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（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。

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“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。

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（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。

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。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（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。

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）

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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”（columnar jointing in poned basalt），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（fissure eruption，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（central eruption）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”（large igneous province, 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”（The concretion hypothesis），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”（The convection hypothesis），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”（The hypothesis of contraction during cooling），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（Basalt Waste Isolation Project，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/Columbia River Basalt Group，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（The Near Surface Test Facility）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2~3 m，直径为13~25 cm，岩石呈灰黑色，其内微裂隙发育，岩块直径为5 cm 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0.5~2.0 m，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10 cm 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100 MPa 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51.6 GPa。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)

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本文来自

陈仁全科学网博客

编〡龙猫

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