河水最終能把地殼衝掉嗎？

浩浩蕩蕩的河流，有著塑造地貌的力量，著名的長江三峽、雅魯藏布江大峽谷都是由河流長時間侵蝕而形成。那麼問題來了：如果時間足夠長，河水能把地殼都衝掉，露出地幔嗎？

這個腦洞大開的問題，相當於下面三個問題。

這樣的例子是否存在？

如果河谷可以不停下切，它們會切到地球的什麼部分呢？

知識點：下切指河流下切侵蝕作用，這是一種垂直於地面的侵蝕作用，下切侵蝕會加深河道，形成V型峽谷。常見於河流河谷發育初期（也就是上遊）。

要討論這個問題，我們就不得不介紹一下深部地球的圈層構造。起初，原始地球差不多只是一塊物質成分相對均一的巖石，經過長時間的分異作用才逐漸形成了複雜的層圈結構。地球從裡到外分為地核、地幔和地殼，（上）地幔和地殼之間的分界面叫莫霍洛維奇不連續面（真繞口啊），也叫莫霍面（Moho），得名於最早發現它的南斯拉夫地震學家、氣象學家莫霍洛維奇（Andrija Mohoroviic）。毫無疑問，地球最外層——地殼最為我們所熟悉，但相比地球的內部，它在成分上卻最不均一。

地球內部剖面示意圖

地殼分為兩種基本類型：大陸地殼和大洋地殼。地質與地球物理資料顯示，全球各地的地殼厚度不一，平均厚度約17千米。大陸地殼平均厚度為39~41千米，在構造擠壓縮短地區（例如青藏高原），地殼厚度可達70~75千米。相比之下，大洋地殼要薄很多，例如大西洋洋殼厚度3~4千米，太平洋的洋殼厚7~8千米。而全球最深的溝馬裡亞納海溝在海平面以下11034米，為地球的最深點，因此這裡的地殼最薄（這裡需要說明，馬裡亞納海溝是由板塊俯衝形成，並非河流地貌）。

河流是陸地表面上經常或間歇有水流動的線形天然水道。要想由河流下切露出地幔，那麼需要河流下切近40公裡。我們再看看，現今陸地上最低的地方在哪裡。死海，它的海拔僅為海平面以下400多米，離莫霍面還遙遠得很。

可見，地球上沒有任何一處是由河流下切而露出地幔的地方，因為壓根兒就不可能。

河流遇到的「對手」——地殼均衡理論

大量研究表明，地貌是地球深部構造與淺層表生多圈層互相作用的結果，其中包括了構造、氣候、侵蝕及沉積的互相反饋。

構造/氣候/侵蝕與地貌的互相侵蝕（圖源：中國地震局張會平研究員2020構造青年論壇報告）

河流下切速度一般是0.1~1毫米/年（Pan et al,2013），但是在構造活動強烈的地區要大於這個速度，如青藏高原地區。假設以每年1毫米來計算，1千萬年（10個百萬年，地質學上用Ma來表示百萬年）下來河底將下降1萬米，也就是10公裡，這個速度是驚人的。

號稱世界七大自然奇觀之一的科羅拉多大峽谷，全長446千米，平均寬度16千米，最深處2133米，平均深度超過1500米。我國的雅魯藏布江大峽谷，全長504.6千米，最深處6009米，平均深度2268米，當之無愧的世界第一大峽谷。

雅魯藏布江大峽谷，作者拍攝於墨脫

但是，下切的河流會遇到一個「對手」，使得下切作用不會永無止境。

要想理解其中奧秘，先來了解一下地殼均衡理論。地殼均衡理論，是指地球外殼的各個地塊趨向於達到靜力平衡，即在大地水準面以下某一深度處具有相等的壓力，大地水準面之上山脈（或海洋）的質量不足（或過剩）由大地水準面之下的質量過剩（或不足）來補償。

這裡不得不提到兩個經典模型，英國數學家普拉特（J.H.Pratt）的密度補償模型和英國皇家天文學家艾裡（G.B.Airy）的深度補償模型。普拉特認為地形高度與巖石密度成反比，即地殼的密度隨上覆地形起伏的高程在橫向上發生變化，地形越高的地區密度越小，反之密度越大；而艾裡認為地殼密度均一，高山下的地殼厚度大，深海處的地殼厚度則小，地面上的地形起伏正好與地殼底部起伏成鏡像關係。

（a）普拉特（J.H.Pratt）的密度補償模型；（b）艾裡（G.B.Airy）的深度補償模型；ρ-密度

兩個模型的假設前提雖然不同，但其結果都是通過質量補償進而在某一深度處達到靜力平衡。

當然，自然界從來都不會完全符合哪一種理想模型，地殼均衡常常都是上述兩種模型共同的結果：河流可以下切地殼，地殼均衡作用也可以輕易補償掉河流下切對局部地殼所造成的有限壓力突變，達到靜力平衡後就會阻止下切。

因此現實中的情況是，即使河床上的物質源源不斷被河水侵蝕、搬運至其他地方，結果會導致區域地殼抬升，反而不是無止盡地往深處下切。換句話說，原來埋藏深部的巖石不會永遠待在暗無天日的地下，終將在河流侵蝕作用下暴露於地表；暴露於地表的物質又接受新的河流侵蝕和搬運作用，如此反覆，最終形成了現今的河流地貌。

河流下切河谷打破均衡，地殼抬升進行補償以達到均衡，河流從均衡——不均衡——再均衡中來回調整，周而復始。正如地殼均衡理論中提到，地殼的各個地塊趨向於靜力平衡。

此外，我們藉助地殼均衡理論，還可以很好理解現今地球內部構造，如上地幔為何是起伏不平的？大地水準面為何是不規則的曲面?重力為什麼會有異常？冰川消融後地殼為何會回跳？回跳（上升）的速度又是多少？等等。

河流的宿命

到了直面問題的時候了：每一條河流下切侵蝕的最大深度都不是無止盡的。河流下切侵蝕的深度受控於河流侵蝕基準面，當河流下切接近這一平面後就失去侵蝕能力，不再向下侵蝕。甚至在一些情況下，河床還會由於源源不斷的沉積物不斷抬升，比如我國黃河中下遊地區河床高於周圍人類聚居地區10米之高，成為了名副其實的「懸河」。

儘管學界對河流侵蝕基準面有不同的認識，但對任何一條河流來說，控制河流下切侵蝕的最低基面都是存在的。1899年，美國學者戴維斯提出來一個河流地貌發育的理想模式。他認為一個平坦地區的河流地貌單元被地殼運動抬升後，經歷幼年期、壯年期、和老年期三個地貌發育階段（這不就是人的一生麼）。

1. 幼年期，這個階段總體特點侵蝕強烈，河流以下切侵蝕（包括溯源侵蝕）為主，河谷深，地表起伏大，如雅魯藏布江大峽谷、黃河龍羊峽、金沙江虎跳峽等；
2. 壯年期，這個階段河流以側蝕為主，堆積作用逐漸加強，山嶺很窄，地面破碎，原始地面形態完全被破壞，如我國長江流域湖北石首至湖南岳陽地區尤為明顯；
3. 老年期，這個階段的河流只有側蝕和堆積，上遊的直流也達到平衡，河谷寬廣，曲流發育。整個地區經河流長期侵蝕，到老年期，地面成為夷平地面，也叫準平原，如我國長江流域九江以東直至上海的吳淞口（入海口）地區。

上述三種類型的侵蝕作用（下蝕作用、溯源侵蝕和側蝕作用）和三個階段並非孤立存在，事實上，在河流發展的每一個時刻，任一河段都是三種類型共同參與的結果。

河流發展到一定階段後，河底的侵蝕和堆積達到平衡狀態，這種平衡是河流自動調節的能力，對任意一條河流來說，任何時候水流都力求達到這種平衡狀態。河谷從峽谷變成寬谷，河流就是在這樣的變化中不斷發展。因此，在沒有特殊外力情況改變的前提下，最終達到這種理想狀態就是河流的宿命。

河流地貌演化圖，從上到下依次表示：幼年期，壯年期，老年期

所以，開頭那個腦洞大開的問題，你知道正確答案了麼？

本文來自微信公眾號：科學大院，作者：董漢文（作者單位：中國地質科學院地質研究所）