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柱状节理为何多为六边形:冷却面决定柱轴方向

崖壁上立着一排排石柱,横截面多是六边形,常被说成人造砌体。它们不是砌上去的,是熔岩冷却收缩时被张应力切开的,柱轴永远垂直于冷却面,这一条比形状更能说明问题。

先看截面:五边形与六边形占多数,内角接近 120 度

在水平面上看,柱体截面以六边形为主,五边形次之,四边形与七边形少见。六边形内角 120 度,三条柱面交于一条棱,棱线平行柱轴,柱面常有间距 1–5 厘米的水平收缩横纹。

为什么是六边形:冷却收缩在平面上产生近均匀的张应力,多边形中以六边形的边长总和最小,耗能最省,于是成为最常见的稳态。柱体越规则、柱数越多,说明冷却越均匀,应力场越少受围岩干扰。

再看柱径:20–50 厘米为主,冷却慢的柱更粗

柱径与冷却速率成反比。冷却慢,收缩应力作用的范围大,柱就粗;冷却快,应力来不及传递,柱就细。熔岩流中部柱径常见 20–50 厘米,近地表与近底面只有 5–15 厘米,柱长 5–30 米,柱间缝隙常不足 1 厘米。

这一规律可用来判断观察点位置。站在一层熔岩流剖面前,粗柱在中、细柱在上下,说明看到的是原生厚度;若整层都是细柱,可能只看到流的上部,下部被掩埋或已被剥蚀。

最硬的判据是柱轴方向:垂直冷却面,据此还原产状

柱轴永远垂直等温面。熔岩流中的等温面近水平,柱轴直立;岩床的等温面是上下两个面,柱轴也近直立;岩脉的等温面是两侧围岩面,柱轴水平且垂直脉壁。

因此柱轴方向就是产状计,比柱径更适合推向原始产状。看到水平柱轴,说明附近有近直立的冷却面,多半是岩脉或火山颈的边缘;看到放射状柱轴,说明冷却面是通道的圆柱面。本文判断:柱轴比柱径更适合推产状,因为它不受成分影响。

混进来的是黄土柱状构造与短柱状风化

黄土与火山灰中的柱状节理由脱水收缩形成,柱径只有 3–15 厘米,柱面粗糙,常见于黄土崖。盐风化也能把砂岩切成柱状,柱面有盐晶与蜂窝状凹坑,敲下即碎,柱体短而弯曲。

还有一类是柱状节理叠加球状风化,柱体被切成一段段短柱,端面圆钝。本文判断:短柱端面圆钝、段长 0.5–2 米的,是节理加风化,不是原生柱,不能用来量柱径与柱长,原生柱的端面是平整多边形。

关键数据

下列数值为常见范围,成分从玄武岩变到安山岩时柱径整体偏小。本文判断:柱径只反映冷却速率的量级,不能反推绝对年代或埋深。

  • 柱状节理截面以六边形为主,六边形内角 120 度
  • 熔岩流中部柱径常见 20–50 厘米
  • 近地表与近底面的柱径 5–15 厘米
  • 柱长 5–30 米,柱轴垂直冷却面
  • 柱面水平收缩横纹间距 1–5 厘米
  • 岩脉中柱轴水平,且垂直脉壁
  • 黄土柱状节理柱径仅 3–15 厘米
  • 短柱段长 0.5–2 米时多为节理叠加风化

边界:多期冷却与成分变化会让柱径规律失灵

边界出现在多期冷却的岩体。同一岩体先后冷却两次,会形成两套柱状节理,交角 30–90 度,柱体被切成菱形块,此时不能用单套柱轴还原产状,必须分清哪套先形成,柱径与柱长都要重新量。

另一处边界是柱径与成分的关系。安山岩、流纹岩也能形成柱状节理,柱径偏小且不规则;成分变化会改变热膨胀系数与黏度,柱径不再只由冷却速率决定。本文判断:柱径小于 10 厘米且排列散乱的,应先查成分,再谈冷却速率。

参考文献

  • 路凤香, 桑隆康 主编.《岩石学》. 地质出版社, 2002. —— 岩浆岩的原生构造与节理。
  • Philpotts A. R., Ague J. J. Principles of Igneous and Metamorphic Petrology. 2nd ed. Cambridge University Press, 2009. —— 冷却收缩与柱状节理成因。
  • Nesse W. D. Introduction to Mineralogy. Oxford University Press, 2000. —— 热应力与破裂几何。
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文章名称:柱状节理为何多为六边形:冷却面决定柱轴方向
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