陳正全 魏海泉

“鱗次櫛比”這個詞常被用來形容一些排列十分有規(guī)則并形成一定規(guī)模的事物，如城市整齊的街道、林立的高樓大廈等等；然而，假如用它來描述地質(zhì)學(xué)上的柱狀節(jié)理現(xiàn)象，就未免顯得太過單薄了。作為一種鬼斧神工般的大自然奇觀，柱狀節(jié)理是很難用言語來描述的。

在地質(zhì)學(xué)中，節(jié)理是指巖石在自然條件下形成的裂紋或者裂縫，其兩側(cè)的巖石沒有發(fā)生明顯位移。所謂柱狀節(jié)理，是指巖石呈柱狀或火柴狀，柱體橫截面呈四邊形、五邊形、六邊形甚至七邊形，并且這些柱體緊密排列在一起的地質(zhì)現(xiàn)象。

柱狀節(jié)理在世界七大洲均有分布，人類的探測器在火星和金星等行星上也發(fā)現(xiàn)了柱狀節(jié)理。作為共性，它們都是火山作用的產(chǎn)物。

巨人之路和魔鬼塔

巨人之路

英國北愛爾蘭安特里姆平原邊緣，在由玄武巖構(gòu)成的懸崖下，沿著海岸大約由4萬多根巨柱組成了賈恩茨考斯韋角。這些大小均勻的玄武巖石柱聚集成一條綿延數(shù)千米的堤壩，被視為世界自然奇跡（圖1）。該奇跡是由在第三紀(jì)不斷噴發(fā)的火山所形成的：一股股玄武巖熔流涌出地面，冷卻后收縮形成六邊或四邊、五邊形的棱柱。

巨人之路，又被稱為“巨人堤”或“巨人岬”，起源于愛爾蘭的民間傳說。其中的一種說法是：巨人之路是由愛爾蘭巨人芬·麥庫爾建造而成的。他把巖柱一個又一個地移到海中，以便走到蘇格蘭，與對手芬·蓋爾交戰(zhàn)。堤道快完工時，麥庫爾決定休息一會兒。與此同時，他的對手芬·蓋爾正穿越愛爾蘭而來，以估量一下自己即將面對的對手。結(jié)果芬·蓋爾與熟睡中的麥庫爾不期而遇。他被對手那巨大的身軀嚇壞了。麥庫爾的妻子騙芬·蓋爾說，熟睡中的巨人其實只是麥庫爾的孩子。聞聽此言，芬·蓋爾更加慌張：麥庫爾的小孩都如此巨大，那麥庫爾本人該是怎樣的龐然大物。他匆忙撤回蘇格蘭，并沿途將麥庫爾建好的堤道破壞掉。這也是堤道的殘余僅限于安特里姆海岸上的原因所在。

關(guān)于巨人之路的另一種說法是：愛爾蘭國王軍的指揮官巨人芬·麥庫爾力大無窮，一次在同蘇格蘭巨人的打斗中，他隨手拾起一塊石頭，擲向逃跑的對手。石頭落入大海，就成了今日的巨人島。后來，他愛上了住在內(nèi)赫布里底群島的巨人姑娘，為了迎接愛人的到來，他才建造了這樣一條堤道。種種傳說，無疑增加了巨人之路的神秘色彩。

魔鬼塔

美國西部懷俄明州東北部，臨貝爾富什河附近草木蔥蘢的丘陵上，矗立著一座巨型圓柱體巖石，那就是著名的美國國家名勝之一——魔鬼塔（圖2）。1906年，美國在此處建起了第一個國家公園。

魔鬼塔是在大約6500萬年前由火山噴發(fā)形成的。

關(guān)于這個地方，也有一個傳說。古時，7位女孩和她們的兄弟在附近玩耍時，男孩突然變成熊，并追趕女孩子。7位女孩躲避之中爬上巖石，結(jié)果巖石開始長高。熊想要追上她們，于是順著巖石奮力向上爬，把巖石刮出一道道爪痕。女孩站在不斷增高的巖石頂上，最后變成了星星，也就是著名的北斗七星。

近年來，攀登魔鬼塔在美國成為一項非常流行的運(yùn)動。魔鬼塔四周遍布著各式各樣的攀登線路，這些路線的難度不一，有些是世界上知名的挑戰(zhàn)性路線。當(dāng)?shù)鬲?dú)特的地質(zhì)現(xiàn)象還受到了影視大腕們的青睞，美國著名導(dǎo)演斯皮爾伯格執(zhí)導(dǎo)的影片《第三類接觸》曾把魔鬼塔當(dāng)作外星人的集結(jié)地點(diǎn)。

世界知名的柱狀節(jié)理不勝枚舉，其中較為著名的還有：以色列/敘利亞戈蘭高地的六角池、意大利的巨島、韓國濟(jì)州島的柱狀節(jié)理帶、蘇格蘭斯塔法島的芬格爾洞、亞美尼亞加尼谷、印度孟買吉爾伯特山、美國加利福尼亞州魔鬼巖柱堆、冰島斯卡夫塔費(fèi)德國家公園，等等，這些柱狀節(jié)理都以規(guī)模宏大聞名于世。

我國的柱狀節(jié)理

我國的火山資源十分豐富，吉林長白山天池火山、云南騰沖火山、黑龍江五大連池火山都是著名的活火山；黑龍江鏡泊湖火山、吉林龍崗火山、內(nèi)蒙古阿爾山火山、瓊北火山全新世以來均有過噴發(fā)。

另外，我國的其他省份和地區(qū)，如浙江省、四川峨眉山地區(qū)、福建漳州等地，也有大面積的火山巖分布。在這些火山巖中，地質(zhì)學(xué)家也發(fā)現(xiàn)了大量的柱狀節(jié)理。

云南省騰沖縣龍川江畔的玄武巖柱狀節(jié)理，被當(dāng)?shù)厝诵蜗蟮胤Q為“神柱”。那里的地質(zhì)奇觀總面積達(dá)2平方千米，是我國迄今為止發(fā)現(xiàn)的形狀最奇特、保存最完整的柱狀節(jié)理群之一，對研究火山巖漿生成和地質(zhì)構(gòu)造具有重要科學(xué)價值。

在騰沖縣鴨烏山，分布著一些熔結(jié)凝灰?guī)r柱狀節(jié)理。如果說，“神柱”聞名于世是由于它的規(guī)模宏大、氣勢凌人；那么，鴨烏山的熔結(jié)凝灰?guī)r柱狀節(jié)理則完全迥異于其他地方的柱狀節(jié)理，小巧玲瓏，雕梁畫柱，又似孔雀開屏。

關(guān)于柱狀節(jié)理的科學(xué)研究

柱狀節(jié)理的早期發(fā)現(xiàn)歷史，人們尚不完全清楚，只能從神話傳說中尋找答案。不過，我們可以從近現(xiàn)代的文字記錄中尋找到人們對柱狀節(jié)理成因的探尋過程。對柱狀節(jié)理最早的科學(xué)討論，要追溯到17世紀(jì)：有關(guān)巨人之路的報道首現(xiàn)于英國皇家學(xué)會，此后，人們便開始了對這種令人難以置信的、具有高度自組織性和對稱性的地質(zhì)景觀的科學(xué)探索。隨后，世界各地都發(fā)現(xiàn)了這種獨(dú)特的地質(zhì)構(gòu)造。

對于玄武巖柱狀節(jié)理的成因，學(xué)術(shù)界早在18世紀(jì)就有過持久的辯論。1804年，瓦茨提出，“熔融狀態(tài)的巖漿圍繞一系列獨(dú)立的中心固結(jié)，形成巨大的塑性球體。當(dāng)這些球體受到擠壓作用時，會形成典型的六邊形對稱形態(tài)”。馬萊則在1875年提出，柱狀節(jié)理起因于冷卻熔巖熱收縮引起的應(yīng)力，這是非常有說服力的。之后，地質(zhì)學(xué)家用各種模型解釋這種自然現(xiàn)象的形成原因，并形成了兩大主流觀點(diǎn)——冷卻收縮學(xué)說和對流學(xué)說。

冷卻收縮學(xué)說

這種成因的觀點(diǎn)是從玄武巖冷凝過程中巖體的破裂為出發(fā)點(diǎn)，考慮物理環(huán)境和冷凝面的發(fā)展。

一般學(xué)者認(rèn)為，理想的柱狀節(jié)理的產(chǎn)生，源于熔巖流的兩個冷凝面：一為頂部冷凝面，一為底部冷凝面。從柱狀節(jié)理的縱剖面分析，熔巖的熱量散失是從中心向頂部、底部方向進(jìn)行的，而熔巖流的冷卻方向是從頂部、底部向中心冷卻。伴隨著這種冷卻過程，會從頂部、底部產(chǎn)生連續(xù)的節(jié)理面，指向熔巖流的中心，并在熔巖流的中部偏下位置匯合。其次，從熔巖流的橫向剖面分析，熔巖流冷卻過程中，在冷凝面上會形成許多的收縮中心，體積收縮引起巖石物質(zhì)向固定的內(nèi)部中心聚集，從而在垂直于等溫線方向上產(chǎn)生張力縱裂隙，這些裂隙切割巖體，就形成多面柱體。如果巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是均質(zhì)的，則收縮中心之間的距離相等，并相互呈等腰三角形排列，于是各向相等的張應(yīng)力就以120°相交的節(jié)理面的形成而解除，這些張節(jié)理切割巖體，就形成規(guī)則的六面柱體。不過，在實際的自然環(huán)境中，柱狀節(jié)理形成時，受到的外界影響因素頗多，并且?guī)r石內(nèi)部的局部是非均質(zhì)性的，由此會導(dǎo)致收縮面與收縮中心的距離加長或者縮短，形成不規(guī)則的柱列斷面。

我們知道，軟泥干燥后所形成的泥裂也是由于收縮引起的，很多地質(zhì)學(xué)家將泥裂與柱狀節(jié)理類比得出柱狀節(jié)理的形成機(jī)制。在冷卻收縮學(xué)說的初期，人們嘗試將這兩種現(xiàn)象進(jìn)行類比研究。這種冷卻收縮學(xué)說在玄武巖柱狀節(jié)理的形成機(jī)制上占據(jù)了主導(dǎo)地位，很多學(xué)者通過自己的實際觀察和實驗對其進(jìn)行修正，使之更為完善。

對流學(xué)說

1912年，索斯曼提出，這些柱狀體的成因是六邊形對流單元系統(tǒng)的產(chǎn)物。他還利用蠟或油脂在平盤上面進(jìn)行了實驗。在19世紀(jì)70年代，雙擴(kuò)散對流假說誕生：當(dāng)液體內(nèi)部溫度不均勻而存在溫度梯度、且成分不均勻而存在濃度梯度時，這兩種擴(kuò)散機(jī)制（熱擴(kuò)散和溶質(zhì)擴(kuò)散）將導(dǎo)致雙對流擴(kuò)散現(xiàn)象產(chǎn)生。在熔融的玄武巖巖漿中，熱量是一種擴(kuò)散機(jī)制，化學(xué)成分也是一種擴(kuò)散機(jī)制?？菜?981年提出了柱狀節(jié)理的“雙擴(kuò)散對流”成因機(jī)制，并利用前人對魔鬼小路柱狀節(jié)理的巖石化學(xué)分析數(shù)據(jù)作為證據(jù)，提出“熔巖指”的概念，并對其進(jìn)行了闡述。這種假說認(rèn)為，在熔融狀態(tài)的玄武巖內(nèi)部，存在著化學(xué)成分的微小差異，正是這種差異導(dǎo)致眾多“熔巖指”的形成。這種在熔融狀態(tài)下呈“指狀”的流動特征是一種復(fù)雜的流變現(xiàn)象。在熔巖不斷冷卻的過程中，這種“熔巖指”之間產(chǎn)生了應(yīng)力條件，從而形成了我們看到的柱狀節(jié)理。

在家“創(chuàng)造”柱狀節(jié)理

其實，柱狀節(jié)理并不神秘，在自家的廚房中，你就可以“創(chuàng)造”出柱狀節(jié)理。加拿大多倫多大學(xué)的非線性實驗小組將50:50的玉米淀粉與水的混合物放入咖啡杯中，并將這種混合物放在強(qiáng)光之下長時間照射（可能需要連續(xù)照射長達(dá)1周）直至其干涸。在這個實驗中，水扮演了熱量提供者的角色。當(dāng)實驗者小心地將杯中物質(zhì)敲破，其芯部出現(xiàn)了奇跡：縮小了1000倍的“淀粉版”柱狀節(jié)理誕生了（圖3）！這樣得到的實驗結(jié)果與玄武巖的柱狀節(jié)理在形態(tài)上非常相似。這個實驗室于是宣布，他們已經(jīng)找到玄武巖內(nèi)出現(xiàn)柱狀節(jié)理的成因。當(dāng)然，這個結(jié)果與我們看到的真實的玄武巖柱狀節(jié)理還有一定差距，但這已經(jīng)足夠令人興奮。

以上我們?yōu)g覽了地球上若干具有代表性的柱狀節(jié)理的壯美景觀，了解了與柱狀節(jié)理形成過程有關(guān)的科學(xué)原理，甚至還人為“重現(xiàn)”了這些奇跡。然而，科學(xué)的探索是永無止境的，對于柱狀節(jié)理，還有很多謎團(tuán)等待著人們?nèi)ソ忾_。

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【責(zé)任編輯】趙 菲