原载《矿物岩石地球化学通报》，2017， Vol 36， No. 2, 356-358. 

       美国亚利桑那州印地安人纳瓦霍族（Navajo）部落的保留区内的羚羊谷（Antelope Canyon）， 因野羚羊经常出没而获名, 当地印第安人将之称作“Tse bighanilini”, 即"大水穿透岩石的地方"。

       从地表看，羚羊谷就是一条干枯的河沟（图1a），似乎平淡无奇，峡谷在地面的宽度仅有20-50厘米，而谷深却达几十米甚至上百米，它低调地把美藏于地下成千上万年，就像性格孤僻、内敛的姑娘，静静地不露声色，内心却时有暴洪般的冲动与飞扬。她集形、色、柔、韵于一身，红黄色砂岩中的交错层理构成柔美而又谐和的线条，绘出一个个漂亮的曲面，与皱、漏、透、空一起构成诡异神秘的形状。地下河道两壁光滑柔美如流水般的曲线（图1b-d），让人们忘记岩石骨子里的坚硬，一不小心就会碰头。阳光通过岩石缝隙的天窗 “探头”进来，倾泻而下，经过五颜六色岩石的多次反射，形成梦幻般五彩缤纷的色彩、好像天堂开了一扇拱门，人们由衷地惊叹大自然的美妙！美哉、美哉！石头以这种流水曲线的方式掩饰内心的苍凉，温柔可爱得让人不忍离去。

       说白了，羚羊谷就是一条地下河道， 在其干枯季节，人们可以不湿鞋地走进去，一睹大自然的鬼斧神工。由于岩石在不同季节的含水量不同，造成其对光的吸收率和折射率亦不一样，一年四季谷底不同的角度显示的色彩皆不同，夏天偏桔红粉红，冬天偏蓝紫色，春秋介于两者之间。光线照耀下，石头玲珑剔透，好像黄昏中点燃的玻璃灯。羚羊谷的地下之美大大超出了人们的想象能力，她给予人们思想启示和对人生哲理的深刻思考，无怪当地纳瓦霍族人将此地视为“静思与大灵沟通”神圣的地方。羚羊谷现已成为全世界摄影师和摄影爱好者眼中的“神山宝殿”。

图1. 美国亚利桑那州的羚羊谷  (a) 地表； (b-d) 地下。

       虽然美国亚利桑那州炎热干燥，羚羊谷并不是永远干枯。1997年8月12日那天，有12个遊客在沒有纳瓦霍族导游陪同下，擅自进入下羚羊谷，其中有7位法国游客，2位美国游客，还有英国和瑞典游客。当天峡谷所在地正下着毛毛雨，但在20公里的上游下了一场4厘米的暴雨，水流迅速涌入狭窄的羚羊峽谷中，形成的暴洪突然沖走了那12位游客中的11位， 只有一位28岁的美国青年夹于一条岩石狭缝才幸运获救。那样曲里拐弯的地下峡谷里遇到暴洪是很难逃生的，洪水冲带着人体撞击石柱，然后卷进漩涡，即使水性很好也会伤亡。

       实地考察表明，羚羊谷的地下河道是由一系列壶穴（pothole）连结贯通而成的。季节性的洪水顺着岩石内垂直的节理面流入地下，激流冲动河底的砾石，在无数洼坑里旋转、研磨、刻划、撞击着基岩，旋涡中的岩石碎块与矿物颗粒像一个个锋利的钻头，不断刨蚀掏空着河底的基岩， 形成无数水壶形状的大大小小的洞穴，这就是地质学上所说的壶穴。壶穴中的研磨（Abrasion）可分为壁磨和底磨两种作用。底磨主要由壶穴内质量较大石块或砾石完成，而壁磨主要由冲进壶穴内质量较小的碎石与砂粒完成。壶穴的直径与深度之比主要取决于壁磨和底磨作用的相对比例。高速水流推动石子猛烈撞击石面，使原先破裂张开、水被压进岩石裂隙内部、细沙子也挤进裂隙。水中携带的气泡撞进岩石裂隙内部还会产生爆破，产生新的微破裂。随之，从石头上裂解出来的颗粒或岩屑就被流水冲走。具体说来， 壶穴增深与增大的速率皆取决于水流的速度、壶穴内部砾石的硬度、形状与数量、基岩的岩性、强度及其结构。若遇软岩夹层，壶穴直径迅速增加。壶穴形成的速度相当惊人，例如，在第二次世界大战之中人工开挖的一条水渠底部，渠水仅用60年时间就在坚硬的玄武岩上形成长1.1米、宽0.8米，深1.29米的壶穴。在美国阿拉斯加乌卡克（Ukak）河上，仅用了85年时间就形成直径4-6米、深2-3米的壶穴。在页岩和粉砂岩上，20年的时间就能使壶穴的大小增加4倍。随着壶穴直径的增加， 相邻壶穴就要彼此贯通或相互合并，形成槽流，河道也就因此加深了。 除了上述的机械磨蚀作用外， 化学溶蚀或腐蚀（Corrosion）也会起到一定的作用，那些易溶的物质如方解石可以被河水溶解搬运而去。长期的物理与化学作用侵蚀着壶穴岩壁颜色鲜艳、层理精细分明、空隙度相对较高的砂岩, 形成细长狭窄而又复杂多变的地下河道， 这大概就是羚羊谷的成因了。

       壶穴有两个显著特点（图2）：一是坑壁光滑如镜，在坚硬、各向同性的岩石之中更为明显，例如，花岗岩、长英质片麻岩、灰岩、砂岩、泥岩等。二是，只要没有人动过，坑内总有砾石存在，其表面非常光滑，磨圆程度高。原先有棱角的石块，在涡流的冲击下，反复研磨着坑壁，石头磨石头，最后，棱角磨圆了，呈鸭蛋和鸡蛋状，大小不一。上述特点证明，壶穴的确是由水流携带乱石、砂子对原先小幅度洼凹之地（例如，节理与层理交界处）岩石进行研磨、摩擦、刻划、撞击等磨蚀作用形成的。

       壶穴是一种普遍的地质构造，它以光、曲、滑、漏、透、空为特征，也极具观光旅游价值。例如，中国的园林里那些质量上乘的太湖石就是充满贯通壶穴（发育窝孔、穿孔、道孔）的石灰岩。南非还有一个专门到Treur河（峡谷）观赏壶穴的地质公园（图3）， 最佳观察地点位于Moremela村附近（24°40′28″S， 30°48′39″E）， 离Blyder 河与Treur河交汇处不远。当地人给那里的壶穴起了一个有趣的名字：Bourke's Luck Potholes（Bourke先生的吉利壶穴）。当年Bourke先生找金矿，一路辛苦来到这里， 虽然没找到金矿，却意外地发现美轮美奂的壶穴群，现已成为世界著名的旅游景点， 变为当地人创收的“金库”。要想看壶穴，最好就是去那些水流湍急、岩石坚硬的峡谷。因其交通便利，长江三峡 （重庆万州—奉节的瞿塘峡—巫山巫峡—湖北巴东楠木园一线的长江两岸）是中国游客看壶穴的最佳地点。最佳时间是干旱年份的3-4月份，因为其他时间长江水位高，壶穴淹没于江水之中，只有春天枯水时节，壶穴才露出水面。三峡壶穴是记录长江地形、地貌变迁、江水与岩石相互作用的关键性证据。

 

图2. 壶穴（a-b）及其形成过程示意图（c）。

 

图3. 南非Treur河谷的壶穴及其对河道的掘深作用。

       壶穴形成的过程就是基岩上河道下切的过程， 通过这个过程，河流在山间形成陡峭的V形山谷， 例如美国的科罗拉多大峡谷（图4）、中国的长江三峡、虎跳峡、怒江裂谷都是这样形成的。山间河流的下切速率一般为0.01-0.10米/年。位于美国亚利桑那州西北部的科罗拉多大峡谷， 号称世界7大自然奇观之一，总长446千米，最大深度1740米，平均深度1200米，但在许多地方其寬度只有约500米， 两岸悬崖峭壁（图4），这正是河流在壶穴作用下快速下切的结果。怒江峡谷有个石月亮的地方，山顶上有个圆圆的洞，看上去就像挂在半空的月亮。其实，那些近乎圆圆的洞就是一个曾经的大壶穴，当时河底还在那个高度。如果河流每年下切3厘米，则每一万年河底就要下降300米，这个速度是惊人的。依次如此，山里的物质源源不断地被水流搬运到海洋，然后沉积下来。由于地壳的均衡作用，山区地表的物质被流水搬运走了，进一步导致区域地壳的整体抬升，就如漂浮水面的船，船上货物被卸载下来，船就抬升起来，侵到水下的船体高度减小。通过山体的剥蚀作用，原先深藏地下20-30公里的岩石就抬升出来、最终暴露于地表。所以说，壶穴作用对于河道下切与地壳抬升意义重大。

       不幸的是， 在中国，壶穴以前被人误认为冰舀并作为存在第四纪冰川的证据，2016年在《地质论评》有篇“论文”甚至把山坡上中浅壶穴误认为“驴马蹄窝”并以此作为”茶马古道”或”京西古道“的证据 (苏德辰， 2016)。 造成后面错误的原因是，有人错误地以为壶穴必须是在水很深的河道里才能形成， 忽略暴洪对山坡的冲刷与携带岩块对基岩的磨蚀作用。在地质时间尺度里， 暴洪即使在中国北方也是常见的事件， 例如，2012年7月21日至22日8时左右的时段里， 北京市的房山区，平均降雨量高达460毫米， 其中房山区河北镇，降雨量更高达519毫米， 山洪暴发， 冲垮公路、铁路、桥梁、房屋， 山坡上出现许多大大小小、深浅不一的冲刷坑。

 

图4. 位于美国亚利桑那州西北部的科罗拉多大峡谷。

       综上所述，壶穴作用是基岩河道底侵深掘与地壳岩石剥蚀与抬升的重要机制， 但是，该机制在以往的学术论文与教科书中并没有得到应有的重视。美国羚羊谷与南非Treur河是壶穴作用活的教材。其实，世界上有许多峡谷或狭窄的地下河流，只是它们现在没有干枯，人类目前尚无法观赏其水底美伦美奂、彼此贯通的壶穴。