加州恶魔柱石上冰川覆盖的柱顶。摄影：Erik Klemetti。 上周，国际空间站的指挥官克里斯·哈德菲尔德（Chris Hadfield）发布了这张图片，询问是什么原因导致了岩石中形成如此奇特的柱子。我阅读了指挥官提问的许多回复，虽然许多都触及了关键过程，但似乎对岩石中的柱子是如何形成的仍存在一些困惑。在大多数情况下，这要归功于岩浆！在适当的条件下，岩浆可以以一种形成多边形的方式冷却，这些形状可以是直线，也可以弯曲或扭曲——我们将这些现象称为柱状节理。它们可能非常壮观，看起来就像是大师雕塑家的精确之作，但实际上这都归结于冷却的物理学。
北爱尔兰的巨人堤道，由 5000 多万年前的火山喷发形成。这张照片清晰地展示了构成石柱的板块。摄影：Patrice78500 / Wikimedia Commons。石柱可以形成多种图案，主要是六边形（但也可以有 4-8 边）。它们的大小可以从几厘米到几米不等。当大量冷却的岩浆（甚至可能是火山灰——见下文）开始收缩并形成裂缝时，它们就会形成。这些裂缝开始于/靠近所谓的“冷却表面”，这可能是熔岩流的顶部或底部（或侧面），岩浆侵入或火山灰沉积。裂缝会延伸到冷却的物质中，（仔细检查会发现）形成构成石柱的板块堆叠。板块通常平行于流动表面（见上文）排列，而石柱则垂直于冷却表面形成。如果你仔细观察一根石柱，你会看到羽毛状的断裂模式，称为“pluma”，它们代表了冷却物质因收缩所承受的应力而产生的破裂。
日本高千穗峡的石柱，展示了这些柱状节理玄武岩流中常见的柱列和上部覆盖层。摄影：Juuyoh Tanaka / Flickr。 看到石柱最著名的地方之一是俄勒冈州和华盛顿州边境的哥伦比亚河峡谷及其相关的峡谷。在这里，我们发现了来自哥伦比亚河玄武岩溢流（见下文）的厚层玄武岩熔岩流，它们堆积并冷却，形成了柱状节理岩层。有明显石柱的熔岩流部分称为柱列（colonnade），而石柱不那么完美或不存在的区域称为上部覆盖层（entablature）。通常，柱列形成在熔岩流的顶部和底部（从冷却表面开始），中间区域是上部覆盖层（见上文）。一些拥有壮观石柱的地方包括著名的巨人堤道、加州猛犸山附近的恶魔柱石（见上文）、黄石国家公园以及隆谷破火山口的毕晓普凝灰岩（见下文）。我们甚至在火星熔岩流中发现了柱状节理！
华盛顿州帕卢斯河峡谷的哥伦比亚河玄武岩流。摄影：Williamborg / Wikimedia Commons。 现在，如果熔岩流遇到了其他寒冷的表面——比如说熔岩流遇到了峡谷壁，或者冰川的冰（就像在图亚火山喷发中看到的——你可能会看到看起来朝向所有方向的石柱，但这同样是因为它们总是垂直于我们发现的冷却表面而形成。如果熔岩流出到水或柔软的泥质沉积物上，这似乎有助于形成石柱，这很可能是因为水增加了额外的冷却作用。
加州隆谷破火山口粉色毕晓普凝灰岩中的巨大石柱。摄影：Erik Klemetti。 研究人员试图模仿石柱的形成过程，但这很棘手。要在熔融岩石中获得形成石柱所需的冷却，你需要大量的岩石，这在我们实验室里是无法真正产生的。因此，人们使用了模拟材料来制造石柱。通过将玉米淀粉和水制成浆料，可以通过脱水作用产生石柱，在这种作用中，收缩是由于失水而不是冷却。你可以制造出一些在地质记录中看到的与玉米淀粉实验中相同的图案。通过这种方式，我们可以开始回答关于石柱的整体形状以及它们形成的程度可能是否是石柱形成速率的产物，包括形成的绝对速率以及在整个形成过程中该速率是否恒定。这一切只需要适当的冷却条件，就可以产生一些非凡的几何特征！
