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室内模拟重现冻土区长期地貌分选过程

文章来源 :
2021-10-25 10:16

2021年10月5日,“地质环境与灾害”任务“冻土冻融灾害及重大冻土工程病害”专题中国科学院西北生态环境资源研究院牛富俊研究员团队,在国际著名学术期刊《美国科学院院刊》(PNAS)上发表了关于冻土冻融灾害及重大冻土工程病害的最新研究成果。绍兴文理学院李安原博士为本研究第一作者,华东师范大学刘全兴教授为本研究通讯作者。

近期,科考队在国防公路考察至新疆温泉达坂一带,发现了条纹清晰的石条。无论在北极还是青藏高原多年冻土区,这些规则的地表图案都广泛发育,是冻土分选作用形成的独特的地貌类型。这种地貌景观也被认为是过去火星上存在地表液态水的证据。2003年,Science曾以封面论文的形式,首次报道了关于地表斑图形成的理论模型,该模型认为不均匀冻胀,空间侧向挤压是导致地表颗粒物质自组织运动的主要机制,然而该模型缺乏试验证据。

研究团队通过控制试验物理模拟冻土地区的冻融循环,实现了野外长期地貌分选过程的室内试验短期重现(图1)。试验显示,导致形成石环的土体中水分以冰针的形式作用于砾石,为砾石的运动提供能量来源。通过实验数据统计发现单个砾石的运动速率与局部砾石数量呈指数递减关系,这导致该系统中砾石在它们运动更慢的地方聚集,从而自发形成相分离:一个是砾石富集的密相,另一个是砾石稀少的稀相,进而形成了韵律性的砾石堆积图案。基于这一规律,建立了两个可以描述砾石在空间中分布的动力学相分离模型,这些模型能够重现野外和室内实验观察到的各种砾石图案。这是在国际上首次发现并报道了地貌学中的相分离机制并揭示地表图案的产生机理。


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图1 实验室中石纹和石头运动的自组织模拟

原文链接:https://www.pnas.org/content/118/40/e2110670118