综述：地球、月球和火星上的熔岩管：探测、演化与探索潜力

《SPACE SCIENCE REVIEWS》：Lava Tubes on Earth, the Moon, and Mars: Detection, Evolution, and Exploration Potential

本文系统综述了地球、月球和火星上熔岩管（Lava Tubes）的形成机制、形态特征、探测技术及其在行星演化研究和未来太空探索中的重要意义。文章指出，这些地下火山通道是理解行星火山活动的关键，其稳定的内部环境（如屏蔽宇宙辐射（Cosmic Radiation）、温度波动和表面撞击）使其成为未来人类外星栖息地的理想候选，同时它们也可能保存着重要的地层学、地球化学乃至潜在的生命记录。作者详细比较了不同重力场、构造活动下熔岩管的差异，并讨论了多种探测方法（如遥感、重力数据、雷达探测）的进展与挑战。

　　

熔岩管，即火山活动形成的地下通道，已成为理解行星演化和支持未来人类太空探索的关键地质特征。这篇综述文章对地球、月球和火星上熔岩管的形成、形态学和保存状况进行了综合回顾，着重探讨了它们的地质意义和潜在宜居性。

熔岩管：定义与相关特征

早在现代地质学术语出现之前，熔岩管就已是古代社区和旅行传说的一部分。它们常被视为神秘而超凡的地质形态，被世界各地文化用作恶劣天气和入侵者的天然庇护所、长期居所、利用其恒温特性储存货物，甚至用于丧葬和精神实践。诸如“山羊洞”（Grotta delle Capre，牧羊人在恶劣天气时使用）、“雪洞”（Grotta della Neve，用于储存雪）等描述性名称，在意大利民间传说中常被用来描述熔岩管。

活跃熔岩管的第一个正式科学定义由泰特斯·科恩牧师于1844年提出。他将其定义为“火山道”，成为描述活跃熔岩管的第一人。直到1940年后，“熔岩管”一词才在科学界普遍使用。

在行星科学方面，格里利（1971年）描述了月球上类似的结构，并将熔岩管定义为由玄武岩流在冷却的表面地壳下流动形成的火山结构，最终熔岩流走留下空洞。哈利迪（2004年）提出了一个更现代且广泛使用的定义，将熔岩管描述为“流动熔岩的有顶通道，可以是活动的、已排空的或被堵塞的”，呈隧道状。近年来，肯普（2012年, 2019年）重新引入了“火山通道”（pyroduct）一词，将其定义为“熔岩流中的任何内部熔岩通道，无论形状和大小，无论其在喷发活动期间是否含有熔融熔岩，或在喷发活动结束、熔融岩石流走后是否以细长洞穴形式保存”。文中天窗（skylight）或普卡（puka）等开口是熔岩管探测的重要标志。

形成与形态测量

地球

熔岩管的形成受熔岩流变学、流动动力学、地形和冷却行为等多种因素影响。其形成过程可分为不同类型。

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  结壳作用（Overcrusting）：当渠道化熔岩的表面暴露在较冷的大气中时，迅速凝固形成绝缘地壳，保存了下伏熔融熔岩的热量，使其能够长距离流动。一旦补给源枯竭，熔岩撤离结构，留下空洞。结壳作用可通过三种非互斥的机制发生，取决于渠道几何形状和流动动力学。
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  浅部膨胀（Shallow Inflation）：在帕霍埃霍埃（pahoehoe）熔岩流的远端尖端形成的薄片状熔岩迅速冷却，因捕获气体形成气泡而降低整体密度。后续的熔岩脉冲增加内部压力，通过浮力抬升先前的熔岩片。当多次推进发生时，它们会形成一个具有倒转地层序列的顶板。这一过程被认为是产生顶板比结壳管更厚的火山通道的主要机制。
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  深部膨胀与热/机械侵蚀（Deep Inflation and Thermal/Mechanical Erosion）：在长时间喷发过程中，熔岩可以渗透并流经岩浆渗透性较高的区域（例如，先前形成的小管）。当熔岩流量大时，这些先前结构的合并会形成主通道。集中的热量和持续的流动导致显著的下切热侵蚀和后续的崩塌，使管道沿着预先存在的薄弱面加深和嵌入。地球上最大的熔岩管就是通过这种机制产生的。

这些形成过程不仅控制了熔岩管的就位和演化，也影响了局部（横截面）和区域（网络）尺度的形态。横截面几何形状反映了特定的过程组合，如管道合并、热或机械侵蚀、结壳作用和流面高度的交替。根据以往研究，可以区分出五种主要的熔岩管几何形状。钥匙孔形横截面通常形成于渠道化流内部，其底板侵蚀超过顶板增生或流脊生长。相反，倒钥匙孔形状则在流脊生长主导底板侵蚀时形成。拱形或峡谷状通道由渠道化流中的热侵蚀和流脊闭合产生，最初形成三角形，随着熔岩面上升演变为拱形，而更圆或圆形的截面则在熔岩源枯竭和结构松弛后形成。矩形截面与渠道化流过程中漂浮板块的堆积或侧向地壳生长有关。拉长剖面特征为低矮而宽阔的通道，通常形成于缓坡地形（约0.5°）的非渠道化流中的熔岩管。最后，当流脊生长持续并最终在顶棚连接时，形成多层熔岩管，将熔岩管垂直分割为两层或多层。

在区域尺度上，熔岩管可以根据其平面形态布局进行分类。单一直管往往形成于坡度较陡、喷发速率稳定的地方，而蜿蜒或曲折的管道则是由侧向突破、不规则地形和缓坡造成的。当沉积作用超过侵蚀作用，或流量速率发生显著变化时，会产生辫状或网状管道系统，具有分叉和合并的特点。多层管道通过熔岩瀑布、天窗和竖井连接。

肯普（2019年）根据其供给和分支结构提出了火山通道系统的分类。大多数熔岩管被归类为单干系统，由单一喷发口供给。当两个不同的喷发点同时活动时，形成双干系统，由两个并排流动的熔岩管组成。叠加干系统则在火山输出增加导致现有通道不足以容纳熔岩流时形成，新的独立通道在原始管道上部发育。

地球上的熔岩管长度可从几米到几十公里，典型宽度和高度在约0.2-0.5米到30米之间。这些结构通常路径几乎与地表平行，深度通常在地表以下10到20米。夏威夷的卡祖穆拉洞穴已知是最长的熔岩管系统，总长65.5公里，部分区域的宽度和高度均超过20米。

月球

月球上的火山作用是塑造月表的基本地质过程之一，导致了月海、熔岩流、蜿蜒月溪、熔岩管和天窗等多种火山特征的形成。高喷发速率、较低的月球重力以及熔岩粘度（约为地球类似物的二十分之一）使得火山沉积覆盖了约16%的月球表面和1%的地壳总体积。

月球火山活动在约38亿年至33亿年前达到顶峰，放置了约70%的月球玄武岩单元，其中约92.9%的月海沉积位于月球正面。这种内生活动的集中归因于月球当时的热和结构演化。

月球火山特征，如熔岩管，自阿波罗时代起已通过轨道摄影和遥感测量被发现。格里利（1971年）描述了主要集中在风暴洋和雨海周围的蜿蜒月溪。春木等人（2009年, 2012年）发现了首批月球天窗，被解释为通往完整熔岩管的窗口。迄今为止，已识别出300多个潜在的地下洞穴入口。索罗等人（2020b年）通过分析马里乌斯山区域三个塌陷链的大小和分布，进一步描述了月球熔岩管的几何参数，发现平均宽度在500至800米之间，长度大于一公里。

地球物理数据和数值模拟增强了我们对熔岩管存在和特征的理解。利用重力恢复与内部实验室（GRAIL）任务数据建模的月球重力场，被用来探测与天窗和蜿蜒月溪相关的次表面密度亏损。识别出可能的熔岩管候选体，宽度范围3至9公里，长度数十公里，埋藏深度达600米。结合表面影像和月球熔岩管周围弹性重力诱发变形场数值模型的分析表明，与蜿蜒月溪相关的洞穴宽度可能小于约2公里。结构稳定性研究表明，宽度在1至4公里之间的熔岩管，若顶板厚度分别在500至2000米之间，可以保持稳定。

与地球相比，当前研究表明月球熔岩管可能比地球上的对应结构大300到700倍。作者将月球火山通道结构的扩大归因于月球较低的重力以及在持续喷发速率下更长距离输送的潜力。

火星

火山作用也是火星上的主要地质过程，重塑了约54%的火星表面。与月球不同，火星火山活动全球广泛分布但不对称，主要集中在赤道和南部高地地形。这种分布反映了火星的半球二分性：缺乏大型火山建筑的北部低地平原，与南部和赤道附近海拔较高、撞击坑密集、火山结构复杂的高地形成对比。

赫斯珀里亚纪（37亿-30亿年前）以广泛的洪水火山活动为标志，导致了北部脊状平原的形成、低盾状火山的发育以及预先存在的撞击坑的填充，共同重塑了约30%的火星表面。火山重塑作用持续到亚马逊纪（30亿年前至今），大部分活动集中在塔尔西斯区域。

对火星喷发方式的广泛回顾导致了对其形成过程及其影响因素（包括岩浆成分、挥发分含量、温度和环境背景）的广泛理解。总结来说，火山活动从诺亚纪的更具爆发性，转变为赫斯珀里亚纪-亚马逊纪的更多溢流式，形成了巨大的熔岩平原。这种显著的溢流活动在塔尔西斯火山省被广泛描述，并被认为是形成各种火山特征的原因，包括蜿蜒月溪、蜿蜒山脊、天窗和熔岩管。

然而，火星熔岩管的几何和形态测量参数仍不精确。格里利和斯普迪斯（1981年）首次将火星蜿蜒月溪描述为“类似于月球蜿蜒月溪的熔岩通道”。赵等人（2017年）在塔尔西斯东南部区域识别了38个蜿蜒山脊，解释为坍塌的熔岩管，平均长度为198公里，具有凸起的横截面轮廓。在最近的一项研究中，在阿尔巴山的西侧绘制了331个熔岩管系统，平均长度为36.2公里。

火星天窗或局部塌陷结构也被广泛编目。火星全球洞穴候选目录列出了1000多个坑穴特征，其中349个被确定为可能的熔岩管天窗，134个被归类为非典型陨石坑，主要位于塔尔西斯区域内。如果这些特征代表顶板坍塌，它们为下伏熔岩管的尺寸提供了间接约束。同样，索罗等人（2020b年）进一步记录了与候选熔岩管相关的塌陷链和天窗，其长度和宽度范围分别为60-900米和40-400米。

与地球相比，火星熔岩管相关特征的尺寸似乎比地球上的对应物大80倍，但小于月球上观测到的尺寸。熔岩管相关特征的大小从地球到火星，再到月球，数量级增加。这种趋势与这些行星体的重力加速度相当，支持了重力在长熔岩流发育和更宽通道保存（由于岩石结构稳定性增加）中起主导作用的假设。

熔岩管探测与探索技术

地球

地球上熔岩管的探测、测绘和表征采用了多种方法，从早期地质学家和博物学家的直接探索，到更复杂的技术，包括地球物理方法、遥感、地形分析、数值建模和模拟。

随着技术进步，一系列地球物理方法被开发用于熔岩管探测和表征。

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  探地雷达（GPR）：向地下发射无线电波并记录由介电特性变化引起的反射，从而从二维图像中检测地下空洞。这是一种非侵入性技术。
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  电阻率层析成像（ERT）：向地面注入直流电并测量电压差，生成电阻率模式的二维地下图像。该方法比GPR探测深度更大，受导电覆盖层影响较小，能更好地近似通道的整体几何形状。
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  微动分析：对环境地震噪声进行分析，作为一种更适用于陆地和行星探索的方法，涉及紧凑、非侵入性仪器，不需要部署电缆或主动源。
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  地面激光雷达（LiDAR）：通过发射激光脉冲并捕获返回时间，产生高分辨率三维点云，能够精确重建熔岩管的轴线、横截面和体积。
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  重力测量：结合合成建模，揭示了由地下密度差异引起的负重力异常，与熔岩管的位置一致。空穴产生的重力吸引力低于周围高密度岩石，产生可测量的重力低值。
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  磁力测量：也用于探测熔岩管，因为玄武岩流具有剩磁：空洞（如科罗纳熔岩管）表现为磁化熔岩中的负磁异常。

其他地球物理方法也已成功探测到熔岩管，如甚低频电磁技术和最近绘制地震波场反向散射能量横向变化的技术。然而，除了原位技术，地基遥感也被广泛用于探测与下伏熔岩管相关的塌陷结构。

赫尔和萨尔瓦多（2025年）证明，由无人机获取的高分辨率热红外图像可以检测与堵塞或碎石填充的熔岩管入口相关的细微温度异常。凯夫内部保持更稳定的温度，主要反映季节和年度趋势，这使得热红外成像成为适用于其他具有大温度波动的天体的技术。塌陷链和天窗的形态测量分析被用来近似科罗纳、卡祖穆拉和安达拉熔岩管的几何特征。此外，通过结合机器学习技术与干涉合成孔径雷达（InSAR）时间序列数据，推断出济州岛上先前未发现的熔岩管网络。

月球

遥感和远程探测方法自阿波罗时代以来一直用于表征月球熔岩管及相关特征，如天窗、塌陷链和蜿蜒月溪。技术包括重力数据、雷达探测、卫星影像和DEM分析。最近，卡雷尔等人（2024年）使用合成孔径雷达（SAR）成像研究了静海陷坑，提出存在一个宽度超过200米的通道。同样，来自嫦娥三号玉兔车探地雷达（GPR）的原位雷达数据揭示了一个约3.1米高的地下空腔，解释为堆叠的玄武岩巨石。此外，Diviner月球辐射计的数据已被用于表征静海和知海天窗的热辐射，表明可能存在内部温度近乎恒定的洞穴。提出的未来方法包括磁力测量、微动分析、基于激光雷达的内部测绘以及多传感器组合。

与地球不同，月球研究完全依赖于遥感、地球物理建模和类比比较。轨道研究因其全球覆盖、成本较低以及相较于使用超灵敏仪器的原位测量而言操作和环境限制较少，在行星探索中更受青睐。

火星

类似地，应用于火星熔岩管探测的遥感技术包括卫星影像和DEM、雷达探测和热红外成像。最近的研究也使用机器学习对可见光图像进行自动识别潜在洞穴入口。

尽管最近的任务已在表面放置了着陆器和巡视器，但尚未直接探测到地下洞穴。已提出几种方法来改进未来任务中的熔岩管表征，包括整合重力数据、探地雷达、浅层雷达、激光雷达、光谱学和辐射评估。然而，尚无重力建模研究直接且明确地探测到完整的火星洞穴。当前的重力模型仅限于120阶次，对应约115公里的空间分辨率，不足以分辨熔岩管。然而，在塔尔西斯的天窗和塌陷链沿线观测到了局部负重力异常。将这些异常与表面影像和热数据结合，可能有助于约束地下空洞的位置和连续性。

地质与演化意义

熔岩管及相关火山结构对于理解火山活动和行星演化具有不可估量的价值。其稳定的环境通过延迟埋藏、成岩作用和风化等过程，在长时间尺度上保存了地质特征。

正如前面所讨论的，对地球火山通道的研究增进了我们对熔岩场形成、流动动力学、喷发方式、行星热演化以及重力和栓塞压力等力作用的认识。同样，研究整个太阳系的地下洞穴增强了对地球以外熔岩地形就位的理解。

在月球上，哈里山等人（2012年）指出，熔岩管内的尘埃可能有助于研究电磁现象和尘埃流，考虑到受光区和阴影区之间的电势差。地下风化层也可能保留太阳风元素，保存了古代太阳活动的记录。此外，测量与火山通道相关的熔岩层中的剩余磁场可能有助于确定月球发电机是否存在，并有助于理解地壳磁演化。月球熔岩管的几何形状为了解区域构造提供了见解。月球熔岩管也被认为是水或羟基分子的潜在储库，因为它们的顶板可以屏蔽紫外线辐射，否则紫外线会解离它们，从而允许更长期的保留。然而，威尔科斯基等人（2023年）证明，并非所有的陷坑都能有效地作为冷阱，因为内部红外散射会升高其温度。

类似地，火星熔岩管可能保存水或冰沉积，为过去的气候条件、湿度循环和冰川演化提供了线索。洞穴也可能捕获较年轻的碎屑沉积物、气体和自生矿物，这些可作为古环境指标。此外，火星熔岩管是最有希望的天体生物学目标之一。其稳定的微环境提供了免受宇宙辐射、极端温度和化学氧化的保护，创造了有利于生物标志保存的环境。在地球上，洞穴通常拥有多样的微生物群落，形成生物膜和微生物垫，甚至在无光区也是如此。微生物活动记录在叠层石结构、化石微生物和独特的同位素特征等特征中。

太空探索的机遇

正如过去熔岩管为古代社区和旅行者提供天然庇护所和存储空间一样，这些结构可以在行星际尺度上发挥类似作用。自早期研究以来，月球和火星熔岩管已被认识到具有为人类栖息地和工业运营提供长期庇护的潜力。其天然屏蔽特性显著减少了暴露于恶劣空间环境的程度。

以月球为例，最近研究表明，即使仅8厘米厚的月球风化层也能减轻高达60°C的温度波动，与月球熔岩管内预期的约-20°C的稳定温度一致。此外，月球表面持续暴露于银河宇宙射线（GCRs）和偶发的太阳粒子事件（SPEs），模拟表明仅1至6毫米的风化层就可使辐射暴露可忽略不计。其他环境危害包括月尘和微陨石撞击。阿波罗计划的观测显示，月尘在日出和日落时因电场作用而移动，可能导致视线障碍、仪器故障、表面磨损、密封退化、热调节问题甚至吸入危害。同样，火星上持续数月的沙尘暴由于尘埃的细小颗粒尺寸、化学毒性和磨蚀性，代表着严重的健康风险。微陨石撞击也是一个主要威胁：暴露在月球表面一年的宇航服有8%的穿透几率，1厘米厚的铝板有30%的穿孔几率。

除了地质学兴趣，寻找熔岩管以及其他空间探索研究兴趣为人类带来了更广泛的利益。正如阿波罗时代所展示的，空间研究驱动的技术进步促进了技术创新、经济增长和关键基础设施的发展。基于空间的研究为材料科学、机器人技术、电信和医学的突破做出了贡献，其中许多在地球上有直接应用。随着熔岩管探测研究，利用原位资源利用（ISRU）建造地外栖息地的未来技术正在地球上得到适应，包括通过三维（3D）打印制造砖块甚至整栋房屋。

与熔岩管相关的国际空间科学和任务合作日益增加，包括新兴和发展中国家的参与，激励着新一代追求科学、技术、工程、艺术和数学（STEAM）技能。几个国际性、多学科的熔岩管探索和舱外活动（EVA）相关野外研究项目已开展数十年。即将重返月球以及后续的火星任务，正在将舱外活动转变为包括在行星类比环境中进行重要的科学发现探索。

结论

地球、月球和火星上的熔岩管是关键的地质结构，为了解行星的火山历史、行星演化、环境条件乃至生物记录提供了关键信息。它们的形成过程、形态特征和保存潜力使其成为推进行星科学知识和促进空间探索发展的重要目标。对地球熔岩管的研究建立了理解火山通道成因、流动动力学和结构稳定性的基本模型，这些可应用于对月球和火星类似物的解释。在月球和火星上，熔岩管提供了稳定的环境，天然屏蔽辐射、极端温度和表面危害，为未来人类和机器人任务提供了显著优势。因此，持续探测、表征和建模跨行星体的熔岩管，不仅对于推进行星过程的知识至关重要，而且对于实现地球以外可持续人类探索的下一阶段也至关重要。