不倒的擎天柱

1、不倒的擎天柱 湖北恩施大峡谷 ,百里绝壁危岩耸立 ,千丈瀑布傲啸峰 峦,美不胜收。 子曰 :智者乐水 ,仁者乐山。成都理工大学环境与土木工 程学院的万新南教授就是一位寄情山水的水文地质专家。 10 年前 ,他在大峡谷寻找一条失踪的河流时 , 惊奇发现并拍下了 一根奇特的擎天石柱。 大石柱使万新南震撼不已 ,10 年后 ,他和记者一行再访这 擎天石柱 ,他们沿着崎岖的山路 ,翻越一座又一座山峰 ,还是没 有找到它。那根神奇的石柱还在吗 ?一路见到许多笔直的绝 壁、奇异的怪石 ,以及岩石上的纵横裂缝 , 就是不见那个神奇 的石柱在哪里呢 ?转过一个山脚 ,突然 ,一座高耸的石柱闯入眼 帘。这座巨大

2、的石柱 ,挺拔屹立 ,指向蓝天。 从老乡那里得知 ,当地流传着这样一个故事 ,远古的时候 , 天神送给了当地人一炷香 ,叫人们遇到灾难时把香点燃。 天神 看到袅袅青烟 ,就来帮助人们解除苦难。 当地人把这根香尊称 为“难香” ,“难香”又细又长 ,化为一根石柱 ,人们也称这根 石柱为“一炷香” （图 1）。 远处望去“一炷香” 巍然矗立于危岩绝壁之中 ,拔地而起 , 直刺蓝天。“一炷香”顶上岩缝里的几棵松树 ,倒像是香头上 袅袅的青烟。但是这根上粗下细的石柱高150 米 ,最细处仅 5 米 ,怎么会千百年矗立而不倒呢 ? 北京建筑工程研究院的高级工程师刘航从事建筑结构 研究 ,在他看来高大的物

3、体稳定不倒 ,是受到多方面的因素影 响。其中结构、材料、受力这三方面的因素都制约着建筑物 的高度。 建筑越高 ,对下面的压力就越大 ,支撑它的材料就要越结 实,所以早期的人们常常选用石材。 刘航认为石材的抗压强度比较高 ,但是石材的抗拉强度 很低。所以用石材垒金字塔似的基座 ,上面的建筑就没问题。 即使受到侧向力时 ,因为有那么大的基座 ,整体受力仍然很 小。这个石柱的材料是由石头组成的 ,所以它的受压强度很大 但是它受的拉力不大。 “一炷香”高过百米 ,组成它的岩石有什么特殊吗 ?它又 是如何形成的呢 ?在恩施大峡谷中 ,我们随处可以见到这种灰 黑色的碳酸盐 ,其主要成分是碳酸钙。这种岩石在

4、我国的云 南、贵州、广西等很多地方都有。在水的长期作用下,看上去 坚硬的岩石 ,日久天长逐渐被溶解 ,形成岩洞、石林、石柱等 形态 （图组 2）。这种岩石构成的地貌称为喀斯特地貌。 万新南教授说原始地质有垂直或横向的构造,有一系列 的裂缝存在。 由于降水作用 ,这些裂缝被扩大。 进一步发展就 出现岩体破坏、垮塌 ,岩石就会掉下来。 所有的喀斯特地区最初可能都是一片平地或山地。由于 岩石上有裂缝 ,雨水进入这些裂缝把岩石溶解了 ,就被切出了 沟壑。 千万年来 ,水这把“利剑”把高山切成沟壑 ,这些沟壑又 使岩石垮塌 ,掉下来的碎石再被雨水冲走 ,这种坍塌的过程 ,加 速了地貌的变化。 也就是说这

5、一独特的石柱 ,与其它的喀斯特 地貌一样 ,是在水的冲刷作用下形成的。 然而 ,这种解释似乎又带来了不能自圆其说的问题。我国 有许多以“石林”著称的旅游胜地 ,去过的人会发现 ,同是喀 斯特地区的石柱 ,为什么在那些石林的石柱中 ,见不到像一炷 香这样的石柱呢 ? 万新南 :石林的岩溶地貌达到这么高的时候 ,就要倒塌了 , 达到 30 米就算很高了。 恩施也还有一片石林 ,石柱平均高度十几米 ,有的已经倾 斜,好像快倒塌了。仔细观察石林岩石上的条纹我们发现,它 们是由不容易被水溶解的、坚硬的化学沉积层与容易被水溶 解的 ,相对松软的沙石沉积层交替组成。 由于沙石在水的冲刷 下,首先被溶解 ,岩

6、层之间就出现了裂缝 ,但是这些裂缝并不整 齐,在重力的作用下 ,上面的岩石失去了平衡 ,就会倾斜 ,倒塌。 “一炷香” 同样也是由化学沉积层与沙石沉积层构成的 能清晰地看到岩层的变化 ,但是 ,它为什么能高达 100 多米而 不倒呢 ? 万新南认为因为这是薄层理 ,薄层理的强度很大。 原来一炷香的岩层很密 ,在化学沉积层之间 ,沙石层很 薄。这样就使整个岩石形成了一个结实的整体,所以不容易倒 塌。原因解释起来就是这样简单。 但问题是 ,在一炷香周围的 岩石 ,看上去差不多一样 , 为什么却找不到第二根与“一炷香” 相仿的岩柱呢 ? 恩施大峡谷中也能见到超过 30 米高的石柱。绝壁上一 道道垂直

7、的裂缝 ,在水的切割作用下 ,慢慢地也会形成高大的 岩柱。这些正在形成的石柱 ,会成为另一根“一炷香”吗 ? 仔细观察 ,我们发现在绝壁的山腰处常有一些不易被察 觉的横向的裂纹。正是这些裂纹 ,使我们了解到事情的真相。 水沿着裂纹切割着岩石 ,沿着垂直裂纹的切割 ,使岩石形 成了石柱 ,而沿着横向裂纹的切割 ,就像在一棵树上拦腰砍了 一刀 ,当两个方向的切割交叉时 ,石柱就会倒塌下来。 我们注意到 ,山路两旁 ,随处都可以见到从山顶倒塌下来 的碎石。 由于岩石中横向裂纹的形成和发展 ,使得石柱不可能很 高。那么 ,“一炷香”会不会也有这种裂纹 ,使得它某一天也 会倒塌呢 ? 从下到上仔细查看

8、“一炷香” ,除了一条短短的垂直裂缝 没发现横向裂隙。看来大自然保留“一炷香”这又细又高的 岩柱,是非常巧合的事。 沧海桑田这个词是用来形容世事变迁的,相对地质年代 而言 ,人的寿命实在是太短暂了。 科学家在进行地质学研究时 要寻找相同地质构造等诸多条件下的相似的东西进行比较。 “一炷香”很高 ,但它旁边 ,有一个石桌一样的小石台子 ,上面 已经长满了青草。专家分析 ,最初两者一样 ,都竖在这里 ,就像 两根筷子插在这儿。后来一个倒塌了,只剩下了一炷香。 “一 炷香”什么时候会倒吗 ?什么原因会让它倒塌呢 ? 万新南 :所有的地貌都是水冲刷的作用 ,但是不同的岩石 形成不同的地貌。 比如碳酸岩

9、形成喀斯特地貌 ,砂岩形成丹霞 地貌。如果是泥岩 ,就形成黄土地貌。 由于水的冲刷 ,形成了喀斯特地貌 ,形成了石林 ,形成了这 独特的“一炷香” 。那么雨水会将它冲倒吗 ? 恩施大峡谷海拔将近 2000 米 ,地面上没有大的河流 ,看来 大的水源只能来自雨水 ,那么恩施的雨量怎样呢 ? 恩施处在神秘的北纬 30 度,气候特点是雨热同季 ,雨量丰 沛，年降水量1600毫米1800毫米。是雨水偏多的地区，看来 水对岩柱的溶蚀还在继续 ,岩柱倒塌的可能性是存在的。 万新南 :我估计早期这地区的气候 ,是个强降雨地区 ,而且 是连续降雨。 什么原因呢 ?我们可以想象形成的这些深沟、 峡 谷,那些物质

10、到哪儿去了 ,什么力量搬运它们的 ?显然有一个动 力,这个动力就是水 ,海量的水自天而降 ,将无以计数的物质带 走。所以 ,我们推测以前的降雨量要比现在大得多。 “一炷香”顶端的那几棵树 ,只能靠雨水成活 ,能长成这 么大的树 ,说明雨量很大。但是树木现在明显枯萎,正说明雨 量在逐渐减少。 所以恩施现在虽然还是个多雨地区 ,但是比它 地质形成的早期 ,雨量减小了许多 ,对岩石的切割作用非常微 弱了。 雨水溶蚀的作用可以忽略了 ,但是“一炷香” 会不会某一 天,被一阵足够大的风吹倒呢 ? 恩施周围的几大山脉 ,形成了天然挡风墙。 一年中有一半 以上的天数都没有风。即使“一炷香”所在的山区,最大风

11、力 也只有四五级 ,而且天数很少。 “一炷香”立在这里已经成千 上万年了 ,只要周围的山脉、地形没有大的变化,岩柱受到风 的威胁并不大。 这根难得一见的岩柱 ,它不怕雨水冲刷 ,风也吹不倒 ,但是 “一炷香”仍然给我们不稳的感觉 ,这是为什么呢 ? 刘航说 ,它的根部截面比较小 ,受力对它不利 ,另外我们看 它整体结构 ,上面大下面小 ,看似不稳定。塔式结构跟这个石 柱有一定的可比性 ,塔式结构可以人为来做 ,把它做成中空 ,尽 量减轻塔体重量。 我们用钢筋混凝土结构 ,抵抗风的拉力。 但 是石柱就不可能 ,它是自然界的东西 ,只能靠它自身的重量、 强度抵抗外力作用。 顺着岩柱往下看 ,在突然

12、变细的部分 ,岩石显得有些破碎 , 似乎已经不堪重负。 但万新南认为石柱内部结构紧密 ,没有破裂 ,“一炷香” 是一个整体。 我们从石柱上取下来一块样石 ,带到成都市地质灾害防 治与地质环境保护国家实验室 ,请专家以科学数据得出一个 答案。 工作人员首先把岩石研磨成标准的圆柱体。之后再测量 它的直径、高度以及重量 ,算出岩石的密度是每立方厘米 2.7 克,这个密度能够承受住石柱的压力吗 ? 付小敏是成都理工大学地质灾害防治国家重点实验室 的研究员 ,她说影响岩石强度的因素 ,除了密度指标外 ,还有岩 石内部的微小裂隙 ,结构面等。 所以单从密度这个指标来判断 它的强度 ,还不够全面。 为了更准确地测试岩石能承受的最大的力,付老师把它 放在仪器上加压。 随着力量不断增加 ,岩石终于被压碎了。仪器显示 ,岩石 的抗压强度是每平方厘米可以承受 800多千克的重量 （图 3）。 这根高大细长的岩柱 ,作用在底部的压力会是多少呢 ? 万老师带上 GPS 全球卫星定位仪 ,再次来到“一炷香” 前。面对着高大的石柱 ,显然没有办法直接测量 ,只能凭经验 估算。 在岩柱的三分之一处 ,测得海拔高度 1611 米。参照测量 数据 ,考虑目测误差因素 , 推算岩柱的高度应该是 150 米左右。 而它最细部分的直径是 5 米。根据实验室得出的每立方厘米 2.7