不倒的擎天柱

1、不倒的擎天柱 湖北恩施大峽谷 ,百里絕壁危巖聳立 ,千丈瀑布傲嘯峰 巒,美不勝收。 子曰 :智者樂(lè)水 ,仁者樂(lè)山。成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工 程學(xué)院的萬(wàn)新南教授就是一位寄情山水的水文地質(zhì)專家。 10 年前 ,他在大峽谷尋找一條失蹤的河流時(shí) , 驚奇發(fā)現(xiàn)并拍下了 一根奇特的擎天石柱。 大石柱使萬(wàn)新南震撼不已 ,10 年后 ,他和記者一行再訪這 擎天石柱 ,他們沿著崎嶇的山路 ,翻越一座又一座山峰 ,還是沒(méi) 有找到它。那根神奇的石柱還在嗎 ?一路見(jiàn)到許多筆直的絕 壁、奇異的怪石 ,以及巖石上的縱橫裂縫 , 就是不見(jiàn)那個(gè)神奇 的石柱在哪里呢 ?轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)山腳 ,突然 ,一座高聳的石柱闖入眼 簾。這座巨大

2、的石柱 ,挺拔屹立 ,指向藍(lán)天。 從老鄉(xiāng)那里得知 ,當(dāng)?shù)亓鱾髦@樣一個(gè)故事 ,遠(yuǎn)古的時(shí)候 , 天神送給了當(dāng)?shù)厝艘混南?,叫人們遇到災(zāi)難時(shí)把香點(diǎn)燃。 天神 看到裊裊青煙 ,就來(lái)幫助人們解除苦難。 當(dāng)?shù)厝税堰@根香尊稱 為“難香” ,“難香”又細(xì)又長(zhǎng) ,化為一根石柱 ,人們也稱這根 石柱為“一炷香” （圖 1）。 遠(yuǎn)處望去“一炷香” 巍然矗立于危巖絕壁之中 ,拔地而起 , 直刺藍(lán)天?！耙混南恪表斏蠋r縫里的幾棵松樹(shù) ,倒像是香頭上 裊裊的青煙。但是這根上粗下細(xì)的石柱高150 米 ,最細(xì)處僅 5 米 ,怎么會(huì)千百年矗立而不倒呢 ? 北京建筑工程研究院的高級(jí)工程師劉航從事建筑結(jié)構(gòu) 研究 ,在他看來(lái)高大的物

3、體穩(wěn)定不倒 ,是受到多方面的因素影 響。其中結(jié)構(gòu)、材料、受力這三方面的因素都制約著建筑物 的高度。 建筑越高 ,對(duì)下面的壓力就越大 ,支撐它的材料就要越結(jié) 實(shí),所以早期的人們常常選用石材。 劉航認(rèn)為石材的抗壓強(qiáng)度比較高 ,但是石材的抗拉強(qiáng)度 很低。所以用石材壘金字塔似的基座 ,上面的建筑就沒(méi)問(wèn)題。 即使受到側(cè)向力時(shí) ,因?yàn)橛心敲创蟮幕?,整體受力仍然很 小。這個(gè)石柱的材料是由石頭組成的 ,所以它的受壓強(qiáng)度很大 但是它受的拉力不大。 “一炷香”高過(guò)百米 ,組成它的巖石有什么特殊嗎 ?它又 是如何形成的呢 ?在恩施大峽谷中 ,我們隨處可以見(jiàn)到這種灰 黑色的碳酸鹽 ,其主要成分是碳酸鈣。這種巖石在

4、我國(guó)的云 南、貴州、廣西等很多地方都有。在水的長(zhǎng)期作用下,看上去 堅(jiān)硬的巖石 ,日久天長(zhǎng)逐漸被溶解 ,形成巖洞、石林、石柱等 形態(tài) （圖組 2）。這種巖石構(gòu)成的地貌稱為喀斯特地貌。 萬(wàn)新南教授說(shuō)原始地質(zhì)有垂直或橫向的構(gòu)造,有一系列 的裂縫存在。 由于降水作用 ,這些裂縫被擴(kuò)大。 進(jìn)一步發(fā)展就 出現(xiàn)巖體破壞、垮塌 ,巖石就會(huì)掉下來(lái)。 所有的喀斯特地區(qū)最初可能都是一片平地或山地。由于 巖石上有裂縫 ,雨水進(jìn)入這些裂縫把巖石溶解了 ,就被切出了 溝壑。 千萬(wàn)年來(lái) ,水這把“利劍”把高山切成溝壑 ,這些溝壑又 使巖石垮塌 ,掉下來(lái)的碎石再被雨水沖走 ,這種坍塌的過(guò)程 ,加 速了地貌的變化。 也就是說(shuō)這

5、一獨(dú)特的石柱 ,與其它的喀斯特 地貌一樣 ,是在水的沖刷作用下形成的。 然而 ,這種解釋似乎又帶來(lái)了不能自圓其說(shuō)的問(wèn)題。我國(guó) 有許多以“石林”著稱的旅游勝地 ,去過(guò)的人會(huì)發(fā)現(xiàn) ,同是喀 斯特地區(qū)的石柱 ,為什么在那些石林的石柱中 ,見(jiàn)不到像一炷 香這樣的石柱呢 ? 萬(wàn)新南 :石林的巖溶地貌達(dá)到這么高的時(shí)候 ,就要倒塌了 , 達(dá)到 30 米就算很高了。 恩施也還有一片石林 ,石柱平均高度十幾米 ,有的已經(jīng)傾 斜,好像快倒塌了。仔細(xì)觀察石林巖石上的條紋我們發(fā)現(xiàn),它 們是由不容易被水溶解的、堅(jiān)硬的化學(xué)沉積層與容易被水溶 解的 ,相對(duì)松軟的沙石沉積層交替組成。 由于沙石在水的沖刷 下,首先被溶解 ,巖

6、層之間就出現(xiàn)了裂縫 ,但是這些裂縫并不整 齊,在重力的作用下 ,上面的巖石失去了平衡 ,就會(huì)傾斜 ,倒塌。 “一炷香” 同樣也是由化學(xué)沉積層與沙石沉積層構(gòu)成的 能清晰地看到巖層的變化 ,但是 ,它為什么能高達(dá) 100 多米而 不倒呢 ? 萬(wàn)新南認(rèn)為因?yàn)檫@是薄層理 ,薄層理的強(qiáng)度很大。 原來(lái)一炷香的巖層很密 ,在化學(xué)沉積層之間 ,沙石層很 薄。這樣就使整個(gè)巖石形成了一個(gè)結(jié)實(shí)的整體,所以不容易倒 塌。原因解釋起來(lái)就是這樣簡(jiǎn)單。 但問(wèn)題是 ,在一炷香周圍的 巖石 ,看上去差不多一樣 , 為什么卻找不到第二根與“一炷香” 相仿的巖柱呢 ? 恩施大峽谷中也能見(jiàn)到超過(guò) 30 米高的石柱。絕壁上一 道道垂直

7、的裂縫 ,在水的切割作用下 ,慢慢地也會(huì)形成高大的 巖柱。這些正在形成的石柱 ,會(huì)成為另一根“一炷香”嗎 ? 仔細(xì)觀察 ,我們發(fā)現(xiàn)在絕壁的山腰處常有一些不易被察 覺(jué)的橫向的裂紋。正是這些裂紋 ,使我們了解到事情的真相。 水沿著裂紋切割著巖石 ,沿著垂直裂紋的切割 ,使巖石形 成了石柱 ,而沿著橫向裂紋的切割 ,就像在一棵樹(shù)上攔腰砍了 一刀 ,當(dāng)兩個(gè)方向的切割交叉時(shí) ,石柱就會(huì)倒塌下來(lái)。 我們注意到 ,山路兩旁 ,隨處都可以見(jiàn)到從山頂?shù)顾聛?lái) 的碎石。 由于巖石中橫向裂紋的形成和發(fā)展 ,使得石柱不可能很 高。那么 ,“一炷香”會(huì)不會(huì)也有這種裂紋 ,使得它某一天也 會(huì)倒塌呢 ? 從下到上仔細(xì)查看

8、“一炷香” ,除了一條短短的垂直裂縫 沒(méi)發(fā)現(xiàn)橫向裂隙?？磥?lái)大自然保留“一炷香”這又細(xì)又高的 巖柱,是非常巧合的事。 滄海桑田這個(gè)詞是用來(lái)形容世事變遷的,相對(duì)地質(zhì)年代 而言 ,人的壽命實(shí)在是太短暫了。 科學(xué)家在進(jìn)行地質(zhì)學(xué)研究時(shí) 要尋找相同地質(zhì)構(gòu)造等諸多條件下的相似的東西進(jìn)行比較。 “一炷香”很高 ,但它旁邊 ,有一個(gè)石桌一樣的小石臺(tái)子 ,上面 已經(jīng)長(zhǎng)滿了青草。專家分析 ,最初兩者一樣 ,都豎在這里 ,就像 兩根筷子插在這兒。后來(lái)一個(gè)倒塌了,只剩下了一炷香。 “一 炷香”什么時(shí)候會(huì)倒嗎 ?什么原因會(huì)讓它倒塌呢 ? 萬(wàn)新南 :所有的地貌都是水沖刷的作用 ,但是不同的巖石 形成不同的地貌。 比如碳酸巖

9、形成喀斯特地貌 ,砂巖形成丹霞 地貌。如果是泥巖 ,就形成黃土地貌。 由于水的沖刷 ,形成了喀斯特地貌 ,形成了石林 ,形成了這 獨(dú)特的“一炷香” 。那么雨水會(huì)將它沖倒嗎 ? 恩施大峽谷海拔將近 2000 米 ,地面上沒(méi)有大的河流 ,看來(lái) 大的水源只能來(lái)自雨水 ,那么恩施的雨量怎樣呢 ? 恩施處在神秘的北緯 30 度,氣候特點(diǎn)是雨熱同季 ,雨量豐 沛，年降水量1600毫米1800毫米。是雨水偏多的地區(qū)，看來(lái) 水對(duì)巖柱的溶蝕還在繼續(xù) ,巖柱倒塌的可能性是存在的。 萬(wàn)新南 :我估計(jì)早期這地區(qū)的氣候 ,是個(gè)強(qiáng)降雨地區(qū) ,而且 是連續(xù)降雨。 什么原因呢 ?我們可以想象形成的這些深溝、 峽 谷,那些物質(zhì)

10、到哪兒去了 ,什么力量搬運(yùn)它們的 ?顯然有一個(gè)動(dòng) 力,這個(gè)動(dòng)力就是水 ,海量的水自天而降 ,將無(wú)以計(jì)數(shù)的物質(zhì)帶 走。所以 ,我們推測(cè)以前的降雨量要比現(xiàn)在大得多。 “一炷香”頂端的那幾棵樹(shù) ,只能靠雨水成活 ,能長(zhǎng)成這 么大的樹(shù) ,說(shuō)明雨量很大。但是樹(shù)木現(xiàn)在明顯枯萎,正說(shuō)明雨 量在逐漸減少。 所以恩施現(xiàn)在雖然還是個(gè)多雨地區(qū) ,但是比它 地質(zhì)形成的早期 ,雨量減小了許多 ,對(duì)巖石的切割作用非常微 弱了。 雨水溶蝕的作用可以忽略了 ,但是“一炷香” 會(huì)不會(huì)某一 天,被一陣足夠大的風(fēng)吹倒呢 ? 恩施周圍的幾大山脈 ,形成了天然擋風(fēng)墻。 一年中有一半 以上的天數(shù)都沒(méi)有風(fēng)。即使“一炷香”所在的山區(qū),最大風(fēng)

11、力 也只有四五級(jí) ,而且天數(shù)很少。 “一炷香”立在這里已經(jīng)成千 上萬(wàn)年了 ,只要周圍的山脈、地形沒(méi)有大的變化,巖柱受到風(fēng) 的威脅并不大。 這根難得一見(jiàn)的巖柱 ,它不怕雨水沖刷 ,風(fēng)也吹不倒 ,但是 “一炷香”仍然給我們不穩(wěn)的感覺(jué) ,這是為什么呢 ? 劉航說(shuō) ,它的根部截面比較小 ,受力對(duì)它不利 ,另外我們看 它整體結(jié)構(gòu) ,上面大下面小 ,看似不穩(wěn)定。塔式結(jié)構(gòu)跟這個(gè)石 柱有一定的可比性 ,塔式結(jié)構(gòu)可以人為來(lái)做 ,把它做成中空 ,盡 量減輕塔體重量。 我們用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) ,抵抗風(fēng)的拉力。 但 是石柱就不可能 ,它是自然界的東西 ,只能靠它自身的重量、 強(qiáng)度抵抗外力作用。 順著巖柱往下看 ,在突然

12、變細(xì)的部分 ,巖石顯得有些破碎 , 似乎已經(jīng)不堪重負(fù)。 但萬(wàn)新南認(rèn)為石柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密 ,沒(méi)有破裂 ,“一炷香” 是一個(gè)整體。 我們從石柱上取下來(lái)一塊樣石 ,帶到成都市地質(zhì)災(zāi)害防 治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 ,請(qǐng)專家以科學(xué)數(shù)據(jù)得出一個(gè) 答案。 工作人員首先把巖石研磨成標(biāo)準(zhǔn)的圓柱體。之后再測(cè)量 它的直徑、高度以及重量 ,算出巖石的密度是每立方厘米 2.7 克,這個(gè)密度能夠承受住石柱的壓力嗎 ? 付小敏是成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 的研究員 ,她說(shuō)影響巖石強(qiáng)度的因素 ,除了密度指標(biāo)外 ,還有巖 石內(nèi)部的微小裂隙 ,結(jié)構(gòu)面等。 所以單從密度這個(gè)指標(biāo)來(lái)判斷 它的強(qiáng)度 ,還不夠全面。 為了更準(zhǔn)確地測(cè)試巖石能承受的最大的力,付老師把它 放在儀器上加壓。 隨著力量不斷增加 ,巖石終于被壓碎了。儀器顯示 ,巖石 的抗壓強(qiáng)度是每平方厘米可以承受 800多千克的重量 （圖 3）。 這根高大細(xì)長(zhǎng)的巖柱 ,作用在底部的壓力會(huì)是多少呢 ? 萬(wàn)老師帶上 GPS 全球衛(wèi)星定位儀 ,再次來(lái)到“一炷香” 前。面對(duì)著高大的石柱 ,顯然沒(méi)有辦法直接測(cè)量 ,只能憑經(jīng)驗(yàn) 估算。 在巖柱的三分之一處 ,測(cè)得海拔高度 1611 米。參照測(cè)量 數(shù)據(jù) ,考慮目測(cè)誤差因素 , 推算巖柱的高度應(yīng)該是 150 米左右。 而它最細(xì)部分的直徑是 5 米。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室得出的每立方厘米 2.7