（左图）夏威夷高山地表碎石分选地貌——条带状自组织斑图，（右图）挪威斯瓦尔巴特群岛地区砾石分选地貌——迷宫状自组织斑图。图片均由华盛顿大学合作者Bernard Hallet 教授提供。

在高海拔、高纬度寒冷地区，分布着大量神秘规则石质图案（也称被为自组织斑图），例如中国的青藏高原、大小兴安岭等冻土地区，北极地区挪威斯瓦尔巴群岛，埃塞俄比亚高山地区等。这些图案由大大小小，形态各异的碎石堆积而成，有的排成一个个多边形的空心石环，有的则呈条纹状空间分布。这些碎石分布图案的形成机理引发了不同学科科学家旷日持久的争论。地表系统中的颗粒物质在风力和冻融等外界环境作用下，会不断的聚集与分离，并自发形成有序的空间结构，这种现象称为自组织地貌（self-organized landform）。

尽管自组织机理在物理、化学、生物、和生态学中得到了广泛研究，然而由于地球演化过程极其缓慢，因而很难对自组织地貌进行观察与实验验证，这造成地表碎石分布图案形成背后的物理机制尚不明确。现有关于地表碎石分布图案形成的理论模型认为差异性冻胀，空间侧向挤压是导致地表颗粒物质运动，形成自组织图案的主要机制。理论上该机制能产生大尺度的多种分选地貌，例如多边形和石环图案，然而该模型依然缺乏直接实验证据。许多地区发现各种各样小尺度的分选地貌。与差异性冻胀机理不同，此类图案被推测是由针状冰周期性冻融导致。最近由中国科学家团队领导，日本、美国和荷兰科研人员共同参与，创造性地设计了针状冰-颗粒分选实验系统，大幅度缩短了地表演变时间尺度，从实验角度证明了针状冰的周期性冻融是地表系统中的颗粒物质空间自组织景观的主要驱动力。

研究人员发现，多年冻土区地表颗粒物质在冻融循环作用下，地表碎石不断朝着石域浓度高的区域迁移，进而自发地形成多种空间有序图案结构。研究团队通过实验测量了不同针状冰浓度和碎石域密度之间的非线性关系，构建了冰针高度-碎石浓度动态协同演化的理论体系，发现该过程与多相体系中的水油分离过程存在完全相同的物理原理，即“相分离”机制。该相分离理论体系完美重现了不同类型的地貌分选图案，并发现了针状冰的活跃程度在塑造此类地貌格局中具有决定性作用。研究人员构建的相分离理论体系也能够重现火星地表碎石呈现的多种图案。鉴于火星地表的砾石图案与地球冻土地区砾石图案具有高度的相似性，我们有望通过进一步收集火星或类似环境的证据，并通过控制实验证明相分离亦驱动着火星冻土环境地貌的演化。从这个意义上来说，该研究能够激发研究人员进一步理解类地行星的地质地貌演化机理。