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一起爬山吗X?你知道山的高度是由什么决定的吗Vm?

来源: 南方日报网络版     时间: 2020-07-06 14:30:19
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一起爬山吗X?你知道山的高度是由什么决定的吗Vm?

  来源zOoVi:Nature自然科研

  山脉的高度是由什么样的因素决定的N?通过分析作用在构造板块边界附近山上的力LcxK,发现主要的控制因素是构造力而非气候驱动的侵蚀ISQ0。

  众所周知Uvkv,山脉是在构造力的作用下形成的1XM,但是山脉如何保持在今天的高度尚有争议。一个广为流传的观点是气候控制的侵蚀会限制其高度CGLS。在gwRD0《自然Xi》期刊的一篇论文中1I,德国亥姆霍茲地理研究中心的Dielforder等人提出了不同的观点5CyBSx。他们发现E,至少对位于构造板块交汇处附近的山脉而言zjBj,在控制高度方面起主要作用的因素是构造力w。

  作者应用一个实际山地地形经过平滑kqtn0、忽略了高峰和深谷后的模型来讨论山峰高度m。使得这样的山峰高度得以保持的自然过程可以简化为三种类型lMjR2M(图1Kmx)pIM。首先是对山脉构成侧向支撑的构造力nD3F。这种力既可以防止山脉在自身重量的作用下塌落peltm,又可以抵抗重力的作用n0,将它们推得更高ccz。第二是气候控制的侵蚀wb,它通过侵蚀高处的山体来限制山峰高度Z6。第三是地壳均衡bklZ(isostasy6pD7)Lw,它使山脉像漂浮在水中的冰山那样漂浮在热而软的地幔物质之上yHD8。在这里的讨论中Y6,我们可以忽略诸如因岩浆活动而引起的火山生长这样在局地尺度上发生的过程8Wb。

图1|控制板块交汇边界附近山峰高度的过程XKW。三个主要过程控制着山峰的高度V33a:对山脉形成侧向支撑的构造力——阻止山脉在自重作用下塌陷或构成与重力相反的推力XMd;气候控制下的侵蚀K;使山脉在热而软的地幔物质上漂浮的地壳均衡过程4。对于俯冲带(一个构造板块俯冲到另一块之下形成断层的区域n)附近的山脉oy,主要的构造力来自断层LSL。通过假定在这样的山脉之下的水平应力和垂直应力相等a86,Dielforder等人估计了在几个位置可以被构造力支撑的山脉高度XRs。估计的高度与观测到的高度十分相似8OM,从而表明这些高度是受制于构造力而非侵蚀Wl。在距离俯冲带较远的许多山脉是否同样如此MqdT,还有待观察XY。?图1|控制板块交汇边界附近山峰高度的过程k。三个主要过程控制着山峰的高度01g:对山脉形成侧向支撑的构造力——阻止山脉在自重作用下塌陷或构成与重力相反的推力;气候控制下的侵蚀EXIlTc;使山脉在热而软的地幔物质上漂浮的地壳均衡过程aR。对于俯冲带sF3(一个构造板块俯冲到另一块之下形成断层的区域X)附近的山脉ivW,主要的构造力来自断层6D58Hp。通过假定在这样的山脉之下的水平应力和垂直应力相等na,Dielforder等人估计了在几个位置可以被构造力支撑的山脉高度。估计的高度与观测到的高度十分相似TjGC,从而表明这些高度是受制于构造力而非侵蚀bYfj。在距离俯冲带较远的许多山脉是否同样如此9COr,还有待观察K。?

  这三个主要过程在动态中共同作用Kb7PEq,维持山峰的高度C6ih,科学家们对此并无争议dao。然而复杂之处在于E,不同过程的步调可能有所不一latZs。学界争论聚焦于侵蚀与构造力是否有一方会胜过另一方E。地壳均衡作用对其他两个过程的响应通常被认为是足够及时达成步调一致的NZ,因而一般在争论中并未被质疑M。

  在侵蚀控制山脉高度的模型中ZAg51g,最具代表性的就是冰川锯B14R(glacial buzz sawEEJ)hI。根据地形和冰川分布的观测结果1Sj,该模型假定cgbF:不论构造力如何eOul,冰川侵蚀与均衡隆升共同作用J,使山峰保持在约为气候控制下雪线的高度s7DN。

  Dielforder和同事提出了一个不同的E9jnb、将构造力作为主要驱动因素的模型ztS2m。板块交汇边界附近的主要构造力是由边界处的主要地质断层提供的4rSU(图1y)Wh2qqJ。作者使用相关断层的强度以及适用于研究涉及的各区域的热力和机械参数的估算值,估算了各种板块边界的构造力NiR。所有这些参数的量化都需要进行几个假设5,因而在估算中引入了一些不确定性GSr。

  不过FNo,Dielforder和同事们最重要的假设被用于建立构造力和山峰高度之间的联系Je。他们假设山脉正下方的地壳应力处于中性状态lQm,即由于构造力引起的水平压缩与岩柱重量引起的垂直压缩相同dsMT。由于岩柱的重量与其高度成正比AU,可以用针对每个板块边界估算的构造力来预测其可以支撑的山峰高度AZkj。作者发现v,他们的模型预测的高度与观测到的高度十分吻合kPCY。因此c,他们得出结论jY2,无论气候条件和侵蚀速率如何0tWO,构造力都可以维持当前的山峰高度1XH。

  如果构造力是主要的控制因素QK,那么我们如何解释之前研究中提出的山峰高度与气候条件之间的相关性YJ?答案可能在于Dielforder及其同事所考察的区域cvu:大多数位于俯冲带b(图1Nc)LH,除了安第斯山脉以外Y6kXu,这些俯冲带内没有很高的山峰aEgU。如果研究范围涉及更为广泛的构造环境y88,那么之前的结果与本研究或许并不冲突VREv。

  另一种可能是rkcJi,如果侵蚀是主要控制因素ChM,仍需要构造力来平衡岩柱的重量x5。地形起伏较大的区域,例如从海底沟槽到山顶NuX(图12L)hRU,通常都需要等静压和构造力来平衡重量nmYG。如果气候控制的侵蚀将山脉高度保持在较低水平BZ8P6,这是否暗示着构造力较小2VC?一个相关的问题是给定的山峰高度是否只能与一个构造力的可能值相关联KTET。回答这些问题需要对作用力和岩石的强度进行深入了解O6Y。

  Dielforder等人在关于山峰高度的争论中提供了至关重要的论据bSRx,但他们的观点也有其局限性1Hv。构造力通过压碎并堆积地壳岩石来抬高山脉3C3j。为了跟上侵蚀的速度rRLu,必须将地壳保持在压缩失效的边缘CCC。根据关于脆性上地壳强度的公认观点ii,压缩失效要求水平应力远高于比垂直应力t49c,而Dielforder及其同事则假设山峰下水平应力和垂直应力的大小相同oO4H(中性状态1X)70F。

  为了解决这个难题mDq,作者推测山区的地壳几乎没有强度1IB,因为它含有非常弱的断层uouL,从而中性应力离失效不远j9f9Nt。但是SxP,如果地壳如此薄弱de,为什么山脉不塌陷CNWw,并且为什么这些区域不成为板块边界呢wfRi?有证据表明Is73,在某些俯冲带附近fh,地壳应力确实几乎是中性的rqKoAZ,但尚不清楚在较高的山峰之下它是否通常是中性的Q9。因此fT6YK,关于山峰高度的争论引申出了一个关于地壳强度难题X6EA。Dielforder及其同事的工作表明,如果我们希望解决山峰高度问题gi,还需要进行大量的观察和理论研究以了解地壳应力和强度VNuJK。

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