近日，科学网博主苏德辰教授和嵇少丞教授的“蹄窝”与“壶穴”之争进入白热化。
    2012年3月30日15点苏教授发表博文《一步跨越亿万年——穿越于京西山水间》，
    31日12点嵇教授发表博文《什么动物的“蹄窝”都不是》，
    31日18点苏教授发表《由“蹄窝”的真假说一说“大牛科学家”是如何做科学的》，
    31日21点嵇教授发表《一则博文留言引发的“血案”》，
    4月1日嵇教授发表《石头上留下“神的脚印”？》....

    本文试图从材料腐蚀的角度来分析他们争论的“蹄窝”与“壶穴”的科学本质。
    材料包括钢铁等金属和石头、混凝土、高分子材料等非金属材料在自然环境中都会发生不同程度、不同类型的腐蚀。所谓材料腐蚀是材料受其周围环境介质的化学、电化学和物理作用下引起失效破坏的现象。其中：金属腐蚀是金属与周围环境（介质）之间发生化学或电化学作用而引起的破坏或 变质。非金属腐蚀是非金属材料由于在环境介质的化学、机械和物理作用下，出现老化、龟裂、腐烂和破坏的现象。有时人们把腐蚀称为老化。

材料在受力条件下出现的腐蚀有：应力腐蚀、腐蚀疲劳和腐蚀磨损三种类型。其中腐蚀磨损（corrosive wear）简称磨蚀，前苏联科学家称为腐蚀机械磨损（Corrosion mechanical wear）,国内称为磨损腐蚀（Erosion Corrosion）。

腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象。腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下也可能转变为严重磨损。 主要是由于流动的固体粒子或液滴或气泡通过反复的变形和切削作用对材料表面产生冲击引起的。例如，金属构件如船舶的螺旋桨、水电发电机组的叶片、水泵、弯头常常出现腐蚀磨损现象。

流体流速对相对腐蚀速度有重要影响（图1）。可见，流体相对于金属的流动能增加金属的腐蚀速度。当流体以高速度由层流变成紊流时，流体会产生明显的磨损腐蚀。当流速更高时，则会产生空泡腐蚀。

                                图1 流体流速对腐蚀速率的影响

磨损腐蚀是金属表面受高流速和湍流状的流体冲击，同时遭到磨损和腐蚀的破坏。它分为三类：湍流、冲击腐蚀和空泡腐蚀。

湍流腐蚀 ：在设备或某些特定部位，介质流速急剧增加形成湍流而导致的腐蚀。其特征是：在金属表面出现深谷或马蹄形的凹槽，按流体的方向切入金属表面层，蚀谷光滑没有腐蚀产物残存。

冲击腐蚀：磨损腐蚀的主要形 态。是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动而引起的金属破坏现象。冲击腐蚀时，腐蚀产物在高速流体或含颗粒、气泡的高速流体冲击下而离开金属表面，保 护膜破坏，破口处裸金属加速腐蚀。如果流体中含有固体颗粒，磨损腐蚀就更严重。其特征：局部性沟槽、波纹、圆孔和山谷形，通常显示方向性。暴露在运动流体 中的设备如：管、弯头、三通、阀、鼓风机、离心机、叶轮、换热器、排风筒等都能产生冲击腐蚀。部位：冲击腐蚀多发生在流体改变方向的部位。如弯头、三通、 旋风分离器，容器内和入口管相对的部位。冷凝器和换热器管束入口处，流体由大截面进入小口，产生湍流，在管入口数十毫米处常发生严重腐蚀。在这些部位，水 流往往呈湍流状态并带有空泡，湍流的机械作用，气泡的冲击作用和气泡中氧的去极化作用，造成严重的局部腐蚀。对于活性金属，气泡中的氧加速腐蚀；对于钝性 金属 ，氧促进了保护膜的形成。此时的磨蚀速度取决于冲击作用（使膜破坏）和气泡中氧与金属结合形成氧化膜的竞争过程。

空泡腐蚀简称空蚀或气蚀，是磨 损腐蚀的一种特殊形态。空泡腐蚀是由于金属表面附近的液体中有气泡产生和溃灭，造成材料表面粗化，而导致材料破坏的现象。通常发生在高速流体经过形状复杂 的金属表面，液体压强变化的场合，如气轮机叶片、船用螺旋桨、泵叶轮等。在高速液体中含有空泡，使磨损腐蚀十分严重。

空泡的形成是由于液体的湍流或温度变化引起局部压力下降，空泡内只含少量水汽，存在时间非常短暂,气泡破裂时产生冲击波压力可高达4000大气压，使金属保护膜破坏，并可引起塑性形变，甚至撕裂金属粒子。膜破口处裸金属受腐蚀，随即重新生膜。在同一点上又形成新空泡，又迅即破裂，这个过程反复进行，结果金属表面生成致密而深的孔，外表很粗糙。泵叶轮和水力透平机等常产生空蚀。

（资料来源：曾荣昌等 《材料的腐蚀与防护》，化学工业出版社，2006）

不仅金属会发生腐蚀或磨损腐蚀。同样地，岩石或石头在一定条件下也会产生腐蚀或磨损腐蚀。

俗话说，滴水可以穿石。究其科学道理在于：滴水穿石有有两个因素：水和重力。这里的水可能是含有二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等气体氧化物形成的具有侵蚀性的弱酸性水溶液。石灰岩、白云岩及其矿物：文石、方解石、菱镁矿等化学成分中碳酸钙（镁）含量大，在这种雨水和重力的冲击作用下，石头局部形成了可溶性的碳酸氢钙或硫酸钙，形成蚀孔。图1为贵州屯堡山顶上一寺庙屋檐下石板产生的蚀孔。其化学过程为：

H₂O+CO₂+CaCO₃（固） → Ca(HCO₃)₂  (液)                            (1)

      

图2  滴水穿石证据，图中石板上水渍部分中蚀孔周围有些白色的结晶物（碳酸钙）（摄于贵州屯堡）

随着环境的日益恶化，我国北方和西部空气污染严重，酸雨（pH值小于5.6）频发，这也会加剧金属和石材修建的建筑物、构筑物的腐蚀。污染源主要是二氧化硫，还有汽车尾气二氧化碳。

2SO₂+O₂→2SO₃                                                           (2)

SO₃+H₂O→ H₂SO₄                                                       (3)

CaCO₃(固) + H₂SO₄ → CaSO₄(液) + H₂O + CO₂               (4)

                                                   

                                  图3  滴水穿石示意图

去年夏天去北京故宫，发现所有石材包括地砖均被严重腐蚀破坏，当然还有人为因素，如游客流量大，加大了磨损。

现在回到壶穴和蹄窝之争，实际上两种是有相似和区别的地方。

壶穴(Pothole)是急流中挟带砂砾石磨蚀河床而产生的圆形凹穴，因急流中常有涡流伴生，砾石便挖钻河床，河流中断层、岩性不同或是跌水的下方在水流的磨蚀作用或许其中还有空泡的作用下，往往形成很深的坑穴。

其特征是由于水流中携带的砾石对坑穴的侧壁进行不断刮擦，使得坑穴壁光滑如镜，其形似井，地貌学上称之为壶穴；壶穴由于造形特殊，素有「石面桶」之称。近年来，在中国东部的山脊上发现了一些壶穴，形态上与河谷壶穴相近：口小、肚大、底平，壶壁光滑。（资料来源：http://baike.baidu.com/view/605686.htm）

比较苏教授牛角岭 “蹄窝”照片和嵇教授提供的“壶穴”照片，既有相似之处，又有不同之处。

相似之处是：

（1）它们都在某种石头上形成的孔穴，

（2）它们都有水“作案”的痕迹，参与了孔穴形成过程。

（3）它们都是石材在化学和机械力学的交互作用下，经过漫长时间而产生的。

但从形态上和特征来看，似乎两者之间有较明显差异。

（1）形态上：一般来说，“蹄窝”口大，底小；“壶穴”口小，底大。

（2）特征上：“蹄窝”没有明显的刮擦痕迹，而“壶穴”则明显有刮擦痕迹。

（3）力学上：“蹄窝”形成的力小，而而“壶穴”形成的力往往比较大。

至于“蹄窝”是否真的是牛或驴蹄造成的，本人认为有待进一步科学研究。首先，分析水质成分；然后，分析岩石的成分、结构、硬度和在弱酸性水溶液中的耐蚀性能等物理化学性能；最后，查阅过去的地质、水文、历史资料。从而，则可推断“蹄窝”成因。

本人认为，“蹄窝”成因还是与水有关。尽管牛角岭处在北方，雨水很少。或许以前就是一条河流，逐渐干枯成为“京西古道”；或许山洪爆发，不断冲洗。没有水的腐蚀作用，石头上不大可能形成所谓“蹄窝”形貌。

本人认为，“蹄窝”的形成过程中腐蚀作用大于力学（机械）作用；“壶穴”的形成则是力学（冲刷）作用大于腐蚀作用。另外，材质成分的影响很大。

本人仅略知材料，非地质专业人士，如有错误，敬请指正。

 

转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自曾荣昌科学网博客。
链接地址：https://blog.sciencenet.cn/blog-114283-554415.html

上一篇：惊奇：一篇综述文章1171篇参考文献
下一篇：校园春色