云南腾冲火山柱状节理物理性能分析及研究

（楚雄师范学院物电系、楚雄师范学院光谱应用技术研究所，云南 楚雄675000）

1 引言

在地球上，火山的活动与爆发是一种自然现象，从远古至今一直存在着。火山的爆发一般在一些不寻常的地质背景上发生，其中大多数都在构成岩石圈的庞大板块边界处。约80%的地球活火山及其相关的火山活动都发生在两个板块相聚处，并且其中一个俯冲到另一个下面的地方。俯冲下去的板块,一方面因挤压而造成局部压力增加，一方面其自身也融为岩浆；这时，上面受到挤压的板块如果出现裂口或薄弱处，压力极大的岩浆就会从这些地方喷出来，形成火山。火山喷发时，上面部分喷出地表形成火山灰，另外一部分喷出的未露于地表岩浆冷凝后形成的柱状结晶，称为柱状节理，由于火山的爆发在地球的表面留下了很多火山遗迹，其中云南省腾冲火山就是其中之一。腾冲火山群位于欧亚板块和印度板块的碰撞带上，是中国火山运动最活跃、最年轻的地区。最近一次火山喷发与现在只相隔大约7000年左右。腾冲火山遗迹较为丰富，对火山遗迹进行研究是一项值得开展的科学研究工作。

2 研究计划和方案

腾冲县是云南省靠西的一个边疆县，地理位置（东经115°40'～116°17'，北纬 26°05'～27°08'），恰好位于欧亚板块和印度板的碰撞带上，由于板块的相互运动碰撞挤压，使得至今300多万年前至3000年多年前一直有火山喷发的情况发生，据统计共有68座新生代火山，如：马站火山群、热海、北海火山堰塞湖等。留下了很多火山遗迹，如：大空山、小空山、打莺山（火山喷发口）、北海地热滚锅、火山堰塞湖等，这些遗迹，现已成为云南省著名的旅游景点，并被国家选为国家级地质公园。腾冲火山群是中国最密集的火山群之一，腾冲县的龙川江畔，随处可见火山遗迹，其中最引人注目的就是火山柱状节理，柱状节理是当年火山喷发时从地幔中涌出的岩浆结晶而成的玄武岩柱状形石柱。火山岩浆喷发时温度约为1200摄氏度，由于喷发的岩浆含有六方柱体的基性斜长石、橄榄石、角闪长石、辉石等矿物质，所以冷却后形成五方柱体、六方柱体。节理是一种地质构造现象，就是我们在岩石露头上所见的裂缝，或称岩石的裂缝。这是由于岩石受力而出现的裂隙，但裂开面的两侧没有发生明显的位移，地质学上将这类裂缝称为节理。

笔者的家乡就在腾冲，对火山遗迹司空见惯，特别是柱状节理在腾冲火山遗迹地区显现较多，选取火山柱状节理，依托楚雄师范学院物理与电子科学系物理实验室和光谱应用技术研究室，专门对火山柱状节理开展相关研究。

柱状节理标本(见图2)以2012年8月采自腾冲曲石乡江南村龙川江畔。主要是对样品进行密度 热导率方向 放射性拉曼光谱等物理性能进行研究。

图1 腾冲火山柱状节理实地图片

图2 采集腾冲火山柱状节理

3 测试分析研究

柱状节理是属于玄武岩，腾冲全新世火山岩以粗面玄武岩、玄武粗安岩、粗安岩和英安岩为主，属于高钾钙碱性系列火山岩的主要元素是[1]TiO2、AI2O3、 MgO、Fe2O3、P2O5、CaO 与 SiO2，火山岩的 TiO2、AI2O3、MgO、Fe2O3、P2O5、 CaO 与SiO2之间存在负相关关系，然而K2O与SiO2具有良好的正相关关系。

3.1 样品密度测定

从柱状节理标本上取下一小块作为待测样品，测定其密度ρ，ρ = m/v,用流体静力称衡法进行测定[2]∶用物理天平将样品在空气中称量，其重量W = m1g……（1） 又将样品浸没在水中称量，其视重为 W2= m2g……（2），二者之差为样品在水中所受到的浮力F，而F = W1—W2=（m1g- m2g）……（3）；

m1和m2为该样品在空气中及浸没在水中所称量到的视质量。由阿基米德原理：F = ρgV……（4），ρ是水的密度，（与水的温度t有关）当样品侵没在水中时，V是样品排开水的体积，亦即样品的体积。由（2）（3）式可得：

表1 密度测定数据表

其样品密度为2.632比花岗岩小，比大理石大。

相对不确定度：

3.2 样品热导率方向测定

柱状节理是岩浆结晶而成，应是各向异性的，那么其热导率的方向也应是各向异性的，再横向和纵向热导率应该是不同的，沿晶体纵向热导率应是各向异性，横向热导率也应该是各向同性的，从标本上切割下两块样品，分别横向取料，纵向取料。将样品打磨光滑后，均匀的涂上一层薄蜡，用内热式电烙体的内芯作为发热体，用支架将样品架起来，内芯垂直接触样品表面，给内芯供电连续发热，蜡面受热后开始融化，从理论上晶体纵向应是各向异性，蜡面融化后应是一个椭圆，横向各向同性，蜡面融化后是一个圆，经试验横向和纵向截面上石蜡融化后自发形成一个圆，见图3a和图3b，可能是样品的各向异向性不明显所导致。

图3a 样品横向热导率方向测定图

图3b 样品纵向热导率方向测定图

3.3 样品放射性检测

柱状节理数千年前来自地幔涌出的岩浆冷却结晶而成，是否会含有放射性物质？由于放射性的半衰期极长，若岩浆含有放射性物质，则柱状节理也会含有放射性，很有必要进行放射性检测，应用DIS信息系统配合G-M传感器，检测样品中是否含有放射性元素，DIS信息系，G-M传感器，采用单位时间计数法，获取放射源信息。首先确定宇宙射线的本底数，再测定样品的计数，从而确定样品是否含有放射源和放射源的大小。实验测数：本底数 10次/分，载上样品后计数也是10次/分，表明样品无放射性。

3.4 样品拉曼光谱测试分析

岩浆来自地幔中的软流层，岩浆在高温高压下充分翻滚混合，应该是均匀的，用拉曼光谱仪检测可知道样品内部的情况。

图4 拉曼光谱仪外观图

使用便携式拉曼光谱仪，见图4（R-3000,OCEAN OPTIES CO.USA.）由785nm半导体固态激光器，光纤光谱仪，带有聚焦和校准探头帽的光纤探头，样品室等组成。波长范围200～2700 cm-1，分辨率10 cm-1，波长稳定性优于1cm-1，输出稳定性为 4% ，功率 90～290mw ，32位 Windows操作系统R-3000 Base专用软件包。

从标本上有截下两块样品c、d，在两块样品上分别任意选取三个点，样品c上的点记为：Hb、Hd、He，样品d上的点记为：Hn、Hn1、Hm，将样品放在支架上，用便携式拉曼光谱仪进行检测，使拉曼光谱仪上的探头与样品上所选取的点垂直；开始扫描，得到谱线图，如图5。

从光谱图，图5可看出得出，此柱状节理样品的波峰分布情况：强峰带在474.1cm-1，次强峰带在666.3cm-1，弱峰带在904.1cm-1。所选取的六个检测点谱线图波峰分布范围是大致相同的，从分子层面说明此柱状节理内部物质是均匀分布的。

图5 样品六个样点拉曼光谱图

4 结束语

综上所述，研究实验得到了火山柱状节理的一些物理性能数据，对研究火山遗址具有一定的参考价值。就目前来说火山柱状节理的开发和利用才刚刚起步，还需进一步的深入研究。使这一资源得到充分利用，造福于人类。

[1]朱自莹,等.拉曼光谱在化学中的应用[M].东北大学出版社,1998.