長期以來，人們一直認為砂岩地貌奇特的拱形是由風和雨雕刻而成。但一個研究團隊現在發現，這些形狀是岩石本身固有的。
“侵蝕只是將[多餘的]物質去除，但並沒有塑造形狀，”布拉格查爾斯大學的水文地質學家、該研究的負責人吉日·布魯坦斯說。相反，侵蝕僅僅是一種“工具”，它與岩石中更基本的因素結合發揮作用。
這些因素是由上覆岩石的重量產生的應力場。布魯坦斯說，在低應力下，砂岩很容易被侵蝕。但是，隨著應力的增加——例如，當懸崖或柱子的一部分被侵蝕掉時——剩餘岩石表面的沙粒會鎖定在一起，變得更耐進一步侵蝕。
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布魯坦斯的見解來自於他對捷克共和國斯特拉萊茨採石場的訪問，那裡開採一種鬆散堆積的砂岩，被稱為“巖砂”。
猶他州普羅沃市楊百翰大學的水文地質學家、該研究的合著者艾倫·梅奧說，即使沒有天然水泥將沙粒結合成岩石，開採它也需要在砂岩表面進行爆破才能將沙子鬆動。但他表示，一旦岩石被破壞，“它就會瓦解”。
布魯坦斯補充說，在爆破後，採石場中的砂岩迅速形成了拱門和其他特徵，這些特徵在猶他州拱門國家公園等地的旅遊景點中很常見。
為了 выяснить 如此柔軟的材料是如何做到這一點的，科學家們將樣品帶到實驗室，將它們切割成小立方體，並使用壓力板模擬上覆材料的重量。然後，他們對立方體施加模擬的雨水或其他侵蝕力。
正如今天在《自然地球科學》雜誌上報道的那樣，他們的發現是，當受到這種壓力時，即使是這些原本易碎的材料也會迅速侵蝕成拱門、凹室和柱子，然後變得非常耐進一步侵蝕。隨後對北美西南部更堅固的固結砂岩進行的實驗也產生了相同的結果（見下方影片）。
梅奧說，發生的情況是，當侵蝕以通常會導致材料坍塌的方式侵蝕材料底部時，壓力會沿著剩餘的岩石增加，那裡已經移除了最多的材料。最終，達到一個臨界壓力，沙粒鎖定在一起，變得“非常穩定”，他說。
數值模型顯示，最終形成的形狀遵循應力場——這一發現也適用於猶他州的標誌性景觀精緻拱門等自然地貌，它是一個 20 米高的獨立結構。
梅奧補充說，為了支援這一理論，他們還進行了一次實地考察，前往拱門國家公園最近發生岩石墜落的部分地區。“我們看了地面上的石塊，它們完全崩解了，”他說。“[它們]不再具有臨界應力。”
其他科學家（包括明尼阿波利斯明尼蘇達大學的沉積學家克里斯·保拉，他撰寫了一篇 隨附的“新聞與觀點”）表示，這項工作為砂岩地貌如何形成的長期問題提供了一個答案。美國林務局太平洋西北研究站（位於俄勒岡州科瓦利斯）的研究水文地質學家戈登·格蘭特稱這種解釋“簡單、優雅且合理”。
這些發現並不意味著所有的砂岩拱門、凹室或其他特徵都應該相同。“自然是非常複雜的，”布魯坦斯說。“初始條件很重要。”
本文經許可轉載，最初於2014年7月20日首次發表。