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河流为什么能劈开山脉?

先定义问题,河流为什么能劈开山脉?

也就是说,为什么有的山脉,没有分隔流域,成为河流的(局部)分水岭,反而被河流切开穿过。

这其实是地球内(地壳隆升)、外(河流侵蚀)地质营力角逐的结果,涉及河流侵蚀地貌的相关知识,主要有三种可能的情况。

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1.河流早于山脉存在,局部隆升形成山脉

山脉形成之前,平原上静静地流淌着一条大河。

河道微倾,水流的重力势能不断转化动能,驱动河水流动,不舍昼夜。

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流动的河水携带着沙石泥土,通过机械冲击、磨蚀和化学溶蚀对河床(谷)进行侵蚀破坏。

流量、流速越大,流水的动能越大,对地面的改造作用就越大。

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同时,河床下的岩石并不宁静。

地壳运动形成断层和褶皱,岩石逐渐隆升成山脊,走向与流向相交。

在地质演化过程中,由于地壳升降运动、气候变化以及河流演化阶段的不同,河流侵蚀作用和地壳抬升的速率不断变化。

此时,河流将有两种命运[1]

(1)河流侵蚀速度大于或等于山脉隆起速度,河流将通过下蚀作用切穿山脉。

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(2)河流侵蚀速度小于山脉隆起速度,山脉将成为屏障,河流遇阻改道,沿着山脉另寻出路。

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2.河流早于山脉存在,差异侵蚀造成河流切割山脊

当地壳运动长时间处于相对稳定的阶段,海平面和气候变化不大,河流的发展将趋近于侵蚀—搬运—沉积的平衡状态[2]

此时,地壳缓慢抬升,河流仍旧日复一日地侵蚀着河床。

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河流的下蚀作用,将河床逐渐嵌入岩层,并不断加深。

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然而,河流不会永无止境地下切下去。

侵蚀基准面,是河流下蚀的极限。

河流下蚀到一定深度,河面趋近与其注入的水体(海、湖等)水面高度一致,河水不再具有势能,下蚀作用停止,此时河流注入水体的水面称为侵蚀基准面(如上图蓝色半透明图层)[1]

海平面是入海水系的共同最终侵蚀基准面,湖泊等是局部侵蚀基准面。

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当侵蚀深度接近(局部)侵蚀基准面时,河流下蚀作用减弱,将以侧蚀作用为主。

河流不断摆动,河谷加宽,逐渐形成地势开阔、平缓的冲积平原。

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以上是比较理想的情况,河床的岩层性质均一,抗侵蚀的程度相近,不会造成局部地势的起伏。

当河道穿过岩性结构复杂的地层时,情况就不同了。

例如,河流穿过不整合面,进入下伏的褶皱地层,就可能出现河流劈开山脉的情况。

如下图,角度不整合面以上,是抗侵蚀能力相同的水平岩层,河流下蚀,地势平缓。

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角度不整合面以下,软硬相间的岩层发生褶皱。

当风化能力不同的岩石同时暴露至地表,河流会叠加在该构造之上。

由于差异风化作用,抗风化能力强的岩石成为山脊,抗侵蚀能力弱的岩石成为山谷。

侵蚀能力较强的河流,将穿过抗风化能力强的山脊,而不是绕着它们流动。

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或者,可以用一个更简单的示意图,如下图。

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3.河流晚于山脉存在,溯源侵蚀造成河流袭夺

河流不断向下侵蚀,河谷有向源头发展、增长河谷的趋势,这个过程称为河流的溯源侵蚀,也称为向源侵蚀。

源头瀑布的不断后退,是溯源侵蚀的重要过程。

河道常由软硬程度不同的岩石构成,坚硬的岩石易形成陡坎,而相对软弱的岩石容易被水流侵蚀掏空成为平台,进而使流水产生落差形成瀑布。

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当软弱的岩石被掏空到一定程度,上面坚硬的岩石也会沿着节理裂缝断离。

掉落的坚硬岩石,在水流的裹挟下,成为“刨坑的利器”,进一步蚕食陡崖底部,如此反复,瀑布逐步向上游迁移。

如下图所示[3],北美著名的尼亚加拉大瀑布,平均每年向上游迁移约 1 米[4]

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溯源侵蚀,使河谷不断向源头发展,河谷加长,直到分水岭。

分水岭两侧的水系,侵蚀能力可能不同:一侧水系的侵蚀基准面较另一侧水系低;坡度较另一侧缓缓;流域内岩性较另一侧易于侵蚀……

侵蚀能力强的水系,将侵蚀能力弱的水系的上游支流劫夺过来,称为河流袭夺[5]

如下图,山脊作为分水岭,将 A、B 两条河分开。其中河流 A 的侵蚀基准面高于河流 B,后者的侵蚀作用大于前者。

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在河流 B 持续地溯源侵蚀作用下,分水岭逐渐被破坏(迁移),河流 B 完成了对河流 A 的袭夺:河流 A 穿过山脊(原来的分水岭)汇入河流 B,原来河流 A 的下游变成了干涸的峡谷。

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此外,地壳运动也会导致河流袭夺。

大型地震引发的走滑断层作用,常常系统地断错河流与山脊,使得河道与山脊线(分水岭)发生拐折。例如,在青藏高原东缘龙门山北段北川 - 映秀断裂沿线, 走滑断层的活动会有规律地驱使着分水岭迁移,造成一系列河流袭夺事件的发生[6]

4.小结

在自然界,河流与山脉常毗邻出现,有的山脉起到分隔流域的作用,成为两条河流的(局部)分水岭;有的河流,能够劈开山脉,穿山而过。

河流与山脉的此消彼长,是地球内(地壳隆升)、外(河流侵蚀)地质营力角逐的结果。

河流劈开山脉,主要有三种可能的成因:

(1)河流早于山脉存在,局部隆升形成山脉:

河流侵蚀速度≥山脉隆起速度,河流切穿山脉;

河流侵蚀速度<山脉隆起速度,山脉阻隔河流。

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(2)河流早于山脉存在,差异侵蚀造成河流切割山脊。例如,河流穿过不整合面,进入下伏的褶皱地层,就可能出现河流劈开抗风化能力强的山脊的情况。

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(3)河流晚于山脉存在,河流溯源侵蚀破坏原本的分水岭,造成河流袭夺,切穿山脉。

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