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【挪威滑波房屋崩入海，意外背後意外豐富的科學】Quick Clay 奇譚

「這異象是蝦餃，難道是 2020 年在正常發揮？」 ← 近日大家看到這短片時，涼了半截的心中，或許是這樣 murmur 的。

＊若你未看過，留言區有影片傳送門
　
但身為一個科宅，第一念頭是「咦？很不合理耶」，一眼目測影片中滑落的坡度實在沒多陡。必定要有一層很潤滑、很古溜的物質存在，那會是什麼呢。
　
難道是永凍土在夏天融化了ㄇ？嗯，只是亂猜測亂引用網友的話的話就和總是在囫圇搶快的台灣記者差不多了。我想學到些原本不知道的事，在知識中添加幾塊硬磚頭，就要用正確的方式使用 google。第一訣：若非必要，先不要用中文搜尋XD。
　
首先釐清影片基本資訊，人事時地物：事件發生在今年六月三號，攝影者是眼睜睜看自己家消失在海裡的苦主 Jan Egil Bakkeby 先生，他家位在北極圈內的挪威北部 Alta 市一帶。所幸無人傷亡，但有隻狗狗落水又游了上岸。
　
過了不久我就意外在 @Trust My Science 這個法語的科普粉專意外看到了關鍵字：Quick clay（d’argile rapide）。
　
喔喔喔.....這是啥。感覺和「流沙 quick sand」或「水銀 quick silver」 有關係呢。Quick clay 的中文是翻譯成【流黏土，或是超敏黏土】。但如果只查到名字就滿足的話，就會像費曼先生的爸爸曾經嗆聲的：「你可以把一種鳥在世界上各種語言的名稱背下來，卻仍然對它的習性一無所知。」所以，知曉了名字，再以名為索引去進一步了解它的一些特質是一定要的啦。
　
正是因為查到與學到的結果很奇妙，所以現在才會在這邊滿心激動的發文 XD
　
插入一個又是最早從 Vsauce 得到的冷知識，前述三物名稱中的 quick 意思都不是說那玩意很「快」。在古英語的用法裡 quick 的意思是活跳跳不安定的。出自欽定詹姆士王版聖經有 the quick and the dead（生者和死者）這個熟語——經文的上下文是說耶穌基督是一切生者與死者之審判 [提後 4:1]。
　
首先我學到 quick clay 和崩塌災害的最重點是：這種超敏感的黏土是高緯度的特產，其他地方是沒有的。是由冰河輾壓陸地，使岩石風化後形成的固體微粒，流入海中沉降而成。所以這種黏土與這種災害只常見於挪威、瑞典、俄羅斯、阿拉斯加、加拿大等國。
　
* 是的！其實很常見XD 不是啥末日異像。近年來各種異象似乎變多，自然是因為人手一機錄影增加，和對於爆紅影片渴求的媒體平台的普及，讓大家目擊率上升了。讓普通的事情變得奇特，奇特的事情變得普通。就這麼單純 XD
　
定義中黏土是顆粒直徑小於 0.002 毫米的土壤固體組成。也就是說，尺上的最小格子中可以讓超過五百顆的黏土微粒排排站。而粒徑由大到小是礫 → 沙 → 粉沙（silt）→ 最小顆的黏土（clay）。
　
關於流黏土／超敏黏土的第二個重點是，它們必須原本是海積黏土（marine clay）也就是在很鹹很鹹的海水中形成的黏土。而要脫胎換骨，變得很敏感、不穩定的必要條件是「要再從海裡，升回到陸地上來」！
　
這就很奇妙了，海底怎麼會變陸地呢。況且冰河最盛時期的海平面反而是比今天低的喔（水都凍在兩極了），怎麼會冰河退卻、海平面上升，反而卻有陸地從海裡浮上來呢？
　
最妙的就是這現象：稱為「冰期後反彈」（Post-glacial rebound），陸地會反彈上升是因為兩極冰蓋的那些水實在太重，曾經把陸地壓得都沉降了，當冰冠終於溶化後，這些陸地板塊才慢吞吞的，基於浮力的原理而慢慢升回去。許多沉海的陸地緩慢的浮起，使得前述極圈內的國家的領土，其實一直都在偷偷的變大！（然而俄國還是沒有比 #冥王星 大。）
　
海積黏土遇上冰期後反彈，離開了海，接下來它們繼續變化，主要是由陸地上的淡水逐漸洗去原本海水中的鹽分。這裡的鹽份是廣義的，包括鐵、鋁、鎂、鈣、鉀、鈉等正離子。要專業名詞的話，這叫淋溶作用（leaching）。淋溶除了由降雨來溶以外，有時也會由地區性的豐沛的、自流性的地下水穿過黏土層把鹽分帶走的方式在進行著。
　
話說黏土其實有很多種組成，它們的通性是都由矽和鋁的氧化物所組成，而且都是由地球特色最多的水去攻擊（水解）一大塊岩石——角閃石、長石或雲母等礦物，化學作用所形成的分子碎片，也就是「風化」的產物。#所以若是沒有水就是妨礙風化
　
離題一下，所以當 NASA 送機器探測器到火星，探勘到黏土礦物的時候才會興奮異常！黏土乃是水：大量的水曾經存在的證據是也。
　
黏土的另一個和生活最相關性質是「離子交換」，其實就是前兩段說由淡水去把鹽份（陽離子）淋溶出來的同一件事，一種離子換另一種。而和生活的關係是......呃，有一種黏土叫 smectite 綠土，如果大家不幸腹瀉不止去看醫生，醫生八成會開給你一包無味道的粉末止瀉藥 Smecta ← 此處無業配。也就是說，有時候「吃土」能藉由離子交換的特性，調節紊亂的腸胃滲透壓，吸附毒性物質，進而達到止瀉的效果。有些黏土的離子交換性質高，有些低一點，但都有一定的交換能力。
　
等一下喔，原來大家都知道的黏土，除了會黏可捏之外還有那麼多學（ㄒㄧㄠˊ）問存在。對啊，若不是對於奇怪的話題亂調查，我也不會知道這些事的——或說，若無相關脈絡，那些精妙的知識對我來說沒有太大意義，但即使是一則冷知識的脈絡，知識就自動凝聚形成一則小劇場了。冷的好！
　
所以到底為何失去了鹽分就可以把海積黏土轉變為 Quick clay，造成挪威、加拿大等國家動不動就有土地滑到海裡去呢？
　
* 先前有次這樣被好好拍攝下來的 Quick clay 大型滑波事件是 1978 年挪威 Rissa 發生的，留言區我放一個惠我良多的科普紀錄片的超連結。
　
話說身為台灣人，仙草、愛玉、豆花、洋菜凍這些夏日冰品大家肯定都非常常吃......欸不是，怎麼忽然從黏土講到各種凍咧。理由是，很奇妙的上述各種凍會從液態凝聚成固態，和黏土遇到海水裡的鹽就會沉降，原理其實有點像。也就是鈣、鎂這些陽離子扮演了「橋接」的角色，讓本是一團散沙、彼此看不順眼的分子能夠穩定且和睦的相處。
　
當然更詳細的機制是牽涉到電性中和、擴散電雙層（diffused double layer）、凡德瓦力（van der Waals interaction）這些更精妙的部分......但我覺得大家都能理解的是鹹豆漿。也就是陽離子促成的凝絮作用（flocculation）。和生物化學實驗的鹽析效應也類似。但我現在忽然極度得想吃布丁。
　
→→ 加鹽就會穩定，遇到淡水就會不穩定。極度簡而言之是這樣。
　
有陽離子，而且是越高價數的陽離子例如 Fe³⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ 越是有架橋的功能。所以愛玉子要用含有鈣離子的硬水洗，才會讓「膠」（其實是多醣類）凝聚，用含有極少離子的 RO 水是無法凝成愛玉的。
　
其實還有一個微奇妙的要件，植物腐化後形成的腐植質（humus）因為酸性和其多酚成分，也會干擾、把黏土中的陽離子拽走，進一步不穩定化。所以經常 Quick clay 取出來會是黑黝黝的。
　
於是最後的最後，被淋溶而失去那些鹽份：使黏土微粒彼此達到和諧穩定的關鍵被消滅之後，一層超不穩定的 Quick clay 就形成了，電子顯微鏡下這種黏土結構完全就像是一大片「紙牌屋」，橫七豎八的片狀黏土的中間空無一物，空隙中由空氣或水充填，只要遭受擾動就會由一部份崩塌迅速惡化到全體崩塌。一觸即潰。所以這種崩塌常常是海邊先塌一小塊，然後崩潰的前緣逆向往岸上傳遞。
　
而最奇葩的特性是（還有啊?! 對還有），流黏土如其名，它崩塌之後就會完全液化成汁。黏滯性暴跌到原土壤的一百萬分之一......那什麼概念呢，蜂蜜和水的黏滯性差別是一萬倍，就是那個一倍半（對數尺度）的降低。崩潰了的流黏土的顆粒不只不再團結，甚至會彼此排斥，由於都帶有些微的負電，就摩擦力甚小 → 最完美的成災要素齊聚了。
　
查到這，我終於弄清楚影片中那神秘的超級古溜、潤滑了一大片土地讓它滑進海裡的物質的真面目了。流黏土它基本上是液態的潤滑劑，所以即使只有一丁丁的坡度都一發不可收拾。甚至在前述挪威 1978 年發生那次，地面的坡度只有不到 3 度！
　
至於避免的方法就是土壤普查。而因為流黏土通常不是位在地表，而是在表土的下方分布成層，所以要透過鑽探取樣鑽鑽看。而就像台灣在推行土壤液化潛勢圖，加拿大、瑞典、挪威等國也在不斷進行著流黏土地區普查的工作。
　
這和全球暖化到底有沒有關係啊......嗯，不知道。我們知道地下水會進一步使流黏土不穩定化，而永凍層的逐漸融化會不會改變、加重這過程，就有待科學調查了。偶速科宅，偶棉下回再見～～
　
參考資料：
Landslides| Quick clay - NGI (挪威大地工程學會)
https://www.ngi.no/eng/Services/Technical-expertise/Landslides/Quick-clay
　
The Quick Clay Landslide in Rissa, Norway - ISSMGE (國際土壤力學與大地工程學會)
https://www.issmge.org/uploads/publications/1/35/1981_03_0080.pdf
　
Quick clay in Sweden - K.Rankka et al. (2004) 【文件大請注意】
https://www.swedgeo.se/globalassets/publikationer/rapporter/pdf/sgi-r65.pdf