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Megaflood——史前大洪水的绝唱

发布者: 麦田守望者 | 发布时间: 2020-7-16 17:08| 查看数: 52| 评论数: 0|



作者:朱子琰

来源:中科院地质地球所(ID:dizhidiqiusuo)

“部分地区降雨达特大暴雨级别,受降雨影响,多地中小河流发生较大洪水……”

“全市各测站水位仍超警戒,XX市全力驻牢防汛安全屏障。”

滴滴,这是两则之前播报的早间新闻。洪水(flood),常发于江淮梅雨时节,一个在近期的各大新闻里屡屡出现的词。作为自然灾害中的常驻成员,它的身影通常和“局部地区特大暴雨”,“连续强降雨”这些名词一起出现,在当今社会深入影响着人类的生产生活。

通过观察统计,不难发现近现代洪灾多发于小范围流域及其周边城镇,且绝大部分都可以在短期内被人为治理和防御。与此同时,退耕还林等政策的实施也可有效降低洪涝灾害的发生。



洪水灾害(来源:Kelly Sikkema)

然而,追溯到史前时代,洪水也曾以不那么温和的形态存在过。在地球的冰河时期,迅猛的洪水就曾以破竹之势横跨北美大陆,亦或是沿着数十千米宽的英吉利海峡倾泻南下。是什么力量造就了如此形态的洪水?又有哪些现今依旧保存着的地质痕迹为我们讲述了那一段段惊世巨洪的历史?让我们一起来看看吧。

寻迹——Channeled Scablands神秘洪荒的存在

Channeled Scablands,位于美国华盛顿州东部哥伦比亚高原上,紧靠着广袤的哥伦比亚河流域。高耸的垂直悬崖,深谷中四下散落的巨石,谷地深不见底的壶穴……典型的流水侵蚀地貌和我们现时在Channeled Scablands看到的一片干涸的平静景象似乎毫不相关。这一番别有洞天的景象究竟来自地球的哪股神秘力量?它又在告诉我们什么呢?



Channeled Scablands流域

通常情况下,大江大河流域内总是遍布着无数支流。支流源于干流,其形成主要基于丰富的降水和低平易侵蚀的地质条件。在Channeled Scablands主体河谷的附近也分布着许多小支流,但异于常理的是这些支流的河谷深度均远远小于干流。由此推论,在历史上某个时点,曾有突发的非常规事件使得洪水的流量在瞬间急剧增大,严重打破了支流和干流常规发育的平衡。



Channeled Scablands干流腹地发育的深切割河谷

随着巨洪时期的开启,携带着极高流速的巨型水体,在地势作用下径直往主要干流开辟的下游方向飞驰而去,将大部分动能聚集在竖直切割中心河谷之上。由此干流河谷急速发育,雕刻了如今所见的万丈深谷。而在其周围支流的发育速度在巨洪的汛期内远低于干流,这种流水侵蚀程度的差异则以河谷深度的显著变化被地貌记录下来。



Missoula洪水在Channeled Scablands的主要路径(来源:The Seven Wonders of Washington State)

在现今常见的洪水灾害中,通常由局部地区阶段性的天气变化(如:强降雨)引发洪灾。局部强降雨的发生通常使水位在某段时间内以相对稳定且缓慢持续的趋势上升,也使得干流支流以大致平衡的速度发育。因此,要形成拥有如此庞大切割力量的巨洪,单单依靠普通降水量的变化是不太可能实现的。



空中概览:Channeled Scablands流域的深谷和地壶(来源:AirphotoNA)

在Channeled Scablands干流幽深的谷底,一道道纵向分布的沟槽随处可见。它们深深地切割进河床底部玄武基岩的内部,而不仅仅只是覆盖在基岩上的沉积物。这一发现也进一步印证了巨洪突然灌入Channeled Scablands流域而造成大规模侵蚀的猜想。



columnar joints结构示意图(来源:Floodexplorer)

玄武岩作为火山岩的一种常存在柱状节理(columnar joints)结构,这种以六边形被保存下来的柱状体通常在基性岩缓慢冷却时出现。因节理存在而布满裂痕的谷底基岩在巨洪积蓄的动能和流速下经历了高强度的块状剥蚀,最终在河床形成大型垂直瀑布结构,甚至于其下深度达上百米的巨型壶穴。



谷底干涸了的巨型瀑布和壶穴



谷底的巨型瀑布遗迹(来源:The Seven Wonders of Washington State)

据研究数据显示,Channeled Scablands巨洪的流量平均每秒约有2.7*106立方米,流速达每秒45米(正常河流每秒2-3米),周期性反复数十次之多,且最大汛期长达两到三周,总洪量更是达到地球上所有河流总水量的10倍。如此庞大的水体究竟从何而来?是地壳的剧烈运动引发大面积海水倒灌,还是神秘的自然之力在北美大陆的某一角悄悄储蓄着巨大的能量?

溯源——冰河世纪与幽兰山谷的交汇



科迪勒拉冰盖走向及冰川屏障所在的位置(来源:NASA base image)

科迪勒拉冰盖,存在于在更新世时期的末次盛冰期。它曾在约260万年间覆盖北美大部分地区,并曾数次到达过西蒙大拿州,华盛顿州的北部,以及整个不列颠哥伦比亚省。Missoula冰川融水湖孕育于落基山脉腹地深处,其西北部的冰盖在前进途中横越过比特鲁特岭(Bitterroot Range,属落基山脉的子山脉)的峡谷,从而创造了一道阻断Missoula湖水随地势西下的天然屏障。



秋天的比特鲁特岭(来源:wikipedia)

当水流在冰川屏障(冰坝)后的山谷里积蓄到某一程度时,由于冰的密度小于水的密度,冰坝接触水的一侧在浮力的作用下有上浮的抬升趋势。且由于水体是在山谷间的狭窄空间内积蓄(参考深度大而直径小的容器),故而此时水底的巨大压强加剧冰坝一侧的抬升趋势,在底部首先形成细流通过屏障从另一侧涌出。与此同时,冰坝承受的压力继续增加,及至某一时点巨大的冰坝被突然瓦解,使得Missoula冰川湖水在瞬间决堤而下。Missoula洪水以倾覆高堂庙宇的态势,猛烈地重塑了哥伦比亚高原的地形,直至其演变成今天所留存下来的稀有地貌。



形成Missoula史前大洪水的机制解释图

Missoula巨洪以恢弘的笔墨刻画出的作品牢牢地镶嵌在Channeled Scablands莽然辽阔的版图上,证实了在人类文明出现以前,全球气候的周期性变化使得洪水也曾以人力无法抵御的凶猛之躯存在过。然而,在盛冰期向低纬度延伸的冰盖虽曾蓄洪以万钧之势,但也只是自然界神力所能创造的万千屏障之一。除此之外,积蓄巨洪所需如此庞大的势能的力量还可能来自于板块运动甚至地外陨石的撞击。

启示——大不列颠岛和欧洲大陆最后的诀别

英国素以“岛国”闻名,以一海峡相隔远离欧洲大陆主体,而揭开与英吉利海峡形成相关的谜底也自然成了探索英国独特地理条件的关键所在。



英吉利海峡及海底古山谷分布图(注:Dover strait,多佛尔海峡,位于北海与英吉利海峡连接处)

在上世纪70年代,研究人员运用地震波手段发现在多佛尔海峡(Dover Strait)前的中心海域存在着由众多海底山谷构建而成的庞大脉络。通过地质年代分析和古气候海洋环境的建模,可以确定在巨型海底山谷体系形成的时期,英吉利海峡附近的海平面远低于今天,很大一部分现存的大陆架浅海底也曾是陆地。

法国的塞纳河(Seine river)流经诺曼底向西注入英吉利海峡,入海口长期的流水侵蚀在南部塑造出了与多佛尔海峡前所发现的海底深谷形貌相似的结构。然而令人不解的是,在多佛尔附近并没有发现如塞纳河一般汇入海域的主要河系。缺乏了滔滔江河水的侵蚀力量,还有什么地面过程能雕琢出如此规模的深壑呢?



White Cliff英国白崖 (多佛尔海峡观测视图,来源:wikipedia)

在过去的几十年间,曾有两种相悖的观点在科学界展开抗衡。其中一种认为是冰期和间冰期的交替导致冰盖发生周期性进退,而最终呈现的海底深谷则是冰盖在运动过程中缓慢累积而成的划痕。另一种观点则认为深谷系统的形成是由英国白崖(White Cliff)延伸至法国的巨大岩岭(rock ridge)的瞬间破坏引发。在现北海的南部海域曾分布着由于岩岭阻隔而形成的冰川外缘湖(pro-glacial lake),在岩岭崩裂的瞬间湖水化身史前大洪水南下,创造出英吉利海峡中央海底山谷群的宏伟形貌。



岩岭崩裂导致的史前大洪水模拟景象

根据Channeled Scablands的启发和近年来在英吉利海峡相关证据的发现,“史前大洪水论”已经为现今学术界所广为接受。巨型的海底大瀑布结构 (cataract),深入到海峡中心区域基岩内部的侵蚀……这一片片逐渐被发现的遗迹,恍如一页页被掀开的史记,静静地躺在英吉利海峡深不见底的海水之下,篆写下这段 “洪荒之力隔两岸”的旷世奇史。



多佛尔海峡中心部分的声呐测深图



多佛尔海峡附近海域局部地震剖面图

在人类活动高度遍及世界各个角落的今天,地球系统自然调节的能力受到太多污染的抑制,气候变化也在呈现出一些不可逆转的势头。不知在全球变暖日益加剧的趋向里,是否有朝一日我们还能看到冰盖深入落基山脉腹地,亦或是积蓄的冰川融水带着分离大陆板块的力量卷土重来。如果某天乘上前往美国东海岸的航班,可有机会从空中自西向东纵览Channeled Scablands的全貌,轻轻地闭上眼睛,去感受,去聆听这一场百万年前的史前大洪水在北美大陆滚滚西行时奏出的创世绝响。



Missoula巨洪的模拟景象

参考文章:

Baker VR, 2020. Global Megaflood Paleohydrology, Palaeohydrology:3-28

Baker VR. 2009. The Channeled Scabland: A Retrospective, Annual Review of Earth and Planetary Sciences 37:339-411

Gupta S, Collier JS, Garcia-Moreno D, Oggioni F, et al. 2017. Two-stage opening of the Dover Strait and the origin of island Britain, Nat Commun 8:15101

Gupta S, Collier JS, Palmer-Felgate A, Potter G. 2007. Catastrophic flooding origin of shelf valley systems in the English Channel, nature 448:342-5


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