火星上的土體裂隙，和地球上的有差別嗎？

中科院格致論道講壇

中國科學院計算機網絡信息中心

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幹旱氣侯
有關，而我們國家又是幹旱氣候非常嚴重的國家。

為什麼呢？

因為我們有60%的國土面積處於幹旱或者半幹旱地區
，尤其是西北地區
是常年幹旱。

保守地估計，我們國家土體發生龜裂的面積，可能超過100萬平方公里。

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幹旱
，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，一只手都可以伸進去。

大家可以想象一下，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，極端幹旱氣候
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幹旱
。

可以說，土體的龜裂問題也會越來越突出，哪裏有幹旱
，哪裏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，放到房間裏面讓它幹，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致密的。

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板，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，把它放到烘箱裏面去幹，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，放到烘箱裏面去，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，所以導致烘箱裏面溫度不均勻，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，來設計制作儀器設備。

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，到廠子裏面去調研，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，終於我們研制了第一套控溫控濕的龜裂模型試驗箱
。

這裏面是五面熱源
，通過水浴
加熱，它的溫度控制非常穩定
，還能夠控制相對濕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，是我們自行研制的，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
。

它裏面含有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幹的時候才會產生的。

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，土樣幾乎是非常潮濕
的，用手一摸，手上都能粘上泥巴。

非常潮濕，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，然後我又做了一些幹濕循環實驗
，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，經曆了若幹次幹濕循環的處理
，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裏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裏面幾何形的參數，
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
應用和借鑒，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，以及裂隙裏面這些角度的分布，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幹旱產生的，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，那它的力是哪裏來的呢？

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，但是它裏面蘊含的科學問題，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系起來。

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幹裂，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
。

“格致論道”，原稱“SELF格致論道”，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以“格物致知”的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自“格致論道講壇”公眾號（SELFtalks），轉載請注明公眾號出處，未經授權不得轉載。