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 有找到它。那根神奇的石柱還在嗎 ?一路見到許多筆直的絕 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。這座巨大的石柱

2、 ,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 ,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)高大的物體穩(wěn)定不倒 ,是

3、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?！耙混南恪备哌^(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 ,我們隨處可以見到這種灰 黑色的碳酸鹽 ,其主要成分是碳酸鈣。這種巖石在我國(guó)的云 南、貴州、廣

4、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)這一獨(dú)特的石柱 ,與其它的喀斯特

5、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 ,巖層之間就出現(xiàn)了裂縫 ,但是這些裂縫并不整

6、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?！耙混南恪?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到超過(guò) 30 米高的石柱。絕壁上一 道道垂直的裂縫 ,在水的切割作用下 ,慢慢地也會(huì)形成高大的

7、 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 “一炷香” ,除了一條短短的垂直裂縫 沒發(fā)現(xiàn)橫向裂隙?？磥?lái)大

8、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。

9、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)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

10、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 ,只能靠雨水成活 ,能長(zhǎng)成這 么大的樹 ,說(shuō)明雨量很大。但是樹木現(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)都沒有風(fēng)。即使“一炷香”所在的山區(qū),最大風(fēng)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

11、山脈、地形沒有大的變化,巖柱受到風(fēng)的威脅并不大。這根難得一見的巖柱 ,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 ,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 ,沒有破裂

12、 ,“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