书城科普自然的奥秘
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第2章 山川的奥秘(2)

暗河的水温十分奇特,将手探入水中,两条河的河水一冷一热,这究竟是什么原因,专家目前还没有确认。

探险队走完了暗河的全程,发现暗河一直向东北流到位于乐业境内的百朗大峡谷的洞口成为地面河,然后汇入红水河。

天坑成因的地质学解说

天坑是一种分布在喀斯特地区的特殊的地质景观,因地下溶洞的顶部多次坍塌裸露出地面而成。一般的天坑都是单独的一座,而乐业天坑却成群出现,中国地质科学院岩溶地质研究所研究人员推断,这与乐业县特殊的地质构造有关。

对于乐业天坑群的形成时间,专家推测,它们大约形成于300~400万年前的新生代第四纪。从调查的情况看,乐业天坑群在形成过程中遭遇了剧烈的地壳抬升运动。

河流遇险——瀑布的形成与消亡

世界上最著名的瀑布

世界上最著名的三个大瀑布是美国和加拿大之间的尼亚加拉瀑布,非洲赞比西河上的维多利亚瀑布和阿根延、巴西及巴拉圭之间的伊瓜苏瀑布。

世界最高的瀑布是四川眉山市洪雅县瓦屋山境内的兰溪瀑布,总落差1040米。尚有争议的世界最大瀑布是老挝湄公河上的孔南瀑布,虽然落差只有70米,但流量估计有1.16万立方米/秒。

瀑布的成因

瀑布的形成看似很简单,就是一条河流翻过一个悬崖峭壁,就形成了一个瀑布。其实瀑布的形成主要有三种:其一就是像尼亚加拉瀑布,它是尼亚加拉河水翻过白云石的岩壁,直落入下面的一个大水池里。翻滚流飞的水流不休止地浸蚀页岩,淘空了白云岩的岩洞,一块块的白云岩崩落而下,使得悬崖永远陡峭。

另一种瀑布的形成就是在古代有一大块熔化了的岩石从下面挤上来。随着时间的推移,慢慢地岩石硬化了,后来就在河道中形成了一堵墙。

第三种情况是:古代的冰川切入山谷之中,使两侧形成悬崖峭壁,瀑布由此生成。此外,地球表面的运动使高原进一步加高,而河流就在它的边缘地带,这样就形成了高原上的瀑布。

形成瀑布的条件

形成瀑布的条件有几个。瀑布存在的一个最常见的原因便是岩石类型的差异。河流跨越许多岩相边界。如果从坚硬的岩石河床流向比较柔软的岩石河床,很可能较软的岩石河床的侵蚀更快,并且两种岩石类型相接处的坡度更陡。当河流改变方向并露出不同的岩石河床间的相接处时,便会发生这种情况。

尼亚加拉瀑布形成美国与加拿大间的部分疆界,其河床上有一块斑驳的白云石顶板岩石,压在一连串较软的页岩和沙岩之上。

形成瀑布的另一前提是河床上有许多条状的坚硬岩石。尼罗河上已出现一系列大瀑布,尼罗河水已充分侵蚀河床,结果露出坚硬的结晶质基底岩。

其他瀑布较少由岩层的特性形成,更多由陆地的结构和形状而形成。例如,隆起的高地玄武岩可形成坚硬的台地,河水在其边缘产生瀑布。一般情况下,随着山区地形的坡度加大,瀑布的数量也就增多。

河水侵蚀和地质特征并不是产生瀑布的仅有因素。沿着断层进行的构造运动会将坚硬和软性岩石聚拢在一起,促成瀑布的产生。河床海平面的急降使下蚀作用增加,并使河床上的裂点向上游方向后撤。依赖海平面、河水流动和地质特征,河落或急流可能在河床上出现裂点之处得到发展。

冰川作用已形成众多瀑布,那里的河谷已被冰蚀过度加深,支流河谷被留在陡峭的河谷两侧高处。加利福尼亚州一座由冰川作用凿出的约塞米蒂瀑布便从436米高度的一个悬谷跌落下来。

瀑布的消失

从河流的时间尺度来看,瀑布是一种短暂的现象,终将销声匿迹。

其侵蚀速度取决于一已知瀑布的落差、水量、岩石的种类和结构以及其他一些因素。有时由于悬崖或陡坡的溯源侵蚀而使瀑布向上游退缩;在其他情况下,侵蚀会产生下切作用而将瀑布所在的整个河段夷平。

随着时间的推移,凭藉这两种手段或其中任何一种手段,河流的必然趋势是消除既已形成的瀑布。

任何水量和落差大的瀑布的一个特征是有由瀑布跌落底部淘蚀成的深潭。有时潭的深度几乎等于产生瀑布峭壁的高度。深潭最终造成峭壁曝露的表面坍塌和瀑布的后撤。

流动的陷阱——流沙噬人的奥秘

强大的“吸力”

在电影中可看到描述流沙的两种景象,一种是陷进流沙里的人很快就被流沙吞没;另一种则是那个受困于流沙、只剩颈部以上还没被流沙吞沒的人,被同伴奋力拉出。

不过,这两种景象在科学家的研究下,已经证明都是不可能的!最新的科学研究发现,人一旦陷入流沙,最多只会陷到腰部就会停止,但若要徒手把受困者拉出流沙,则完全不可能。

研究发现,如果试图用马或是车辆拉出受困流沙者,拉力反而有可能把受困者撕成两半,此举所造成的危险远高于他暂时停在流沙当中。

要把一个人的脚拉出流沙,所需要的力量和举起一部家庭房车一样。在流沙放手前,人的身体就已经被强大的力量扯断。

波恩的发现

荷兰物理学家丹尼尔·波恩去撒哈拉大沙漠旅游。当地人告诉他,附近的流沙曾经吞没过骆驼。他感到怀疑:流沙真的有那么可怕?于是,他采集了一些当地的流沙,带回他任教的阿姆斯特丹大学。波恩在浴缸中装满流沙,然后往里面投放东西。他的实验揭示了有关流沙吞噬动物的秘密:

取自撒哈拉大沙漠的流沙样品是由沙子和盐水混合构成的半固体状态,这些颗粒松散地堆积在一起。

沙粒堆积起来,使其有了看似稳定的表面,但即便是承受很小的压力,流沙的整体框架便会立即塌陷。

浓厚的“沙浆”堆积在底层,它能粘住所有的物体,使其动弹不得。而流沙中的超细颗粒更是危险——它使流沙具有使人致死的巨大夹紧力。

最明智的做法是不要在流沙中挣扎,而是耐心而轻微地来回倒脚,使“沙浆”松散开来,不要紧紧地粘住你。如果撒哈拉大沙漠确实有骆驼被流沙吞没,波恩相信,肯定是骆驼拼命挣扎着要逃出来,结果却被流沙完全淹没。

流沙的成因

流沙的成因是充满水分的松软泥沙,并受到外力的刺激。当水分被沙堆包围不能泄去时,水和沙就形成了不能承受重量的液态土质。流沙可因静态水、上涌水(如地下水)或地震等因素形成。

在有上涌水的情况下,水的冲力抵消了重力,致使泥沙颗粒悬浮。

在发生地震的情况下,震动会加大地表水的水压,导致了砂石的液化及泥沙的堆积。

这两种情况,液化的地标失去了承重能力,导致地表坍塌或者地面建筑物倾斜。

包含水分的沙土外表看上去有可能是干爽结实的,但是如果压力改变或是受到突然的震荡,泥沙颗粒之间的水向沙层上方渗透,逼迫沙粒分开,沙堆扩大。这时沙粒之间会形成一层水垫,形成流沙。陷入流沙的物体会下沉,直至与流沙比重相当的深度,并因浮力悬浮于该深度。

如何自救

假如两个人同时踩到流沙中,谁陷得快谁陷得慢,主要决定于他们对流沙压强的大小。人体的平均密度是1克/立方厘米,因此可以浮在水中。

流沙的密度大约2克/立方厘米,按理说,流沙能提供足够大的浮力,但事实并非如此。

因为人直立走进流沙时,脚对流沙的压强很大,立即就会陷进沙里,更糟糕的是身体陷入的部分与沙体间产生巨大的摩擦力,流沙的浮力根本不足以克服这个摩擦力把人托出沙面。

因此,如果不幸遇到流沙,最重要的是如何增加与流沙的接触面积,减少对流沙的压强,不让自己陷入。

所以,关键是不要在流沙中胡乱挣扎,人或动物陷进流沙后因为恐惧而奋力挣扎,结果是越挣扎陷得越深,当然最深也就到腰部,但是,因为不停挣扎而导致精疲力竭,尤其是在人迹罕至的沙漠河流地区,最终会因无力自拔又无人相救而饿死或困死在流沙中。

最好是立即前倾趴下,或者后仰躺下,尽量使身体重力分布在更大的面积上,避免继续下陷;然后想办法把脚从流沙中拔出来,成功把脚拔出后,从趴着的地方翻滚离开。

千湖之国——解析冰川的作用

千湖之国——芬兰

芬兰共和国就像一颗明珠镶嵌在欧洲北部,是世界上最北的国家之一,面积约为33.8万平方千米,大体相当于德国的面积,而全国人口为510万,仅为德国人口的6.3%。大多数人居住在南部和中部地区,芬兰族占93.6%,瑞典族占6.2%,北部拉普兰地区人口稀少,居住在那里的土著民族拉普人约有5000人。

在许多人的印象中,芬兰是距离中国十分遥远的国家,而芬兰人常常对中国朋友说:“我们之间只有一个共同的邻国——俄罗斯。”

芬兰东部约有1300千米的边界与俄罗斯接壤,北部与瑞典和挪威交界,南临芬兰湾和波罗的海,西濒波的尼亚湾,蜿蜒曲折的海岸线长达1100千米。被喻为“绿色金库”的森林是芬兰最重要的自然资源,全国66%的国土面积被森林所覆盖,是世界上森林覆盖率最高的国家之一。

200多万年前发生的冰川作用使境内星罗棋布着18.78万个大大小小的湖泊,成为闻名世界的“千湖之国”。中国著名历史学家、诗人郭沫若在20世纪50年代踏上这块景色独特的土地时曾留下美妙的诗句:

信步千湖国,港湾分外多,

森林疑岭立,岛屿似星罗。

芬兰湖泊的成因

地质学家们研究发现,芬兰的湖是第四纪冰川作用形成的。如果看芬兰的地图,会发现有数不清的湖,是因为冰川在水平运动过程中不断地刨蚀着地面,如果冰川底部夹带了较为坚硬的岩石,在碰到下垫面较软的地方,就会刨出一个坑,冰川融化后,水就在这些地势较低的地方潴留下来,形成了众多的湖。

冰川的侵蚀原理

从理论上讲,冰的硬度小,抗压强度低,纯粹的冰侵蚀力非常有限。而实际上冰川极强的侵蚀力主要依赖于所夹的坚硬岩块,与冰川一起运动,在强大的挤压下而表现出巨大的侵蚀作用。

冰川的侵蚀方式主要分为拔蚀作用和磨蚀作用两种。

拔蚀作用:当冰床底部或冰斗后背的基岩,沿节理反复冻融而松动,若这些松动的岩石和冰川冻结在一起,则当冰川运动时就把岩块拔起带走,这称为拔蚀作用。经拔蚀作用后的冰川河谷其坡度曲线是崎岖不平的,形成了梯形的坡度剖面曲线。

磨蚀作用:当冰川运动时,冻结在冰川或冰层底部的岩石碎片,因受上面冰川的压力,在往前滑动时就会对冰川底床进行削磨和刻蚀,称为磨蚀作用。磨蚀作用可在基岩上形成带有擦痕的磨光面,而擦痕或刻槽是冰川作用的一种良好证据,其方向可以用来指示冰川行进的方向。

另外还有冰楔作用和撞击作用。

冰楔作用:在岩石裂缝内所含的冰融水,经反复冻融作用,体积时涨时缩,而造成岩层破碎,成为碎块,或从两侧山坡坠落到冰川中向前移动。

撞击作用:当融冰之水进入河流,其常夹有大体积之冰块,会产生强大撞击力破坏下游的两岸岩石。

地热奇观——神秘莫测的间歇泉

间歇泉奇观

间歇泉是间断喷发的温泉,多发生于火山运动活跃的区域,有人把它比做“地下的天然锅炉”。

在中国西藏雅鲁藏布江上游的搭各加地有一种神奇的泉水——间歇泉。间歇泉的泉水涓涓流淌,在一系列短促的停歇和喷发之后,随着一阵震人心魄的巨大响声,高温水汽突然冲出泉口,即刻扩展成直径2米以上、高达20米左右的水柱,柱顶的蒸气团继续翻滚腾跃,直冲蓝天。

中国湖北省咸宁市九宫山景区中有一个叫“三潮泉”的间歇泉,位于隐水洞旁的三潮泉村,当地村名因间歇泉而得名。泉水一日涌流三潮,涌潮时,泉水奔涌而出,哗哗呼吼,白浪翻滚,如珍珠奔涌,历时三四十分钟左右,潮过后寂静断流,数百年来日日如此。

除了中国的间歇泉外,在冰岛首都雷克雅未克附近,还有一眼举世闻名的间歇泉——盖策泉。这个泉在间歇时是一个直径20米、被热水灌得满满的圆池,热水缓缓流出。不久,池口清水翻滚暴怒,池下传出类似开锅时的呼噜声,随之有一条水柱冲天而起,在蔚蓝色的天幕上飘洒着滚热的细雨,这条水柱最高竟可达70米!

此外,美国黄石国家公园里面也有很多间歇泉。其中最有名的一个,叫做老实泉,每隔40多分钟就爆发一次,即不“迟到”也不“早退”,非常“守时”,上百年来从未间断,大概这就是为什么人们给它取名叫老实泉的缘故了。

间歇泉的形成原因

间歇泉是这样形成的:在火山活动地区,炽热的熔岩能使周围地层的水温升高,甚至化为水汽。这些水汽遇到岩石层中的裂隙就沿裂缝上升,当温度下降到汽化点以下时就凝结成为温度很高的水。这些积聚起来的水,还有地层上部的地下水沿地层裂隙上升到地面,每间隔一段时间喷发一次,形成间歇泉。

间歇泉一般出现在岩浆(熔岩)接近地面处,那里炽热的岩石会把水烤热。如果水能自由泄流,它将像温泉或泥塘一样来到地面。如果水被封入岩石中的天然管道内,它将很快变热,并且部分水在巨大的压力下会变成蒸气。当蒸气的源压逐渐积聚增强达到一定压力后,就会把热水连同蒸气一同喷出洞外。水的加热和制造蒸气的过程一直在进行着,所以间隔一段时间后另一股水和蒸气的喷射流又迸发了。

间歇泉喷出的水中往往含有矿物质,当水分蒸发或重新渗入地表时,这些矿物质就会沉积下来。随着时间的推移,日积月累的矿物质能形成各种奇怪的形状,像火山锥,像火山口,有时间歇泉还能“制造”出柱形的矿物质沉积物。科学家虽已揭开了间歇泉的神秘面纱,但人们仍为它雄伟而瑰丽的喷发景观所倾倒。

间歇泉形成的条件

间歇泉的形成除了要具备形成一般泉水所需的条件,科学家经过考察指出,适宜的地质构造和充足的地下水源是形成间歇泉最根本的因素。比如,充足的地下水源和适宜的地质构造等以外,还要有一些特殊的条件:

首先,间歇泉必须具有能源。地壳运动比较活跃地区的炽热的岩浆活动是间歇泉的能源,因而它只能位于地表稍浅的地区。必须是在地壳运动比较活跃的地区,地下要有炽热的岩浆活动,而且距地表又不能太深,其次,要有一套复杂的供水系统。在这个天然锅炉里,要有一条深深的泉水通道。地下水在通道最下部被炽热的岩浆烤热,却又受到通道上部高压水柱的压力,不能自由翻滚沸腾。狭窄的通道也限制了泉水上下的对流。这样,通道下面的水就不断被加热,不断积蓄力量,一直到水柱底部的蒸气压力超过水柱上部的压力的时候,地下高温、高压的热水和热气就把通道中的水全部顶出地表,造成强大的喷发。喷发以后,随着水温下降,压力减低,喷发就会暂时停止,又积蓄力量准备下一次新的喷发。

湿地——解开沼泽的神秘面纱

湿地的概念