石林的尖峰是如何形成的？上紐大教授最新研究給出新思路

文/上海紐約大學(xué) 編輯/清風(fēng)

石林是一種外形與樹頗為相似的巖溶地貌景觀，在中國、馬達(dá)加斯加以及世界許多地方十分常見。石林獨(dú)特形態(tài)的形成原因尚未可知，為它增添了一抹神秘的色彩。

紐約大學(xué)和上海紐約大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)的一項(xiàng)最新研究為解釋這些自然景觀的成因給出了新思路，也揭示了科研和醫(yī)用微針、探針等尖頭結(jié)構(gòu)制造的發(fā)展前景。研究論文發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）9月刊上。

論文的第一作者黃金紫教授是上紐大數(shù)學(xué)助理教授，同時(shí)也是華東師范大學(xué)-紐約大學(xué)數(shù)學(xué)聯(lián)合研究中心（上海紐約大學(xué)）的成員。他已與紐約大學(xué)柯朗數(shù)學(xué)科學(xué)研究所合作多年，探索巖石溶解、河流侵蝕等邊界移動問題的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)。在云南旅游時(shí)欣賞到的石林景觀激發(fā)了他開展該研究的靈感。“看到云南石林巧奪天工的奇妙景觀，我想起了和紐大Leif Ristroph教授在先前的實(shí)驗(yàn)中看到的尖峰形成效應(yīng)，于是我們決定將這個(gè)數(shù)學(xué)問題與自然現(xiàn)象相聯(lián)系。”黃金紫說。研究期間，他正在紐約大學(xué)攻讀博士學(xué)位。

“這項(xiàng)研究揭示了解釋這些巖石尖峰成因的一種機(jī)制，即是什么造就了石林這個(gè)百年自然奇觀。” 紐約大學(xué)柯朗數(shù)學(xué)科學(xué)研究所副教授、論文的共同作者之一Leif Ristroph說，“通過一系列模擬和實(shí)驗(yàn)，我們展示了流水如何塑造了這些地貌奇觀中的超尖銳的石峰。”

包括柯朗數(shù)學(xué)科學(xué)研究所教授M i c h a e l Shelley在內(nèi)的研究員們指出，這項(xiàng)研究還解釋了尖峰巖石常現(xiàn)于喀斯特地貌中的原因。喀斯特是由石灰石等巖石溶解而形成的一種地貌。

研究中，科學(xué)家們通過數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)仿真來模擬這些尖峰隨時(shí)間流逝形成的過程。其中考慮了巖石溶解如何產(chǎn)生流動，以及這些流動如何影響巖石溶解并隨之改變巖層形狀。

研究人員還在紐約大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)室開展了一系列實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證模擬的合理性。他們制作了糖尖峰，模擬構(gòu)成喀斯特及類似地形的可溶性巖石，并將其浸沒在水箱中，從而復(fù)制這些自然結(jié)構(gòu)的形成過程。有趣的是，由于溶解過程本身可以產(chǎn)生塑造尖峰所需的流動形態(tài)，因此無需再額外施加流動力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬結(jié)果，為研究模型的準(zhǔn)確性提供了支持。論文的作者們推測，如果把礦物浸沒在水中會出現(xiàn)同樣的情形——巖石將不斷被溶蝕，形成石峰和石林，只是需要更多的時(shí)間。

論文的另一作者是Joshua Tong，他在紐約大學(xué)讀本科期間參與了實(shí)驗(yàn)。該研究還獲得了國家科學(xué)基金會的一項(xiàng)研究資助（CBET-1805506）。