河水能把地壳冲掉吗?

2020-09-29 22 views 0

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本文来自微信民众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:董华文(作者单元:中国地质科学院地质研究所),头图来自:视觉中国


声势赫赫的河流,有着塑造地貌的气力,著名的长江三峡、雅鲁藏布江大峡谷都是由河流长时间侵蚀而形成。那么问题来了:若是时间足够长,河水能把地壳都冲掉,露出地幔吗?


这个脑洞大开的问题,相当于下面三个问题。


这样的例子是否存在?


若是河谷可以不停下切,它们会切到地球的什么部门呢?


知识点:下切指河流下切侵蚀作用,这是一种垂直于地面的侵蚀作用,下切侵蚀会加深河流,形成V型峡谷。常见于河流河谷发育初期(也就是上游)



要讨论这个问题,我们就不得不先容一下深部地球的圈层组织。早先,原始地球差不多只是一块物质身分相对均一的岩石,经由长时间的分异作用才逐渐形成了庞大的层圈结构。地球从里到外分为地核、地幔和地壳,(上)地幔和地壳之间的分界面叫莫霍洛维奇不延续面(真绕口啊),也叫莫霍面(Moho),得名于最早发现它的南斯拉夫地震学家、气象学家莫霍洛维奇(Andrija Mohoroviic)毫无疑问,地球最外层——地壳最为我们所熟悉,但相比地球的内部,它在身分上却最不均一。


地球内部剖面示意图


地壳分为两种基本类型:大陆地壳和大洋地壳。地质与地球物理资料显示,全球各地的地壳厚度纷歧,平均厚度约17千米。大陆地壳平均厚度为39~41千米,在组织挤压缩短区域(例如青藏高原),地壳厚度可达70~75千米。相比之下,大洋地壳要薄许多,例如大西洋洋壳厚度3~4千米,太平洋的洋壳厚7~8千米。而全球最深的沟马里亚纳海沟在海平面以下11034米,为地球的最深点,因此这里的地壳最薄(这里需要说明,马里亚纳海沟是由板块俯冲形成,并非河流地貌)


河流是陆地表面上经常或间歇有水流动的线形自然水道。要想由河流下切露出地幔,那么需要河流下切近40公里。我们再看看,现今陆地上最低的地方在那里。死海,它的海拔仅为海平面以下400多米,离莫霍面还遥远得很。


可见,地球上没有任何一处是由河流下切而露出地幔的地方,由于压根儿就不可能。


河流遇到的“对手”——地壳平衡理论


大量研究解释,地貌是地球深部组织与浅层表生多圈层相互作用的效果,其中包罗了组织、天气、侵蚀及沉积的相互反馈。


组织/天气/侵蚀与地貌的相互侵蚀(图片泉源:中国地震局张会平研究员2020组织青年论坛讲述)


河流下切速率一样平常是0.1~1毫米/年(Pan et al,2013),然则在组织流动强烈的区域要大于这个速率,如青藏高原区域。假设以每年1毫米来盘算,1千万年(10个百万年,地质学上用Ma来示意百万年)下来河底将下降1万米,也就是10公里,这个速率是惊人的。


号称天下七大自然异景之一的科罗拉多大峡谷,全长446千米,平均宽度16千米,最深处2133米,平均深度跨越1500米。我国的雅鲁藏布江大峡谷,全长504.6千米,最深处6009米,平均深度2268米,当之无愧的天下第一大峡谷。


河水能把地壳冲掉吗? 第1张

雅鲁藏布江大峡谷,作者拍摄于墨脱


然则,下切的河流会遇到一个“对手”,使得下切作用不会永无止境。

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要想明白其中秘密,先来领会一下地壳平衡理论。地壳平衡理论,是指地球外壳的各个地块趋向于到达静力平衡,即在大地水准面以下某一深度处具有相等的压力,大地水准面之上山脉(或海洋)的质量不足(或过剩)由大地水准面之下的质量过剩(或不足)来抵偿。


这里不得不提到两个经典模子,英国数学家普拉特(J.H.Pratt)的密度抵偿模子和英国皇家天文学家艾里(G.B.Airy)的深度抵偿模子。普拉特以为地形高度与岩石密度成反比,即地壳的密度随上覆地形升沉的高程在横向上发生转变,地形越高的区域密度越小,反之密度越大;而艾里以为地壳密度均一,高山下的地壳厚度大,深海处的地壳厚度则小,地面上的地形升沉正好与地壳底部升沉成镜像关系。


河水能把地壳冲掉吗? 第2张

(a)普拉特(J.H.Pratt)的密度抵偿模子;(b)艾里(G.B.Airy)的深度抵偿模子;ρ-密度


两个模子的假设条件虽然差别,但其效果都是通过质量抵偿进而在某一深度处到达静力平衡。


固然,自然界从来都不会完全符合哪一种理想模子,地壳平衡经常都是上述两种模子配合的效果:河流可以下切地壳,地壳平衡作用也可以容易抵偿掉河流下切对局部地壳所造成的有限压力突变,到达静力平衡后就会阻止下切。


因此现实中的情形是,纵然河床上的物质源源不停被河水侵蚀、搬运至其他地方,效果会导致区域地壳抬升,反而不是无止尽地往深处下切。换句话说,原来埋藏深部的岩石不会永远待在暗无天日的地下,终将在河流侵蚀作用下露出于地表;露出于地表的物质又接受新的河流侵蚀和搬运作用,云云频频,最终形成了现今的河流地貌。


河流下切河谷打破平衡,地壳抬升举行抵偿以到达平衡,河流从平衡——不平衡——再平衡中往返调整,周而复始。正如地壳平衡理论中提到,地壳的各个地块趋向于静力平衡。


此外,我们借助地壳平衡理论,还可以很好明白现今地球内部组织,如上地幔为何是升沉不平的?大地水准面为何是不规则的曲面?重力为什么会有异常?冰川消融后地壳为何会回跳?回跳(上升)的速率又是若干?等等。


河流的宿命


到了直面问题的时刻了:每一条河流下切侵蚀的最大深度都不是无止尽的。河流下切侵蚀的深度受控于河流侵蚀基准面,当河流下切靠近这一平面后就失去侵蚀能力,不再向下侵蚀。甚至在一些情形下,河床还会由于源源不停的沉积物不停抬升,好比我国黄河中下游区域河床高于周围人类聚居区域10米之高,成为了名副其实的“悬河”。


只管学界对河流侵蚀基准面有差别的熟悉,但对任何一条河流来说,控制河流下切侵蚀的最低基面都是存在的。1899年,美国学者戴维斯提出来一个河流地貌发育的理想模式。他以为一个平展区域的河流地貌单元被地壳运动抬升后,履历幼年期、壮年期、和老年期三个地貌发育阶段(这不就是人的一生么)


  1. 幼年期,这个阶段总体特点侵蚀强烈,河流以下切侵蚀(包罗溯源侵蚀)为主,河谷深,地表升沉大,如雅鲁藏布江大峡谷、黄河龙羊峡、金沙江虎跳峡等;


  2. 壮年期,这个阶段河流以侧蚀为主,聚积作用逐渐增强,山岭很窄,地面破碎,原始地面形态完全被损坏,如我国长江流域湖北石首至湖南岳阳区域尤为显著;


  3. 老年期,这个阶段的河流只有侧蚀和聚积,上游的直流也到达平衡,河谷宽阔,曲流发育。整个区域经河流历久侵蚀,到老年期,地面成为夷平地面,也叫准平原,如我国长江流域九江以东直至上海的吴淞口(入海口)区域。


上述三种类型的侵蚀作用(下蚀作用、溯源侵蚀和侧蚀作用)和三个阶段并非伶仃存在,事实上,在河流生长的每一个时刻,任一河段都是三种类型配合介入的效果。


河流生长到一定阶段后,河底的侵蚀和聚积到达平衡状态,这种平衡是河流自动调治的能力,对随便一条河流来说,任何时刻水流都力图到达这种平衡状态。河谷从峡谷酿成宽谷,河流就是在这样的转变中不停生长。因此,在没有特殊外力情形改变的条件下,最终到达这种理想状态就是河流的宿命。


河水能把地壳冲掉吗? 第3张

河流地貌演化图,从上到下依次示意:幼年期,壮年期,老年期


以是,开头谁人脑洞大开的问题,你知道谜底了么?


本文来自微信民众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:董华文(作者单元:中国地质科学院地质研究所) 

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