熔岩隧道是一种发育顶板构造的管状地表岩浆流动通道，属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的关注。近年来，通过卫星监测和星球探测车技术，在火星和月球上也发现了大量的类似熔岩隧道塌陷坑的构造，被认为是最理想的星球地下空间入口（图1）。因此，熔岩隧道也成为了行星地质学家的重要研究对象。熔岩隧道可以阻挡宇宙辐射和微陨石的威胁，可以为人类未来建立地外基地提供稳定的庇护场所。尤其是月球重力小，相同性质和厚度的玄武岩在月面上的支撑能力约是地面的6倍，而月面熔岩隧道顶板的厚度可达数十米，可承载的负荷更大, 因而可拥更大的地下空间，甚至可在其内部建一座城市。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。了解这些地外岩石星球下的管状空间规模和组成结构特征是对其进行科学考察和利用的前提，也构成了开展地球与月球、火星上熔岩隧道比较行星学研究的重要意义。
图1 地球（a）、火星（b）和月球（c）熔岩隧道塌陷坑形态
（影像数据源自Hirise和LROC）
研究地球熔岩隧道的形成过程是理解月球和火星上熔岩隧道规模和大小的基础。目前的研究表明，地球上的熔岩隧道据其形成过程主要可分为覆壳型和膨胀型两类。一般而言，熔岩隧道的大小（即内部空间）从覆壳型-浅部膨胀型-深部膨胀型逐渐增大。另一方面，熔岩隧道顶板在自身重力作用或管道内热膨胀压力下常会发生坍塌，并形成串珠状的塌陷坑链。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（图2）。通过熔岩隧道的形态学参数和塌陷坑特征可以判断其成因机制并估算熔岩隧道的规模，这是开展熔岩隧道的比较行星学工作的理论基础。我们选择我国琼北地区的第四纪熔岩隧道群作为研究对象，主要是基于其具有丰富的形态类型、较大的洞体规模以及发育齐全的塌陷坑构造等条件，是开展熔岩隧道比较行星学研究的理想地区。
图2 西班牙科罗拉熔岩隧道和火星奥林帕斯山熔岩隧道塌陷坑链
（影像数据源自google earth和Hirise）
形态学研究表明：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（图3）。熔岩隧道塌陷坑初始形态多为圆形，后期可能受构造作用（如地震等）进一步崩塌形成规模更大的椭圆形塌陷洼地。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，且塌陷坑均呈陡直状，而洼地壁呈斜坡状；塌陷坑和洼地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。
图3 琼北地区火龙洞熔岩隧道内部特征
熔岩隧道塌陷坑的短轴宽度与熔岩隧道平均宽度之比f值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，其塌陷坑较小，f＜1；膨胀型熔岩隧道受热胀压力控制，塌陷坑较大，f＞1。本研究通过将琼北地区的七十二洞和卧龙洞熔岩隧道与卡组穆拉（Kazumura）、科罗拉（Corona）和安达拉（Undara）3个全球最典型的熔岩隧道的对比研究，结果表明Kazumura覆壳型熔岩隧道f≈0.4，而Undara膨胀型熔岩隧道f≈5.3，卧龙洞和七十二洞的f值分别为0.44和0.53，均属于覆壳型熔岩隧道。
不同星球上的熔岩隧道的大小和形态参数。一般而言，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。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4）。加上地球→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，因而能够形成更大空间的熔岩隧道。
图4 地球、火星、月球熔岩隧道塌陷坑形态学参数相关性图解
琼北地区和夏威夷地区以覆壳型为主，Corona和Undara以膨胀型为主，而月球上可能以深层膨胀型熔岩隧道为主。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。
近年来，针对月球、火星熔岩隧道的探测工作进展迅速，如月球的雷达探测（Kaguya）和GRAIL任务已经探测到月海风暴洋地区（Oceanus Procellarum）存在重力异常。越来越多的学者开始关注月球马里厄斯（Marius Hills）和静海（Mare Tranquillitatis）地区的熔岩隧道塌陷坑以及沿塌陷坑周围的岩石、堆积物的形态学特征。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。最近有学者提出利用轨道飞行器的探地雷达、小型卫星阵列的多频雷达探测以及太阳和木星无线电发射的被动探测等技术来探测火星的火（面）下空间具有用巨大的应用潜力。甚至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。
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。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，我国航天员叶光富2016年也参加了该项目。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。
目前，我国在地外熔岩隧道的研究程度还较低，但随着我国在航天领域的进步，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。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。
作者简介
段政（中国地质调查局南京地质调查中心， 中国地质科学院地质研究所，）：副研究员，主要从事中新生代火山岩研究。
基金项目：
本文受国家自然科学基金项目（４２２０２０６０）、国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目（92162210）和中国地质调查局地质调查项目（DD20230551、DD20230120）联合资助
本研究刊登在《岩石学报》2023年第39卷第8期：
段政, 邢光福, 朱祥坤, 张翔, 陈荣, 余明刚. 2023. 琼北地区第四纪熔岩隧道群研究: 形态学及其比较行星学意义. 岩石学报, 39(8): 2347-2364.
doi: 10.18654/1000-0569/2023.08.07
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排版：李馨瑜（中国石油大学（北京）地球科学学院）
校对：马洪伟（天津外国语大学）
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