国家地理旅行者

似⿁斧神⼯，成地质奇观——记那些神奇的⽯头柱⼦

■陈仁全科学⽹微博

引

Lead

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'sCauway）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。

图1(左)英国巨⼈之路（付维莉摄，2012）

图2(右)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（columnarjointingstructure）。

●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（magmaticrock，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’sCauway）、美国怀俄明州魔⿁塔（Devil’sTower）、美国加利福利亚州魔⿁柱

（Devil’sPostpile）、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。

图3(左)美国魔⿁塔（维基百科，2005）

图3(左)美国魔⿁塔（维基百科，2005）

图4(右)美国魔⿁柱（维基百科，1997）

图5(左)韩国济州岛西归浦市（⽹络图⽚）

图6(右)南京六合⽠埠⼭（蒲公英新浪博客，2013）

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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“Listofplaceswithcolumnarjointed

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。

图7中国⽕⼭岩柱状节理地理分布图（中国国家地理，2009）

图8世界⽕⼭岩省分布图（⽹络图⽚）

表1国内柱状节理构造岩体地理分布统计（陈仁全整理，2017）

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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

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。

表2柱状⽞武岩断⾯⼤⼩分类（据徐松年整理，1995）

表3柱状⽞武岩构造断⾯形状分类（据徐松年整理，1995）

图9(左)巨⼈之路（六边形为主，断⾯直径0.25~2.0m）

图10(右)俄罗斯库页岛（五边形和四边形为主，断⾯直径未知）

图11(左)魔⿁塔⽞武岩柱（五边形为主，断⾯直径2m左右）

图12(右)衢江节理⽯柱（五边形为主，断⾯直径30~1250px）

图13(左)云南宾川鸡⾜⼭（四边形为主，断⾯直径750px）

图14(右)冰岛Jokulsarglufur国家公园（五边形为主，断⾯直径未知）

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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（Hilla，1963；Billings，1972）。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。

图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（CellularStructure），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。

图15(左)六⽅柱绿柱⽯晶体（⽹络图⽚）

图16(右)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。

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AndyBrunning，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

VyacheslavIvanov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（WaterCube）：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膜（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。

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（walltile）：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。

图17(左)雪花

图18(右)北京⽔⽴⽅游泳馆

图19(左)湖北钟祥护坡格构（陈仁全摄，2017）

图20(右)装饰墙⾯砖（⽹络图⽚）

图20(右)装饰墙⾯砖（⽹络图⽚）

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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”（columnarjointinginponedbasalt），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（fissureeruption，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（centraleruption）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”（largeigneousprovince,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。

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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”（Theconcretionhypothesis），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”（Theconvectionhypothesis），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”（Thehypothesisof

contractionduringcooling），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。

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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（BasaltWasteIsolationProject，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/ColumbiaRiverBasaltGroup，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（TheNear

SurfaceTestFacility）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2~3m，直径为13~25cm，岩⽯呈灰⿊⾊，其内微裂

隙发育，岩块直径为5cm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0.5~2.0m，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10cm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100MPa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51.6GPa。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。

END

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(略)

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]DavisGH,uralGeologyofRocksandRegions[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.

本⽂来⾃

陈仁全科学⽹博客

编〡龙猫

完