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似鬼斧神工,成地質奇觀 ——記那些神奇的石頭柱子(上篇)


- 2017年11月07日13時53分
- 科學文摘 / 地理地質百科探秘

地理地質百科探秘

■陳仁全

平台支持:腳爬客

引言:寫這篇有點「正兒八經」的文章純屬是為了留下點回憶,十年前第一次接觸地質學真正開始認識石頭,


2012年1月第一次見友人付維莉(現就職於上海匙叉旅行)留學漫步北愛爾蘭巨人之路(Giant’sCauseway)照片背景里的有許多六邊形石頭柱子(柱狀玄武岩),深感大自然的神奇。2016年8月,短暫客居雲南大理州時,朋友崔雲檣帶路在賓川縣雞足山山腰親眼見到這種柱子;2016年12月,聯繫大學同學馮麗霞(北京大學在讀博士)才知道她留學也去看過巨人之路……除「玩」之外,出於自己工作的專業敏感,這些柱子可能對工程建設也有一定影響。最終讓我對這種岩石構造(rock

structure)痴迷,漸漸發現世界各地都有分布,開始沉迷收集世界各地關於這種柱子的信息。可以說在過去,石頭和女人一樣讓我神魂顛倒,而這種排布神奇的多邊形石頭柱子更是讓我忘乎所以。時常深夜在網際網路上四處搜索點擊,又偶爾放大圖片左看看右瞅瞅,還有一次看資料到凌晨兩點不覺疲憊,想必這就是神奇的魅力吧。

2017年1月初,到中國地質大學(武漢)李鑫博士創立的武漢「腳爬客(Geoparker)」地學科普公司「吹牛逼」順便蹭幾杯好茶,結果提到我朋友圈老發這種柱子圖片,如果再不搞點乾貨科普一下實在有損我們地質人的偉大形象,哈哈。於此,為了讓更多人了解這種神奇的地質奇觀,甚至想搭建專題網站號召世界各地旅行達人不斷補充這種柱子信息,當然後半句是我自己意淫(想像的意思哈)的,才有了下面看似正兒八經的文字。不再瞎扯淡,而是科學化!

唉。算了,我這人有個被女人嫌棄的原因就是:廢話太多!下面上乾貨吧,如果您覺得是有效信息,敬請點讚,我現在真的很在意的,畢竟我除了人長得丑就只剩下一點自尊心了,別的都已蕩然無存了。

當然,這是一篇儘量通俗化的科學小文,如需更專業細緻化解讀可參考國內徐松年(杭州大學)、白志達和張招崇(中國地質大學·北京)、徐衛亞(河海大學)等人的學術資料。

似鬼斧神工,成地質奇觀 ——記那些神奇的石頭柱子(上篇)圖片


圖1 英國巨人之路(付維莉攝,2012)

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圖2 英國巨人之路(馮麗霞攝,2015)

廢話分割線

幾點疑問

●首先會有人問「這些石頭柱子在地質學術語叫什麼?」

答:柱狀節理構造(columnar jointingstructure)。

●那麼什麼又是構造?

答:岩石中礦物集合體的形態、大小及相互關係(舒良樹,2010)。當然,這裡突出的是「集合體」,而非礦物晶體本身(涉及「結構texture」的概念)。

●什麼是節理呢?

答:節理(joint),岩石中的裂隙,斷裂構造的一類,指岩石裂開而裂面兩側無明顯相對位移者(與有明顯位移的「斷層fault」相對)。

●又有人可能會問「這種柱子的岩性通常有哪些?」

答:岩漿岩(magmatic

rock,又叫火成岩)為居多,又以其下類別基性噴出岩中玄武岩(basalt)為最多。不過,岩漿岩中的響岩和花崗岩也會有,沉積岩中的石灰岩和粘土岩也有報導(徐松年,1995)。

●世界上有哪些比較有名的這種石頭柱子?

答:北愛爾蘭的巨人之路(Giant’s Causeway)、美國懷俄明州魔鬼塔(Devil’s

Tower)、美國加利福利亞州魔鬼柱(Devil’s

Postpile)、韓國濟州島(ChejudoIsland)、中國南京六合區石柱林、中國台灣澎湖等。這些是中國遊客所見最多的幾處地方,後文會列舉其他地方。

維基百科詞條「List of places with columnarjointed

volcanics」收集了140多個地方,可以檢索(網址:https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_places_with_columnar_jointed_volcanics)。

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圖3 美國魔鬼塔(維基百科,2005)

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圖4 美國魔鬼柱(維基百科,1997)

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圖5 韓國濟州島西歸浦市(網絡圖片)

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圖6 南京六合瓜埠山(蒲公英新浪博客,2013)

上篇:分布多少,規模如何

(1)地理分布情況

柱狀節理作為岩漿岩噴出岩體的一種原生破裂構造,其中主要發育的玄武岩,形成與火山噴發的液體熔岩(lava)流動層面冷凝收縮作用有關,熔岩在散熱冷凝過程中,其表面常形成無數冷凝收縮中心,最終這些收縮中心呈均勻且等間距排列,冷凝裂成一個個六方柱(發育不理想時,也會出現四方柱、五方柱等)。如此說來,只要有玄武岩的地方,幾乎都有可能形成這種石柱子。但實際上,柱狀節理形成時,受各種不理想內外和環境因素制約,那種典型的、出露規模巨大的石柱群並沒有想像那麼多見。不過,通過一些常規的地質科學知識,將已發現的出露點投影到地圖上,仍然可以發現一些規律(我總結的並不完全科學哈)。

起初,我最早知道國內的就是雲南賓川縣、南京六合,再就是福建和浙江東南沿海等地,後來中國地質大學(武漢)周愛國教授提醒我山東、東北地區有很多。中國電建集團中南勘測設計研究院於浩高工叫我查詢《中國國家地理》2009年8月那一期,他在浙江象山也見過有分布,我本科師兄中國神華集團董大嘯工程師說他在澳大利亞也見過,而澳大利亞好友卻回憶說他在河海大學實習時在南京六合見過……邢林嘯、孟耀、張延俐等人,許許多多朋友為我提供分布信息,為此消費我不少微信紅包。而後自己不斷收集信息,大體上在國內有雲南騰衝、雲南北部金沙江地區-四川峨眉山地區、河北張家口地區-內蒙赤峰-內蒙阿爾山、廣東-海南-香港-福建-台灣-浙江-江蘇-山東-吉林-黑龍江整個東部地區特別沿海均分布有之。

另外據徐松年(1995),我國東南地區最著名的柱狀玄武岩屬江蘇南京市六合區的桂子山、瓜埠山和西陽山等地,其中又以桂子山的柱狀節理髮育最為完好。其地質時代為更新世早期(2.43Ma~0.73Ma),柱列高20~30m,柱斷面形狀多為六邊形,直徑40~60cm。

福建龍海縣港尾鎮和鎮海牛頭山一帶東部沿海,也發育有大量柱狀玄武岩。柱體長度最大21cm,直徑20~50cm。退潮時,柱狀節理出露海面之上,景色十分壯觀。漳浦縣南碇島上大片的懸崖峭壁,全由高高懸掛的由約140萬根玄武岩石柱組成,柱高10~20m居多,斷面直徑25~35cm。

浙江寧波-台州沿海縣市和島嶼,也多有分布,特別寧波的象山縣花岙島、台州的玉環縣大鹿島非常壯觀。花岙島是以火山岩、海蝕海積地貌景觀為主的特色景區,有奇特的火山岩現象和海蝕海積柱狀節理群。火山玄武岩柱狀節理岩石現象,屬於世界上三大火山岩原生地貌之一。這種節理石在整個花岙島有幾十萬根之多,是世界上柱狀節理石數量最多,形態最為豐富的地方(是百度上吹牛,不是我編的)。

在世界上,柱狀節理岩石(玄武岩為主)在韓國濟州島、日本、俄羅斯庫頁島、俄羅斯西伯利亞、美國俄亥俄州、加利福利亞洲、加拿大、墨西哥、澳大利亞、紐西蘭、冰島、英國、法國、德國、義大利、西班牙、冰島、以色列、印度、納米比亞、烏克蘭、捷克、南非等國家和地區都有過記載(維基百科詞條「Listof places with columnar

jointed volcanics」)。

總體而言,柱狀玄武岩主要分布在兩大發育的溢流玄武岩區。第一區域:蘇格蘭-北大西洋和印度德干高原及鄰近的印度洋區域。第二區域:大陸內陸分布區,包括非洲、巴西、俄羅斯、中國雲南、貴州、四川等省。當然,澳大利亞也是分布面積較大的區域之一。

假如作為一名並沒有任何地質學專業知識的旅行者,該如何尋找玄火岩漿岩這種分布規律呢?我想,第一看是否有火山噴發遺蹟,如阿爾山、伊通、湛江、騰衝都有過火山噴發歷史記錄,國外如冰島也是如此;第二,板塊與板塊之間的區域可能性更大,你看我國東部沿海、台灣澎湖、韓國和日本。再如美國哥倫比亞高原位於太平洋板塊與美洲板塊交界處,大陸溢流玄武岩覆蓋面積達16.4km2(石崇等,2016),在哥倫比亞河形成典型的柱狀玄武岩。

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圖7 中國火山岩柱狀節理地理分布圖(中國國家地理,2009)

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圖8 世界火山岩省分布圖(網絡圖片)

表1 國內柱狀節理構造岩體地理分布統計

(陳仁全整理,2017)

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(2)幾何形態特徵

在見過多處這種石頭柱子後,旅行者可能會發現不同地方的柱子大小不一樣,或者站立角度也不一樣,有的是垂直於地面的,而有的是傾斜的等;斷面形狀也會不一樣,有的是六邊形居多,有的是五邊形居多,還有四邊形和七邊形等等。或許這就是大自然的神奇之處,不同地方不一樣;不同地質時代不一樣;不同環境背景不一樣。常言道一方水土養一方人,套用這句話就是:一方地域造就一片神奇的柱子。從科學角度看,還是因為不同的地質條件所造成的差異,直接反映出玄武岩結晶和固結髮育的完好程度,這是後文將論述的,此處我們僅總結一些已經報導過的柱狀玄武岩的形態差異。

在此可以歸納一下,石柱的幾何形態要素大概包括:長度(length)、直徑(diameter)、形狀(shape)等。這裡的長度指人眼所見的柱子出露長度,而難以指明柱狀岩體本身的發育長度,故而對於成因對比的作用不大,僅僅代表可見長度,倒是可以一定程度反映景觀的壯麗。直徑也並非準確,實際上多形成多邊形斷面,這裡直徑代表多邊形外切圓的直徑尺寸。

袁弘道(2009)在福建漳浦縣南碇島所見的柱狀玄武岩十分壯觀,柱高都非常高,最長的柱子不包含水下部分,至少都62m高,比起其他地方10~40m的柱子實屬不同。跟它們形成的地質背景條件有關,通常矮一點的都是流淌的熔岩形成的,而這種可能是在火山通道(火山頸)形成的。而在這個島上的約140萬根柱子,其斷面為直徑25~35cm的六邊形、五邊形和四邊形組成。幾乎垂直於海面,像樵夫的捆柴一樣,緊挨著整齊站立著。

而對於大型柱狀節理石柱最有名的還屬美國懷俄明州的Devil’sTower,不過岩性不為玄武岩了,而是岩漿岩中的一種鹼性噴出岩——響岩(phonolite)。斷面多為五邊形(占42%)和六邊形(占35%),直徑2.10~2.40m,最大直徑可達5m。石柱出露高度可以參考網上照片里攀爬者的身高對比,想必80m以上是有的。另外,中國浙江寧海縣東嶼山和石山新生代(地質年代)玄武岩石柱斷面平均直徑1.5m左右,最大可達2~3m,只是露頭長度不大,僅3~4m左右。

對於小型柱狀節理石柱,斷面直徑要小於25cm,還是比較少見的。斷面尺寸過小,抵抗風化作用的能力會偏弱,經歷漫長的地質年代保存難度很大。當然,至於收縮冷凝的作用是否能形成這種小直徑,在這裡還無法確定。不過,在雲南大理州賓川縣雞足山山腰一處廟宇背後路邊,筆者卻見到了四邊形居多的直徑大概小於30cm的小石柱,岩性可能為玄武岩。

表2 柱狀玄武岩斷面大小分類(據徐松年整理,1995)

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表3 柱狀玄武岩構造斷面形狀分類(據徐松年整理,1995)

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圖9 巨人之路

(六邊形為主,斷面直徑0.25~2.0m)

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圖10 俄羅斯庫頁島

(五邊形和四邊形為主,斷面直徑未知)

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圖11 魔鬼塔玄武岩柱

(五邊形為主,斷面直徑2m左右)

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圖12 衢江節理石柱

(五邊形為主,斷面直徑30~50cm)


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圖13 雲南賓川雞足山

(四邊形為主,斷面直徑30cm)

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(3)類似形態聯繫

嚴格說柱狀節理岩體並非六邊形最多,但如果是在理想環境下,應屬六邊形最多了。這是因為熔岩在表面冷卻凝固時,產生許多規則的收縮中心,其體積收縮引起岩石物質向固定的內部中心聚集,從而在垂直於等溫面方向上產生張力縱裂隙,這些裂隙切割岩體,就形成了多稜柱。如果熔岩物質均勻,則聚集中心的距離相等,並且相互之間呈等腰三角形排列,於是各向相等的張應力就通過三組彼此以120°相交的張節理形成,這些張節理的切割岩體,就會形成規則的六稜柱(Hilla,1963;Billings,1972)。在這裡可能有人會問「為啥就剛剛是六邊形呢?不可以是四邊形、五邊形嗎?」,不知道搞晶體學的人怎麼解釋,但從我所獲知的所謂科學常識是這樣,六邊形可以比較好的完整的填滿整個平面,而且相同周長下所圍成的面積最大,結構最為穩定。當然,四邊形和三角形也可以填滿,但無法保證填充「效率」最高,因而六邊形具有「完全充填」和「最具效率」的雙重優勢。單之薔(2009)曾聯想到「最小作用能」,但我想根本原理上還需要材料學(結晶學)家幫忙解釋。

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下面將從六邊形這種特殊的形態出發,聯想引伸到生活中常見的這種形態。當然,後面所講的形態更側重平面分布,而是否在空間形成了「六稜柱」卻沒有完全吻合。這裡只為了突出六稜柱的斷面六邊形神奇,是否在形成過程中也有類似參考性還沒有給予明確答案。

晶體(crystal):晶體是內部質點在三維空間上呈周期性平移重複排列而形成格子構造的固體。能形成六稜柱的礦物晶體有幾種,常見的是六方晶系,其中一種礦物叫「綠柱石」(Beryl),屬於環狀矽酸鹽礦物亞類(李勝榮,2008)。化學成分Be32618>,主要產於花崗偉晶岩、雲英岩及高溫熱液脈中。其中色澤美麗且無暇者為高檔寶石原料,深藍色者稱為深藍寶石,碧綠蒼翠者稱為祖母綠,是一種極珍貴的寶石。

蜂房(hive):這裡蜂房具體突出蜂窩結構(Cellular

Structure),是覆蓋二維平面的最佳拓撲結構。是由一個個正六角形單房、房口全朝下或朝向一邊、背對背對稱排列組合而成的一種結構.

這種結構有著優秀的幾何力學性能,因此在材料學科用有廣泛應用。等量原料,使蜂巢具有最大的容積,是一種最經濟的空間架構。18世紀初,法國天文學家馬拉爾地(Maraldi)測量了許多蜂巢,發現每個蜂巢的孔洞和底部都是正六稜柱狀。

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圖16 六方柱綠柱石晶體(網絡圖片)

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圖17 蜂房(網絡圖片)

雪花(snowflake):雪花形成的時候,大氣里水氣是飽和的,溫度則在攝氏零度以下。微細的冰晶會漸漸圍繞著凝結核結晶。由於冰晶的基本模式是六角稜體,大部份冰晶的雛形都是六角形的。當更多的水分子與冰晶結合後,由第一個六角形開始保持冰晶的形狀繼續向外生長。雪晶的六角形狀能細分為兩大類,一是片狀,另一類是柱狀。我們經常看到比較美麗的雪花便是那些六邊對稱的片狀雪晶。它們通常會在溫度介乎攝氏零下五度至零下二十度之間形成,柱狀雪花包括了針狀和中空柱狀,針狀雪晶在溫度介乎攝氏零度至攝氏零下五度形成,中空柱狀在是低於攝氏零下二十度形成。不過據網絡信息,英國伯恩茅斯的化學教師Andy

Brunning,研究繪出了一個信息表圖來展示這些不同形狀,並非完全都是六邊形,這張圖展示了39種雪花的形狀及對應名字,39種雪花可以細分為121種。而在雪花形成過程,俄羅斯Vyacheslav Ivanov

通過顯微鏡,拍攝了2分鐘的「微延時」短片來揭示六邊形冰晶的形成過程。

北京水立方(Water

Cube):位於北京奧林匹克公園內,是北京為2008年夏季奧運會修建的主游泳館,也是2008年北京奧運會標誌性建築物之一。它的設計方案,是經全球設計競賽產生的「水的立方」(

膜結構共由3000多個氣枕組成,覆蓋面積達到10萬平方米,展開面積達26萬平方米,這是國際上建築面積最大、功能要求最複雜的膜結構系統。

圖18 雪花(網絡圖片)

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圖19 北京水立方游泳館(網絡圖片)

格構(lattice):格構混凝土護坡就是用砼(讀tong,混凝土的意思)或者鋼筋砼,用梁的形式將土質邊坡表面,做成花格,格子中間種植草皮,以保證邊坡的穩定性。若土質極其不穩定時,有些格構混凝土下邊,可能採用錨杆錨固,保證鋼筋砼梁的穩固。

牆面磚(wall

tile):牆面磚適用於洗手間、廚房、室外陽台的立面裝飾。貼牆磚是保護牆面免遭水濺的有效途徑,也是一種有趣的裝飾元素。用於踢腳線處的裝飾牆磚,即美觀有保護牆基不易被鞋或桌椅凳腳能髒。用於水池和浴室的瓷磚,要美觀、防潮和耐磨兼顧。

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圖20

湖北鍾祥護坡格構(陳仁全攝,2017)

圖21 裝飾牆面磚(網絡圖片)

作者簡介:陳仁全,工程師(岩土工程),碩士學歷,湖北宜都人。碩士階段學習主要集中在礦山地質環境治理工程設計、滑坡地質災害評價等內容,工作後主要側重於城區房屋建設領域的基坑工程施工管理、工程勘察和邊坡工程支護設計。與他人合作發表論文4篇,參編專著1部,獲得湖北省建築土木工程學會優秀論文三等獎一次。郵箱:314809035@qq.com

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