0 引言
1 岩石物理风化的近期研究进展和理论创新
1.1 “亚临界裂纹”理论的提出与问题
平衡定律也称格里菲斯能量平衡律，是热力学第一定律（当一个系统从非平衡态转为平衡态时能量会减少）在断裂力学上的应用，即假定裂纹是由于作用于材料表面上的力发生湮灭而形成的。平衡定律预测的裂纹发育是，作用于材料表面的应力（σ）一旦达到或超过材料强度的“临界应力（σ0）”（即σ≥σ0），裂纹就会出现和动态扩展。该临界应力σ0强度由材料的特性决定，如抗拉强度（σT）或断裂韧性（Kc，又称临界应力强度因子）等，其本身又取决于材料固有的杨氏模量或泊松比等。
可以看出，格里菲斯平衡理论认为岩石物理破坏的前提是σ≥σ0。因此，基于平衡定律的物理风化研究几乎都朝着这样一个基本问题而去：自然状况下的σ应力过程是否超过了其临界应力值σ0？这似乎告诉我们只要检测出σ和σ0之间的定量关系就可以预测岩石的裂纹发育，解决岩石破碎的物理风化问题似乎变得非常简单了。
然而事实并非如此。
“亚临界应力σs”和与之紧密相关的“亚临界裂纹”学说由此产生。这无疑促进了人们对断裂力学平衡定律的新认识。
而目前学术界已有的、针对岩石断裂过程和产物的物理风化研究，很多都是在相对宏观的尺度上进行的，“亚临界裂纹”尺度上的研究则相对薄弱。
由于亚临界裂纹的理论研究是我们的薄弱所在，且理论进展甚微，因此目前我们对地球不同景观地表和其他类地行星上的物理/机械风化的主要驱动因素的理解，依然是很有限的。
1.2 “气候驱动”与“亚临界裂纹”的发育
学术界普遍认识到了一些环境因素如水、热变化在岩石物理风化中的重要性。
水（无论是液态、固态、气态、离子/化学结合态等）在岩石风化破裂中的作用被认为是非常关键的因素，因为它不仅关系到另一种重要的岩石风化过程（水是岩石化学风化的媒介、基质和前提）发生与否，还在岩石物理风化过程如融冻旋回破裂过程中十分重要。
因此学术界普遍认为，在几乎所有的地表和近地表环境条件下，大多数不同类型岩石上发生的机械风化过程，都可以通过“与气候因素相关”的岩石破裂作用而进行，即“气候驱动”或“气候依赖性”观点。这一认识已得到了许多物理学（如断裂力学、工程材料力学、晶体矿物学等）模型和物理实验的证实与量化。
然而，亚临界裂纹是如何发育和形成的？学术界对这一问题的认识存在极大的争议，焦点在于亚临界裂纹是否对应力作用有依赖性。
这一结果显然挑战了学术界之前的观点，即“岩石的机械风化对应力载荷存在单一（或绝对）依赖性”。
此外，另有物理模型模拟研究显示，即使在外界环境的应力普遍低于岩石颗粒的临界破裂强度的水平下，气候因素所导致的亚临界裂纹也可以在岩石上显著发育并达到峰值，且这种破裂可以不考虑破裂应力的来源（如冻结、热循环、重力卸载等）［5］，即与应力负荷的大小和性质都无关。
这一结果进一步证明亚临界裂纹的发育可以独立于应力载荷，与应力的存在与否无关。
在机理上，岩石亚临界裂纹之所以能够产生，是因为亚临界裂纹尖端的连接键能够被与气候因素相关的低应力化学物理过程所破坏。如有研究表明，对于任何低于岩石临界破裂强度的应力或应力组合，环境湿度的线性增加都会导致岩石亚临界裂纹的开裂速率和岩石侵蚀速率呈指数性增加［5］。
上述研究和分析表明，气候因素也能驱动岩石亚临界裂纹的发育与形成。
1.3 岩石物理风化的影响因素——单因素作用与综合效应（本质性与普遍性）
尽管上述分析显示，人们已经认识到气候因素在驱动岩石物理风化过程中的重要性，但这一认识和理解仍然是比较笼统而概括的。因为目前所理解的“气候驱动”，往往是多种气候因素在多种时空尺度和动力学机制上的综合表现，而单一气候因素的效应如何，或两种综合因素的效应如何相互影响或叠加，这些问题目前还不清楚。
由于气候系统的开放性和气候因素本身的关联性、多变性和不确定性以及区域岩相地质/岩石类型等的多样性，如果我们基于不同区域的岩石物理风化案例研究得出的结论是一种“普遍性相关的”，那么这种“普遍性相关”可能说明我们还没有揭示出岩石物理风化机制的本质因素，即“直接的/简单的影响因素”或“单一影响因素”，而不是“普遍性的影响”。
总体而言，目前我们仍然需要开展更多、更精确的单因素（或单一动力学机制）案例研究去准确揭示不同环境因素（气候和非气候因素）到底是如何影响岩石的机械破裂过程的。这对理解某些特殊环境或简单环境中的岩石物理风化是至关重要的。因为我们无法把一种综合环境效应的认知应用到非综合因素组成的环境中来，自然界（乃至宇宙星空）中并非所有的风化环境都如同我们已知的地球地理环境，甚至气候因素可能在某些特殊环境下都并不存在（如月球等星际环境）。
1.4 行星尺度的物理风化——撞击驱动或热循环（气候）驱动？
同地球一样，许多类地行星的地表也存在着由细粒碎屑岩石物质构成的风化层。由于与地球存在显著的环境差异（特别是气候），上述气候驱动理论显然难以解释这些风化现象。因此，这些星体风化层是如何形成的，这一科学问题一直是学术界的热点问题。
上述行星表面风化层模拟研究结果表明，撞击成因的星体表面风化层是在地质时间尺度上（几个百万年）才能形成的。但近期来自太空探测和热红外观测的结果表明，太阳系中一些“年轻的”小行星天体表面也几乎都被一层厘米级或更小的碎屑颗粒所覆盖［3］，它们构成了这些星体的表土或风化层。如果用传统看法去理解而将这些风化层的形成归因于流星体撞击作用的话，不仅从其形成年龄上无法解释（形成风化层的时间不够），而且撞击模型模拟还表明这些陨石坑喷出物的速度通常大于每秒几十厘米（相当于千米大小的小行星引力逃逸速度，风化层无法保留），这些显然无法解释小行星表面风化层的存在。因此撞击作用和撞击碎片无法解释这些小行星风化层的起源和成因。
这些研究表明，有一种物理风化作用而非撞击作用才是控制近地小行星表面风化层形成的主要机制。这种机制可能就是太阳辐射所导致的“热疲劳/热循环”（thermal fatigue）作用［3］。本质上，它也属于上文我们所阐述的“气候因素”，这里的物理风化也属于“气候驱动”。尽管这些太阳系小行星的星际环境可能由于缺乏水分和大气而不能构成严谨的“气候”，但太阳辐射带来的热力作用与地球相似，且这些小行星几乎都是“岩石行星”，与地球的地质条件也有相似性。因此，上述这种“热疲劳/热循环”风化机制，不仅适用于小行星体，也可以适用于更大尺度的行星系统。
总体而言，在太阳系内，太阳辐射日变化产生的 “热疲劳/热循环”作用比其他气候因素和非气候因素的环境效应更具普遍性。它所引起的岩石碎裂能够比星体撞击等作用更快更有效地风化类地行星体地表几厘米以上的岩石碎屑，且这种风化作用与行星的大小无关，因此这一过程也能解释较大行星体（如地球、火星等）最初始表面风化层的形成。
2 结论和展望
诚然，我们在文中所陈述的各种岩石物理风化研究中有一个共同存在的问题，就是其实验研究方法和实验材料都是比较简单的（基于假设某些环境条件的恒定或忽略）。然而我们知道，任何一种岩石颗粒的晶间尺度裂纹（亚临界裂纹），其扩展速率通常是裂纹尺寸的非线性函数，且晶间尺度裂纹的长度通常要远小于岩石颗粒直径或岩石颗粒表面裂纹的长度。因此，基于“亚临界裂纹”理论认识的薄弱，我们需要进行更多详细的、不同岩石颗粒尺度的破碎/断裂力学分析，以调查对于较大的岩石体或星体岩石（例如NEA、MBA、地球、火星等）和较低的温度（零下数十度的寒冻）环境下，岩石颗粒晶间与晶外尺度破裂的快速扩展速率是否会保持到岩石断裂点的产生从而导致岩石颗粒大尺度裂纹的出现和高效的破碎，以及在不同的循环周期内是否都会发生相似的岩石裂纹和破碎。
而针对上述理论认识和存在问题，学术界目前还缺乏进一步的详细研究，不管是模型模拟数字研究还是实验室地质样品实例研究。因此，我们建议相关学者们加强微观尺度上的“亚临界裂纹”研究和宏微观尺度上的“单一热循环/热疲劳”机理研究。这可以作为岩石物理风化未来的研究方向之一，并恳请相关部门予以资助。
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