互动科普

气候犹如雕塑大师，时时雕刻着地球表面，这一点已成为科学界的共识。但最近，科学家在喜马拉雅山和青藏高原发现，气候还可以影响地下深处的地质活动，引起地貌改变。最新研究表明，在漫长的地质年代中，印度季风降雨不断侵蚀着喜马拉雅山南麓，但侵蚀又导致了地壳物质从藏南高原深处流向那里的地表，使山脉前缘迅速抬升，更加有效地阻挡了季风北上的步伐。

6年前，从农夫喂养的一匹马身上，我学到了关于山脉和气候的重要一课。那时，我正在研究古代木斯塘王国的地质情况。木斯塘是现在尼泊尔的一部分，位于青藏高原（Tibetan Plateau）边缘，在著名的卡里甘达基河（Kali Gandaki River）的源头旁。卡里甘达基河流向喜马拉雅山南麓，在海拔8,000米的安纳布尔纳一号峰（Annapurna I）和道拉吉里峰（Dhaulagiri）之间刻出一道深谷。那位农夫告诉我说，无论什么时候在高原上纵横驰骋，这匹马都非常出色。但他又神秘地警告说，如果我要骑着这匹马到山谷里去，最好只在清晨出行。

直到那天下午，在山谷的一个狭窄处，疾风骤然袭来，我才领会了他的意思。风越来越强，马走得越来越慢，最后它干脆停了下来，摇着脑袋，掉头回转。不管怎么扎它，它都不肯驮着我迎风而行。当我下马拽着它走向山谷时，脑海中浮现出一个这样的念头：对于喜马拉雅山的气候模式，这匹马也许比我知道得更多。

卡里甘达基河谷的风，是地球上最强劲的升谷风（upvalley wind），几乎每天都会出现，速度通常可以稳定地达到每秒20米（将近每小时72公里）。白天，在太阳升起来以后，河谷中的空气被加热，不断从山谷滚滚升腾而起。这种可以预测的卡里甘达基的风，是当地山区地形影响气候的一个例证。

其实，气候也显著地影响着地球表面的形状。风、冷、热、雨和冰都扮演着雕刻家的角色，地质学家长期研究气候和地表地形之间的关系，但是新的研究表明，气候和山系（mountain system）的演化之间具有出乎意料的密切联系。描绘这种关联的最佳例子，莫过于印度季风（monsoon）和喜马拉雅山的连续演化之间的紧密联系。

季风的把戏

一年一度的印度季风是地球上最引人注目的气候现象之一。春季，印度次大陆（Indian subcontinent）的气温快速升高，而印度洋的气温却上升缓慢，便产生了季风。结果，西南风给陆地带来了潮湿的气流。在斯里兰卡附近，一些携带湿气的空气开始向北移动，穿越印度南部和西部，同时，另一些空气则东移到孟加拉湾（见上图）。

向东移动的气团从孟加拉湾攫取了更多湿气，在次大陆的东北海岸外促使一系列热带低气压形成。这些暴风雨受印度北部形成的一个低压槽（low-pressure trough）吸引，沿着山脉南侧向北疾走，穿越孟加拉国和印度，最终侵袭到喜马拉雅山脉。

然后，这些暴风雨向西偏移，沿途各地陆续进入雨季（monsoon season）。地点不同，雨季开始的时间也有所不同：印度东北部和孟加拉国是6月上旬，尼泊尔是6月中旬，印度西部则是6月下旬。负载着湿气的空气对流单体（convection cell）不断抬升，就好像锅底更热的汤冒着泡冲向表面一样，试图冲破喜马拉雅山这道屏障，却徒劳无功。当对流单体中的空气抬升时，湿气便浓缩，形成了倾盆大雨。

每个雨季，喜马拉雅地区的气象站通常都会测量到高达数米的降雨量（超过亚马孙雨林大部分地区全年的总降水量），绝大多数降水集中在喜马拉雅山麓，那里海拔约为1,000米~3,500米。暴风雨几乎不可能越过喜马拉雅山脉顶峰而到达青藏高原，因此，喜马拉雅山两侧的气候截然不同。在某些地区，在不到200千米的行程中，旅行者可以体验从热带雨林开始，穿过崎岖的高山台地（alpine terrain），再进入高海拔沙漠的整个过程。

很明显，喜马拉雅山守卫着青藏高原，影响了当地的区域性气候（regional climate）。但是反过来，气候也能影响地下深处发生的事件。这样的影响怎么可能发生呢？答案就来自对山脉形成过程的理解，以及用新的眼光看待它们与周围环境的相互作用。对几种不同地质力量的广泛研究是这种综合分析的理论基础，那些力量控制了山脉的形成和持续的重塑。

造山运动基础知识

在地球科学家的眼中，青藏高原和喜马拉雅山脉一起构成了喜马拉雅—青藏造山系（orogenic system，英文orogenic的词源是oros和genic，前者是希腊语中的“山脉”，后者意为“产生”）。这一地区包括地球上100座最高的山峰。这片高原的面积同伊比利亚半岛（Iberian Peninsula）大致相当，这里的平均海拔，除美国和加拿大的8座高峰外，几乎超过了北美的所有山脉。

板块构造理论（theory of plate tectonics）部分解释了这些地形隆起的过程。地球上一些高大山脉标明了地球坚硬外表破裂的区域，也就是人们所知的岩石圈板块（lithospheric plate）正在碰撞或曾经发生过碰撞的地点。大约在4,500万年前，当印度板块从中生代（Mecozoic）的刚瓦那（Gondwana）超大陆向北漂移，猛然撞上欧亚板块时，喜马拉雅山便诞生了。试想一下，即使是货运列车或油轮刹车后，可能也需要好几分钟才能停下来——印度板块的惯性如此巨大，以至于直到今天它仍以每年约4厘米的移动速度与欧亚板块继续会合。

前进中的印度板块扮演了物理学家所说的坚硬压头（indenter）的角色，不断迫使欧亚岩石圈的一部分发生移位。正如20世纪70年代麻省理工学院的保罗·塔波尼埃（Paul Tapponier）和彼得·莫尔纳（Peter Molnar）所认为的那样，压头已经明显地把相对坚硬的岩石圈板块向东推往东南亚，那些地块被曲断层（curved fault）彼此分割开来[参见《科学美国人》1977年4月号保罗·塔波尼埃和彼得·莫尔纳所著《印度和欧亚之间的碰撞》一文]。

板块碰撞的另一个后果，就是缩短和加厚了地球的地壳（岩石圈的最上层）。陆壳（continental crust）的平均厚度约为30千米 。然而在山脉所处的位置上，地壳可能要厚实得多。喜马拉雅—青藏造山系催生了地球上最厚的地壳，值得夸耀——在某些地区竟超过了70千米。地球上最厚地壳和最高山脉之间的相互关系，体现了阿基米德原理（Archimedes' principle）：一个浸入流体中的物体受到的浮力，相当于它排开的流体所受到的重力。一座厚重的冰山排开了更多密度更高的海水，因此会比一座轻薄的冰山浮得更高。同样，一片地壳异常厚重的地区（比如喜马拉雅—青藏造山系）也是如此。它“漂浮”在地下密度更高的地幔之上，与周围地壳较薄的地区相比，“浮起”得更高。

能量流与造山运动

利用板块碰撞理论有助于解释山脉的起源。但是另一些涉及能量转移（energy transfer）的过程也会影响山脉的演变。过去几年中形成的非常重要的观点（也是令人惊讶的观点），莫过于雨季降雨量影响了喜马拉雅—青藏体系地下深处发生能量转移的方式。

从基础物理学的观点来看，一个造山体系就是一个能量仓库，类似于一个水力发电站背后的水库。通过阻挡河水的流动，水电站的大坝将动能转化为重力势能，以深水湖的形式贮存起来。由于湖面同下游河面之间的高度差，水坝两边存在着明显的势能差。只要一有机会，水库就会迅速释放它过剩的势能，试图与周围环境重新建立平衡——它将冲破水坝。为了防止这类灾难性事件的发生，我们唯一能做的事情就是加固水坝。

同样，由于喜马拉雅—青藏造山系的地壳厚度与周围低地的地壳厚度存在明显差距，因此它具有释放过剩势能的自然趋势。

大断层会把坚硬的上层地壳切割成块状，让它像沙子一样流动。相反，在地壳的更深处，温度和压力要高得多，岩石就像从软管里挤出的牙膏那样流动。理论模型和野外观察显示，这种深层的地壳流体通道可能存在几百万年。一旦有了消散势能的机会，管道将缓慢地四处蔓延。我在麻省理工学院的同事马林·克拉克（Marin Clark）和利·罗伊登（Leigh Royden）最近的工作支持了这个想法：从青藏高原的高处朝东南方绵延的缓和而稳定的斜面，是西藏低层地壳向外流动的结果，这种地壳流发生在高原东部边缘的地下极深处。

然而，在最近一个激动人心的研究领域中，有证据表明，西藏地下的低层地壳也在向南流动，直接流向喜马拉雅山脉前缘。要理解为什么会发生这个过程，就应该回想一下：水库里的水自然而然地优先流入水坝上出现的任何裂隙中。同样，低层地壳通道可能最容易通往阻力最小的那个方向，也就是被季风雨侵蚀得最剧烈的地表区域——喜马拉雅山脉前缘。

对于一些正在成形的季风—山脉关系理论，这种地壳流正是其中的关键所在。按理说，降雨无情地侵蚀着喜马拉雅山脉前缘，青藏高原的南部边缘应该会向北移动。但实际上，有证据表明，侵蚀虽然带走了物质，但向南流动、并涌出地表的低层地壳通道又将物质输送过来，补充了侵蚀造成的损失。为了使这个反馈循环得以完成，山脉前缘的侵蚀必须是吸引地壳通道延伸到地表的首要因素。

剖析地壳流

这种解释的理论基础，根植于对喜马拉雅山的主断层（major fault）的研究。多山地区的大多数主断层属于逆断层 （thrust fault），这是在板块碰撞时出现的独特断层类型。如果你在美国新英格兰地区铲过雪，那么就会非常熟悉逆断层的特征：在铁铲前面形成的硬雪层的板状雪块，被人们铲成碎块，这一幕与逆断层极为相似。在南北垂直方向上，显示出一种受大陆中部、大陆边缘和大陆前缘逆断层体系控制的构造，这种构造贯穿喜马拉雅山，所有这些断层都在地下深处合并，形成了人们所知的喜马拉雅基底逆断层（sole thrust）。逆断层这个传送带运载着这些断层上面的物质向南移动，与断层底下向北移动的印度板块产生相对运动。

然而，大约在20年前，麻省理工学院的一个研究小组（当时我是该小组的一名青年成员）与其他机构的研究者一起，识别出了喜马拉雅山的第二种断层体系，彻底改变了我们关于大陆-大陆碰撞引起的造山运动的观点。藏南断层体系位于喜马拉雅山脉顶峰附近，从几何性质上来看，它的断层与那些逆断层相似，但是它的“剪切方向”（shear sense）却是反向的：相对于断层下面的岩石，断层上面的岩石向北移动。

这样的断层体系，即所谓的滑脱体系（detachment system），在地壳拉张并变薄的地区很常见。洋中脊（mid-ocean ridge）和北美盆岭省（basin and range province）就是这样的例子，后者覆盖了从科罗拉多高原（Colorado plateau）到内华达山脉（Sierra Nevada）之间的地区。但是人们以前一直认为，主滑脱体系不会出现在构造板块彼此迎头相撞的位置上，直到发现藏南体系，人们才改变了这种观点。

当我们尝试把滑脱体系纳入喜马拉雅-青藏造山系的整体动力学中时，就得到了韧性低层地壳流不断补充喜马拉雅山脉前缘的理论：相对于藏南断层体系上面的岩石和喜马拉雅基底逆断层下面的岩石来说，大陆前缘的逆断层和藏南断层体系之间的物质，特别是大陆中部逆断层上面的岩石向南移动。人们认为，这一向南的挤出带，代表了西藏的韧性低层地壳磨出一条通往地表的通道。

证据显示，在距今约1,600万年到2,200万年前的早中新世时期(Early Miocene epoch），藏南断层体系和大陆中部逆断层体系都很活跃。在20世纪80年代末，我与麻省理工学院的同事克拉克·伯奇菲尔（Clark Burchfiel）以及罗伊登提出了一个简单模型，即在早中新世期间，这些断层体系发生过并行滑动，导致两个断层体系之间的岩石通道向南运动。按照我们的观点，这个过程是由上升的青藏高原和印度之间的压力差所驱动的。

从那时起，一些研究小组对这种所谓的挤出模型（extrusion mode）进行了详细研究。位于苏黎士的瑞士联邦理工学院的道尔吉·格鲁伊奇（Dordje Grujic）及其同事发现，两个断层体系内部和之间的岩石由于压力而变形的模式，与韧性变形（ductile deformation）是一致的，类似在管道中流淌的流体。已故的道格拉斯·内尔森（Douglas Nelson）当时还在美国锡拉丘兹大学，他和其他研究者猜测，早在早中新世时期，在西藏的地下就可能存在着流体状态的低层地壳——如今在藏南到大陆中部逆断层体系之间的地球表面暴露出来的那种岩石，可能代表了韧性低层地壳通道，它们在抵达地表时变得更加坚硬。

通道挤出模型的大多数因素，都集中于喜马拉雅—青藏体系在中新世时期的演化过程中，但是证据表明，挤出过程现在依然在进行。一些研究团队已经利用地质记时计，对喜马拉雅主断层体系的运动历史取得了更加深刻的理解。这种方法依据的是矿物中的元素放射性衰变，那些矿物是在板块碰撞中由于地表变形而结晶形成的。结果显示，在过去2,000万年以来的各个不同时期，在中新世大陆中部逆断层和藏南断层体系的地表迹线（surface trace）的南面及附近，发生了断层作用。以地质学标准来看，大多数最近的地表变形都特别年轻：我的研究团队的成果表明，过去几千年里，在尼泊尔中部，扮演着挤出通道边界角色的那些地质结构一直保持活跃。甚至直到现在，通道的挤出过程还在继续发生。

挤出与地形演化

如果通道挤出在重塑喜马拉雅山的过程中扮演了重要角色，那么在断层体系的外部迹线之间的地带，地球表面就应该存在着非同寻常的迅速抬升的证据。事实上，在过去的30多年中，人们利用传统的测量设备和全球定位系统卫星（Global Positioning System satellite），进行了精确的测量，数据表明，相对于大陆中部逆断层体系的地表迹线之南的地区，这一地带正以每年几毫米的速度上升。

其余的证据来自地形本身。在山脉体系中，迅速抬升通常伴随着地形上出现的高耸地貌特征——在一段较短的水平距离上，海拔出现很大起伏，将使河流的坡度变得陡峭。流过尼泊尔境内的喜马拉雅山前缘的河流纵剖面（stream profile）的确十分陡峭，那个地带正是被认定为挤出带的位置。横跨山脉前缘的地形学分析同样显示，那里有不同寻常的高耸地貌。然而一个重要问题是，这种迅速抬升的状态仅仅是最近几十年才出现，还是已经持续了相当长的地质时间？

我们知道，如今侵蚀的发生确实与季风相关。不过，各种不同的技术可以提供对长期侵蚀率的估算。通过了解山脉前缘的侵蚀历史，我们可以对抬升过程作出良好的判断。测量地表岩石暴露在外的所谓宇宙线源核素（cosmogenic nuclide，即由宇宙射线产生的同位素）是一种估计侵蚀速率的非常有力的方法。地表样本中宇宙线源核素的含量，比如铍10和铝26，与它们裸露在外的时间长度成比例。我和麻省理工学院的同事卡梅伦·沃布斯（Cameron Wobus）、凯林·惠普尔（Kelin Whipple）与美国达特茅斯学院的阿尔琼·海姆萨特（Arjun Heimsath）一起工作，在尼泊尔中部利用了这一技术。结果证明，在千年的时间尺度上，被认定为挤出带地区的侵蚀率，是更南侧地区侵蚀率的3倍以上。

揭示更长时间尺度上的侵蚀模式，可以使用不同的方法。大多数人都熟悉用来测定地质物质或生物物质年代的同位素“时钟”（最受人喜爱的一个例子，就是利用碳14同位素来测定年代）。但是，并非所有的地质记时计都是用来测定岩石样本的结晶年代的。实际上，一些记时计能够测量岩石的冷却时间。那些岩石最初在地下深处的高温下结晶，由于侵蚀作用，岩石样本到达了地球表面，在一个狭窄的温度范围内冷却下来。通过对我们采集的样品（采自尼泊尔中部安纳布尔纳山脉的喜马拉雅山前缘）应用热记时计(thermochronometer）进行分析，我的同事、南加利福尼亚大学的安·布莱思（Ann Blythe）和我在麻省理工学院的学生凯特·亨廷顿（Kate Huntington）揭示，在过去至少几百万年中，人们所认定的挤出带的侵蚀作用增强了。总之，地形研究、宇宙线源核素和热记时法都支持了这个想法：在很长时期里，迅速抬升一直持续着。

流淌的河水和流动的冰川冰被公认为物理侵蚀过程的主要执行者。更高的降水率，比如与季风相关的降水，会导致沿喜马拉雅山脉前缘地区侵蚀率更高。在山脉前缘侵蚀与地壳通道向南挤出地区之间，如果已认定的反馈循环可行，那么，我们就会期待高季风降水模式与地表持续抬升模式相吻合。一些研究团队正利用遥感（remote sensing）卫星和气象站网采集的数据，对这些降水模式进行界定。

例如，自1999年以来，杜克大学的阿娜·巴罗斯（Ana Barros）一直在领导一项多方位的研究，目的是要界定安纳布尔纳山脉的季风降水模式。结果的确表明，在其他研究中确定的迅速侵蚀和抬升的地带，季风性降雨也最多。更重要的是，季风性降雨多的地区和被认定的挤出带是一致的，这与通道挤出是由印度季风导致的山前侵蚀所造成的假说相吻合。由于地表被迅速侵蚀，挤出作用被激活，形成了山脉之墙，阻挡了季风向山脉北面跋涉的脚步，雨水于是就降落在山脉前缘，导致侵蚀更加严重，使挤出作用变得更加活跃，因而就形成了一个循环。

理论模型证明，这种联系可能会形成造山体系。位于加拿大新斯科舍省哈利法克斯的达尔豪西大学（Dalhousie University）的克里斯·博蒙特（Chris Beaumont）及其同事，一直都在利用这样的模型，探索侵蚀对机制性弱的低层地壳通道体系可能产生的影响。他们建立了一个模型，描绘出喜马拉雅—青藏高原体系在中新世时期的基本物理状况。他们发现，在地表侵蚀很弱的地方，一条微弱的低层地壳通道侧向蔓延（构成了“隧道”），但在地表侵蚀很强的地方，地壳通道就会流向地表——比如现代喜马拉雅山脉的前缘。

气候和地质变形过程之间反馈机制的存在，是一个新概念。那些只关注自己特定学科的研究者（比如研究构造学的人）会发现自己闯入了一个新世界，这个世界更加令人兴奋、具有更多深刻的内在联系。固体地球学家、大气学家和水文学家已经把精力投入到这项努力之中，我们也将很快看到生物学研究被纳入“新”构造学之中——如果气候能够影响山脉的生长，那么生态系统或许也能对它产生影响。