第三章 地貌的歷史

3.1 重建地貌歷史

測量地貌過程的問題在於，雖然它確定了當前運行的過程及其速率，但並不能可靠地指導一百萬年前、一萬年前，甚至一百年前發生的過程。在試圖研究地貌和景觀的長期演化時，地貌學家有三種選擇---地層和環境重建、時間序列研究和數值模擬。

3.1.1 地層和環境重建

對於研究過去景觀的研究人員來說，幸運的是，存在著過去環境條件的多個檔案：樹木年輪、湖泊沉積物、極地冰芯、中緯度冰芯、珊瑚沉積物、黃土、海洋沉積物、花粉、古土壤、沉積岩和歷史記錄。沉積物沉積物是關於過去地貌的資訊的特別有價值的來源。在某些情況下，地貌學家可以將地層學原理應用於沉積物，以建立事件的相對順序。例如，堆積在山坡底部的坡積土通常是週期性沉積的。結果是在截面中可以看到明顯的層次，上層比下層年輕。如果可以使用放射性碳定年或樹木年輪學等技術來確定這些沉積物的年代，那麼它們可能會為山坡上的過去活動提供一個絕對時間尺度。還可以可能識別出沉積物的起源---冰川、冰後、坡積或其他。此外，有時地貌學家使用環境重建技術來確定沉積物沉積時的氣候和其他環境條件。

為了說明地層和環境重建的過程，以地中海沿岸國家的許多山谷中充滿的河流淤積物和坡積物為例。Claudio Vita-Finzi 開創性地研究了山谷填充物的起源，得出幾乎所有河流淤積物和坡積物是在兩次增加堆積作用的時期積累的（即沉積物沉積速度超過侵蝕速度的時期）。圖3.1是對利比亞西部的Tripolitania山谷地貌歷史的一種總結重建。解鎖該地區山谷歷史的關鍵是在沉積物中可日期的考古材料。Vita-Finzi發現了三個不同年代的主要沉積物。最古老的包含舊石器時代的工具，似乎在更新世時期積累。河流在大約9000年到3000年前之間侵蝕了它。第二個沉積物是在羅馬人建造水庫存儲水和保留沉積物時積累的。在帝國晚期，洪水衝破了或找到了繞過大壩的方法，切入了羅馬沖積層。河流建立了第三個沉積物，其中包含了羅馬和更早的材料，以及陶器和木炭，放置在了中世紀時期（西元1200年--1500年），位於下切的河谷中。年輕沉積物的沉積後來被減少的淤積和切割所取代。

對地中海山谷中的所有淤積物的廣泛研究使Vita-Finzi認識到，更新世有一個較舊的淤積層，西元500年至1500年之間有一個較新的淤積層。更新世淤積層是在最後的冰川階段的"冰後"制度下沉積的大量坡積物（坡度洗滌物）。較年輕的淤積層是在後羅馬帝國時期、黑暗時代和中世紀的侵蝕階段產生的。Vita-Finzi認為這是與中世紀暖期或小冰河期氣候有關的增加侵蝕的結果，這一觀點得到了John Bintliff（1976，2002）的支持。其他地貌學家，包括Karl Butzer（1980，2005）和Tjierd van Andel及其合作者（1986），則傾向於將人類活動視為主要原因，指出後中世紀的森林砍伐和邊緣環境的農業擴張。這個問題仍然存在爭議（見第237頁）。

最近的全球環境變化議程推動了環境重建技術。過去的全球變化（PAGES）是國際地球圈層-生物圈計畫（IGBP）的核心專案。它關注兩個時間段：（1）地球歷史上的最後2000年，具有幾十年、年甚至月份的時間解析度；（2）過去幾十萬年，涵蓋了冰期和間冰期週期，希望能提供關於導致全球變化的過程的見解（IGBP 1990）。關於這些時間尺度上地貌學對環境變化的貢獻的例子可以在書中找到。地貌學與全球環境變化（Slaymaker等人2009；另見Slaymaker 2000a）。

3.1.2 地貌年代序列

歷史地質地貌學家的另一選擇是找到一個地點，其中一組地貌在不同地方有所不同，這些地貌的空間順序可以被解釋為時間順序。這種順序被稱為地形年代序列，該過程有時被稱為時空替代，或者借用自物理學的術語，稱為遍歷性。查理斯·達爾文用年代序列方法來測試他有關珊瑚礁形成的觀點。他認為，在不同地方出現的壁壘礁、環礁和環礁，代表了位於熱帶海域下沉火山峰的不同演化階段，適用於任何島嶼發展。威廉·莫里斯·大衛斯將這種演化模式應用於不同地方的地貌，並推導出他認為是地貌發展的時間序列---地理週期---從青年期、成熟期到老年期。這種迷人的簡單方法容易被濫用。誘惑是將地貌與景觀變化的某種先入之見相吻合，即使可以構建其他序列。對自中生代以來南西非地貌的研究強調了這個問題的重要性，該地區的觀察歷史與多種地貌演化風格一致（Gilchrist等人，1994年）。該方法的使用者還必須警惕，不是所有的空間差異都是時間差異---除了時間之外，還有其他因素會對地表形態產生強烈影響，而同齡的地貌可能會因歷史偶然事件而有所不同。此外，瞭解等最終性（equifinality）的概念也是有益的，即不同的過程組合可能會產生相同的地貌。這個想法的反面是，地貌並不是對過程的可靠指導。考慮到這些重要困難，最好謹慎地對待年代序列。

可靠的地形年代序列很少見。最好的例子通常來自人工造景，儘管有些景觀在歷史的奇特情況下，空間差異可以轉化為時間序列。有時，田野條件導致相鄰的山坡逐漸遠離了它們底部的水流或海洋作用。這在英屬群島的南威爾士海岸的一個地段上發生過，那裡的懸崖形成在舊紅砂岩中（Savigear 1952，1956）。最初，吉爾曼角和塔夫河河口之間的海岸暴露于海浪作用。沙灘開始增長。風吹和沼澤沉積物在沙灘和原始海岸線之間積累，導致海水逐漸從西到東廢棄了懸崖基底。因此，現在的懸崖是一個地形年代序列：最西邊的懸崖經歷了最長時間的陸地侵蝕而沒有浪切割基底，而東部的懸崖逐漸較年輕（圖3.2）。路易斯安那州密西西比河的Port Hudson懸崖上的坡面剖面顯示了一個年代序列（Brunsden和Kesel 1973）。1722年，密西西比河正在侵蝕整個懸崖段。從那以後，河道已經下移約3公里，並伴隨著停止了侵蝕。基底斜坡條件的變化使平均斜坡角從40度降低到22度。

3.1.3 數值模擬

地貌數學模型可以預測如果允許某種特定的坡度和河流過程組合在數百萬年內運行，假設有關初始地形、構造隆升和沉降以及邊界條件（例如，沉積物的去除）的假設。一些地貌學家會爭辯說，這些模型的價值有限，因為環境條件不會保持恒定，甚至不會大致保持恒定數百萬年，或者甚至是數十萬年。儘管如此，這些模型確實展示了在特定過程體制下發生的坡地和地表變化的大致模式。它們還使得研究地貌演化成為耦合構造-氣候系統的一部分成為可能，這個系統具有氣候影響的表面過程和地殼變形之間的回饋潛力（見第78--80頁）。第8章將給出一些長期地貌模型的例子。

3.2 過去的遺跡：遺跡特徵

"地球地表上很少有地形比第三紀還古老，而且大多數地形都不比更新世還古老"（Thornbury 1954, 26）。幾十年來，這一觀點在地貌學家中廣泛流行。在過去的二十年裡，研究揭示了地表的一部分非常古老，以遺跡或埋藏的形式存留下來（見Twidale 1999）。這些來自遙遠的氣候和環境制度的倖存者幾乎總是由不再對它們產生影響的過程創造的。這樣的地貌是遺跡。遺跡地貌和景觀可能持續數千年、數百萬年、數千萬年或數億年。正如亞瑟·L·布魯姆（Arthur L. Bloom 2002）所說，只有很少一部分非常年輕的地貌是由當前活躍的地貌過程產生的，因為地貌演化的時間尺度遠遠超過晚上新生代氣候變化的時間尺度，幾乎所有的景觀都是多次被氣候決定的過程反復書寫的。例如，懸崖、洪泛平原、冰斧谷和許多其他景觀特徵通常比創造它們的氣候制度存在的時間更長。新的氣候制度促使的侵蝕很少會更新景觀中的所有地貌。因此，大多數景觀是從幾代人的景觀發展中繼承下來的複雜集合。

從非冰川的角度來看，將遺跡地貌與從冰川的角度來看的遺跡地貌區分開是有幫助的（Ebert 2009a）。從非冰川的角度來看，遺跡地貌這個術語適用於世界各地的許多地貌（Bloom 2002）。從冰川的角度來看，遺跡地貌是由於凍結在地下的冰持續不斷地凍結在地面上，幾乎沒有發生變形（Kleman 1994），所以由冷凍的冰保護了的地貌。術語前冰川地貌指的是比指定的冰川時期更古老的任何地貌。

3.2.1 遺跡地貌

在一些景觀中，繼承的形態是由與現在運行的過程類似的過程塑造的，但通常可以找到多源景觀，其中負責特定地貌的過程不再起作用。這方面最明確、最不模棱兩可的例子是冰川和冰後地形，它們作為冰河世的殘留物在中緯度地區留下來。在英國高地，有時山坡上承載著由冰和冰水在上一次冰河時期形成的脊和溝渠。在英國湖區，U形谷、羊背岩、條紋等都表明了一個冰冷的過去。然而，並不是所有冰川作用的跡象都是無可辯駁的。在冰川地區發現的許多地貌和沉積物，甚至那些深埋在深處且水流湍急的冰之下的地區，都沒有現代類似物。沒有現代類似物的地貌包括冰丘、大尺度流紋、羅根冰堆（p. 278）和墳墩地貌。這意味著冰丘目前不在形成，而塑造它們的過程不能直接研究，只能從遺跡形式的大小、形狀、成分和位置中推斷出來。由更新世冰川創造的冰川地貌可以用來作為較早的冰川時期的類比。例如，羊背岩在地質記錄中也存在：毛利塔尼亞的新元古代地層中包含了一些發育良好的地貌表面，而在南非的晚古生代Dwykas Tillite中也發現了其他地貌表面（Hambrey 1994，104）。

其他多源景觀是常見的。在沙漠中，古老的河流系統、古老的考古遺址、化石喀斯特現象、高湖濱線和深層風化剖面都是過去濕潤階段的遺跡元素的證明；而在沙漠邊緣的穩定的化石沙丘地域是更乾旱階段的遺跡。在濕熱帶地區，令人驚訝的多種景觀特徵都是遺跡。在亞馬遜中央盆地工作的研究人員（Tricart 1985）和在獅子山（Sierra Leone）工作的研究人員（Thomas and Thorp 1985）已經發現了發生在約20,000年到12,500年前乾旱條件下的河流剖析的遺跡。在澳大利亞新南威爾士州，一座不可能在今天的氣候下形成的古老的喀斯特洞可能存活下來自中生代以來（Osborne and Branagan 1988）。

3.2.2 遺跡地表

在構造穩定區域，尤其是那些由硬殼覆蓋的地表，可能會持續一億年甚至更長時間，見證了南半球的岡瓦納和後岡瓦納侵蝕地表（King 1983）。澳大利亞的一些風化剖面有一億年甚至更古老（Ollier 1991, 53）。早期中生代的含鐵殼層地表遺跡廣泛分佈在南澳大利亞的Mount Lofty Ranges、Kangaroo Island和south Eyre Peninsula地區（Twidale et al. 1974）。事實上，澳大利亞的東南部地區包含許多非常古老的地形特徵（Young 1983; Bishop et al. 1985; Twidale and Campbell 1995）。一些高地表面起源於中生代，而另一些起源於早第三紀；在一些地區，最後一次重大隆升和峽谷切割開始的時間甚至早於漸新世時期。在內華達州南部，早到中更新世的堆積物，主要是深色上釉的卵石，在火山凝灰岩形成的山坡上是常見的特徵。它們的長期存活表明，在第四紀期間，南大盆地堅硬火山山坡的剝蝕率極低（Whitney and Harrington 1993）。

這些發現的古氣候意義沒有被忽視：在新生代的大部分時間裡，地球的熱帶氣候帶比今天擴展得更遠。事實上，來自景觀中的沉積物以及古植物學記錄中的證據表明，晚白堊世和古第三紀期間，北大西洋高緯度地區存在溫暖而濕潤的條件。尤利烏斯·比德爾（Julius Büdel 1982）堅信歐洲在第三紀時期經歷了廣泛的剝蝕（第440頁）。古老的風化岩和硬殼、鋁土礦和紅土、以及侵蝕地貌的形成和保護，包括石峰、孤山和沖積扇，都已被發現（Summerfield and Thomas 1987）。熱帶風化制度的痕跡已經被發掘出來（例如Battiau-Queney 1996）。在不列顛群島，發現了幾個第三紀時期的風化產品以及相關的地貌和土壤（例如Battiau-Queney 1984, 1987）。在Anglesey，自至少三疊紀以來一直是構造穩定區域，一些石峰，比如Mynydd Bodafon，已經在多次氣候制度的改變中存活下來（Battiau-Queney 1987）。Karin Ebert（2009b）已經識別出許多在第四紀之前形成並在晚新生代的冰川時期存活下來的石峰（Plate 3.1）。在歐洲、亞洲和北美，許多喀斯特地貌現在被解釋為在第三紀時期在熱帶風化制度下形成的化石地貌（Büdel 1982; Bosák et al. 1989）。

地貌與氣候之間的聯繫是一個有爭議的問題，一方面是氣候地貌學家，他們認為不同氣候區域會培育出不同的地貌類型，另一方面是那些對氣候論不太信服的地貌學家，至少在其最極端的形式下。這場爭論與對遺跡景觀特徵的解釋有關（補充框 3.1）。

3.3 偶發性：過程、地點和時間

偶發性將地貌狀態和過程與特定地點和具體時間聯繫起來。地貌系統的回應可能取決於事件的時間、順序和初始條件。因此，由強烈的春季雷暴引發的土壤侵蝕可能與暴雨的強度和土壤表面的特性一樣多地取決於暴雨是否發生在莊稼出苗之前或之後（Phillips 2009）。然而，偶發性在所有時間尺度上都存在，其影響在審視地貌系統的長期變化時可能更為顯著，因為地球歷史上充滿了意想不到的事件，這些事件可能對以後發生的事情產生重大影響。

地貌系統與意想不到的事件之間存在有趣的聯繫。許多不同的環境控制和作用影響地貌系統，從而形成了許多不同的景觀和地貌。其中一些控制和作用是偶然的，特定於某個時間和地點。動力不穩定性通過鼓勵小的初始變化和局部干擾的影響持續增大，從而創建和放大了一些偶發性。任何特定全球控制集合的概率都很低，而任何一組地方性、偶然性的控制集合的概率甚至更低。因此，在特定的時間和地點存在任何一種景觀或地貌系統的可能性非常小—所有的景觀都是完美的，意味著它們是幾種不同力量或因素的偶然巧合（Phillips 2007）。這個令人著迷的觀念與Cliff Ollier的"進化地貌學"（第457頁）有很多共同之處，它摒棄了所有景觀和地貌都是決定性法律不可避免的結果的觀點。相反，它提供了一個強大而綜合的新視角，將地貌和地貌看作是決定性法律在特定環境和歷史背景中運作的情況和偶然結果，每組過程和邊界條件都可能有多個結果。這個觀點可能有助於調和不同的地貌學傳統，包括過程和歷史方法。

從本章的討論來看，從經驗和理論的角度來看，過程地貌學的霸權正在迅速消退。新的歷史地貌學給這門學科注入了新的方向。這一資訊很明顯：對地形的理解應該基於對歷史和過程的瞭解。沒有對過程的考慮，歷史是無法解讀的；沒有對歷史的瞭解，過程缺乏背景。過程和歷史共同導致更好地理解地球表面形態、其行為和演化。

3.4 總結

歷史地貌學家使用地層學和環境重建、地形年代序列以及常常與年代技術一起使用的數值模擬的方法來重建景觀的過去變化。一些地貌在形態或埋藏形式中存留下來，來自很久以前的氣候和環境制度。這些遺留的地貌和地表是由今天不再發生的過程創造的。它們可能持續數千萬年、數百萬年、數千萬年或數億年。偶發性為地貌變化提供了歷史背景，將形態和過程固定在特定地點和特定時間。它在所有時間尺度上都起作用，但在長期內其影響有時更加顯著，因為地球歷史充滿了意想不到的事件，這些事件部分地決定了以後發生的事情。

探討課題

1. 在多大程度上過程地貌學和歷史地貌學相互啟發？
2. 瞭解景觀演化中遺留地貌的重要性有多大？
3. 解釋地貌學中偶發性的性質。

補充框3.1 遺留地貌與氣候地貌學

氣候地貌學家一直致力於解讀源自過去氣候的地貌的不同時期。他們的論點建立在這樣一個假設上，即現在的氣候區傾向于培養特定的地貌組合（例如 Tricart and Cailleux 1972; Büdel 1982; Bremer 1988）。這樣的假設當然並不沒有根據，但許多地貌學家，特別是在英語國家，對此提出了質疑。本書的多個地方都會注意到過程制度和過程速率之間的緊密聯繫（例如 pp. 155–9）。在每個氣候區域內，是否會形成特徵性的地貌、是否可以建立一組形態生成區域，是有爭議的。

氣候地貌學因使用溫度和降雨資料而受到批評，這提供了一種過於粗略的降雨、土壤濕度和徑流之間關係的圖片，同時排除了風暴和洪水的強度和頻率，這些對地貌的發展非常重要。一些地貌在性質上更像是氣候區的性質。乾旱、雪帶、冰後和冰川地貌都是完全不同的。其他形態氣候區已經區分出來，但它們的組成地貌並不明確受氣候控制。在所有形態氣候區，地質結構和蝕刻過程的影響都很重要，即使在氣候對地貌發展產生強烈影響的地區，也是如此（Twidale and Lageat 1994）。很可能，在世界陸地表面的一半以上，氣候對地貌發展並不具有決定性的重要性。實際上，一些地貌學家認為，無論在哪個地理和氣候區域，地貌，特別是山坡，都將是相同的（參見 Ruhe 1975）。

結論是，主要是由於持續的氣候和構造變化，氣候因素在地貌發展中並不像氣候地貌學家有時所暗示的那麼明顯和簡單。對這些困難的回應有兩個方向——朝著複雜性和朝著簡單性。探討氣候-地貌關係的複雜性有至少兩種方式。一種方式是嘗試更全面地表徵氣候。一項關於世界山脈氣候景觀區的最近研究使用了幾個相關標準：樹線的高度、垂直植被帶的數量和特性、可供植被利用的水分量和季節性、地貌過程、霜的地形效應以及樹線和永凍土界限的相對水準（Thompson 1990）。另一種深入探討氣候影響複雜性的方式是將現代河流系統動力學的觀點應用於這個問題。一項研究重新審視了形態生成區的概念和地貌系統對氣候變化的回應（Bull 1992）。一個關於氣候影響地貌的簡單模型同樣具有啟發性（Ollier 1988）。因此，將氣候合理地歸納為三個基本類別是合理的：濕潤區水主導，乾旱區水供應短缺，冰川區水結冰（表3.1）。每個"氣候"都有助於某些風化和坡度過程。在水未結凍的地方發生深層風化。乾旱和冰川地貌承受了氣候影響的全部衝擊，因為它們缺乏濕潤地貌中植被所提供的保護。在這些氣候區域中確實存在特徵性地貌，通常可以通過分析遺留的風化剖面中的粘土礦物來識別過去的熱帶景觀。因此，通過假設實際性（第17頁），使用這些現在的氣候-地貌關係來解釋帶有特定氣候制度印記的遺留特徵是合理的。例如，Julius Büdel（1982年，329–38）將達爾馬提亞中部的"侵蝕平臺階梯"和polja解釋為晚第三紀時期的遺留特徵，當時的氣候更"熱帶"，更溫暖，可能更濕潤。這種情況有利於通過"雙刨"（p. 440）形成polje：在厚厚的土壤或沉積物層下化學分解和解決基底風化表面，表面經受沖刷過程。