至少人类目前还没人观测到这一地质现象的“全生命周期”。

所以在自然界面前，我们的许多认识显得“无知”和片面，到底什么是原因形成的这种岩浆冷凝呢？到底什么情况下能生成完美的六边形棱柱呢？到底这些分布背后反映的地球内部岩浆运动又是如何？这是宏观的思考。而在于微观的思考是，六边形棱柱在形成过程中是如何促发的？何时启动形成裂隙的？矿物结晶和岩浆固结过程到底如何进行？棱柱体里据说还有更小的棱柱潜在裂纹是否有规律？棱柱体内是否有矿物和元素分布差异呢？

这是原理性的思考，而在于生活与社会发展影响中，首先遇到的就是这些柱子出现在工程建设场地，如已经碰到过的核废料处置场地、大型水利水电工程这种，不论是岩体结构力学的影响，还是对于地下水的裂隙网络刻画，精确的试验和模拟计算都有很大挑战，所积累的工程经验也十分宝贵。在于房屋建筑领域，面对不同尺寸和倾斜角度的柱体，地基承载力和变形如何控制？目前极少有人做出这方面的探索工作。其次，这些整齐排布的柱体，生活中遇到过哪些类似的，是否能引进改进促进生活和社会生产的某一方面发展呢？

问题还有很多很多，但从上世纪90年代后，国内极少有学者针对这一具体却独特的地质现象开展原创性研究。尽管写这篇文章的人是一个大“水货”，但面对真心着迷阅读这篇文章的人来说，说的功利一点，只要你能解决以上疑问中任何一个，都可能写入教科书，从原理性上有重大突破甚至轻松将出现在Nature和Science这种顶级杂志上。说的影响深远一点，即便是针对这些柱子任何重大原创突破都可能改变人类现有的科学认识和社会生活。

敬畏自然，无处不在的开创！可惜我不会在，必定会是你！加油！

致  谢

当我写完第6节时发现啰嗦到了17页了，后面开始耍弄“文青”的文采时，才体会到下笔如有神飞快，准备忘记这个“魂牵梦绕”我多日又“折磨”数日的柱子。但我却有一个突出的优点便是懂得感恩。如果就像那些柱子一样，如果没有人对我说话，没有人刺激我，没有人鼓励我，没有人点赞，或许我永远站在那里等着别人来“摸”我，而不是我去触摸背后的科学道理和知识。于此，我要展现我为人胸襟博大的一面，开始一位一位致谢了，请不要厌烦这种啰嗦。致谢人员如下：

不确定还活着的，但我感觉永远会活着的：

●徐松年，教授，杭州大学（今浙江大学）。

徐先生所撰写的《火山岩柱状节理构造研究》（1995）一书是目前我见过国内最为详细的专题研究专著。三十多年的坚持，在上世纪60~80年代就一直坚持大量阅读过国外学者的研究资料，并与多国研究这种柱子的知名学者保持通信和学术交流。马杏垣院士曾于1979年写信专门鼓励徐先生说“目前国内少有人涉及该课题研究，你如能将这项研究继续进行下去，是有很意义的”。徐先生在专著后记里提到“二、三十年来人事关系和工作环境的变化，研究班子早已解体……可是我出于对这种特殊构造形态的迷恋……长期以来耐得住寂寞，在困难条件下将这一课题坚持下去……”，我想如果没有徐先生，恐怕后面所列举的不少国内学术论文都将缺少系统的背景知识引用，而我更没机会了解这些柱子的形成机理假说和形成地质背景。

还活着的（活着就别在意排名先后了吧）：

●于  浩，高级工程师，中国电建集团中南勘测设计研究院；

●李  鑫，在读博士，中国地质大学（武汉）；

●周爱国，教授，中国地质大学（武汉）；

●孟  耀，在读博士，中国地质大学（武汉）；

●董大啸，高工，中国神华集团神华国际公司；

●张延俐，硕士，山东济南；

●邢林啸，在读博士，河北石家庄？

●崔云樯，（到底有官儿没有？哈哈），大理州文化局；

●付维莉，啥士？（哈哈），上海匙叉旅行；

●东南西北人，高工，澳大利亚（结识三四年，我就知道网名）；

……好人总是太多，永远感激不尽哈！

参考资料（References）：

[1]    徐松年. 火山岩柱状节理构造研究[M].杭州大学出版社, 1995.

[2]    卫管一. 岩石学简明教程[M]. 地质出版社, 1995.

[3]    李胜荣. 结晶学与矿物学[M]. 地质出版社, 2008.

[4]    舒良树. 普通地质学.第3版[M]. 地质出版社, 2010.

[5]    石崇, 褚卫江, 郑文棠. 块体离散元数值模拟技术及工程应用[M]. 中国建筑工业出版社,2016

[6]    Davis G H, Reynolds S.Structural Geology of Rocks and Regions[J]. 1997, 19(5).

[7]    徐松年. 玄武岩柱状节理构造研究的进展与动向[J]. 地质科技情报,1986(3):18-25.

[8]    郑文棠, 徐卫亚, 宁宇,等. 节理玄武岩体变形模量的尺寸效应和各向异性[J]. 工程地质学报, 2010,18(4):559-565.

[9]    肖维民, 邓荣贵, 付小敏,等. 单轴压缩条件下柱状节理岩体变形和强度各向异性模型试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2014,33(5):957-963.

[10]  江权, 冯夏庭, 樊义林,等. 柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究[J]. 岩石力学与工程学报,2013, 32(12):2527-2535.

[11]  单之蔷. 中国国家地理, 2009(586)

[12]  石安池, 唐鸣发, 周其健. 金沙江白鹤滩水电站柱状节理玄武岩岩体变形特性研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2008, 27(10):2079-2086.

[13]  徐卫亚, 郑文棠, 石安池. 水利工程中的柱状节理岩体分类及质量评价[J]. 水利学报, 2011, 42(3):262-270.

[14]  倪绍虎, 何世海, 陈益民,等. 柱状节理玄武岩的破坏模式、破坏机制及工程对策[J]. 岩石力学与工程学报,2016(S1):3064-3075.

[15]  徐卫亚, 郑文棠, 宁宇,等. 柱状节理坝基岩体三维各向异性数值分析[J]. 岩土力学, 2010,31(3):949-955.

2017/2/7