火山的建筑奇迹

“鳞次栉比”这个词常被用来形容一些排列十分有规则并形成一定规模的事物，如城市整齐的街道、林立的高楼大厦等等；然而，假如用它来描述地质学上的柱状节理现象，就未免显得太过单薄了。作为一种鬼斧神工般的大自然奇观，柱状节理是很难用言语来描述的。

　　在地质学中，节理是指岩石在自然条件下形成的裂纹或者裂缝，其两侧的岩石没有发生明显位移。所谓柱状节理，是指岩石呈柱状或火柴状，柱体横截面呈四边形、五边形、六边形甚至七边形，并且这些柱体紧密排列在一起的地质现象。

　　柱状节理在世界七大洲均有分布，人类的探测器在火星和金星等行星上也发现了柱状节理。作为共性，它们都是火山作用的产物。

　　巨人之路和魔鬼塔

　　巨人之路

　　英国北爱尔兰安特里姆平原边缘，在由玄武岩构成的悬崖下，沿着海岸大约由4万多根巨柱组成了贾恩茨考斯韦角。这些大小均匀的玄武岩石柱聚集成一条绵延数千米的堤坝，被视为世界自然奇迹（图1）。该奇迹是由在第三纪不断喷发的火山所形成的：一股股玄武岩熔流涌出地面，冷却后收缩形成六边或四边、五边形的棱柱。

　　巨人之路，又被称为“巨人堤”或“巨人岬”，起源于爱尔兰的民间传说。其中的一种说法是：巨人之路是由爱尔兰巨人芬·麦库尔建造而成的。他把岩柱一个又一个地移到海中，以便走到苏格兰，与对手芬·盖尔交战。堤道快完工时，麦库尔决定休息一会儿。与此同时，他的对手芬·盖尔正穿越爱尔兰而来，以估量一下自己即将面对的对手。结果芬·盖尔与熟睡中的麦库尔不期而遇。他被对手那巨大的身躯吓坏了。麦库尔的妻子骗芬·盖尔说，熟睡中的巨人其实只是麦库尔的孩子。闻听此言，芬·盖尔更加慌张：麦库尔的小孩都如此巨大，那麦库尔本人该是怎样的庞然大物。他匆忙撤回苏格兰，并沿途将麦库尔建好的堤道破坏掉。这也是堤道的残余仅限于安特里姆海岸上的原因所在。

　　关于巨人之路的另一种说法是：爱尔兰国王军的指挥官巨人芬·麦库尔力大无穷，一次在同苏格兰巨人的打斗中，他随手拾起一块石头，掷向逃跑的对手。石头落入大海，就成了今日的巨人岛。后来，他爱上了住在内赫布里底群岛的巨人姑娘，为了迎接爱人的到来，他才建造了这样一条堤道。种种传说，无疑增加了巨人之路的神秘色彩。

　　魔鬼塔

　　美国西部怀俄明州东北部，临贝尔富什河附近草木葱茏的丘陵上，矗立着一座巨型圆柱体岩石，那就是著名的美国国家名胜之一——魔鬼塔（图2）。1906年，美国在此处建起了第一个国家公园。

　　魔鬼塔是在大约6500万年前由火山喷发形成的。

　　关于这个地方，也有一个传说。古时，7位女孩和她们的兄弟在附近玩耍时，男孩突然变成熊，并追赶女孩子。7位女孩躲避之中爬上岩石，结果岩石开始长高。熊想要追上她们，于是顺着岩石奋力向上爬，把岩石刮出一道道爪痕。女孩站在不断增高的岩石顶上，最后变成了星星，也就是著名的北斗七星。

　　近年来，攀登魔鬼塔在美国成为一项非常流行的运动。魔鬼塔四周遍布着各式各样的攀登线路，这些路线的难度不一，有些是世界上知名的挑战性路线。当地独特的地质现象还受到了影视大腕们的青睐，美国著名导演斯皮尔伯格执导的影片《第三类接触》曾把魔鬼塔当作外星人的集结地点。

　　世界知名的柱状节理不胜枚举，其中较为著名的还有：以色列/叙利亚戈兰高地的六角池、意大利的巨岛、韩国济州岛的柱状节理带、苏格兰斯塔法岛的芬格尔洞、亚美尼亚加尼谷、印度孟买吉尔伯特山、美国加利福尼亚州魔鬼岩柱堆、冰岛斯卡夫塔费德国家公园，等等，这些柱状节理都以规模宏大闻名于世。

　　我国的柱状节理

　　我国的火山资源十分丰富，吉林长白山天池火山、云南腾冲火山、黑龙江五大连池火山都是著名的活火山；黑龙江镜泊湖火山、吉林龙岗火山、内蒙古阿尔山火山、琼北火山全新世以来均有过喷发。

　　另外，我国的其他省份和地区，如浙江省、四川峨眉山地区、福建漳州等地，也有大面积的火山岩分布。在这些火山岩中，地质学家也发现了大量的柱状节理。

　　云南省腾冲县龙川江畔的玄武岩柱状节理，被当地人形象地称为“神柱”。那里的地质奇观总面积达2平方千米，是我国迄今为止发现的形状最奇特、保存最完整的柱状节理群之一，对研究火山岩浆生成和地质构造具有重要科学价值。

　　在腾冲县鸭乌山，分布着一些熔结凝灰岩柱状节理。如果说，“神柱”闻名于世是由于它的规模宏大、气势凌人；那么，鸭乌山的熔结凝灰岩柱状节理则完全迥异于其他地方的柱状节理，小巧玲珑，雕梁画柱，又似孔雀开屏。

　　关于柱状节理的科学研究

　　柱状节理的早期发现历史，人们尚不完全清楚，只能从神话传说中寻找答案。不过，我们可以从近现代的文字记录中寻找到人们对柱状节理成因的探寻过程。对柱状节理最早的科学讨论，要追溯到17世纪：有关巨人之路的报道首现于英国皇家学会，此后，人们便开始了对这种令人难以置信的、具有高度自组织性和对称性的地质景观的科学探索。随后，世界各地都发现了这种独特的地质构造。

　　对于玄武岩柱状节理的成因，学术界早在18世纪就有过持久的辩论。1804年，瓦茨提出，“熔融状态的岩浆围绕一系列独立的中心固结，形成巨大的塑性球体。当这些球体受到挤压作用时，会形成典型的六边形对称形态”。马莱则在1875年提出，柱状节理起因于冷却熔岩热收缩引起的应力，这是非常有说服力的。之后，地质学家用各种模型解释这种自然现象的形成原因，并形成了两大主流观点——冷却收缩学说和对流学说。

　　冷却收缩学说

　　这种成因的观点是从玄武岩冷凝过程中岩体的破裂为出发点，考虑物理环境和冷凝面的发展。

　　一般学者认为，理想的柱状节理的产生，源于熔岩流的两个冷凝面：一为顶部冷凝面，一为底部冷凝面。从柱状节理的纵剖面分析，熔岩的热量散失是从中心向顶部、底部方向进行的，而熔岩流的冷却方向是从顶部、底部向中心冷却。伴随着这种冷却过程，会从顶部、底部产生连续的节理面，指向熔岩流的中心，并在熔岩流的中部偏下位置汇合。其次，从熔岩流的横向剖面分析，熔岩流冷却过程中，在冷凝面上会形成许多的收缩中心，体积收缩引起岩石物质向固定的内部中心聚集，从而在垂直于等温线方向上产生张力纵裂隙，这些裂隙切割岩体，就形成多面柱体。如果岩石内部的结构是均质的，则收缩中心之间的距离相等，并相互呈等腰三角形排列，于是各向相等的张应力就以120°相交的节理面的形成而解除，这些张节理切割岩体，就形成规则的六面柱体。不过，在实际的自然环境中，柱状节理形成时，受到的外界影响因素颇多，并且岩石内部的局部是非均质性的，由此会导致收缩面与收缩中心的距离加长或者缩短，形成不规则的柱列断面。

　　我们知道，软泥干燥后所形成的泥裂也是由于收缩引起的，很多地质学家将泥裂与柱状节理类比得出柱状节理的形成机制。在冷却收缩学说的初期，人们尝试将这两种现象进行类比研究。这种冷却收缩学说在玄武岩柱状节理的形成机制上占据了主导地位，很多学者通过自己的实际观察和实验对其进行修正，使之更为完善。

　　对流学说

　　1912年，索斯曼提出，这些柱状体的成因是六边形对流单元系统的产物。他还利用蜡或油脂在平盘上面进行了实验。在19世纪70年代，双扩散对流假说诞生：当液体内部温度不均匀而存在温度梯度、且成分不均匀而存在浓度梯度时，这两种扩散机制（热扩散和溶质扩散）将导致双对流扩散现象产生。在熔融的玄武岩岩浆中，热量是一种扩散机制，化学成分也是一种扩散机制。坎塔在1981年提出了柱状节理的“双扩散对流”成因机制，并利用前人对魔鬼小路柱状节理的岩石化学分析数据作为证据，提出“熔岩指”的概念，并对其进行了阐述。这种假说认为，在熔融状态的玄武岩内部，存在着化学成分的微小差异，正是这种差异导致众多“熔岩指”的形成。这种在熔融状态下呈“指状”的流动特征是一种复杂的流变现象。在熔岩不断冷却的过程中，这种“熔岩指”之间产生了应力条件，从而形成了我们看到的柱状节理。

　　在家“创造”柱状节理

　　其实，柱状节理并不神秘，在自家的厨房中，你就可以“创造”出柱状节理。加拿大多伦多大学的非线性实验小组将50:50的玉米淀粉与水的混合物放入咖啡杯中，并将这种混合物放在强光之下长时间照射（可能需要连续照射长达1周）直至其干涸。在这个实验中，水扮演了热量提供者的角色。当实验者小心地将杯中物质敲破，其芯部出现了奇迹：缩小了1000倍的“淀粉版”柱状节理诞生了（图3）！这样得到的实验结果与玄武岩的柱状节理在形态上非常相似。这个实验室于是宣布，他们已经找到玄武岩内出现柱状节理的成因。当然，这个结果与我们看到的真实的玄武岩柱状节理还有一定差距，但这已经足够令人兴奋。

　　以上我们浏览了地球上若干具有代表性的柱状节理的壮美景观，了解了与柱状节理形成过程有关的科学原理，甚至还人为“重现”了这些奇迹。然而，科学的探索是永无止境的，对于柱状节理，还有很多谜团等待着人们去解开。

　　 本文配图见中插

　　 【责任编辑】赵 菲