地貌学

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  地貌学汉语拼音:Dimaoxue;英语:Geomorphology),研究地球表面形态的特征、成因、内部结构分布及其演变规律的学科,又称地形学。是地理学(自然地理学)的分支,又是地质学的一部分。

  从语源来看,地貌学的英文Geomorphology源自希腊语,由Geo(地球)、Morphe(外表形态)和Logos(论述)三词组成,即关于地球外表面貌的论述。而地貌是地球表面的形形色色的各种空间实物形体,有自然形体和人工形体两大类。

发展简史

  地貌学起源于人类出于生存需要而对地形的识别、利用和改造。古代汉字中亦有关于地貌的相关内容,比如《诗经·大雅》中记载的岗、塬和隰等。早期古代地貌学主要是定性描述地貌形态和类型分布,古代地貌学后期也在中国诞生了像《徐霞客游记》等对岩溶地貌过程解释的经典杰作。

  18世纪到19世纪是现代地质学和地理学的创立时期,两者的交叉领域则为地貌学提供了空间。而现代科学意义上的地貌学则发祥于19世纪中叶到20世纪初期。莱伊尔(C. Lyell)均变论(又称“现实主义原理”)、达尔文生物进化论等对地貌学产生了重要影响,W·M·戴维斯的侵蚀循环学说和地貌成因三要素原理、瓦尔特·彭克的坡地学说等对科学地貌学理论发展起到重要推动作用。阿尔布雷希特·彭克于1895年所著的以个人大量野外研究成果为依据的《地表形态学》一书是最早的地貌学教科书之一。

  二战后各种大型工程对地貌学研究提出了更高的要求。1952年,美国自然地理学家斯特拉勒发表《地貌学的动力基础》一书,形成了地貌学的动力学派。20世纪50年代也是地貌学出现分支学科的时期,形成了河流地貌学冰川地貌学海岸地貌学构造地貌学。地貌学开始多方向发展。

  20世纪60年代,系统论被引入地貌学研究中,并形成了地貌学的动力派。自1985年起,每四年召开一次国际地貌学会议,并在1989年的第二届国际地貌学会议上成立了国际地貌学家协会(IAG)。现代地貌学在全球变化背景下,着重区域非线性地貌过程、突变地貌过程、分形地貌过程的研究,注重数值模拟、精准测年、高分辨率遥感等技术手段的运用,并因地制宜面向社会生产实践和应用。

  大致分为三个阶段。

初期阶段

  地貌学在中国萌芽很早。战国时期成书的《管子·地员》已区分出渎田(平原)、坟延(坡地)、丘陵、山林和川泽,在丘陵中又按地势高低等条件,细分为15种类型。北魏郦道元在《水经注》中叙述了黄河、长江、西江等的河岸地形。北宋沈括在《梦溪笔谈》中明确指出河流的侵蚀、搬运和堆积作用,并认为华北平原是河流堆积作用形成的。明代徐霞客对中国西南喀斯特地貌的分类、分布和成因,都有精辟的论述。在欧、美等国家,地貌学最初从属于地质学。英国J.赫顿在18世纪80年代发表的《地球的理论》一书中,论述了海底沉积岩上升形成山地,然后又被流水侵蚀变为低地的过程。英国C.莱伊尔在《地质学原理》中,说明了岩石在地表崩解,产生的岩屑被流水冲刷搬运、堆积在低洼地区的过程。法国A.苏雷尔研究了阿尔卑斯山的河流纵剖面,于1841年指出河流不论大小,其纵剖面都趋向均衡剖面,剖面坡度自上游向下游变缓。美国G. K.吉尔伯特(1843~1918)在《邦纳维尔湖》论文中也提出了地貌发育中的平衡概念。

形成阶段

  19世纪末至20世纪中叶是地貌学成为一门独立学科的时期。主要代表人物是美国W.M.戴维斯和德国W.彭克,他们对地貌的形成、演变作了有价值的理论探讨。戴维斯有一句名言,即“地貌是构造、过程与阶段的函数”,也就是说一个地区的地貌现状如何,取决于那个地区的地质构造(包括岩层的物理、化学性质和岩层的产状与结构)和所遭受的地貌塑造作用(如流水、冰川、波浪等的侵蚀、堆积作用)和地貌发育所达到的阶段。他提出的侵蚀轮回学说,认为由地球内力引起的构造运动所造成的高地,在外力的侵蚀、剥蚀作用下终将被夷平而成为准平原;构造运动是痉挛式的(即一次突发,继以长期稳定),上升的山地在长期流水侵蚀作用下要经历幼年期、壮年期和老年期三个发育阶段。彭克是与戴维斯同时代的地貌学奠基者,著有《地貌分析》(1924)等;认为干旱区的坡地受剥蚀,不是戴维斯说的自上而下的剥蚀削低,而是平行后退,在山麓出现不断扩大的剥蚀平原。他称这个过程为山麓夷平过程,形成夷平地形为山麓夷平面以代替准平原(见山坡平行后退理论)。

发展阶段

  20世纪中叶以来,地貌学着重地貌现代过程的观测与分析,得到长足发展,形成构造地貌学、气候地貌学、动力地貌学和应用地貌学等分支学科,以及河流地貌、喀斯特地貌、冰川地貌、冰缘地貌、海岸地貌、荒漠地貌等研究领域。在理论研究方面也有许多新的进展。如关于剥蚀夷平面的成因,德国J.K.比德尔认为构造稳定的化学风化盛行的湿热气候区可以形成广大的夷平面。其形成过程是:巨厚的风化壳随着表层被冲刷,向深处发展,从而使地形夷平,这种夷平面称为刻蚀平原。法国J.-L.-F.特里卡尔认为冰缘环境的融–冻交替作用,及其坡地上的融–冻泥流也可以夷平地形。这种夷平面可以在山顶形成,其作用称为高夷平作用。L.C.金认为,在干旱、半干旱及稀树草原气候条件下,通过矮悬崖平行后退可以形成低倾角的山麓剥夷面,这种剥夷面可以维持很长的时间。美国S.A.舒姆提出了地貌临界和地貌过程响应理论,他认为地貌系统演变过程中存在突然变化的超越点或状态。

研究内容和分支

  研究内容包括地球表面的形态特征及其形成的动力,地球表面形态的发生、发展的规律和分布,以及组成堆积地貌的沉积物研究等。主要的分支学科有构造地貌学、动力地貌学、气候地貌学和应用地貌学等。

  构造地貌学 研究构造运动、地质构造与地貌形态之间关系的学科。狭义构造地貌是指已经形成的地质构造(如背斜、向斜、单斜),在外力侵蚀作用下形成的各种地貌,又称地质构造地貌;广义构造地貌还包括新构造运动所直接造成的、未受外力侵蚀作用显著改造的地貌,如新近隆升的山地和高原、新近沉降的平原和盆地、新拱曲的背斜和凹陷的向斜等,又称活动构造地貌。地质构造地貌主要研究在外力作用下各种地质构造总体地貌的具体表现,以及不同岩石组成的各种地层在地貌上的具体表现。活动构造地貌主要研究地球内力引起的地貌变形,并借助大地构造学和地球动力学的知识去分析变形的力源。

  气候地貌学 研究受气候控制的地表形态特征及其发生、发展的规律。不同气候带有不同的主导外动力,外动力强度和组合的差异会形成不同的气候地貌类型。如冰川地貌和冰缘地貌的分布界限是受气候条件控制的,然而同在冰川或冻–融交替作用区还会因降水、气温条件的差异塑造出各不相同的冰川地貌和冰缘地貌;风和流水的地貌作用在陆地上是普遍存在的,但在不同气候区所塑造的地貌有很大差异;同为石灰岩受水溶蚀形成的喀斯特地貌,在各个气候区不同的水、热条件下就会有不同表现。气候地貌学还注意研究与侵蚀相关的沉积,在相关沉积中保留了许多气候条件的信息。

  动力地貌学 研究各种外动力在地貌形成中的作用及其形成的地貌形态特征。外动力包括流水、冰川、波浪、风、溶解、热力冻融等。运用物理学(主要是力学)和化学的方法研究地貌过程,揭示地貌发生发展过程中的内在机制,进而建立它的物理或数学模型。动力地貌学已成为现代地貌学的重要发展方向。一个重要理论基础是动力作用均衡的思想。各种外营力与地表之间,在经过长期相互作用之后,可以调整到一种相对均衡的状态,这时能量消耗、物质分配处于最合理的状态,即达到最大的熵值,地貌形态就相对稳定。山地斜坡均衡剖面、河流均衡剖面、海岸均衡剖面和冰雪积累与消融平衡等都是这一思想的体现。但早期的地貌学过于强调了均衡的作用,把地貌发生发展过程看作是一个封闭系统,能量(各种营力)和物质(破坏和搬运物)只能在系统内运动,因此认为全系统达到均衡时,地貌的发展就停止了或又开始新的循环。而现代动力地貌学认为地貌过程是开放系统,能量和物质皆可自由出入于系统,均衡状态可以在某一时段或某一空间先行达到,并非一定要全系统的均衡。实际上,自然界的能量流和物质流处于随机状态,是千变万化的。因此,既有均衡的趋向,又有随时被打破的可能。另一方面,还有一个尺度问题,从长时间和大范围来看可能已达到均衡,但从较短时间或某一局部范围来看则未必达于均衡。如一条河流,从多年平均的时间尺度来观察,其纵剖面平均高程、平均输沙量等特征值无大变化,可认为已取得均衡。但从不同的水文年、年内不同的季节看,存在冲淤的变化,有时甚至还相当大,处于不均衡状态。按照这种思想研究地貌的发生和发展,使地貌学研究更接近于自然界的实际情况。

  应用地貌学 研究如何应用地貌学原理和方法解决生产实践中的问题的学科。如研究地貌形态与沉积物的分布规律,进行地貌区划、农业区划;应用沉积相的理论和方法,了解石油、地下水和一些砂矿的富集和贮存规律;根据地貌的变形揭示新构造运动,找出地震危险区,作地震长期预报,衡量大型建筑的地基稳定性;研究某些灾变性地貌过程(如山崩、滑坡、泥石流等),进行预测,提出防护措施;研究河流和波浪的侵蚀、搬运、堆积作用,对水土保持、航道整治、海港选址、护岸护坡等工程建设提出依据;研究风沙运动规律,采取防风固沙措施,保护农田、草场和道路;许多以自然风光为特色的旅游点(区)的选择和建设,也需要地貌学知识。

研究方法和手段

  自20世纪50年代以来,地貌学的研究方法和手段有了较大进展。

  1. 地貌学研究和应用只凭定性描述方法是不够的,必须用定量方法研究地貌过程,说明地貌与其形成因素之间的关系。1945年R.E.霍顿提出了河流长度、数目与级别之间的定量关系。之后较多的是用于地貌形态要素的量计,如河流长度、流域面积、地形高度与坡度等,利用这些参数,以数理统计方法开展河流地貌特征、坡地特征的研究等。由于许多地貌过程非常缓慢,一些突发的因素又难以监测,加上影响因素过于复杂,难以定量地表达,因此计量方法在地貌学研究中的运用还很不够。
  2. 对某些外力地貌过程模拟研究,如河床演变、风沙运动、河口变迁开始用水槽、风洞等作模拟实验。近年来,在充分分析、了解地貌演变机理的基础上,用多种方法进行地貌演变过程的数学仿真模拟得到很好的发展,但由于地貌演变过程的复杂性,这一途径尚未成熟。
  3. 对某些地貌过程采用遥测遥感技术,包括地面定位遥测,运用航空、卫星遥感影像等对地貌过程的动态监测。
  4. 对许多地貌事件的形成时代运用放射性同位素、热释光、古地磁等方法测定,可以从时间上、影响因素上更准确地重构地貌的发展历史,并进而预测其宏观的发展趋势。
  5. 地貌图向定量化、规范化和图例标准化方向发展。