全球气候变化（Global climate change）与时间效应影响岩石开裂的相关研究

2月前浏览2557

文一：

南极干旱山谷巨石裂缝沿线的盐潮解：岩石风化过程中被忽视的水分来源

摘要：

开裂是干旱环境中主要的岩石风化机制，干燥条件通常限制了水驱动风化过程的效果。在这里，我们提出了一个基于实地的实验结果，在超干旱和寒冷的南极干谷(ADV) ，记录了在其他干燥条件下液态水沿岩石裂缝的瞬时积累周期。这种湿气很可能来自亚饱和湿度条件下吸湿盐的潮解。分布在 ADV 各地的17个气象站的气象数据分析显示，地球上最干燥的环境之一的近地表大气条件每年可以支持数十个吸湿盐的潮解-风化循环，如 CaCl2、 NaNO3、 NaCl 和 MgCl2。这种潮解水分可能在 ADV 岩石的开裂过程中起重要作用。在更广泛的背景下，来自 ADV 的结果表明，潮湿的大气湿度可能是一个被忽视的水分来源，可用于地球上的岩石风化过程，否则极端干燥的沙漠，可能还有火星。

图：南极干旱山谷的卫星图像。在莱特山谷的唐璜池塘附近，一颗黄色的星星标记着这片田地。卫星图像是通过QuickMapServices QGIS插件从ESRI服务器（ArcGIS/World_Imagery）获得的。

图：(1)在莱特河谷唐璜池塘附近(背景，实验场地西侧)设置现场实验装置。白色箭头标记成像的巨石。这块巨石的长度是25厘米。监测设备包括: 用于探测湿润事件的延时光学摄像机、流动气象站和热成像摄像机。B)实验后从土壤中取出的费拉尔黄绿岩的图像(白色箭头)。C)费拉尔黄绿岩巨石的底面显示出裂缝中的盐的聚集。

图：通过盐潮解将水分输送到岩石裂缝中的图示。岩石裂缝内的脱水水分（盐水）可以通过削弱裂缝尖端的水分子的岩石化学键来加速裂缝的扩展，水分子响应亚临界应力而缓慢扩展。这种应力可来源于盐结晶循环（潮解/风化循环）和/或响应昼夜日照动力学的热膨胀/收缩。

文二：

火星巨石上的裂缝显示出指向太阳引起的热应力的优先方向

摘要：

火星巨石中裂缝的起源尚不清楚。在这里，使用火星探测车3D数据产品，我们获得了沿Spirit导线1573块岩石中1857条可见裂缝的定向测量结果，并发现火星岩石裂缝的定向在统计上是优选的，与本文中为中纬度沙漠中发现的地球岩石裂缝编制的方向相似。我们认为，火星定向裂缝的发生是由于微裂缝的优先传播，相对于太阳诱导的热应力中昼夜峰值的重复几何形状，微裂缝的方向是有利的。用Mars参数修改的数值模型在应力的总体大小以及应力峰值的时间方面都支持这一假设。这些数据提供了第一个直接的场和数值证据，证明与日射相关的热应力可能在火星表面部分岩石破裂中发挥主要作用。

图：火星上破碎的岩石。

图：位置图

图：133个岩石数据集。

文三：

热力作用对自生岩穹顶剥落的影响

摘要：

岩石圆顶上有洋葱皮的剥落层，是地球上最引人注目的地貌之一。长期以来，人们一直认为剥落是圆顶形成过程中不可或缺的一部分，其确切机制仍然是个谜，主要是由于缺乏对自然事件的直接观察。2014年8月，在夏季最热的日子里，美国加利福尼亚州的一个花岗岩圆顶自发剥落；目击者观察到大范围的裂缝，包括一块约8000公斤重的床单突然飞到空中。在接下来的两个夏天里，随后的剥离事件被仪器记录下来，该仪器首次捕捉到了剥离变形和应力条件。在这里，我们表明，热循环和累积的圆顶表面加热会导致亚临界裂纹，最终导致看似自发的剥落。我们的研究结果表明，热应力——在圆顶形成文献中很大程度上被忽略了——可以在触发剥落中发挥关键作用，因此可能是全球圆顶形成的重要控制因素。

图：Twain Harte Dome California 和剥落事件。

图：Twain Harte Dome 最近和以前剥离的断裂图。

图：剥离圆顶仪器布置图以及变形和力监测设备示意图。

文四：

利用发光测定裂缝年代

摘要：

岩石破裂是一个普遍的过程，它驱动并限制了化学降解、沉积物的产生和侵蚀以及基础设施的恶化。尽管一方面在岩石力学和地质年代学方面取得了广泛的研究成果，但我们在理解天然原位裂缝的长期演化方面仍存在明显差距。在这里，我们开发了一种新的裂缝暴露年代测定技术，以发光地质年代学的现代进展为基础。我们将新的测年方法应用于美国加利福尼亚州冰川外冲阶地上的一块花岗质巨石。我们得出的结论是，最长的碎屑分裂E-W断裂出现在巨石沉积后不久，而第二次N-s断裂出现在沉积后5 ka，分别与该地区的最后一次冰川盛期和年轻Dryas期大致相关。然而，第三条裂缝（宽度<<50µm）并没有完全裂开岩石，由于日光穿透可忽略不计，裂缝宽度的确定较差，因此其年代测定不明确。本文提出的断裂年代测定方法有可能破译对解释和建模至关重要的关系，例如，将岩石风化与气候变化和侵蚀相关的长期景观和大气演变。

图：（a）显示暴露岩石中潜在发光演化的示意图。日光照射会导致岩石表面的发光漂白。漂白的（蓝色）和原始的（红色）潜在发光之间的边界表示岩石顶表面以下的漂白前沿，即X。（b）裂缝的形成使日光能够穿透裂缝内部，从而使裂缝表面和整个裂缝表面的潜在发光变暗；漂白的（蓝色）和原始的（红色）潜发光之间的边界表示穿过断裂表面的漂白前沿Xf。箭头表示日光辐照度（c）预期裂缝随时间演变的概念图。tf（红色虚线）表示裂缝暴露年龄，即裂缝指数传播达到其最终宽度的时间。通常这样的事件会导致岩石破裂。（d）自岩石表面（ts）首次暴露于日光下以来，漂白深度Xs和Xf的自然演变。通过适当的校准，可以使用Xf来估计骨折暴露年龄（tf）。

图：从标记为黑色矩形的选定区域推导出发光深度剖面图。虚线曲线表示未漂白区域和漂白区域之间的边界。黑色箭头表示暴露在自然光下的骨折壁。

图：两个人工破碎的岩芯紧紧地放置在太阳能模拟器下，裂缝宽度分别为4.5和3 mm，分别模拟裂缝a和B的裂缝宽度。

文五：

沙漠路面岩石的裂缝: 定向日照对机械风化的进一步认识

摘要：

裂缝的形成是沙漠环境中岩石物理风化的基本第一步。在这项研究中，我们结合了来自莫哈韦（美国）、戈壁（蒙古）和Strzelecki（澳大利亚）沙漠的新现场数据，这些数据共同支持了这样一种假设，即巨石或鹅卵石形式的经向裂缝（其方向不易归因于岩石各向异性或形状的裂缝）是由于太阳日常凌日过程中定向加热和冷却引起的拉伸应力。新的研究表明，岩石尺寸、表面年龄和纬度对岩石破裂的影响起着重要作用。岩石尺寸和路面年龄对岩石裂缝的发展产生影响，因为成熟沙漠路面的平均碎屑尺寸可能等于或低于岩石热裂的阈值碎屑尺寸。纬度控制的季节性温度变化起着关键作用，正如McFadden等人（2005）所预测的那样：1）紧密聚集的平均合成方位因纬度而异；2）非常寒冷的冬季温度和强烈的日梯度，考虑到清晨强烈的碎屑加热的可能性，可能有利于冬季裂纹的发展。不同年龄和沙漠环境、气候、植被和碎屑搬运距离的表面经向裂缝的一致证据表明，定向日射可能在最初产生和传播岩石裂缝方面发挥关键作用，而不是最近沙漠物理风化的实地和建模研究所暗示的次要作用。