流沙匍匐土壤以及对景观演化的新认识

发表在Nature Communications 上的一项新研究发现，即使不受干扰，成堆的沙粒也在不断运动。宾夕法尼亚大学和范德比尔特大学的研究人员利用高度敏感的光学干涉数据，提出了挑战地质学和物理学中关于土壤和其他类型无序材料如何表现的现有理论的结果。

大多数人只有在土壤突然失去刚性时才会意识到山坡上的土壤运动，这种现象称为产量。“假设你在山坡上有土壤。然后，如果发生地震或下雨，这种看似固体的材料就会变成液体，”宾夕法尼亚大学的首席研究员道格拉斯杰罗马克说。“流行的框架将这种失败视为裂纹破裂。之所以有问题，是因为你是根据固体力学标准对材料进行建模，但你是在它变成液体的那一点对其进行建模，所以有一个内在的矛盾。”

这样的模型意味着，在屈服点以下，土壤是固体，因此不应流动，但土壤在称为蠕变的过程中缓慢而持久地“流动”到屈服点以下。对土壤蠕变的普遍地质解释是，它是由物理或生物干扰引起的，例如冻融循环、倒下的树木或穴居动物，它们会移动土壤。

在这项研究中，主要作者和宾夕法尼亚大学博士。候选人 Nakul S. Deshpande 有兴趣观察静止的单个沙粒，根据现有理论，这些沙粒应该完全不动。“研究人员通过假设土壤颗粒在蠕变中的某些行为来建立模型，但实际上没有人直接观察到颗粒的行为，”Deshpande 说。

为此，Deshpande 进行了一系列看似简单的实验，在隔振工作台顶部的小有机玻璃盒中创建沙堆。然后他使用了一种称为扩散波光谱的激光散射技术，这种技术对非常小的颗粒运动很敏感。“这些实验在技术上具有挑战性，”Deshpande 谈到这项工作时说。“将这项技术推向这个分辨率在物理学中还不常见，而且这种方法在地球科学或地貌学中没有先例。”

Deshpande 和 Jerolmack 还与负责宾夕法尼亚复杂流体实验室的长期合作者 Paulo Arratia 合作，将他们的数据与物理学、材料科学和工程学的框架系起来，以寻找有助于解释他们的结果的类似系统和理论。Vanderbilt 的 David Furbish 使用统计物理学来研究粒子运动如何影响大规模景观变化，他解释了为什么以前的模型在物理上不充分并且与研究人员发现的结果不一致。

第一个实验看似简单：将一堆沙子倒入盒子中，让它静置，然后用激光观察。但研究人员发现，虽然直觉和主流理论认为未受干扰的沙堆应该是静态的，但沙粒堆实际上是一团不断运动的物质，表现得像玻璃一样。

“在我们测量沙子的各个方面，它都像冷却玻璃一样放松，”Deshpande 说。“如果你拿一个瓶子融化它，然后再次冷冻它，冷却玻璃中这些分子的行为，在我们能够测量的每一个方面，就像沙子一样。”

在物理学中，玻璃和土壤颗粒是“无序”系统的典型例子，其组成颗粒是随机排列的，而不是结晶的、明确定义的结构。虽然无序材料是宾夕法尼亚大学材料研究科学与工程中心的主要关注领域，但在受压时如何变形方面具有一些共同的行为，但玻璃和一堆沙子之间存在重要区别。构成玻璃的分子总是以取决于温度的速度随机移动，但沙粒太大而无法做到这一点。正因为如此，物理学家预计一堆沙子会被“卡住”并且一动不动，但这些最新发现为物理学和地质学的研究人员提供了一种新的土壤思考方式。

另一个令人惊讶的结果是，可以根据所使用的干扰类型来控制匍匐土壤的速率。虽然不受干扰的沙堆在研究人员观察到的时间内继续蠕动，但粒子运动的速度在一个称为老化的过程中随着时间的推移而减慢。当砂粒被加热时，这种老化被逆转，蠕变速率增加回它们的初始值。相比之下，敲打桩会加速老化。

“我们倾向于考虑推动土壤产量的因素，例如引发山体滑坡的地震引起的震动，但自然界中的其他干扰可能会使土壤远离产量，或者使山体滑坡更难发生，”杰罗马克说。“Nakul 将其调整得更远或更接近于屈服的能力就像一颗为我们爆炸的炸弹，这是一个全新的领域。”

在近期内，研究人员正在开展后续实验，以使用磁探针重现局部扰动的影响，以了解扰动如何导致系统远离或接近屈服。他们还在查看来自现场观察的数据，从自然土壤蠕变到灾难性滑坡事件，看看他们是否可以将实验室实验与观察者在现场看到的内容系起来，从而有可能采用新方法在灾难性景观故障发生之前检测它们。

研究人员希望他们的工作可以成为完善现有理论的起点，这些理论依赖于一种范式，就像山坡上的土壤颗粒随着时间的推移而发生变化，不再具有重量。“当你观察到一些真正违反直觉的新事物时，现在需要很长时间才能将其变成可用的模型，”杰罗马克说。“我希望在地球科学方面，拥有复杂工具、技术和经验的人会从我们已经结束的地方开始说，'我有一个新的想法，可以在该领域寻找这个你不会想到的签名'-规模、能力和兴趣的自然交接。”

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