4 变化的世界

现在，人们对地球历史的理解主要来自于地层学——关于岩石层的研究。通过对岩石形成过程的研究，地质学家能够推测在遥远的过去发生了什么，并据此解释每个岩层包含的内容。

因为生命诞生于海洋并且在那里持续繁盛，而在沉积层中保留的化石记录同样代表了一个进化的序列，所以地层学就能够得到古生物学的辅助。对地层学和古生物学的研究显示，地球的历史是在循环中前进的，相对稳定的时期会被剧变打断。在造山运动中，曾经水平的岩层可能会被压皱而形成褶皱山脉，而另一些岩层则可能被侵蚀而完全被破坏，并在岩石上留下裂缝，这些裂缝被称为不整合面。这种特征可以在美国亚利桑那大峡谷看到。

今天的地质进程跟过去是类似的，然而，这些进程发生的速率可能已经改变。在地质学中，时间是非常重要的。很多变化发生得非常慢，但突然的风暴或者火山爆发可能会迅速改变一个地区的面貌。这些事件都被岩石记录了下来。

沧海桑田

岩石是矿物的集合体，矿物就是拥有有序原子结构的固体物质。大多数岩石是硅酸盐，它们由不同的金属阳离子与硅和氧结合构成，硅与氧的结合通常以阴离子的形式存在。因为包含了不同的阳离子，不同的硅酸盐矿物就会有不同的内部结构，其中一些紧密结合在一起，因此十分坚硬；而另一些则较为疏松，因而可能对物理性或化学性攻击更敏感。

归根结底，所有的矿物都来自行星内部，是在熔融状态岩浆冷却时结晶而成。这类晶体都是在相当大的压力和温度——500℃（花岗岩）和1100℃（玄武岩）——下形成的。所以，当它们到达地球表面时，由于低温和低压，它们并不一定能够保持稳定。而且，事实上大部分岩石的结构本身就存在很大的脆弱性，这种脆弱性与它们的原子结合方式有很大关系。

在地球表面，露出地面的岩石被水、风和冰破坏。破坏很容易沿着岩石天生的脆弱点诸如岩层面、接合点和断裂面等区域发生，最终岩石支离破碎。岩石碎片会在重力、流水、冰和风的共同作用短时间内被送到其他地方。在此过程中，岩石碎块彼此之间或者与其他露出地面的石头之间相互碰撞，最终分解成单体矿物颗粒。之后，这些岩石颗粒就沉积为沉积岩层或者地层。

结合性石英是花岗岩的主要成分。石英在其他沉积岩中也很常见，这些沉积岩由上述的风化作用及之后的沉积作用形成。石英有结合性很强的原子结构，这使得它对化学侵害具有抵抗力。在这方面，石英与同样为花岗岩组成成分之一的长石完全不同：长石的晶体因裂面的存在（在矿物的原子晶格中脆弱联接的平面）和能够轻易被弱酸性水分解的分子而显得脆弱。因此，长石颗粒被逐渐分解形成黏土，它们的其他成分则溶解，被小溪或河流带走，最终在其他地方再结晶。除石英外，其他成岩硅酸盐物质都要经历相似的降解过程。

沉积物被河流（或冰川）运送到海洋或者湖泊中的过程不仅包括矿物颗粒的层层堆积，也包括促成矿物质的最终溶解。有时候，沉积物被掩埋后，沉积物颗粒间的水分被固定住，上述过程就会产生结晶化的类混凝土。对于将分离的颗粒转换成固体岩石而言，发生在沉积之后的作用过程是非常重要的，比如巨大的压力之下，矿物颗粒空隙之中的水分被挤出，矿物颗粒就会更紧密地结合在一起。

很多石灰岩是直接从海水中沉积而来的，它们由碳酸钙构成，这些碳酸钙是由空气中诸如二氧化碳之类的成分与海水中的碳酸反应而成。碳酸盐也被海洋生物利用建造其外壳。二氧化碳固定在固体碳酸盐中的一个好处就是能避免其在地球大气层中的累积，如果没有这个作用，温室效应早就会在地球上发生并阻止生命的发展，就像金星上的状况一样。

火星上大多数的侵蚀作用和广泛分布的尘埃的搬运都由风来完成，而曾在火星上流动的水和冰则都在沉积物中。金星上没有水，一些撞击留下的残余物依靠风移动，并可能在固体微粒和气体混合而成的混浊流的作用下沉淀。

河流

雨水可能从地表流过或者渗入多孔的岩石，并在泉水线上水位较低处出现，最终流入河流的支流网。这些水流能运送沉积物并沿途将它们沉淀下来，它们或成为水道中的点沙坝，或以洪水沉淀的形式扩散到周围地区。

主流与支流共同组成一个河流系统——一个血管状的水流网络。在它的上游，斜坡比较陡，水流比较急；河流以悬浮或沿河床拖曳大一些的残留物的方式运送承载物。当河流最终进入海洋或者湖泊的时候，它会迅速失去能量并将它的承载物沉淀下来，形成沉积物三角洲。河流则必须在这里开一条新路。

世界上一些最大的河流，诸如密西西比河和亚马孙河，将巨量的水送入大洋。密西西比河每秒流量为1.77万米 3，亚马孙河的每秒流量则10倍于此。它们每年分别要运送大约10亿吨的沉积物进入海洋。现代密西西比三角洲下面是一个6000米厚的沉积层，它大约积累了4000万年的时间。目前，这条河平均每年仍在为它的三角洲增添1.5×10-3米厚的沉积物。

火星表面也发现了遭受河流侵蚀的迹象——虽然它现在已经由于极度的寒冷而没有了流动的水。火星上陨坑区域之间的峡谷网很可能是被15亿年前流淌过的河流切割而成的。那些被严重冲刷的河道可达200千米宽、1000千米长，看起来似乎是由巨量的水在瞬间释放造成的。据推测，这些水可能由地下冰融化而来。它们可能跟美国华盛顿州河道交错、凹凸不平的地区相似，这些地区的地貌就是在最近的冰期中由一次天然决堤形成的。

一个主要河流系统的河道并不总是保持不变的，比如密西西比河。由于更新世冰期（200万年之前）海平面比现在低，所以为了平衡下降的水位，它切割出了一个深深的河床。当冰融化而海平面重新上升时，这条河就会泛滥，然后堆积在它的河岸两边形成了一条更加曲折的河道。这种情况每隔一段时间就会发生，它的三角洲也就会不断发生变化，最终形成一个复杂交错的沉积模式。

当天气过于潮湿时，本该渗入大地的水就会在地表流过并进入河流，这会使河流的水量超过它所能承载的最大容量，洪水就这样形成了。1993年密西西比河的泛滥摧毁了5万幢房子，造成52人死亡。发生在2000年的莫桑比克大洪水更为严重，它由飓风引起，持续了三个星期，对这个国家造成了严重的破坏。

在干旱地区，河流倾向于仅在特定季节流动并可能无法从内陆沙漠到达海洋，因此，它们将沉积物沉淀在一些暂时性的湖泊中。在极地冰帽附近地区的夏季，季节性的河流也很常见。

海洋

连绵几十万千米的海岸线界定了地球上的海洋。海岸线由与海洋相关的力塑造而成，是在不同年龄、不同弹性的岩石中凿出来的。河口打断了海岸线的轮廓，并从大陆内部带来了沉积物——它们往往在河口堆积起来，形成广阔的三角洲。波浪和海流可能会使一些沿岸沉积物重新分配，进入临近的海岸。

一些海岸线形成于上升的大陆边缘。冰期冰川回退后的均衡调节或再平衡作用使大陆的一部分上升；或者就是大陆边缘由于板块运动自己从海洋中露出来。

外露的海岸线显示了波浪冲击悬崖带来的侵蚀，以及提升的海滩——遗留的旧海岸线已被提升于海平面之上，并被化石性悬崖支撑。相反，海岸线下沉显示了这里的陆地相对海平面下沉，这种现象可以在英国东南海岸发现。海岸线下沉现象发生时，海岸平原可能会被淹没，山脊和山丘则成为海岸附近的岛屿。

海浪的力量是巨大的，波浪的水压作用撞击着绝壁内的联接点和脆点，并将它们一点一点地肢解。我们已经知道波浪能够将洞穴的顶部冲毁。

在陆地和海洋的结合处积累起来的残留物质能够使这种冲击作用更有力量。在暴风和特别高涨的潮水作用下，沙子和砂砾会增强波浪的冲刷作用，从而增加对海岸的侵蚀。

沙滩的沉积物部分来源于河流和它们的三角洲，部分来自于海岸峭壁的侵蚀。那些由松软岩石（比如黏土）构成的峭壁发生崩塌是很普遍的，它们迅速被海水侵蚀，解体物质则以相对较快的速度被运走。潮汐会在泥土大小的颗粒沉淀之前将它们冲离海岸。更坚硬的岩石对冲击的抵抗力较强，因而容易形成海岬。由峭壁基部附近的这类岩石产生的鹅卵石和沙子就形成了海滩。倾斜的海滩减少了峭壁的侵蚀，因为它们吸收了破坏性波浪的大部分能量。

大陆的边缘缓缓地倾斜入海，形成了大陆架。在热带地区，如果有合适的洋流，这些大陆架就会为珊瑚的生长提供一个理想的环境。这些珊瑚会制造出群礁。有时候它们甚至能够在凹陷的岛屿上制造出环礁。

在不稳定的地区，来源于陆地、在大陆架边缘堆积的沉积层就会在地震的扰动中移动，从而产生由沙子、泥浆和水组成的混浊流。这些混浊流涌下大陆坡直到扩展了向海的深海平原，最终沉积为混浊岩。这些地下的坍陷是形成大陆坡的重要机制，它们可以由激烈的波浪活动引起，比如海啸、飓风或者海底地震。

在远离陆地的深海底，唯一的沉积物就是生物软泥——由海洋水藻和硅藻生成，它们有时候还能得到火山灰的补充——火山灰喷入大气后，有一部分会落在海洋中，并慢慢沉淀到深海平原上。

沙漠

全球大气循环过程中，干燥空气从上层大气（对流层）被带下的地方就可能产生沙漠。这种情况在低纬度的炎热地区（北纬或者南纬20°～30°）和极地冰帽附近的寒冷地带都可以看到。在冰帽附近，沉积物从消退的冰川中遗留下来，地表分布的多棱岩石成了这里的标志性特征，这些岩石可能是在冻融活动中形成的。

在诸如撒哈拉沙漠这类地方，广阔的“沙海”或者砂质荒漠在风送沙子的积累下产生，形成了沙丘地带。这些壮阔的沙海可能覆盖50万平方千米的土地。沙漠同样存在于远离海洋的大陆内部。

风是形成沙漠的最强有力的力量，它卷起沙粒并穿越沙漠表面运送它们。被风塑造而成的沙漠最大的特征叫做层形。当风吹着沙子蔓延的时候，层形上就形成了沙丘和波纹。在沙子沉淀的地方，沙丘顶端一般与盛行风方向呈直角。单个的沙丘有一个陡峭的前表面和一个平缓的背坡。由于沙丘特殊的生长方式（就像在矿渣场边缘剔除不要的岩石一样），它的层形表面倾向水平，这个特征被称为交错层。

具有相对稳定风向的地区广泛分布着被称为弧形沙丘的弯月形沙丘。这些沙丘地带常常连接在一起形成一条宽广的穿越沙漠的波浪状束带。在赤裸的岩石表面，沙子可能被拉伸成长长的赛夫沙丘，而在风向变化的地区，沙丘则形成星状结构。风的另一个作用是侵蚀，风对空气中的小颗粒的不断研磨，使它们比那些在河流和海洋环境里产生的沙粒具有更佳的球形。更大的碎块无法被风刮起，只能被风在地面拖动，因而形成了有小平面的鹅卵石——三棱石。沙子被风移走，可能会形成诸如利比亚的卡塔拉盆地这种低于海平面134米的地区。个体岩石表面遭受程度不一的侵蚀，造成了它们极其不同的特征，如蜂窝状的峭壁面、石拱或者石座。

哪怕是在最干旱的沙漠中，偶尔也可能出现降雨，这些降雨通常伴随着短而激烈的风暴，它们可能在短时间内迅速侵蚀和移动物质。在这种情况下，河流冲击而成的河谷和旱谷得以形成。被称作干荒盆地的季节性湖泊常存在于沙漠的内部，这些湖泊是充分颗粒化的沉淀物的聚集地。

沙漠内部通常是相当平坦的——尽管它们周围往往有高原和孤立的山丘。沙漠中的岩石质高原被风侵蚀，产生大量碎石堆基岩沉积，这些大块岩石和鹅卵石大小的碎块最终会在峭壁的脚下堆积起来。这些石头太大以至于风无法将它们移动，但风可以将更细的沙子吹进这些碎屑岩的空隙中去。

火星被认为是一个巨大而寒冷的沙漠，广阔的沙丘地带在极地冰帽附近发展起来，当全球性的沙尘暴发生时（往往在近日点附近），整个火星会被漫天的沙尘遮蔽。1971年“水手9号”探测器接近火星时遇到的就是这种情况。金星上也发现了沙丘结构和风成条纹。

冰川

地球和火星上都有极地冰帽。地球上的冰是冻结的水，而火星冰帽则既有冻结水又有固体（冻结了的）二氧化碳。在遥远的过去，火星上也可能曾经存在过移动的冰川这一推断既有理论支持，也是对火星上可能由冰川作用形成的陆地形态的观察的推测。地球拥有活跃的峡谷冰川和极地冰盖，它们随着季节的变化消退或前进，目前冰覆盖了大约1500万平方千米的地球表面，这意味着它大约占地球表面积的3%。在最后一个冰期，冰盖扩张到了北美和欧洲的广大地区，那时它们都被冰川所覆盖，但现在冰已经仅仅存在于该地区的高山冰川之中。判定冰川过去的覆盖范围有两个依据：一是被困在移动冰盖之下的岩石的刮擦留下的冰川条纹；二是裸露在地表的光滑的羊背石。

冰川随着气候的变化在峡谷里前进或后退。当冰川前进时，它就会搬运从地面剥蚀的各种物质，而一旦它们后退，这些物质就会遗留下来成为终碛。这些终碛的位置可以帮助地质学家们了解冰川作用的不同阶段。经过冰川作用，峡谷也变得更深，两边更加陡峭，产生平底、峭壁和U型切面，这些都是典型的冰川侵蚀特征。

目前，冰川仍然在后退，所以人们可能发现作为它们遗迹的沉积地形，其中包括低矮的圆丘状山——冰丘，以及长而蜿蜒的砾岩山脊——蛇形丘，这两种地形都与冰川运动方向平行排列，它们的古代副本模式可以被用来推测更早的冰川地理。另外，在典型的峡谷冰川边上，粗糙的残留物累积形成侧碛。

虽然这些特征给地质学家提供了关键的线索，但它们并不构成冰川沉积物的主体。这些只是冰砾泥，也被叫做“冰碛”，它们是在冰下积累的冰碛残留物。这些残留物中有一些可能是从很远的地方被搬运过来的大石块，也有一些是沙子和砂砾的混合物。漂石在更新世冰盖退却之后留在了英国的低地，其中包括种类繁多的诸如来自挪威的火成岩和来自英格兰东部的白垩。埋在地下的冰砾泥受压缩形成冰碛岩。对岩石序列中这种岩石的辨认使地质学家发现冰川运动曾经在遥远的过去发生在诸如澳大利亚、南美和非洲这些看起来不大可能出现冰川的地方。

冰盖边缘的土地仍然是很冷的——实际上是冰冻的。这块土地被称为冻土带，它会在夏天解冻。这些交替的冰冻-融化循环使土地表面隆起，并把不同大小的碎块分类成堆，形成有图案的土地，从而给平坦的地面带来多边形石头。冬天，冰在地表之下堆积起来，夏天它们又开始融化，这就可能引起土地的塌陷。而在其他一些地方，含有气泡的冰可能被下面的压力托起而形成冰核丘。