10月1日，国际顶尖学术期刊《美国科学院院报》（PNAS）在线刊登了由我校土木工程学院、浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室青年教师李安原和华东师范大学刘权兴教授等中国科学家团队领导，日本、美国和荷兰科研人员共同参与发表的题为《Ice needles weave patterns of stones in freezing landscapes》的最新科研成果（图1）。该研究基于大量室内模型试验，首次提出并验证了驱动分选自组织地貌图案结构形成的新型物理机制——相分离理论。文章一经刊出，受到了国内大量主流媒体的关注，包括人民日报、中国科技报、中国新闻网、科学网、文汇报、新民晚报、新浪、网易、搜狐等。
图1 研究成果发表于国际顶尖学术期刊《美国科学院院报》
在遥远的北极斯瓦尔巴群岛、美国阿拉斯加、俄罗斯西伯利亚、加拿大北部地区以及我国青藏高原、大小兴安岭等冻土区，分布着大量的神秘石质地貌，从空中俯视，这些地貌通常表现颗粒大小分布均匀，形态特征多为规则的环状、多边形、等间距条纹和迷宫状等图案结构。近期，火星地表也发现了大量类似的石质图案结构（图2）。地貌学上，把这类现象称为分选地貌结构（Patterned ground）。物理学上，则把这类图案统称为“自组织斑图”（Self-organized pattern）。
图2我国川藏地区（左图）和火星地表（右图）颗粒物质自组织地貌结构。图片来源于刘权兴（左）和HIRISE (NASA/JPL/University of Arizona)。
早在60多前，我国地貌学家在第一次青藏科考中就发现过这些美丽的地貌图案，并开展了部分野外监测工作。几乎在同一时间，美国著名地质学家Washburn对此类现象的形成机制进行了总结梳理，并提出了19种可能的物理机制。随后，科研人员对此开展了大量野外监测工作，并发现了由于土壤和碎石导热系数的不同，产生的差异性冻胀是导致此类地貌形成的主要原因。由于野外监测工作多集中在某一现存的地貌结构中，无法还原其形成演变过程。2003年，著名杂志Science以封面论文的形式，报道了Kessler和Werner关于地表斑图形成的统一物理模型，该模型认为不均匀冻胀，空间侧向挤压是导致地表颗粒物质自组织运动的主要机制，并从理论上完美复现了分选地貌的形成、演变和稳定过程。然而由于地表演变过程极其缓慢，该模型缺乏试验证据。
研究人员创造性的设计了一款“针状冰-碎石”分选试验系统，通过控制室内土壤温度、湿度等条件，大幅度的将野外需要数年形成的分选微地貌结构，缩短在一个月左右形成，进而可以还原此类地貌结构的形成、演变和稳定过程。通过多达几十万次的碎石颗粒追踪统计数据发现，单个碎石的运动速率高度依赖于其周边局部碎石的数量（石域浓度）和针状冰的高度：针状冰的冻融驱动了单个碎石的运动，形成了初期的局部碎石聚集区域；而随着碎石的不断聚集、堆叠，局部石域浓度逐渐增加，抑制了针状冰的生长（图3）。因此，该系统是由一个正反馈机制驱动而自发形成的颗粒分离过程所导致的。颗粒物质在冻融循环作用下，地表碎石不断朝着石域浓度高的区域迁移，进而自发的形成多种有序图案结构。基于此，研究人员构建了针状冰-碎石浓度的非线性物理模型，发现该过程与多相体系中的油水分离过程存在完全相同的物理原理，即“相分离”机制（图4）。据悉，相分离在细胞生物学，材料科学、生态学等领域内普遍存在，且有着广泛的应用，如相分离在无膜器官的形成，信号转导、细胞骨架、超分子组装、基因的激活等扮演着重要功能。然而，该研究在国际上首次发现并报道了地貌学中的相分离机制并揭示地表图案的产生机理。
图3石域浓度与单个碎石运动非线性关系
图4 研究人员提出的相分离模型结果与试验对比
研究人员设计的试验系统和构建的理论体系不但能够重现火星地表的微地貌特征，也能够从地貌结构角度推测火星上是否存在液态水。鉴于冻融作用只是地表形成的一种驱动力，团队成员有望通过进一步改进试验系统，收集更多高精度火星地表形成数据，开展火星冻土环境、地貌演变，物质运移等方面的基础科学研究，服务于为我国的火星探测计划。
我校土木工程学院、浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室青年教师李安原博士为论文第一作者，华东师范大学刘权兴教授为通讯作者。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教授，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教授等科研人员共同参与了此项工作。该研究得到了青藏高原第二次科学考察研究（No.2019QZKK0905）、国家自然科学基金（No.41801043, 41676084, 32061143014）等相关项目资助。
据悉，《美国科学院院报》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，缩写PNAS）是世界公认的四大名刊（《Cell》，《Nature》，《Science》，《PNAS》）之一，拥有超过百年的办刊历史，有着很高的国际声誉，是被引用次数最多的综合学科文献之一，亦是公认的世界四大名刊之一（与《Nature》，《Science》和《Cell》齐名）。自1914年创刊至今，该刊提供了高水平的前沿研究报告、学术评论、学科回顾及前瞻、以及学术论文，成为全球科研人员不可缺少的科研资料。
（科研处、土木工程学院供稿）
附：
期刊链接：https://www.pnas.org/content/118/40/e2110670118
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人民日报｜神秘地表斑图如何形成？中外科学家设计“相分离”模型和实验解谜
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文汇报丨北极、火星、青藏高原都有！这种石质斑图是外星人的杰作？这才是真相
http://wenhui.whb.cn/zhuzhanapp/kjwz/20211002/426906.html?timestamp=1633162601634
中国新闻网丨中外学者共同研究揭示冻土区地表图案产生新机理
https://m.chinanews.com/wap/detail/chs/zw/9578933.shtml
新民晚报客户端丨地球上那些“规则有序图案”怎么形成？上海科学家联合国内外团队发现了新机制！
https://wap.xinmin.cn/content/32038066.html
