石环现象的冻融分选：寒区土壤反复冰胀如何使石块规则排列

冻胀抬升（主要作用于细粒土）：

• 在寒冷季节，土壤开始冻结。土壤孔隙中的水结冰膨胀（冰的体积比水大约大9%），产生向上的冻胀力。
• 这种冻胀力主要作用于细粒土（粉土、粘土），因为它们的毛细作用强，能吸引并保持更多水分，且颗粒间隙小，利于冰透镜体（冰层）的形成和发展。冰透镜体在生长过程中，会将其上方的细粒土层向上抬升。
• 石块的导热性、比热容和孔隙度与细粒土不同。它们通常不易冻胀或冻胀程度远小于周围的细粒土。石块周围的土壤冻结时，水分会向冰透镜体迁移，导致石块下方的支撑土壤被“抽空”一部分。

石块相对“下沉”：

• 在冻胀过程中，细粒土被显著抬升，而石块由于冻胀微弱或没有冻胀，其抬升幅度远小于周围的细粒土。
• 因此，相对于被抬高的细粒土地表，石块看起来就像是“下沉”了，或者更准确地说，是相对位置降低了。在冻结后的地表，石块会显得略微凹陷或被细粒土部分掩埋。

融化期重力分选（主要作用于石块）：

• 当温暖季节来临，土壤解冻。表层的土壤最先融化，形成富含水分的泥浆状物质（活动层）。
• 深层的土壤可能仍然冻结（形成不透水的冻结层）。
• 此时，在重力作用下，石块会向融化的泥浆中下沉（因为密度大），试图寻找更稳定的位置。
• 而细粒土则相对容易保持在融化的表层或发生水平移动。

水平方向的冻胀挤压与分选（形成环状结构的关键）：

• 冻胀不仅是垂直的，也会产生水平挤压力。冻结的土壤像膨胀的固体一样，向各个方向推挤。
• 在相对平坦的地面上，这种挤压是相对均匀的，但石块的存在打破了这种均匀性。石块比周围的细粒土更坚硬，不易被压缩或变形。
• 当冻结的土壤膨胀时，它会推动土壤中的石块。由于石块是障碍物，冻胀土体会倾向于将石块推向冻胀压力较小的地方。
• 在平坦区域，冻胀压力最小的位置通常是已经存在的、相对无石的区域中心或边界。
• 因此，石块被逐渐从中心区域（冻胀最强、细粒土最多的地方）向边缘（冻胀较弱或已有石块聚集形成障碍的地方）挤压和移动。

正反馈循环与环状结构成型：

• 经过多次冻融循环（数年、数十年甚至更久），上述过程反复进行：
  • 中心区域： 细粒土持续被冻胀抬升到地表，石块则持续下沉或从中心被挤出。最终中心区域主要由细粒土覆盖，形成一个细粒土核心。
  • 边缘区域： 石块被持续地从中心推向边缘，并在边缘聚集。聚集的石块形成了一道物理屏障，阻止了边缘的细粒土被进一步推向更外侧，也阻止了中心细粒土的流失（但在持续的分选过程中，中心细粒土会增多）。最终在细粒土核心周围形成一个由较大石块构成的石环。
• 这个环状结构一旦开始形成，就会自我强化：
  • 中心细粒土区域含水量高，冻胀更强烈，进一步加剧中心抬升和石块外推。
  • 边缘石环阻碍了物质迁移，使分选集中在环内区域进行。

总结来说：

寒区反复的冻融作用通过垂直分选（冻胀抬升细粒土，使石块相对下沉；融化期石块下沉）和水平分选（冻胀产生的水平挤压将石块从中心推向边缘）两种机制共同作用。经过多次循环，细粒土在中心区域富集并抬升，石块被排挤到边缘聚集，最终形成了规则排列的环形结构——石环。这种分选作用依赖于细粒土与石块在冻胀敏感性和密度上的显著差异，以及反复的冻结和融化过程。在斜坡上，类似的作用会形成石条而非石环。