长期以来，人们一直认为砂岩地貌奇特的拱形是由风和雨雕刻而成。但一个研究团队现在发现，这些形状是岩石本身固有的。
“侵蚀只是将[多余的]物质去除，但并没有塑造形状，”布拉格查尔斯大学的水文地质学家、该研究的负责人吉日·布鲁坦斯说。相反，侵蚀仅仅是一种“工具”，它与岩石中更基本的因素结合发挥作用。
这些因素是由上覆岩石的重量产生的应力场。布鲁坦斯说，在低应力下，砂岩很容易被侵蚀。但是，随着应力的增加——例如，当悬崖或柱子的一部分被侵蚀掉时——剩余岩石表面的沙粒会锁定在一起，变得更耐进一步侵蚀。
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布鲁坦斯的见解来自于他对捷克共和国斯特拉莱茨采石场的访问，那里开采一种松散堆积的砂岩，被称为“岩砂”。
犹他州普罗沃市杨百翰大学的水文地质学家、该研究的合著者艾伦·梅奥说，即使没有天然水泥将沙粒结合成岩石，开采它也需要在砂岩表面进行爆破才能将沙子松动。但他表示，一旦岩石被破坏，“它就会瓦解”。
布鲁坦斯补充说，在爆破后，采石场中的砂岩迅速形成了拱门和其他特征，这些特征在犹他州拱门国家公园等地的旅游景点中很常见。
为了 выяснить 如此柔软的材料是如何做到这一点的，科学家们将样品带到实验室，将它们切割成小立方体，并使用压力板模拟上覆材料的重量。然后，他们对立方体施加模拟的雨水或其他侵蚀力。
正如今天在《自然地球科学》杂志上报道的那样，他们的发现是，当受到这种压力时，即使是这些原本易碎的材料也会迅速侵蚀成拱门、凹室和柱子，然后变得非常耐进一步侵蚀。随后对北美西南部更坚固的固结砂岩进行的实验也产生了相同的结果（见下方视频）。
梅奥说，发生的情况是，当侵蚀以通常会导致材料坍塌的方式侵蚀材料底部时，压力会沿着剩余的岩石增加，那里已经移除了最多的材料。最终，达到一个临界压力，沙粒锁定在一起，变得“非常稳定”，他说。
数值模型显示，最终形成的形状遵循应力场——这一发现也适用于犹他州的标志性景观精致拱门等自然地貌，它是一个 20 米高的独立结构。
梅奥补充说，为了支持这一理论，他们还进行了一次实地考察，前往拱门国家公园最近发生岩石坠落的部分地区。“我们看了地面上的石块，它们完全崩解了，”他说。“[它们]不再具有临界应力。”
其他科学家（包括明尼阿波利斯明尼苏达大学的沉积学家克里斯·保拉，他撰写了一篇 随附的“新闻与观点”）表示，这项工作为砂岩地貌如何形成的长期问题提供了一个答案。美国林务局太平洋西北研究站（位于俄勒冈州科瓦利斯）的研究水文地质学家戈登·格兰特称这种解释“简单、优雅且合理”。
这些发现并不意味着所有的砂岩拱门、凹室或其他特征都应该相同。“自然是非常复杂的，”布鲁坦斯说。“初始条件很重要。”
本文经许可转载，最初于2014年7月20日首次发表。