地球表面美丽的网格构造

闲之寻味 2015-02-10

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地球表面美丽的网格构造

嵇少丞地学科普之52

地表美丽的网格构造

大陆特别是南北极圈的冰缘地区分布有大量的多边形网格构造（如图所示），网格纵横交叉，所围地块主要为六边形或四边形，也有五边形与三角形，这些被网格所围的地块相对于网格条或高或低，低者往往形成水潭或湖泊，高者造成网格条带成凹沟。从飞机上看地球表面的这些网格构造组织有序，甚为美丽。

地表的网格构造

从空中见到的阿拉斯加地表的网格构造

地表的网格构造

北极圈的网格构造

后来，人们发现火星表面也有类似的网格构造，于是有人猜测火星上有人，这些网格构造为人类活动的结果，例如，农田或灌溉系统等。这些不足为信，但说明火星表面曾经具有与地球南北极圈冰缘地带相同或类似的地质环境。即使为了理解火星，我们也要先研究清楚地球极圈的冰缘地带的多边形网格构造的成因。

火星表面的网格构造

大家知道，池塘干枯后，塘底的淤泥在阳光的照射烘烤下，逐渐脱水干燥，体积收缩，形成垂直地面的多边形破裂，这些破裂把泥巴切割成无数多边形块体，每一个多边形块体还会出现中间低洼、周围上翘的现象。这类破裂叫干裂，在垂直剖面上常呈“V”形，即上宽下窄。想象一下，如果之后风或其他什么动力把粉沙或粘土运进破裂里，并逐渐填满这些裂隙。下雨之后，人们就会看到被网格条带分隔一个个多边形水洼。这样的样式是否就如地球极圈冰缘地区所见的多边形网格样式？所以，多边形网格的成因关键在于收缩破裂的形成。

淤泥的脱水与干裂

收缩破裂也常见于玄武岩之类的火山熔岩之中。随着岩浆冷却固化，体积缩小，在平行于冷凝面（平行于地形面）的方向上发生收缩拉张，形成多边形网格状拉张破裂。熔岩围绕若干冷缩中心冷凝收缩，皆向各自的冷缩中心拉，在相邻两个冷缩中心的连线上产生拉张应力。照理说，圆状破裂的面积最小，故所需破裂能最小。然而，圆状破裂无法合理地处理好与其周围邻居的关系（这是二维空间等大圆的堆积问题），所以最佳的破裂网格应呈正六边形，使玄武岩能被拉张破裂平等地瓜分。但是，由于岩石有不均匀性存在，实际情况可以偏离正六边形，为四边形、五边形、甚至七边形。火山熔岩中这种网格状破裂叫柱状节理。

火山熔岩的柱状节理

虽同属收缩破裂，地球南北极圈冰缘地区的多边形网格构造却又有别于那些岩浆熔岩中的柱状节理与沉积岩中的干裂。

在地球南北极圈冰缘地区，岩石最初的收缩破裂却是因为岩石的热胀冷缩，毕竟南北极圈冬天太冷了，冬天气温零下几十度，夏天气温亦能上升到零度之上。裂纹一旦形成，剩下的事情（例如，破裂的增宽与加深）就由冰去做了。夏天冰雪融化，液态水渗进多边形的破裂之中，到达一定深度，那里的温度低于零度，液态水结晶成冰，体积膨胀，导致破裂增宽与加深。上述过程不断反复，破裂不断增宽与加深，有的宽达几米、深达几十米。同时，石块与泥沙也会掉进或灌进这些拉张破裂。在垂直剖面上拉张破裂中呈“V”形的冰，叫冰楔。冰楔体积随季节变化，夏小冬大。由冰结晶造成的膨胀力不仅发生在水平方向上，而且还出现在垂直方向，其结果是冰楔上面的沉积土层上拱，被破裂所围的多边形地块呈浅碗状，成为湖泊。但是，如果冰楔上面没有土层，则冰楔对坚硬的岩块变形非常有限，岩块则为正地形（突起），破裂为负地形（槽沟）。这就是我们对处于极端天气条件下南北极圈的冰缘地区的多边形网格构造的成因的科学解释。