加拿大艾伯塔省班夫（Banff）国家公园。（© Daryl Benson / Masterfile ）
虽然，要了解下述事实对于日光浴者和潜泳者来说还太早，但是将会有一座新的岛屿加入到包括瓦胡岛、毛伊岛和考爱岛（Kaua‘i）等美丽岛屿在内的夏威夷群岛中。这座新岛就是洛依希岛（Loihi）。它位于距离夏威夷主岛27千米处的海面下0.8千米。因为这座新岛上升的速度必须以地质年代来量计，所以它大概不会在下一个100万年里出现在海面以上。然而，这是说明地球表面在不断发生变化的一个好例子——群岛的最西部在遭受侵蚀并下沉到海平面以下，而新的岛群在它们的东边上升。鉴于洛依希岛最近的一次喷发是在1996年，科学家曾担心海面产生的巨浪可能会彻底摧毁这片群岛，包括火奴鲁鲁（Honolulu）和人口众多的怀基基（Waikiki）海滩。幸而这种情况没有发生。
人类在人生旅途中不断与变化不停的、积极活动着的自然环境接触。在大多数时光里，我们能舒适地生活在这种环境变化中。但是，当高速公路被一次地震撕裂，或者洪水迫使我们抛弃家园时，我们才突然认识到，我们要消耗一生中的很大部分去应对自然环境带给我们的挑战。
对于地理学家来说，事物绝不是静止不变的。这不仅是指海洋中的冰山、出露的新岛屿或喷发的火山改变自身外形，而且还包括那些极为巨大的物体，诸如像流浪者一样漂荡着的大陆，以及扩展、收缩并在其中部像破旧长袍那样被撕裂开的海洋盆地。
地质年代是漫长的，但是塑造陆地形状的力量永无止境。建设作用和破坏作用持续不断地进行着，改变着人类生活和工作于其上的看似永恒的构造。有两种力量在被称为地貌（landform）的地球表面相互作用，形成了无限的地域变化：一种是挤压、推移和抬升地球表面的力量；另一种是刨刮（scour）、冲刷（wash）和磨损（wear down）地球表面的力量。山脉被抬升，然后被侵蚀。侵蚀下来的物质——土壤、砂粒、卵石、石块被搬运到新的位置，形成新的地貌。这些过程作用多久，如何作用，以及作用的效果就是本章探讨的对象。
创建地貌故事所必需的许多研究来自地貌学家的工作。作为地质学和自然地理学领域一个分支的地貌学 （geomorphology）就是对于地貌成因、特征和变化的研究。它着重研究形成地景 （landscape）① 的各种过程。地貌学家考察物质的侵蚀、搬运和堆积作用，以及它们与气候、土壤、植物和动物生活、地貌的相互关系。
在这一章有限的篇幅里，我们只能探索地貌学家的各种贡献。在讨论了地貌变化发生的内容之后，我们将考察建造地球表面然后又将其磨损的力量。
3.1 地球物质
地壳里的岩石随着矿物成分变化而变化。岩石是由包含氧、硅、铝、铁、钙等各种常见元素与含量较少的元素结合而成的微粒所组成。具有某一硬度、密度和固定晶体结构的独特化合物称为矿物 （mineral）。最常见的矿物有石英、长石和云母。随着组成矿物性质的不同，岩石硬度不同，密度有大有小，颜色也不同，化学上或稳定或不稳定。有些岩石抗分解，另一些岩石则容易破裂。最常见的岩石是花岗岩、玄武岩、石灰岩、砂岩和板岩。
虽然人们可以根据物理性质对岩石进行分类，但是比较常见的观点是根据岩石形成的方式对其进行分类。岩石可以分成三大类：火成岩（岩浆岩），沉积岩和变质岩。
火成岩
火成岩 （igneous rock）是熔融的岩石冷却和硬化之后形成的。地壳中的孔洞使熔融的岩石有机会进入地壳中或上升到地壳上。熔融的岩石冷却时就会固结，变成火成岩。地下的熔融岩石称为岩浆 （magma），地上的熔融岩石称为熔岩 （lava）。岩浆在地面以下固结而形成的岩石是侵入岩 （intrusive rock），而岩浆在地面上固结而形成的岩石是喷出岩 （extrusive rock）（图3.1）。
图 3.1 各种岩石的类型。（© Hubband Scientific Company ）
岩浆和熔岩的成分，以及冷却的速度决定了所形成的矿物性质。冷却速度主要控制结晶的大小。大的石英晶体——一种坚硬的矿物——在地球表面以下缓慢地形成。石英同其他矿物相结合而形成的侵入岩称为花岗岩。
熔岩流到地球表面，占据了海洋盆地的大部分，形成喷出岩。玄武岩是地球表面最常见的喷出岩。如果熔岩不是流出，而是从火山口喷出，就会非常迅速地冷却。有些以这种方式形成的火成岩含有孔穴且分量轻，例如浮岩；有些呈玻璃质，例如黑曜岩。玻璃质是熔岩遇到静水和突然冷却而形成的。
沉积岩
有些沉积岩 （sedimentary rock）是由已经存在的岩石侵蚀 （erosion）下来的砾石、砂粒、粉砂和黏土形成的。地表水 （surface water）将沉积物携带到海洋、沼泽、湖泊，或者潮汐盆地中。这些物质受到叠加在其上部的沉积物的重力压实作用，以及由水和某些矿物的化学活动所产生的胶结作用，就形成了沉积岩。
逐渐形成的一层层的沉积岩称为地层（图3.2）。通常，一种类型的沉积物聚积在一定的地区。如果岩石的颗粒大而圆——例如像砾石般大小和形状的碎石构成的岩石——称为砾岩。砂岩的组分由砂粒构成，而粉砂和黏土则构成粉砂岩和泥岩。
图 3.2 亚利桑那州大峡谷里的沉积岩，在此照片中很明显。（© Robert N. Wallen ）
沉积岩也可来源于有机物 （organic），例如来自珊瑚、贝壳和海洋生物的骨骼。这些物质沉积在浅海的海床中，形成石灰岩。如果有机物主要由分解了的植物形成，它就能发育成一种称为烟煤的沉积岩。石油 （petroleum）也是一种生物产物，它是在数百万年埋藏中，生物体经过化学反应，其中某些有机物转变成液体和气体化合物之后而形成的。油和气的分量轻，因此它们通过周围岩石的孔隙运移到像页岩那样渗透性差、阻碍油气向上运动的地方。沉积岩在颜色（从黑色到白色）、硬度、密度和抗化学分解程度方面都是极其多样的。
大部分大陆都发育沉积岩。例如，几乎整个美国东半部都覆盖着沉积岩。海相岩层表明，在地质历史中海洋覆盖地球的部分远比今日大得多。
变质岩
变质岩 （metamorphic rock）是由火成岩和沉积岩在地球作用力产生的热力、压力或化学反应作用下形成的。“变质作用”这个词的意思就是“形状发生了变化”。地球的内部力量可能大到其产生的热力和压力足以改变岩石的矿物结构，从而形成新的岩石。例如，页岩（一种沉积岩）在巨大压力下可变成一种性质不同的岩石——板岩。在一定的条件下，石灰岩可变成大理岩，而花岗岩可变成片麻岩（其发音同nice，即精美的）。在很大深度处变质的物质只有在覆盖于其上的地面被缓慢侵蚀掉以后才会暴露出来，它们是地球上已知最古老的岩石。然而，它们的形成像火成岩和沉积岩一样，也是一种持续的过程。
岩石是大多数地貌的组成部分。岩石的硬度，渗透性和矿物的含量控制着岩石对将其塑造和再塑造成形的力量的反应方式。两种主要的进程改变着岩石：①趋向于建造地貌的作用力；②磨损地貌的夷平过程。所有岩石都是老岩石不断转变成新岩石的“岩石循环”中的一部分。在整个地球历史中，没有一种岩石是一成不变的。
3.2 地质年代
地球大约形成于47亿年以前。如果我们觉得一个人活到100岁就已经算是长寿，那就能明白地球的确是令人难以置信得“老”了。因为通常我们关于年代的概念是短暂的，所以当我们谈起几十亿年时，将地球的年龄同某些比较熟悉的事物做一番对比是有好处的。
试想，芝加哥西尔斯大厦（Sears Tower）的高度代表地球的年龄。该大厦有110层，或者说412米高。相对而言，甚至铺放在大厦楼顶的一张纸的厚度也比人类的平均寿命长得多。在整个大厦的高度中，仅4.8层就代表2亿年，相当于如今的洋底形成以来所经历的时间。
在这种情况下，我们生存于其上的地貌，只是被极其细微地建造和破坏。所有有关的作用进行得如此长久，以至于任何一处地方在它们过去的不同时间段中都极可能是大洋或陆地。今天，地球上的许多地貌特征只能追溯到几百万年前。生成和侵蚀那些地貌的过程是同时发生的，但通常是以不同的速率进行。
在过去40年中，科学家已经研发了一种有用的框架，使人们能很好地研究持续变化的自然环境。这项工作依据的是阿尔弗雷德·魏格纳（Alfred Wegener）在20世纪初期的地质研究，他提出了大陆漂移 （continental drift）理论。魏格纳认为，所有的大陆曾经是一个联合的超级大陆，被称为“泛大陆”（“联合古陆”）。该大陆在千百万年中发生破裂，陆块彼此分开，缓慢地漂移到它们现今的位置。虽然魏格纳的理论最初被彻底否定，但是近年的新证据和对旧知识的再认识使地球科学家广泛接受了大陆移动的概念。魏格纳的概念是广义板块构造理论 （plate tectonics）的先行者。关于板块构造理论将在下一节“大陆运动”中解释。
3.3 大陆运动
由地图学家绘制的地貌图只是薄薄的岩石覆盖层，即地壳表层的起伏形态（图3.3）。在地球内部的上部，是一层部分的熔融层，称为软流层 （asthenosphere）。它支撑着一层薄而坚硬的岩石层——岩石圈 （lithosphere）。其中，外侧较轻的部分就是地壳。地壳由一组位于大洋下面的岩石和另一组构成大陆的岩石组成。
图 3.3 地球的外圈（未按比例尺）。岩石圈包含地壳，软流层位于岩石圈之下。
岩石圈分裂成大约12个巨大的和许多小的刚性板块。根据板块构造理论，每一个板块在重而半熔的软流层上缓慢地滑动或者漂移。一个单一的板块往往既含有大洋地壳，也含有大陆地壳。例如，图3.5表示了北美板块，它包含了大西洋的西北部和北美的大部分——虽然不是全部。墨西哥半岛（下加利福尼亚）和加利福尼亚州的一部分则位于太平洋板块上。
科学家还不清楚岩石圈板块为什么会运动。一个合理的理论解释是，有来自地球内部的热力和受热的物质通过对流作用上升，从而进入到特定的地壳软弱带。这些软弱带就是板块分裂的源头。然后，冷却的物质下沉到俯冲带。板块被认为以这种方式开始运动。强有力的证据表明，在2.25亿年前，整个大陆地壳是连接成一个超级大陆的。后来，它由于洋底开始扩展而分裂成许多板块。分裂作用来自如今大西洋的扩展。图3.4表示了大陆漂移的四个阶段。
图 3.4 过去2.25亿年中板块运动的重建。泛大陆的北、南部分分别被称为劳亚古陆和冈瓦纳古陆。大约2.25亿年以前，各个大陆曾连接成一个巨大的陆块。在它们分裂开以后，各大陆逐渐移动到它们如今的位置。请注意印度大陆是怎样从南极洲脱离，以及同欧亚陆块碰撞的。喜马拉雅山脉形成在板块交界带。
资料来源：American Petroleum Institute.
图 3.5 （a）世界主要岩石圈板块，箭头指示板块运动的方向。（b）板块从离散边界向汇聚边界运动。
来自软流层的物质沿着大西洋中间的裂缝上升，导致海底不断扩展。如今大西洋在赤道的宽度是6920千米。科学家曾估算，如果海底以每年略小于2.5厘米的速度分裂，人们可以计算出，大陆确实是在大约2.25亿年前开始分裂。注意图3.5（a）和图3.6，构成大西洋的中脊线是如何与南、北美东岸以及欧洲和非洲西岸平行的。
图 3.6 美国国家海洋与大气管理局编绘的一幅精确的北大西洋洋底地图。该图利用了卫星观测的重力测量数据。洋底的轮廓是造成大陆和洋盆形态的动力作用的证据。（© David T. Sandwell, 1995. Scripps Institution of Oceanography ）
板块彼此分离开的边界称为离散型板块边界。在一个板块同另一个板块之间发生水平滑动的地带产生转换型边界。而两个板块彼此相向运动的地带则产生汇聚边界（图3.5［b］）。有时，岩石圈板块运动时会发生碰撞。在板块交会处所产生的压力能引发地震 （earthquake）。地震在多年的活动期里改变着地貌的外形和特征。图3.7表示近期近地表地震的位置，将本图与图3.5（a）对比，可以看出最大的地震活动区位于板块的边界。
加利福尼亚著名的圣安地列斯断层是分割北美和太平洋两大岩石圈板块的一条长裂缝的一部分。当交界带的张力或挤压力变得非常巨大，以致只有发生一次地壳运动才能释放这种压力时，地震便沿着断层 （fault，岩石中曾经沿之发生运动的断裂）发生。
虽然人们已经有了关于地震带的系统知识，但是普遍忽略它的危险仍然是一种疑难文化现象（见第71页开始的关于地壳运动的内容）。每年有成百甚至成千的伤亡来源于对地震准备不足。在一些人口高度稠密区，毁灭性地震发生的机率很高。图3.7所表示的地震分布显示，日本、菲律宾、东南亚部分地区以及美洲西缘的人口稠密区都有潜在的地震危险。
图 3.7 年轻火山和地震震中的位置。注意与图3.5（a）所揭示的情况进行对比，它们集中在岩石圈板块的边缘。最重要的地震集中带是环太平洋带。它环绕着太平洋周边，通常称为“太平洋火圈”。火山也能形成于板块的中部。例如，夏威夷火山群就位于太平洋板块的中部。
资料来源：Map plotted by the Environmental Data and Information Service of NOAA; earthquakes from U.S. Coastand Geodetic Survey.
岩石圈板块汇聚运动的结果是形成深海沟和大陆尺度的山脉，以及发生地震。大陆地壳是由比大洋地壳轻的岩石构成的。在不同类型地壳板块边缘的汇聚处，密度大而厚度小的大洋地壳往往向下挤入软流层。深海沟就形成在洋底的这种汇聚边界。这种类型的碰撞称为俯冲 （subduction,图3.8）。图3.5（a）标示了全世界的俯冲带。
图 3.8 俯冲作用。当板块碰撞时，密度较大的大洋地壳通常挤插到较轻的大陆地壳的下部。图3.5（a）标示了世界上的俯冲带。
太平洋的大部分都下伏着一个板块。它像其他板块一样在不断地推挤着别的板块，并被别的板块所推挤。在相邻板块上的大陆地壳被挤压、抬升，发生破裂，产生了一条环太平洋的活动火山带，有时称为“太平洋火圈”。1980年华盛顿州圣海伦斯火山（Mount St. Helens）的剧烈喷发，就是沿太平洋火圈火山持续活动的实例。近年来，有许多破坏性地震沿着圣安地列斯断层发生。这些地震的震中（震源正上方的地面对应的一个点）都位于断层上。最近一次——2003年12月发生的强烈地震就对加利福尼亚州的帕索罗布尔斯（Paso Robles）造成了重大的破坏。
板块交汇带不仅仅是岩石圈再调整的敏感地带。当岩石圈板块发生运动时，地壳发生破裂或者破碎为成千上万的碎块。有些裂口薄弱到一定程度而成为热点（hot spot），也就是由于熔融物质上升而引起火山喷发的地区。熔融物质可能从火山中喷发而出，或者从裂口中涌出。稍后我们在讨论地球构造力时还将回到火山活动上来。
3.4 构造力
地壳因导致板块运动的持续力量而改变。产生于地壳内部的构造力形成并改变着地壳的形状。构造力 （tectonic force）有两种类型，即地壳运动和火山作用。地壳运动 （diastrophism）是一种巨大的压力，作用于板块，使岩石发生褶皱、扭曲（twisting）、挠曲、破裂或者压缩岩石。火山作用 （volcanism）就是将炙热的物质运移或者搬运到地球表面的力量。当大陆上的特定地点遭受到地壳运动或者火山作用时，所发生的变化可能简单到岩石的弯曲和破裂，也可能激烈到使熔岩在圣海伦斯火山口或山坡处喷发。
地壳运动
在板块构造作用下，地壳的各个部分产生压力，使地壳发生缓慢的——通常是千万年——变化（见“珠穆朗玛峰——王冠上的宝石”专栏）。地质学家通过研究岩层，就能追溯一个地区的发展历史。在地质时期中，大部分大陆地区都曾既经受了构造活动——建设活动，也经受了均夷作用——减削作用。它们往往有一部含有广泛挠曲作用、褶皱作用、断层作用和夷平作用的复杂历史。有些如今仍然存在的平原可能隐藏着一段曾是庞大山脉的历史。
专栏 3-1 珠穆朗玛峰——王冠上的宝石
地球上增长最快的山脉恰巧也包含了世界上最高的山峰。靠近喜马拉雅山脉的中央耸立着世界最高峰——珠穆朗玛峰。现今，珠穆朗玛峰经测定拔海是8844米。然而，最近的测量表明，珠穆朗玛峰和许多其他山峰，例如乔戈里峰，仍在以每年大约1厘米的速度升高。
当山地增长到前所未有的高度时，它们巨大的重量使下面的物质发生变形，导致山地沉降。换言之，这里有两种力量在起作用。一种是建造山地的力量——就是使印度板块向北运动，挤入欧亚板块的力量。位于欧亚板块边缘的喜马拉雅山脉对于这种巨大力量的反应就是被推挤得越来越高。但是，显然还有与前一种力量起着相反作用的第二种力量，它阻碍地球上的山地上升到1.5万—1.8万米的高度。人们可以想象这些巨大的山地处于一种平衡状态——山地上升越高，变得越重，它们就越可能下陷。
两大板块之间的斗争大约开始于4500万年以前。通常是一个板块被推挤（俯冲）到比较稳定的板块之下。然而在喜马拉雅山，两个板块的岩石在重量和密度上类似，因此没有发生俯冲，而是在地球表面产生适度的褶皱，并转变成地球上最高和最崎岖的山脉。特别有趣的就是喜马拉雅山脉的景象。印度板块包含着高度较低的印度次大陆。结果，从印度北部平原望去，喜马拉雅山脉显示出地球上最宏伟的景象之一。珠穆朗玛峰因此成为山地王冠上的宝石就不足为奇了。埃德蒙·希拉里（Edmund Hillary）和丹增·诺盖（Tenzing Norgay）在1953年首次登上峰顶。截至2005年，有1500多名登山者到达峰顶——大多数是在1990年以后。有176名登山者在攀登过程中罹难。
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广泛挠曲作用
来自大陆运动的强大构造力可能使整个大陆发生弯曲。同样，一块大面积地区的重量变化也可使地面发生挠曲作用 （warping）。例如，美国东部的向下挠曲明显表现为许多形态不规则的河口湾。而当沿海地区向下挠曲，受到海水入侵时，便形成了河口湾和海底峡谷。
褶皱作用
当板块运动引起的挤压力很大时，岩层便发生弯曲。结果可能形成挠曲或者弯曲（bending）效应，发展出褶皱脊或者一系列平行的褶皱 （fold）。图3.9表示由褶皱作用形成的各种构造。褶皱可能向上逆冲数千米或侧向延伸数千米。美国东部的岭谷区（Ridge and Valley Region）现在表现为海拔300—900米的低矮平行山地。但是岩层方面的证据表明，现今部分山地的顶部曾一度是海拔9100米的山脊之间的谷地（图3.10）。
图 3.9 褶皱的典型形态。褶皱的程度从稍微偏离水平，到地层轻微的波状起伏，直到被高度挤压，甚至发生倒转。
图 3.10 （a）宾夕法尼亚的岭谷区——现今已被侵蚀成丘陵地——是9100米高的褶皱的残余，被削低形成了向斜型（倒穹式）丘陵和背斜型（正穹式）谷地。原始谷槽中的岩石受到挤压，不易被侵蚀。（b）位于马里兰州与宾夕法尼亚州边界处的一处向斜，由路堑所揭露。（© Mark C. Burnett / Photo Researchers ）
断层作用
断层是岩石中发生过运动的破裂处或断裂处。引起断层的压力导致地壳沿着断裂带发生位移。图3.11用图解展示断层类型。断层的一盘上升，而另一盘下降。有些情况下会形成陡坡，称为断层崖 （fault escarpment）。它高可达数百米，长度可达数百千米。应力能将一盘向上推到另一盘之上，而沿断层发生的两盘拉开可能导致地面下沉，形成裂谷（图3.12）。
图 3.11 断层有多种变化，是发生巨大变形的山脉的共同特点。断层作用的不同形式可以根据沿破裂面发生的运动方向进行分类。这里所表示的各类断层并非在一次单一作用下产生。
图 3.12 东非裂谷带。因地壳中巨大裂隙带下沉而在东非形成的宽广裂谷系统（图3.11）。彼此平行的断层有些可深达海平面以下610多米，与相邻的高原陡壁相接壤。而高原在构造下沉处高居海平面以上1500米。
有许多断裂仅仅表现为被称作“节理”（joint）的裂隙，沿之有细微的运动发生。而在另一些情况下，例如像加利福尼亚内华达山脉这样的山地，可由于断层作用而上升。有时运动沿着地面水平发生，而不是向上或者向下发生。圣安地列斯转换断层就是这样的情况，如图3.13和图3.14所示。
图 3.13 加利福尼亚州的圣安地列斯断层系统，20世纪以来震中震级在6级及以上的地震发生地。
资料来源：Map updated from“The San Andreas Fault System, California ”, ed. By Robert E. Wallace, U.S. Geological Survey Professional Paper 1515, 1990.
图 3.14 圣安地列斯断层一部分的图像，朝着圣弗朗西斯科的方向北望。图中，断层带为湖泊所占据。这是一条转换断层 （transform fault）。圣安地列斯断层标志着太平洋板块和北美板块之间滑动边界的一部分。左侧小图表示北美板块相对太平洋板块向南运动，位移量平均每年达到1厘米。（© BurtAmundson ）
任何时候沿着一条断层，或者在断层的一个薄弱点发生运动，就会导致地震发生。运动量越大，地震的震级就越大（见“地震的分级”专栏）。作为构造力而产生于岩石中的应力作用于岩石，当最终达到临界点时，就会发生地震，张力也就随之减弱。
专栏 3-2 地震的分级
1935年，C. F. 里克特（C. F. Richter）制定了地震的震级，即对一次地震所释放出的能量的量计。一次地震实际上是穿过地球表层的地震波的能量表现形式。地震波从震源向各个方向辐射，能量随着距震中的距离增大而逐渐减少。在里氏震级表中，一次地震释放出的能量大小通过量计所发生的地面运动而估算出来。地震仪记录的是地震波，通过比较波高就能确定地震的相对强度。里氏震级 （Richter scale）的级数虽然是从0到9，但地震的强烈程度并没有绝对的上限。经推论，自然界有可能发生超过迄今所记录到的最强烈（8.5—8.6级）的地震。
烈度是根据地震对人和建筑物的影响而对地震大小所做的量度。相对于烈度而言，震级能够精确测量，所以里氏震级表被广泛接受了。尽管如此，里氏震级仍然只是一次地震所释放的能量的近似值。此外，地震波的波高可能受到地震台下面的岩石物质的影响。有些地震学家认为，里氏震级表低估了大地震的震级。
近年来，地震学家应用了一种称为“矩震级”（moment magnitude）的量度。它所量测的是地球表面在一次地震中的运动。如果与断层的尺度（长度）相比，运动（滑动）大，那么矩震级就大。在一条大断层上，滑动小，就被认为是一个小震。1994年发生在加州北岭（Northridge）的地震，其里氏震级和矩震级类似。但是，在30年之前发生在阿拉斯加的“耶稣受难节”地震，里氏震级为8.2级，而矩震级为9.0级。
里氏震级②
发生在近地面的地震对城市的影响
矩震级分级
定义
1, 2
无感
小于3
微小
3
有些人有感
3—3.9
小
4
窗户格格作响
4—4.9
轻微
5
广泛有感，接近震中处建筑有轻微损坏
5—5.9
中度
6
质量差的建筑被破坏，10千米内的建筑有损坏
6—6.9
强度
7
100千米内的建筑普遍遭受损坏
7—7.9
强大
8
数百千米内建筑受到巨大损坏
大于8
特大
9
罕有的大震（2004年苏门答腊地震）
1964年耶稣受难节发生在阿拉斯加州的地震是目前所观测到的最大地震之一，达到里氏8.2级。虽然地震的应力作用点位于距离安克雷奇市（Anchorage）121千米的地面以下，但是地震波的振动导致该市地下脆弱的黏土层发生移动。安克雷奇市区的一部分向坡下滑动，而部分商业区下沉了3米。
如果一次地震、火山喷发或者水下滑坡发生在海洋底部，震动了其上的水体，就会产生一种海洋波浪，称为海啸 （tsunami，源自日语，tsu意为海港，nami意为波浪,又译作“津浪”,见“海啸”专栏）。这种波浪在开阔的海洋上传播的速度很快，几乎难以觉察，就像迅速上涨的潮水，因此往往被错误地当作“潮汐波”，尽管它们与潮汐没有关系。然而，当它们接近海岸和进入浅水区时，由于同海底的摩擦作用而使波浪速度减缓，水面升高到海平面以上15米，甚至更高。海水带着巨大的力量扫荡沿岸陆地，特别是在将浪波约束在狭小空间的狭窄的海港或海湾，其势尤甚。
地震每天发生在全世界许多地方，大部分是轻微的，只能被记录地震波 （seismic wave）的地震仪所觉察。但是不时会有大尺度的地震发生，例如2003年的伊朗地震（3.5万人死亡）和1976年的中国唐山大地震。大多数地震发生在环太平洋带（图3.7）。在那里，来自汇聚中的岩石圈板块的应力最大。阿拉斯加州的阿留申群岛，日本、中美洲和印度尼西亚每年都经受着许多强度稍小的地震。近年来，大地震和火山活动也发生在太平洋以外的地区，例如土耳其、伊朗和阿尔及利亚。
2005年10月8日克什米尔的大地震提醒人们，沿着三大构造板块边界延伸的喜马拉雅山脉正在使西至阿富汗和巴基斯坦、东到缅甸的各国面临地震危险（图3.15）。
图 3.15 巴基斯坦穆扎法拉巴德（Muzaffarābād）一处倒塌的房屋。该地位于2005年10月8日沿着印度、伊朗和欧亚构造板块边界袭击印度和巴基斯坦北部克什米尔地区的一次地震震中附近，地震的矩震级为7.6级。巴基斯坦首当其冲地受到损坏。估计在地震中有7.3万人死亡，数千人受伤，彼时临近冬季而数百万人无家可归。（© AP/Wide World photos ）
专栏 3-3 海啸
（a）
（b）
苏门答腊岛上班达亚齐的卫星影像。（a）2004年6月23日；（b）12月26日海啸的两天以后。（© Globe / GettyImages ）
第1.1节曾谈到2004年12月26日印度洋海啸的破坏性影响。那次海啸导致大约18万人死亡，150万人无家可归。受到影响的主要是印度尼西亚（特别是苏门答腊岛）、泰国、斯里兰卡、印度和索马里沿岸。苏门答腊岛北端班达亚齐市（Banda Aceh）的影像表明了海啸袭击前数月和海啸以后两天的当地情况。
海啸形成于海底地震、火山爆发或者滑坡所引起的海水扰动。洋底沉陷使海水涌入因沉陷而产生的凹地中，进而使涌浪（swell）向四面八方传播。最初波浪传播很快，接近喷气式飞机的速度，可达每小时640千米，但是它的波高并不是很大。当这种波浪接近陆地时，由于海水变浅，波浪传播的速度降低到每小时大约48千米，但是波高增大。1946年阿拉斯加近岸地震后产生的海啸袭击夏威夷的希洛（Hilo）时，估算其波高是14—30米。海水携带着巨大的力量奔向海岸。每立方码③ 的海水重量将近1吨。当汹涌的海水推向陆地、沿着海岸淹没低洼地区时，树木、汽车、道路或建筑物的碎块变成了致命的“炮弹”。
印度洋海啸由苏门答腊西北近海罕见的里氏9.2级大地震引发。地震发生在1300千米长的印度-南极洲构造板块和欧亚构造板块之间的边界带上，将前一板块向后一板块的下方推进了大约15米。
美国海岸与大地测量局为了尽量减小太平洋沿岸社区的损失，在1948年以夏威夷为基地，建立了海啸预警系统。在太平洋地区，任何一个足以产生海啸的地震扰动都向位于火奴鲁鲁的海啸预警中心报告。如果海啸被监测到，该中心就把关于海啸发源地、速度和估计到达时间等信息传送到处于危险中的沿海低洼社区。遗憾的是，印度洋地区还没有建立类似的监测海啸的预警系统。
火山作用
火山作用是第二种构造力。熔融物质最可能流到地表的地方就是板块汇聚处或其附近。但是，另一些地带——例如热点——也容易受到火山的作用（图3.16）。例如夏威夷火山群就形成在地球内部比较稳定的热点上。
图 3.16 （a）地幔柱，炙热地幔岩石的狭窄柱状体，能在地球表面形成火山活动的热点。有些地幔柱是从大洋板块中央的下面，而不是从板块的交会带上升起来的。夏威夷岛下面的一个地幔柱是从太平洋板块中部升起来的。当板块在地幔柱上面运动时，就形成了火山带。随着太平洋板块向西北运动，每一座火山就被从热点搬移开。（b）夏威夷群岛火山岩的年代。注意火山的年代向西北逐步变老。如图所示，夏威夷岛包含两座活火山。
如果有足够的内部压力促使岩浆上涌，地壳中的薄弱处或者断层就能使熔融物质到达地面。熔融物质通过一系列喷发到达地面时，形成的由凝固的熔岩与火山灰、火山渣交互层构成的陡坡的火山锥，称为“层状火山”（stratovolcano）或者“复合火山”（composite volcano）（图3.17［a］）。喷出时也可能没有爆发发生，而是形成坡形和缓的盾状火山（shield volcano）（图3.17［b］）。
图 3.17 （a）包含在熔岩里的气体突然减压，导致岩石物质爆发，形成火山灰和火山渣。如图所示，复合火山，由凝固的熔岩和火山灰等交互层组成。（b）盾状火山解剖图, 由凝固的熔岩流组成。盾状火山宽广而坡度和缓。
世界上的主要火山带同主要的地震带和断层带吻合。这类火山带存在于板块的汇聚带。另一类火山带发生在板块的离散带，例如大西洋的中央。
（a）
（b）
（c）
图 3.18 （a）1980年5月18日爆发前的华盛顿州圣海伦斯山。（© David Muench ）（b）从火山锥喷出了一片蒸汽云，并将炙热的火山灰喷入15千米高空。一处山崩将火山灰和粗大岩屑夹带到山坡下部。（© 1980 Keith Ronnholm ）（c）爆发作用掀掉了山顶和火山一侧的大部分山坡，使山顶降低了近400米。（© U.S. Geological Survey. CVO ）
熔融物质既可能从火山口平缓地流出，也可能夹带着爆发力射向大气中。有些比较平静的火山具有长而和缓的坡地，表明熔岩流平缓；而爆发型火山坡地陡峭。现今世界上有将近300座活火山，不断地喷出水蒸气和其他气体。
当压力增强时，火山口能变成一个有水蒸气、气体、熔岩和火山灰从中滚滚喷溢出的沸腾的“大锅炉”（图3.18）。就1980年圣海伦斯火山而言，有一个巨大鼓包在火山北坡形成。一次地震之后发生了一次爆发，将碎屑物射到空中，彻底破坏了大约400平方千米的一片地区，使大约1厘米厚的火山灰降落到华盛顿州东部和爱达荷与蒙大拿州的部分地区，而火山的高度降低了300多米。
在许多情况下，地壳下的压力不强，不足以使岩浆到达地面。这种情况下，岩浆就凝固成各种地下的火成岩，它们有时影响地表的地貌特征。然而，夷平作用力能侵蚀上覆的岩石，使通常坚硬而抗蚀的火成岩出露地表。纽约城西面裸岩遍地的帕利塞兹山脉（Palisades Ridge）和佐治亚州大西洋城附近的斯通山（Stone Mountain）都属于这种地貌类型。
在另一些情况下，地球表面下部的岩层可能容许大量岩浆增长，但是由于厚重的上覆岩石而不能到达地面。然而，岩浆侵入所施加的压力，仍然可能使地表岩层发生弯褶、鼓起和破裂。此外，还可能产生体积很大的熔岩穹丘，例如南达科他州的布莱克丘陵（Black Hills）。火山喷发的一个副作用是将大量火山灰喷到大气层中，有时影响到数千千米以外的天气和气候格局。
过去的历史表明，熔岩有时通过裂隙或者断裂流出，没有形成火山。这类缓慢流出的熔岩流覆盖了大洋的底部。在大陆上，印度的德干高原和美国西北部太平洋沿岸的哥伦比亚高原都是这种作用的实例（图3.19）。
图 3.19 流体状的熔岩形成了哥伦比亚高原，覆盖了13万平方千米的地面。有些单独的熔岩流厚达100米，从其源头的裂隙向外蔓延60千米以上。（© Wolfgang Kaehler ）
3.5 均夷作用
均夷作用 （gradational process）是陆地表面削低的原因。如果某处陆地表面曾经一度有山地耸立，现在变成了低矮平坦的平原，这就表明那里发生了均夷作用。磨削、刨刮或者吹刮下来的物质堆积到新的地方，就形成了新的地貌。从地质年代角度说，落基山是近期的现象。那里进行的均夷作用如同所有陆地表面一样活跃，只不过还没有足够的时间将该处巨大的山地削平。
均夷作用有三种：风化作用、块体运动和侵蚀作用。风化作用——无论是机械风化还是化学风化，所起的作用都是将岩石变成碎屑，便于形成土壤和通过重力作用或侵蚀作用将碎屑移动到新的地方。块体运动通过重力作用将较高处的松软物质——包括岩石碎屑和土壤，向坡地下部运送。而流水、流冰、风、波浪和水流等营力则将这些物质搬运到其他地方，形成或者改变地貌。
风化作用
风化作用 （weathering）就是地球表面或其附近的岩石和矿物，在大气因素（水、空气和温度）作用下，发生破碎和分解。风化作用是机械作用和化学作用的结果。
机械风化作用
机械风化作用 （mechanical weathering）是地球物质在地面或近地面发生的物理解体，即较大块的岩石破碎成较小的碎片。有许多作用可引起机械风化作用。其中最重要的有三种：冻融作用，盐分晶体的发育和植物根的活动。
如果水渗进岩石（渗入颗粒之间或者沿着节理裂隙）并发生冰冻，生成的冰晶就会对岩石产生压力。当这种过程重复发生——冰冻、融化、冰冻、融化，反复进行，岩石便开始解体破碎。盐分晶体在干旱气候下的作用与此类似。地下水 （groundwater）经由毛细管作用（水由于表面张力而上升）被吸引到地面。这种作用与植物体内的液态养分通过茎叶系统向上运动的作用类似。蒸发作用 （evapotranspiration）留下的盐分在岩石中形成结晶、逐渐增大，最终将岩石分解。树木和其他植物的根也能寻找通道进入岩石的节理裂隙。当它们生长时会破坏和分解岩石。所有这些活动都是机械作用，因为它们是物理性的，并不改变所作用物质的化学成分。
化学风化作用
有许多化学风化作用 （chemical weathering）使岩石分解，而不是破碎解体。换言之，组成岩石的矿物是通过矿物的化学反应，而不是通过崩解、碎裂分离成为组成部分。化学风化包括三种重要的过程：氧化作用、水解作用和碳（酸）化作用。由于它们中的每一种都依赖于水，因此化学风化作用在干旱和寒冷地区比潮湿和温暖地区差。在湿热条件下，化学反应加速发生。所以，在寒冷、干旱地区发生的化学风化作用比温暖、潮湿地区少。
氧化作用是氧与铁这类矿物成分结合，形成氧化物的作用。这导致了有些与氧接触的岩石表面开始分解。当水同铝硅酸盐之类的某些岩石矿物接触时也会发生分解作用，这样发生的化学变化称为“水解作用”。当来自大气中的二氧化碳气体溶解于水中时，就形成弱的碳酸，这种碳的作用称为“碳（酸）化作用”。因为在此作用中产生的碳酸氢钙易于溶解，被地下水和地表水运走，所以在石灰岩中特别明显。
无论机械风化作用还是化学风化作用，本身都不产生独特的地貌。然而它们为侵蚀作用和土壤的形成准备了岩石颗粒。在风化作用将岩石分解之后，流水、风，以及流冰等重力和侵蚀作用力就能将风化的物质搬运到新的地点。
机械风化和化学风化作用形成土壤。土壤是含有机质、空气、水和风化岩石的细粒物质薄层，发育在下部的坚硬岩石上。所形成的土壤类型是土壤发育地区的气候和土壤下部的岩石类型共同作用的结果。温度和降水作用于矿物，与覆盖在矿物上的植物的分解作用相结合，就形成了土壤。关于土壤这个论题，将在第4章做较详细的讨论。
块体运动
（a）
（b）
图 3.20 （a）由一座孤山的山崩形成的倒石堆，破碎的岩石堆积在陡崖的基脚。（© Robert N. Wallen ）（b）土体蠕动使树木倾斜。（Courtesy of Victoria Getis ）
重力——即地球对其表面或附近物体的吸引力，永恒地吸引着所有的物质。因重力而发生的物质向坡地下部的运动称为块体运动 （mass movement）。细小的颗粒或者较大的砾石，如果没有被坚硬的岩石或者其他牢固的物质所支撑，就会落到坡地下部。块体运动的独特表现还有雪崩和滑坡。比较普遍而不易被觉察的块体运动还有向坡下运动的土体蠕动和泥流（图3.20）。
特别是在干旱地区，有一种由在坡脚和山麓堆积的岩石碎屑所形成的普遍而又显明的地貌，称为“倒石堆 ”（talus），如图3.20（a）所示。砾石、岩屑，甚至山坡上因风化作用而从裸露的基岩中破裂开的大石块，这些物质大量下落和堆积，形成大型的锥状地貌。较大的石块移动得比细小的砂粒远，后者则遗留在坡地顶部附近。
侵蚀营力与堆积作用
侵蚀营力 （erosional agent）——如风、水和冰川——将原先存在的地貌刻蚀成新的外形。快速运动的侵蚀营力搬运碎屑，而慢速运动的侵蚀营力将碎屑堆积下来。磨削、刨刮或者吹刮下来的物质堆积到新的地点，便形成新的地貌。每一种侵蚀营力都伴随一套独特的地貌。
流水
流水是一种最重要的侵蚀营力。水，无论是漫流在陆地表面还是流淌在河道中，都在磨损和建造地貌方面起着巨大的作用。
流水的侵蚀能力依赖于以下几个因素：①降水量；②坡地的长度和坡度；③岩石和植被的类型。坡地较陡、水流较快，侵蚀速度当然就较大。植被有时减慢水流。当植被由于农业耕作和放牧牲畜而减少时，侵蚀就会加强，如图3.21所示。
图 3.21 大雨和耕作技术不良，包括过度放牧，或者多年的顺坡开垅耕作而造成沟壑化。表土因植被太稀疏得不到保护而易被地表径流冲走。（© Grant Heilman/ Grant Heilman Photography ）
甚至降水——大雨或者冰雹——的冲击也能引起侵蚀。在强烈的雨水冲击土壤之后，雨水的力量使地面变得比较紧实。因此，继续发生的降水难以渗入土壤中，导致较多的雨水不能渗进土中而转变成侵蚀地面的水。水中的土壤和岩石碎屑被携带入江河，沉落在沟谷和小河的河床中。
无论是水，还是河流携带着的岩石颗粒，都是侵蚀营力。当岩石颗粒撞击河床的床壁和床底时，就会发生磨蚀作用，亦即磨削（wearing away）。由于水流的力量，大的颗粒——例如卵石——沿着河底滑动，沿途磨削河床中的岩石。
洪水和迅速流动的水使河床的规模和外形发生剧烈的变化，有时形成新的河床。在那些地面覆盖了压实土壤的城市，地表径流会更加严重，因为土壤本身已经吸收或控制了一部分水。所以一旦有大量的降雨，这些城市附近河流和小溪中的水量会急剧增加，水流也会变快，会造成山洪和严重的水土流失。
黏土和粉砂一类的细小岩石颗粒悬浮在水中，连同溶解在水中的物质或者沿河底拖曳的物质一起，构成了河流的含沙量（load of stream）④ 。快速运动的洪水携带大量泥沙。当高水位或洪水退后，河流的流速减小，所携带的沉积物不再处于悬浮状态，碎屑颗粒开始沉降。粗重的物质沉降得最快，较细小的颗粒被携带得较长久而且被搬运得较远。流速降低和由此发生的堆积作用在河流同海湾、海洋和湖泊中缓慢运动的水汇合时特别显著和突出。粉砂和砂堆积在汇合处，形成了三角洲 （delta），如图3.22所示。
图 3.22 密西西比河三角洲。注意正在发生的泥沙堆积作用，以及河流和墨西哥湾流对泥沙运动的影响。
像中国长江这样的大江有着巨大而不断增长的三角洲。但是有许多河流的河口三角洲不太明显。尼罗河的巨大三角洲，在阿斯旺大坝建成以前是不断增长的；现在，大部分泥沙已沉积在大坝后面的纳赛尔湖中。
在河流附近的平原上，土地有时是靠河流的泥沙堆积形成的。如果堆积下来的物质肥沃，就有可能受欢迎，成为农业活动的必要部分，就像历史上著名的埃及尼罗河沿岸。但是如果堆积物是贫瘠的沙子、砾石，从前肥沃的滩地就可能被破坏。洪水本身当然也可能淹没庄稼或者居民区，从而造成人类生命和经济的重大损失。中国的黄河在1887年发生的洪水就使90万人罹难。
河流景观
河流景观是处于陆地抬升与其受侵蚀之间的一种特殊的平衡状态。迅速抬升后并未出现顺序分明的侵蚀阶段。试回想一下，抬升与侵蚀是同时发生的。即使在某一特定地方、特定时段内，一种力量可能大于另一种力量，但是我们仍然无法精确预测景观演化的下一个阶段。
也许，区分河流对地貌影响的最重要的因素，是近代气候（例如过去数百万年）是否曾经趋向于湿润或者干旱。
湿润区的河流景观 也许，软弱的地表物质或者岩石中的低洼处使河床得以发育。在山区谷坡下部，河流可能流过悬崖，形成跌水。陡峻的坡麓梯度使河流流动迅速，在岩石中切割出狭窄的V形谷（图3.23［a］）。在这种情况下，侵蚀过程大大加速。随着时间的流逝，河流可能侵蚀掉足够多的岩石，使跌水变成急流，并使河床切入到周围的地形高度之下。这种现象在康涅狄格河、特拉华河上游和田纳西河中表现得很明显。
（a）
（b）
图 3.23 （a）怀俄明州黄石公园中河流迅速下切而成的V形谷。（© Robert N. Wallen ）（b）阿拉斯加州与曲流河毗邻的牛轭湖。（© B. Anthony Stuwart / National Geographic Image Collection ）
在湿润地区，河流侵蚀的结果是使地形变得浑圆。在坡度和缓处流动的河流，趋向于切割比山区宽阔的河谷。周围的山丘变浑圆，进而随着河谷的拓宽和变平，最终变成泛滥平原 （floodplain）。河流的作用使泛滥平原逐渐展宽。河道变得蜿蜒曲折，不断地切割出新的河床。当新的河床出现后，原来的河床遗留下来，变成牛轭湖 （oxbow lake）。在密西西比河泛滥平原上就有数百个牛轭湖（图3.23［b］）。牛轭湖呈新月形，占据着曲流河的废弃河床。
在近似平坦的泛滥平原上，最高的地方就是河流的河岸，那里有天然堤 （natural levee），是发洪水时泥沙在河边堆积而成的。冲溃天然堤的洪水破坏性特别大，因为洪水会淹没整个泛滥平原，直到与上涨的河水高度相同。在特别敏感的地区——例如密西西比河下游两岸，美国陆军工程兵团加固了天然堤。
干旱区的河流景观 必须区分湿润区与干旱区河流侵蚀作用的结果。干旱区缺少植被，因此显著增强了流水的侵蚀力。如果河床穿过荒漠，那么发源于山区的河水有时不会流入海洋。实际上，除了雨季外，河床可能空荡无水，雨水从山坡汹涌而下时，汇集成的暂时性湖泊称为“干盐湖 ”（playa）。在此过程中，冲积物 （alluvium）堆积在湖中和海拔较低的地方，沿着山坡形成冲积扇 （alluvial fan）（图3.24）。冲积扇是当河流横穿坡麓到达低地时，泥沙和砾石向外堆积产生的。如果这种过程持续得特别长久，冲积物可能掩埋被侵蚀的山体。在内华达、亚利桑那和加利福尼亚的荒漠区，透过被侵蚀的物质，能看到不少被部分掩埋的山地。
图 3.24 当河流流到坡麓比较平坦之处，流速减小，便形成了冲积扇。坡度和流速急剧变化，大大降低了河流搬运粗粒沉积物的能力。于是发生堆积作用，充塞河床，并使水流改道。上游谷口固定了冲积扇顶部，河流来回摆动，形成和延展出一片宽广的堆积区。（Redrawn from Charles C. Plummer and David Mc Geary, Physical Geology, 8th ed. ）
由于河流在干旱区只能暂时性存在，因此其侵蚀力不如湿润区自由流动的河流那样始终如一。有些情况下，它们几乎不能成为景观的标志。在另一些情况下，急速流动的河水可能刻蚀出深而两侧笔直的旱谷 （arroyo）。流水可能以复杂的格局，呈多股的辫状，奔流在冲积平原上，而把冲积扇留在后面。这种季节性急流形成的河床被称为冲蚀沟 （wash）。图3.25所示犹他州的那些孤峰 （butte）和方山 （mesa，大型平顶丘）陡峭壁立的构型，醒目地表明了干旱区这种脱缰野马般流水的侵蚀力。
图 3.25 犹他州峡谷地国家公园。方山顶盖的抗蚀岩层保护了下伏的软弱岩层免受下切侵蚀。当顶盖岩层被搬运后，侧向侵蚀降低了地面，留下了方山作为以前高位景观广阔而明显的遗迹。（© Carr Clifton / Minden Pictures ）
地下水
有些由雨雪补给的水下渗到地下的岩石孔洞、裂隙和土壤中，不是形成地下池塘或地下湖，而是构成浅层物质。当地下水聚集时，形成的一层饱和带，称为含水层 （aquifer），水在该层中能轻易地流动。如图3.26所示，饱和带的上层就是地下水位 （water table）。在此水面以下，土壤和岩石被水饱和。一个水井必须打到含水层，才能保证水的供给。地下水不断地运动，但是非常缓慢（通常每天只有数厘米）。大部分地下水存留于地下，力图达到最深处。然而，当陆地地面下降到地下水位以下，就会形成池塘、湖泊和沼泽。有些地下水通过土中毛细管作用或者植被的作用寻找到通向地面的途径。当地面延伸到地下水面以下时，最常见的就是发育一条河流。
图 3.26 地下水位一般随地表等高线起伏，但是起伏较和缓。地下水缓慢地通过被水饱和的岩石，在低于地下水面的地表洼地中出露。在干旱时期，地下水位降低，河床变干。
地下水，特别是在同二氧化碳结合时，通过被称为溶解作用的化学过程，溶解了可溶性物质。虽然地下水往往能分解许多种岩石，但是对石灰岩的效应最为独特。世界上许多大洞穴都是地下水穿过石灰岩区形成的。通过上覆岩层向下渗流的地下水在滴入空洞时留下了碳酸盐沉积物。这种沉积物有从洞顶下垂的钟乳石，也有从洞底向上生长的石笋。有些地区，地下水对石灰岩侵蚀的效应不均匀，在洞穴崩塌区形成了一种沉洞景观，表现为一系列落水洞和地表洼地。
喀斯特地貌 （karst topography）是指以落水洞、深大洞穴和地下河为代表的大片石灰岩区，如图3.27所示。佛罗里达州中东部的一个喀斯特区由于落水洞的形成和扩大而深受其害。这种地形由位于意大利与斯洛文尼亚交界的亚得里亚海的一个地区而得名。肯塔基州的猛犸洞区是另一类喀斯特区，那里有长达数千米、彼此相通的石灰岩洞。
（a）
（b）
图 3.27 石灰岩在有水的情况下容易被侵蚀。（a）如图所示的喀斯特地形发生在湿润区，那里水平的石灰岩层出露于地表。（b）佛罗里达州中东部的卫星照片显示，喀斯特景观的落水洞中形成了许多圆形的湖泊。（© NASA ）
冰川
引起侵蚀和堆积作用的另一种营力是冰川。虽然如今不太广泛，但早在1万—1.5万年以前，冰川曾经覆盖了地球陆地很大部分。许多地貌是由冰川的侵蚀或堆积作用形成的。
冰川只有在夏季短暂或者不存在，年降雪量超过年融雪量和蒸发量，十分寒冷的地区才能形成。雪的重量使雪的底部压实而形成冰。当降雪厚度达到大约100米时，底部的冰就变成黏稠的牙膏状，并且开始缓慢地运动。而冰川 （glacier）就是在陆地表面向外扩展或缓慢地从山坡向下运动的大片冰体（图3.28）。有些冰川看起来完全静止，因为冰川边缘的融化量和蒸发量与冰川前进的速度平衡。但是，冰川也能以高达每天1米的速度移动。
图 3.28 高山冰川地貌。冰劈作用和冰的运动刻蚀出冰斗。冰斗不规则的底部可能有因冰川融化而形成的湖（冰斗湖）。在冰斗壁同背后山坡邻接之处形成刀刃状的山脊，称为“刃脊”。刃脊被过度侵蚀的山隘所截断，三个或者更多的刃脊相交就形成了角峰。从冰斗壁落下的岩屑被运动中的冰带走。在冰和谷壁之间形成了侧碛。中碛标志着两条山谷冰川交汇处的侧碛相汇合。后退碛在冰川末端长期固定不动，使沙石堆积而成，而终碛是冰川前进最远处的标志。沉积物堆成的锥状小丘称为“冰砾阜”。
大多数冰川形成理论都与气候变冷有关。也许，下述一些理论的结合能解释冰川的演变。第一种理论将气候变冷归因为大气中有过量的火山灰。其论据就是灰尘减少了到达地球的太阳辐射量，有效地降低了地面的温度。第二种理论将冰期归因为已知的地球绕太阳运动的轨道形状、倾角和季节位置在最近50万年内的变化。这种变化改变了地球所吸收的太阳辐射量及其在地球上的分布。最近有一种理论提出：当巨大的大陆板块漂移到极地地区，地球上的温度变得极端化，导致了冰川的发育。当然，这种理论不能解释最近的一次冰期。
现在，大陆规模的冰川存在于南极洲、格陵兰岛和加拿大的巴芬岛。但是山地冰川可见于世界上的许多地区。地球上大约10%的陆地面积被冰川覆盖。在最近一次冰川前进时期，格陵兰的大陆冰曾经是覆盖将近整个加拿大（图3.29）以及美国和欧亚大陆最北部巨大冰川的一部分。巨大的冰川厚度达3000米（现今格陵兰的深度），封盖了整个山系。最后一次冰期的另一个特征就是多年冻土 （permafrost）的发育，即一种长期冻结的土层，其深度可达300米。由于多年冻土层阻碍了水分的下渗，因此只有当表面的薄层融化时，地表土壤才能在短暂的夏季被水饱和（见“多年冻土”专栏）。
图 3.29 北半球大陆冰川的最大规模（大约1.5万年前）。由于大量水分以冰的形式保存在陆地上且冰川扩展到现今的大陆岸线以外，所以海平面比现今为低。分离的积雪中心和成冰作用发展。在北美西部山地和前进的冰川前缘之间有大湖区形成。在南部，巨大的河流排出冰川融水。
冰川的重量使下伏的岩石破裂，为运动冰体的搬运作用做好了准备。因此，冰川就通过侵蚀作用改变了地貌。冰川在运动时刨削陆地，在残留的岩石上留下了刮痕或者擦痕。加拿大东部的许多地方曾经被冰川刨削，留下的土壤很少，但有许多冰蚀湖和河流。由冰川刨削而形成的侵蚀地貌有各种名称。冰川槽谷 （glacial trough）是一种很深的U形谷，只在冰川后退以后才能见到。如果冰川槽谷现今位于海平面以下——如在挪威或加拿大不列颠哥伦比亚，就称为“峡江” （fiord），或者“峡湾”。由刨削作用形成的某些地貌表示在图3.28中。图3.30表示了冰斗湖——由冰斗向外敞开凹地中的小湖和刃脊——分隔相邻的冰川侵蚀谷的锐脊。冰斗是冰蚀作用在冰川谷首处形成的。
图 3.30 冰斗中的冰斗湖及其后的刃脊。照片中由冰川形成的湖位于华盛顿州冰川峰火山自然保护区。（© Bob & Ira Spring ）
冰川所搬运的岩屑堆积下来也会形成某些地貌。冰川的堆积物称为“冰碛 ”（glacial till）⑤ ，它们由砾石和粉砂组成。当巨大的冰舌向前运动时，岩屑堆积在冰川的各个部分。刨刮谷壁的冰，以及在前进中的冰舌前端的冰，尤其富含岩屑。当冰川融化时，地表就留下了大小和形状不同的冰碛丘岗，例如冰碛丘、蛇形丘和鼓丘等（图3.31）。
图 3.31 由冰盾形成的堆积地貌特征。大陆冰川所携带的碎屑物质在冰川后退时堆积下来形成各种地貌。冰碛是在冰川后退边缘形成的无分类的冰川堆积。外冲平原由河流搬运的冰砾物形成。冰砾阜是冰水沉积物形成的圆锥状小丘。鼓丘是冰碛物构成的长条形丘，指示冰川运动的方向。蛇形丘是冰川融水的沉积物所构成的长条丘脊。锅状洼地是由停滞的冰块融化形成的封闭洼地，为沉积物所掩盖，周边为沉积物环绕。
冰川还形成其他多种地貌。最重要的是外冲平原 （outwash plain）。这是融化中的冰川前缘的一片和缓倾斜区。沿着宽广的冰川前缘发生的融化作用产生数千条小河，它们呈辫状从冰川中流出，留下由砂和砾石组成的层理清晰的冰川堆积物。外冲平原实质上是巨大的冲积扇，覆盖了广大的地区，并为土壤的生成提供了新的母质。美国中西部的大部分地区由于风对冰川堆积作用的影响而使土壤具有一些肥力（图3.35）。
在最近一次冰期结束以前的更新世 （Pleistocene）的150万年期间，至少发生过三次大的冰进。还没有确凿的证据说明我们已经离开了冰进与冰退的循环期。关于地球上温度变化的因素将在第4章中讨论，但是在评估一次新冰进的可能性之前必须对这些因素加以考虑。在20世纪前半期，世界上冰川的融化快于冰川的形成。虽然有人担心温室效应（第4章将要讨论）正在使地球变暖，并将引起海平面上升，但当前的趋势还不清楚。
专栏 3-4 多年冻土
1577年，当马丁·费罗比歇（Martin Frobisher）爵士在为了寻找西北航道而前往新世界的第二次航行中报告，在最远的北部发现了“甚至夏季冻结深度仍达4—5⑥ ”，而且冻结状况为“把石块结合得紧密到使用工具花大气力也几乎不能将其分开”的土地。永冻土现在称为多年冻土，大概占据地球陆地表面的1/5（图［a］）。在北冰洋周围的陆地中，它的最大厚度大约是600米。
在马丁·费罗比歇发现冻土后的大约300年中，几乎无人注意这种现象。直到19世纪和20世纪，在建造横贯西伯利亚的铁路、在阿拉斯加和育空（Yukon）由于发现黄金而修造建筑物，以及铺设连接现今阿拉斯加北部的普拉德霍湾（Prudhoe Bay）和南部的瓦尔迪兹（Valdez）的石油管道时期，人们才注意到多年冻土的独特性质。
不加控制的建设活动导致多年冻土的融化，进而又造成了冻土容易发生土体运动和滑坡、土体沉陷，以及寒冻隆起的不稳定性（图［b］）。科学家发现，为了对冻土进行成功利用，需要尽可能少损毁冻土。阿拉斯加输油管架设在地表以上，以便迁徙的野生动物穿过，又可降低相对温暖的石油干扰冻土，进而毁坏输油管的可能性。必须尽可能保持地表的绝热程度，使垫状植被不致被清除。相反，还要在输油管下面的地表加铺粗砾石。
（a）现代多年冻土区。（© NASA ）
（b）阿拉斯加铁路线受多年冻土融化的影响而发生挠曲。（© O. J. Ferrains / U.S. Geological Survey / L. A. Yehle photo ）
波浪，洋流与海岸地貌
（a）
（b）
图 3.32 波浪和破浪的形成。（a）当浅海的涌浪接近缓斜的海滩底部时，形成波峰尖锐的波浪，直至使海水产生陡波，破碎前进，形成前冲的破浪，亦称“激浪”（surf）。（b）首尾相接的波浪在均匀倾斜的岸坡下触底形成等间距的破浪。（© George Lepp / Getty Images ）
虽然地球历史中冰川的活动是间歇性的，但海洋波浪对大陆海岸和岛屿的破坏则永无休止，并且其使海岸地貌产生重大的变化。当波浪进入接近海岸的浅水区时，其因强力摩擦海底而变高，直至形成破浪，如图3.32所示。海水的上冲不但携带沙粒进行堆积，并且也侵蚀海岸上的地貌，而回流的海水则将侵蚀的物质带走。这种活动的结果是因条件不同而形成各种地貌。
如果海岸上的陆地显著高于海平面，波浪的作用将形成海蚀崖。海蚀崖随后受到侵蚀，其受侵蚀的速度取决于岩石对海水持久袭击的抵抗程度。暴风雨时，大量的能量从上冲的波浪中被释放出来，因而发生严重侵蚀。沿海风暴发生时，会发生滑坡灾害，特别是在软弱的沉积岩区或者冰碛物分布区。
海滩是海水夹带沙粒发生堆积作用而形成的。沙粒来源于巨量的海岸侵蚀和河流带来的泥沙（图3.33）。沿岸流 （longshore current）大体上平行于海岸运动，搬运沙粒，形成海滩和沙嘴。有掩护的浅水区增大了沙粒堆积的机会。
图 3.33 岸滨后部的海蚀崖，是由暴风雨和高潮位时的波浪侵蚀而成。来自海蚀崖和河流的沉积物形成了海滩堆积物。沿岸流将部分沉积物顺流运下，形成沙嘴。滨外坝是海滩上的物质经后退的波浪再搬运和沉积而成。这里所表示的所有地貌一般不会出现在同一个地点。
然而，如果没有沿岸流存在，后退的波浪会将沙粒从海滩搬运走。结果，会有从海岸线伸出一段距离的沙坝 （sandbar）⑦ 形成。沙坝如果扩大，最终可能封闭海岸，形成新的海岸轮廓、封闭潟湖或者小海湾。在这种地区内及其周边，常有盐沼发育。例如，北卡罗来纳州的外浅滩（Outer Banks）由若干条带状长沙坝构成，因沿岸洋流和暴风雨的作用而在不断地移动。
珊瑚礁 （coral reef）不是由沙粒构成，而是在热带浅海，由生长于温暖而阳光充足的海水中的珊瑚虫分泌的碳酸钙而成。珊瑚礁由数百万彩色的珊瑚骨骼构成，形成于近海范围内。在澳大利亚东北的岸外浅海中，分布着最著名的珊瑚礁——大堡礁。环礁 （atoll）见于南太平洋，是浅海中环绕已被海水淹没或者接近淹没的火山而形成的礁体。
风
在湿润地区，覆盖于地表的植被主要限制了风对沙质海滩的影响。但是在干旱地区，风是一种强烈的侵蚀和堆积营力。干旱地区植被有限，这使裸露的沙、尘土颗粒受制于风的运动。因此，在干旱地区可见到许多机械风化产生的刻蚀地貌，即因沙和尘土颗粒在岩石表面发生磨蚀作用而形成的地貌。在遭受旱灾的农场地区发生的沙尘暴使那里变成农业上的荒芜之地。20世纪30年代是俄克拉何马、得克萨斯和科罗拉多三州大片农田变成美国“尘暴区”（Dust Bowl）⑧ 的时期，当地居民深受其害。
被风吹起的沙可形成几种地貌。图3.34描绘了其中的一种。虽然沙漠（sandy desert）不如砾漠（gravelly desert，又称荒漠砾幂［desert pavement］）那么普遍，但它们的独特地貌却比较闻名。撒哈拉沙漠的大部分、戈壁沙漠和美国西部的荒漠都覆盖着石块、砾石和卵石，而不是沙。每一处都有一小部分（而沙特阿拉伯荒漠则是大部分）覆盖着沙，由风吹积成一系列的沙垅，或者沙丘 （dune）。除非沙丘被植物固定，否则，风从迎风面把沙子向上吹，越过沙丘顶部，沙丘就会发生移动。沙漠沙丘中最独特的一种就是新月形沙丘 （barchan）。在海岸带和内陆的湖岸上，无论是湿润还是干旱气候下，风能够形成高达90米的沙脊。有些情况下，沿海的社区和农田受到流沙的威胁，或者被其破坏（见“处于危险边缘的海滩”专栏）。
图 3.34 来自左侧的盛行风形成了这些迎风坡和缓、背风坡陡而不规则的横向沙丘。（Courtesy of James A. Bier ）
另一种质地为粉砂的风积物称为黄土 （loess）。黄土通常见于中纬度西风带，覆盖了美国（图3.35）、中欧、中亚和阿根廷的广大地区。黄土在中国北方最为发育，覆盖了数万平方千米的土地，厚度常达30米以上。黄土在成因上为风成，这一点已经为它从广大的荒漠区向下风方向的典型分布状态所确证。不过其主要堆积物被推断是由冰川后退融水堆积下的裸露沉积物经过风蚀而成。由于肥沃的土壤通常来自黄土堆积，因此如果气候条件合适，黄土区便可成为世界上生产率最高的农田区。
图 3.35 美国风积粉砂（包括黄土）的位置。较厚的堆积层分布在密西西比河上游河谷地区，与冰川碎屑堆积受风的运动影响有关。再往西部，在大平原上，风积物质质地为沙质而不是黄土质。（Adapted from Geology of Soilsby Charles B. Hunt, copyright 1972 W.H. Freeman and Company. Reprinted by permission of the author. ）
地理学＆公共政策 处于危险边缘的海滩
诸如“处于危险边缘的海滩”“狂风暴雨角是一处脆弱的环境”⑨ ，“向开发潮开战”“国家寻求经费修复海岸”等一些报章标题，标志着对海岸线状况不断增加的关注。此外，这些标题提出了一个中心问题：我们如何能在利用海岸线的同时避免破坏它。
由于世界上有许多人居住在海岸上，或者在那里度假，还由于沿海地区往往人烟稠密，因此海岸作用过程对人类产生了重大的影响。自然力量不断地修整和改造海岸的面貌；海岸带是活跃的环境，总是处于动荡不定的状态。有些作用很剧烈，而且造成迅速的变化——如热带气旋（飓风和台风）、海啸，以及洪水，它们能带来浩劫，仅仅在几个小时之内就夺走成千上万人的生命，并造成数百万美元的损失。海滩侵蚀虽然易于扩大风暴的影响，却是一种危害稍轻的作用。
有些海滩侵蚀是自然作用——既有海洋的，也有陆上的——引起的。波浪搬运着大量的悬浮泥沙，而沿岸流持续地沿海岸线运移泥沙。海岸陡崖受到风化和侵蚀作用产生沉积物，而河流将泥沙从山地搬运到海滩。
人类的活动既影响到侵蚀作用，也影响到堆积作用。例如，通过建造大坝拦截上游的泥沙，减少了流到海滨的泥沙。人们填垫湿地，建造大堤，推平沙丘或者砍伐沙丘上起自然稳定作用的植物。人们在陡崖顶部和沙丘上建造道路、房屋和其他构筑物，或者在其上种植树木、修建草坪，由此而促发了侵蚀作用。
岛（障壁岛）——与大陆平行的狭窄沙地——最易遭受侵蚀。它们在自然状态下是不稳定的地方。其典型的特点就是容易移动。在暴风雨时，波浪能直接冲刷它们。有些堰洲岛——包括大西洋城和迈阿密海滩——已经被高度开发，居住了稠密的人口。
一旦酒店、公寓住宅区、铁路和公路沿着海边建成，人们就试图通过保护海滩来防止侵蚀，以保护他们的投资。他们建造防波堤、岸外构筑物来吸收大型破碎波的力量，在岸滨打造静水环境、拦集海沙，以阻止侵蚀。但是这些构筑物并不总是成功的。尽管有一些可能造成新的堆积区而局部受益，但它们几乎会加速邻近地区的侵蚀。一个社区的努力常常因附近的城镇而付诸东流，后者强调需要由政府部门来协调各方面的努力，对广阔的海岸线开展综合的土地利用规划。
建造人工构筑物的一个替代措施是进行“海滩补沙”（beach replenishment），也就是给海滩添加海沙，以补偿被侵蚀掉的部分。这种措施带来了海滩再生的机会，同时还使不动产得到缓冲，免受风暴的毁坏。海沙可通过海港疏浚取得，或者从岸外的沙坝获得。这种措施的不利之处是:取沙干扰了海洋生物，难以取得质地合适的海沙，以及补沙后的海滩可能寿命不长。例如，新泽西州大西洋城的海滩在1982年花费了500多万美元进行了补沙，但经过东北风多次对该地区的袭击，三个月后沙滩就消失了。同样，2000年在圣迭戈沿岸，有一个庞大的疏浚采挖项目，耗资1700多万美元给8千米长的海滩补沙。然而经过数月的惊涛拍岸，有一半以上的沙子被冲走。
维护海岸带的费用引起了两个基本问题：“谁受益？谁应当付费？”有些人主张，那些沿海地产拥有者的利益同公共利益并不一致，而且花费大量的公共经费去保护仅仅是少数人的地产是不明智的。人们争论说，海滨企业和地产所有人是海岸保护措施的主要受益者，而且他们常常拒绝使用他们地产前面的公共通道前往海滩。因此，他们应当付岸线维护费用的主要部分。然而，当今很少有这样做的。典型的做法是：费用由社区、州和联邦政府分担。确实，截至2005年有51个联邦项目在资助沿海的开发和重建。其中美国国家洪水保险项目最大。它对洪灾危险区的房产主提供低廉的保险。人们已经利用这项保险提供的保障在很多地方——甚至在高危险的沿海地区——进行建筑。
思考题
1994年至今，陆军工程兵每年花费数百万美元在新泽西州将海沙从海底抽吸到被侵蚀的海滩上。这个进行中的项目依据的是由于海滩受到侵蚀而每5—6年要进行一次补沙的推断。目前联邦政府支付费用的65%,州政府支付25%,而地方政府支付10%。新泽西州参议员弗兰克·劳滕伯格（Frank Lautenberg）力陈海滩补沙对于该地区未来的重要性，“人民的生命和财产处于危险之中，新泽西的海滩带给国家重要的旅游收入”。但是环境保护基金会的詹姆斯·特里普（James Tripp）反驳说海滩重建简直就是将纳税人的钱撒入大海，“将世界上所有的沙抽取来，也不可能扭转败局”。你是否认为海滩补沙项目是合理使用纳税人的钱？联邦政府是否有义务保护或者重建被暴风雨破坏的海滩？为什么？
海岸侵蚀对于海滩来说不是问题，而对于要利用海滩的人才是问题。你是否认为我们要学会与侵蚀共处，不在海岸带建造房屋，除非认为我们的建筑物是临时性的或者是可牺牲的？社区是否应当采取规划，禁止在未开发的土地上（如在岸滨50米以内）进行建筑？
联邦政府是否应当削减为海滨房屋和企业所提供的廉价风灾保险项目，以及保险以外的维修费用，如对被风暴灾害损坏的建筑的快速拨款和贷款？是否允许重建被风暴毁坏的建筑，即便它们在未来还是易被破坏的？为什么？
由于全球气候变暖引起海水膨胀或者极地冰盖融化，当前的海平面上升——每12年大约上升2.5厘米。如果这种上升继续进行，或者加大，海岸侵蚀将变得越来越严重。世界上许多大城市将受到这种海平面上升的威胁。这样的大城市有哪些？它们应怎样保护自己？
位于北卡罗来纳州基蒂霍克（Kitty Hawk）的海滩房屋被2003年9月的伊萨贝尔飓风破坏。（© AP / Wide World Photos ）
3.6 地貌区
每一块没有被建筑及其他构筑物所占据的陆地，都包含着一些线索，揭示它在时间上是如何变化的。地貌学家解读这些线索，研究诸如地壳物质和土壤，水的可用性和排水模式，侵蚀的证据，冰川的历史等事物。分析的规模可能小到一条河流，或者大到一个地貌区，甚至大到地球表面的一个大剖面——其中作为其特征的地貌类型有大量的同一性。
本书的对开页地图概略地表明了分布在世界各地的地貌区 （landform region）类型。请注意山脉带通常与海底所没有的汇聚型板块边界（图3.5［a］），以及地震多发区（图3.7）高度一致。辽阔的平原存在于南美洲、北美洲、欧洲、亚洲和澳大利亚。许多这类地区是在以前的海底形成的，并且在海洋收缩时曾经出露为陆地。这些平原以及一些较小的平原区都是世界上一些大河的流域盆地，例如密西西比-密苏里河、亚马孙河、伏尔加河、尼罗河，以及底格里斯-幼发拉底河。由这些河流雕刻出来的河谷和由它们堆积下来的泥沙构成了世界上农业生产率最高的地区。地球上有各种各样的高原，其中非洲高原区最大。许多非洲景观以低山和丘陵为特征，其山麓或丘麓高出海面大约700米。非洲从构造活动性的角度来看是平静的，它大部分由地质学上古老的，并且已经经历了数百万年侵蚀作用的大陆块组成。
人类影响景观、地貌、运动中的大陆和地震，并且反过来又受它们的影响。然而，除了不时的自然灾害以外，这些自然要素对于我们大多数人来说是宁静的、可接受的。其中直接影响我们生命和财富的，是气候的大格局。气候有助于解释现代技术水平在经济上的局限、解释影响野餐和作物收成成败之类的天气日变化，以及解释植被和土壤的格局。我们将在第4章关注自然环境中的这些要素。
章节摘要
岩石是组成地球表面的物质。它们分为火成岩、沉积岩和变质岩。在地球47亿年历史中的最近2亿年中，各大陆板块在软流层上漂移到它们现今的位置。在板块交会带或其附近，构造活动突出地表现为两种形式：一种是地壳运动，例如断层活动导致地震，有时也引起海啸；另一种是火山作用，使熔融物质运动到地球表面。
地球表面的塑造受到三种均夷作用——风化作用、块体运动和侵蚀作用——的制衡。风化作用——无论机械风化或是化学风化，通过分解岩石而为搬运作用准备了物质。它也对土壤的发育起了促进作用。块体运动的例证是倒石堆和土体蠕动。流水、地下水、冰川、波浪与洋流、风等侵蚀营力将物质搬运到新的位置。由被侵蚀下来的物质聚集而成的地貌实例有冲积扇、三角洲、天然堤、冰碛丘和沙丘。
问题与讨论
岩石如何分类？按照成因列举岩石的三大类型。用什么方式可以将它们区分开？
什么证据使板块构造理论看起来言之成理？
两个板块相撞时发生的事件有何意义，叫什么名称？
解释均夷作用和火山作用的过程。
褶皱、节理和断层是如何形成的？.
画一个示意图说明各种断层作用的方式。
地震同何种地球运动有关？海啸是什么，它是怎样发生和发展的？
机械风化与化学风化之间的区别是什么？风化作用能形成地貌吗？冰川用什么方式进行机械风化？
解释通常能在荒漠环境看到的各种地貌的成因。
冰川是怎样形成的？哪些景观特征与冰川侵蚀作用和堆积作用有关？
冲积扇、三角洲、天然堤和冰碛地貌是怎样形成的？
如何区分地下水侵蚀作用与地表水侵蚀作用？
波浪和洋流变化所发生的作用与风力变化所发生的作用有何关系？
你所居住地区的地貌特征是由哪些作用形成的？