河水能把地壳冲掉吗?

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:董汉文(作者单位:中国地质科学院地质研究所),头图来自:视觉中国

浩浩荡荡的河流,有着塑造地貌的力量,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:如果时间足够长,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?

如果河谷可以不停下切,它们会切到地球的什么部分呢?

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,下切侵蚀会加深河道,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,我们就不得不介绍一下深部地球的圈层构造。起初,原始地球差不多只是一块物质成分相对均一的岩石,经过长时间的分异作用才逐渐形成了复杂的层圈结构。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连续面(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,它在成分上却最不均一。

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不一,平均厚度约17千米。大陆地壳平均厚度为39~41千米,在构造挤压缩短地区(例如青藏高原),地壳厚度可达70~75千米。相比之下,大洋地壳要薄很多,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天然水道。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哪里。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,因为压根儿就不可能。

河流遇到的“对手”——地壳均衡理论

大量研究表明,地貌是地球深部构造与浅层表生多圈层互相作用的结果,其中包括了构造、气候、侵蚀及沉积的互相反馈。

构造/气候/侵蚀与地貌的互相侵蚀(图片来源:中国地震局张会平研究员2020构造青年论坛报告)

河流下切速度一般是0.1~1毫米/年(Pan et al,2013),但是在构造活动强烈的地区要大于这个速度,如青藏高原地区。假设以每年1毫米来计算,1千万年(10个百万年,地质学上用Ma来表示百万年)下来河底将下降1万米,也就是10公里,这个速度是惊人的。

号称世界七大自然奇观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,平均深度超过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,当之无愧的世界第一大峡谷。

雅鲁藏布江大峡谷,作者拍摄于墨脱

但是,下切的河流会遇到一个“对手”,使得下切作用不会永无止境。

要想理解其中奥秘,先来了解一下地壳均衡理论。地壳均衡理论,是指地球外壳的各个地块趋向于达到静力平衡,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)来补偿。

这里不得不提到两个经典模型,英国数学家普拉特(J.H.Pratt)的密度补偿模型和英国皇家天文学家艾里(G.B.Airy)的深度补偿模型。普拉特认为地形高度与岩石密度成反比,即地壳的密度随上覆地形起伏的高程在横向上发生变化,地形越高的地区密度越小,反之密度越大;而艾里认为地壳密度均一,高山下的地壳厚度大,深海处的地壳厚度则小,地面上的地形起伏正好与地壳底部起伏成镜像关系。

(a)普拉特(J.H.Pratt)的密度补偿模型;(b)艾里(G.B.Airy)的深度补偿模型;ρ-密度

两个模型的假设前提虽然不同,但其结果都是通过质量补偿进而在某一深度处达到静力平衡。

当然,自然界从来都不会完全符合哪一种理想模型,地壳均衡常常都是上述两种模型共同的结果:河流可以下切地壳,地壳均衡作用也可以轻易补偿掉河流下切对局部地壳所造成的有限压力突变,达到静力平衡后就会阻止下切。

因此现实中的情况是,即使河床上的物质源源不断被河水侵蚀、搬运至其他地方,结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暴露于地表;暴露于地表的物质又接受新的河流侵蚀和搬运作用,如此反复,最终形成了现今的河流地貌。

河流下切河谷打破均衡,地壳抬升进行补偿以达到均衡,河流从均衡——不均衡——再均衡中来回调整,周而复始。正如地壳均衡理论中提到,地壳的各个地块趋向于静力平衡。

此外,我们借助地壳均衡理论,还可以很好理解现今地球内部构造,如上地幔为何是起伏不平的?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)的速度又是多少?等等。

河流的宿命

到了直面问题的时候了: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,当河流下切接近这一平面后就失去侵蚀能力,不再向下侵蚀。甚至在一些情况下,河床还会由于源源不断的沉积物不断抬升,比如我国黄河中下游地区河床高于周围人类聚居地区10米之高,成为了名副其实的“悬河”。

尽管学界对河流侵蚀基准面有不同的认识,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。他认为一个平坦地区的河流地貌单元被地壳运动抬升后,经历幼年期、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(包括溯源侵蚀)为主,河谷深,地表起伏大,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,堆积作用逐渐加强,山岭很窄,地面破碎,原始地面形态完全被破坏,如我国长江流域湖北石首至湖南岳阳地区尤为明显;

  3. 老年期,这个阶段的河流只有侧蚀和堆积,上游的直流也达到平衡,河谷宽广,曲流发育。整个地区经河流长期侵蚀,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)地区。

上述三种类型的侵蚀作用(下蚀作用、溯源侵蚀和侧蚀作用)和三个阶段并非孤立存在,事实上,在河流发展的每一个时刻,任一河段都是三种类型共同参与的结果。

河流发展到一定阶段后,河底的侵蚀和堆积达到平衡状态,这种平衡是河流自动调节的能力,对任意一条河流来说,任何时候水流都力求达到这种平衡状态。河谷从峡谷变成宽谷,河流就是在这样的变化中不断发展。因此,在没有特殊外力情况改变的前提下,最终达到这种理想状态就是河流的宿命。

河流地貌演化图,从上到下依次表示:幼年期,壮年期,老年期

所以,开头那个脑洞大开的问题,你知道答案了么?

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:董汉文(作者单位:中国地质科学院地质研究所) 

台风残留云系影响,东北还有暴雨!多条河流超警

原标题:东北多条河流发生超警以上洪水

新华社北京9月8日电(记者戴小河)受台风降雨影响,东北多条河流发生超警戒水位以上洪水,水利部8日要求松辽流域做好洪水防御工作。

受台风降雨影响,黑龙江省牡丹江、辽宁省辽河福德店河段等23条河流发生超警以上洪水,其中牡丹江支流黄泥河等5条河流超保证水位。气象部门预测,未来3天受台风残留云系影响,辽宁北部、吉林中部西部、黑龙江中部等地将有大到暴雨,局部将有大暴雨,暴雨区内部分河流可能发生较大洪水。

此外,西南东部南部、江南西部南部、华南大部等地部分地区近日也将出现中到大雨天气,其中四川东南部、云南南部和东北部、贵州西部、湖南中北部等地局部将有暴雨。

水利部副部长叶建春8日强调,当前防汛形势依然严峻,要克服侥幸心理,突出做好松辽流域洪水防御工作。西南、华南、江南等地近期仍有强降雨过程,要精细调度三峡、丹江口等骨干水库,充分发挥水库防洪减灾效益,要紧盯山洪重点防御区和强降雨重合区,提前转移危险区群众。


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