研究预测基于地形的基岩风化


就在地球表面之下,在根和土壤之下,是一个坚硬,密集的基岩层,是土地上所有生命的基础。基岩内的裂缝和裂隙提供了空气和水的通道,通过化学反应破碎岩石,最终形成土壤,这是所有陆地生物的基本成分。这种基岩的风化是地球上生命的根本。

科罗拉多州戈登峡谷的岩石露头与夏威夷大学的斯蒂芬·马特尔(Stephen Martel)合照。照片来源:Taylor Perron

现在,麻省理工学院,怀俄明大学和其他地方的科学家已经找到了一种方法来预测基岩风化的空间范围,给定一个位置的地形。结果公布在“科学”杂志763 7393 。

该小组试图估计基岩破碎或断裂的深度。这个裂隙岩石形成了一个层的基础,科学家们称之为地球的“临界区”,岩石,空气和水的相互作用使得生命得以繁荣。

考虑到由地形,重力和板块构造所产生的力量,该小组开发了一个估算这个临界区厚度的模型。研究人员发现,如果一个景观正在经历小的构造压缩,断裂带应该与上面的地形平行,如宽面条层。但是,如果一个地区处于高度构造压缩之下,断裂带将类似于景观的镜像 - 在脊下方较厚,而在谷下方较薄。

为了测试模型的预测,研究人员去了美国三个不同的构造力量的网站。在每个地点,他们都进行了广泛的地震和电导率测量,以测量下伏基岩的压裂程度。他们发现他们的测量结果与他们模型的预测非常吻合。前麻省理工学院博士后,也是该论文的合着者之一Seulgi Moon说,该模型可能被用来更好地理解地球的关键区域如何运作,以及它如何塑造未来陆地生物的多样性。该模型也可能有人类发展的应用。现在洛杉矶加利福尼亚大学地质学助理教授Moon说:“这个模型将帮助我们估计基岩的力学性质。” “当你设计建筑规范时,这可以让我们了解一个地区对山体滑坡和地震的敏感程度。”

在压力下开裂

虽然地质学家怀疑一个地区的地形可能会影响其基岩的断裂,几乎没有尝试用现场测量来测试这个想法。

麻省理工学院地球,大气和行星科学系地质学副教授Taylor Perron说:“已经完成的计算是在理想化的地形上进行的。 “想象一下没有周围地形的单个山脊或山谷。这是一个你可以在纸上做的问题,但它不同于有一个真实的风景,在那里你有多个形状不规则的山脊和山谷。“

Perron和Moon创建了一个程序,在真实的,三维地形。该模型计算地形对由于上覆岩石重量引起的引力的局部影响,以及与构造板推拉有关的区域力。

Perron说:“如果你是在一个山脊下,而不是在一个山谷下面,那么岩石应该会有不同的压力。

该模型将这些压力考虑在内,以确定基岩在与给定的地形地形相关的压力下是否会破裂并在多大程度上破裂。

在模拟多个复杂地形之后,小组观察到基岩断裂带随构造挤压而变化:在景观受到很小压缩的情况下,模拟断裂带平行于地形,倾斜在有山谷的地方,是山脊。

相反,在压缩程度高的场景中,建模的裂隙带类似于地形的镜像,在脊下方较厚,在谷下方较薄。

获得立足点

为了测试模型,该组织与怀俄明大学的研究人员合作,测量基岩中的地震波。 Perron解释说,地震波在岩石中传播的速度可以提供岩石力学状态的数据:地震波在固体岩石中移动得更快,而在包含许多充满空气,水或风化物质的岩石中,粘土。

Perron,Moon和Wyoming小组在美国科罗拉多州,南卡罗来纳州和马里兰州分析了不同构造挤压量的地点的地震勘测。他们还测量了电导率,这是用水或粘土充满裂缝的另一种方法。根据他们的测量结果,Perron和Moon发现,三个地点的基岩断裂带与其模型预测的剖面相吻合。他们通过观察钻孔内的照片确认了这些结果。这种深度的基岩照片给了研究人员进一步的证实,即地震和电导率测量确实揭示了裂缝带。 Perron说:“地形的存在,以及与重力和构造的相互作用,实际上在岩石的压裂和风化方面有所不同。 “为了让生活在风景中站稳脚跟,你必须把岩石分开,然后把它弄成气候。压裂岩石是创建这个关键区域的第一步。“

来源:麻省理工学院,由詹妮弗·楚