1、衣食住行，不离岩石

要问人类应用最广泛的材料是什么？你可能会说是金属，是塑料，是木材......然而，你可能想不到答案竟然是我们平时看不上眼的岩石。

岩石经常给我们一种笨重、呆板、粗糙和丑陋的印象。其实，并非如此，有些岩石有着非常漂亮的花纹，可用于装饰，例如，大理石。不仅如此，有些岩石中的花纹能恰巧形成我们一打眼就认出的象形图案。例如，植物、动物、器具和风景等。这类具有一定美感或收藏价值的岩石叫图纹石。玉乃石之美者。千种玛瑙万种玉。玛瑙上有漂亮的条纹。

图1 玛瑙上的象形图案

岩石和人类的生活和生产密切相关。人类处于一个被岩石包围的世界里。目之所及，俱是岩石。我们的衣食住行都离不开岩石。

在古代，一些皇帝死后穿着金缕玉衣下葬。玉衣是穿戴者身份等级的象征。玉和玛瑙可用于佩戴。君子无故玉不离身。用于制作服装的合成纤维是石油化工产品。石油赋存在多孔的岩石里。

在旧社会，饥饿的人可能会吃观音土充饥。土由岩石派生而来，其骨架主要由岩石风化形成。一些药片、奶片里都有岩石的成为，例如，碳酸钙和二氧化硅。

原始人曾经住在山洞里。现在，一座城市主要由岩石建成，只不过改变了它原来的模样，金属等材料用得毕竟少。混凝土是人工岩石，由水、水泥、砂和石子混合在一起并经过搅拌形成。玻璃的主要成分是二氧化硅。陵园的墓碑和墓室由天然或人工岩石制成。

我们走在路上，会看到地砖、台阶。我们乘坐火车，会看到铁轨下堆积的细石子。在白天，当列车运行时，有时，窗外瞬间没有亮光了，很可能列车是在隧道中穿行。如果这些隧道发生了破坏，无疑将给交通带来不安全。

图2 铁轨下的细石子

为了使生活变得更加美好，不畏艰难的岩石力学与工程界科技工作者凭借智慧和汗水，和岩石多番打交道了解其秉性后，建成了一项项人间奇迹，例如，三峡水电站、白鹤滩水电站和青藏铁路。

图3 白鹤滩水电站

在大学期间，我们学习的《材料力学》主要适用于金属，尤其是韧性的金属。岩石是准脆性材料，骨头、混凝土和陶瓷等都是。《岩石力学》属于《准脆性材料力学》。学习《岩石力学》，可以丰富我们材料力学知识体系的半壁江山，可以启发我们的思维，可以开阔我们的眼界，可以让我们了解若干重要现象背后的深刻机理，可以让我们感受到岩石之美和自然的神奇，可以让我们从中感悟到人生的哲理......

皮之不存，毛将焉附？人类和岩石的关系也是一样。石之不存，人将焉附？我们不应该对岩石母亲有更多的了解吗？

2、寄情山水，攻坚克难

“智者乐水，仁者乐山”出自《论语·雍也篇》，其译义通常为孔子说：“智慧的人喜爱水，仁义的人喜爱山。

山是凝固之波浪，水是流动之群山。起伏的群山，遥相呼应，有涌动之势，就像那凝固的波浪。涌动的波浪，此消彼长，有韵律之美，就像那流动的群山。

图4 山是凝固之波浪

山水常相伴。没有水，萧杀凄凉，缺少了灵性、动感。没有山，烟波浩渺，给人以苍茫、寂寥之感。我们旅游，经常爱去风光秀丽的山水之间。正所谓，游山玩水。

利用聪明和才智，我国的岩石力学与工程科技工作者与岩石和水打交道，为国民经济发展和国防建设服务，例如，修建了或正在修建南水北调工程和引汉济渭工程。处理得不好，岩石要发生破坏和失稳，伴随着水的涌出或渗透。水是一种流体，气体也是。气体也是他们打交道的对象。在矿山开采中，岩石的破坏和失稳不可避免，煤层中的瓦斯有时会发喷涌而出，能引发猛烈的灾害。

图5 引汉济渭工程

他们与岩石与流体打交道的手段主要包括四种：

第一，理论研究，是以某些定律和原理为基础，例如，达西渗流定律，建立因变量与自变量的理论关系，从中容易发现主控因素和其他因素的影响。此种研究适于揭示现象发生机理，但通常仅在简单的条件下才能获得解答。

第二，实验研究，是在实验室利用实验设备对流体作用下岩石试样进行各种加载或卸载实验，了解其力学响应。实验条件可能与实际情况有些差别。做大量实验通常也不可能。为了获取必要的基础数据和理解现象发生机理，实验工作必不可少。

第三，数值模拟研究，是在计算机上利用程序或软件对以实际为依据建立的数值模型进行计算，所得结果可用于多种用途。例如，在工程建设之前开展研究，可为工程的顺利建设提供保障；在灾害发生后还原灾害的发生过程，可增进对灾害发生机理的认识，并为以后灾害预防提供借鉴。模型和参数的准确是结果正确的前提。模拟结果的正确性也需要一定程度上的检验。目前，科技人员多采用国外的商业软件开展相关研究。国内软件尚较为缺乏，亟待大力发展。

图6 基于岩层运动GPU并行计算系统StrataKing的岩层侧向运动模拟结果

第四，现场监测研究，是利用各种设备在工程现场进行测量，例如，测量水压力。

一些古代的士大夫在仕途失意时寄情山水，放浪形骸，是在逃避现实，寻求个人安逸、快活。岩石力学与工程科技工作者寄情山水，是在攻坚克难，造福人类，是真正的智者和仁者。足迹在书桌前，是在埋头推演公式；足迹在计算机前，是在编程计算；足迹在实验室里，是在操纵试验机；足迹在现场，是在实地测量。正是因为有了这些，才对一个个现象的背后机理有了深入的了解，一项项工程建设才得以顺利开展。

3、踏破青山，山还是山

人生有三境界：看山是山，看山不是山，看山还是山。对此，仁者见仁，智者见智。

第一境界：看山是山。这就好比是我们小时候，对山的理解较为模糊、粗略、感性。山里面有石头，很坚硬，可以用来砌墙和铺路。

第二境界：看山不是山。这就好比是我们上大学学习了《岩石力学》《工程地质学》等课程之后，知道了岩石原来并不简单，有着无穷的奥秘，有的其貌不扬，寻常可见，有的绚丽多姿，价值连城！

通过学习，我们会了解到岩石也和我们人类等生命体一样，从自然中来，再回归自然。

由熔岩或岩浆冷却后凝固而成的岩石是岩浆岩。岩浆岩的名称较为华丽，给人一种高大上的感觉，例如，花岗岩和玄武岩等。人如其名。人们在给不同岩石起名字时也是如此。

剖面呈同心圆构造的玛瑙的形成和岩浆岩有密切关系。大约在一亿年以前，岩浆由于地壳的变动大量喷出。熔岩冷却时，气体会被封在岩浆岩的孔洞中。很久以后，孔洞被浸入含有二氧化硅的溶液，凝结成为硅胶，含铁岩石的可熔成份进入硅胶，二氧化硅最终结晶为玛瑙。在漫长的地质年代里，大自然不辞辛苦，手持神造之笔，以各种微量元素为颜料，作画于充满硅胶的岩浆岩孔洞中，创造了一幅幅给人以无限遐想的精美图案。

图7 玛瑙的精美图案

岩石经过风化、剥蚀等作用，沉积在低洼处，又经过压力的作用，就成为了沉积岩。例如，常见的砂岩和石灰岩。许多矿产都赋存在沉积岩中，例如，煤、石油和天然气等。主流的有机论可以对此进行解释。当然，也有不同的观点，即无机论。

地下的岩石经过高温、高压和化学流体作用，性质发生了改变，就成为了变质岩。变质岩的名字一般不那么引人注目，例如，石英岩和片麻岩等。

在条件具备时，各种岩石可以相互转化，例如，各种岩石都可以经过回炉再造，形成岩浆。岩石之间相互转化的过程可以周而复始地进行下去，岩石得以永生，只不过它的来世和今生的模样可能有很大的差异。

图8 各种岩石的相互转化

第三境界：看山还是山。这就好比是我们在与岩石相关的科学研究中经历了“昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路。”“衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。”“众里寻他千百度，蓦然回首，那人却在，灯火阑珊处。”，有了超越教科书的新认识，甚至被写入了教科书。

图9 基于岩层运动GPU并行计算系统StrataKing的巷道动力冲击模拟结果

踏遍青山人未老，风景这边独好。我国岩石力学与工程科技工作者只争朝夕，与时间赛跑，发展了一项项新的技术手段，创造了一个个新知，解决了一个个疑难问题，虽看山还是山，但此山早已非过去之山。

供稿：王学滨

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来源: 科普岩石力学与工程