研究：成堆沙粒即使不受干扰也在不断运动

最近发表在《Nature Communications》上的一项研究发现，成堆的沙粒即使不受干扰也在不断运动。来自宾夕法尼亚大学和范德比尔特大学的研究人员通过利用高度敏感的光学干扰数据提出了挑战地质学和物理学中关于土壤和其他类型的无序材料表现机制的现有理论的结果。

大多数人只有在土壤突然失去刚性的时候才会意识到山坡上的土壤运动，这种现象被称为土体屈服。“假设你在一个山坡上有土壤，然后如果发生地震或下雨，这种表面上是固体的材料就会变成液体，”宾夕法尼亚大学的首席研究人员Douglas Jerolmack说道，“普遍的框架把这种失效当作是裂缝破裂。这有问题的原因是，你在用固体机械标准对材料进行建模，但你是在它变成液体的时候进行建模，所以就存在一个内在的矛盾。”

这样的模型意味着，在屈服点以下，土壤是固体，因此不应该流动，但土壤在其屈服点以下缓慢而持续地“流动”，这个过程被称为土体蠕变。对蠕变的普遍地质学解释是，它是由物理或生物干扰引起，如冻融循环、倒下的树木或钻探的动物，它们的作用是移动土壤。

在这项研究中，论文第一作者、宾夕法尼亚大学博士生Nakul S. Deshpande根据现有的理论得出结论，这些沙粒应该是完全不动的。“研究人员已经通过假设土壤颗粒在蠕变中的某些行为建立了模型，但实际上没有人直接观察到这些颗粒的行为。”

为了做到这一点，Deshpande建立了一系列看似简单的实验，即在振动隔离工作台上的小型有机玻璃箱中制造沙堆。之后，他使用了一种叫做扩散波光谱的激光光散射技术，这种技术对非常小的颗粒运动非常敏感。“这些实验在技术上具有挑战性，”Deshpande谈到这项工作时说道，“把技术推到这种分辨率在物理学中还不常见，并且这种方法在地球科学或地貌学中也没有先例。”

第一个实验看起来很简单：把一堆沙子倒进盒子里，让它静置，然后用激光观察。但研究人员发现，虽然直觉和流行的理论说未受干扰的沙堆应该是静态的，但沙粒堆实际上是一个不断运动的质量，其表现得像玻璃一样。

“在我们可以测量沙子的每一种方式中，它都像一个冷却的玻璃一样放松，”Deshpande指出，“如果你拿一个瓶子把它融化，然后再把它冷冻起来，在那个冷却的玻璃中的那些分子的行为，在我们能够测量的每个方面，都和沙子一样。”

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、定义明确的结构。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一个主要重点领域，在它们受力时如何变形方面有一些共同的行为，但玻璃和一堆沙子之间有一个重要的区别。组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，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”而不动，但这些最新的发现为物理学和地质学的研究人员提出了一种新的土壤思维方式。

此外，还一个令人惊讶的结果是，土壤的蠕变速度可以根据所使用的干扰类型来控制。虽然在研究人员观察的时间里，未受干扰的沙堆继续蠕变，但在一个被称为老化的过程中，颗粒运动的速度会随着时间的推移而减慢。当沙子颗粒被加热时，这种老化被逆转，从而使蠕变率增加到它们的初始值。与此相反，敲击沙堆则加速了老化。

Jerolmack说道：“我们倾向于认为推动土壤走向产量的事情，如地震的震动引发了山体滑坡，但自然界的其他干扰可能会推动土壤进一步远离产量，或使山体滑坡更难发生。”

在短期内，研究人员正在进行后续实验，利用磁探针重现局部干扰的影响，以了解干扰如何导致系统进一步远离或接近产量。他们还在研究实地观察的数据，从自然的土壤蠕动到灾难性的山体滑坡事件，看看他们是否能将他们的实验室实验与观察者在实地看到的情况联系起来，从而有可能在灾难性的景观破坏发生之前找到新方法。

研究人员希望他们的工作可以成为完善现有理论的一个起点。据悉，现有的这些理论依赖于一个范式，它就像一个山坡的土壤颗粒随着时间的推移而转移，不再有重量。“当你观察到一些真正反直觉的新东西时，现在要花很长时间才能变成一个可以使用的模型，”Jerolmack说道，"我希望在地球科学方面，拥有先进工具、技术和经验的人将在我们已经结束的地方拾起，并说‘我对在该领域寻求这种签名有一个新的想法，你不会想到的--那种规模和能力及兴趣的自然交接。’”