柱状节理

柱状节理（Columnar 节理）是发育于火山岩中的一种原生张性破裂构造，尤其以发育于玄武岩中的最为完好和典型，因此一般所称的柱状节理构造，均专指玄武岩柱状节理构造。柱状节理并非为玄武岩所特有，发育在玄武岩以外的其它岩类中的柱状节理构造，泛指为“非玄武岩”柱状节理构造。柱状节理总是垂直于冷却面发育，有多种产状，基本排列方式有垂直、平卧、斜立等。其断面形态有四边形、五边形、六边形、七边形等。

柱状节理的形成取决于岩浆流动冷却时的状态，因此熔岩流需满足以下条件：熔岩流具有一定厚度，熔岩流到地面不能接触水体，岩浆成分要相对均一，岩浆均匀冷却。柱状节理的形成原因主要有“冷却收缩说”和“双扩散对流作用说”。全球玄武岩柱状节理主要分布在苏格兰-北大西洋和印度德干高原及邻近的印度洋，非洲、巴西、西伯利亚地区、中国、美国等地。非玄武岩柱状节理主要分布在美国、俄罗斯、加拿大、德国、中国等地。中原地区的玄武岩柱状节理主要分布在云南省、贵州省、四川省等西南诸省，非玄武岩柱状节理主要分布在浙江省、甘肃省、新疆、海南省等省。

柱状节理的科学研究具有广泛的运用，在火山学、白鹤滩水电站拱坝设计、柱状节理玄武岩工程建设等的研究中有重要的应用价值。柱状节理因其地貌景观与自然风光的独特性常被开发为旅游景区、世界地质公园或火山公园。其中较为著名的有北爱尔兰的“巨人台阶”景区（Giant's Causewaay）、美国“魔鬼柱堆”国家公园（Devil's Postpile National Park）、中国江苏“桂子山石柱林”景区等。

名称来源

柱状节理因若干走向不同的节理将岩石切割多边形柱状体而得名。其英文名称“Columnarjoint”中的“columnar”意为“具有柱状形态的、与柱子有关的”，源自晚期拉丁语 “columnaris”，而“joint”意为“将骨头连接在一起的关节”，源自古法语“joint ”。

主要特征

柱状节理总是垂直于冷却面发育，因为冷却收缩总是从冷却面开始逐渐扩展开的。在静态冷却条件下，冷却面近水平，柱体呈直立状；如果原始地形的坡度较大，则柱体会发生倾斜。柱状节理有多种产状，基本排列方式有垂直、平卧、斜立、弯曲、同心放射状等，也有多种排列方式结合呈现出的奇异型组合。火山通道中火成岩的柱状节理成水平放射状排列。柱状节理的断面形态有四边形、五边形、六边形、七边形等。其密集分布在一定范围内可构成大尺度景观和中小尺度的景观。

形成

形成条件

柱状节理的地质产状有熔岩流、火山口内的熔岩湖、火山颈、侵出岩穹、浅成岩脉等。在以上的产状中，柱状节理的形成取决于岩浆流动冷却时的状态，因此熔岩流需满足以下条件。第一，熔岩流要有一定厚度，厚度愈大，形成石柱愈高。第二，熔岩流到地面时不能有水体。高温岩浆遇水会淬碎，使炽热熔岩急速冷却而碎裂，最终不能形成规则的石柱。第三，岩浆成分要相对均一。第四，岩浆定位冷却过程中保持稳定状态，均匀冷却，不能受到熔岩后继供给冲击“干扰”。

形成原因

“冷却收缩说”认为玄武岩熔中柱状节理的理想生成方式总是以两个冷凝面作为其发育的基础。一个为顶部冷凝面，即熔岩流顶部与大气之间的接触界面；另一个为底部冷凝面，即为熔岩流底部与下伏基岩的界面。首先，从平行于柱轴的纵剖面分析，熔浆溢出地表后在流动过程中逐渐冷却，它总是分别从顶部、底部逐渐通过这两个界面向外发散。因此，固结成岩后形成的原生裂隙就从顶部、底部冷凝面往中心延伸，直至岩浆全部固结成岩，这时上、下两套柱列在岩流中部偏下处相会，形成柱顶线盘。其次，从垂直于柱轴底横断面分析，岩流冷却过程中，在平坦的熔岩冷凝面上形成许多收缩中心。体积收缩引起岩石物质向固定的内部中心聚集，从而使岩石裂开，形成多面柱体。如果岩石是均质的，则收缩中心的距离相等，且相互间呈等腰三角形排列，在平面上呈现六边形图案。实际上，柱体形成时由于受到各种环境条件的影响，特别是岩体表层的局部非均质结构，会加长或缩短各收缩中心的距离，因而在柱列断面上就形成不规则的多边形图案。

双扩散对流作用说认为，高度规则的玄武岩柱状节理是由熔融岩浆在冷却期的双扩散对流作用所引起的。在熔融的玄武岩岩浆中，黏滞岩浆顶、底部的温度与化学成分这两种组分的差异性能产生高度规则的柱指运动，从而形成玄武岩指构造。

分类

柱状节理可分为大型柱状节理（六边形每边长在1米以上，六边形柱体断面直径在2米以上）、中型柱状节理（六边形每边长在1-0.25米之间，六边形柱体断面直径在2-0.50米之间）、小型柱状节理（六边形每边长在0.25米以下，六边形柱体断面直径在0.25米以下）等。

柱状节理可分为规则型柱状节理（以规则的正六边形占优势）、次规则型柱状节理（以五边形占优势）、非规则型柱状节理（正六边形、五边形不占优势，它们与四边形、七边形和八边形等混杂发育在一起）等。

分布

玄武岩柱状节理

全球玄武岩柱状节理呈大面积分布的区域分为两大区，第一区为苏格兰-北大西洋和印度德干高原及邻近的印度洋，包括陆地和部分海洋；第二区均在大陆上，包括非洲、巴西的巴拉那、西伯利亚地区、中国的云南省、贵州省、四川省诸省、美国的哥伦比亚河流域和南极洲等地。此外，分布面积较大的还有澳大利亚。较为典型的柱状节理构造有北爱尔兰的“巨人台阶”（Giant's Causewaay）和美国加利福尼亚州州东部内华达州山西坡“魔鬼柱堆”（Devil's postiple）。

中国的玄武岩柱状节理主要分布在云南、贵州、四川等西南诸省，东南沿海的江苏省、安徽、浙江省、福建省、广东省诸省的玄武岩柱状节理分布在海岩线350公里左右以内的范围，另外东北三省以及河北省、山西省、山东省、广东、海南省等省的玄武岩分布地区也发育不少典型的柱状节理构造。其中较为典型的实例是宁海县桑卅石山中柱体直径达4米的大型柱状节理。

非玄武岩柱状节理

非玄武岩柱状节理主要分布在美国、俄罗斯、加拿大、德国、中国等地。美国怀俄明州的“魔鬼塔”（Devil's tower）是发育在碱性火山岩响岩的柱状节理。除此以外，非玄武岩柱状节理还可发育于酸性火山岩、花岗石、石灰岩和粘土岩、以及煤块中。

中国的非玄武岩柱状节理主要分布在浙江省、甘肃省、新疆、海南省等省。浙江临海市杜桥镇附近凤凰山、印地山一带，在中生代白垩纪属于次火山岩相的流纹岩中，有发育良好的柱状节理。

科学研究

柱状节理的科学研究始于17世纪90年代，英国博物学家福利（Foley）等人最早对柱状节理“巨人台阶”（Giant's Causeway）进行报道。后不断有地质、地理学家对柱状节理进行考察和研究。1694年-1959年间，学术界侧重于柱状节理的形态学研究，提出“冷却收缩说”。1960年-1970年间，继承了“冷却收缩说”的观点，学术界侧重于古（地质历史时期已形成的）今（现代火山活期正在形成的）柱状节理的比较形态学和形成机制的研究。1971年后，学术界提出柱状节理形成的新假说—“双扩散对流作用说”，对传统“冷却收缩说”进行修正。

中原地区对柱状节理的研究始于20世纪50年代。中国学者徐松年对柱状节理形态学、柱状节理面的结构特征及其力学性质、柱状节理构造的发育与岩浆成分与粘度及岩石结构的关系等方面进行了研究，提出柱状节理构造“两阶段”形成机制的观点。

柱状节理的科学研究具有广泛的运用。在火山学工作中，柱状节理是研究火山喷发、侵出时熔岩流动，冷却时物理与化学状态的依据。在对古火山进行的研究中，可通过柱状节理判别火山石产状、岩相以及熔岩流方向。对柱状节理玄武岩各向异性的研究成果，可应用于拱坝-基础整体应力变形分析。通过分析与各向同性坝基的差异，可设计白鹤滩拱坝的扩大基础方案，解决白鹤滩水电站设计重大关键技术难题，提高水电站的经济效益。柱状节理玄武岩因其特殊的岩体结构，开挖卸荷后易松弛、岩体力学参数降低，对工程建设不利。通过对柱状节理玄武岩的松弛特性的研究，可为工程设计提供可靠依据，使柱状节理玄武岩的开挖、支护设计顺利进行。

地貌景观

柱状节理作为一种发育在火山岩地区的原生地质构造现象，因其地貌景观与自然风光的独特性常被开发为旅游景区、世界地质公园或火山公园。

北爱尔兰的“巨人台阶”（Giant's Causewaay）景区是柱状节理构造发育最典型的地区，以发育规整的六边形玄武岩石柱林著称。玄武岩柱列露头长约275米，宽约184米，柱列高度约11米。柱体横断面呈规则六边形图案，直径达40厘米，类似以正六边形砖石铺设的巨砖大道。在巨人台阶以东800米的一个露头中，出现一批呈弯曲状的柱体，称之为“巨型风琴”（Giant's organ）。

美国“魔鬼柱堆”国家公园（Devil's Postpile National Park）和“魔鬼柱堆”国家遗址（Devil's Postpile National Monumet）位于加利福尼亚州猛犸湖区胜地附近的内华达州山西坡之上，其面积达3.2平方公里，长2.4-3.2公里，宽2.4公里，平均海拔2311米。“魔鬼柱堆”的柱体高18.5米，平均直径70厘米，最大直径106厘米。柱体横断面形态以正六边形为主，也有五边形、四边形、七边形等。“魔鬼柱堆”（Devil's Postpile）是美国家地质公园的重要自然景观，吸引成千上万的旅游者与科学家前往观光、考察。

“魔鬼塔”（Devil's Tower）是美国怀俄明州的风景旅游观光点。在1906年颁布《保护古迹法案》中，“魔鬼塔”被定为美国第一座国家纪念碑。“魔鬼塔”的柱状节理发育于高达264米的碱性响石喷出岩体中，景观奇特。其柱体最大直径为5米，平均直径2.10-2.4米。柱体横断面基本上以五边形为主，其次为六边形，也有四边形、七边形的。

“桂子山石柱林”景区位于中国江苏省南京市六合区冶山街道石柱林社区境内，于2008年10月16日揭碑开园，同年11月份被南京市旅游局批准为国家AA级旅游景区。柱子山是一座相对高度仅50-60米的孤丘，整个石林占地200多亩，全部由玄武岩石柱构成。柱体断面以六边形为主，杜体直径约为40-60厘米，柱列高20-30米。众多柱体互相毗连紧挨，排列有序、笔直挺拔。

“临海国家地质公园”位于中国浙江省中东部的临海市东部约50公里处的滨海地带。园区内由柱状节理形成的“万柱山”“千峰山”“百柱崖”“栅栏壁”“卧龙谷”“巨人道”“仙人柱”等的天峻石林奇观，是世界地质公园的主要景观。石柱垂直延深300-500米，出露高度不等，柱体截面为五边形与六边形。柱体排列有序，或直立或斜卧。

参考资料

南京市六合区人民政府.南京市六合区人民政府.2024-06-14

columnar.etymonline.2024-05-22

joint.etymonline.2024-05-22

浙江临海国家地质公园.中国地质调查局.2024-06-14