驱动地貌系统中韵律性图案形成的自然法则——自组织中的新型“相分离”理论

　　“境自远尘皆入咏，物含妙理总堪寻”。冻土地区虽人迹罕至，但是大自然却在这里留下了一抹绚丽与神秘——由砾石构成的美丽图案（图1A）。这些砾石图案在冰缘地貌学中被称为地面图案（patterned ground），通常表现为石环、石圈、石多边形和石条纹等多种空间韵律性地貌。早在1958年，新中国的登山队在祁连山冰川外围的土地上就发现过这些奇妙的砾石图案。青藏科考过程中发现这类韵律性地貌广泛分布于历史上或当前具有大量冻土区域的青藏高原。近20年来，人类在探索火星的过程中也发现了这些韵律性地貌同样出现在火星表面（图1B），其最大尺度可达上百公里，这为这些图案的起源增添了更为神秘的色彩。

　　地质学家很早就在高山和北极圈内的季节性冻土和永久冻土地区发现了这些美丽且神奇的分选地貌，并在长达一个世纪的时间内在全球各地对其做过大量的现场观测。早在1933年就已有关于这种分选地貌的综述性文章。地质学家Washburn在1956年发表的一篇综述，将这类韵律性地貌分为由沉积物颗粒分选导致的分选地貌和非沉积物颗粒分选导致的非分选地貌，其中分选地貌是本文的关注对象。分选地貌（sorted patterned ground），即沉积物在某种驱动作用力下根据颗粒大小进行了分选，形成了相似粒径的颗粒各自聚集在一起的现象，在野外主要表现为砾石与土壤的分离，同时韵律性的砾石图案在分离过程中自发形成。一个显而易见的问题是：这样丰富多样又自有规律的地表斑图是如何形成的呢？

　　在回答这个问题之前需要了解一下什么是冻土，顾名思义，就是会冻结的土壤，其通常包括上下两层：上面是冬季结冻、夏季融化的活动层，下面是常年冰冻的永冻层。活动层的冻融过程所导致的差异性冻胀（differential frost heave）、土壤循环（soil circulation）和孔隙水的Rayleigh–Bénard对流一直被认为可能是这种韵律性地貌自发形成的驱动力，并且形成了相关的概念模型（concept model）。在野外观测中已经证实了差异性冻胀和土壤循环的存在，比如，在瑞士阿尔卑斯山对条纹状分选地貌的多年观测确认了差异性冻胀的存在，在挪威斯匹次卑尔根岛（Spitsbergen）对各种韵律性分选地貌的常年观测确认了差异性冻胀和土壤循环的同时存在，而孔隙水的Rayleigh–Bénard对流依然停留在概念模型的阶段，尚未在野外被观测到。

　　目前，主流观点认为差异性冻胀是导致韵律性地貌形成的主要原因。在土壤水冻结的过程中，由于水具有热缩冷胀的性质，湿的、细颗粒的且多孔的土壤发生膨胀，导致与土壤混在一起的砾石被推向旁边，而在土壤水融化的过程中，土壤主要向重力方向坍缩，因而无法将先前被冻胀推开的砾石带回，多次冻融循环之后，砾石与土壤分别聚集在一起，形成了两者的分选。而科学家对分选地貌韵律性则的解释则来源于两个不同的视角。Werner和Hallet在1993年猜想，在冻胀过程中石头的运动能力会随着石头附近石头数量的增加而降低，据此他们提出了一个可重现多种分选地貌的格子模型（lattice model）。随后在21世纪初，Kessler，Werner和Hallet认为石土混合物的可压缩性在冻胀过程中与土壤厚度之间存在正反馈，该正反馈导致石头发生不可回归原位的位移，据此构建了一个格子模型和一个基于个体的模型（individual-based model），这两个模型亦可重现多种空间韵律性地貌。相对于理论模型，在实验室内通过控制实验重现分选地貌似乎更为困难。将有关分选地貌的理论与控制实验相结合一直是该领域需要攻克的难题。最为关键的是，这些分选地貌如此广泛地出现在各种冰缘地貌中是否暗示着大自然中存在统一性的法则可以解释它们的形成？

研究成果刊发于美国科学院院报

　　10月1日，《美国科学院院报》（PNAS）在线刊登了由中国科学家团队领导，日本、美国和荷兰研究人员共同参与发表的题为《Ice needles weave patterns of stones in freezing landscapes》的最新研究成果。该研究基于控制实验首次提出了驱动地貌系统中韵律性图案形成的自然法则——自组织中的新型“相分离”理论（图2）。通过控制实验物理模拟冻土地区的冻融循环，在野外需要长达数年的地貌分选可在一个月左右形成。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。砾石的运动过程被发现受控于一个重要的机制：浓度依赖的运动关系，即单个砾石的运动速率取决于该砾石附近的砾石数量，这也直接印证了Werner和Hallet在1993年的猜想。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，这导致该系统形成了一个正反馈：砾石在它们运动更慢的地方聚集。该正反馈驱动了冻土系统自发形成相分离：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图案。基于这一正反馈，该研究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（图2）。需要特别提及的一点是，虽然目前自组织理论在宏观的地貌学与生态学中存在许多理论模型，但是发现其符合相分离理论尚属首次报道。

图2：研究提出的相分离模型及其模拟结果与实验对比

　　研究人员构建的相分离理论体系也能够重现火星地表碎石呈现的多种图案。鉴于火星地表的砾石图案与地球冻土地区砾石图案具有高度的相似性，我们有望通过进一步收集火星或类似环境的证据，并通过控制实验证明相分离亦驱动着火星冻土环境地貌的演化。从这个意义上来说，该研究能够激发研究人员进一步理解类地行星的地质地貌演化机理。

　　华东师大生态与环境科学学院刘权兴教授为通讯作者，博士后葛振鹏和胡文思为合作者；绍兴文理学院青年教师李安源为第一作者。日本筑波大学Norikazu Matsuoka教授，中科院西北生态环境资源研究院牛富俊，美国华盛顿大学Bernard Hallet教授，伊利诺伊大学-香槟分校Nigel Goldenfeld教授，荷兰皇家海洋科学院Johan van de Koppel教授共同参与了此项工作。

附：

期刊链接：https://www.pnas.org/content/118/40/e2110670118

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图文、来源｜生态与环境科学学院　编辑｜吴卓佳　编审｜郭文君