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石林的尖刺是怎么来的?新的研究提供了明确的答案

一组科学家揭示了石林和其他自然结构是如何形成的。

A team of scientists has shed new light on how stone forests, such as those in Shilin National Scenic Area, above, and similar structures are created. Photo credit: Terraxplorer/Getty Images

石林——类似树木的尖形岩石,遍布中国、马达加斯加和世界上许多其他地方——既雄伟又神秘,是由不确定的力量创造的,赋予了它们的形状。

一组科学家现在已经阐明了这些自然结构是如何形成的。该研究发表在最新一期的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,它还为尖端结构的制造提供了前景,比如科学研究和医疗程序所需的微型针和探针。

“这项工作揭示了一种机制,解释了这些尖锐的尖顶是如何形成的,几个世纪以来,这是一个奇迹,”Leif Ristroph说,他是纽约大学Courant数学科学研究所的副教授,也是该论文的合著者之一。“通过一系列的模拟和实验,我们展示了流动的水是如何在地形上雕刻出超锋利的尖峰的。”

包括Courant研究所教授Michael Shelley在内的研究人员注意到,这项研究还阐明了喀斯特地区普遍存在尖锐的岩石尖顶的机理——喀斯特地貌是由石灰岩等岩石溶解形成的。

在他们的研究中,科学家们通过数学模型和计算机模拟模拟了这些尖塔的形成过程,这些模拟考虑了溶解如何产生流动,以及这些流动如何影响溶解从而重塑岩层。

为了证实模拟的有效性,研究人员在纽约大学的应用数学实验室进行了一系列的实验。

这张假彩色照片显示了许多溶解在水中的尖峰糖的“森林”。糖果最初是含有气孔的固体块,溶解过程使其变形成钉床状。图片由国立大学应用数学实验室提供。

在这里,科学家们通过建造以糖为基础的尖顶,模仿构成喀斯特地貌和类似地形的可溶性岩石,并将它们浸入水缸中,从而复制了这些自然结构的形成。有趣的是,不需要施加流,因为溶解过程本身创建了雕刻尖峰所需的流模式。

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这段视频展示了一个实验,在这个实验中,一块溶解的糖果变成了一系列尖尖的尖峰。冰块内部有气孔,完全浸没在水中,在那里溶解,在坍塌前变成“糖果森林”。纽约大学应用数学实验室提供。

实验结果反映了模拟结果,从而支持了研究人员模型的准确性。作者推测,当矿物被淹没在水下时,同样的事件也会发生,尽管速度要慢得多,但当海水退去,露出石峰和石林。

论文的其他共同作者包括Jinzi Mac Huang,在研究期间是纽约大学的博士生,Joshua Tong,在研究期间是纽约大学的本科生。

下载该研究的视频和图片(来源:纽约大学应用数学实验室):

https://drive.google.com/drive/folders/1cND93QyG0IB0xiq9C-IXSOQjl3WGvklN?usp=sharing

这项研究得到了美国国家科学基金会(CBET-1805506)的资助。

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James Devitt

James Devitt

(212) 998-6808

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.nyu.edu/content/nyu/en/about/news-publications/news/2020/september/how-do-stone-forests-get-their-spikes–new-research-offers-point.html