互动科普

对构造力、侵蚀力和气候的力量如何相互作用形成山脉的认识使人们更加清楚地深入了解地球史。

山脉比所有人类建筑物的总合更巨大得多。而且比巴罗克宫殿还雕刻得更加细微。世界上最高的山峰一一喜马拉雅山脉珠穆朗玛峰——高8848米，即比人所曾建造的任何建筑物还高15倍。不足为奇，这样壮观的地形唤起人们的敬畏和激励着人类历史上的艺术家和冒险家。

近来的研究使我们对这种最宏伟的地球地形如何形成有了新的重要见解。山脉的产生和定形似乎不仅由组成地球外层的巨大构造板块的运动所致，而且也因气候和侵蚀所致。特别是，构造、气候和侵蚀过程之间的相互作用对山脉的形状和最大高度以及构成——或破坏—一条山脉所需的时间施加很强的控制作用。自相矛盾的是，山脉的定形取决于侵蚀的破坏性力量与取决于构造的建造能力的程度似乎相同。事实上，在把侵蚀看作比构造更弱的因素之后100年，现在许多地质学家相信，侵蚀实际上可能是这个家族的首领。用一个研究小组的话来说，“具有讽刺意味的是，山脉〔肌肉〕是细小雨滴的敲击造成的。”

因为山的形成在地球演化中十分重要，所以这些研究结果对地球科学有重要的意义。对于一个地质学家来说，地球的平原、峡谷以及特别是山脉揭示了亿万年来该星球发育的概况。在这延伸的历史长河中，山脉指示着地壳中或正好在地壳之下的地质事件（比如构造板块的碰撞)在什么地方把这表层推向空中。因此，山脉是在起作用的强大构造力和这些力发挥影响的漫长时间间隔的最可见的体现。

新近的模型建立于漫长的历史之上。山脉如何随着时间而演变的最全面的摸型之一是1899年发表的《地质周期》。该模型为山脉提出了一个假设的存在周期，即由一个短暂然而有力的构造上升的震动引起猛烈的诞生到由缓慢而持久的侵蚀引起逐渐滑入“老年”。《地质周期》是一个巧妙而富有逻辑性的摸型，使得近一个世纪的地质学家忽略了它的极大的局限性。

在二十世纪六十年代，板块构造运转解释了岩石圈——地球外层相对冷却和脆性部分——巨大地块的水平移动如何驱动造山运动。根据这种概括的框架，地壳内部的热能通过压缩、加热和撕破岩石圈而形成地球的表面、而此岩石圈的厚度从海洋下的100公里或100公里以下到大陆下的200公里或200公里以上不等。此岩石圈不是一个固体地壳，而可说是细分成数十个板块。由于下部热能的驱动、这些板块相互相对移动，可解释我们世界大多数熟知的表面特征和现象，如地震、海盆和山脉。

总之，地球科学家没有放弃把板块构造作为造山运动的一种力。然而在过去二、三十年里，他们已得出了下述结论：仅仅用地壳构造的结果并不能对山脉作最好的描述，而是把它看成除构造的产物之外还包括侵触和气候过积以及这三种成分之间许多复杂的联系和反馈的一个系统的产物才能作最好的描述。

板块构造仍然提供了可解释在整个地球表面上山脉分布的基本框架。造山运动仍被解释为物质、热量或这两者的某种组合加入到地壳(地壳是岩石圈的上部)的一个地区。较厚和较热的地壳向上隆起，形成山脉，因为该地壳实际上是浮在它下面的地幔上，而且越厚或越热(密度更小)的地壳浮得越高。板块构造通过相邻板块问侧向聚合或通过热量和岩浆(熔岩)的向上流动而造成地壳增厚。

潜没或碰撞

构造板块的聚合一般以两种方式之一发生。一个板块可以向下滑(即潜没)到另一块之下而进人地幔。在潜没区域的边界，上部板块作为压缩和因下降板块的熔化而加入的岩浆的结果而被加厚，包括称为火环的地质活跃地区之太平洋周围的几乎所有山脉在内的许多山脉都是山潜没形成的。另一方面随着大陆的碰撞，因没有板块潜没到地帐中，所以因碰撞而加入的物质均引起造山作用。这种碰撞已产生如西藏高原和喜马拉雅山(包括世界上所有10个最高的山峰)这些壮丽的地形。

岩浆和热量流向地壳(例如在火山活动期间)也能激起造山运动。地球上最长的山链——洋中脊一一是作为邻近板块互相分开时喷出的岩浆的结果，这些岩浆形成海洋下新的地壳。这些洋中脊经过大西洋、太平洋东部和印度洋、如象捧球上的接缝。仅中央大西洋海脊就长15000多公里，在洋底周围的深海平原上隆起4000多米。在陆地上，与岩浆流相伴的热量使地壳的密度减小，更容易在下面地幔上浮动，也有助于使大面积的区域上升。

造山运动的正在形成的、以系统为基础的观点把往往是紧紧交织在一起的侵浊和气候的影响加入到这些构造现象中。侵蚀包括基岩的解聚作用、沉积物从斜面剥离和河流对沉积物的搬运。在特定景观上活跃的侵蚀作用——重力、水、风和冰川冰一一的结合取决于当地气候、地形的陡度和地表(或近地表)岩石的种类。

气候与浸蚀有不解之缘，因为它影响整个景观物质损失的平均速度。一般越是潮湿的条件越有利加快浸蚀的速度；但水份多也促进植被的生长，而植被有助于保护地表。极地纬度的山脉受侵蚀的攻击最小，部分是因为寒冷气候的干燥，部分是因为如格陵兰岛和南极洲上那样的大陆冰盖一般是冻至下面的岩层，几乎不造成侵蚀。相反如欧洲的阿尔卑斯山和加利福尼亚州塞拉内华达山那样的高山冰川能高度侵蚀亚表层岩石，因此这类冰川可能是地球上最猛烈的侵蚀因素。

侵蚀、气候和地形之间还有许多其它的联系。例如，山脉使流过它们的风升高，在山脉的迎风斜面的雨量增多，因而也增强了侵蚀作用。通称为山岳形态的这种作用也是在许多山脉背风面形成荒漠的“雨影区”的原因(见图3的照片)。高度也能影响侵蚀，因为随着海拔的增高平均气温则下降，所以山峰越高受到植被的保护越小，就越有可能受到冰川的侵蚀。在温带地区，侵蚀的速度与地形的平均陡度成正比，这明显地是因为在较陡的斜面上重力和水驱动的过程较强。总起来说，所有这些事实表明，随着山脉的成长它们也逐渐演变出自己的气候——一般变为更潮湿、更冷和更具侵蚀性。

上述的联系证明，最好把山脉看作一个体系。为了弄清任何这种体系的行为，必须鉴定它的成分和这些成分之间的相互作用。因为这些相互作用是如此重要，所以简单的系统输入能够导致惊人复杂的输出。这种复杂性包括反馈一一组成过程之间起稳定作用或破坏稳定作用的联系。在我们概述的这个简单例子中，该系统的输出是山脉的高度，而输入的成分是侵蚀速度。当山脉长得越高时，侵蚀作用就更大，成长的速度就降低。因为这些反馈往往减

少输入——因而也减少了输出—这被称作负反馈。相反，正反馈有加速一个系统任何变化的相反效应。雨影区的形成是正反馈的一个例子；侵蚀受到抑制，使山脉继续快速成长。喜马拉雅山北部的雨影区已促使高高耸立的西藏高原的形成〔见框内说明〕。

反馈的概念是山脉如何形成——以及甚至造山运动作为一个整体如何影响地球系统的新认识的核心。大量不同类型的反馈已被认清或作出了假设。已从这些发现中获得最出人意料的见解之一是，人们认识到几个重要反馈使得气候和侵蚀这样的地表过程能深深地影响地下深处构造过程(而且反之亦然)。

地壳均衡是关键

一个最重要的反馈通过称作地壳均衡的现象而发生，这种地壳均衡是指当地壳浮在其下的更致密、象流体一样的地幔上时地壳的浮力。如象任何物理结构一样，一条山脉必须受到支撑，而且已经知道这种支撑主要来自地壳的强度和浮力。每条山脉的高耸的山峰下是插入地幔的地壳之一种有浮力的“根’。冰山提供了一种有用的模拟，因为冰的密度为水密度的约90%，所以水上给定质量的冰受到水线以下相当于该质量9倍的质量的支撑。大陆地壳的密度为其下地幔密度的约80-85%，使数十公里深的地壳根能够支撑几公里高的山脉。

地壳均衡是使山脉的构造(即内部的)演化与它的地形(即外部的)发育相连系的关键机制。当表面侵蚀移除了物质时，地壳均衡就使整个山脉升高，取代约80 %被移除的物质。这种上升解释了许多现象，在研究人员究全理解反馈在造山运动中所起的作用之前，这些现象曾经令人迷惑不解。

例如，沿美国大西洋海岸所作的高精度调查已揭示，该大陆一个世纪以几毫米至几厘米的速度在隆起。这是令人迷惑不解的，因为阿帕拉齐山脉位于北美板块的内陆，在那里没有会聚板块边界可解释上升。某些地质学家指出，这一调查结果因此必然是错误的，然而，由于我们新的认识，某些或全部测量到的升高可能是对侵蚀的均衡反应，特别是在阿帕拉齐山的高地势区域。集中在河谷底部的侵蚀可能是特别显著的，因为它能把山峰升高到比侵蚀开始前更高的高度，这是可能的，因为物质的搬移是局限在河谷，而均衡反应升高整个山的岩块，包括河谷和山峰在内。

虽然地壳均衡可使景观上升维持数百万年，但没有构造上升的景观最终会毁于侵蚀。几项研究已表明，澳大利亚的大部分地区是非常古老、正在衰退的景观的极好例子。未经历过构造上升达亿万年之久的这些地区最多在海平面之上数百米高。它们地表升高的速度似乎表明只存在对侵蚀的均衡反应。在如喜马拉雅山脉和欧洲阿尔卑斯山脉这种构造活跃的山脉，测量到的升高反映构造驱动力和侵蚀驱动的均衡升高相配合的结果。由于在这种速度下山脉成长然后衰退，我们可以推知，数十座主要的山脉已在整个地球史上有过兴衰的经历。

异常的构造时期?

山脉的构造，包括在遥远的过去曾被建成和侵蚀掉的古老山脉，在地质记录中会留下许多标记，如熔岩流、岩浆的侵人、一度深埋岩石的裸露以及沉于低洼谷地的大量的沉积物和已知只在高海拔地区繁衍的植物化石。通过研究来自许多不同时期的这种指示物，地质学家能够对地球上不同时期造山运动的规模作出推断，因而获得对地球发育的具解。

各方面的地质学家已研究了沉积物的相对丰度、岩浆活动和造山运动的其它可能的指示物，并得出结论，过去4千万年代表构造活动和造山运动的一个反常活跃期。然而在这同一地质时期还看到了地球上发生的大的气候变化，即全球变冷，使格陵兰岛和南极洲由温暖、多植被的大陆转变成永久性冰盖并且以在过去2百万年期间使北美和欧洲覆盖着冰川而达到极点。因此，关于过去4千万年期间的造山运动和气候，目前存在着两种相反的理论：或者是造出运动的冲击引起了全球气候改变，或者是气候改变引起了造山运动的冲击。

这两种理论的前一种主张，强大的、普遍的造山运动由于山脉和气候之间的反馈而使地球冷却。例如冰川往往是自我永存：一旦形成，它们就提高表面的反射能力(即反射率)，因而降低了温度并使更多的冰形成。在过去4千万年里大量的山体物质广泛升高可能已使山脉冰川覆盖地球的面积增大，这些冰川会增大地球的反射率。大气二氧化碳可能一直是另一个重要的反馈因素。一种解释指出，造山运动能够改变全球降雨量和降雪量的分布，加快岩石因溶解和化学反应而引起破碎的步伐。根据这种假说，日益加快的化学风化从大气中除去了二氧化碳，削弱了温室效应并因此而导致了一个较冷的全球气候。

然而在过去4千万年期间也许气候变化是更强大的、独立的变化。这种理论表明，气候变化产生的地质证据被错误地解释为加速了山体的成长。许多气象学家相信，全球变冷是受大陆漂移所驱驶，大陆漂移就纬度以及洋流模式而言改变了大陆和海洋地区的分布，而洋流是地球使赤道和两极之间热量的不均衡趋于平衡的主要机制（参见《科学》1996年第3期，‘混乱的气候’一文〕。这些气候变化如何能够模拟造山运动呢?通过地壳均衡上升。根据这种解释，全球变冷加剧了许多山脉的侵蚀。逐步的侵蚀，特别是在河谷和冰川谷的底部的侵蚀，导致了对浪蚀补偿的均衡，从而使山峰的升高增大。

全球气候和造山运动之间因果关系的分歧已被列为与“鸡和蛋”这一问题齐名的地质学悖论，但是这种环形性在有许多反馈的系统中是常见的。地质学家们目前不可能知道是什么东西引起了发生于过去4千万年的气候和地形的变化，然而现在他们认识到该系统的许多种反馈都能够增大任何变化，而且构造、气候和侵蚀必然已同时起作用才形成了我们今天发现的地质学证据。

侵蚀的曳力

对造山运动系统中的许多类反馈的识别表明，侵蚀不仅参与形成山脉而且也指导地壳深处的构造过程。对山体成长的根木限制力量是重力。因此，侵蚀因减轻山脉的重量而实际上加速了山脉之下的构造过程。由于这个原因，侵蚀过程能被看作把地壳吸人山脉之内并上升到地表。此外按照这种方式，侵蚀在山脉中和山脉之下的岩石上和地壳变形模式上留下了清楚的指纹。

山体表面岩石的种类部分是山局部气候和侵蚀的速度及模式决定的。以这种方式，侵蚀既影响着地形，也影响着山脉的组成和结构。岩石的变质作用(因加热和加压而改变)和许多成岩矿物的产生是受地壳内的压力和温度特性的控制。气候和侵蚀的一些似乎次要的细节如风速和风向或纬度的细小差异，都能大大地影响温度变化史，因而当山脉演变时，会影响到生成岩石的种类。

近来已用计算机模型研究了盛行风向和地形对山脉不同变质带分布的影响。对于潜没形成的山脉，与潜没在同一方向上的盛行风引起绝大部分雨量降落在面对潜没板块的山脉之向海侧。

这种现象增强了地壳深处岩石的变形和发掘。另一方面，如果盛行风是在潜没的反方向，那么侵蚀就集中在山脉的向陆侧，以致整个山脉的变形相对一致，而且向深处岩石的发掘被局限于山脉的内侧（即大陆一侧)；对几座古老山脉受侵蚀的岩心研究表明，在因气候驱动的侵蚀而被吸入山脉内的岩石分布方面，直到此山脉已变为构造是不活性后20亿年，地形和风向的指纹仍然十分清楚。

随着构造上升和侵蚀可能在相似的时间范畴和相似的速度发生的证据逐渐增多，许多研究人员己作出结论，某些山脉已达到了稳定的地形。在这种情况下，山脉的大小和基本形状可能在几十万年至几百万年内保持稳定，即只有极小的变化或完全没有变化，因为侵蚀的速度与上升的速度相当。

三个阶段

虽然现在认为地球上只有相对很少的山脉是处于完全平衡状态的，但许多山脉可能在它们历史上的某些时期已达到这样一种平衡。似乎山脉往往要经历三个不同的阶段，首先随着板块的会合或其它某种构造事件使地壳增厚并引起地形上升，形成阶段开始。在此阶段，地壳上升的速度超过侵蚀的速度。然而，随着高度和起伏的增大，侵蚀速度急剧增加。随着山脉大小和局部气候的不同，上升可能持续到侵蚀的速度或地壳的强度限制了山脉的平均高度再有任何增加为止。这就是第二个阶段：只要上升速度和侵蚀速度保持相等，这一稳定状态就会继续下去。当上升减小时，侵蚀就开始占优势面且最后阶段就开始。山脉的平均高度开始出现长期而缓慢的下降。这种循环在任何阶段都可能被构造事件或气候事件以及被这些过程和侵蚀之问的反馈所打扰或使或其复杂化。

山脉如何发育的这种新模式有希望成为如约30年前的板块构造那样的革命。正如板块构造得以解释地震、火山、化石和许多不同岩石及矿物在全世界的分布那样，对造山运动的这种新认识表明构造力、地球气候和地形如何相互作用以形成地球上某些最壮丽的景观。与板块构造相同，此新模式也能解释长期以来一直使地质学家们迷惑不解的现象。例如，计算机模拟与许多该摸式的主要概念相结合已证明在模拟复杂的构造史，气候变化和不同地质沉降的作用方面是非常成功的。继续研究将提供更详尽的关于地球上宏伟山脉如何成长、演变和衰退的情况，以及关于山脉在形成我们星球的气候和构造方面重要性的详情。

〔刘义思 译 郭凯声 校）