为什么死亡谷到处都是多边形

盐滩、沙漠和干涸的湖泊拥有神秘且仍然无法解释的互锁多边形图案，这些多边形由生长在盐层覆盖的地面上的狭窄脊形成。现在研究人员认为，他们可以通过土壤中流动的流体和表面蒸发的流体之间的相互作用来解释这些模式是如何形成的。这项新工作似乎为这种多边形在各种不同的物理条件下的增长提供了统一的解释。
盐面形成于地面水分蒸发速率明显超过降水速率的区域。在这些地方，地表的蒸发被来自更远来源的连续地下水流所平衡。例如，加利福尼亚州死亡谷的恶水盆地由附近山区的水供应。即使在没有降雨的情况下，这些水也会上升到地表并导致持续蒸发，并留下盐残留物。但是，为什么这些残留物会形成描绘多边形图案的脊，这仍然是个谜。同样令人费解的是，为什么这些模式无论在哪里出现都如此相似，尽管地质、盐化学和环境条件存在局部差异。
“盐沙漠是世界上最美丽的风景之一，”奥地利格拉茨理工大学的物理学家Jana Lasser说。多边形“总是几米宽，但没有人能够用它们独特的大小和形状来解释这些图案的起源。
为了找到一个解释，拉瑟和她的同事开发了一个数学模型，描述了发生在地表和地表下的过程。该模型基于流体动力学和其他地球物理原理，预测由于上面的咸残留物，典型的干湖床将在其表面附近形成一层富含盐的重流体层。

J·拉瑟等.[1
]
地下活动。该模拟说明了地下水的盐度，从零（黄色）到最大值（黑色），以及地表的盐度通量，从最大向上流量（深蓝色）到最大向量（红色）。
这个致密的咸层不稳定地停留在下面密度较低的流体之上。如果蒸发的驱动力足够强，流体中就会产生对流：较咸的水下沉，盐度较低的水上升，从而产生向上和向动的流体柱，就像沸水中出现的流体柱一样。利用真实盐湖床特征的流体参数，研究人员预测这些所谓的对流卷直径约为1-2米 - 与观察到的多边形的大小可疑地相似。
在模拟中，该团队进一步研究了这种流体流动的长期演变。模拟表明，对流辊最终会产生一组从地表下降的狭窄的高盐度水羽流。然后，这些羽流形成一个封闭的多边形网络，由垂直片组成，围绕上升流流体斑块。
拉瑟说，这种对流滚动网络推动了盐脊的形成。在每个对流单元的内部，低盐度的水向上流动，盐壳生长得更慢，因为它与低盐水接触。相反，在位于片正上方的细胞边界处，较高的盐通量向上流入地壳。因此，狭窄的脊迅速生长并构建了多边形网络格局。
为了测试这个模型，Lasser和她的同事使用了流体动力学模型的详细模拟，并将其与包括死亡谷在内的现场观测结果进行了比较。在脊图案下方挖掘，他们发现了咸的，向动的羽流的证据，正如预测的那样，在多边形的平坦中心向上流动的新鲜水。总体而言，研究人员发现他们的模型不仅可以解释基本的涌现模式，还可以解释关键长度尺度 - 对流细胞和盐脊的宽度。
“这项研究提供了令人信服的证据，证明盐多边形是这种对流机制的表面特征，”伦敦大学学院的数学家邓肯休伊特说。“这是一个相当美丽的结果，它为广泛观察到的地质模式提供了潜在的解释。

引用

J. Lasser等人，“盐多边形和多孔介质对流”，Phys. Rev. X 13，011025（2023）。