地貌成因中力的耦合律

地貌成因中力的耦合律高玄彧 1,2，李勇 1，白宪州 1(1.成都理工大学，四川成都 610059 ；2. 太原师范学院，山西太原 030012)摘要：文章提出了“地貌形成中力的耦合律”，并对这一理论的基本思想进行了分析研究。结果 表明，地貌是在动力和反动力作用下形成、发展和演化。在演化过程中，动力和反动力在偶合 点处互相激活产生了一幕又一幕的循环前进式的多层次的地貌演化模式。这一理论有利于对地 貌演化的正确认识。关键词: 地貌的形成和演化；力的耦合律中图分类号：P531文献标识码：A文章编号：在漫长的地质历史时期内各种地貌经历了无数次的变化，形成了多种形态类型，如高 原、平原、山地、丘陵、沟谷和盆地等。在这些地貌形态的产生、发展及演变过程中一再证 明存在一种规律，即“力的耦合律”。笔者在这里提出这一论点，供同行们商榷。用这一规 律去研究地貌学，我们将会对地貌学产生更深刻的理解和认识。因是初次研究，不完善之处 在所难免，望同行们指正。1 动力和反动力为了研究(地貌成因中力的)耦合律的方便，我们将促使地貌形成的力划分为两种类型， 一种是动力，另一种是反动力。动力指由地球内部能量所产生的力。它包括由地球内放射性 元素脱变产生的热能和地球自转产生的动能等。动力和反动力是两种相反的力，它们的作用 方向及形成的地貌形态均有所不同。动力主要可分为两种，即热动力和地球自转力。这两种力在地貌的形成过程中同样起着 极为重要的作用。热动力。热动力是由地球内部放射性元素脱变产生的。地球内部存在一定量的放射性元 素。如铀(U238, U235)、钍(Th232)、钾(K40)等。根据资料，这些放射性元素脱变而产生的热 能至少为5.14X1020卡/年。这个数字相当于六佰六十多亿吨煤放出的热量。由此可见其热 量是非常大的。热量经多年积累温度会变得非常高，它能使地球内部的物质处于塑变状态。 由于地球内部各处的温度分布是不一样的，所以地球内部物质的塑变程度也是不一样的2。 在温度高的地方物质塑变程度大，物质膨胀、体积变大，对地壳施加压力，结果使地表大面 积高起，形成高原。相反，在地球内部温度低的地方物质凝结收缩，体积变小使地壳下陷， 在地表形成盆地等。地球自转力。根据李四光的思想，当地球自转时，必然产生离心力F。离心力F可分 成两个分量。一个是沿地球半径r指向空中的重力g,另一个是和地面平行V。其中力g的 大小正好和该点物质之重量相等，方向相反，故力g被抵消了，最后只剩下水平分力V了。收稿日期： 2005-09-01； 修改日期：2006-1-6第一作者简介：高玄彧(1960-)，男，在读博士生，副教授。主要从事地貌学的研究。 资助项目：中国地质局国土资源调查项目“青藏高原11：25万温泉兵站幅区域地质地貌调查(200213,0002)。 这个力作用于地壳，使地表褶皱形成谷地和山脉，隆起的地方可成为数于公里的山脉，下凹 的地方形成山谷。地球自转离心力之水平分量V的作用方向是指向南北的（在北半球指向南， 在南半球指向北），故在它的作用下形成的山脉是东西向的。如我国的东西走向的山脉像阴 山、天山、秦岭、昆仑山脉等就是在这种力的作用下形成的。地球自转除了产生离心力的水平分量V以外，它还能产生一种作用方向指向东西的力， 叫地球自转惯性力。这种力的成因在于地球自转的速度的时快时慢的非匀速性变化。因地球 自转是自西向东的，所以地球自转惯性力是自东西向的。在它的作用下地球上形成了许多南 北走向的山脉和谷地，如我国横断山就是这样形成的；它由几列平行的谷地和山脉组成。我 国贺兰山脉也是在东西向的地球自转惯性力下形成的。反动力是指由太阳能和重力能所产生的力。它包括水力、风力、冰川作用力、波浪力、 重力等。反动力是通过搬运、侵蚀和堆积三种形式来实现其对地貌体的作用的。如，冰川缓 慢移动，对高山进行侵蚀，并把侵蚀下来的物质带到山脚堆积下来。冰川的侵蚀作用在地表 留下的标志有，冰斗、刃脊、角峰、冰围谷、冰川谷、峡湾、羊背石等冰川地貌。冰川的堆 积作用在地表留下的标志有冰碛丘陵、侧碛堤、鼓丘、终碛堤、蛇形丘等冰碛地貌；流水对 流域内的地面和河流中、上游谷地进行侵蚀，并把侵蚀下的物质搬运到坡脚、沟谷口及河下 游堆积。流水侵蚀作用在地表留下的标志有，细沟、切沟、冲沟、集水盆、河谷、河流阶地 等流水侵蚀地貌。流水的堆积作用在地表留下的标志有坡积裙、冲出锥、洪积扇、河漫滩、 三角洲等流水堆积地貌；海浪以强大的力量对海岸进行侵蚀，并把侵蚀下的物质带到水下堆 积，海浪的侵蚀作用在地表留下的标志有海蚀穴、海蚀崖、海蚀柱、海蚀桥、海蚀台等。海 浪的堆积作用在地表留下的标志有水下堆积阶地、海滩、沙坝、沙咀、拦湾坝、离岸堤、滨 岸堤、连岛坝等；风对高起的地表进行吹蚀和磨蚀，并把侵蚀下的物质通过悬移、跃移和推 移等方式搬运到低处堆积下来。风的侵蚀作用在地表留下的标志有石窝、风蚀蘑菇、风蚀柱、 风蚀垄槽、风蚀洼地，风蚀谷、风蚀残丘、风城、风蚀沙地等风蚀地貌。风的堆积作用在地 表留下的标志有新月形沙丘、纵向沙垄、横向沙垄、流动沙丘等风积地貌。2 耦力的作用方向动力和反动力是两种完全相反的力，在地貌形成过程中始终存在着这两种力的作用。 动力是通过地壳的垂直运动和水平运动来实现对地表形态的作用的，其作用方向是使得地表 的垂向变化加剧，地表高差变大。如，云贵高原上保留的上新世发育的古红色风化壳，属热 带类型，这说明那里当时的地势较低。现在，滇中、滇东高原已抬升到了海拔2000米左右， 黔中高原也抬升到了 1000 米左右4；秦岭、淮阳山以南的广大地区，构造的主要趋势仍以 整体上升为主；浙、闽、粤沿海山地的上第三系夷平面，从上新世晚期以来，上升到海拔 700-800米；江汉平原、洞庭、鄱阳断陷盆地的上第三系和第四系的沉积厚度近500 米；台 湾、琼雷拗陷在上新世末以来都经历了不同程度的下沉。这些都是在地壳的垂直运动下造成 的。天山上升到海拔 5000 米、阴山上升到海拔 2000 米、秦岭上升到 2000-3000 米5均是由 地壳的水平运动形成的南北向挤压力造成的。反动力的作用方向恰恰和动力的作用方向相反。反动力的作用方向是使得地表的垂向 变化减少，地表高差变小。反动力是通过侵蚀、搬运、堆积的过程来实现这一运动方向的。 如，五台山现存的五个山顶的夷平面，华北许多断块山地前的一些断陷盆地里巨厚的上新统 和第四系沉积物，如渭河谷地的三门组厚达1000 米4原中部和东部第四系厚度也有500-600 米4和黄海南部，上第三系和第四系总厚度为1500 米左右4都是反动力作用的结果。动力和反动力像拉锯似的存在于地貌的成长全过程，造就了现代地貌格局。如山西的五 台山在太古时代晚期（距今约26 亿年）是个海峡，当时因地势低，所以接受了大量的沉积， 其中有砂层、大理岩和白云大理岩沉积、火山岩沉积，在持续两三亿年的时间内总共沉积约 六、七千米厚的地层，人们叫它五台沉积6过几次升降的反复，进入元古代地壳逐渐上升， 到吕梁运动（距今约 5.7 亿年）后，转为陆台，在加里东运动（距今约 4 亿 6 千万年）五台山有 较大幅度的上升，成为大型山地，后来在反动力的作用下经过1亿 4千万年的侵蚀夷平变成 了准平原，之后在动力作用下又急剧上升了 2000 多米6今日还在上升中，现在的五个台顶 是平的，这正是过去的准平原被抬升的结果。五台山升起后在流水和第四纪冰川等反动力侵 蚀雕琢下形成现在这样雄伟高大的气势，引来了众多的游客。动力和反动力就是通过这样反 向作用造就了现代地貌格局的，如中国的现代地貌格局是由四大高原（青藏高原，内蒙古高 原、黄土高原、云贵高原）、四大盆地（塔里木盆地、准格尔盆地、柴达木盆地、四川盆地）、 四大平原（东北平原、华北平原、长江中下游平面、珠江三角洲平原）、二十来条主要山脉（阿 尔泰山、天山、昆仑、喜山、大小兴安岭、阴山、太行山、秦岭、南岭、祁连山、雪峰山、 长白山、武夷山、喀喇昆仑山、冈底斯山、贺兰山、六盘山、横断山等）和丘陵构成。这些 高原、平原、盆地、山地和丘陵都是在动力和反动力的作用中形成的。3 耦力的双向作用性从以上的论述中我们知道了，动力的用方向是使得地表的垂向变化加剧，地表高差变 大。反动力的作用方向是使得地表的垂向变化减少，地表高差变小。这仅仅是动力和反动力 的一个作用方向。在研究中我们发现动力和反动力还有另一个作用方向，例如，地壳上升， 河流侵蚀就复活，产生强烈的下切作用，并形成河流阶地（地貌）。其中地壳上升是动力作用， 河流下切是反动力作用，地壳上升引起河流下切说明了动力作用激活反动力作用。为什么会 有这种激活性呢?因为地壳上升使河床底部被抬升，未抬升前的河床底部是个均衡剖面，其 侵蚀和堆积是动态平衡的，即可以看作是个既不受侵蚀也不堆积的剖面，河床底部一旦被抬 升就打破了这种平衡，河流流速加快，产生较强的下切作用，极力侵蚀河床底部，力图使河 床底恢复到原来的位置，这就是地壳上升激活河流下切的原因，我们把它叫做动力作用激活 反动力作用。相反，当地壳下沉时，河流就地发生堆积，其原因也在于地壳的下沉打破了原 来的平衡（蚀积平衡），河流以图恢复原来的均衡剖面状态。因为地壳一下沉，河底的位置就 低于原来均衡剖面的位置，河流流速就减慢了，水中携带的泥沙超饱和，于是发生堆积，形 成三角洲、河漫滩、浅滩等堆积地貌。这也从另一个角度说明了动力作用对反动力作用的激 活性。不仅动力对反动力有激活性，在地貌的形成过程中反动力也有激活动力的一面。例如 一些高原或大型山地，在反动力的长期剥蚀下，其高度会逐渐降低、体积会减小、重量会变 轻，其向地下的压力会变得越来越小，最终会打破原已平衡的地球内部压力分布，使这些变 轻的高原或山地重新升起，形成高原、断块山地、单斜山地、断层崖等地貌。我们把这种现 象叫做反动力作用激活动力作用。当某盆地或平原经长期的堆积（在反动力作用下）后，其重 量变得越来越重，最后打破平衡，使该盆地或平原再次下沉，形成新的盆地或平原等地貌， 这从另一个角度表明了反动力作用对动力作用的激活性。从以上的分析可知，不仅动力的作用使得地表的垂向变化加剧，地表高差变大，反动 力的作用使得地表的垂向变化减少，地表高差变小，而且动力和反动力在地貌的形成过程中 是相互有激活性的。我们把它们统称为动力和反动力作用的双向性。这种双向性对地貌的产 生是有重要意义的。我们把它的意义用图示表示为：激活地貌意义 形成厂河流阶地断层三角面及山咀L峡谷等地壳上升-（动力）河流下切（反动力）激活地貌意义厂河流三角洲地壳卜降河流堆积形成平原（动力）（反动力）河漫滩浅滩等激活地貌意义厂高原高地被蚀低一均衡上升-形成断块山地（反动力）（动力）单斜山地匕断层崖等激活地貌意义L盆地低地被堆积均衡下降形成（反动力）（动力）平原等4 力的耦合律展演化：在动力作用下地壳上升，地壳上升时受到反动力以及与它方向相反的其本身的重量的 反作用。地壳的上升起初是很快的，随着地壳的上升，地壳的重量会变得越来越大，使地壳 上升速度也越来越慢，最终趋于零。地势越高反动力的作用力度也就越大。地壳的不断升起 为反动力作用的产生创造了条件，随着地壳的上升动力作用趋小反动力作用趋大，当到达耦 合点后两种力达到平衡，若继续发展反动力就会完全被动力激活，我们的这一基本思想用图 1加以概括：随着时间的推移及地势的增高动力不断减小、反动力则增加，A点是动力和反 动力的耦合点，这时两种力量处于平衡状态，如果动力继续作用则激活反活动力的明显作用， 此后反动力作用越来越强，到高峰期后开始逐渐减弱，到耦合点 B 后反动力若继续作用将 激活动力的再次作用，使地壳再次上升并再次按图2所示的A、B、C、D、E、F六个期发A 期：地壳在动力作用下急剧上升，在上升的 过程中动力和反动力的力量对比发生着变化，当上 升到一定程度后动力耗尽，地块在某高度停止上 升、长期处于静止状态。反动力逐渐由劣势变为优 势，河流沿被抬升的原始倾斜地面发育，开始时水 文网稀疏，以干流的下切侵蚀为主，支流极少，仅 有少数一级支流，地表保持大面积的完整性。河流 继续作用进入B期：河流的一级支流数量大大发展， 仅出现个别二支流，河流仍以下切侵蚀为主，在河 谷之间是宽广平坦的分水地，随着河流的下切侵蚀， 河流比降开始加大，坡折增多，横剖面呈狭窄的“V” 字型，谷坡陡峭，坡顶与分水地面有一明显坡折。C期：河流数量急剧增加，河流不仅限于 一二级支流，而出现多级支流，下切侵蚀和侧蚀同时进行，这时谷坡上的崩塌、坠落和滑坡 很活跃。后来随水系不断增多，地面分割加剧，河谷加深。较大的河流逐渐趋于均衡状态。 此后，谷坡的剥蚀速度相对大于河流下切速度，河谷不断展宽，这个时期的地势起伏达到相 当大的程度。D期：谷坡不断后退，使分水岭两则的谷坡日益接近，终于相交，原来宽平的分水地面最后变成狭窄的岭脊，此时的地势起伏最大，地面也最为破碎。因这时的谷坡仍然 较陡峭、崩塌、滑坡过程仍很活跃。E期：随着谷坡侵蚀作用的不断进行，谷坡渐渐减缓， 山脊变得沉圆，谷坡上岩屑很多，谷坡上部的岩屑通过土溜和土壤蠕动向下搬动，下坡的碎 屑主要是受流水片状冲刷和谷坡侵蚀，这时在谷坡下半部常成凹坡。主河一般都已趋于均衡 状态。到最后阶段，较小的河流也渐渐趋于均衡状态，这时的河谷比较开阔，山脊也变得浑 圆低矮。 F 期：这时河流停止下切侵蚀，分水岭渐渐下降，地面成微微起伏的波状地形。河 流婉蜒曲折，河谷展宽，谷坡较稳定。如果有局部坚硬石区，因抗侵蚀力强而保留有小型突 起的山丘，孤立在周围平缓起伏地形之上，称为侵蚀残丘，整个地面称为准平原，它代表反图2力的耦合与地貌的演化(本图由扬景春编的河流地貌发育阶段 图改编而成，1985)Fig.4 The coupling forces and evolvement of geomorphologic types动力地貌发育的终极阶段。这时动力和反动力相交 于耦合点，这时如果反动力再作用的话地壳就会重 新上升，于是地表地貌的又一轮演化将重新开始， 其演化格式大致沿A、B、C、D、E、F的方式进行。 但这绝不会是简单机械的重复，而是按螺旋式的上 升方式向前演化的(见图2)。4 结论经过以上的论述和研究我们得出如下结论：4.1 地貌是在动力和反动力的作用下形成、发展和演 化的。4.2 动力和反动力具有双向性，在动力所激活的反动 力作用下，会在地表留下许多地貌形态，而反动力 所激活的动力作用不仅在地表留下地貌形态而且会 耦合点B处引起新一轮的地貌演化。4.3 动力和反动力的耦合所产生的地貌以耦合点为 起始点的地貌反复演化不是简单的循环，而是螺旋 式地一个级别到另一个级别的发展式的循环。以上三点结论也是我们所创设的“耦合律”之 基本思想。参考文献1 .金祖孟.地球概论M.上海：上海教育出版社.，197& 118-144.2 .张国伟，董云鹏，姚安平.关于中国大陆动力学与造山带研究的几点思考J 中国地质,2002 ,29 (1):7-13.3 .李四光，地质力学概论M,北京：科学出版社.1977年10-240.4 .中国自然地理编写组.中国自然地理M.北京：高等教育出版社，1979,12-28.5 .赵济，陈传康.中国地理M.北京：高等教育出版社,2001, 23-574.6 .山西地质学会.漫谈五台山地质作用M.北京：中国当代出版社,2000, 1-28.7 .尹国康.地貌发育的趋向与变异J.地理学报，1986, 41 (3) : 241-2518 . 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The author also expounds the rule by the angles of motive force and anti-motive force, the directions of coupling forces, the coupling directions of coupling forces, Coupling Rule of Forces. To research geomorphologic types by this rule, we will understand and know geomorphology deeply, and we can get some new enlightenment also. It there are great significations for reaching and developing the contents of geomorphology.Key words: Geomorphologic cause of formation; The coupling rule of forces.