张学文老师对“雨痕”的质疑有道理， 我为他补充一些参考文献与一张图片，还有几句评论。 对地质学的雨痕的质疑 张学 文,2013/11/15 最近看到嵇教授与苏教授争论到雨痕的真伪问题.作为地质学的外行和知道一些气象知识的我谈点关于雨滴是否可以在软的泥浆中打出直径接近厘米的坑一事谈点看法。 我想到的问题有：雨滴有多大，雨滴的速度有多快，雨滴的动量与参与的泥巴的动量的比例是否一个数量级，再就是与大雨滴伴随的其他雨滴的数量有多少。 就我所知，大的雨滴其直径大约是毫米量级的（千分之一克），雨滴落地时的速度大约是6米/秒。其动量显然是很小的。它在湿泥巴上可以引起的动量变化也应当是小的。我分析其动量比一粒大米以1米秒的速度落地的动量要小。因此我怀疑雨滴降落会在泥巴中形成如此明显的坑。 研究降雨的专家发现，世界上最大的雨滴直径为6.8 mm，最大落地速度不超过9.3 m/s。超过这个直径，雨滴在空中就会分裂成小雨滴。雨滴直径与其 落地速度的平方成反比， 雨滴直径 越大， 落地速度越慢，砸的坑愈浅，这是与苏德辰的观察不吻合的。 再就是在一次降水过程中，究竟有多少雨滴落地，是每平方米仅有的可数个雨滴，还是雨滴数量多到难以计量的水平。 Marshall, J.S. Palmer, W. McK. The distribution of raindrops with size. J. Meteorol. 5 , 165-166 (1948). Spilhaus, A. Raindrop size, shape and falling speed. J. Atmos. Sci. 5, 108–110 (1948). Magono, Ochou, A.B., Nzeukou, A., Sauvageot, H. Parametrization of drop size distribution with rain rate. Atmos. Res. 84 , 58-66 (2007). Willis, P. Tattelman, P. Drop-size distribution associated with intense rainfall. J. Appl. Meteorol. 28, 3–15 (1989). Dodd, K. On the disintegration of waterdrops in an air stream. J. Fluid Mech. 9, 175–182 (1960). Beard, K. V. Velocity and shape of cloud andp recipitation drops aloft. J. Atmos. Sci. 33, 851–864 (1976). Clift, R., Grace, J. R. Weber, M. E. Bubbles,Drops and Particles Ch. 7 (Academic, ，1978）。 Foote, G. B. du Toit, P. S. Terminal velocity of raindrops aloft. J. Appl. Meteorol. 8, 249–253 (1969). 如果是飘几个雨滴的微量陈雨，那么它可能在干土中留下点点稀松的雨痕。如果是一场大雨，那么就有很多雨滴落地，而不会让你仅看到可数的几个雨坑。此时应当是泥巴变得更稀，结果是雨滴仅可以在泥水里引起一环水波并且即刻消失。即地质时期的雨滴不能保持到今天。 雨下多了，地面一层水，雨痕如图所示。 所以依我分析，雨滴恰好数量很少，又个头又特别大，其动量足以使泥巴形成了厘米量的坑的可能性几乎是不存在的。
“雨痕”和“风动石撞击坑”的科普 —— 兼答嵇少丞教授的质疑 一、缘起 没有想到小闫同学的一篇游记竟然引起了许多人的关注，也没有想到，沉积学中最普通不过的一个现象（“雨痕”）竟然有很多科学网博友没有听说过，更不可思议的是竟然遭到地质学教授的质疑。地学界的博友们，是不是我们的科普工作做得太不够了？ 若干年前，一位伟人讲过：教育要从娃娃抓起。今天一位普通的地质人不得不说：地学科普要从小雨点抓起。 我压根就没有把小闫写的东西当作科普，所以我把它归类为“游记往事 ” ，这是野外工作结束之际，我给小闫布置的“作业” 。今天我就给大家真正科普一下“雨痕”。 公开声明一下，本博文中的照片加有 “ 奇美天成 ” LOGO 的为本人及项目组成员所拍，如果以任何方式引用我的照片，请事先征得我的同意。项目组其他人的 3 张照片，谢绝引用。 二、雨痕的定义及其地质意义 下雨是大自然中最常见的现象之一，但雨点落到地上的痕迹恐怕很少有人注意。雨点太软了，落在硬地上，不会留下任何痕迹；如果落在沙土中，立刻会被吸收。只有在半固结的软泥中，雨点降落后，才能在 软泥的表面 留下撞击的痕迹。并且大部分情况下，先行成的痕迹会被后续的雨点和雨水破坏。 关于雨痕的定义，中国地质大学姜在兴主编的沉积学中表述如下：“ 雨痕、冰雹痕是雨滴或冰雹降落在泥质沉积物的表面，撞击成的小坑。如雨滴垂直降落时，小坑呈圆形，否则成椭圆形，坑的边缘略微高起。只有偶尔阵雨形成的雨痕，才能保存下来；如果连续的阵雨，就形成不规则相连的凹坑。冰雹痕似雨痕，但坑比雨痕大些、深些，且更不规则，边缘更粗糙些 。 ” （姜在兴主编：沉积学，石油工业出版社，2003年版，P103） 。 在常人生存的环境中，雨痕太不容易见到了。但 在干旱和半干旱的环境，雨痕却是常见的现象 。特别是在刚刚形成的泥裂表面特别容易形成雨痕 ， 中国的西北正是这样的环境，经常会遇到极小的阵雨，然后艳阳高照。我每次出差西北（新疆或甘肃），都会见到，有时会拍几张照“留念”。 正因为雨痕常形成于干旱或半干旱环境的软沉积物的表面，如果在坚固的岩石中发现雨痕的“化石”，一般会推测岩石的原始形成环境为干旱或半干旱。在产状混乱的地层中，如果在岩石中找到雨痕，地质学家可根据雨痕的凹坑方向确定岩石的原始层面。所以，雨痕在地质学中具有 指示岩层的顶、底方向 和 指示环境 的意义。所以又称为 示顶构造 。 这些在软泥表面形成的雨痕极易受到后期各种地质作用的破坏，后期成岩作用过程中会把大部分雨痕“销毁”。因此，在固结成岩的石头中发现雨痕极为罕见。看来，许多地质学家不知道雨痕也不足为怪。 正因为雨痕的稀奇和指示环境的作用，成就了一个不大不小的发现。 2012 的，科学家在非洲发现了 27 亿年前的岩石中保存的雨痕，竟然成了轰动一时的科学新闻。因为，根据人们以前的数据， 27 亿年前的地球混沌一片，接收到的阳光大概只有现在的 20% 。因此有人推测那时的地球没有足够的阳光，应该是一个“冰球”。但地质学证据表明，当时的地球并不是冰球一个，而是相当温暖，有海洋、有河流。雨痕的发现再一次成为重要的非冰球证据。细心的博友请搜索“ 2.7billion-year-old raindrops ” ，你会搜索到国际主流媒体和专业杂志对这个发现的大量报道。 占在得天独厚的宝地上，这个小家伙的出镜率太高了（来源：互联网） 三、本人博文中的雨痕 看文章要仔细，看博文也要仔细。对于一个认真、严谨的科学家来说，质疑别人的博文或文章时更要仔细。嵇少丞教授好像就是这么告诫别人对他的质疑或评论的。因此，本段话的版权归嵇教授。 小闫的游记博文中有没有说过这雨痕的标本是砂岩？根本没有。显然，嵇少丞教授在没有仔细观察的情况下就把它当成了砂岩，接着乱批一通。 实际上，这块标本保存在我的手里，它只是一块现代的泥裂的标本，就是一块泥巴，经过太阳暴晒而成。经过数千公里的奔波，已经破为两半。裂为两半原本不是好事，但对鉴定其成因更有实际意义。 如果这个痕迹是风吹石撞击而成，这个撞击坑中应该保存着风吹石的残骸 。 图 A 是这块标本目前的状态，在整个标本中，没有发现任何一个撞击坑中有大的砂粒或外来物的痕迹。标本的裂缝正好断开了几个小坑，可以从剖面上观察，也没有外来物。为了让大家观察得更详细一些，我附上了标本 B 点和 C 点附近的详细照片（图 B ，图 C ），特别是照片 C ，可以看到完整平滑的撞击坑。风吹石等外来物撞击说显然是不成立的。它的成因只能是雨痕。 图 A 引起质疑的雨痕标本 请仔细观察所有雨痕，并与图 B 、图 C 对比。 图 B 雨痕（在标本中的位置见图 A ） 图 C 雨痕（在标本中的位置见图 A ） 可见到平滑的撞击坑表面，没有任何外来的风吹石或大的砂粒。 四、张掖丹霞景区见到的雨痕 为了博友们认识雨痕，本人再向大家展示一下也是今年所拍的雨痕照片（图 D 、 E ）。 图 D 所示的雨痕是在甘肃张掖丹霞景区附近的一个泥坑中拍的。刚刚干涸的泥坑中已经形成了泥裂，泥裂表面保留了极多形态完美的雨痕。有些雨痕还有两个雨点叠加的痕迹（图 D 中的 E 点附近），图 E 则为局部放大。 图 D 雨痕（拍摄地点：甘肃） 图 E 雨痕（注意其中的部分雨痕有重叠现象，是两个以上的雨点撞击的痕迹）。 五、风吹石撞击坑 那么，嵇少丞教授提出的风吹石撞击坑是否在自然界中存在呢？对此我一点也不会质疑，因为我见过非常完好的现象，顺便一并给大家普及展示一下。 2012 年夏天，一场大雨过后，我到北京西山的一个山沟里考查，有一片刚刚形成的泥裂，两边是高高耸立的岩石绝壁。泥裂表面有无数个撞击坑，坑中全是来自旁边的岩石砾屑，最大者长度大于 10 cm ，但大多在几个 cm 大小（图 F ）。 图 F ：泥裂表面的风吹石撞击坑 图 G 为放大的一张照片，可以看到有的砾石在撞击时，把泥质沉积物撞开撕裂，更详细的照片见图 H 。 图 G ：泥裂中的风吹石 图 H 泥裂中保存的风吹石 这些泥裂中的风吹石可用来解释许多岩石中存在的不明原因的砾石的成因！ 六、本课题组成员所照的雨痕照片 本人在野外极勤快，很少用别人的照片。但忽然发现项目组其他人员在同一地点拍了更多、更好的照片，作为科学普及的材料，挑出 3 张展示给大家。 再次重申： 这 3 张照片虽然用的 LOGO 是奇美天成，但是别人拍摄的，请不要引用 。 青稞地雨痕 1.jpg 青稞地雨痕 2.jpg 青稞地雨痕 3.jpg 七、西方经典文献中关于雨痕的定义与实例描述 岩石中的雨痕虽不多见，但在西方经典地质文献和维基百科等网站中确有多处提到。 （我查到的）最早的关于雨痕的科学报道应该来自 1948 年 Shrock 的专著 Sequencein Layered Rocks . 这是间接查到的，有条件的可帮忙下载一下 Shrock 的原著。 Shrock 的标本照片（来源：互联网） 另外再举几个定义和实例。 1. McGraw-Hill2003 年版地球科学词典的定义 Rain prints aresmall, shallow depressions formed in soft sediment or mud by the impact offalling raindrops. Also known as raindrop impressions ; raindropimprints . 2. Elsevier Ltd 2005 年版地质学百科全书的定义 RaindropImpressions are “small circular or elliptical depressions on the upper surfacesof beds of fine sediment. They record the impact of raindrops or hailstones andtheir preservation depends on the cohesive strength of the sediment. They arequite often associated with desiccation cracks.” 3. Wikipedia 百科上的相关材料 Wiki 上面有比较详细的说明和两张照片，就不在此重复引用了。以下为 Wiki 上的定义。 Raindropimpressions are a geological feature characterized by small craterlike pitswith slightly raised edges that are the result of the impact of rain on softsediment surfaces. \" target=\"_blank\" target=\"_blank\">http://en.wikipedia.org/wiki/Raindrop_impressions] 4. 与小闫游记中的照片 最 相像的网上的照片 Spherical raindrops carve a random array of circular arcs into a muddy surface. http://www.exo.net/~pauld/lectures/patternscostarica/patternsnature2004.htm 再次感谢嵇少丞教授的质疑。 关于雨痕的科普与争论，该结束了吧？ ******************************************************************************** 参考： 1. 西域记之“青稞地”的一天 2. 雨痕还是风动石击坑 ?
雨痕还是风吹石击坑? -与苏德辰研究员商榷 下雨了 雨滴 今天科学网加精博文——《 西域记之“青稞地”的一天》中谈到“收获”一块“ 雨痕”标本 （图 1）。沉积岩主要是泥岩与粉砂岩中的“雨痕”是由雨点打在尚未固结的软泥或粉砂上留下的痕迹。 苏德辰研究员的“雨痕” （苏德辰博客照片） 这样砖红色粉砂岩形成于干旱、温差大、风大、雨水极少的环境中（苏德辰博客照片）。清楚可见的岩石表面的凹坑不是“古道”的驴马蹄窝，而是风蚀坑，即无数次强风吹出来的，具一定的非对称性，指示风流方向。 其 实，在苏德辰研究员所示的砖红色泥巴块体上由雨点打出雨痕的可能性很小，那样特征的沉积物或沉积岩石多形成于干旱、温差大、风大、雨水极少的环境中， 这样的环境类似于新疆的戈壁滩与沙漠。今天 9月份本人与学生们在新疆天山干沟里就见到类似于图1那样的构造，貌似月球表面的陨石坑， 只是尺度很小，它们是风将高处的不同大小的石（砂）砾吹落软泥之上砸出来的坑（ Impact structure ）， 其形成机理几乎完全类同于月球表面陨石坑的形成。在野外现场，我们仔细观察发现，“作案凶手”——石砾，还在坑底、坑边或石击坑的不远处（图3），取决于撞击角度与速度。同理，红色泥岩与粉砂岩层面（顶面）上中的坑不是雨痕，而是（风动）石击坑。沉积岩中过去被人以为是“雨痕”的许多构造其实就是石砾的撞击坑。我们做教授的，这些要给学生们讲清楚， 否则就误判了岩石形成的沉积环境。 Pebble-drop impressions are a geological feature characterized by small crater like pits with slightly raised edges that are the result of the impact of pebble or sand on soft sediment surfaces. 若是雨点，沉积物硬了不行，软了也不行，皆不能形成周边高起来的洼坑， 还要就下几滴，雨下多了，地面积水，不利“余痕”保存。若是冰雹砸地，尚有可能，之后冰融化了， 了无形迹。所以，“雨痕”之说， 不攻自破。 Arguments against a raindrop origin include: During shower activity raindrops cover the entire surface, whereas raindrop impressions are generally scattered and few in number. Because the rain is falling everywhere, raindrop impressions should occur equally on sand sized material as well as mud, yet in the geologic record these impressions are largely confined to fine-grained rock. Even when raindrop impressions form in mud during a shower, further rainfall eventually destroys them, leaving a surface which is not helpful to further preservation of impressions. Many examples cited as modern or fossil raindrop impressions can be explained by air bubbles rising through the mud. The characteristics of any impression depend on so many variables they can not be used convincingly to demonstrate those impressions formed specifically by raindrops. 新疆天山干沟， 很久没见过雨点了，干裂50-80 cm 深， 可是顶面上却有无数假雨痕, 坑坑凹凹， 大大小小， 不仔细的人是观察不到这个现象的。放大照片如下（照片上的女博士，个高170 cm）： 新疆天山干沟中现代粉砂沉积顶面的（ 风动）石击坑 下面是火星、地球、月球表面的陨石 撞击坑， 不是蹄窝，不是雨痕。 火星上的陨石坑 火星上的陨石坑 地球上的陨石坑 月球表面的陨石坑 月球表面的陨石坑 月球表面的陨石坑 冲击坑形成机制图： 如果石头投到含水量大的烂泥上，冲击坑的形状就与我在新疆干沟所照的不一样， 见前人的实验照片（下面2张图）， 冲击坑的形状亦反映土层含水量与粘度的大小， 据此可以估计外星受冲击时是否含水。 Pebble-into-mud craters Stone-into-mud craters 教授与雨痕 雨痕
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