4 變化的世界

現在，人們對地球歷史的理解主要來自于地層學——關于巖石層的研究。通過對巖石形成過程的研究，地質學家能夠推測在遙遠的過去發生了什么，并據此解釋每個巖層包含的內容。

因為生命誕生于海洋并且在那里持續繁盛，而在沉積層中保留的化石記錄同樣代表了一個進化的序列，所以地層學就能夠得到古生物學的輔助。對地層學和古生物學的研究顯示，地球的歷史是在循環中前進的，相對穩定的時期會被劇變打斷。在造山運動中，曾經水平的巖層可能會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亞利桑那大峽谷看到。

今天的地質進程跟過去是類似的，然而，這些進程發生的速率可能已經改變。在地質學中，時間是非常重要的。很多變化發生得非常慢，但突然的風暴或者火山爆發可能會迅速改變一個地區的面貌。這些事件都被巖石記錄了下來。

滄海桑田

巖石是礦物的集合體，礦物就是擁有有序原子結構的固體物質。大多數巖石是硅酸鹽，它們由不同的金屬陽離子與硅和氧結合構成，硅與氧的結合通常以陰離子的形式存在。因為包含了不同的陽離子，不同的硅酸鹽礦物就會有不同的內部結構，其中一些緊密結合在一起，因此十分堅硬；而另一些則較為疏松，因而可能對物理性或化學性攻擊更敏感。

歸根結底，所有的礦物都來自行星內部，是在熔融狀態巖漿冷卻時結晶而成。這類晶體都是在相當大的壓力和溫度——500℃（花崗巖）和1100℃（玄武巖）——下形成的。所以，當它們到達地球表面時，由于低溫和低壓，它們并不一定能夠保持穩定。而且，事實上大部分巖石的結構本身就存在很大的脆弱性，這種脆弱性與它們的原子結合方式有很大關系。

在地球表面，露出地面的巖石被水、風和冰破壞。破壞很容易沿著巖石天生的脆弱點諸如巖層面、接合點和斷裂面等區域發生，最終巖石支離破碎。巖石碎片會在重力、流水、冰和風的共同作用短時間內被送到其他地方。在此過程中，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化作用及之后的沉積作用形成。石英有結合性很強的原子結構，這使得它對化學侵害具有抵抗力。在這方面，石英與同樣為花崗巖組成成分之一的長石完全不同：長石的晶體因裂面的存在（在礦物的原子晶格中脆弱聯接的平面）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晶。除石英外，其他成巖硅酸鹽物質都要經歷相似的降解過程。

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

很多石灰巖是直接從海水中沉積而來的，它們由碳酸鈣構成，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好處就是能避免其在地球大氣層中的累積，如果沒有這個作用，溫室效應早就會在地球上發生并阻止生命的發展，就像金星上的狀況一樣。

火星上大多數的侵蝕作用和廣泛分布的塵埃的搬運都由風來完成，而曾在火星上流動的水和冰則都在沉積物中。金星上沒有水，一些撞擊留下的殘余物依靠風移動，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或者滲入多孔的巖石，并在泉水線上水位較低處出現，最終流入河流的支流網。這些水流能運送沉積物并沿途將它們沉淀下來，它們或成為水道中的點沙壩，或以洪水沉淀的形式擴散到周圍地區。

主流與支流共同組成一個河流系統——一個血管狀的水流網絡。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送承載物。當河流最終進入海洋或者湖泊的時候，它會迅速失去能量并將它的承載物沉淀下來，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1.77萬米 3，亞馬孫河的每秒流量則10倍于此。它們每年分別要運送大約10億噸的沉積物進入海洋。現代密西西比三角洲下面是一個6000米厚的沉積層，它大約積累了4000萬年的時間。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。

火星表面也發現了遭受河流侵蝕的跡象——雖然它現在已經由于極度的寒冷而沒有了流動的水。火星上隕坑區域之間的峽谷網很可能是被15億年前流淌過的河流切割而成的。那些被嚴重沖刷的河道可達200千米寬、1000千米長，看起來似乎是由巨量的水在瞬間釋放造成的。據推測，這些水可能由地下冰融化而來。它們可能跟美國華盛頓州河道交錯、凹凸不平的地區相似，這些地區的地貌就是在最近的冰期中由一次天然決堤形成的。

一個主要河流系統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（200萬年之前）海平面比現在低，所以為了平衡下降的水位，它切割出了一個深深的河床。當冰融化而海平面重新上升時，這條河就會泛濫，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間就會發生，它的三角洲也就會不斷發生變化，最終形成一個復雜交錯的沉積模式。

當天氣過于潮濕時，本該滲入大地的水就會在地表流過并進入河流，這會使河流的水量超過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5萬幢房子，造成52人死亡。發生在2000年的莫桑比克大洪水更為嚴重，它由颶風引起，持續了三個星期，對這個國家造成了嚴重的破壞。

在干旱地區，河流傾向于僅在特定季節流動并可能無法從內陸沙漠到達海洋，因此，它們將沉積物沉淀在一些暫時性的湖泊中。在極地冰帽附近地區的夏季，季節性的河流也很常見。

海洋

連綿幾十萬千米的海岸線界定了地球上的海洋。海岸線由與海洋相關的力塑造而成，是在不同年齡、不同彈性的巖石中鑿出來的。河口打斷了海岸線的輪廓，并從大陸內部帶來了沉積物——它們往往在河口堆積起來，形成廣闊的三角洲。波浪和海流可能會使一些沿岸沉積物重新分配，進入臨近的海岸。

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節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動自己從海洋中露出來。

外露的海岸線顯示了波浪沖擊懸崖帶來的侵蝕，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海平面下沉，這種現象可以在英國東南海岸發現。海岸線下沉現象發生時，海岸平原可能會被淹沒，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的聯接點和脆點，并將它們一點一點地肢解。我們已經知道波浪能夠將洞穴的頂部沖毀。

在陸地和海洋的結合處積累起來的殘留物質能夠使這種沖擊作用更有力量。在暴風和特別高漲的潮水作用下，沙子和砂礫會增強波浪的沖刷作用，從而增加對海岸的侵蝕。

沙灘的沉積物部分來源于河流和它們的三角洲，部分來自于海岸峭壁的侵蝕。那些由松軟巖石（比如黏土）構成的峭壁發生崩塌是很普遍的，它們迅速被海水侵蝕，解體物質則以相對較快的速度被運走。潮汐會在泥土大小的顆粒沉淀之前將它們沖離海岸。更堅硬的巖石對沖擊的抵抗力較強，因而容易形成海岬。由峭壁基部附近的這類巖石產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，因為它們吸收了破壞性波浪的大部分能量。

大陸的邊緣緩緩地傾斜入海，形成了大陸架。在熱帶地區，如果有合適的洋流，這些大陸架就會為珊瑚的生長提供一個理想的環境。這些珊瑚會制造出群礁。有時候它們甚至能夠在凹陷的島嶼上制造出環礁。

在不穩定的地區，來源于陸地、在大陸架邊緣堆積的沉積層就會在地震的擾動中移動，從而產生由沙子、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制，它們可以由激烈的波浪活動引起，比如海嘯、颶風或者海底地震。

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

沙漠

全球大氣循環過程中，干燥空氣從上層大氣（對流層）被帶下的地方就可能產生沙漠。這種情況在低緯度的炎熱地區（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，地表分布的多棱巖石成了這里的標志性特征，這些巖石可能是在凍融活動中形成的。

在諸如撒哈拉沙漠這類地方，廣闊的“沙海”或者砂質荒漠在風送沙子的積累下產生，形成了沙丘地帶。這些壯闊的沙海可能覆蓋50萬平方千米的土地。沙漠同樣存在于遠離海洋的大陸內部。

風是形成沙漠的最強有力的力量，它卷起沙粒并穿越沙漠表面運送它們。被風塑造而成的沙漠最大的特征叫做層形。當風吹著沙子蔓延的時候，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方向呈直角。單個的沙丘有一個陡峭的前表面和一個平緩的背坡。由于沙丘特殊的生長方式（就像在礦渣場邊緣剔除不要的巖石一樣），它的層形表面傾向水平，這個特征被稱為交錯層。

具有相對穩定風向的地區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長的賽夫沙丘，而在風向變化的地區，沙丘則形成星狀結構。風的另一個作用是侵蝕，風對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境里產生的沙粒具有更佳的球形。更大的碎塊無法被風刮起，只能被風在地面拖動，因而形成了有小平面的鵝卵石——三棱石。沙子被風移走，可能會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。個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，偶爾也可能出現降雨，這些降雨通常伴隨著短而激烈的風暴，它們可能在短時間內迅速侵蝕和移動物質。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性湖泊常存在于沙漠的內部，這些湖泊是充分顆粒化的沉淀物的聚集地。

沙漠內部通常是相當平坦的——盡管它們周圍往往有高原和孤立的山丘。沙漠中的巖石質高原被風侵蝕，產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在峭壁的腳下堆積起來。這些石頭太大以至于風無法將它們移動，但風可以將更細的沙子吹進這些碎屑巖的空隙中去。

火星被認為是一個巨大而寒冷的沙漠，廣闊的沙丘地帶在極地冰帽附近發展起來，當全球性的沙塵暴發生時（往往在近日點附近），整個火星會被漫天的沙塵遮蔽。1971年“水手9號”探測器接近火星時遇到的就是這種情況。金星上也發現了沙丘結構和風成條紋。

冰川

地球和火星上都有極地冰帽。地球上的冰是凍結的水，而火星冰帽則既有凍結水又有固體（凍結了的）二氧化碳。在遙遠的過去，火星上也可能曾經存在過移動的冰川這一推斷既有理論支持，也是對火星上可能由冰川作用形成的陸地形態的觀察的推測。地球擁有活躍的峽谷冰川和極地冰蓋，它們隨著季節的變化消退或前進，目前冰覆蓋了大約1500萬平方千米的地球表面，這意味著它大約占地球表面積的3%。在最后一個冰期，冰蓋擴張到了北美和歐洲的廣大地區，那時它們都被冰川所覆蓋，但現在冰已經僅僅存在于該地區的高山冰川之中。判定冰川過去的覆蓋范圍有兩個依據：一是被困在移動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或后退。當冰川前進時，它就會搬運從地面剝蝕的各種物質，而一旦它們后退，這些物質就會遺留下來成為終磧。這些終磧的位置可以幫助地質學家們了解冰川作用的不同階段。經過冰川作用，峽谷也變得更深，兩邊更加陡峭，產生平底、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，所以人們可能發現作為它們遺跡的沉積地形，其中包括低矮的圓丘狀山——冰丘，以及長而蜿蜒的礫巖山脊——蛇形丘，這兩種地形都與冰川運動方向平行排列，它們的古代副本模式可以被用來推測更早的冰川地理。另外，在典型的峽谷冰川邊上，粗糙的殘留物累積形成側磧。

雖然這些特征給地質學家提供了關鍵的線索，但它們并不構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的地方被搬運過來的大石塊，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的低地，其中包括種類繁多的諸如來自挪威的火成巖和來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。對巖石序列中這種巖石的辨認使地質學家發現冰川運動曾經在遙遠的過去發生在諸如澳大利亞、南美和非洲這些看起來不大可能出現冰川的地方。

冰蓋邊緣的土地仍然是很冷的——實際上是冰凍的。這塊土地被稱為凍土帶，它會在夏天解凍。這些交替的冰凍-融化循環使土地表面隆起，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多邊形石頭。冬天，冰在地表之下堆積起來，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。