4 變化的世界

現(xiàn)在，人們對(duì)地球歷史的理解主要來(lái)自于地層學(xué)——關(guān)于巖石層的研究。通過(guò)對(duì)巖石形成過(guò)程的研究，地質(zhì)學(xué)家能夠推測(cè)在遙遠(yuǎn)的過(guò)去發(fā)生了什么，并據(jù)此解釋每個(gè)巖層包含的內(nèi)容。

因?yàn)樯Q生于海洋并且在那里持續(xù)繁盛，而在沉積層中保留的化石記錄同樣代表了一個(gè)進(jìn)化的序列，所以地層學(xué)就能夠得到古生物學(xué)的輔助。對(duì)地層學(xué)和古生物學(xué)的研究顯示，地球的歷史是在循環(huán)中前進(jìn)的，相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期會(huì)被劇變打斷。在造山運(yùn)動(dòng)中，曾經(jīng)水平的巖層可能會(huì)被壓皺而形成褶皺山脈，而另一些巖層則可能被侵蝕而完全被破壞，并在巖石上留下裂縫，這些裂縫被稱為不整合面。這種特征可以在美國(guó)亞利桑那大峽谷看到。

今天的地質(zhì)進(jìn)程跟過(guò)去是類似的，然而，這些進(jìn)程發(fā)生的速率可能已經(jīng)改變。在地質(zhì)學(xué)中，時(shí)間是非常重要的。很多變化發(fā)生得非常慢，但突然的風(fēng)暴或者火山爆發(fā)可能會(huì)迅速改變一個(gè)地區(qū)的面貌。這些事件都被巖石記錄了下來(lái)。

滄海桑田

巖石是礦物的集合體，礦物就是擁有有序原子結(jié)構(gòu)的固體物質(zhì)。大多數(shù)巖石是硅酸鹽，它們由不同的金屬陽(yáng)離子與硅和氧結(jié)合構(gòu)成，硅與氧的結(jié)合通常以陰離子的形式存在。因?yàn)榘瞬煌年?yáng)離子，不同的硅酸鹽礦物就會(huì)有不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中一些緊密結(jié)合在一起，因此十分堅(jiān)硬；而另一些則較為疏松，因而可能對(duì)物理性或化學(xué)性攻擊更敏感。

歸根結(jié)底，所有的礦物都來(lái)自行星內(nèi)部，是在熔融狀態(tài)巖漿冷卻時(shí)結(jié)晶而成。這類晶體都是在相當(dāng)大的壓力和溫度——500℃（花崗巖）和1100℃（玄武巖）——下形成的。所以，當(dāng)它們到達(dá)地球表面時(shí)，由于低溫和低壓，它們并不一定能夠保持穩(wěn)定。而且，事實(shí)上大部分巖石的結(jié)構(gòu)本身就存在很大的脆弱性，這種脆弱性與它們的原子結(jié)合方式有很大關(guān)系。

在地球表面，露出地面的巖石被水、風(fēng)和冰破壞。破壞很容易沿著巖石天生的脆弱點(diǎn)諸如巖層面、接合點(diǎn)和斷裂面等區(qū)域發(fā)生，最終巖石支離破碎。巖石碎片會(huì)在重力、流水、冰和風(fēng)的共同作用短時(shí)間內(nèi)被送到其他地方。在此過(guò)程中，巖石碎塊彼此之間或者與其他露出地面的石頭之間相互碰撞，最終分解成單體礦物顆粒。之后，這些巖石顆粒就沉積為沉積巖層或者地層。

結(jié)合性石英是花崗巖的主要成分。石英在其他沉積巖中也很常見，這些沉積巖由上述的風(fēng)化作用及之后的沉積作用形成。石英有結(jié)合性很強(qiáng)的原子結(jié)構(gòu)，這使得它對(duì)化學(xué)侵害具有抵抗力。在這方面，石英與同樣為花崗巖組成成分之一的長(zhǎng)石完全不同：長(zhǎng)石的晶體因裂面的存在（在礦物的原子晶格中脆弱聯(lián)接的平面）和能夠輕易被弱酸性水分解的分子而顯得脆弱。因此，長(zhǎng)石顆粒被逐漸分解形成黏土，它們的其他成分則溶解，被小溪或河流帶走，最終在其他地方再結(jié)晶。除石英外，其他成巖硅酸鹽物質(zhì)都要經(jīng)歷相似的降解過(guò)程。

沉積物被河流（或冰川）運(yùn)送到海洋或者湖泊中的過(guò)程不僅包括礦物顆粒的層層堆積，也包括促成礦物質(zhì)的最終溶解。有時(shí)候，沉積物被掩埋后，沉積物顆粒間的水分被固定住，上述過(guò)程就會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶化的類混凝土。對(duì)于將分離的顆粒轉(zhuǎn)換成固體巖石而言，發(fā)生在沉積之后的作用過(guò)程是非常重要的，比如巨大的壓力之下，礦物顆粒空隙之中的水分被擠出，礦物顆粒就會(huì)更緊密地結(jié)合在一起。

很多石灰?guī)r是直接從海水中沉積而來(lái)的，它們由碳酸鈣構(gòu)成，這些碳酸鈣是由空氣中諸如二氧化碳之類的成分與海水中的碳酸反應(yīng)而成。碳酸鹽也被海洋生物利用建造其外殼。二氧化碳固定在固體碳酸鹽中的一個(gè)好處就是能避免其在地球大氣層中的累積，如果沒(méi)有這個(gè)作用，溫室效應(yīng)早就會(huì)在地球上發(fā)生并阻止生命的發(fā)展，就像金星上的狀況一樣。

火星上大多數(shù)的侵蝕作用和廣泛分布的塵埃的搬運(yùn)都由風(fēng)來(lái)完成，而曾在火星上流動(dòng)的水和冰則都在沉積物中。金星上沒(méi)有水，一些撞擊留下的殘余物依靠風(fēng)移動(dòng)，并可能在固體微粒和氣體混合而成的混濁流的作用下沉淀。

河流

雨水可能從地表流過(guò)或者滲入多孔的巖石，并在泉水線上水位較低處出現(xiàn)，最終流入河流的支流網(wǎng)。這些水流能運(yùn)送沉積物并沿途將它們沉淀下來(lái)，它們或成為水道中的點(diǎn)沙壩，或以洪水沉淀的形式擴(kuò)散到周圍地區(qū)。

主流與支流共同組成一個(gè)河流系統(tǒng)——一個(gè)血管狀的水流網(wǎng)絡(luò)。在它的上游，斜坡比較陡，水流比較急；河流以懸浮或沿河床拖曳大一些的殘留物的方式運(yùn)送承載物。當(dāng)河流最終進(jìn)入海洋或者湖泊的時(shí)候，它會(huì)迅速失去能量并將它的承載物沉淀下來(lái)，形成沉積物三角洲。河流則必須在這里開一條新路。

世界上一些最大的河流，諸如密西西比河和亞馬孫河，將巨量的水送入大洋。密西西比河每秒流量為1.77萬(wàn)米 3，亞馬孫河的每秒流量則10倍于此。它們每年分別要運(yùn)送大約10億噸的沉積物進(jìn)入海洋?，F(xiàn)代密西西比三角洲下面是一個(gè)6000米厚的沉積層，它大約積累了4000萬(wàn)年的時(shí)間。目前，這條河平均每年仍在為它的三角洲增添1.5×10-3米厚的沉積物。

火星表面也發(fā)現(xiàn)了遭受河流侵蝕的跡象——雖然它現(xiàn)在已經(jīng)由于極度的寒冷而沒(méi)有了流動(dòng)的水?；鹦巧想E坑區(qū)域之間的峽谷網(wǎng)很可能是被15億年前流淌過(guò)的河流切割而成的。那些被嚴(yán)重沖刷的河道可達(dá)200千米寬、1000千米長(zhǎng)，看起來(lái)似乎是由巨量的水在瞬間釋放造成的。據(jù)推測(cè)，這些水可能由地下冰融化而來(lái)。它們可能跟美國(guó)華盛頓州河道交錯(cuò)、凹凸不平的地區(qū)相似，這些地區(qū)的地貌就是在最近的冰期中由一次天然決堤形成的。

一個(gè)主要河流系統(tǒng)的河道并不總是保持不變的，比如密西西比河。由于更新世冰期（200萬(wàn)年之前）海平面比現(xiàn)在低，所以為了平衡下降的水位，它切割出了一個(gè)深深的河床。當(dāng)冰融化而海平面重新上升時(shí)，這條河就會(huì)泛濫，然后堆積在它的河岸兩邊形成了一條更加曲折的河道。這種情況每隔一段時(shí)間就會(huì)發(fā)生，它的三角洲也就會(huì)不斷發(fā)生變化，最終形成一個(gè)復(fù)雜交錯(cuò)的沉積模式。

當(dāng)天氣過(guò)于潮濕時(shí)，本該滲入大地的水就會(huì)在地表流過(guò)并進(jìn)入河流，這會(huì)使河流的水量超過(guò)它所能承載的最大容量，洪水就這樣形成了。1993年密西西比河的泛濫摧毀了5萬(wàn)幢房子，造成52人死亡。發(fā)生在2000年的莫桑比克大洪水更為嚴(yán)重，它由颶風(fēng)引起，持續(xù)了三個(gè)星期，對(duì)這個(gè)國(guó)家造成了嚴(yán)重的破壞。

在干旱地區(qū)，河流傾向于僅在特定季節(jié)流動(dòng)并可能無(wú)法從內(nèi)陸沙漠到達(dá)海洋，因此，它們將沉積物沉淀在一些暫時(shí)性的湖泊中。在極地冰帽附近地區(qū)的夏季，季節(jié)性的河流也很常見。

海洋

連綿幾十萬(wàn)千米的海岸線界定了地球上的海洋。海岸線由與海洋相關(guān)的力塑造而成，是在不同年齡、不同彈性的巖石中鑿出來(lái)的。河口打斷了海岸線的輪廓，并從大陸內(nèi)部帶來(lái)了沉積物——它們往往在河口堆積起來(lái)，形成廣闊的三角洲。波浪和海流可能會(huì)使一些沿岸沉積物重新分配，進(jìn)入臨近的海岸。

一些海岸線形成于上升的大陸邊緣。冰期冰川回退后的均衡調(diào)節(jié)或再平衡作用使大陸的一部分上升；或者就是大陸邊緣由于板塊運(yùn)動(dòng)自己從海洋中露出來(lái)。

外露的海岸線顯示了波浪沖擊懸崖帶來(lái)的侵蝕，以及提升的海灘——遺留的舊海岸線已被提升于海平面之上，并被化石性懸崖支撐。相反，海岸線下沉顯示了這里的陸地相對(duì)海平面下沉，這種現(xiàn)象可以在英國(guó)東南海岸發(fā)現(xiàn)。海岸線下沉現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，海岸平原可能會(huì)被淹沒(méi)，山脊和山丘則成為海岸附近的島嶼。

海浪的力量是巨大的，波浪的水壓作用撞擊著絕壁內(nèi)的聯(lián)接點(diǎn)和脆點(diǎn)，并將它們一點(diǎn)一點(diǎn)地肢解。我們已經(jīng)知道波浪能夠?qū)⒍囱ǖ捻敳繘_毀。

在陸地和海洋的結(jié)合處積累起來(lái)的殘留物質(zhì)能夠使這種沖擊作用更有力量。在暴風(fēng)和特別高漲的潮水作用下，沙子和砂礫會(huì)增強(qiáng)波浪的沖刷作用，從而增加對(duì)海岸的侵蝕。

沙灘的沉積物部分來(lái)源于河流和它們的三角洲，部分來(lái)自于海岸峭壁的侵蝕。那些由松軟巖石（比如黏土）構(gòu)成的峭壁發(fā)生崩塌是很普遍的，它們迅速被海水侵蝕，解體物質(zhì)則以相對(duì)較快的速度被運(yùn)走。潮汐會(huì)在泥土大小的顆粒沉淀之前將它們沖離海岸。更堅(jiān)硬的巖石對(duì)沖擊的抵抗力較強(qiáng)，因而容易形成海岬。由峭壁基部附近的這類巖石產(chǎn)生的鵝卵石和沙子就形成了海灘。傾斜的海灘減少了峭壁的侵蝕，因?yàn)樗鼈兾樟似茐男圆ɡ说拇蟛糠帜芰俊?/p>

大陸的邊緣緩緩地傾斜入海，形成了大陸架。在熱帶地區(qū)，如果有合適的洋流，這些大陸架就會(huì)為珊瑚的生長(zhǎng)提供一個(gè)理想的環(huán)境。這些珊瑚會(huì)制造出群礁。有時(shí)候它們甚至能夠在凹陷的島嶼上制造出環(huán)礁。

在不穩(wěn)定的地區(qū)，來(lái)源于陸地、在大陸架邊緣堆積的沉積層就會(huì)在地震的擾動(dòng)中移動(dòng)，從而產(chǎn)生由沙子、泥漿和水組成的混濁流。這些混濁流涌下大陸坡直到擴(kuò)展了向海的深海平原，最終沉積為混濁巖。這些地下的坍陷是形成大陸坡的重要機(jī)制，它們可以由激烈的波浪活動(dòng)引起，比如海嘯、颶風(fēng)或者海底地震。

在遠(yuǎn)離陸地的深海底，唯一的沉積物就是生物軟泥——由海洋水藻和硅藻生成，它們有時(shí)候還能得到火山灰的補(bǔ)充——火山灰噴入大氣后，有一部分會(huì)落在海洋中，并慢慢沉淀到深海平原上。

沙漠

全球大氣循環(huán)過(guò)程中，干燥空氣從上層大氣（對(duì)流層）被帶下的地方就可能產(chǎn)生沙漠。這種情況在低緯度的炎熱地區(qū)（北緯或者南緯20°～30°）和極地冰帽附近的寒冷地帶都可以看到。在冰帽附近，沉積物從消退的冰川中遺留下來(lái)，地表分布的多棱巖石成了這里的標(biāo)志性特征，這些巖石可能是在凍融活動(dòng)中形成的。

在諸如撒哈拉沙漠這類地方，廣闊的“沙?！被蛘呱百|(zhì)荒漠在風(fēng)送沙子的積累下產(chǎn)生，形成了沙丘地帶。這些壯闊的沙?？赡芨采w50萬(wàn)平方千米的土地。沙漠同樣存在于遠(yuǎn)離海洋的大陸內(nèi)部。

風(fēng)是形成沙漠的最強(qiáng)有力的力量，它卷起沙粒并穿越沙漠表面運(yùn)送它們。被風(fēng)塑造而成的沙漠最大的特征叫做層形。當(dāng)風(fēng)吹著沙子蔓延的時(shí)候，層形上就形成了沙丘和波紋。在沙子沉淀的地方，沙丘頂端一般與盛行風(fēng)方向呈直角。單個(gè)的沙丘有一個(gè)陡峭的前表面和一個(gè)平緩的背坡。由于沙丘特殊的生長(zhǎng)方式（就像在礦渣場(chǎng)邊緣剔除不要的巖石一樣），它的層形表面傾向水平，這個(gè)特征被稱為交錯(cuò)層。

具有相對(duì)穩(wěn)定風(fēng)向的地區(qū)廣泛分布著被稱為弧形沙丘的彎月形沙丘。這些沙丘地帶常常連接在一起形成一條寬廣的穿越沙漠的波浪狀束帶。在赤裸的巖石表面，沙子可能被拉伸成長(zhǎng)長(zhǎng)的賽夫沙丘，而在風(fēng)向變化的地區(qū)，沙丘則形成星狀結(jié)構(gòu)。風(fēng)的另一個(gè)作用是侵蝕，風(fēng)對(duì)空氣中的小顆粒的不斷研磨，使它們比那些在河流和海洋環(huán)境里產(chǎn)生的沙粒具有更佳的球形。更大的碎塊無(wú)法被風(fēng)刮起，只能被風(fēng)在地面拖動(dòng)，因而形成了有小平面的鵝卵石——三棱石。沙子被風(fēng)移走，可能會(huì)形成諸如利比亞的卡塔拉盆地這種低于海平面134米的地區(qū)。個(gè)體巖石表面遭受程度不一的侵蝕，造成了它們極其不同的特征，如蜂窩狀的峭壁面、石拱或者石座。

哪怕是在最干旱的沙漠中，偶爾也可能出現(xiàn)降雨，這些降雨通常伴隨著短而激烈的風(fēng)暴，它們可能在短時(shí)間內(nèi)迅速侵蝕和移動(dòng)物質(zhì)。在這種情況下，河流沖擊而成的河谷和旱谷得以形成。被稱作干荒盆地的季節(jié)性湖泊常存在于沙漠的內(nèi)部，這些湖泊是充分顆?；某恋砦锏木奂?。

沙漠內(nèi)部通常是相當(dāng)平坦的——盡管它們周圍往往有高原和孤立的山丘。沙漠中的巖石質(zhì)高原被風(fēng)侵蝕，產(chǎn)生大量碎石堆基巖沉積，這些大塊巖石和鵝卵石大小的碎塊最終會(huì)在峭壁的腳下堆積起來(lái)。這些石頭太大以至于風(fēng)無(wú)法將它們移動(dòng)，但風(fēng)可以將更細(xì)的沙子吹進(jìn)這些碎屑巖的空隙中去。

火星被認(rèn)為是一個(gè)巨大而寒冷的沙漠，廣闊的沙丘地帶在極地冰帽附近發(fā)展起來(lái)，當(dāng)全球性的沙塵暴發(fā)生時(shí)（往往在近日點(diǎn)附近），整個(gè)火星會(huì)被漫天的沙塵遮蔽。1971年“水手9號(hào)”探測(cè)器接近火星時(shí)遇到的就是這種情況。金星上也發(fā)現(xiàn)了沙丘結(jié)構(gòu)和風(fēng)成條紋。

冰川

地球和火星上都有極地冰帽。地球上的冰是凍結(jié)的水，而火星冰帽則既有凍結(jié)水又有固體（凍結(jié)了的）二氧化碳。在遙遠(yuǎn)的過(guò)去，火星上也可能曾經(jīng)存在過(guò)移動(dòng)的冰川這一推斷既有理論支持，也是對(duì)火星上可能由冰川作用形成的陸地形態(tài)的觀察的推測(cè)。地球擁有活躍的峽谷冰川和極地冰蓋，它們隨著季節(jié)的變化消退或前進(jìn)，目前冰覆蓋了大約1500萬(wàn)平方千米的地球表面，這意味著它大約占地球表面積的3%。在最后一個(gè)冰期，冰蓋擴(kuò)張到了北美和歐洲的廣大地區(qū)，那時(shí)它們都被冰川所覆蓋，但現(xiàn)在冰已經(jīng)僅僅存在于該地區(qū)的高山冰川之中。判定冰川過(guò)去的覆蓋范圍有兩個(gè)依據(jù)：一是被困在移動(dòng)冰蓋之下的巖石的刮擦留下的冰川條紋；二是裸露在地表的光滑的羊背石。

冰川隨著氣候的變化在峽谷里前進(jìn)或后退。當(dāng)冰川前進(jìn)時(shí)，它就會(huì)搬運(yùn)從地面剝蝕的各種物質(zhì)，而一旦它們后退，這些物質(zhì)就會(huì)遺留下來(lái)成為終磧。這些終磧的位置可以幫助地質(zhì)學(xué)家們了解冰川作用的不同階段。經(jīng)過(guò)冰川作用，峽谷也變得更深，兩邊更加陡峭，產(chǎn)生平底、峭壁和U型切面，這些都是典型的冰川侵蝕特征。

目前，冰川仍然在后退，所以人們可能發(fā)現(xiàn)作為它們遺跡的沉積地形，其中包括低矮的圓丘狀山——冰丘，以及長(zhǎng)而蜿蜒的礫巖山脊——蛇形丘，這兩種地形都與冰川運(yùn)動(dòng)方向平行排列，它們的古代副本模式可以被用來(lái)推測(cè)更早的冰川地理。另外，在典型的峽谷冰川邊上，粗糙的殘留物累積形成側(cè)磧。

雖然這些特征給地質(zhì)學(xué)家提供了關(guān)鍵的線索，但它們并不構(gòu)成冰川沉積物的主體。這些只是冰礫泥，也被叫做“冰磧”，它們是在冰下積累的冰磧殘留物。這些殘留物中有一些可能是從很遠(yuǎn)的地方被搬運(yùn)過(guò)來(lái)的大石塊，也有一些是沙子和砂礫的混合物。漂石在更新世冰蓋退卻之后留在了英國(guó)的低地，其中包括種類繁多的諸如來(lái)自挪威的火成巖和來(lái)自英格蘭東部的白堊。埋在地下的冰礫泥受壓縮形成冰磧巖。對(duì)巖石序列中這種巖石的辨認(rèn)使地質(zhì)學(xué)家發(fā)現(xiàn)冰川運(yùn)動(dòng)曾經(jīng)在遙遠(yuǎn)的過(guò)去發(fā)生在諸如澳大利亞、南美和非洲這些看起來(lái)不大可能出現(xiàn)冰川的地方。

冰蓋邊緣的土地仍然是很冷的——實(shí)際上是冰凍的。這塊土地被稱為凍土帶，它會(huì)在夏天解凍。這些交替的冰凍-融化循環(huán)使土地表面隆起，并把不同大小的碎塊分類成堆，形成有圖案的土地，從而給平坦的地面帶來(lái)多邊形石頭。冬天，冰在地表之下堆積起來(lái)，夏天它們又開始融化，這就可能引起土地的塌陷。而在其他一些地方，含有氣泡的冰可能被下面的壓力托起而形成冰核丘。