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[散文] “冰臼”“壶穴”“风坑”“岩臼”“锅穴”成因的直观流体力学模型释疑(上)

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发表于 2018-10-31 16:49:24 | 显示全部楼层 |阅读模式




                      “冰臼”“壶穴”“风坑”“岩臼”“锅穴”成因的直观流体力学

                                                                                                  模型释疑(上)


                                                             (一)


    今年八月份,我在周末登鼓山白云洞山道上,注意到山道上祼露大墙面的花岗岩表面上,有明显的层状结构,最外层的岩层与山体主体岩层巨蛋弧面之间的剥离面,曲面非常完整光滑——这极像煮熟的鸡蛋蛋白与蛋黄分离面一样……,不过这个自然蛋以几十米直径曲率的蛋白与蛋黄分离,这完全不像外力挤压形成表面,因为花岗岩不是晶体,并没有天然的解离表面……

    这激发了我试图解释长期困扰我的另一个地质问题“冰臼”的成因的热情。于是,上山的路上,我给我大学同学的微信群中写下了这一段话:

“……, 792同学中,学凝聚态物理近二十人,我要给你们出一道小题目,若你去福建九鲤湖,你会看到九鲤湖溪道花岗岩上有直径半米到一二米的半圆凹洞或大半圆凹洞,人们称之为“冰臼”,或者是“壶穴”。从九十年代起,中国地质学家们发表了大几十篇论文,有人说这是冰川融水从高处跌落形成的“冰臼”;有人说是河水从高处跌落冲刷小凹坑,水冲刷石块磨出来的……,我认为地质学家们各种各样解释,全是没有足够地说服力……这是专门留给七九二微信群来建模……我认为是熔岩上升,将一些熔点更高岩块、同时比重比熔岩小的岩块包裹着,有些包了一半,有些包了一大半,但是被上面地壳土层顶着冷却,像是硬糖掉在蛋糕表面。等地壳运动上升,上层土地被河道冲刷,这些岩石比花岗岩软,更易风化,先被水冲走,这时水流湍急旋转,可能使岩石表面光滑,形成冰臼……

七九二那位能建立这个数学模型和找到"核心”材料构成?ANSYS建模?这种冰臼,在中国很多河道上被发现,黄河长江河底亦有。

几年前,我在福州长乐三溪村水库溪道上也发现了一批,同时发现山上大岩石块上有不少鸡蛋大小的凹洞。前不久,在福鼎发电站海边,我发现花岗岩熔岩包裹老岩层块的断面,所以想到了这个模型……

你们想想, 冰川一直都是在移动,至少每天移动几米,不可能形成多少年稳定高处坠落水,“冰臼”这个词就是胡扯……而正常河水旋转,很难想象,怎么钻进花岗岩岩层形成壶状的几米的洞穴?

我想,只有在岩面上先形成洞,如核心石头先被腐蚀和冲走,水流再打磨,景上添花,形成“冰臼”半米到几米左右空洞空腔……

亦有人提出过包裹圆卵石之说,我没看过原文,我想并不一定是圆卵石。

我在鼓山凤池景区山顶上,曾发现有两三处有半米直径花岗岩圆坑,显然这不是水流作用,我想只有腐蚀最外面上方包裹物,才能这样啊……

百度上“冰臼”词条,显得想象力特别丰富,说到“冰河冰川”那里去了,不靠谱……我的模型,还是靠点谱……

七九二乡亲们,那位同学有点勇气,将我半开玩笑半认真的模型,真的建模写成正儿八经的论文?我不懂凝固态物理,更别说建立数据模型……我做正经事和学问,总是连半吊子都沾不上边……

我粗粗看了网上的几十篇关于冰臼争论论文,水平绝对在半吊子我的想象力之下……不妨想象,若地层裂缝中有石膏矿石块,假定石膏熔点比花岗岩岩浆高,显然又比岩浆比重轻,它们会浮在地层裂隙最上层,当岩浆充满裂缝并冷却,形成花岗岩山顶外表面上的包裹物,当地壳上升,花岗岩峰群裸露山顶,石膏包裹物被腐蚀后形成所谓“冰臼”,这是我这这一周突发灵感的物理模型……”

不用说,我的这些话是石沉大海,等于没有说……人到中年,个个都忙得像长跑后的狗一样,只有喘气的份儿,谁会有闲功夫和你胡扯……


                                                                                                (二)


    我突然有写一篇文章甚至论文的冲动,用来论述自己这一个很浪漫的猜想,可是迟迟动不了笔……细细想来,这不是闹着玩的事:一个完全对地质学外行的人,提出一个困扰中国地质学家们几十年的地质现象的物理模型,再变成文章,放在网上……这就像一个小伙子在公交车上看到一个漂亮的姑娘,只是调了几句情,多看了几眼,就要让他同意,立即去婚烟登记所领结婚证一样,这会让他感到本能的恐惧啊……

    这事放了几个月,我总觉得写这样文章,有违我这些年做科研工作的本能:自己不熟悉的领域,信口开河,写没有证据论文是有失身份的和科研人员严谨的……

前天,当我看了CCTV-9二集纪录片《阿期合图石林与青山岩臼》,纪录片中称青山山顶上岩臼是风沙和冰水共同作用,但我总觉他们没有解释清楚,仍是一笔糊涂账……

这再次激起了我的好奇心和好胜心。我觉得片子中中国地质学家们关于冰川、风沙、冰水混合物侵蚀等几种说法,均不如自己几个月前的假设合理……还不如我以戏说的方式,在网上提出自己的猜想,或许有一天会被后来的人证实,或对他们有所启发……

于是我再重新检索网上众多的这个话题的论文,同时,对自己此前模型进行批判……

                          (1

周尚哲在“锅穴一定是第四纪冰川的标志吗?”( 第26卷第1期2006年1月第四纪研究)一文中较系统介绍各名词来源:

“1 河谷流水形成的锅穴

关于锅穴,最为常见的是河床上湍急的流水形成的锅穴。西方有关文献中的记载颇多。《哥伦比亚百科全书》第6版在pothole辞条下的解释是“In geology,cylindrical pit formed in the rockychannel of a turbulent stream, It is formed and enlargedby the abrading action of pebbles and cobbles that are carried by eddies, or circular water curents that move against the main curent of astream.Pothole are most commonly found at the bottomsof eddies in rivers and in plunge pools below cataracts;sometimes

potholes in a rock outcrop indicate the former site ofa

rapid or cataract.Potholes areoften found on form erly glaciated regions where whirling columns of glacial meltwatersank well-like holes, or moulins, through the ice.Notable potholes are foundin Ausable Chasm,N. Y.。and Shelburne Falls,M ass.”

西方不同版本的《地貌学百科全书》也有大致雷同的解释。图1是Strahler父子在著名教科书《自然地理学》 中关于流水携带沙砾在河床上磨蚀形成锅穴的介绍。在此,笔者将香港元朗、海南岛

万泉河溪流锅穴照片(图2)和澳大利亚塔斯马尼亚Launceston的锅穴照片(图3) 一并贴在这里供大家研究。前两幅图片所展示的锅穴正在经历河水的继续塑造,处于持续形成或扩大的过程之中。E.C.Douglas写了一篇专门解释锅穴成因的文章。文章首先说:“In the usual interpretation,potholes are consideredto be the effects of erosion by streams and rivers over very long periods oftime. The actual work of abrasion is considered to havebeen done either by hard grains of sand held in suspension by the rapidly flowingwater; or by large boulders,called

“ grinders”,in the bottom of the pothole, that were

agitate constantly by the currents swirling around inside. The tiny grains in the rapid currents are thought to have graduallyworn down the rock into a depression,that was deepenedby the motion of the grinders.” 。

文章主要是研究河流如何在河床上塑造potholes的问题。的确,锅穴虽然普遍见于河床,但是,河流如何在岩石上开凿出那样精巧绝妙的锅穴,理解起来也颇感困惑。因为有的锅穴大到十几米的直径和深度,而有的仅为几厘米。E.C.Douglas引用了O.D.yon Engeln在1942年《地貌学》中的论述:“Where the rocks of a streambed arenonuniform in texture,or are frequentlyintersected by points,or have any kind of localizedweakness,a small pit may be dug by differential erosion,or a hollow may result from the breaking out of a large fragment.Once a depression is formed in the bed of a stream it can became thecurent to move across the low spot. The sand andpebbles do not, however, remainat rest.They are,more or lesscontinuously,given a circular

motion around the bottom of the hollow. By such grinding the depression is enlarged and deepened. In consequence more pebbles and more of the curent are involved.Thus a pothole,progressively deepened and widenedat the bottom,comes into being.”

早在1932年H.S.Alexander就做过一个模拟实验,他用一个管子向玻璃杯中冲水,观察水在杯子中的运动规律。得出的结论是,水必须以一个低角度冲人,才能够发生旋转运动¨。而锅穴形成的前提是必须要在局部产生旋转的水动力。A.Morgan也提供了一个大体雷同的模拟实验(图4)¨ 。他指出,虽然在一个玻璃桶中做的实验不能够重现在相对松软的砂岩上观察到的形态,但却有相当的相似性。看来,河床基岩上存在细微的横向节理、河床局部出现软弱岩石、河床上出现常态流水一时搬运不动的砾石以及湍急的流水在侧岸形成的旋转流,总而言之,只要河床上出现水流阻力,就可能导致局部环流,从而形成锅穴。而这种情况最容易出现在大比降高落差的湍急的山区溪流河床上,因此现代山区河流的河床上形成的锅穴可以说是司空见惯的。笔者在怒江支流玉曲河床就看到大量侧岸回旋流形成的锅穴,也在武夷山闽江上游河床、甚至广东肇庆鼎湖山陡峻的溪流沟床等许多地方曾与锅穴邂逅。有文章报道,在澳大利亚西部Bungle Bungles干涸的河床上也发现许多锅穴,它们只是靠年初几个月的降水产生的湍急的洪水而年积月累地形成⋯ 。

2 冰水形成的锅穴

锅穴广泛形成于河床上。但是从19世纪开始,人们也在北欧、北美与现代河床不相干的地方发现许多锅穴,这在上述引文中已可窥见。典型的例子如挪威奥斯陆锅穴 ,瑞士冰川公园锅穴、美国明尼苏达Taylor’s Falls锅穴、纽约州水牛城的锅穴、宾夕法尼亚的Archbald锅穴、威斯康星Devil’s Lake锅穴(图5) ],乔治敦的Riggsville锅穴¨ ,加拿大安大略Devil Lake锅穴 14],Hilton Falls锅穴(图6)H ,Niagara Glen锅穴(图7) 等等。有的锅穴规模很大也非常有名。例如,宾夕法尼亚的Archbald锅穴38英尺深,最大胸径达到42×24英尺,底部17×14英尺”。容积18600立方英尺”,即140000加仑¨,能容纳35辆救火车。这里因此被命名为“Archbald Pothole”国家公园,占地150英亩”。这里是末次盛冰期北美冰盖覆盖的地方,这个巨大的锅穴被确定形成于15000年前(威斯康星冰期)。由此可见,大冰盖存在过的地方,的确能形成大量的锅穴。关于冰川作用区锅穴的成因,也是一个颇为费解的问题,C.Embleton和C.A.M.King在其名著《Glacial Geomorphology>一书中专门作了介绍。书中写道“如人们所熟知,锅穴通常形成于正常的河床上,不需要与冰川作用相联系。但是一些锅穴发生在冰川作用区,以致我们不得不考虑冰水形成锅穴的作用。”这里首先必须明确的是,即使在冰川作用区发现的锅穴,也绝不是作为固体介质的冰的磨蚀作用所形成,它们依然是流水即冰川融水侵蚀形成的。故而严格来说,应当叫做冰水锅穴(glaciao—fluvial pothole)。

在1874年发现奥斯陆锅穴时,Brogger等 就提出了一种冰水穿洞假说(Moulin Hypothesis)。Moulin是法语,系指冰川冰体中的流水穿洞或竖井。该假说认为,流水通过Moulin达于基岩,不断侵蚀

基岩,致使基岩上相应地形成了锅穴 12]。Moulin假说为许多研究者所接受并加以发展¨ 。但是,很快就受到了质疑。这~假说要求冰川上的融水穿洞(Moulin)长时间对准基岩上的一个固定点,而众所

周知冰川是运动的,冰川上任何一个“Moulin”都不可能长时间对准基岩上的一个固定点。特别是基岩上的锅穴有时成群出现,更增加了Moulin与锅穴一一对应的难度。因此,Moulin假说似乎是不能成立

的。与Moulin假说不同的是H.S.Alexander于1932年提出的冰水假说(Glacio—fluvialHypothesis)⋯,为以后的研究者所赞同 。这一假说认为,发育于冰川作用区的锅穴是冰下河道流水侵蚀的产物,其机理当与常态山区河床形成无异。H.S.Alexander把锅穴分为3种:第1种为跌水潭型锅穴(plunge—poolholes),宽而开敞,形成于瀑布之下,缺乏螺旋形刻槽;第2种为凿孔型(gouge—holes),为宽浅洼坑,由河床流水斜蚀形成;第3种为涡流锅穴(eddy—holes),可以很深,形状规则,边棱分明,穴壁上常有螺旋状刻槽(spiral grooves)。这种锅穴是漩涡环流所侵蚀形成,常见于河床。冰川作用区发现的锅穴大都具有这种特征,它们形成于冰下河道快速的流

水侵蚀而不是冰穴跌水¨ 。这样说来,冰川作用区形成锅穴的机理与山区河床上形成锅穴的机理是一样的,所不同的是冰盖之下的河道可能出现在异常的地貌部位,因为冰下河道的位置为冰川温度和冰

体所控制。

3 溶蚀、风蚀和浪蚀形成的锅穴

3.1 石灰岩上溶蚀形成的锅穴

锅穴还经常形成于石灰岩溶蚀作用,在Karst地区常见。英国学者M.M.Sweeting的名著《Karst Geomorphology》中提到一种新月形的溶坑(Trittkarren)(图8) 。石灰岩、白云岩上形成锅穴应当是最容易理解的。其表面只要有洼坑积聚含有CO:的水,溶蚀作用就会发生。Sweeting还提到溶坑有时形成于非碳酸盐类岩石,例如石膏,岩盐以及玄武岩和花岗岩上的假溶坑。笔者在此同时提供两幅喀斯特锅穴照片(图9和图1O) 。在这些照片中,还可以看到锅穴相叠,锅中套锅的现象。因此在喀斯特地区见到锅穴,首先应当联想到石灰岩

的溶蚀作用,而不是冰川作用。

3.2 风化风蚀作用形成的锅穴

关于风化风蚀作用形成的锅穴地貌学家也早有研究。Athol 所著《沙漠环境地貌学》也介绍了风蚀作用形成锅穴的情况(图11)。风蚀作用形成的锅穴叫做“Tafoni”,将其称为风锅是恰如其分的 。砂岩以及花岗岩、凝灰岩和其他块状岩石的风化侵蚀均能形成“Tatoni”。在雨季,轻微酸化的水浸泡有裂隙的砂岩,渗入岩石,溶解方解石矿物。到了干季,水蒸发时,方解石重新沉积于岩石的外部,年长日久,外部形成较厚的方解石硬壳,而岩石内部则日渐虚空。一旦外部硬壳被打破,虚弱的内部就暴露出来,非常容易受到侵蚀形成洼坑。这种洞穴状风化持续进行,风锅的规模就不断扩大。另外,空气运动类同流水,它们均为流体,具有共同的流体力学性质。我们站在高楼扔下一片树叶,树叶在下落的过程中不停打转,形状不同的树叶打转的方式和速度不同。这表明空气运动遇到微地形就会形成涡流。这便是风蚀可形成锅穴的动力根据。笔者在网上同样查到一些风锅照片(图12) 。

3.3 浪蚀作用形成的锅穴

锅穴还常见于海岸湖滨,为浪蚀作用所形成。其形成机理当与河谷激流雷同。台湾地理学界的同行多年来搞环境保育和旅游鉴赏,对壶穴作出了正确的成因解释。他们有资料介绍基隆河河谷暖暖火车站一带以及其他地方数以千计的锅穴的同时,也介绍海蚀壶穴;在网上还提供漂亮的海蚀壶穴照片(图13) 。海蚀能形成壶穴,湖岸浪蚀当然不能例外,涉及到湖蚀壶穴的国外文献也大量可查,在此容不赘述。”


吴砺

2018.10.31





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吴砺,桐城人,生于1963年,1979年就读中国科技大学物理系。大学毕业后在中国科学院从事科研工作,1997年曾在美国加州理工学院任访问学者,其后在硅谷工作。回国后一直在公司从事研发工作,已申请了五百多项国内外专利,并于2004年由海峡文艺出版社出版过第一本散文集《西海岸之》。2011年由中国文联出版社出版散文集《瞬间》。
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