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似鬼斧神工,成地质奇观——记那些神奇的石头柱子(上篇) 精选

已有 9128 次阅读 2017-1-30 00:10 |系统分类:科普集锦

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):上篇

陈仁全

友情鼓励:脚爬客(Geoparker)

引言:写这篇有点“正儿八经”的文章纯属是为了留下点回忆,十年前第一次接触地质学真正开始认识石头,2012年1月第一次见友人付维莉(现就职于上海匙叉旅行)留学漫步北爱尔兰巨人之路(Giant's Causeway照片背景里的有许多六边形石头柱子(柱状玄武岩),深感大自然的神奇。2016年8月,短暂客居云南大理州时,朋友崔云樯带路在宾川县鸡足山山腰亲眼见到这种柱子;2016年12月,联系大学同学冯丽霞(北京大学博士)才知道她留学也去看过巨人之路……除“玩”之外,出于自己工作的专业敏感,这些柱子可能对工程建设也有一定影响。最终让我对这种岩石构造(rock structure)痴迷,渐渐发现世界各地都有分布,开始沉迷收集世界各地关于这种柱子的信息。可以说在过去,石头和女人一样让我神魂颠倒,而这种排布神奇的多边形石头柱子更是让我忘乎所以。时常深夜在互联网上四处搜索点击,又偶尔放大图片左看看右瞅瞅,还有一次看资料到凌晨两点不觉疲惫,想必这就是神奇的魅力吧。

2017年1月初,到中国地质大学(武汉)李鑫博士创立的武汉“脚爬客(Geoparker)”“吹牛逼”顺便蹭几杯好茶,结果提到我朋友圈老发这种柱子图片,如果再不搞点干货科普一下实在有损我们地质人的"伟大"形象,哈哈。于此,为了让更多人了解这种神奇的地质奇观,甚至想搭建专题网站号召世界各地旅行达人不断补充这种柱子信息,当然后半句是我自己意淫(想象的意思哈)的,才有了下面看似正儿八经的文字。不再瞎扯淡,而是科学化!

临近除夕,却下了狠心要为过去的一年留下一点回忆,唉。算了,我这人有个被女人嫌弃的原因就是:废话太多!下面上干货吧,如果您觉得是有效信息,敬请点赞,我现在真的很在意的,毕竟我除了人长得丑就只剩下一点自尊心了,别的都已荡然无存了。不过说实话,真心有点长,读不下去就明年再说吧,哈哈。

当然,这是一篇尽量通俗化的科学小文,如需更专业细致化解读可参考国内徐松年(杭州大学)、白志达和张招崇(中国地质大学·北京)、徐卫亚(河海大学)等人的学术资料。

1  英国巨人之路(付维莉摄,2012

2  英国巨人之路(冯丽霞摄,2015

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几点疑问

●首先会有人问“这些石头柱子在地质学术语叫什么?”

答:柱状节理构造(columnar jointingstructure)。

●那么什么又是构造?

答:岩石中矿物集合体的形态、大小及相互关系(舒良树,2010。当然,这里突出的是“集合体”,而非矿物晶体本身(涉及“结构texture”的概念)。

●什么是节理呢?

答:节理(joint),岩石中的裂隙,断裂构造的一类,指岩石裂开而裂面两侧无明显相对位移者(与有明显位移的“断层fault”相对)。

●又有人可能会问“这种柱子的岩性通常有哪些?”

答:岩浆岩magmatic rock,又叫火成岩)为居多,又以其下类别基性喷出岩中玄武岩basalt)为最多。不过,岩浆岩中的响岩和花岗岩也会有,沉积岩中的石灰岩和粘土岩也有报道(徐松年,1995

●世界上有哪些比较有名的这种石头柱子?

答:北爱尔兰的巨人之路Giant’s Causeway)、美国怀俄明州魔鬼塔Devil’s Tower、美国加利福利亚州魔鬼柱Devil’s Postpile、韩国济州岛ChejudoIsland、中国南京六合区石柱林、中国台湾澎湖等。这些是中国游客所见最多的几处地方,后文会列举其他地方。

维基百科词条“List of places with columnarjointed volcanics(网址:https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_places_with_columnar_jointed_volcanics收集了140多个地方,可以检索

3  美国魔鬼塔(维基百科,2005

4  美国魔鬼柱(维基百科,1997

5  韩国济州岛西归浦市(网络图片)

6  南京六合瓜埠山(蒲公英新浪博客,2013

上篇:分布多少,规模如何

1)地理分布情况

柱状节理作为岩浆岩喷出岩体的一种原生破裂构造,其中主要发育的玄武岩,形成与火山喷发的液体熔岩(lava)流动层面冷凝收缩作用有关,熔岩在散热冷凝过程中,其表面常形成无数冷凝收缩中心,最终这些收缩中心呈均匀且等间距排列,冷凝裂成一个个六方柱(发育不理想时,也会出现四方柱、五方柱等)。如此说来,只要有玄武岩的地方,几乎都有可能形成这种石柱子。但实际上,柱状节理形成时,受各种不理想内外和环境因素制约,那种典型的、出露规模巨大的石柱群并没有想象那么多见。不过,通过一些常规的地质科学知识,将已发现的出露点投影到地图上,仍然可以发现一些规律(我总结的并不完全科学哈)

起初,我最早知道国内的就是云南宾川县、南京六合,再就是福建和浙江东南沿海等地,后来中国地质大学(武汉)周爱国教授提醒我山东、东北地区有很多。中国电建集团中南勘测设计研究院于浩高工叫我查询《中国国家地理》2009年8月那一期,他在浙江象山也见过有分布,我本科师兄中国神华集团董大啸工程师说他在澳大利亚也见过,而澳大利亚好友却回忆说他在河海大学实习时在南京六合见过……邢林啸、孟耀、张延俐等人,许许多多朋友为我提供分布信息,为此消费我不少微信红包。而后自己不断收集信息,大体上在国内有云南腾冲、云南北部金沙江地区-四川峨眉山地区、河北张家口地区-内蒙赤峰-内蒙阿尔山、广东-海南-香港-福建-台湾-浙江-江苏-山东-吉林-黑龙江整个东部地区特别沿海均分布有之。

另外据徐松年(1995,我国东南地区最著名的柱状玄武岩属江苏南京市六合区的桂子山、瓜埠山和西阳山等地,其中又以桂子山的柱状节理发育最为完好。其地质时代为更新世早期(2.43Ma~0.73Ma),柱列高20~30m,柱断面形状多为六边形,直径40~1500px

福建龙海县港尾镇和镇海牛头山一带东部沿海,也发育有大量柱状玄武岩。柱体长度最大525px,直径20~1250px。退潮时,柱状节理出露海面之上,景色十分壮观。漳浦县南碇岛上大片的悬崖峭壁,全由高高悬挂的由约140万根玄武岩石柱组成,柱高10~20m居多,断面直径25~875px

浙江宁波-台州沿海县市和岛屿,也多有分布,特别宁波的象山县花岙岛、台州的玉环县大鹿岛非常壮观。花岙岛是以火山岩、海蚀海积地貌景观为主的特色景区,有奇特的火山岩现象和海蚀海积柱状节理群。火山玄武岩柱状节理岩石现象,属于世界上三大火山岩原生地貌之一。这种节理石在整个花岙岛有几十万根之多,是世界上柱状节理石数量最多,形态最为丰富的地方(是百度上吹牛,不是我编的)

在世界上,柱状节理岩石(玄武岩为主)在韩国济州岛、日本、俄罗斯库页岛、俄罗斯西伯利亚、美国俄亥俄州、加利福利亚洲、加拿大、墨西哥、澳大利亚、新西兰、冰岛、英国、法国、德国、意大利、西班牙、冰岛、以色列、印度、纳米比亚、乌克兰、捷克、南非等国家和地区都有过记载(维基百科词条“Listof places with columnar jointed volcanics”)

总体而言,柱状玄武岩主要分布在两大发育的溢流玄武岩区。第一区域:苏格兰-北大西洋和印度德干高原及邻近的印度洋区域。第二区域:大陆内陆分布区,包括非洲、巴西、俄罗斯、中国云南、贵州、四川等省。当然,澳大利亚也是分布面积较大的区域之一。

假如作为一名并没有任何地质学专业知识的旅行者,该如何寻找玄火岩浆岩这种分布规律呢?我想,第一看是否有火山喷发遗迹,如阿尔山、伊通、湛江、腾冲都有过火山喷发历史记录,国外如冰岛也是如此;第二,板块与板块之间的区域可能性更大,你看我国东部沿海、台湾澎湖、韩国和日本。再如美国哥伦比亚高原位于太平洋板块与美洲板块交界处,大陆溢流玄武岩覆盖面积达16.4km2石崇等,2016,在哥伦比亚河形成典型的柱状玄武岩。

7  中国火山岩柱状节理地理分布图(中国国家地理,2009

8 世界火山岩省分布图(网络图片)

1  国内柱状节理构造岩体地理分布统计(陈仁全整理,2017

序号

省份

地区

具体点位

岩性

资料来源

有无照片

1

云南

腾冲

选水河

徐松年,1995

2

宾川县

鸡足山

3

昭通市

白鹤滩水电站

徐卫亚等,2011

4

昭通市

高桥水电站

徐卫亚等,2011

5

四川

峨眉山

峨眉山

中国国家地理,2009

6

乐山

铜街子水电站

徐卫亚等,2011

7

攀枝花市

二滩水电站

徐卫亚等,2011

8

广东

湛江市

文部村

中国国家地理,2009

9

佛山市

中国国家地理,2009

10

汕头市

澄海区

中国国家地理,2009

11

海南

琼北地区

雷虎岭?

12

香港

西贡

万宜水库

13

福建

漳州市

南碇岛

中国国家地理,2009

14

福建

漳州市

龙海县牛头山

15

台湾

澎湖

大果叶

16

浙江

衢州市

17

金华市

东阳

18

台州市

大鹿岛

19

宁波市

茶院乡

20

宁波市

岔路镇

21

宁波市

花岙(读ao)岛

熔结凝灰岩

中国国家地理,2009

22

绍兴市

嵊州三门湾地区

徐松年,1995

23

江苏

南京市

六合国家地质公园

24

山东

即墨市

中国国家地理,2009

25

潍坊市

临朐

小木虫网站

26

河北

张家口市

张北县大疙瘩村

中国国家地理,2009

27

张家口市

赤城

中国国家地理,2009

28

承德市

丰宁县

中国国家地理,2009

29

内蒙古

锡林郭勒盟

太仆寺旗独石口

流纹岩

中国国家地理,2009

30

阿尔山市

柴河火山群

中国国家地理,2009

31

赤峰市

克斯克腾旗

32

呼伦贝尔市

扎兰屯市

中国国家地理,2009

33

呼伦贝尔市

鄂伦春旗

中国国家地理,2009

34

辽宁

丹东市

玄武湖

35

丹东市

宽甸县

中国国家地理,2009

36

吉林

四平市

伊通县西尖山

37

四平市

山门镇

中国国家地理,2009

38

延边州

长白山十五道沟

39

黑龙江

哈尔滨市

延寿

中国国家地理,2009

40

伊春市

伊春区?

中国国家地理,2009

41

广西

梧州市

岑溪市大业镇

花岗斑岩

黄云清等,2013

2)几何形态特征

在见过多处这种石头柱子后,旅行者可能会发现不同地方的柱子大小不一样,或者站立角度也不一样,有的是垂直于地面的,而有的是倾斜的等;断面形状也会不一样,有的是六边形居多,有的是五边形居多,还有四边形和七边形等等。或许这就是大自然的神奇之处,不同地方不一样;不同地质时代不一样;不同环境背景不一样。常言道一方水土养一方人,套用这句话就是:一方地域造就一片神奇的柱子。从科学角度看,还是因为不同的地质条件所造成的差异,直接反映出玄武岩结晶和固结发育的完好程度,这是后文将论述的,此处我们仅总结一些已经报道过的柱状玄武岩的形态差异。

在此可以归纳一下,石柱的几何形态要素大概包括:长度(length)、直径(diameter)、形状(shape)等。这里的长度指人眼所见的柱子出露长度,而难以指明柱状岩体本身的发育长度,故而对于成因对比的作用不大,仅仅代表可见长度,倒是可以一定程度反映景观的壮丽。直径也并非准确,实际上多形成多边形断面,这里直径代表多边形外切圆的直径尺寸。

袁弘道(2009)在福建漳浦县南碇岛所见的柱状玄武岩十分壮观,柱高都非常高,最长的柱子不包含水下部分,至少都62m高,比起其他地方10~40m的柱子实属不同。跟它们形成的地质背景条件有关,通常矮一点的都是流淌的熔岩形成的,而这种可能是在火山通道(火山颈)形成的。而在这个岛上的约140万根柱子,其断面为直径25~875px的六边形、五边形和四边形组成。几乎垂直于海面,像樵夫的捆柴一样,紧挨着整齐站立着。

而对于大型柱状节理石柱最有名的还属美国怀俄明州的Devil’sTower,不过岩性不为玄武岩了,而是岩浆岩中的一种碱性喷出岩——响岩(phonolite)。断面多为五边形(占42%)和六边形(占35%),直径2.10~2.40m,最大直径可达5m。石柱出露高度可以参考网上照片里攀爬者的身高对比,想必80m以上是有的。另外,中国浙江宁海县东屿山和石山新生代(地质年代)玄武岩石柱断面平均直径1.5m左右,最大可达2~3m,只是露头长度不大,仅3~4m左右。

对于小型柱状节理石柱,断面直径要小于625px,还是比较少见的。断面尺寸过小,抵抗风化作用的能力会偏弱,经历漫长的地质年代保存难度很大。当然,至于收缩冷凝的作用是否能形成这种小直径,在这里还无法确定。不过,在云南大理州宾川县鸡足山山腰一处庙宇背后路边,笔者却见到了四边形居多的直径大概小于750px的小石柱,岩性可能为玄武岩。

2  柱状玄武岩断面大小分类(据徐松年整理,1995

序号

类型

断面边长范围(m)

断面直径范围(m)

代表性地区

1

大型柱状节理

1

2

美国Devil’s Tower

中国浙江宁海县东屿山

2

中型柱状节理

0.25~1

0.25~2

英国Giant’s Causeway

法国奥弗涅区Rodeis

3

小型柱状节理

0.25

0.25

云南大理州宾川县鸡足山?

浙江宁海县胡陈屏山

3  柱状玄武岩构造断面形状分类(据徐松年整理,1995

序号

类型

优势断面形状

代表性地区

1

规则型柱状节理

以规则正六边形为主

英国Giant’s Causeway

,美国Devil’s Postpile

2

次规则型柱状节理

以五边形为主

美国Devil’s Tower

美国加州Dunsimuir

3

不规则型柱状节理

四边形、七边形、八边形等

浙江宁海县东屿山

9  巨人之路

(六边形为主,断面直径0.25~2.0m

10  俄罗斯库页岛

(五边形和四边形为主,断面直径未知)

11  魔鬼塔玄武岩柱

(五边形为主,断面直径2m左右)

12  衢江节理石柱

(五边形为主,断面直径30~1250px

13  云南宾川鸡足山

(四边形为主,断面直径750px

14  冰岛Jokulsarglufur国家公园

(五边形为主,断面直径未知)

3)类似形态联系

严格说柱状节理岩体并非六边形最多,但如果是在理想环境下,应属六边形最多了。这是因为熔岩在表面冷却凝固时,产生许多规则的收缩中心,其体积收缩引起岩石物质向固定的内部中心聚集,从而在垂直于等温面方向上产生张力纵裂隙,这些裂隙切割岩体,就形成了多棱柱。如果熔岩物质均匀,则聚集中心的距离相等,并且相互之间呈等腰三角形排列,于是各向相等的张应力就通过三组彼此以120°相交的张节理形成,这些张节理的切割岩体,就会形成规则的六棱柱Hilla1963Billings1972。在这里可能有人会问“为啥就刚刚是六边形呢?不可以是四边形、五边形吗?”,不知道搞晶体学的人怎么解释,但从我所获知的所谓科学常识是这样,六边形可以比较好的完整的填满整个平面,而且相同周长下所围成的面积最大,结构最为稳定。当然,四边形和三角形也可以填满,但无法保证填充“效率”最高,因而六边形具有“完全充填”和“最具效率”的双重优势。单之蔷(2009)曾联想到“最小作用能”,但我想根本原理上还需要材料学(结晶学)家帮忙解释。

15  熔岩冷凝时张力产生的六棱柱节理方式(徐松年,1995

A-平面;B-空间)

下面将从六边形这种特殊的形态出发,联想引伸到生活中常见的这种形态。当然,后面所讲的形态更侧重平面分布,而是否在空间形成了“六棱柱”却没有完全吻合。这里只为了突出六棱柱的断面六边形神奇,是否在形成过程中也有类似参考性还没有给予明确答案。

晶体(crystal):晶体是内部质点在三维空间上呈周期性平移重复排列而形成格子构造的固体。能形成六棱柱的矿物晶体有几种,常见的是六方晶系,其中一种矿物叫“绿柱石”(Beryl),属于环状硅酸盐矿物亚类(李胜荣,2008。化学成分Be3Al2[Si6O18],主要产于花岗伟晶岩、云英岩及高温热液脉中。其中色泽美丽且无暇者为高档宝石原料,深蓝色者称为深蓝宝石,碧绿苍翠者称为祖母绿,是一种极珍贵的宝石。

蜂房(hive):这里蜂房具体突出蜂窝结构(Cellular Structure),是覆盖二维平面的最佳拓扑结构。是由一个个正六角形单房、房口全朝下或朝向一边、背对背对称排列组合而成的一种结构. 这种结构有着优秀的几何力学性能,因此在材料学科用有广泛应用。等量原料,使蜂巢具有最大的容积,是一种最经济的空间架构。18世纪初,法国天文学家马拉尔地(Maraldi)测量了许多蜂巢,发现每个蜂巢的孔洞和底部都是正六稜柱状。

15  六方柱绿柱石晶体(网络图片)

16  蜂房(网络图片)

雪花(snowflake:雪花形成的时候,大气里水气是饱和的,温度则在摄氏零度以下。微细的冰晶会渐渐围绕着凝结核结晶。由于冰晶的基本模式是六角棱体,大部份冰晶的雏形都是六角形的。当更多的水分子与冰晶结合后,由第一个六角形开始保持冰晶的形状继续向外生长。雪晶的六角形状能细分为两大类,一是片状,另一类是柱状。我们经常看到比较美丽的雪花便是那些六边对称的片状雪晶。它们通常会在温度介乎摄氏零下五度至零下二十度之间形成,柱状雪花包括了针状和中空柱状,针状雪晶在温度介乎摄氏零度至摄氏零下五度形成,中空柱状在是低于摄氏零下二十度形成。不过据网络信息,英国伯恩茅斯的化学教师Andy Brunning,研究绘出了一个信息表图来展示这些不同形状,并非完全都是六边形,这张图展示了39种雪花的形状及对应名字,39种雪花可以细分为121种。而在雪花形成过程,俄罗斯Vyacheslav Ivanov 通过显微镜,拍摄了2分钟的“微延时”短片来揭示六边形冰晶的形成过程。

北京水立方(Water Cube):位于北京奥林匹克公园内,是北京为2008年夏季奥运会修建的主游泳馆,也是2008年北京奥运会标志性建筑物之一。它的设计方案,是经全球设计竞赛产生的“水的立方”([H2O]3)方案。是一个177m×177m的立方体建筑,高31m。建筑立面遵循严格的几何规则,立面上的不同形状有11种,一般多见不规则六边形、五边形和四边形居多。“水立方”在国内首次采用ETFE(乙烯-四氟乙烯共聚物)结构,包裹整个建筑的ETFE 膜结构共由3000多个气枕组成,覆盖面积达到10万平方米,展开面积达26万平方米,这是国际上建筑面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统。

17  雪花(网络图片)

18  北京水立方游泳馆(网络图片)

格构(lattice):格构混凝土护坡就是用砼(读tong,混凝土的意思)或者钢筋砼,用梁的形式将土质边坡表面,做成花格,格子中间种植草皮,以保证边坡的稳定性。若土质极其不稳定时,有些格构混凝土下边,可能采用锚杆锚固,保证钢筋砼梁的稳固。

墙面砖(wall tile):墙面砖适用于洗手间、厨房、室外阳台的立面装饰。贴墙砖是保护墙面免遭水溅的有效途径,也是一种有趣的装饰元素。用于踢脚线处的装饰墙砖,即美观有保护墙基不易被鞋或桌椅凳脚能脏。用于水池和浴室的瓷砖,要美观、防潮和耐磨兼顾。

19  湖北钟祥护坡格构(陈仁全摄,2017

20  装饰墙面砖(网络图片)

下篇:从何而来,有何影响

主要内容:形成地质条件、若干机理假说、工程建设影响。待写!


致谢和参考资料,在下篇一并给出。

另外,文档复制到网页后格式变化很大,真心不爽!不爽!



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