熔岩隧道，有啥道道？
发布时间：2024-12-10 发布：陆内火山与地震教育部重点实验室 点击：78次
中国地震局地质研究所 陈正全 李霓 赵勇伟
引言：熔岩隧道？很“小众”的一个词汇。说它“小众”，是因为知道的人确实不多：它属于火山学中的一个小门类，而火山学的从业者规模限定了其传播范围。在现阶段，熔岩隧道的研究在学界又产生了一波热度。这是因为人类的外太空探索又进入了新的阶段：中国探月工程、天问系列稳步推进。在这些计划中，寻找熔岩隧道成为了一个小热点。
1. 熔岩隧道啥样子？
熔岩隧道在熔岩流内天然形成的隧道。熔岩隧道的规模，直径可达到15m，长度可达20 km；常见的熔岩隧道直径在10 m之内，长度一般在1-2 km之间。
目前观察到的很多熔岩隧道，属于熔岩隧道系统的一部分。例如，西班牙兰萨罗特岛的Corona熔岩隧道系统，发育了8960 m长的熔岩隧道（Sauro et al., 2019）。澳大利亚昆士兰Undara隧道系统中，确定出的一个隧道系统长度为4 km（Atkinson, 1975）。
那么，熔岩隧道里面长啥样呢？
是这样的：
图1. 腾冲景福洞熔岩隧道（洞底到洞顶高10 m，底部宽3.8 m，分上下两层）（陈正全拍摄, 2011）
这样的：
图2. 海口七十二洞熔岩隧道（宽15 m，高5.5 m）（陈正全拍摄, 2018）
还有这样的：
图3. 阿尔山焰山熔岩流中的小型隧道（十米残余）（陈正全拍摄, 2016）
1. 熔岩隧道有啥用？
从火山灾害的角度考虑，一条熔岩流内部形成了熔岩隧道，就能够保持内部的熔岩散热更慢。在1991-1993年Etna火山喷发中，熔岩流最远流动距离为8.5 km，而火山学家预测的距离为5.5 km。经过实地考察，发现多流动的3 km正是由于熔岩流内部发育了复杂的熔岩隧道系统（Calvari & Pinkerton, 1998）；熔岩隧道为其内部的流动熔岩提供了“保温”效应，令熔岩流的活动时间更久、距离更长。
一个持续了近50年的讨论，是熔岩隧道能否成为人类探索外太空的基地选址。在月球和火星的人类外太空基底建造设想中，面临的首要问题就是其环境与地球极具差异，宇宙射线极强。如果能够在合适的天然洞穴中建造外太空基地，熔岩隧道就是一个可选的目标：减少辐射并提供长期稳定环境。
2. 熔岩隧道里面有啥？
熔岩钟乳和熔岩石笋Lava stalactite and stalagmite
熔岩钟乳是悬挂在隧道洞顶或洞壁上的，拉长地、尖刺状或尖端变细的熔岩残余。熔岩石笋是挂壁岩浆受重力下滴形成的。隧道底板或洞壁上的，状如笋的熔岩滴累积物，其上方多为熔岩石笋。
熔岩凳、熔岩架、熔岩碛Lava bench (shelves, levee):
熔岩凳与洞壁和底板相连。它是熔岩隧道内熔岩流的残余，记录了内部熔岩流不同的“水位”。熔岩架是悬挂在洞壁上的熔岩表壳残余。熔岩流的边缘冷却，随后熔岩流进一步排空，所剩下的独自站立的残余熔岩。
三者都是熔岩流沿着洞壁流动产生的现状构造，熔岩凳和熔岩架与洞壁是热接触，残留的程度和位置不同。相对而言，熔岩碛与洞壁是冷接触。
熔岩炉（cupola）
熔岩隧道洞顶的凹陷，是热塌陷形成的腔体，洞顶膨胀，亦或是熔岩隧道上方又出现新的熔岩隧道所形成的贯通点。
图4. A, 熔岩钟乳和石笋（Gruta do Carvão）; B, 熔岩钟乳（五大连池仙女宫熔岩隧道）; C, 熔岩凳（Gruta do Carvão）; D, 熔岩碛（海口七十二洞）（AB, https://grutadocarvao.amigosdosacores.pt/en; CD, 陈正全拍摄）
生物
目前所知，熔岩隧道内生活了一些动物，例如蝙蝠、壁虎、蟋蟀、蜘蛛、老鼠等等。
图5. 五大连池仙女宫内的蝙蝠簇（陈正全拍摄, 2017）
图6. 景福洞内的蟋蟀（陈正全拍摄, 2009）
图7. 沙特阿拉伯壁虎洞熔岩隧道内，一直壁虎爬在熔岩钟乳上（Pint, et al., 2002）
图8. 西班牙加纳利群岛red tube熔岩隧道中的蜘蛛（Emma Lira, 2024）
图9. 夏威夷熔岩隧道内的昆虫
(Alan Cressler, 2022, https://geographical.co.uk/science-environment/hawaii-lava-tubes-biodiversity)
在人类发展的过程中，一些人曾经将熔岩隧道作为天然庇护所。
图10. 沙特阿拉伯Umm Jirsan熔岩隧道内的考古发掘工作及岩画
（Mindy Weisberger，2024，https://edition.cnn.com/2024/05/08/world/lava-tube-stone-age-arabia-scn/index.html; Stewart et al., 2024, PLOS ONE）
1. 熔岩隧道咋形成的？
在火山学领域，熔岩隧道是研究熔岩流流动行为的一个对象。常与之关联研究的现象，是熔岩渠（lava channel），熔岩渠是指熔岩流动过程中，两个堤坝限定的流动的熔岩溪。
图11. 活动的熔岩渠（夏威夷Mauna Loa熔岩流, USGS）
图12. 熔岩渠向熔岩隧道的转变（夏威夷Mauna Loa熔岩流, USGS）
熔岩隧道是供熔岩流通过的，具有静止的、稳定的顶板、洞壁和底板的通道[1]。早年的术语也被称为tunnel（隧道）或pyroduct（火成管道）。在地质大辞典中[2]释义为“岩内部狭长的洞穴”（Harris & Pinkerton, 2015）。
在基性熔岩流中，不光表壳光滑的结壳熔岩流中发育熔岩隧道，渣状熔岩中也发育熔岩隧道（Calvari and Pinkerton, 1998）。熔岩隧道是熔岩流流动过程中形成的。
一种形成机制是熔岩渠“封顶”形成熔岩隧道。熔岩流向前运动的过程中，中心部位会形成熔岩渠。熔岩渠内部漂浮的、冷却的熔岩块、渣块等可以黏连、固化、焊接，从而“封顶”形成熔岩隧道（图13A）；熔岩渠两侧的熔岩堤，被熔岩流一层层地加厚，逐渐向内增生并最终融合在一起，“封顶”形成熔岩隧道（图13B）。这种熔岩隧的形成机制，在夏威夷Kīlauea火山的长时间溢流式喷发中观察到（e.g., Peterson and Swanson, 1974; Peterson et al., 1994）。
另一种更常见的形成机制，是熔岩流浅部的膨胀和排干。结壳熔岩或渣状熔岩在运动过程中，会伴随熔岩流的膨胀：内部熔融流体持续补给，表壳抬升的过程。表壳抬升持续的时间足够长，表壳就会固化，内部流体淌干，便形成了靠近熔岩流表壳的浅部熔岩隧道（图13CD）。在长时间喷发的情况下，会出现几个小的熔岩隧道合并成主体隧道的情况。火山学家在夏威夷、加纳利岛和冰岛都观察到了这种熔岩隧道的形成机制（Kempe, 2012; Sauro et al., 2019; Hróarsson and Hónsson, 1991）。
最后，熔岩隧道还有一种少见的“深部膨胀-掏蚀”的形成机制。在熔岩流的深部，一些活动的流体会沿着先存熔岩流边缘或碎屑堆积物膨胀（灌缝并膨胀），并热侵蚀周围的掩体（图13E）；在一些先存裂缝中也有这样的过程（图13F）。地球上这种机制形成的熔岩隧道，规模更大，例如兰萨罗特岛的Corona Lava Tube （Sauro et al., 2019），昆士兰Undara Lava Tube（Atkinson et al., 1975）。
图13. 熔岩隧道的几种形成过程。A) 熔岩渠中漂浮的固化岩板、岩块和岩渣焊接到一起，对熔岩渠“封顶”。B) 熔岩渠两侧岩架增生并持续闭锁，形成熔岩隧道。C) 结壳熔岩浅部膨胀并向侧下侵蚀，形成熔岩隧道。D) 渣状熔岩核部膨胀并排干，形成熔岩隧道。E) 熔岩流深部，沿着内部碎屑堆积物，或先存流动边界的深部膨胀，形成熔岩隧道；被热侵蚀和崩塌扩大。F) 沿着裂缝的热侵蚀，流体通道排干后形成熔岩隧道。（图片引自Sauro et al., 2020）
1. 哪里有熔岩隧道？国内呢？
上文已经列举了一些开发成景点的熔岩隧道。事实上，地球上存在基性熔岩流溢流的火山区，都可以发育熔岩隧道。我们将范围扩大，在太阳系的类地天体中，地球、月球、火星、金星、水星（这俩再查）上都具有基性火山活动，前三者已经辨识出了熔岩隧道（Greeley, 1992）。
太阳系的气态行星和具有火山活动的卫星上，也发现了类似熔岩隧道的构造。不过，这些火山活动喷发的物质不是硅酸质岩浆，而是硫、泥浆、甲烷等流体。
因此，熔岩隧道是熔岩流溢流的普遍现象，其存在非常广泛。那么，我国的基性熔岩流中，也发现了熔岩隧道。笔者在野外工作中调查到一些熔岩隧道的情况，如下表：
可以看到，熔岩隧道可以保持百万年的相对稳定状态。根据上文所述，出现出一些独特的生物是不足为奇的。至于熔岩隧道内部能否孕育生命系统，目前还没有实例。
结语：如何找到熔岩隧道？
根据熔岩流表面的地貌特征，结合熔岩渠、塌陷的分布，可以大致推测出哪里具有熔岩隧道。在没有出露的情况下，使用地质雷达也可以尝试探测熔岩流内部的熔岩隧道分布（e.g., 浦长龙等，2015）。在地外天体的熔岩隧道探测中，还需要找到更为合适的手段。
参考文献
Alan Cressler, 2022. The weird creatures inhabiting the lava tubes of Hawaii. Geographical. https://geographical.co.uk/science-environment/hawaii-lava-tubes-biodiversity
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Emma lira, 2024. Scientists found life in a volcano’s ‘lava tubes’—life on other planets could be next. https://www.nationalgeographic.com/environment/article/life-lava-volcanic-eruption-la-palma
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