岩体风化对地貌演化、石质文物长期保护以及岩石工程的长期稳定性等有着重要的影响，是地质地貌学、建筑学、工程地质学、矿物学、土壤学和岩石力学等各领域的重要研究内容。利用宇成核素Be测量岩体风化速率是目前一种相对成熟的有效方法，但因其测量的是长时间尺度的地表侵蚀速率，对于短时间尺度的地表侵蚀速率变化不敏感，导致无法准确预测岩体的未来风化速率（Perron，2017）。越来越多的研究认为，岩石亚临界裂缝的敏感性是驱动和限制岩石侵蚀的主要因素，即岩石亚临界裂缝控制着岩石的物理损伤累积，从而控制岩石的侵蚀速率（图1）。 

　　近期，美国北卡罗纳大学学者M. C. Eppes等在Geology上发表了最新研究成果，对该理论进行了验证，并第一次获取了可直接测试的数据。他们利用在弗吉尼亚州（美国）蓝岭山脉北部山脊处的采取的岩样，进行Be衍生侵蚀速率、抗压强度Q、裂缝特征和3个亚临界裂缝参数（亚临界裂缝指数n、查尔斯定律速度常数A和断裂韧度K_IC）的测定。通过统计分析发现，3个亚临界裂缝参数与岩石的侵蚀速率之间具有很好的拟合关系，相反，岩石的抗压强度与侵蚀速率之间并没有明显的相关性，从而推断亚临界裂缝参数与侵蚀速率密切相关。 

图1 亚临界裂隙扩展概念图（Eppes and Keanini,2017）

　　露头数据和岩样来自雪兰多国家公园（SNP）山脊线上的20个自然露头，露头具有相似的气候、构造和地貌历史，可以避免这些变量因素对整体侵蚀速率和亚临界裂缝的复杂影响。研究过程如下：（1）首先进行宇成核素Be的同位素测量，估算岩体的风化侵蚀速率，得到平均风化侵蚀速率；（2）进行斯密特锤试验，得到每种岩样的单轴抗压强度Q，并进行双扭转试验，利用试验数据计算出应力强度因子K_I、亚临界裂缝的扩展速度V和断裂韧度K_IC，利用K_I和V值画出K_V曲线，进行幂指函数拟合，通过公式推导得到n和A这两个相关参数值；（3）运用加权最小二乘回归的方法，分析Q、n、A、K_IC和岩体风化速率之间的关系（图2）。 

　　分析结果表明：较低的n值、K_IC值和较高的A值均导致亚临界裂缝的快速扩展，且与较高的侵蚀速率相关,而Q与侵蚀速率无关；n值与裂缝尖端直接断裂的速率密切相关，因此可以推断n值与侵蚀速率最具相关性；相比之下，可能更受单个样品的特性的影响，Q、K_IC和A在岩体裂缝的扩展中只起到部分作用。因此，n的测量值可能比其他参数更能代表历史中所有风化裂缝的变化。 

图2 亚临界裂缝参数n、K_IC、A和岩石抗压强度Q与侵蚀速率的关系（Eppes et al.，2018） 

　　如果这种方法能有效预测岩体风化速率，将对地质灾害的预测及地貌演化提供更加准确的数据支持。 

　　相关参考文献 

1. Eppes M C, Keanini R. Mechanical weathering and rock erosion by climate‐dependent subcritical cracking[J]. Reviews of Geophysics, 2017, 55(2): 470-508.（原文链接） 
2. Eppes M C, Hancock G S, Chen X, et al. Rates of subcritical cracking and long-term rock erosion[J]. Geology, 2018, 46(11): 951-954.（原文链接） 
3. Perron J T. Climate and the pace of erosional landscape evolution[J]. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 2017, 45：561-591.（原文链接） 

　　（撰稿： 李丽慧，崔振东/页岩气与地质工程室）