大瀑布的成因

嵇少丞

瀑布特别是大瀑布是游客特别喜爱的自然景观。凡是到过美国-加拿大边境的尼亚加拉大瀑布、巴西的伊瓜苏大瀑布和非洲赞比亚与津巴布韦之间的维多利亚瀑布的人，无不留下深刻的印象：悬壁陡峭，巨流倾泻，如万马奔腾，势不可挡, 雄伟壮观；跌水之声似春雷滚滚，气势磅礴。远观，瀑布如银河倒挂，又仿佛是仙女飘带，从云中垂下，让人浮想联翩。近看，飞浪四溅，如雪浪翻滚，水珠水气如雾如烟，冉冉升起缥缈于青山蓝天之间，在阳光的折射下，呈现五彩缤纷的彩虹，绚丽夺目。人们惊叹: 壮哉，大自然的造化神功！

但是形成大瀑布是有条件的，主要由三: 第一，河床突遇悬崖陡壁， 河流垂直或近乎垂直地倾泻而下；二是，水流的落差要大， 这又与组成河床基底岩石的化学成分、力学性质、软硬程度有关；三是河流要大，水面要宽， 最好是常年不断流， 瀑布才能壮观而又具可持续性。

瀑布的落差怎样才会大？在地质构造活动强烈的地区（例如， 四川龙门山），每一次强震之后,逆冲或正断断层都会形成地震陡坎，若河流正好横穿断层，每次地震造成断层上下盘垂直断距多则5-6米，少则1-2米，许多次地震积累起来，就会形成足够规模的瀑布。地震会造成山体塌方滑坡，塌下来的岩块与泥土堵塞山谷中的河道，形成堰塞湖。若堰塞坝没有溃毁，就要形成瀑布。但是，世界上绝大多数大瀑布并非出现在地质构造的强活动区，而是出现在稳定的地台区，那里沉积岩层的产状近乎水平，强岩（白云岩和致密石灰岩）与弱岩（页岩和泥岩）互层。 例如，世界著名的尼亚加拉大瀑布就是处于稳定的加拿大地盾区，距今4.1-4.4亿年的古生代志留系的沉积岩尚没有发生褶皱，一层层地平躺着、软硬相间地叠合在一起。

尼亚加拉大瀑布位于尼亚加拉河上，河中的高特岛把瀑布分隔成两部分，较大的部分是霍斯舒瀑布，靠近加拿大一侧，高56米，长约670米，较小的为亚美利加瀑布，接邻美国一侧，高58米，宽320米。所以，尼亚加拉大瀑布最壮观的景象必须到加拿大这边看。

最初控制初始悬崖发育的是垂直定向的岩石破裂，即节理。 河流在坚硬的白云岩或石灰岩上流，在张节理密集处沿着破裂流进白云岩层之下的页岩，由于页岩力学强度低、破碎程度高、易于被流水侵蚀、剥落、冲刷、切割、溶蚀、搬运、随着时光推移，瀑布之下的陡坎越来越深，只要不再遇到另外一层坚硬的白云岩或石灰岩，瀑布的高速跌水就要继续冲蚀着软弱易脆的页岩，形成巨深的悬崖陡壁。这是一个正消长的过程，即悬崖越高，飞流直下的瀑布的冲刷能力越强，在瀑布之下页岩中刨出的坑（瀑布潭与下游河道）就愈深。

重要的是，从瀑布陡壁高速跌落的水还要再溅起来，不断斜击着、侵蚀着强岩（白云岩或石灰岩）之下、瀑布水幕之后的软岩（页岩或泥岩），逐渐把瀑布沿后面、强岩层次下的页岩掏空。只要掏空到一定程度，悬空的强岩在水流的冲击下就会沿着节理破裂垮塌下来，摔成碎块。这些强岩的碎块在流水冲击下又变成“刨坑的工具”，把瀑布下游的河道继续往深里挖。如此这般，瀑布就会逐年向上游迁移。例如，在1842年至1905年期间， 尼亚加拉大瀑布平均每年要向上游方向撤移1.7米。后来，美加两国政府为了保护瀑布，曾耗巨资修建了一些控制工程，使瀑布对岩石的侵蚀有所减小，使得后来尼亚加拉大瀑布每年只向上游迁移约1米，原先的瀑布沿并不是呈马蹄形的，现在却成为马蹄形了（图）。 如果未来有一天，尼亚加拉大瀑布向上游退移到没有坚硬白云岩而只有页岩的地方，瀑布也就随之消失。由此看来，尼亚加拉这样的大瀑布，每1000年就要后撤1.0-1.7公里。

所以，每个大瀑布的最长寿命也就几十万年。对于某个给定的大瀑布，我们可以通过测量坚硬岩石在上游河床的长度和瀑布后撤速度，计算出瀑布的寿命。当然，根据一些地区河床所在地层的地质构造，我们也可以设计建造出瀑布。

尼亚加拉大瀑布

尼亚加拉大瀑布与岩石地层关系示意图，从下游看上游。蓝色表示坚硬的白云岩，紫红色表示软的页岩。

英国地质学家Charles Lyell（1797-1875）考察尼亚加拉大瀑布后于1845发表的研究报告（Charles Lyell， 1945. Travels in North America; With Geological Observations on the United States, Canada, And Nova Scotia. London），对瀑布的成因就有清楚的认识。

尼亚加拉大瀑布后撤历史图， 瀑布沿的马蹄形越来越明显

尼亚加拉大瀑布体系中美国小瀑布。 

尼亚加拉大瀑布流水变冰凌， 跌水潭变成溜冰场

伊瓜苏大瀑布， 它位于巴西与阿根廷交界处，因水流来自伊瓜苏河而得名。宽阔的大河奔流到此地，遭遇到落差巨大的U形峡谷，便顺势而下，形成一片景象壮观的半圆形瀑布群。伊瓜苏瀑布群共有大小瀑布270余条，平均落差为80多米，总宽度最高时达到4000余米。

伊瓜苏大瀑布