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博客

热度 2已有 478 次阅读2017-4-17 10:06 |个人分类:科普|系统分类:科普作品| 大峡谷, 羚羊谷, 壶穴, 嵇少丞

从美国羚羊谷看基岩河道的底侵深掘机制

从美国羚羊谷看基岩河道的底侵深掘机制

嵇少丞

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。


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发表评论 评论 (2 个评论)

回复 kiwaho 2017-4-19 03:03
壮观!
回复 gaoshan 2017-7-15 07:00
中国大部分科学争论都是不了了之,只要不是为了拿经费,没人愿意浪费时间
真正搞清楚

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GMT+8, 2017-8-24 05:12

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