泥裂影响因素及其研究意义综述
刘闯+钟建华+曹梦春+孙宁亮+王雅琳
摘 要：泥裂较为常见，但是成因机理还不完全清楚。通过总结近年来泥裂的相关研究进展，对泥裂的影响因素进行了归纳，总结了泥裂的研究意义，并讨论了泥裂研究存在的问题。结果表明：泥裂的内部影响因素在于泥质沉积物成分和厚度以及上、下接触关系，其中厚度和成分的变化导致破碎程度不同，上、下沉积物之间的摩擦力越小，形成的泥裂多边形越多，边缘越容易发生上翘；泥裂的外部影响因素包括温度、干湿环境交替、水分及含盐度、生物改造，其中高温度下形成的单个泥裂范围大，干湿环境的不断交替使泥裂交角趋于120°，水含量影响泥裂多边形的大小，含盐度影响泥裂的边缘形态，动植物活动对泥裂的形态具有改造作用；厚度是泥裂得以保存下来的重要因素，同时后期沉积物的快速覆盖也非常重要；从工程角度而言，探究泥裂的成因机理有助于解决泥裂引起的工程问题；从地质角度而言，泥裂的出现表明沉积物曾出露于地表水面之上，地质时期保存下来的泥裂构造可以指示古海岸线、区域性地层上升及气候冷暖干湿变化等。
关键词：泥裂；影响因素；成因机理；泥质沉积物；物理模拟；温度；厚度；沉积构造
中图分类号：P512.2 文献标志码：A
Abstract： Mud cracks are common in nature， but the genetic mechanism is not clear. The influence factors of mud cracks were summarized， and their significance was concluded， and the problems in the research of mud cracks were discussed. The results show that the internal influence factors of mud cracks include the composition and thickness of muddy sediments， and the contact relationship between the upper and lower layers； the change of thickness and composition leads to different fracture degrees； the smaller friction between the upper and lower sediments is， the more polygons of mud cracks are， and the easier warping-up of the edge is； the external influence factors of mud cracks include temperature， alternation of dry and wet environments， water and salinity and biological perturbation； the range of single mud crack is larger in high temperature； the crossing angle of mud crack tends to 120° under the condition of continuous alternation of dry and wet environments； the moisture influences the size of polygon of mud crack； the salinity influences the morphology of the edge of mud crack； the morphology of mud crack can be transformed by animals and plants； the thickness is an important factor for preserving mud cracks as well as the rapid cover of later sediments. The study on genetic mechanism of mud cracks contributes to solve the engineering problems caused by mud cracks. The appearance of mud cracks indicates that the sediments have been exposed on the surface， and the mud cracks preserved can be indicative for the ancient shoreline， the regional uplift of strata， the climate changes of cold-warm and dry-wet， and so on.
Key words： mud crack； influence factor； genetic mechanism； muddy sediment； physical simulation； temperature； thichness； sedimentary structure
0 引 言
沉积构造是沉积学领域中重要的研究内容，国内外学者对此进行了大量研究[1-9]，而泥裂作为一种暴露成因构造，受到一定的关注[10-21]。关于泥裂的研究可追溯到1917年，Kindle通过室内模拟实验，探究温度、泥质成分、水分及含盐度等因素对泥裂形态的影响[10]；Tang等认为黏土含量（质量分数，下同）越高，形成的泥裂断块数越多[16]；Selen等指出原始含水量越少，泥裂区域越小[22]；Style等专门研究了泥裂多边形边缘翘起问题，建立模型预测泥裂卷起的曲率半径和卷起深度[23]；吴泰然等发现了动物的活动对泥裂形态具有一定的影响，边缘平直的泥裂改造成了锯齿状泥裂[24]；Kues等研究了小型腹足类爬迹、底栖贻贝类动物、甲虫幼虫遗迹对泥裂发育模式的影响[12-13，25]；郭璇等将泥裂作為一种泥质沉积物非构造干缩裂缝进行了详细研究[26-31]。目前，对泥裂的研究，多数注重泥裂的影响因素[10，16，32-35]，部分涉及泥裂的几何学特征[18，36]，研究方法主要包括室内物理模拟实验[10，16，18，30，37]和野外地质观察[14，20，38-39]，技术手段有分形理论[15，17，40]、计算机图像分析[41-44]、数学模型[45-47]、扩展有限元法[48]等。本文对现代泥裂的影响因素进行归纳和总结，表征不同条件下泥裂的发育特征，并探讨其对古气候、古水流等研究的指示意义。
1 内部影响因素
1.1 泥质沉积物成分和厚度
泥质沉积物是泥裂形成的物质基础，泥质含量、粒径等因素必然会影响泥裂多边形的几何形态。为探究泥质沉积物成分对泥裂形态的影响，多采用控制单一变量的方式进行室内模拟实验，即在保证温度、湿度等其他条件相同的情况下，改变泥质沉积物的物质组成，探究不同泥质沉积物条件下的泥裂几何形态。实验样品多为砂质、泥灰质或黏土质，通过不同比例的调配，用水充分混合制成具有一定黏度的糊状物，置于相同大小和形态的实验器皿之中，确保各个器皿之中的实验样本厚度相同，用高温灯光照射，并且每隔一段时间利用数码相机拍照记录，记录各个样本的破裂过程[42]。Kindle设计了3组模拟实验，实验材料分别为泥灰岩、含砂质泥岩和黏土（图1）；研究结果表明，泥灰岩和含砂质泥岩形成的泥裂多边形比黏土小得多[10]。泥质沉积物成分的不同导致实验材料的韧度有所差异，从而影响泥裂的空间几何形态[10]。对于不同的土壤性质而言，破裂方式与黏土含量直接相关，泥裂多边形的宽度越大意味着黏土含量越高，因此，黏土含量是收缩性质和破裂行为的重要因素[16]。Selen等将这一因素体现在物质的粒径上，随着黏土含量的减少，样品的粒径会相应增大，单个泥裂的发生区域减小，整体样品会显得更加破碎[22]。
无论地质领域中的泥裂，还是工业领域中金属材料的破裂，这种泥裂式的破裂模式都会受到材料厚度的影响[49]。对于此类因素的研究，Nahlawi等同样采取对比实验的模式进行[50-51]。在其他因素保持一致的情况下，更改材料的厚度，对比破裂结果；实验结果显示，随着泥质沉积物的厚度增大，形成的裂隙平均长度、裂缝平均宽度以及泥裂多边形的个数呈增长趋势[50-51]。泥质层厚度的增加影响着收缩期间压力的变化，从而影响内部水分运移和热能的分布[16]，造成破裂结果的差异。
室内模拟实验是泥裂影响因素研究的有效手段，然而自然界是良好的天然实验室，野外自然状态下发育的泥裂同样揭示了泥质沉积物成分和厚度对泥裂形态的影响。发育于陕西府谷地区的泥裂形态[图2（a）]可以明显地分为两种：一种是图中实线内的泥裂，沉积物基本为纯泥质；另一种是图中虚线内的泥裂，沉积物含有较多砂质。由于区域范围小，所以可以认为两类泥裂形成时的外部因素完全相同。从图2可以看出，泥质形成的泥裂多边形明显大于含砂质泥形成的泥裂多边形。图2（a）中泥裂多边形长度和宽度平均约为3 cm，厚度约为0.5 cm，图2（b）中泥裂长度和宽度平均为10 cm，厚度约为1 cm，两者的泥裂多边形形态均不规则。与图2（a）、（b）相比，图2（c）、（d）中的泥裂厚度明显大，泥裂多边形长度和宽度明显增加，泥裂多边形形态较规则，泥裂缝较平直。图2（c）中的泥裂发育于甘肃敦煌地区，泥裂多边形呈长方形或近于正方形，长度和宽度为40～50 cm，裂开厚度约为8 cm，泥裂缝平直或略曲，泥裂边缘未翘起。图2（d）中的泥裂非常规则，大量的长方形泥裂组成呈窗棂状，长度多为20～40 cm，宽度为15～20 cm，裂开深度为4～5 cm，泥裂缝边缘较平直。
泥质沉积物的成分和厚度不会决定泥裂的形成与否，但是对形成的泥裂形态具有一定影响。总体而言，含砂质成分越多，整体沉积物的韧性越差，形成的泥裂越破碎。而对于厚度较大的泥质沉积物而言，在其他条件一致的情况下，形成的裂隙长度和宽度都比较大，发育的裂隙个数较多，形成的泥裂较为破碎。就保存方面而言，与含砂质较多的泥质沉积物相比，黏土质颗粒之间的胶结更为紧密，更有利于泥裂的保存。厚度是泥裂能够完整保存的关键，太薄的沉积层极易受到后期流水冲刷的破坏，只有具有一定厚度的泥裂，才有可能保存下来。
1.2 上、下沉积物接触关系
针对上、下沉积物接触关系，Groisman等设计了3组对比实验[37]。每组实验所使用的模拟装置完全一致，实验中所用的样品总量也完全相同，实验进行的条件也保持一致。不同之处在于：第一组装置底部为玻璃板，无任何涂层；第二组装置底部涂有2 mm厚的油脂；第三组装置底部涂有6 mm厚的凡士林（图3）。结果表明，第一组实验产生的泥裂断块数最多，其次为第二组，最后为第三组，因此，随着底部黏度的增大，形成的泥裂多边形块数减少，单个多边形的面积增大。Selen等针对这一问题再次进行了研究，认为黏土和基底材料之间的摩擦力越小，泥裂发生的区域越小[22]，这与Groisman等的观点[37]相吻合。
上、下沉积物接触关系不会决定泥裂的发育与否，但是对泥裂的形态（特别是泥裂多边形的边缘形态）具有重要影响。通过大量的野外实际考察发现，边缘翘起型泥裂不一定都发育在上、下沉积物不同的区域，但是上、下沉积物存在差异的区域，形成的泥裂多边形边缘一般都有上翘的现象。边缘翘起型泥裂最典型的特征体现在泥裂纵向上的变化，即泥裂多边形的边缘上翘。这种翘起可能发生剧烈翘起：图4（a）中发育的边缘翘起型泥裂，早期为极薄的泥质层，覆盖在粉砂岩之上，在后期强烈干旱条件下，极薄的泥质层发生脱水收缩作用，伴随重力作用，处于斜坡上的泥质层裂开，边缘强烈翘起呈U形，甚至卷曲成管状；圖4（b）中发育的边缘翘起型泥裂体积较大，近长条状的泥质层厚度为2～3 mm，边缘翘起高度为3～5 cm，整体单个泥裂呈半圆槽状。这种翘起也可能是微翘起：图4（c）中发育的长条状泥裂边缘翘起导致泥裂横剖面呈浅槽状，由于泥质层内部也存在成分的差异，使上、下泥岩层之间明显裂开，具沿层剥离现象；图4（d）中的薄泥裂呈长条状，厚度为1～2 mm，边缘翘起使泥裂呈浅槽状。当然，上述几种泥裂的厚度、大小等方面也存在一定的差异，但都具有一点共性，即泥质沉积物底部均为粉砂岩，两者之间的接触不那么紧密，形成的泥裂多边形边缘易于发生翘起。
2 外部影响因素
2.1 温 度
泥裂是泥质层暴露地表脱水收缩形成的沉积变形构造[26]，常见于潮间、潟湖等海相或湖相泥质沉积物中[52]，而脱水作用最直接的影响因素在于温度，因此，温度对泥裂的影响是显而易见的[22]。那么，温度到底是如何影响泥裂的？温度的高低会使泥裂的大小、形态等产生什么样的效应？国内外学者对此进行了有针对的实验研究。研究认为，温度对泥裂的影响受控于泥质沉积物本身的性质，如泊松比、抗剪强度、抗张强度和比表面能等[53]。泥质的一些其他性质也会受到温度的影响，如土壤系数、压缩系数、弹性模量和强度等[54]。另外，随着温度的变化，孔隙水压力也相应发生变化[55]。实验表明，随着温度的增加，水分蒸发不断减少，黏土层中水的体积和压力分布发生强烈变化[56]，形成的泥裂断块数减少，单个泥裂多边形的长度和宽度增加[16]，即温度高导致快速脱水，形成的泥裂范围广，温度低导致缓慢脱水，形成的泥裂范围窄[10]。这一实验结论对于根据泥裂几何学特征辅助推测古气候具有一定的指示意义。
由于破裂的形成和发展过程复杂，黏土层的干缩破裂受到多种因素的影响，尽管在过去的几十年里已经做了大量工作，但是破裂参数对温度的变化规律仍然难以掌握，所以在研究过程中，热-水-应力耦合关系应该考虑在内，尤其是泥质和水相之间的微观作用[16]。
总体而言，温度是直接决定泥裂能否发生的重要因素，只有达到一定的温度条件，造成泥质沉积物的脱水作用，才能够形成泥裂。另外，温度高低以及变化快慢对泥裂形态也具有一定的影响，表现在泥裂多边形长度和宽度的不同。
2.2 干湿环境交替
Liu等在研究过程中，不单只注重温度的高低，也注重温度的变化，即干湿环境交替的动态变化[57]。Goehring等针对这一问题进行了专门的物理模拟实验研究，其基本实验思路为：在保持其他条件一致的情况下，对同一样品进行干湿循环，如此往复25次，记录每次循环后泥裂的裂缝分布[18]。初始状态下，裂缝交角主要为90°和180°，经过多次干湿循环后，裂缝的分布逐渐变化，许多交角接近120°（图5）。将1次、5次、10次和25次干湿循环后的交角投入到同一坐标系中（图6），可以看到初始状态下频率分布峰值位于90°和180°，经过反复干燥后趋于120°。Tang等通过实验发现，随着干湿环境交替次数的增加，裂缝的长度和宽度不断减小，单个泥裂多边形面积减小，地层变得更加破碎，并且裂缝边缘变得更加的不规整[16]。另外，初次干燥产生的裂缝位置与第二次、第三次的相同，与Yesiller等的实验结果[58]相似。Omidi等认为干湿循环对收缩裂缝的影响取决于土壤的成分[59]。
干湿环境交替是唯一能够反映泥裂动态演化的因素。不同世代的干湿循环下形成泥裂的多边形形态有所差异。随着干湿循环次数的增加，形成的多边形由以四边形为主逐渐变为以六边形为主，相邻裂隙的交角由近90°逐渐趋于120°，并且多边形的边缘由平滑逐渐变为凹凸不平。
2.3 水分及含盐度
泥质沉积物中的裂缝源于内部水的散失[60-61]。水对泥裂形态的影响可以分为两种情况：①不同的水含量，对于同一性质的水而言，在蒸发速率相同的情况下，水含量越少，形成的泥裂多边形越小[22]；②同一水含量，不同的含盐度，随着盐度的升高，裂缝宽度、泥裂块宽度、破裂区域百分比和体积趋于增大，然而深度减小[32]。Kindle通过对比实验发现：高盐分水延缓泥裂的形成，多边形边缘向下；淡水形成的泥裂边缘向上，呈碟状；普通海水（中盐分水）形成的多边形边缘既不上翘也不向下，而是保持一个平面[10]。泥裂多边形边缘不翘起，可能是高盐分水造成的，也可能是泥岩的韧度造成的，但是泥裂多边形翘起一定是低盐分水造成的，即其形成环境一定是淡水环境[10]。基于这一结论，根据泥裂形态判别古水流的类型，进而辅助判别沉积环境成为可能。
泥裂的形成在于强烈的脱水作用，主要触发因素在于温度的影响，而直接结果是泥质沉积物中水分的缺失。同时，水分的多少以及含盐度对泥裂多边形的长度、宽度、泥裂块个数以及多边形边缘形态都具有一定影响，但是相较于泥质沉积物成分，厚度及上、下沉积物接触关系而言，这种影响显得比较微弱。
2.4 生物改造
生物对泥裂的形成具有一定的改造作用。小型腹足类爬迹、底栖贻贝类动物、甲虫幼虫遗迹等对泥裂的发育模式都具有一定的影响[12-13，25]。Baldwin提到，腹足类动物表面似凹槽痕迹在相同泥表面对收缩裂缝模式具有控制作用[25]。伴随波浪、水流活动的终止，突发事件、河流、湖泊环境为生物表面遗迹的保存提供了完美的条件；这些遗迹对相当薄的泥岩层具有微弱的影响，特别是连续的槽类型，将调整收缩裂缝的早期阶段；泥裂的识别简单，但是相关的生物成因结构可能被屏蔽，因此，古生态或环境解释应该偏向于无生命条件下；泥裂地貌学特征（如泥裂边缘缺口和沉积边缘抬升）也许有助于确定生物成因起源。在野外地质考察中也遇到同样的现象，吴泰然等在新疆喀什通往塔什库尔干的314国道旁，发现了一种极为罕见的锯齿状泥裂，在每个锯齿顶点都有小动物的足迹，锯齿状泥裂显然是在泥裂形成时受到小动物爬行产生的微小扰动（图7）[24]。另外，植物与泥裂的发育也存在一定的相关性[35]，植物根系的存在对于有效阻止裂隙后期闭合，改变裂隙充填物的物理和化学性质，改善裂隙渗透率及水动力机制具有重要意义[62-64]。图8为内蒙古杭锦旗地区发育的泥裂。由于该区域范圍小，可以认为其中每一个泥裂多边形形成时的温度等外部因素完全相同。通过矿物成分分析，两者所含的泥质成分也大致相同，因此，泥裂的形态主要受控于植物的发育。图8中虚线以下部分几乎无植物覆盖，形成的泥裂多边形较小，泥裂边缘翘起现象普遍，而虚线以上部分植物覆盖密集，形成的单个泥裂多边形面积较大，泥裂边缘较平直。
生物作用不能够直接决定泥裂的发生与否，对大部分泥裂多边形也无太大影响，但是对于动物爬行区域以及植物生长的局部地区，这种影响就显得比较大，常常导致泥裂多边形的极度不规则。
3 研究意义
泥裂通常在现代两大环境中出现：一是河、湖、海等水体环境岸边或干涸的河（湖）床，此环境中泥裂形成和保存受水面高低变化的影响（如潮汐、丰水期和枯水期），如果泥裂形成之后再次受到水淹且无沉积物覆盖，前期形成的泥裂易被破坏或消失；另一种是干旱—半干旱区短期积水的低洼区，短期降水使低洼区积水，由于蒸发量大，水分很快蒸发，形成泥裂[65]。因此，地层中的泥裂得以保存可能需要以下条件：①泥质沉积物和水共存的物质基础；②温度达到一定条件，随着水分的不断蒸发，泥质沉积物暴露地表，发生脱水作用形成泥裂；③形成的泥裂本身具有一定的厚度，足以抵挡后期流水的冲刷作用；④后期沉积物迅速覆盖，充填裂隙并覆盖泥裂表面，阻挡水对泥裂的后期侵蚀；⑤对于保留下来的边缘翘起型泥裂，其上覆沉积物需要松散不致密，保证上覆压力不太大，否则会在压实作用下将其破坏。
地层中保留下来的泥裂常被认为是暴露环境的标志，但是其保存条件很少有人探讨。毛学刚等结合红层的环境意义和磁性矿物特征，探究了地质时期红层中泥裂所代表的古环境[65]。综上所述，地质历史时期保留下来的泥裂通常为早期泥裂形成后，后期再次水淹发生沉积，沉积物覆盖其上，从而保存下来。由于泥质沉积物本身松散不易保存，所以现今看到的泥裂多为泥裂铸痕，即底部泥质沉积物被剥蚀掉，只留下上覆沉积物的充填形态。图9为大型泥裂铸痕，其发育在薄层粉砂岩的底部，形态以四边形、五边形为主，长度为20～30 cm，突起的砂脊高度为7～8 mm。
对于多边形边缘翘起的泥裂，厚度一般較薄，泥质沉积物与底部连接不牢固，因此，很难长时间保存下来。凡是保存下来的，首先具有足够的厚度，从而具有一定的抗冲刷能力，其次与底部固结程度较好，最后上覆沉积物较松散，不会具有太强的压实作用。图10为甘肃敦煌地区第四系泥岩层中保留下来的边缘翘起型泥裂，翘起高度为10～20 cm，泥裂上、下岩性较为均一，均为松散的泥岩，多个边缘翘起型泥裂上、下叠置，也反映出水位和气候的多期变化。
泥裂又称为干裂或龟裂，不仅对农作物生长和耕作带来很大影响，还对土体工程性质具有重要影响[66-67]。泥裂会降低土体的承载力，使房屋建筑存在安全隐患；泥裂一方面直接增加了土体的渗透性，另一方面大大降低了结构的强度和稳定性，对水工结构物的功能性和稳定性产生负面影响；在边坡工程中，坡面的泥裂加速了土体的风化，加剧了坡体的水土流失，雨水能沿着泥裂渗入坡体内部，诱导滑坡的发生；在环境岩土工程中，黏性土常作为一种缓冲材料，应用于垃圾卫生填埋场的衬垫层和核废料地质处置库的工程屏障中，在温度梯度和地下水的相互作用下，泥裂的产生将极大缩短这类隔离材料的使用年限，增加污染物泄露的风险和对环境的威胁等[53，66-68]。探究泥裂的形成机理，可以为泥裂带来的工程问题提供有效的解决办法。
泥裂在现代沉积物中屡见不鲜，由于风力、剥蚀等地质营力作用，在地史时期很难保存[69]。从地质角度而言，泥裂的出现说明沉积物曾出露于地表水面之上，地质时期常被作为干旱化或干湿交替环境的标志[65]。地质时期保存下来的泥裂构造对于环境的指示意义更为重要，可以指示古海岸线位置[70]、区域性地层上升[71]、气候冷暖干湿变化[72-76]、浅水暴露[77]等。
室内研究中的泥裂多采用单一变量的模式进行研究，也就是基于同一个假设，即泥裂的形成只受到单一因素的影响。自然界中的泥裂在形成过程中，显然受到多种因素的共同作用。综合上述多种因素可知，泥裂形成与否的决定性因素在于温度，只有温度达到一定条件，泥质沉积物才能够脱水形成泥裂。前文所述的因素对泥裂多边形的长度和宽度、泥裂块个数等几何学特征或多或少都具有一定的影响。总体而言，泥质沉积物成分、厚度和温度可能影响更大一些，水分及含盐度的影响稍显微弱，而生物改造虽然强烈，但是只能影响到局部区域。就泥裂的边缘形态而言，上、下沉积物接触关系起到较大的作用。干湿环境交替是唯一能够制约泥裂形成演化的因素，反映泥裂由近四边形向近六边形演化的动态过程，相邻裂隙的交角出现由近90°向近120°演化的趋势。
自然界中泥裂的形成和发展是一个极其复杂的过程。自然界中的泥质沉积物性质高度复杂，与室内实验材料存在诸多的差异，从而影响着破裂行为，很难在室内对此进行准确模拟[16，78]；室内物理模拟实验条件与自然环境存在诸多差异，发育的泥裂也是不尽相同。这就限制了物理模拟实验研究的适用范围，导致研究的泥裂类型也较为单一。课题组在长期的野外考察过程中，发现了多种形态的泥裂，如多边形呈圆形的泥裂，上、下叠置的泥裂以及单个圆形泥裂内部又发育多个小的圆形泥裂。对于这种复杂泥裂的研究至今存在一定程度的空缺。因此，未来的研究应以自然界中发育的各种复杂泥裂为主体，以室内物理模拟实验和理论推演为手段，探讨多因素共同影响下复杂泥裂的成因差异。
4 结 语
（1）泥裂发育的影响因素包括内部影响因素和外部影响因素。内部影响因素主要包括泥质沉积物成分和厚度以及上、下沉积物接触关系；外部影响因素主要包括温度、干湿环境交替、水分及含盐度、生物改造。
（2）温度对泥裂的形成具有决定性的作用。泥质沉积物成分、厚度和温度对泥裂的形态影响较大；上、下沉积物接触关系对泥裂多边形边缘形态起主要作用；干湿环境交替反映泥裂的演化方向；生物改造对局部泥裂的形态影响较大。
（3）厚度是泥裂得以保存下来的重要因素，同时后期沉积物的快速覆盖也非常重要。
（4）泥裂在农业领域、工程领域和地质领域都有一定的影响。对其成因机制的研究，在工程领域有助于有效解决泥裂带来的工程问题，在地质领域可以辅助判别古海岸线、区域地层上升、古气候等。
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摘 要：泥裂较为常见，但是成因机理还不完全清楚。通过总结近年来泥裂的相关研究进展，对泥裂的影响因素进行了归纳，总结了泥裂的研究意义，并讨论了泥裂研究存在的问题。结果表明：泥裂的内部影响因素在于泥质沉积物成分和厚度以及上、下接触关系，其中厚度和成分的变化导致破碎程度不同，上、下沉积物之间的摩擦力越小，形成的泥裂多边形越多，边缘越容易发生上翘；泥裂的外部影响因素包括温度、干湿环境交替、水分及含盐度、生物改造，其中高温度下形成的单个泥裂范围大，干湿环境的不断交替使泥裂交角趋于120°，水含量影响泥裂多边形的大小，含盐度影响泥裂的边缘形态，动植物活动对泥裂的形态具有改造作用；厚度是泥裂得以保存下来的重要因素，同时后期沉积物的快速覆盖也非常重要；从工程角度而言，探究泥裂的成因机理有助于解决泥裂引起的工程问题；从地质角度而言，泥裂的出现表明沉积物曾出露于地表水面之上，地质时期保存下来的泥裂构造可以指示古海岸线、区域性地层上升及气候冷暖干湿变化等。
关键词：泥裂；影响因素；成因机理；泥质沉积物；物理模拟；温度；厚度；沉积构造
中图分类号：P512.2 文献标志码：A
Abstract： Mud cracks are common in nature， but the genetic mechanism is not clear. The influence factors of mud cracks were summarized， and their significance was concluded， and the problems in the research of mud cracks were discussed. The results show that the internal influence factors of mud cracks include the composition and thickness of muddy sediments， and the contact relationship between the upper and lower layers； the change of thickness and composition leads to different fracture degrees； the smaller friction between the upper and lower sediments is， the more polygons of mud cracks are， and the easier warping-up of the edge is； the external influence factors of mud cracks include temperature， alternation of dry and wet environments， water and salinity and biological perturbation； the range of single mud crack is larger in high temperature； the crossing angle of mud crack tends to 120° under the condition of continuous alternation of dry and wet environments； the moisture influences the size of polygon of mud crack； the salinity influences the morphology of the edge of mud crack； the morphology of mud crack can be transformed by animals and plants； the thickness is an important factor for preserving mud cracks as well as the rapid cover of later sediments. The study on genetic mechanism of mud cracks contributes to solve the engineering problems caused by mud cracks. The appearance of mud cracks indicates that the sediments have been exposed on the surface， and the mud cracks preserved can be indicative for the ancient shoreline， the regional uplift of strata， the climate changes of cold-warm and dry-wet， and so on.
Key words： mud crack； influence factor； genetic mechanism； muddy sediment； physical simulation； temperature； thichness； sedimentary structure
0 引 言
沉积构造是沉积学领域中重要的研究内容，国内外学者对此进行了大量研究[1-9]，而泥裂作为一种暴露成因构造，受到一定的关注[10-21]。关于泥裂的研究可追溯到1917年，Kindle通过室内模拟实验，探究温度、泥质成分、水分及含盐度等因素对泥裂形态的影响[10]；Tang等认为黏土含量（质量分数，下同）越高，形成的泥裂断块数越多[16]；Selen等指出原始含水量越少，泥裂区域越小[22]；Style等专门研究了泥裂多边形边缘翘起问题，建立模型预测泥裂卷起的曲率半径和卷起深度[23]；吴泰然等发现了动物的活动对泥裂形态具有一定的影响，边缘平直的泥裂改造成了锯齿状泥裂[24]；Kues等研究了小型腹足类爬迹、底栖贻贝类动物、甲虫幼虫遗迹对泥裂发育模式的影响[12-13，25]；郭璇等将泥裂作為一种泥质沉积物非构造干缩裂缝进行了详细研究[26-31]。目前，对泥裂的研究，多数注重泥裂的影响因素[10，16，32-35]，部分涉及泥裂的几何学特征[18，36]，研究方法主要包括室内物理模拟实验[10，16，18，30，37]和野外地质观察[14，20，38-39]，技术手段有分形理论[15，17，40]、计算机图像分析[41-44]、数学模型[45-47]、扩展有限元法[48]等。本文对现代泥裂的影响因素进行归纳和总结，表征不同条件下泥裂的发育特征，并探讨其对古气候、古水流等研究的指示意义。
1 内部影响因素
1.1 泥质沉积物成分和厚度
泥质沉积物是泥裂形成的物质基础，泥质含量、粒径等因素必然会影响泥裂多边形的几何形态。为探究泥质沉积物成分对泥裂形态的影响，多采用控制单一变量的方式进行室内模拟实验，即在保证温度、湿度等其他条件相同的情况下，改变泥质沉积物的物质组成，探究不同泥质沉积物条件下的泥裂几何形态。实验样品多为砂质、泥灰质或黏土质，通过不同比例的调配，用水充分混合制成具有一定黏度的糊状物，置于相同大小和形态的实验器皿之中，确保各个器皿之中的实验样本厚度相同，用高温灯光照射，并且每隔一段时间利用数码相机拍照记录，记录各个样本的破裂过程[42]。Kindle设计了3组模拟实验，实验材料分别为泥灰岩、含砂质泥岩和黏土（图1）；研究结果表明，泥灰岩和含砂质泥岩形成的泥裂多边形比黏土小得多[10]。泥质沉积物成分的不同导致实验材料的韧度有所差异，从而影响泥裂的空间几何形态[10]。对于不同的土壤性质而言，破裂方式与黏土含量直接相关，泥裂多边形的宽度越大意味着黏土含量越高，因此，黏土含量是收缩性质和破裂行为的重要因素[16]。Selen等将这一因素体现在物质的粒径上，随着黏土含量的减少，样品的粒径会相应增大，单个泥裂的发生区域减小，整体样品会显得更加破碎[22]。
无论地质领域中的泥裂，还是工业领域中金属材料的破裂，这种泥裂式的破裂模式都会受到材料厚度的影响[49]。对于此类因素的研究，Nahlawi等同样采取对比实验的模式进行[50-51]。在其他因素保持一致的情况下，更改材料的厚度，对比破裂结果；实验结果显示，随着泥质沉积物的厚度增大，形成的裂隙平均长度、裂缝平均宽度以及泥裂多边形的个数呈增长趋势[50-51]。泥质层厚度的增加影响着收缩期间压力的变化，从而影响内部水分运移和热能的分布[16]，造成破裂结果的差异。
室内模拟实验是泥裂影响因素研究的有效手段，然而自然界是良好的天然实验室，野外自然状态下发育的泥裂同样揭示了泥质沉积物成分和厚度对泥裂形态的影响。发育于陕西府谷地区的泥裂形态[图2（a）]可以明显地分为两种：一种是图中实线内的泥裂，沉积物基本为纯泥质；另一种是图中虚线内的泥裂，沉积物含有较多砂质。由于区域范围小，所以可以认为两类泥裂形成时的外部因素完全相同。从图2可以看出，泥质形成的泥裂多边形明显大于含砂质泥形成的泥裂多边形。图2（a）中泥裂多边形长度和宽度平均约为3 cm，厚度约为0.5 cm，图2（b）中泥裂长度和宽度平均为10 cm，厚度约为1 cm，两者的泥裂多边形形态均不规则。与图2（a）、（b）相比，图2（c）、（d）中的泥裂厚度明显大，泥裂多边形长度和宽度明显增加，泥裂多边形形态较规则，泥裂缝较平直。图2（c）中的泥裂发育于甘肃敦煌地区，泥裂多边形呈长方形或近于正方形，长度和宽度为40～50 cm，裂开厚度约为8 cm，泥裂缝平直或略曲，泥裂边缘未翘起。图2（d）中的泥裂非常规则，大量的长方形泥裂组成呈窗棂状，长度多为20～40 cm，宽度为15～20 cm，裂开深度为4～5 cm，泥裂缝边缘较平直。
泥质沉积物的成分和厚度不会决定泥裂的形成与否，但是对形成的泥裂形态具有一定影响。总体而言，含砂质成分越多，整体沉积物的韧性越差，形成的泥裂越破碎。而对于厚度较大的泥质沉积物而言，在其他条件一致的情况下，形成的裂隙长度和宽度都比较大，发育的裂隙个数较多，形成的泥裂较为破碎。就保存方面而言，与含砂质较多的泥质沉积物相比，黏土质颗粒之间的胶结更为紧密，更有利于泥裂的保存。厚度是泥裂能够完整保存的关键，太薄的沉积层极易受到后期流水冲刷的破坏，只有具有一定厚度的泥裂，才有可能保存下来。
1.2 上、下沉积物接触关系
针对上、下沉积物接触关系，Groisman等设计了3组对比实验[37]。每组实验所使用的模拟装置完全一致，实验中所用的样品总量也完全相同，实验进行的条件也保持一致。不同之处在于：第一组装置底部为玻璃板，无任何涂层；第二组装置底部涂有2 mm厚的油脂；第三组装置底部涂有6 mm厚的凡士林（图3）。结果表明，第一组实验产生的泥裂断块数最多，其次为第二组，最后为第三组，因此，随着底部黏度的增大，形成的泥裂多边形块数减少，单个多边形的面积增大。Selen等针对这一问题再次进行了研究，认为黏土和基底材料之间的摩擦力越小，泥裂发生的区域越小[22]，这与Groisman等的观点[37]相吻合。
上、下沉积物接触关系不会决定泥裂的发育与否，但是对泥裂的形态（特别是泥裂多边形的边缘形态）具有重要影响。通过大量的野外实际考察发现，边缘翘起型泥裂不一定都发育在上、下沉积物不同的区域，但是上、下沉积物存在差异的区域，形成的泥裂多边形边缘一般都有上翘的现象。边缘翘起型泥裂最典型的特征体现在泥裂纵向上的变化，即泥裂多边形的边缘上翘。这种翘起可能发生剧烈翘起：图4（a）中发育的边缘翘起型泥裂，早期为极薄的泥质层，覆盖在粉砂岩之上，在后期强烈干旱条件下，极薄的泥质层发生脱水收缩作用，伴随重力作用，处于斜坡上的泥质层裂开，边缘强烈翘起呈U形，甚至卷曲成管状；圖4（b）中发育的边缘翘起型泥裂体积较大，近长条状的泥质层厚度为2～3 mm，边缘翘起高度为3～5 cm，整体单个泥裂呈半圆槽状。这种翘起也可能是微翘起：图4（c）中发育的长条状泥裂边缘翘起导致泥裂横剖面呈浅槽状，由于泥质层内部也存在成分的差异，使上、下泥岩层之间明显裂开，具沿层剥离现象；图4（d）中的薄泥裂呈长条状，厚度为1～2 mm，边缘翘起使泥裂呈浅槽状。当然，上述几种泥裂的厚度、大小等方面也存在一定的差异，但都具有一点共性，即泥质沉积物底部均为粉砂岩，两者之间的接触不那么紧密，形成的泥裂多边形边缘易于发生翘起。
2 外部影响因素
2.1 温 度
泥裂是泥质层暴露地表脱水收缩形成的沉积变形构造[26]，常见于潮间、潟湖等海相或湖相泥质沉积物中[52]，而脱水作用最直接的影响因素在于温度，因此，温度对泥裂的影响是显而易见的[22]。那么，温度到底是如何影响泥裂的？温度的高低会使泥裂的大小、形态等产生什么样的效应？国内外学者对此进行了有针对的实验研究。研究认为，温度对泥裂的影响受控于泥质沉积物本身的性质，如泊松比、抗剪强度、抗张强度和比表面能等[53]。泥质的一些其他性质也会受到温度的影响，如土壤系数、压缩系数、弹性模量和强度等[54]。另外，随着温度的变化，孔隙水压力也相应发生变化[55]。实验表明，随着温度的增加，水分蒸发不断减少，黏土层中水的体积和压力分布发生强烈变化[56]，形成的泥裂断块数减少，单个泥裂多边形的长度和宽度增加[16]，即温度高导致快速脱水，形成的泥裂范围广，温度低导致缓慢脱水，形成的泥裂范围窄[10]。这一实验结论对于根据泥裂几何学特征辅助推测古气候具有一定的指示意义。
由于破裂的形成和发展过程复杂，黏土层的干缩破裂受到多种因素的影响，尽管在过去的几十年里已经做了大量工作，但是破裂参数对温度的变化规律仍然难以掌握，所以在研究过程中，热-水-应力耦合关系应该考虑在内，尤其是泥质和水相之间的微观作用[16]。
总体而言，温度是直接决定泥裂能否发生的重要因素，只有达到一定的温度条件，造成泥质沉积物的脱水作用，才能够形成泥裂。另外，温度高低以及变化快慢对泥裂形态也具有一定的影响，表现在泥裂多边形长度和宽度的不同。
2.2 干湿环境交替
Liu等在研究过程中，不单只注重温度的高低，也注重温度的变化，即干湿环境交替的动态变化[57]。Goehring等针对这一问题进行了专门的物理模拟实验研究，其基本实验思路为：在保持其他条件一致的情况下，对同一样品进行干湿循环，如此往复25次，记录每次循环后泥裂的裂缝分布[18]。初始状态下，裂缝交角主要为90°和180°，经过多次干湿循环后，裂缝的分布逐渐变化，许多交角接近120°（图5）。将1次、5次、10次和25次干湿循环后的交角投入到同一坐标系中（图6），可以看到初始状态下频率分布峰值位于90°和180°，经过反复干燥后趋于120°。Tang等通过实验发现，随着干湿环境交替次数的增加，裂缝的长度和宽度不断减小，单个泥裂多边形面积减小，地层变得更加破碎，并且裂缝边缘变得更加的不规整[16]。另外，初次干燥产生的裂缝位置与第二次、第三次的相同，与Yesiller等的实验结果[58]相似。Omidi等认为干湿循环对收缩裂缝的影响取决于土壤的成分[59]。
干湿环境交替是唯一能够反映泥裂动态演化的因素。不同世代的干湿循环下形成泥裂的多边形形态有所差异。随着干湿循环次数的增加，形成的多边形由以四边形为主逐渐变为以六边形为主，相邻裂隙的交角由近90°逐渐趋于120°，并且多边形的边缘由平滑逐渐变为凹凸不平。
2.3 水分及含盐度
泥质沉积物中的裂缝源于内部水的散失[60-61]。水对泥裂形态的影响可以分为两种情况：①不同的水含量，对于同一性质的水而言，在蒸发速率相同的情况下，水含量越少，形成的泥裂多边形越小[22]；②同一水含量，不同的含盐度，随着盐度的升高，裂缝宽度、泥裂块宽度、破裂区域百分比和体积趋于增大，然而深度减小[32]。Kindle通过对比实验发现：高盐分水延缓泥裂的形成，多边形边缘向下；淡水形成的泥裂边缘向上，呈碟状；普通海水（中盐分水）形成的多边形边缘既不上翘也不向下，而是保持一个平面[10]。泥裂多边形边缘不翘起，可能是高盐分水造成的，也可能是泥岩的韧度造成的，但是泥裂多边形翘起一定是低盐分水造成的，即其形成环境一定是淡水环境[10]。基于这一结论，根据泥裂形态判别古水流的类型，进而辅助判别沉积环境成为可能。
泥裂的形成在于强烈的脱水作用，主要触发因素在于温度的影响，而直接结果是泥质沉积物中水分的缺失。同时，水分的多少以及含盐度对泥裂多边形的长度、宽度、泥裂块个数以及多边形边缘形态都具有一定影响，但是相较于泥质沉积物成分，厚度及上、下沉积物接触关系而言，这种影响显得比较微弱。
2.4 生物改造
生物对泥裂的形成具有一定的改造作用。小型腹足类爬迹、底栖贻贝类动物、甲虫幼虫遗迹等对泥裂的发育模式都具有一定的影响[12-13，25]。Baldwin提到，腹足类动物表面似凹槽痕迹在相同泥表面对收缩裂缝模式具有控制作用[25]。伴随波浪、水流活动的终止，突发事件、河流、湖泊环境为生物表面遗迹的保存提供了完美的条件；这些遗迹对相当薄的泥岩层具有微弱的影响，特别是连续的槽类型，将调整收缩裂缝的早期阶段；泥裂的识别简单，但是相关的生物成因结构可能被屏蔽，因此，古生态或环境解释应该偏向于无生命条件下；泥裂地貌学特征（如泥裂边缘缺口和沉积边缘抬升）也许有助于确定生物成因起源。在野外地质考察中也遇到同样的现象，吴泰然等在新疆喀什通往塔什库尔干的314国道旁，发现了一种极为罕见的锯齿状泥裂，在每个锯齿顶点都有小动物的足迹，锯齿状泥裂显然是在泥裂形成时受到小动物爬行产生的微小扰动（图7）[24]。另外，植物与泥裂的发育也存在一定的相关性[35]，植物根系的存在对于有效阻止裂隙后期闭合，改变裂隙充填物的物理和化学性质，改善裂隙渗透率及水动力机制具有重要意义[62-64]。图8为内蒙古杭锦旗地区发育的泥裂。由于该区域范圍小，可以认为其中每一个泥裂多边形形成时的温度等外部因素完全相同。通过矿物成分分析，两者所含的泥质成分也大致相同，因此，泥裂的形态主要受控于植物的发育。图8中虚线以下部分几乎无植物覆盖，形成的泥裂多边形较小，泥裂边缘翘起现象普遍，而虚线以上部分植物覆盖密集，形成的单个泥裂多边形面积较大，泥裂边缘较平直。
生物作用不能够直接决定泥裂的发生与否，对大部分泥裂多边形也无太大影响，但是对于动物爬行区域以及植物生长的局部地区，这种影响就显得比较大，常常导致泥裂多边形的极度不规则。
3 研究意义
泥裂通常在现代两大环境中出现：一是河、湖、海等水体环境岸边或干涸的河（湖）床，此环境中泥裂形成和保存受水面高低变化的影响（如潮汐、丰水期和枯水期），如果泥裂形成之后再次受到水淹且无沉积物覆盖，前期形成的泥裂易被破坏或消失；另一种是干旱—半干旱区短期积水的低洼区，短期降水使低洼区积水，由于蒸发量大，水分很快蒸发，形成泥裂[65]。因此，地层中的泥裂得以保存可能需要以下条件：①泥质沉积物和水共存的物质基础；②温度达到一定条件，随着水分的不断蒸发，泥质沉积物暴露地表，发生脱水作用形成泥裂；③形成的泥裂本身具有一定的厚度，足以抵挡后期流水的冲刷作用；④后期沉积物迅速覆盖，充填裂隙并覆盖泥裂表面，阻挡水对泥裂的后期侵蚀；⑤对于保留下来的边缘翘起型泥裂，其上覆沉积物需要松散不致密，保证上覆压力不太大，否则会在压实作用下将其破坏。
地层中保留下来的泥裂常被认为是暴露环境的标志，但是其保存条件很少有人探讨。毛学刚等结合红层的环境意义和磁性矿物特征，探究了地质时期红层中泥裂所代表的古环境[65]。综上所述，地质历史时期保留下来的泥裂通常为早期泥裂形成后，后期再次水淹发生沉积，沉积物覆盖其上，从而保存下来。由于泥质沉积物本身松散不易保存，所以现今看到的泥裂多为泥裂铸痕，即底部泥质沉积物被剥蚀掉，只留下上覆沉积物的充填形态。图9为大型泥裂铸痕，其发育在薄层粉砂岩的底部，形态以四边形、五边形为主，长度为20～30 cm，突起的砂脊高度为7～8 mm。
对于多边形边缘翘起的泥裂，厚度一般較薄，泥质沉积物与底部连接不牢固，因此，很难长时间保存下来。凡是保存下来的，首先具有足够的厚度，从而具有一定的抗冲刷能力，其次与底部固结程度较好，最后上覆沉积物较松散，不会具有太强的压实作用。图10为甘肃敦煌地区第四系泥岩层中保留下来的边缘翘起型泥裂，翘起高度为10～20 cm，泥裂上、下岩性较为均一，均为松散的泥岩，多个边缘翘起型泥裂上、下叠置，也反映出水位和气候的多期变化。
泥裂又称为干裂或龟裂，不仅对农作物生长和耕作带来很大影响，还对土体工程性质具有重要影响[66-67]。泥裂会降低土体的承载力，使房屋建筑存在安全隐患；泥裂一方面直接增加了土体的渗透性，另一方面大大降低了结构的强度和稳定性，对水工结构物的功能性和稳定性产生负面影响；在边坡工程中，坡面的泥裂加速了土体的风化，加剧了坡体的水土流失，雨水能沿着泥裂渗入坡体内部，诱导滑坡的发生；在环境岩土工程中，黏性土常作为一种缓冲材料，应用于垃圾卫生填埋场的衬垫层和核废料地质处置库的工程屏障中，在温度梯度和地下水的相互作用下，泥裂的产生将极大缩短这类隔离材料的使用年限，增加污染物泄露的风险和对环境的威胁等[53，66-68]。探究泥裂的形成机理，可以为泥裂带来的工程问题提供有效的解决办法。
泥裂在现代沉积物中屡见不鲜，由于风力、剥蚀等地质营力作用，在地史时期很难保存[69]。从地质角度而言，泥裂的出现说明沉积物曾出露于地表水面之上，地质时期常被作为干旱化或干湿交替环境的标志[65]。地质时期保存下来的泥裂构造对于环境的指示意义更为重要，可以指示古海岸线位置[70]、区域性地层上升[71]、气候冷暖干湿变化[72-76]、浅水暴露[77]等。
室内研究中的泥裂多采用单一变量的模式进行研究，也就是基于同一个假设，即泥裂的形成只受到单一因素的影响。自然界中的泥裂在形成过程中，显然受到多种因素的共同作用。综合上述多种因素可知，泥裂形成与否的决定性因素在于温度，只有温度达到一定条件，泥质沉积物才能够脱水形成泥裂。前文所述的因素对泥裂多边形的长度和宽度、泥裂块个数等几何学特征或多或少都具有一定的影响。总体而言，泥质沉积物成分、厚度和温度可能影响更大一些，水分及含盐度的影响稍显微弱，而生物改造虽然强烈，但是只能影响到局部区域。就泥裂的边缘形态而言，上、下沉积物接触关系起到较大的作用。干湿环境交替是唯一能够制约泥裂形成演化的因素，反映泥裂由近四边形向近六边形演化的动态过程，相邻裂隙的交角出现由近90°向近120°演化的趋势。
自然界中泥裂的形成和发展是一个极其复杂的过程。自然界中的泥质沉积物性质高度复杂，与室内实验材料存在诸多的差异，从而影响着破裂行为，很难在室内对此进行准确模拟[16，78]；室内物理模拟实验条件与自然环境存在诸多差异，发育的泥裂也是不尽相同。这就限制了物理模拟实验研究的适用范围，导致研究的泥裂类型也较为单一。课题组在长期的野外考察过程中，发现了多种形态的泥裂，如多边形呈圆形的泥裂，上、下叠置的泥裂以及单个圆形泥裂内部又发育多个小的圆形泥裂。对于这种复杂泥裂的研究至今存在一定程度的空缺。因此，未来的研究应以自然界中发育的各种复杂泥裂为主体，以室内物理模拟实验和理论推演为手段，探讨多因素共同影响下复杂泥裂的成因差异。
4 结 语
（1）泥裂发育的影响因素包括内部影响因素和外部影响因素。内部影响因素主要包括泥质沉积物成分和厚度以及上、下沉积物接触关系；外部影响因素主要包括温度、干湿环境交替、水分及含盐度、生物改造。
（2）温度对泥裂的形成具有决定性的作用。泥质沉积物成分、厚度和温度对泥裂的形态影响较大；上、下沉积物接触关系对泥裂多边形边缘形态起主要作用；干湿环境交替反映泥裂的演化方向；生物改造对局部泥裂的形态影响较大。
（3）厚度是泥裂得以保存下来的重要因素，同时后期沉积物的快速覆盖也非常重要。
（4）泥裂在农业领域、工程领域和地质领域都有一定的影响。对其成因机制的研究，在工程领域有助于有效解决泥裂带来的工程问题，在地质领域可以辅助判别古海岸线、区域地层上升、古气候等。
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