火星上的土體裂隙，和地球上的有差別嗎？

土體的乾旱開裂隨處可見，但你觀察過乾旱的土地嗎？你知道土體的龜裂到底是四邊形還是六邊形的嗎？為了回答這個問題，唐朝生花費了數年時間潛心研究，並研製了多功能、完善實驗系統。那麼研究土體龜裂又有怎樣的意義呢？

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為南京大學地球科學與工程學院教授、南京大學地球環境計算工程研究所副所長、南京大學地球科學與工程學院地質工程教研室主任唐朝生演講實錄：

其實過去這些年，我們一直在做的一件事情，就是玩泥巴。

我想大家小時候應該，都有過玩泥巴的經歷吧。

那大家有沒有意識到，我們在玩泥巴的過程當中，這個泥巴會慢慢變幹，慢慢變硬，甚至會出現開裂的現象。

這種泥土開裂的現象，在我們自然界中，可以說是非常常見，幾乎是隨處可見。

比如說我們現在到樓下去就能看到，我們把這種縱橫交錯的，由於乾燥或者乾旱氣候引起的土體的開裂，叫做土體的龜裂。

所以過去這些年，我其中的一個研究課題就是關於土地的龜裂的。

土體龜裂的影響

剛才我講到，土體的龜裂主要是跟乾旱氣候有關，而我們國家又是乾旱氣候非常嚴重的國家。

為什麼呢？

因為我們有60%的國土面積處於乾旱或者半乾旱地區，尤其是西北地區是常年乾旱。

保守地估計，我們國家土體發生龜裂的面積，可能超過100萬平方公裡。

那大家可能會問一個問題，這麼常見的現象，還有什麼好研究的呢？對我們有什麼意義，或者有什麼價值呢？

可能大家能夠首先想到的是，它對農業的影響。

因為龜裂產生以後，它會破壞我們農作物的根系，從而導致農作物的減產。

可能我作為一個研究地球科學的，我更關心的是從地學的角度，我們如何來看待這樣一個問題。

尤其是在工程當中，它會產生什麼樣的影響。

大家應該知道，土體是工業當中，或者工程當中一個很重要的建築材料，我們很多房屋都是由土來建造的。

同時，它也是很多基礎設施的地基。

如果說土體出現開裂了，那麼它的力學性質會極大地降低，它的滲透性會極大地增加。

因為這些變化，會破壞它的結構，從而導致一系列的工程地質問題和環境地質問題，甚至一些災害。

比如導致堤壩的潰決，邊坡的滑坡，還有一些樓房、道路等大面積基礎設施的受損，甚至它還會為一些汙染物的快速遷移、擴散提供快捷通道等。

舉幾個例子。

比如2003年，荷蘭境內的第二大防洪堤壩發生潰決。

2016年，江西鄱陽防洪堤壩出現潰決。

還有我國南水北調中線工程，有大面積的膨脹土出現淺層的滑坡和坍塌。

這些問題都有一個共同的原因，就是前期遭遇了嚴重的乾旱，導致土體內出現大面積的龜裂，從而弱化它們的工程性質。

我們也通過一些實地的走訪調查發現，即使這些土體表面有植被覆蓋，仍然可以發現大量的龜裂，甚至這些裂隙的尺度非常大，一隻手都可以伸進去。

大家可以想像一下，當我們的土體結構當中出現這麼大的裂隙的時候，它的穩定性會怎麼樣，會帶來什麼樣災難性的影響。

尤其是這些年，受全球氣候變化的影響，極端乾旱氣候發生的頻率和強度都呈增加的趨勢。

在一些局部地區可能會發生百年一遇，甚至幾百年一遇的嚴重的乾旱。

可以說，土體的龜裂問題也會越來越突出，哪裡有乾旱，哪裡就會有這樣的龜裂問題。

課題研究的過程

我是如何接觸到這樣一個課題研究的呢？

說起來也挺有意思的。

我大概2003年開始上研究生，有一天我正在實驗室做實驗，我的導師，他可能在外邊跟人家交流，或者參加一個會議回來，了解到了土體龜裂的問題。

他就回來跟我說，小唐，你去做一下實驗看看，土體的龜裂到底是四邊形還是六邊形。

我當時也被這個問題問懵了，四邊形還是六邊形，這個很常見啊，但是我從來沒有去思考過這個問題，也沒有認認真真地去觀察過這個問題。

所以我想應該很簡單，我到實驗室來做一下吧。

從此我就走上了玩泥巴的道路，一直玩到現在。

當時我就在實驗室找來一個容器，配了些土樣，放到房間裡面讓它幹，然後看裂隙到底是什麼樣的。

當時在這個過程中，在沒回答四邊形還是六邊形之前，我首先發現了一個問題。

從這個圖上可以看到，裂隙的中間位置比較密，而在邊緣的位置比較稀。

我說不應該啊，我是同樣的土體配進去的，同樣的條件，為什麼會裂隙發育有這樣的差異呢。

然後我又重複去做，發現都是這樣的問題。

後來通過仔細的觀察，仔細的分析，發現是我用的容器有問題。

因為這個容器底部有一點不平，中間有一點隆起，這就會導致我配的土樣，雖然表面上平了，但它的厚度實際上是存在差異的。

也就是越薄的地方，它的裂隙發育得是越緻密的。

我想不行啊，這個會對我的研究結果認識有影響。

我需要解決的一個問題是，找到一個底面非常平，尤其是四周又是垂直角度一個容器。

這樣我配出來土樣，它就能夠保持非常好的均勻的厚度。

但看起來這是個小小的問題，在當時來說，卻給我造成了很大的困擾。

因為我幾乎跑遍了很多的超市、賣場甚至路邊攤，我想去買一個這樣垂直下來的容器，幾乎沒有。

我所能找到的全部是這種旁邊有倒角的，圓弧形角度的容器，比如說盒子、盤子。

但是這種圓弧形角度的地方，也會帶來厚度均勻的差異性，所以沒辦法滿足我的要求。

正在我一籌莫展的時候，突然看到一個魚缸，給我了很大的啟示。

大家看一下，這個魚缸是不是四四方方，底面也很平，垂直下來的，非常漂亮的一個容器。

我就想，我找到一個能夠做魚缸的，幫我來做幾個容器不就可以了嗎。

從此，我就開始去追尋，看誰能夠來做這個東西。

因為那時候信息也不發達，我也沒有電話號碼，也不知道誰能做這個東西。

所以我騎著自行車，跑遍了南京的大街小巷，去找哪個地方可以加工玻璃，找了很多家，當然也碰到很多鼻子。

為什麼呢？

因為人家覺得我的要求太高，要的量又太少，我也付不起錢，人家也沒這個時間，沒這個精力，人家都做大窗戶、大工程，我做一個小東西，看不上。

後來有一個好心的老闆，在我的苦苦哀求下，他也覺得我確實可憐，搞科研不容易，所以同意幫我做幾個，用玻璃做成這種模具，然後讓我來做實驗。

這就是我的第一代產品，用做窗戶劃下來的一些玻璃廢料，做成了幾個小的模型槽子。

大家看到，這個做出來的結果非常漂亮，裂隙發育得非常均勻。

為了加速乾燥的過程，我通常會同時做好幾組樣，把它放到烘箱裡面去幹，來模擬乾燥的環境。

但是在這個烘箱中乾燥的時候，我們又發現了另外一個問題。

比如我同樣配置的平行樣品，放到烘箱裡面去，發現總是有些樣品幹得很快，有些樣品幹得很慢，有些樣品裂隙發育得很早，有些樣品裂隙發育得很晚。

這又造成我的困擾，我做的是平行樣，初始條件、溫度條件都是一樣的，為什麼會發生這麼大的差別呢？

後來發現原來是烘箱的問題，因為烘箱基本上是單一面熱源，靠近電熱絲的位置，它的溫度會比其他地方高很多，所以導致烘箱裡面溫度不均勻，它的蒸發速率是不均勻的。

這又是另外擺在我面前，需要我去解決的一個問題。

為了找到一個能夠均勻控溫，精度很高，又能滿足我要求的試驗箱，也是費了我很大的勁。

因為我去調研，發現所有控溫的設備，基本上都是單面熱源，也就是它一個面有熱源，其他面都是不鏽鋼的，這都會帶來熱不均勻的問題。

買是買不到，所以只能靠自己來設計，自己去找人給我加工，把我的需求告訴加工方，來設計製作儀器設備。

所以我當時為了找到一家能夠真正能夠達到我要求的，也是到處打電話，到處網上去找信息。

還要到實地去，到廠子裡面去調研，看它具不具備這個能力，把我的儀器做出來。

別我錢花了，但是達不到我的要求，我的時間和都搭進去了，這對我的科研會帶來很大的阻礙。

所以這是通過一遍一遍地修改圖紙，一遍一遍地電話交流，終於我們研製了第一套控溫控溼的龜裂模型試驗箱。

這裡面是五面熱源，通過水浴加熱，它的溫度控制非常穩定，還能夠控制相對溼度並且可以實時監測土樣表面的龜裂過程。

還可以對土樣重量的變化也就是水分的變化進行監測。

所以這是第一代產品，費了很多時間，但是很遺憾的是，後來我在研究生期間用這個模型箱來做實驗的時候，由於他的疏忽，或者是沒有小心去好好地維護，結果把整個儀器都給燒掉了，欲哭無淚。

土體龜裂實驗系統

經過很多年的積累，慢慢地發展，我們現在用的這個設備，或者開發的這個研究方法，已經越來越先進了。

現在給大家展示的，是我們自行研製的，目前是國際上尺度最大的，基於人工氣候箱的土體龜裂模型實驗系統。

它不僅僅尺度最大，而且它的功能也是目前我們所知道最強大的。

它裡面含有100多個傳感器，有5個控制系統，可以分別控制大氣的一些參數，可以全面地監測土體各種參數的變化，還可以模擬地下水位的變化等。

我光標定這100多個傳感器，就花了差不多大半年的時間，然後我把這個模箱再組裝起來，又花了大半年時間，然後再開始實驗。

我的第一個實驗，基於這樣一個系統，做了3年時間。

雖然投入了很多時間，很多精力，也投入了很多經費，但是可喜的是，結果是非常漂亮的。

通過這樣一個實驗，我們發現了一些很有意思的現象。

首先，以前我們都習慣性地認為，裂隙應該是隨機產生的，或者說它應該是在土體變得很乾的時候才會產生的。

但通過我們的研究表明，這些都是不對的。

首先裂隙是分幾個階段，有序地產生的。

比如，它首先是主幹裂隙的發育，然後是支幹裂隙的發育，而且支幹裂隙一般是垂直主幹裂隙。

所以它形成的結點是T形和+形，最後這個裂隙慢慢趨於穩定。

而且裂隙產生時，土樣幾乎是非常潮溼的，用手一摸，手上都能粘上泥巴。

非常潮溼，它就會開裂，從這個圖上，我們看到這種垂直相交形成的土塊，基本上都是四邊形的。

那我在想，我是不是可以告訴我的導師，這個問題我解決了，它是四邊形的。

大家別急，然後我又做了一些乾濕循環實驗，發現裂隙變了。

原來是四邊形，或者垂直相交的裂隙節點，現在變成Y形，變成120度相交了，而且這個裂隙由四邊形，慢慢過渡到五邊形，甚至到六邊形。

這跟我們在野外看到的土體龜裂的現象非常一致，野外我們看到大部分的裂隙，都是Y形相交，幾乎呈六邊形的。

也就是說野外的土體，為什麼呈六邊形，是因為經過了大氣的作用，經歷了若干次乾濕循環的處理，才能達到這樣一個效果。

現在困擾我的就是，裂隙到底是四邊形還是六邊形，看來它是有條件的，它有時候是四邊形，有時候是六邊形。

比如我們發現這個裂隙，它如果有序發育，先是主幹裂隙，然後是支幹裂隙，這樣分層級 、分級序地去發育的話，形成的裂隙基本上都是四邊形的。

而如果土樣表面是一個無序發育的裂隙，比如同時產生很多條裂隙的時候，它基本上形成120度角，也就是Y形的節點，向六邊形過渡的。

這主要是跟土體結構的差異性，還有它在裂隙發育過程中，能量釋放過程密切相關的。

可能大家會問，你研究土體的龜裂，那你能不能預測裂隙到底在哪個地方會產生，它會怎麼發育呢？

前些年你問我這個問題，我可能解決不了，但是現在我可以告訴大家，我們已經可以了。

我們利用計算機圖像相關技術，對土樣表面的應變場，或者它的應力集中，進行監測和分析。

因為裂隙的發育實際上都是應變能的釋放過程，大多是應力集中引起的。

通過分析它表面應變場的演化規律，我們就可以對裂隙在哪個地方會率先發育，以及它會怎樣拐彎，怎樣相交，進行提前預測。

我們在實驗室當中或者在野外，看到這個裂隙，幾乎從來看不到兩條，或者兩片一樣的這種裂隙圖像。

這都是有差異的，就像世界上找不到兩片一樣的樹葉一樣，裂隙網絡也是如此。

所以這些裂隙不一樣，尤其在我們實驗當中，發現不同的土對應的裂隙差別非常大。

我們就想怎樣去量化這些差異，怎樣去分析，去找到它們的規律，所以我們就需要提取裂隙網絡裡面這些幾何形態參數。

以前可能大家都是用尺子去量寬度、長度等，這耗時費力。

所以我們基於計算機圖像處理技術，自主研發了一套專門針對這種裂隙網絡的圖像分析系統，叫CIAS。

它能夠全自動地對裂隙進行識別，全自動地去提取裂隙裡面幾何形的參數，比如寬度、長度、節點、個數、裂隙率等。

目前我們所建立這些研究方法，以及我們所開發的一些針對土體龜裂的分析手段，已經被國際上上百家科研機構所應用和借鑑，取得了些良好的效果，也得到了一些很好的評價。

基於開發的這些系統，我們最近做的一個工作就是火星上的裂隙。

左邊這幅圖上是一個來自火星上的衛星的照片，大家看到這上面的裂隙網絡，是不是似曾相識？

沒錯，跟我們在地面上，和我們在實驗當中，用土體做出的裂隙在形態上幾乎是非常相似的。

為了驗證這樣一個觀點，我們也對它進行了量化分析。

比如裂隙的分割比例，以及裂隙裡面這些角度的分布，跟我們土體的龜裂，幾乎沒有什麼太大差別，幾乎是一致的。

所以我們希望通過這樣一個研究，來為火星上曾經的液態水活動，或者說它曾經的古氣候環境，提供一些指示，當然這個工作現在還正在進行當中。

裂隙產生的本質

可能大家最關心的問題是，裂隙到底是怎麼產生的。

我們都知道它是由於乾旱產生的，因為我通常跟大家交流的時候，很多人問我，這個裂隙還不簡單，它就是太陽一曬，一幹，不就產生了嗎？

是的，沒錯，這都是前提條件，但是我們真正要解決這個現象背後的一些本質。

假如說土體是個材料，那麼開裂一定是一種破壞的形式，這種破壞一定是由力學的因素引起的。

但是在自然界中的土體，我們並沒有給它施加任何的外力，那它的力是哪裡來的呢？

其實土體的龜裂是一種張拉破壞。

它就像我們拉一根橡皮筋一樣，當我們手給予的拉力達到了橡皮筋的抗拉強度的時候，斷裂就會發生，對土體來說也是這樣的。

但問題是，土體開裂過程中，它的力是哪來的。

其實這是跟孔隙當中水分的表面張力有關。

在乾燥過程當中，由於孔隙水的表面張力，會在表面產生一層張拉應力場，當張拉應力超過土體自身抗拉強度的時候，裂隙就會產生。

基於一些非飽和土力學理論，我們構建了一套土體龜裂的臨界力學模型。

這為我們後面開展的如何來控制土體的龜裂、如何來防止土體的龜裂奠定了很好的理論基礎。

最後，我想說的是，科學無處不在。

雖然我這些年主要是圍繞這一個看似簡單的龜裂問題在開展研究，但是它裡面蘊含的科學問題，卻是非常複雜的，而且它跟很多問題都是相通的。

經過這些年的研究，對我自己來說，我覺得也有一種強迫症了。

當我在外面看到各種有紋路的，或者有這種網狀結構的裂隙，我都會跟我研究的土體的龜裂聯繫起來。

比如蒙娜麗莎，這個油畫表面實際上有很多裂紋，這是它的顏料發生了乾裂，還有樹皮，甚至人皮膚的紋路，包括陶瓷等。

在科學上，這些現象所表現出來的最終的機理實際上都是相通的，我們都可以用力學、數學、物理、化學知識來進行解釋。

我們需要開啟我們的好奇心，然後用心去發現我們身邊的科學。

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