埋在大地里的“香腸”

香腸我們并不陌生，但你聽說過“石香腸”嗎？在野外，地質(zhì)工作者常會在地層中看到一種獨特的“香腸”——石香腸構(gòu)造，它就像埋藏在地層中的一節(jié)節(jié)香腸。這種形態(tài)是如何產(chǎn)生的呢？讓我們聽聽地球的回答吧。

石香腸構(gòu)造常見于層狀地質(zhì)體中，簡單來說，它是由于不同層的力學(xué)性質(zhì)不同，在某種受力情況下被拉斷成節(jié)狀形態(tài)形成的地質(zhì)構(gòu)造。石香腸構(gòu)造具有重要的力學(xué)指示意義，可以被地質(zhì)工作者用來測算地層的各種參數(shù)。

在野外，層狀地質(zhì)體分為沉積巖地層、巖漿巖脈及一些層狀變質(zhì)巖，它們都有可能發(fā)生石香腸化。對于石香腸構(gòu)造而言，原始的巖層建造、不同巖層之間的力學(xué)差異、地層受到的壓力等，都是讓地層發(fā)生石香腸化的必要條件。

黃河上游的現(xiàn)代沉積現(xiàn)象。上圖為青海貴德縣清澈的黃河水，下圖為黃河岸邊的沉積層（供圖/張宏遠）

下面，讓我們以沉積巖為例，看看石香腸構(gòu)造是如何形成的吧。

首先，我們要搞清楚什么是沉積巖。

地球是一顆蔚藍色的“水球”，這在已知的宇宙群星中都是罕見的。滄海桑田，地球表面也在不斷變化。

夏季汛期來臨時，河流是渾濁的，這是因為河水的泥沙含量高；而到了旱季，河流流速變緩，泥沙會沉積到水底，河水也隨之變清——這就是沉積的基本原理。

當(dāng)軟弱的巖層很厚、強硬的巖層很薄時，強硬的巖層就可以被稱為能干夾層。在野外，能干夾層的抗風(fēng)化能力比軟弱層強，因此常常突出地表。圖中的膏鹽夾層即能干夾層（供圖/ 張宏遠）

當(dāng)我們把時間拉得接近無限長時會發(fā)現(xiàn)，在同一個地方，有時有河流穿過，有時則會變成一汪湖泊，有時又被海水漫過……河流、湖岸、海岸、大陸架、海盆，沉積巖就是在漫長的地表變遷中形成的。在不同的沉積環(huán)境下，泥沙等沉積物經(jīng)過長期積累，會形成一層層顏色各異、結(jié)構(gòu)不同的沉積巖層。

沉積巖層不斷形成，有的巖層強硬，有的巖層軟弱，形成了千層蛋糕一般的地層。在沉積巖的地層中，不同巖性的巖層總是相間存在，也就是說，相鄰的巖層往往強弱不同，例如，砂巖層比相鄰的泥巖層要更強硬。

地球的構(gòu)造運動會讓地層發(fā)生變形。強硬的巖層在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中常被稱為能干層，相比軟弱層，能干層更容易斷裂。這種相鄰巖層之間力學(xué)性質(zhì)的差異，是形成石香腸構(gòu)造的必要條件。

在沉積地層變形的過程中，溫度和應(yīng)力場條件會發(fā)生變化，地層內(nèi)部組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造也會隨之改變。當(dāng)?shù)貙邮艿酱怪庇趯用娴臄D壓力時，脆性變形的能干層便會斷裂成一節(jié)節(jié)的長條巖體，從巖層的側(cè)面看過去，就像是成串的香腸；塑性變形的軟弱層則會被抽拉減薄，將香腸狀的斷裂能干層包裹。石香腸構(gòu)造便是這樣誕生的。

石香腸構(gòu)造的形成離不開力的擠壓。這些力是從何而來的呢？

在地質(zhì)環(huán)境中，力的來源很復(fù)雜。一些地球巖石圈板塊活動，例如板塊“漂移”、洋中脊“海底擴張”、深部地幔物質(zhì)“對流”等所產(chǎn)生的力，就可能使沉積巖層受到擠壓。這些沉積巖層受到的力，有時以側(cè)向為主，有時以垂向為主，受力模式并非一成不變，只是在一定的時間和空間范圍內(nèi)穩(wěn)定，形成了如石香腸這樣的地質(zhì)構(gòu)造。

讓沉積巖層受到擠壓的因素，還可以是巖漿上涌的力。由于沉降和沉積作用主要發(fā)生于地表低洼地區(qū)（例如平原、湖泊、海域等），這些地方因此也被稱為構(gòu)造沉降帶。

構(gòu)造沉降帶常常發(fā)生在兩個板塊的匯聚邊緣，例如東亞-西太平洋地區(qū)。中國東部就地處太平洋板塊與歐亞板塊的匯聚邊緣，地質(zhì)學(xué)家李四光先生最早指出，中國自東向西存在第一沉降帶（東海等地區(qū)）、第二沉降帶（華北平原等地區(qū)）和第三沉降帶（鄂爾多斯盆地等地區(qū)）。在構(gòu)造沉降帶上，巖石圈比較薄，受到巖漿上涌的力也就更加明顯。當(dāng)?shù)厍虻纳畈看嬖跓峄顒訒r，熱量會向上擴散，熾熱的巖漿、熱液也會向上運移，對上方的水平沉積巖層形成烘烤和壓迫。沉積巖層水平延展，拉斷強硬巖層，從而出現(xiàn)石香腸化。

以上，是對沉積巖中石香腸構(gòu)造的介紹。在自然界中，石香腸構(gòu)造還可以由許多其他巖類構(gòu)成，不僅如此，它們的空間尺度更是多種多樣。不妨試想一下，由下部剛性的地幔和上部相對柔性的地殼組成的巖石圈板塊，當(dāng)巖石圈之下的軟流圈物質(zhì)上涌時，是不是也可以引起巖石圈的石香腸化呢？

漫步于野外，大自然中的神奇總會讓我們感到驚喜。巖石不會開口說話，卻能傾訴數(shù)百萬年以來大地經(jīng)歷的一切。那些偉大、精彩的故事就藏在山海之間，等待著被科學(xué)的羅盤指引，讓你我發(fā)現(xiàn)。

根據(jù)上文可知，我們在地層中觀察到的串狀“香腸”，是發(fā)生了石香腸化的巖層的橫截面。在這個石香腸構(gòu)造中，橫截面包含最大拉伸應(yīng)變軸（a）和最小壓縮應(yīng)變軸（c），而石香腸體平行于中間應(yīng)變軸（b），所以石香腸構(gòu)造在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)中又被記作b型線狀構(gòu)造。地質(zhì)構(gòu)造學(xué)家常常會研究石香腸構(gòu)造的橫截面，以揭示最大拉伸應(yīng)變、壓縮應(yīng)變，并推斷受力方向。

石香腸構(gòu)造的立體模型

藕節(jié)狀石香腸

石香腸構(gòu)造的截面形態(tài)與巖層發(fā)生石香腸化時的溫度也有關(guān)系：溫度高、層次深時，石香腸構(gòu)造就會表現(xiàn)出藕節(jié)狀、魚嘴狀、透鏡狀等形態(tài)；溫度低、層次淺時，能干層的脆性變形便會格外強烈，石香腸構(gòu)造就會出現(xiàn)矩形、菱形、梯形。

石香腸不止可以是長條狀，也可以是巧克力方盤狀。這又是什么原因呢？

對于巖層而言，其受力可以劃分為互相垂直的3個方向的力：垂直于巖層面的方向上的壓力（記作σv），平行于巖層（順層）的兩個互相垂直的壓力，分別為最大水平壓力（σH）和最小水平壓力（σh）。

當(dāng)σv＞σH≥σh時，能干層就會伸展拉斷而石香腸化。

能干層發(fā)生巧克力方盤形石香腸化的受力特征

在石香腸構(gòu)造的形成過程中，盡管局部垂直方向受力最大，但水平方向的受力也是同步存在的，且作用時間相對更長。因此，當(dāng)水平方向的受力不均勻，強硬夾層就會形成長條形石香腸；當(dāng)水平方向上的兩個力幾乎相同時，強硬夾層就會形成巧克力方盤狀。

（責(zé)任編輯 / 代竹蕊? 美術(shù)編輯 / 周游）