能造飞机大炮的“石头”

刘秉翔　刘丹

玄武岩属于地质学三大岩类（岩浆岩、沉积岩、变质岩）中的岩浆岩。汉语玄武岩一词最初源于日语，因发现于日本兵库县玄武洞而得名。玄武岩的主要矿物有基性长石和辉石，部分玄武岩中含有少量橄榄石、角闪石和黑云母等矿物。

我们身边常见的玄武岩结构构造

在日常生活中，我们会看到有些老人用带有气孔的石头对脚部进行按摩或者去除老茧，这会促进足部的血液循环，有益健康。但是大家知道吗，其实大部分的磨脚石就是玄武岩。

磨脚石上面的气孔是火山岩常见的一种构造，尤其是在玄武岩中。当富含气体的岩浆喷发到地表时，由于压力的降低，岩浆中的气体会发生膨胀和逃逸。之后在岩浆凝固的过程中，原来气体所在的位置会变成空洞，就像磨脚石上的气孔。在一些玄武岩中，我们还会看到气孔定向排列，呈流動状，这是岩浆喷发之后在流动的过程中气孔受到挤压变形导致的。同时，最常见的构造不光有气孔构造，还有绳状构造和枕状构造。

我们在电视或者书上见过美国加利福尼亚州东部猛犸山的魔鬼岩柱堆，这是玄武岩另外一种常见的构造——柱状节理。

第一眼看到这个地质奇观时，除了赞叹大自然的鬼斧神工外，我们脑海里也许会出现一个疑问：平常的岩石都是一整块或者脉状的，为什么它像是被人工切割过似的？到底是什么原因导致的呢？经过科学家的仔细观察和研究，终于了解了其中的奥妙。

形成玄武岩的岩浆在冷却过程中，由于温度快速降低，岩浆发生热胀冷缩，熔岩顶部平坦的冷凝面会形成无数规则而又间隔排列的均匀收缩中心，进而产生垂直于收缩方向的张力裂隙，使得岩石发生规则劈裂，形成六棱柱体。当大量六棱柱体排列在一起，就形成了我们看到的壮观场面。

地球上典型的玄武岩

大洋中脊玄武岩——大洋中脊扩张的产物

广阔的海洋是无数生物得以生存栖息的家园，海洋总面积约为3.6亿平方千米，约占地球表面积的71%。当我们站在海边，看着浩瀚无际的大海，往往会产生好奇，五彩缤纷的海洋世界底部是什么？

其实，除了河流汇入以及平常沉淀的沉积物以外，海洋的底部是被一层厚厚的玄武岩覆盖的。海底玄武岩的出现，其实是大洋中脊（一种贯穿地球四大洋的海底山系）向外扩张的结果。

海洋也像人一样经历着诞生、成长和消亡三个阶段。在这个过程中，大洋中脊扮演着十分重要的角色，它就像传送带一样，源源不断地向外喷出玄武岩岩浆，直到大洋最后消亡闭合。大洋中脊产生的玄武岩称为大洋中脊玄武岩。这种玄武岩为地质学家研究板块漂移和海洋的演化，提供了重要的样品基础。

洋岛玄武岩——地幔柱作用的产物

夏威夷群岛不仅是旅游度假胜地，同时岛上还有经常喷发的活火山，每年有许多人为了近距离观察火山喷发来到这里。这些火山喷发出的就是玄武岩岩浆。

虽然地处广阔的太平洋中部，但是这种玄武岩的产生机制与大洋中脊玄武岩是不同的。经过科学家长时间的研究，发现夏威夷玄武岩的产生是地幔柱作用的结果。地幔柱这个概念是美国地球物理学家威廉·杰森·摩根在1971年提出来的。他认为，地幔对流会缓慢地将热从地核携带至地表，形成温度较高的柱状流，这个巨大的热柱底端和地幔底部甚至与地核相连，顶端则由于浮力的原因在上升过程中膨大成球状，整体就像有着细长柄的蘑菇。

当地幔柱的顶部上升到地球浅部时，会部分熔融，从而产生类似夏威夷洋岛上的这种玄武岩。

其实，地幔柱作用的产物不光有洋岛玄武岩，它在地球的好多地方都有踪迹，那就是被地质学界广泛研究的大火成岩省（一种特定的地质区域，指火成岩的大规模堆积）。大火成岩省以短时间内巨量的岩浆喷发为特征，岩浆的覆盖面积可以达到105平方千米，体积可以超过105立方千米。大火成岩省的岩浆作用持续时间可以较长，能够达到5000万年，但是75%的岩浆会在100万～500万年内喷发。

这个过程中产生的岩浆最主要的成分就是玄武岩，通常玄武岩的量就是判断大火成岩省的一个标准。由于在大火成岩省的形成过程中伴随着大量的火山喷发，火山喷发会产生巨量的火山灰和有毒气体，因此，科学家认为，大火成岩省巨量的岩浆作用往往和生物大灭绝密切相关。

其中，关于二叠纪生物大灭绝的原因，科学家有两种解释：

第一种是陨石撞击说。陨石撞击激起的巨量尘埃悬浮在空中遮天蔽日，使全球气温下降，同时阻碍生物的光合作用，使得整个生态系统遭到严重破坏。

另外一种猜想就是大火成岩省岩浆作用导致的。这个大火成岩省就是位于我国的峨眉山大火成岩省，因为峨眉山大火成岩省的形成时间与二叠纪晚期生物大灭绝的时间十分吻合。关于这次的生物大灭绝的真相到底是什么，还需要科学家进一步研究。

月海玄武岩

月亮，不管是在中国还是在西方世界，一直都是神话故事中的主角。从人类有思想以来，一直对月球充满着向往。由于月球的自转与公转周期相等（称为潮汐锁定），因此月球始终以同一面朝向着地球。月球的正面主要分布着大量的暗色玄武岩熔岩，它们富含铁和钛，填充了月球上的巨大撞击坑，形成广阔的平原，被称为“月海”。1969年，美国的阿波罗11号实现人类首次载人登月，此后宇航员对月球开展了一些科学考察，其中主要的工作就是采集月壤样品。他们总共从月球带回381.7千克样品，其中最多的就是玄武岩样品。

阿波罗计划采集的月海玄武岩的年龄为32亿～38亿年，最古老的月海玄武岩的年龄为42亿年，这些样品为研究月球的形成和演化提供了重要的物质基础。2020年底，我国嫦娥五号带回来的月壤又会带给人类什么新发现呢？值得期待。

神奇壮观的玄武岩景观

玄武岩瀑布

世界最大的玄武岩瀑布——吊水楼瀑布，又称镜泊湖瀑布，是黑龙江镜泊湖景区的精华景点。它位于镜泊湖的出口处，由玄武岩构成陡峻的峭壁，湖水由上冲泻而下，形成一个宽约40米、落差超过12米的瀑布。在冬季枯水期，瀑布会消失不见。但由于长期的水流冲刷和溶蚀作用，在玄武岩峭壁上形成的大小深浅不等的溶洞会显现出来，因此称之为吊水楼。冬季由于天气寒冷，玄武岩的峭壁上会悬挂长长的冰柱，白色的冰柱和黑色的玄武岩交相呼应，场面十分壮观。

相对于地球46亿年的历史，镜泊湖玄武岩的年龄十分年轻。镜泊湖属于长白山山脉的一部分，景区北部分布着大小12个火山口。这些火山从100万年前开始喷发，形成了一条长达百余里的玄武岩台地。在距今4800年的时候，最后一次火山爆发产生的玄武质熔岩和火山碎屑在如今镜泊湖电站大壩附近汇集，并且在吊水楼附近形成一道玄武岩堰塞堤坝，堵塞了牡丹江河道及其支流，形成了世界上最大的火山熔岩堰塞湖——镜泊湖。

玄武岩石柱

漳州滨海火山国家地质公园作为滨海火山地质地貌风景旅游区，位于福建省漳州市漳浦县前亭镇滨海一带。公园内有两座由玄武岩组成的火山岛屿，分别是林进屿和南碇岛。

其中，林进屿是一个由玄武岩组成的似椭球形岛屿，岛上还存在一个形成于2000多万年前的古火山口，古火山口附近广泛分布着火山喷气口群和铆钉状气孔柱群。南碇岛则由140多万根巨型柱状节理玄武岩组成，是世界上拥有最多柱状玄武岩的滨海火山岛。这些玄武岩石柱高于海平面20～50米，从海底冒出直插云霄，令人叹为观止。

从普通观赏石到高新纤维材料

虽然玄武岩是一种常见的岩石，但相信很多人都不知道，玄武岩经过特殊手段处理后，能够变换形态，成为一种泛着金属光泽的高性能纤维材料—玄武岩纤维。

玄武岩石料粉末在1450～1500℃熔融后，经过澄清冷却和均质化，再利用铂铑合金拉丝漏板高速拉制而形成连续纤维。这些纤维的直径为7～20微米。虽然粗细只有头发丝的1/3，但是它的强度是同等直径钢纤维的2倍，而且比合金更耐腐蚀，同时能够承受500℃的高温。

玄武岩纤维经过特殊处理后，可以像棉花一样织成布，用来制作防护服。同时，还可以将玄武岩纤维和高分子基体采用特定的工艺制成增强复合材料，用来制造坦克、舰船、飞机的外壳。值得一提的是，作为一种天然的石头，它是由二氧化硅、氧化铝、氧化钙、氧化镁、氧化铁和二氧化钛等氧化物组成，因此在制造玄武岩纤维的过程中，基本没有有害物质排出，对环境污染很小。

我国玄武岩资源十分丰富，甘肃、黑龙江、新疆、山西、四川等地均分布有大量的玄武岩矿产资源。虽然玄武岩纤维技术出现仅二三十年，世界各国对该技术的应用都处于初期探索阶段。但是相信在不久的将来，玄武岩纤维会在我们的日常生活中起到十分重要的作用。

本文内容来自《地球》2020年第10期