段政 邢光福 朱祥坤 张翔 陈荣 余明刚

1. 中国地质调查局南京地质调查中心,南京 210016 2. 中国地质科学院地质研究所,北京 100037

熔岩隧道是一种发育顶板构造的管状地表岩浆流动通道,为玄武质火山岩区地表岩浆物质输送系统的重要组成部分,其成因和形态学特征长期受到火山地质学家和行星地质学家的关注(Halliday, 2004)。另一方面,由于熔岩隧道的顶板容易发生坍塌,因此,对熔岩隧道的调查和研究也是火山灾害学的重要研究内容(Kempe, 2012, 2019)。更具研究潜力的是,近年来通过绕月和绕火卫星监测系统,在月球和火星的玄武岩区也发现了大量的疑似熔岩隧道的熔岩地貌,这些月/火下空间被认为是探寻地外古老生命痕迹和建立地外基地的潜在场所(肖龙等, 2008; Burns, 2010; Léveillé and Datta, 2010; Huangetal., 2011; 肖龙; 2014; Xiaoetal., 2015)。肖龙等(2018)通过对前人研究成果的总结认为:熔岩隧道/熔岩管内部空间结构(如熔岩管内部空间大小及形态、延伸范围和弯曲程度)可以建立熔岩隧道3D模型,而熔岩隧道底部特征(如熔岩管底部的平坦程度、坡度和塌陷物的分布等)和熔岩隧道顶板厚度探测可以估算熔岩隧道的支撑强度,隧道内壁流线纹理还可以指示熔岩流期次及其熔岩通量。随着火山学和洞穴学的发展,对熔岩隧道成因及特征的认识也不断得到提高(Bunnell, 2008)。长期以来,熔岩隧道的形成机制一直是玄武岩地貌研究的热点之一。Peterson and Swanson(1974)首次在夏威夷的基拉韦厄(Kilauea)火山直接观察到了一种熔岩隧道的完整形成过程:首先,玄武质熔岩流会形成一条开放的(无顶板)熔岩通道(lava channel);随后,在流动过程中,熔岩流顶部因与空气接触而迅速冷却固结,逐渐形成熔岩隧道的顶板构造,为内部的熔岩流创造了一个相对绝热的环境,使得通道内的岩浆冷却速率缓慢下降,故而能够长期保持高温和低粘度状态,并持续向前流动;最后,当通道内的熔岩流因补给不足而逐渐排空时,就留下了一条隧道状的通道(Dragonietal., 1995)。后来的研究表明,熔岩隧道的形成过程实际上复杂多样,上述由熔岩流表面冷却形成的熔岩隧道一般被称作覆壳型(over crusting)熔岩隧道,但根据熔岩隧道顶板不同的固结方式还可进一步细分为3种次级类型(Kempe, 2012):(1)熔岩流顶部直接冷却固结成玄武岩结壳(图1a);(2)熔岩流中漂浮的刚性岩块在熔浆作用下互相熔结-冷却,形成固结的顶板(图1b);(3)熔岩流溢出或溅起的岩浆逐渐在通道两壁顶部冷却-硬结,使得顶板侧向生长形成横跨熔岩流的顶板构造(图1c)。另外,除了覆壳型熔岩隧道之外,浅部膨胀型熔岩隧道也是一种常见的类型。Honetal.(1994)和Petersonetal.(1994)最早对这一类型的熔岩隧道进行了研究。他们发现,当薄层绳状熔岩流(pahoehoe)的表壳冷却硬结时,岩流内部的热量会不断累积,并产生热膨胀压力导致整个岩流单元均匀隆起。随着熔岩流持续流动,液态的岩流核部就逐渐成了岩浆流动的优选通道。当岩浆流动时间较长时,数条较小的熔岩隧道还可能进一步膨胀合并形成一条主通道,同时使得熔岩流的热侵蚀作用进一步加强,进而导致熔岩隧道空间增大(Kempe, 2019; 图1d)。除了绳状熔岩外,有学者认为长期活动的块状熔岩流(′a′ā lava)似乎也能形成浅部膨胀型熔岩隧道(Calvari and Pinkerton, 1998),其形成过程主要是当块状熔岩流的边缘逐渐冷却固结时,熔岩流尾部的岩浆还在继续向前缘匀速补给,这就会导致热量在熔岩流前缘不断积累,并使其热膨胀压力迅速升高,而形成空间结构。当这种膨胀压力进一步向熔岩流后部传导时就会形成一条管状通道(图1e)。另外,如果岩浆的热膨胀压力大于岩流外壳的抗剪强度时,熔岩流还会冲破外壳并形成新的熔岩隧道,使得这种熔岩隧道的空间形态呈多层状和/或弯曲状(Duncanetal., 2004)。全球典型的浅部膨胀型熔岩隧道主要分布于夏威夷(Kempe, 2019)、加那利群岛(Sauroetal., 2019)和冰岛(Hróarsson and Jónsson, 1991)等盾状火山区。

图1 熔岩隧道主要类型及其形成过程示意图(据Kempe, 2019; Sauro et al., 2020修改)

除了覆壳型和浅层膨胀型熔岩隧道外,近年来研究发现还有少量的熔岩隧道是由深层膨胀作用形成的。这种类型的熔岩隧道是由于两期巨厚层熔岩流的界面处发生膨胀而形成小的通道,并在热侵蚀作用下使该通道进一步扩大(图1f;Tonello, 2017; Kempe, 2019)。这种类型的熔岩隧道是地球上规模最大的熔岩隧道之一。全球著名的西班牙兰萨罗特岛(Lanzarote)的Corona熔岩隧道(Sauroetal., 2019)和澳大利亚昆士兰的Undara熔岩隧道(Atkinsonetal., 1975)均属于该类型,尤其是后者的熔岩流通量可以达到50m3·s-1以上(Sauroetal., 2020)。另外,还有一些熔岩隧道可能是由岩浆沿着火山机构的早期裂缝发生热侵蚀作用形成的,其形成深度一般较深,如夏威夷的伍德谷坑(Wood Valley Pit Crater),其位于地表以下近90m处(Okubo and Martel, 1998)。同时,可能是由于受到上部熔岩流的阻挡,这种类型的熔岩隧道一般不会延伸至地表,且其空间展布形态呈近乎垂直的椭圆状,故又被称为抽空脉状熔岩隧道(Cushingetal., 2015)。

在形态学研究方面,全球熔岩隧道的形态学参数变化范围极大,其长度可以从几米变化至几十千米,宽度和高度介于0.5～30m之间(Bunnell, 2008)。全球最长的熔岩隧道是位于夏威夷的卡组穆拉(Kazumura)熔岩隧道,总长度可以达65.5km(Allred and Allred, 1997)。熔岩隧道空间展布形态的截面通常与地表平行,但通道横截面形态多样,包括拱形、圆形、椭圆形、葫芦状和囊状等(Allred and Allred, 1997; Greeleyetal., 1998; Fagents and Greeley, 2001)。另外,熔岩隧道的空间展布形态可以呈现4种不同的组合模式:(1)单层单通道模式,呈弯曲或直线状;(2)单层多通道模式,同一水平面呈分叉和连接的交叉状;(3)多层单通道模式,由熔岩瀑布和竖井连接的不同水平面的多层状;(4)多层多通道模式。这种组合的差异主要由岩浆流动速率、地面坡度、下伏古地貌形态以及熔岩的成分及其流变学参数所共同控制(Sauroetal., 2019, 2020)。Kempe(2019)则根据熔岩隧道的成因特点,将熔岩隧道的形态分为单主通道型、双(多)主通道型和叠加主通道型3种类型。研究表明,大部分熔岩隧道只受到单一熔岩喷口的补给,属于单主通道型,其体积主要受到熔岩流速和活动时间的控制(Sauroetal., 2020)。双(多)主通道型则是由两个以上的独立喷口补给而成。这种通道还可以相互作用并形成更为复杂形态(Kempe, 2019)。相对而言,叠加主通道型是目前研究程度最低的一类熔岩隧道系统。这种类型主要由一系列相互叠加和交叉的通道系统组成,其成因可能与补给火口输出的熔岩通量不断升高有关(Coons, 2009)。

值得一提的是,通过对熔岩隧道的地面调查工作,学者们注意到熔岩隧道的顶板常会发生坍塌,并形成串珠状的塌陷坑链。这样的坍塌过程可能是熔岩流的活动过程中热膨胀压力急剧增高或岩流流空后经重力作用所导致(Cushingetal., 2015)。这种塌陷坑链常被称为Pukas(属夏威夷群岛)或Jameos(属加那利群岛),常呈蜿蜒的串珠状,多沿着熔岩隧道的方向展布。地球熔岩隧道的塌陷坑总体上可分为两类:(1)陡降式发育碎屑坡的塌陷坑,其宽度与熔岩隧道宽度相等;(2)具有垂直内壁的天窗式塌陷坑,其宽度显著小于熔岩隧道。另外,熔岩塌陷坑常被碎石充填,而塌陷坑之间的熔岩隧道部分却常保持完整,因而这种塌陷坑常可成为进入熔岩隧道内部的入口,对其探测和调查具有重要意义。

总体而言,基于地球熔岩隧道的形态学研究,不同学者针对不同形态特征的熔岩隧道提出了多种成因模型,尤其是通过熔岩隧道的塌陷构造和形态学参数可以预测熔岩隧道的规模并判断其成因机制,这为开展熔岩隧道的比较行星学工作奠定了理论基础。然而,熔岩隧道塌陷坑特征及其与熔岩隧道洞体的关系以及不同类型熔岩隧道内的熔岩构造特征是制约熔岩隧道比较行星学研究的重要因素,而选择典型熔岩隧道开展形态学调查研究是厘清上述问题的关键所在。我国琼北地区分布多处第四纪熔岩隧道群,且其形态类型丰富、洞体规模较大、天窗构造发育齐全,是开展熔岩隧道比较行星学工作的理想地区;同时,该地区熔岩隧道的成因机制尚不明确,因而,对其开展形态学调查和研究工作,是深入认识琼北地区第四纪大规模玄武质熔岩流喷出与就位方式的重要手段。

1 琼北地区熔岩隧道的形态学特征与形成机制

我国琼北地区分布着大面积的第四纪玄武岩。这些火山岩南以王五-文教断裂为界,向北延伸进入琼州海峡,并与雷州半岛的新生代玄武岩组成了我国新生代四大火山群之一的雷琼火山群(图2a)。区内火山活动十分频繁,自古新世至全新世共发育10期火山活动(图2b;段政等,2021)。大面积的新生代玄武岩中发育多种类型的火山地貌,尤其是熔岩隧道分布广泛,共5群30余条(陶奎元,2012),其数量之巨,类型之丰富均达到了世界级规模,且具有较高的代表性,因而成为开展熔岩隧道形态学及比较行星学研究的理想对象。本文利用高密度电阻率法对琼北地区典型熔岩隧道的物性进行了探测,地面测量方法主要使用海星达iRTK系统,利用GPS系统差分定位,进行点位实地测设,并采集记录点位大地坐标信息。同时对熔岩隧道内部空间进行了测量,测量仪器主要使用拓普康全站仪。因此,联合地面高密度电法和地下空间实测技术对琼北地区典型熔岩隧道的形态学特征进行了详细调查。

图2 雷琼火山群地质简图(a)、研究区新生代火山岩分布图(b,据白志达等,2003;魏海泉等,2003;陶奎元,2012修改)及地貌图(c)

1.1 琼北地区熔岩隧道形态学参数

琼北地区的熔岩隧道多呈管道状,顶板形态以平板状和微弧状为主,隧道两壁多呈内凹的圆弧状,底板较为平坦,多分布末期熔岩流,并保留了大量的绳状、面包状等结壳熔岩流构造。有意思的是,底板的高程呈现出有规律的变化特征,如海口龙华地区的火龙洞熔岩隧道其底板和顶板的高度由北向南均匀升高,其中主管道的底板海拔从37.48m逐渐均匀升高至47.56m,主管道的顶板海拔从37.69m均匀升高至50.0m。此外,在熔岩隧道最南端,由于顶板距地面较近,顶板在重力作用下发生塌陷(未形成天窗构造(塌陷坑)),在熔岩隧道内形成一处约120m2的陷落碎石堆积区。结合熔岩隧道底板末期熔岩流的熔流脊方向,推测当时火龙洞熔岩隧道一带的熔岩流是从南向北流动的(图3)。另外,琼北地区熔岩隧道(火龙洞、卧龙洞和七十二洞)平均宽度在8.4～13.4m之间,埋深在6.2～25m之间。

图3 海口龙华地区龙泉镇火龙洞熔岩隧道顶、底板高程图

1.2 琼北地区熔岩隧道类型

琼北地区的熔岩隧道多发育于火山机构附近的厚层熔岩流之下,其空间展布形态多样,主要包括单层单通道和单层多通道两种组合模式。由于熔岩隧道属于相对封闭的环境,其内部的熔岩构造均保存良好,熔岩气泡、洞缘边隆、熔岩石笋、熔岩钟乳等完整可见。更重要的是,熔岩隧道中的晚期熔岩流在流动过程中,还受到底板的平缓程度、岩流的补给速率、流动速率及冷却速率等因素的综合影响,导致熔岩流冷却固结时形成的“玄武岩结壳”形态不一,故而形成的熔岩隧道组合类型和横截面形态特征也有差别,这对于未来在火星和月球上的熔岩隧道勘查工作具有重要的借鉴意义。通过对琼北地区熔岩隧道的调查研究,其主通道的横截面形态主要可分为5种类型:

1.2.1 隧道状截面

该类熔岩隧道在琼北地区分布最广,约占已发现熔岩隧道总量的4/5左右(杨世火,2012),具有这种截面的熔岩隧道一般延伸较长,平面展布长度远大于宽度(图4)。另外,该类熔岩隧道还呈现出底板宽、洞壁较低且陡(洞壁与洞底夹角约80°～85°)的特征。顶板常为拱形,该形态有利于熔岩隧道长期保持稳定。

图4 琼北地区典型熔岩隧道空间形态特征

1.2.2 箱状截面

该类型的熔岩隧道以底宽、顶平,两壁低矮而平直为特征。具有此类横截面的熔岩隧道多为短、矮的空洞。另外,由于该类隧道较为低矮,熔岩热量极易传导至洞顶(图4b②,③),因此其洞顶的熔岩钟乳构造极为发育。

1.2.3 巷道状截面

这类熔岩隧道以洞壁高度远大于洞底宽度为主要特征,其成因可能是由于后期熔岩流不断向下发生热侵蚀作用所致。调查发现,琼北地区七十二洞熔岩隧道的一处支洞,洞高5～6m,而洞底宽仅1～2m,形如高墙之间的巷道,属典型的巷道状熔岩隧道(图5④)。

图5 琼北地区海口石山镇七十二洞熔岩隧道形态学特征

1.2.4 管道状截面

该类熔岩隧道的横截剖面近似椭圆形,一般高约2～3m,宽约5～10m,两侧洞壁的顶、底分别向内弯曲呈弧形,故隧道顶板稳定性较好,坠石堆积较少。这种熔岩隧道可能属浅层热膨胀型熔岩隧道。琼北地区的火龙洞和七十二洞中均发育多条长约20m的管道状熔岩隧道(图4b④)。

1.2.5 囊状截面

此类熔岩隧道分布较少,以顶、底板陡直,近乎垂直延伸为主要特征。这类熔岩隧道常发育多个壁高底窄、延伸较短的多个“囊状”洞室,洞室之间相互连通,而连通处的横截面直径远小于洞室直径,故形成一串洞口小,洞腹大的带状洞穴。这类熔岩隧道的成因可能与熔岩隧道中的晚期熔岩流在两期岩流界面处发生热膨胀,并不断向下发生热侵蚀作用有关(图1f)。在封闭的熔岩隧道中,后期高温岩浆加热使得隧道内压力增大,导致上覆围岩的垂向裂隙或薄弱的玄武岩结壳被胀裂,形成近乎垂直的膨胀空间。琼北地区这类熔岩隧道可深达20～30m,其底部常积水成潭,故而成为当地人提取地下水的“天然井”。

1.3 熔岩隧道内的熔岩构造

通过对琼北地区的熔岩隧道调查工作,笔者注意到典型的熔岩隧道横截面一般包括顶、底板,洞壁等主体熔岩构造以及烘烤内壁、熔岩钟乳、熔岩石笋、熔岩流动刻蚀痕、熔岩石柱、熔岩石花、洞壁岩阶、洞缘边隆、晚期熔岩流等次级熔岩构造(图6)。此外,熔岩隧道中还常发育熔岩塌陷、坠石堆积、泥沙堆积、水潭和蝙蝠粪堆积等。

图6 琼北地区火龙洞熔岩隧道内的典型熔岩构造

1.3.1 熔岩钟乳

在熔岩隧道形成晚期或后期熔岩流再次灌入熔岩隧道时,其顶板或两壁尚未冷凝的或再次熔化的熔岩在重力作用下被垂向拉长,就会形成“熔岩钟乳”构造(图6a)。常见的熔岩钟乳形态有乳状、锯齿状、葡萄状、铃铛状和鼻状等。这种熔岩钟乳记录了其形成过程中熔岩隧道的温度、气体成分、水含量等信息(Lanzafame and Ferlito, 2014)。因为,几乎所有的熔岩钟乳均含大量的气泡,约占体积的50%,因此熔岩钟乳中保留了大量的岩浆挥发分信息。研究表明,部分熔岩钟乳含有相对丰富的H、F、S元素,而这些元素主要赋存于熔岩流释放的气体中,进一步证实熔岩钟乳为重熔形成(Lanzafame and Ferlito, 2014)。

另一方面,玄武岩重熔产生的熔岩钟乳构造还表明在熔岩隧道内部温度可以上升到玄武岩固相线以上。熔岩钟乳形态越尖锐或长度越长,表明隧道内温度就越高,导致熔岩粘度越小,而玄武岩的加热过程除了熔岩流的热辐射作用之外,玄武质岩流中的还原性气体(如CO、H2S等)在被氧化过程中发生的放热作用也可能是产生高温环境的重要因素(Spilliaertetal., 2006; Burgisser and Scaillet, 2007),而熔岩隧道内的火山气体的氧化过程主要通过与熔岩塌陷坑中灌入的大气组分发生反应而实现(图7a)。

图7 典型熔岩隧道熔岩挥发分被氧化放热示意图(a)及熔岩隧道内次级火山构造截面图(b)

1.3.2 熔岩气泡

熔岩流在洞内逐渐冷凝时,其出溶的H2O、CO2和SO2等挥发分会在洞顶或洞壁汇聚并垂直隆起,形成弧形玄武岩结壳(图7b)。当这些玄武岩结壳内部的气体压力突破其外壳抗剪切强度时,挥发分便会冲破结壳而形成蜂窝状孔洞(图6b)。琼北地区的火龙洞熔岩隧道洞壁的“火龙”景观(长约110m,断续出现),即为隆起的熔岩气泡构造。

1.3.3 熔岩擦痕与洞缘边隆

当后期熔岩流裹挟刚性岩块在熔岩隧道中流动时,较坚硬的熔岩流表面会刮擦熔岩隧道的两侧洞壁甚至顶板,形成极为平直的,如同人工刻凿的刻蚀痕构造。这种擦痕一般分布于两侧洞壁之上,洞顶和顶底也可见少量分布(图6c、图7b)。大部分熔岩擦痕深约2～4cm、宽约1～2cm、长约5～10m左右,延伸方向多与洞底平行。熔岩擦痕的刻蚀深度常出现浅和深的相互转变,反映了熔岩流动的方向和流速大小。另外,熔岩隧道底部发育的少量擦痕延伸方向多变,多呈漩涡状、椭圆状组合,并断续出露,暗示熔岩流内部的刚性岩块在随熔岩流的运移过程中处于翻滚状态。

另一方面,熔岩流两侧的边缘岩流与隧道壁直接接触而快速冷却,故而常会在隧道底部两侧发育高出隧道底板的如铁轨一般的洞缘边隆构造(图6c、图7b)。

1.3.4 熔岩石笋与晚期扇状岩流

部分未固结的熔岩中喷气时携带岩浆喷出,岩浆液滴逐渐堆积,形成熔岩石笋,其高约10～30cm,直径约2～5cm,较大的岩浆液滴喷出时还可形成堆积熔岩饼等构造(图6d、图7b)。此外,由于熔岩隧道内降温速率相对缓慢,晚期熔岩流进入熔岩隧道时可以保持较高的流速,因而在冷却凝固过程中形成极为细小的绳状构造,甚至保留了熔岩流极缓慢固结时形成的扇状熔岩流(图6f、图7b)。这种熔岩流扇体对判断古岩流方向极为有益,扇缘向扇顶的最大延伸方向即为岩流的主体流向,其应与熔岩隧道的延伸方向平行。

1.3.5 坠石堆积

熔岩隧道普遍分布坠石堆积,堆积体杂乱无章、石块大小不一。坠石堆积的规模常与埋深成反比,如琼北地区的七十二洞熔岩隧道顶板约2～4m,坠石堆积约占熔岩隧道空间的1/3,规模远大于龙泉镇火龙洞熔岩隧道(埋深约15～20m)(图4b、图6e)。另外,在永兴镇卧龙洞(图4a)和七十二洞中(图5),还常见坠石堆积堵塞熔岩隧道,尤其在熔岩隧道的入口处常见发育。这些坠石堆积可能均与1605年的琼山大地震(7.5级)有关(杨世火,2012)。

1.3.6 熔岩隧道塌陷坑

熔岩隧道塌陷坑是熔岩隧道系统的重要组成部分,是进入熔岩隧道内部空间的主要入口。琼北地区永兴镇卧龙洞群、美安镇美玉村洞群、石山镇七十二洞和乳花洞群,均发育多处熔岩塌陷坑,且常沿熔岩隧道的延伸方向呈串珠状排列。

琼北地区的熔岩隧道塌陷坑一般呈椭圆形,直径5～10m(图4、图5)。熔岩隧道塌陷坑在后期还可能受构造作用(如地震等)进一步崩塌形成规模更大的塌陷洼地。如石山镇仙人洞群塌陷洼地和卧龙洞群塌陷洼地,这种塌陷坑和洼地的特点是:(1)塌陷坑直径远小于熔岩隧道,而塌陷洼地宽与熔岩隧道宽度相近;(2)塌陷坑和洼地一般深度3～5m,且从近火口处向远火口处,深度逐渐变小,与熔岩厚度变化规律一致;(3)塌陷坑和洼地的洞壁均为陡直状;(4)塌陷坑和洼地下方常见坠石堆积;(5)部分塌陷洼地内植物茂盛或形成地下森林。

2 熔岩隧道的比较行星学意义

近年来,通过卫星监测和星球探测车技术,在火星和月球上发现了大量的类似熔岩塌陷坑构造,其并被认为是进入星球地下空间的最理想的入口之一(Cushing, 2012; Haruyamaetal., 2012),因此熔岩隧道的比较行星学研究在近年来得到了快速发展。实际上,早在20世纪70年代,行星地质学家就注意到火星和月球火山岩区常出现一些蜿蜒的凹谷和串珠状的塌陷坑群构造(Greeleyetal., 1969; Carr, 1973),它们常呈“链状”排列,称为坍塌链(collapse chains)或坑链(pit chains)(图8)。这些塌陷坑与火星和月球上常见的撞击坑不同,它们并不发育与撞击有关的边缘凸起构造及其溅落碎屑堆积,而更可能属于星球表面坍塌形成的空洞构造(Cushing, 2012; Leone, 2014; Wagner and Robinson, 2014)。另外,这些塌陷坑多分布在熔岩流或火山机构附近,因而可能属于熔岩区常见的熔岩隧道(lava tube)构造。当时就有学者提出月球长条状月谷构造可能就是熔岩隧道坍塌造成的(Greeleyetal., 1969);火星上的一些链状塌陷坑也可能代表了熔岩隧道的展布形迹(Burns, 2010; Léveillé and Datta, 2010)。然而,也有一些研究表明,火星和月球的塌陷坑并非都与熔岩熔岩隧道直接相关,一些非火山的构造作用也可能形成这种构造, 如岩浆侵入、浅部岩浆房崩塌或张性断裂等(Rubin, 1992; Scott and Wilson, 2002; Wilson and Head III, 2002; Ferrilletal., 2004, 2011; Wyricketal., 2004; Smartetal., 2011; Cushing, 2012, 2017; Leone, 2014)。

图8 地球、火星和月球熔岩隧道及其塌陷坑形态学特征

近年来,利用美国NASA火星勘测轨道飞行器(MRO)搭载的高分成像科学实验相机(HiRISE,0.25m/pixel)和月球勘测轨道飞行器搭载的窄角相机(LRO NAC,0.5m/pixel)可以对火星和月球的这种塌陷构造进行详细观测。由于能够识别以垂直崖壁为特征的特殊洞穴构造,这就为进一步确认这种塌陷构造的成因机制提供了重要约束。目前,通过上述两个探测器已在月球和火星上分别发现了300多个(Wagner and Robinson, 2019)和1000多个(Cushing, 2017)可能的塌陷坑构造。观测结果表明,月球最大的熔岩塌陷坑位于马里厄斯山(Marius Hills)的火山岩高原上(Haruyamaetal., 2012),火星上的最大的熔岩塌陷坑位于亚西尔(Arsia)火山和奥林帕斯(Olympus)火山的熔岩台地区(Cushingetal., 2007)。另一方面,月球和火星上的塌陷坑壁还是熔岩流的天然剖面,利用探测车来研究这些地质剖面特征是探索月球玄武岩高原和火星盾状火山成因的重要途径(Kerberetal., 2018)。

熔岩隧道可以阻挡宇宙辐射和微陨石的威胁,完整和开放的熔岩隧道可以为人类未来建立地外基地提供稳定的庇护场所(Haruyamaetal., 2012)。肖龙等(2018)提出:月球熔岩管洞穴可提供温和适宜的环境和潜在的资源保障、防止宇宙射线照射、陨石撞击或月尘和溅射物的影响,是建设月球基地的绝佳选择,尤其是月球重力小,在地球上3.5m厚的熔岩隧道顶板可以支撑45835kg/m2,而在月球上表面, 相同性质和厚度的玄武岩可以支撑275000kg/m2,而现有观测数据表明月面熔岩隧道顶板的厚度可达数十米, 承载的负荷更大, 因而可拥更大的地下空间,甚至可在其内部建一座城市。更重要的是,这些熔岩隧道还可能赋存挥发性物质,以及在其沉积物中保存了水、冰等多种资源,是寻找火星过去和现在生命痕迹的重要潜在地区(Bostonetal., 2001; Léveillé and Datta, 2010; Michalskietal., 2018; 肖龙等,2018)。然而,除了少量的火星塌陷坑和月球沟谷等呈现出连续分布特征外,大部分塌陷坑均呈独立产出状态,这与地球熔岩隧道的塌陷坑显著不同(Sauroetal., 2020)。因此,对火星、月球上的塌陷坑构造与地球熔岩隧道进行比较行星学研究是揭示这种差异背后控制因素的重要途径。

开展月球和火星上熔岩隧道的大小、形态以及内部特征等形态学参数的探测和研究是与地球熔岩隧道进行比较行星学研究的重要基础。近年来,日本通过雷达探测技术(Kaguya)(Kakuetal., 2017)和美国NASA重力恢复和内部结构实验室任务(GRAIL)(Chappazetal., 2017)来探索月表下熔岩隧道形态和大小。这些研究证实了月球上的线性凹陷区之下确实存在地下空间,但目前仪器的探测水平只能分辨这些通道的大小、深度和形状等少量信息。最近,Zhaoetal.(2017)在火星萨西斯(Tharsis)东南部的熔岩台地上识别出38个可能的脊状熔岩隧道,并对其进行了形态和年代学分析。此外,火星诺克提斯迷宫(Noctis Labyrinthus)地区发育一系列的塌陷坑链和线性凹陷也可能是坍塌的熔岩隧道遗迹,但目前的研究手段均难以直接观察到火面下熔岩隧道的展布形态与规模(Leone, 2014)。有研究提出,通过对熔岩隧道顶板稳定性(如迭代改变顶板厚度和岩石强度)的有限元模拟工作,可以推测月球和火星熔岩隧道的空间大小(Blairetal., 2017; Theinatetal., 2020)。但是,这种方法只能计算月球和火星上熔岩隧道的稳定阈值,却难以直接证明其存在熔岩隧道和形成过程。由于火星和月球上的塌陷坑链与地球熔岩隧道的塌陷坑群在形态上极为相似(Cushingetal., 2007; Léveillé and Datta, 2010; Cushing, 2012),故可以作为开展三者熔岩隧道比较行星学研究的形态学基础。基于地球上熔岩隧道的成因机制和形态学研究,可为识别火星和月球上的熔岩隧道及其相关构造提供形态学依据。另外,通过地球熔岩隧道塌陷坑与下方完整隧道段之间的相关性研究,还可以对火星和月球的熔岩隧道进行形态学研究和体积估算。

2.1 地球熔岩隧道形态学特征

对火星和月球的熔岩隧道开展比较行星学研究时,需先对地球的熔岩隧道形态学特征开展研究。熔岩隧道的形态学特征是熔岩隧道流动过程的记录(Sakimotoetal., 1997),而不同成因类型熔岩隧道之间存在显著的形态差异(Dragonietal., 1995; Kauahikauaetal., 1998; Kempeetal., 2010)。近年来,前人利用地面激光扫描(TLS)和移动测绘(MM)技术,对科罗拉(Corona)熔岩隧道系统的陆域部分进行了分辨率达6mm的3D扫描,扫描长度达6.5km,这是目前最长的熔岩隧道3D扫描工作(Santagataetal., 2018),并获得了丰富的熔岩隧道形态学参数信息。实际上,前人已经对地球玄武岩区的熔岩隧道开展了大量的形态学调查和成因研究工作,并积累了数百千米的熔岩隧道调查数据。如在夏威夷(美国)(Petersonetal., 1994; Kauahikauaetal., 1998; Bunnell, 2008),加那利群岛(西班牙)(Wilkensetal., 2009; Sauroetal., 2019),冰岛(Hróarsson and Jónsson, 1991),昆士兰北部(澳大利亚)(Atkinsonetal., 1975),西西里岛(意大利)(Calvari and Pinkerton, 1999),济州岛(韩国)(Wooetal., 2008),加拉帕哥斯群岛(厄瓜多尔)(Jordá-Bordehoreetal., 2016),富士山(日本)(Miyamotoetal., 2003),及五大连池、镜泊湖、海口(中国)(陶奎元,2012;浦长龙等,2015)等地区均进行了较详细的熔岩隧道调查研究 (表1)。这一庞大的调查数据库构成了开展月球和火星熔岩隧道比较行星学研究的重要基础,而通过比较行星学研究可以对地外星球的熔岩隧道的形态学特征进行推测,尤其是空间大小、展布形态、埋藏深度等重要信息,这对未来实地探测和开发利用这些空间具有重要意义。

表1 全球典型熔岩隧道的长度对比表

21世纪以来,形态测量学是比较行星学中比较不同行星体的相似地貌成因的重要手段(Plescia, 2004; 肖龙等, 2008; Ansan and Mangold, 2013; De Toffolietal., 2019; Pozzobonetal., 2019)。利用数字地面模型(DTMs)数据,可以获得地球、火星和月球上熔岩隧道塌陷坑的形态学参数,包括:长度、短轴宽度、深度、总体积、线体积(1m长熔岩隧道的平均体积)、宽深比值(AR)等。另一方面,针对地球熔岩隧道,还可以通过洞穴勘探、三维激光扫描和地形测量,直接获得熔岩隧道的总长度、平均宽度、高度和体积等参数(表2)。

表2 地球、火星和月球典型熔岩隧道塌陷坑形态学参数表

通过对卡组穆拉(Kazumura)、科罗拉(Corona)和安达拉(Undara)3个全球最典型的熔岩隧道系统的调查,共发现120处以上的塌陷坑(Sauroetal., 2020)。这些塌陷坑一般呈椭圆形,其长轴平行于地下熔岩隧道延伸的方向,而其短轴一般与熔岩隧道的平均宽度相近。Kazumura熔岩隧道塌陷坑宽度平均为7.3m,而其熔岩隧道主体宽约10.5m(图9a)。相对而言,Corona熔岩隧道规模更大,其塌陷坑宽度约37.6m,但熔岩隧道宽度变化于7～27m之间,平均为13.7m(图9b;Sauroetal., 2020)。Undara熔岩隧道宽约15～20m,但塌坑宽可达50～60m(图9c;Atkinson, 1991)。另一方面,这3条熔岩隧道的塌坑平均深度却相对较为均匀(分别为5.2m、9.8m和10.0m),与各自未坍塌的熔岩隧道平均高度相当(分别为8.1m、9.7m和6.5m)。因此,熔岩隧道平均AR值(宽/深比值)从Kazumura→ Corona→ Undara(分别为1.4、3.9和5～6)逐渐增加(表2)。另外,Allred and Allred(1997)的统计表明,利用熔岩隧道塌陷坑的短轴宽度(W)与熔岩隧道平均宽度(Wt)之比f值还可以判断熔岩隧道的成因类型。一般而言,覆壳型熔岩隧道主要受重力控制,其塌陷坑一般较小,故f<1;膨胀型熔岩隧道受热胀压力控制,塌陷坑一般较大,因此f>1,如夏威夷的Kazumura覆壳型熔岩隧道f≈0.4(Allred and Allred, 1997),而昆士兰的Undara膨胀型熔岩隧道f≈5.3(Atkinson and Atkinson, 1995)。

图9 地球熔岩隧道及塌陷坑的平面图(a、b,据Sauro et al., 2020修改; c,据Atkinson et al., 1975修改)

本文对琼北地区的典型熔岩隧道塌陷坑的形态学特征进行了调查,其中发育塌陷坑构造的卧龙洞和七十二洞熔岩隧道的塌陷坑长轴平均值分别为11.7m和12.4m,短轴平均值分别为7.2m和9.7m,平均深度分别为7.7m和6.2m,平均宽深比值为0.94和1.6(图9d, e)。另外,卧龙洞和七十二洞的平均宽度为13.4m和18.1m,故二者的f值分别为0.44和0.53,与夏威夷的Kazumura熔岩隧道相近,可能均属于覆壳型熔岩隧道(表2)。

2.2 月球和火星的熔岩隧道形态学特征

开展地球熔岩隧道与月球和火星的凹陷和塌陷坑群构造的行星比较学研究,可以更好地限定月球和火星上的塌陷坑群成因及形态学特征。从分布特征上,火星和月球的塌陷坑链存在明显的差异,如Wyricketal.(2004)注意到火星上几个塌陷坑链(串珠状塌陷坑群)主要沿萨西斯(Tharsis)火山构造的张性裂隙分布,这与冰岛(Ferrilletal., 2011)和夏威夷(Okubo and Martel, 1998)火山附近发育的熔岩隧道塌陷坑分布特征极为类似。然而,月球塌陷坑链却多集中在与区域性张性断裂附近(如月海盆地,Wattersetal., 2012),呈区域性线型分布(Pozzobonetal., 2015),属于非火山成因的构造塌陷坑。另一方面,从塌陷坑链展布形态上,火星和月球的塌陷坑似乎也有明显的不同,火星上的塌陷坑链展布弯曲较大,与地球的熔岩隧道塌陷坑类似,而月球塌陷坑链主要呈直线型延伸,弯曲程度较小,更表现出受区域性构造作用控制的分布特征(Cushingetal., 2007)。

此外,火星和月球上的熔岩隧道的类型可能也是多样的,如火星和月球上的塌陷坑链存在明显的形态差异,与地球的覆壳型与膨胀型熔岩隧道可以进行对比(Dragonietal., 1995; Kauahikauaetal., 1998; Kempeetal., 2010; Orretal., 2015)。覆壳型熔岩隧道主要是在重力驱动下,经熔岩流冷却固结所形成,因此其一般沿地表最大坡度的方向展布,分布形态较为平直(Sakimotoetal., 1997)。Cushing(2012)研究表明,火星阿尔西亚火山(Arsia Mons)北部的塌陷坑链呈现明显隆起的线型分布,且两个塌陷坑之间可通过这种隆起的管状通道连通,因而可能属于覆壳型的熔岩隧道。相对而言,膨胀型熔岩隧道是在热膨胀压力驱动下,沿熔岩流的不连续面(如裂隙或熔岩流界面等)发生膨胀作用形成,其展布一般不会沿最大坡度方向,而多呈无规则的蜿蜒状,所以不会在星球表面显示出线型分布特征(Orretal., 2015)。具有这种特征的熔岩隧道常分布于火星阿尔西亚火山(Arsia Mons)及亚德里亚(Hadriaca)火山南部地区,月球上的格罗特胡森(Gruithuisen)塌陷坑链也可能属于这类熔岩隧道(图8)(Sauroetal., 2020)。

3 熔岩隧道塌陷坑特征与熔岩隧道稳定性的相关性

研究表明,熔岩隧道塌陷坑的特征是判别熔岩隧道类型的重要参数。因此,基于比较行星学,通过研究地球熔岩隧道可以进一步限定月球和火星熔岩隧道与其顶部塌陷坑的形态关系。一般而言,大部分地球熔岩隧道的塌陷坑在平面上呈椭圆形,其长轴方向多沿隧道延伸方向平行,其宽度与下方熔岩隧道的平均宽度相近。然而,当熔岩隧道相互交叉时,只会在隧道埋深较浅处才形成塌陷坑,而较深的熔岩隧道并不会发生坍塌(Sauroetal., 2020),如琼北地区的火龙洞和卧龙洞熔岩隧道的坠石堆积多发育于熔岩隧道的交汇处(图4)。另外,实际调查结果表明,当熔岩隧道顶板完全垮塌时,其塌陷坑会呈圆形,但其宽度远小于熔岩隧道宽度(图9)。Bunnell(2008)通过对全地球熔岩隧道的统计工作,指出大部分具有圆形塌陷坑的熔岩隧道,其通道直径要远大于塌陷坑的直径。这为通过直接观测塌陷坑直径来推测底下熔岩隧道的直径大小提供了依据。

总体而言,在形态学上,火星和月球上可能的熔岩隧道与地球熔岩隧道有3个方面的相似性(图9):(1)大部分熔岩隧道都是弯曲延伸的,并不受区域性构造的控制;(2)每条熔岩隧道的熔岩塌陷坑的宽度与深度相近,且塌陷坑短轴与熔岩隧道展布方向垂直;(3)熔岩隧道最先出现的较深塌坑的方向即为岩流来源方向(Ferrilletal., 2004; Wyricketal., 2004)。然而,火星和月球与地球的熔岩隧道又存在显著的不同。首先,塌陷坑的长轴和短轴大小具有从地球、火星到月球呈指数级增长的趋势(图10a)。其次,塌陷坑的深度与线性体积也表现出从地球、火星到月星指数级增加的相关性(图10b)。另外,除了体积外,塌陷坑的AR值也存在较大的差异。地球Kazumura、Corona和Undara的AR值分别为1.4、3.9和5～6(表2),且在地表上明显可见线型隆起,而火星Arsia、Olympus和Hadriaca火山地区熔岩隧道的AR值变化于6～11之间,且除发育数处塌陷坑外,火星表面无显著的隆起痕迹。另一方面,研究表明熔岩隧道AR值的差异主要受其形成方式的控制,Kazumura属于由一系列覆壳型小型隧道和浅部膨胀型的主隧道组成(Allred and Allred, 1997),Corona和Undara则是属于埋藏更深、活动时间更长的膨胀型熔岩隧道(Whitehead, 2010; Tonello, 2017)。因此,火星上的熔岩隧道更可能属于深层膨胀型熔岩隧道。这种熔岩隧道规模相对更大,且隧道的埋深深度会有规律的逐渐减小,如火星Arsia南部的熔岩隧道从开始塌坑深约70～50m,到熔岩隧道末端的塌坑深度逐渐减小至30～20m(Tonello, 2017),这种塌坑陷深度变化也与Arsia火山的熔岩厚度变化一致(Mouginis-Mark and Rowland, 2008)。

图10 地球、火星、月球熔岩隧道塌陷坑形态学参数相关性图解

相对而言,目前发现的月球熔岩隧道较少,疑似的熔岩隧道构造主要集中在月球背面的月海玄武岩平原区(Hurwitzetal., 2013)。月球发育的熔岩隧道塌陷坑形态与火星的类似,但体积却比火星的高出数十倍(表2)。此外,月球熔岩隧道塌陷坑的宽/深比(AR值)也明显低于火星,而与地球膨胀型熔岩隧道的较为相近(表2)。研究表明,月球熔岩隧道塌陷坑的低AR值可能是月球玄武岩的高流速和强热侵蚀共同作用的结果(Wilson and Head, 2002; Williamsetal., 2007)。另一方面,如果假设月球塌陷坑的宽度与下方熔岩隧道的宽度一致,即f=1,根据地球熔岩隧道的形态学研究结果,月球熔岩隧道宽度可能在500～800m之间,高度约80～190m,其最大体积可能达到(4～14)×104m3,这相当于地球熔岩隧道地下空间体积的1000倍,因而具有极高的潜在利用空间和探测价值(Sauroetal., 2020)。通过对月球马里厄斯山(Marius Hills)的雷达探测结果,也证实了这一地区发育大型的地下空间构造,且探测到的空间高度在75～150m之间(Kakuetal., 2017),这与前文假设的f=1型的熔岩隧道规模极为相近。然而,这种f=1型的熔岩隧道多为埋深比较浅的覆壳型熔岩隧道,另一方面,若月球熔岩隧道属于埋藏比较深的深膨胀型熔岩隧道时,其塌陷坑的短轴短多显著大于熔岩隧道的宽度,即f>1,这种情况下的月球熔岩隧道体积可能在(1～7)×104m3之间(Sauroetal., 2020)。最近,Sauroetal.(2020)利用塌陷坑与熔岩隧道的形态学相关性,估算出火星约有3×107m3的覆壳型熔岩隧道空间,而膨胀型熔岩隧道则可能达到10×107m3。此外,月球熔岩隧道的体积可能比火星还高出一个数量级,如月球格鲁依图依森(Gruithuisen)穹起火山岩区的熔岩隧道体积可达12×108m3。若月球其他地区发育的熔岩隧道长度和体积与Gruithuisen相当,则月球玛利亚地区发育的熔岩隧道体积至少可达(8～10)×108m3,这为未来勘探和利用火星和月球的地下空间提供了极有意义的信息。

4 熔岩隧道比较行星学研究对我国未来太空任务的启示

目前,对地球和月球、火星熔岩隧道的研究还较低,主要基于与地球的比较行星学分析工作,直接观/探测研究仍然有限。虽然,近年来针对月球的雷达探测Kaguya(Kakuetal., 2017)和GRAIL(Chappazetal., 2017)任务,已经探测到月海风暴洋地区(Oceanus Procellarum)存在重力异常,但目前仍不清楚这一月面下空间的范围和成因过程。同样,对于火星而言,由于目前火星勘测轨道飞行器(MRO)搭载的浅层探地雷达(SHARAD)分辨率较低、覆盖范围较小,导致目前仍无法直接证实火面下存在熔岩隧道(Perryetal., 2019; Bardabeliasetal., 2020)。

近年来,很多学者提出应加强火星对和月球熔岩隧道的专门探测(Perryetal., 2019; Bardabeliasetal., 2020; Sauroetal., 2020),且特别关注月球马里厄斯(Marius Hills)和静海(Mare Tranquillitatis)地区的熔岩隧道塌陷坑(Wagner and Robinson, 2014)以及沿塌陷坑周围的岩石、堆积物的形态学特征(Kerberetal., 2018)。另一方面,目前美国NASA的毅力号机器人正在对火星萨西斯(Tharsis)地区的火山地貌特征进行探测,然而由于受到操作时间延迟、导航所需的自主性以及火山高原区着陆等因素的影响,进展还相对缓慢。然而,最近也有学者提出利用轨道飞行器的探地雷达(Soodetal., 2016; Carreretal., 2018)、小型卫星阵列的多频雷达探测(Carreretal., 2019),以及太阳和木星无线电发射的被动探测(Romero-Wolfetal., 2020)等技术来探测火星的火(面)下空间具有用巨大的应用潜力。此外,还可以通过在月面及火面探测车上安装探地雷达等地球物理设备来获取熔岩隧道的直接证据(Carrolletal., 2015)。

总体而言,虽然可以利用无人设备对月球和火星的地下空间进行探测,但这类工作只能确认管状通道的存在,却难以直接对熔岩隧道的内部空间的形态学特征进行探索。因此,发展机器人和宇航员实地探测技术是未来开展地外熔岩隧道探索的一项重要内容。然而,在利用机器人进行月下和火下空间探测之前,应首先开展与月球和火星熔岩隧道相似的地球熔岩隧道的实地探测和研究,并绘制熔岩隧道空间展布图,为未来设计地外熔岩隧道探索路线提供参考。2012年以来,欧洲航天局(ESA)通过与相关科研院校开展合作,开始探索制定进行地外地下空间探测的工作方案——洞穴训练项目(CAVES),并已组织5家航天机构的36名宇航员在西班牙科罗拉(Corona)熔岩隧道进行野外训练(Sauroetal., 2021),我国航天员叶光富2016年也参加了该项目(王东明等,2016(1)王东明, 李国利, 饶力文. 2016. CAVES练什么——中国第二批航天员叶光富详解参加的洞穴训练. 新华通讯社, http://www.xinhuanet.com/mil/2016-07/27/c_129182593.htm)。2020年,美国国家航空航天局(NASA)还推出了可以探索熔岩隧道的机器人,并在加利福尼亚的熔岩隧道中进行了测试。2021年,欧空局的德国研究团队还开发出一种球形机器人——DAEDALUS来探测月球熔岩隧道(European Space Agency, 2021)。

目前,我国学者对地外熔岩隧道的研究还比较落后,但随着我国在航天工业领域的进步,特别是分别于2013年和2019年成功着陆的“玉兔号”和“玉兔二号”月球车均搭载了测月雷达,可对月面下的地下空间进行直接探测,这为开展月球熔岩隧道研究奠定了较好的基础。此外,肖龙等(2018)最近提出可以优先选择月球马利厄斯山(Marius Hills)、静海(Mare Tranquillitatis)和钱德拉杨(Chadrayaan-1)3个地区的熔岩隧道,利用轨道器、着陆器和洞穴机器人等手段进行探测。值得一提的是,我国于2020年成功发射的天问一号火星探测器和祝融号火星车均搭载有高分辨率相机和次表层探测雷达,可对着陆区火星地形地貌进行观测和火星表面以下100m左右的空间进行探测,这也为开展火星熔岩隧道的研究提供了较好的研究条件。

5 结论

(1)通过熔岩隧道的形态学和比较行星学研究表明,地球熔岩隧道及其塌陷坑与月球和火星上可能的熔岩隧道和塌陷坑在形态上极为相似,但不同星球上的熔岩隧道的大小和形态参数,如AR等均不相同。一般而言,塌陷坑的短轴宽度从地球(20～30m)→火星(40～400m)→月球(500～600m)呈指数级递增,而地球→火星→月球的重力参数逐渐递减。因此,重力较低的星球,其熔岩流溢出量大、流动速率高,导致熔岩流更长、更厚,有利于形成压力为主导(深膨胀型)、规模更大的熔岩隧道。此外,较低的重力还能帮助熔岩隧道顶板保持稳定,不易发生坍塌,因而能够形成更宽的熔岩隧道。

(2)基于熔岩隧道宽/深比的统计分析,地球和火星上同时存在覆壳型和膨胀型的熔岩隧道,琼北、夏威夷和火星Arsia北部以覆壳型和浅部膨胀型为主,Corona、Undara、火星Arsia南部、Olympus、Hadriaca和月球地区则以深层膨胀型为主。另外,月球典型的熔岩隧道顶板厚度仅约几十米,远没有超出发生顶板坍塌的阈值,故而月球上形成塌陷坑的熔岩隧道较少;但在地球和火星上熔岩隧道常由于重力作用而产生顶板坍塌,形成多处熔岩塌陷坑。因此,在这3个星球中,月球是最有可能发育和保存完整熔岩隧道的星球,其总体积可能大于数十亿立方米,是极其重要的潜在空间探测对象。

(3)未来对月球和火星可能的熔岩隧道进行科学探测将是一项极有意义的工作,而地球上熔岩隧道的调查和研究将为在其他发育玄武岩的星球上开展地下空间探索工作提供研究基础。琼北地区的熔岩隧道在形态学(宽深比值、塌陷坑链形态、熔岩隧道组合特征、管道截面等)、成因机制上与月球和火星上的具有高度相似性,是开展熔岩隧道比较行星学工作的理想对象。

致谢野外调查过程中得到董颖、王学旺、王军成和孙平及海口市龙华区龙泉镇儒王村全体村民的大力支持与帮助;三位审稿人提出的建设性修改建议,对本文的完善帮助极大;在此一并表示感谢。