熔岩流中的圆柱形同心连接结构：对其形成机制的描述与初步探讨

《Journal of South American Earth Sciences》：Cylindrical concentric jointing in lava flows: Description and preliminary ideas on its origin

分析哥伦比亚Machines Quarry及哥斯达黎加Virilla River、Zanja Tapada Creek三个中到酸性熔岩流场不常见的同心圆柱/平板节理系统，通过对比地质环境（大陆弧）、年龄（晚渐新世至中更新世）、岩石类型（安山岩至粗面岩）及核心尺寸（5-12米），结合现场数据与图像分析，排除其他成因解释，确认其与cleft lavas或ogives的冷却收缩机制一致。

　　在火山地质研究中，理解岩浆流动过程中形成的结构和裂隙系统对于揭示岩浆的侵入条件、冷却过程以及在凝固期间所经历的热机制至关重要。柱状裂隙是一种在火山岩中广泛观察到的结构，通常与快速冷却和收缩有关，这种现象在基性玄武岩中尤为典型。然而，对于黏性更大的岩浆流，如安山岩和流纹岩，其裂隙系统则表现出不同的特征，往往不遵循基性玄武岩的典型模式。本文通过实地调查和图像分析，对三种具有特殊裂隙系统的岩浆流进行了详细描述，分别是哥伦比亚的Machines Quarry（机器采石场），以及哥斯达黎加的Virilla River（维里利亚河）和Zanja Tapada Creek（扎尼亚·塔帕达溪）的露头。这些露头展示了从中间到酸性岩浆流中少见的同心圆柱状或板状裂隙系统，这些裂隙系统的特点是形成环绕一个近圆形核心的弯曲板状结构，并且核心内部的裂隙间距呈现出向内逐渐减小的趋势。

柱状裂隙通常被描述为一组相互交叉、间距紧密的张性断裂，这些断裂形成了规则的棱柱或柱状结构，具有多边形截面。在现代火山学研究中，柱状裂隙的观察已经非常普遍，并被认为是在岩浆侵入和喷发过程中，由于高温熔体的冷却和收缩所形成的。例如，在岩浆房的侵入过程中，如岩床或岩墙的形成，以及在喷发过程中，如岩浆流或火山碎屑密度流的冷却和凝固阶段，都会出现柱状裂隙。这些裂隙的形成不仅受到冷却速率的影响，还可能与岩浆流的物理状态、温度梯度以及环境条件密切相关。

与柱状裂隙不同，板状裂隙则通常出现在冷却过程中，其形成可能与剪切应力、材料各向异性（如晶体取向）等因素有关。板状裂隙在火山岩中的出现频率较高，尤其在某些黏性较大的岩浆流中更为显著。此外，还有其他类型的裂隙系统，如放射状裂隙，这些裂隙可能由岩浆流的扩展和收缩共同作用形成。在一些特定的地质条件下，这些裂隙系统可以相互叠加，形成复杂的结构网络。然而，对于同心圆柱状或板状裂隙系统，尤其是那些围绕近圆形核心的弯曲板状结构，目前的研究相对较少，且缺乏系统的描述和分析。

本文通过对哥伦比亚和哥斯达黎加三个不同地区的露头进行比较，发现它们在构造环境、年代、岩石类型和裂隙样式等方面具有一定的相似性。这些露头均位于大陆弧构造带，年代从下新世到中更新世，岩石类型主要为安山岩至流纹岩，裂隙系统的尺寸大致在5至12米之间。此外，这些裂隙系统在结构特征上也表现出一致性，例如核心内部的裂隙间距向内逐渐减小，这表明它们可能受到相似的冷却和收缩机制的影响。通过对比这些露头与其他地区火山岩中的裂隙系统，研究团队排除了其他可能的解释，并认为这些同心圆柱状或板状裂隙系统可能与已知的裂隙岩或“ogives”（一种在中间至酸性岩浆流中常见的大型弯曲表面隆起）的内部结构有关。

在哥伦比亚的Machines Quarry露头中，研究人员通过实地考察和采样，发现该露头的岩浆流形成了典型的同心圆柱状裂隙系统。该露头位于Cumbal火山复合体，属于哥伦比亚Nari?o州的西部山脉带，位于北火山带的安第斯山脉范围内。Cumbal火山复合体的活动始于新世，形成了所谓的“老Cumbal”或“前Cumbal”火山，其产物覆盖了原有的古地形。在Machines Quarry，岩浆流的形成与该火山复合体的早期活动阶段相关，大约发生在460万年前，当时的喷发活动包括溢流和爆炸性喷发，导致了火山口的形成。目前，该地区的火山活动已转向西侧，形成了现代的火山复合体。该复合体的主要产物是安山岩至流纹岩的岩浆流，二氧化硅含量在52%至70%之间。此外，该地区还受到多条断层的影响，包括区域性纵向断层和局部横向断层，这些断层对裂隙系统的形成和分布起到了重要作用。

在哥斯达黎加的Virilla River露头中，研究人员主要依赖于摄影图像进行分析，因为该露头位于私有土地上，且在旱季时难以进入。该露头位于圣何塞市西南部的边缘，属于中央火山山脉的南部边缘。在该地区，至少有两个火山复合体，即Poás和Barva，可能形成了该露头的岩浆流。这些火山复合体的喷发活动在历史上较为频繁，包括Poás、Irazú和Turrialba等火山的多次喷发。该火山弧距离中美洲海沟约150公里，是由于科科斯板块在加勒比板块下方的俯冲作用形成的。该地区的火山活动主要表现为更新世时期的钙碱性岩浆流和火山碎屑密度流，这些岩浆流的冷却过程可能与当地的构造环境和地质条件密切相关。在该露头的附近，岩石类型主要为Alcántaro Formation（阿尔坎托 Formation）的安山岩，这些岩浆流的年代为下更新世，且受到多条纵向断层的影响。

在哥斯达黎加的Zanja Tapada Creek露头中，研究人员同样主要通过摄影图像进行分析。该露头位于Rincón de la Vieja-Santa María火山复合体的西南坡，该火山复合体位于Guanacaste山脉之上，其形成同样与科科斯板块在加勒比板块下的俯冲作用有关。该地区的地形主要由更新世至新世时期的大型岩浆流和凝灰岩构成，这些岩浆流的冷却过程可能受到构造活动的影响。在该露头的附近，岩石类型包括Alcántaro Formation的安山岩，这些岩浆流的年代为下更新世，且受到多条纵向断层和横向断层的交叉影响。Zanja Tapada Creek露头的裂隙系统显示出类似的特征，即围绕一个近圆形核心的弯曲板状结构，且核心内部的裂隙间距向内逐渐减小。

通过对这三个露头的比较，研究团队发现它们在构造环境、年代、岩石类型和裂隙样式上具有一定的相似性。这种相似性可能表明，这些裂隙系统受到相似的冷却和收缩机制的影响，尽管它们的形成环境和具体条件有所不同。此外，研究团队还发现，这些裂隙系统可能与已知的裂隙岩或“ogives”有关，这些结构在火山岩中较为常见，尤其是在中间至酸性岩浆流中。裂隙岩通常是由岩浆流的冷却和收缩过程中形成的，而“ogives”则是一种大型的弯曲表面隆起，可能与岩浆流的扩展和收缩共同作用有关。

在研究过程中，研究团队采用了多种方法，包括实地调查、采样和图像分析。对于Machines Quarry露头，研究人员进行了多次采样，并在不同采石面进行了详细的观察。这些采石面的总暴露长度约为1.1公里，呈东南-西北走向。研究人员通过使用指南针和水平测量带，对露头的总暴露长度进行了测量，并记录了相关的照片。对于Virilla River和Zanja Tapada Creek露头，由于其地理位置和访问限制，研究人员主要依赖于摄影图像进行分析。这些图像提供了关于裂隙系统分布和特征的重要信息，尽管无法进行直接的现场采样。

在讨论部分，研究团队强调了同心圆柱状或板状裂隙系统在火山岩中的罕见性。这种结构通常与特定的冷却和收缩条件有关，可能受到岩浆流的形状、温度梯度以及环境因素的影响。此外，研究团队还指出，这种裂隙系统可能与已知的裂隙岩或“ogives”有关，这些结构在一些中间至酸性岩浆流中较为常见。尽管目前的研究相对较少，但这些裂隙系统在火山岩中的出现可能对理解岩浆流的冷却过程和热机制具有重要意义。

研究团队的结论指出，这三个露头的同心圆柱状或板状裂隙系统可能与相似的冷却和收缩条件有关，这些条件可能受到岩浆流的形状和内部结构的影响。此外，研究团队还建议，这种裂隙系统可能与已知的裂隙岩或“ogives”有关，这些结构在火山岩中较为常见，尤其是在中间至酸性岩浆流中。因此，对这些裂隙系统的进一步研究可能有助于揭示岩浆流的冷却机制和热动力学过程，从而为火山学和地质学提供新的视角和理论支持。

在作者贡献部分，Mariana L. Luna负责撰写、审阅和编辑论文，进行调查和数据整理。Guillermo E. Alvarado负责监督研究，进行调查和概念设计。John J. Sánchez则负责撰写、审阅和编辑论文，撰写原始稿件，监督研究，提出研究方法，进行调查、正式分析和概念设计。这些贡献表明，研究团队在不同阶段和方面都进行了深入的合作和交流，确保了研究的全面性和准确性。

在未引用的参考文献部分，研究团队提到了一些相关的研究成果，如Báez等（2020）、Huff和Owen（2013）、Le Maitre（2002）、Ryan和Sammis（1981）、Sato和Ishiwatari（2014）以及联合国教科文组织（UNESCO，2025）等。这些文献提供了关于火山岩裂隙系统形成机制的理论支持和实证研究，为本文的研究提供了重要的背景信息。

在利益冲突声明部分，研究团队明确表示，他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所报道的研究。这表明研究团队在进行研究时保持了客观性和公正性，确保了研究结果的可信度和科学性。

在致谢部分，研究团队感谢了Machines Quarry的工程师和工人，他们允许研究人员进入该露头并分享相关信息。此外，Laura Castro提供了Virilla River露头的照片，P. Ruprecht发送了Mono湖的露头照片，Alex Szakács对论文进行了校对，并提供了罗马尼亚地区的露头照片。Daniel J. Usma帮助研究人员制作了位置地图，而两位匿名审稿人的意见和建议也对研究的完善起到了重要作用。

综上所述，本文通过对哥伦比亚和哥斯达黎加三个不同地区的露头进行详细研究，揭示了中间至酸性岩浆流中罕见的裂隙系统。这些裂隙系统的特点是围绕一个近圆形核心的弯曲板状结构，并且核心内部的裂隙间距向内逐渐减小。研究团队通过对比这些露头与其他地区火山岩中的裂隙系统，排除了其他可能的解释，并认为这些裂隙系统可能与已知的裂隙岩或“ogives”有关。通过对这些裂隙系统的进一步研究，可以更深入地理解岩浆流的冷却过程和热机制，为火山学和地质学提供新的视角和理论支持。