我们许多人都能回想起在海边堆沙堡的记忆，试图建造完美的沙堡，结果却看着沙子掉落到岸边，被风和水击垮。
然而，普通人和科学家都曾观察过由沙子构成的自然地貌，比如犹他州拱门国家公园的精致拱门或双拱门，并想知道这些沙子是如何形成如此巨大而持久的结构的。
虽然许多研究人员认为重力对沉积物的压力会加剧自然侵蚀，但周日发表在《Nature Geoscience》上的一项研究首次利用数值模型和物理实验，提供了一种机制，解释了增加的压力如何稳定沉积物，使其能够演变成我们今天看到的令人敬畏、坚韧的结构。
选择构成要素
为了研究这些结构的形成机制，研究人员选择了两种不同类型的沉积物材料。第一种是坚硬的砂岩，它必须用冷却水的金刚石锯切割。砂岩是一种坚固的材料，因为它依赖于胶结作用——颗粒因压实和压力而粘在一起。
第二种材料是一种沙子（称为SLS），它不依赖于胶结作用，而是依赖于颗粒交织。本质上，这种沙子的结构强度来自于单个颗粒相互堆叠或相邻放置的方式。（记住这一点，后面会用到。）这种沙子非常脆弱，一个人只需用画笔轻轻一扫，就能让一团干沙散落。
精雕细琢
材料就位后，研究团队取了每种沉积物的样品，并将它们切割成各种形状，如圆柱体和立方体，试图通过模拟自然界中发生的侵蚀类型来创造不同的地貌。
研究人员创造了模拟雨水和流水、盐和霜冻影响的情况。在没有受到任何压力或载荷的情况下，SLS样品在约五到七分钟内就会散落，当有雨水或流水时。然而，那些承受着载荷和压力作用的样品，在受到约60分钟的水流冲刷后，达到了几何稳定形状，留下了约70%的立方体体积，并且完整无损。
当盐或霜冻条件加入时，研究团队使用了未固结（即没有载荷压力）的胶结砂岩样品。这些未固结的砂岩块比承受压力的胶结砂岩样品分解的速度快了四倍。这些受压的立方体最终演变成了细长的、类似沙漏状的柱子，与我们在自然界中看到的许多结构非常相似。
解释机制
研究团队发现，为了让这些沉积物真正形成我们在国家公园看到的壮丽形态，颗粒的结构（或它们如何相互配合）必须承受一定程度的压力。当样本颗粒上没有足够的应力时，它们会简单地分解成单个颗粒。而且，尽管在增加的压力下，样本的大部分会继续分解，但当压力达到一个临界值时，颗粒就会不再分解。研究团队创造了一个概念来解释这种看似矛盾的现象，称为“颗粒结构不稳定性域”。本质上，任何压力不足的东西都是不稳定的，并且会被侵蚀掉。
现在，下次当你偶然遇到这些自然奇观之一时，你不必花时间去琢磨所有这些小沙粒是如何能够粘在一起，形成如此令人印象深刻的东西的。要知道，这都与颗粒结构有关。
照片来源：holbox/Shutterstock
