[科普中国]-动力地形学

地形之成因理论与地质史或气候史直接发生关系，不过是最近二十年之事，而地形学之分科自属必然趋势。其中，有专门研究全新世（Holocene）营力之特质及其对现世地形之作用者，称为动力地形学。

简介研究各种地形营力，特别是外营力在地形塑造中的作用的学科。可分为与太阳能及气候有关的外营力动力地形学和与地壳运动及地球物理作用有联系的内营力动力地形学，并可进一步细分，如构造地形学、河流动力地形学、海岸动力地形学、风沙动力地形学、喀斯特动力地形学、坡地动力地形学等。

动力地形学通常应用数学、物理和化学等基础科学的原理和方法研究其形成的机制，着重研究地形形成的现代过程以及地形与各作用变量之间的关系。

具体的研究方法包括各种动力因素与地形形态的关系分析、现代过程与历史过程的关系分析、微观与宏观的关系分析等，采用的技术手段包括数学分析与模拟、物理模型实验、遥感图像分析处理、各种测年新技术、同位素观测与分析等。1

背景动力地形学，是一门以力学原理对地表形态和组成物质进行分析研究的学问。动力地形学所需要的背景知识主要包括：

①能量的来源，包括来源于地球内部，太阳、月球和流星的能量以及人类活动的能量。

②作用力的对象，即地形圈、岩石圈与土圈组成的地形形态与物质，用电磁波遥感影像可直观地观测陆地表面地形，用声波遥感影像可直观地观测洋底地形。

③力学原理，包括理论力学、流体力学、固体力学、流变力学、颗粒力学等原理。

④地理数学的复杂性信息模型。

⑤动力地形学的应用，主要为建设在地表的各种基础设施的地基服务。

形成与发展在过去的二十多年来，美国有很多著名的地形学家，像Mackin（1948）、Strahler（1952）、Culling（1957）、Hack（1960）、Chorley（1962）、Holmes（1964）、Howard（1965）和Schumm（1965）等，曾经对地形学的目的、方法和思想的基磋，作过一番检讨；认为过去的地形学，大多是把重点，集中在对地形的解释和叙述方面，而完全忽略了对产生地形的动力作用的研究；因此便主张把动力均衡（Dynamic Equilibrium）的思想，和物理学的方法，应用到对地形作用的分析和研究上面去，这便产生了现代的动力地形学。

动力均衡的思想，不仅是动力地形学思想的基础，也是未来地形学思想发展的主流。主张把这种思想应用在地形学上的人们认为，它将可以大有助于把我们对同题的研究，从旧日古典地形学派的桎梏中解放出来；让我们有机会把地形学的研究领域扩大；令我们的思想，能够就合在一更广泛而具有普遍性的新观念架构之内。此外，我们从动力均衡的思想当中，更可以清楚地观察到Davis侵蚀循环思想的缺失。

动力均衡的观念，说来也不是一种新的观念，因为早在十七世纪的时候，便已由一些法国与意大利的水文学家所提出过；不过我们认为Gilbert仍然是这种思想的一位最重要的先驱（Gilbert，1877）。现代的动力均衡思想，是来自普通系统学说（General System Theory）。我们把这种学说应用在对作用的研究上面，同时再加上一些物理学的原理与实验，以及数学的模型，便构成了动力地形学的主体。

普通系统学说认为，所谓系统，是由一组的物体，再加上这些物体之间、和它们的属性之间的关系所组成。地形的组合，因为和这个定义符合，因此也是系统之一。换句话说，从事地形的研究，实际上即是对系统的研究。系统可以分为两类，此即闭合系统（ClosedSystem）和开放系统（Open System）。

闭合系统，是指一些具有明确的封闭界限，同时没有物质和能输入和输出的系统；而开放系统，则必需要有物质和能的不断供应和移去，才能维持其存在。比较一下这两个定义，我们不难知道，当我们对河段、斜坡、流域盆地以及其他的地形粗合等从事研究的时候，亦即是从事开放系统的研究。

开放系统，可以表现出一种为闭合系统所排拒的性质，那便是不变状态（Steady State）的获得。所谓不变状态，是指系统的本身，可以利用形态（Form）或几何学上的调整，来使输入和输出的物质和能，变为均等。亦即是令系统在形态与作用之间，经常处于一种动力均衡的状态。Mackin（1948）在研究均夷河流的时候，便是完全以上述的这种开放系统的观念，作为基础。这也可以说是动力地形学研究同题的一个实例。他说：

所谓均夷河流，是指一在流量和河道特性的影响之下，其斜坡本身可以从事敏锐的调整，以使流速适足以将从上游送来的一切负载物搬走的河流。均夷河流是一均衡的系统，任何控制因素的任何改变，都足以招致均衡向吸收此一改变效果的方向移动。

我们从Mackin的话中知道，所谓均夷河流，其实便是一种处于不变状态之中，而可以经常保持着动力均衡状态的河流。

动力地形学的思想，在很久之前，即大约在十九世纪末期的时候，便已为Gilbert所明确地提示出来。他说：

当我们在研究侵蚀作用原理的时候，已经指出过有走向一动力均衡状态的趋势。

决定侵蚀速度的主要条件有水量、植物、岩石组织（Texture）和坡度（Declivity）等。不管在什么地方，当上述条件发生变化，以致使侵蚀营力的力量局部增大的时候，这一增大的力量，将会被作用在斜坡上的反应所逐渐减弱。每一处的斜坡，可以说都是一系列斜坡中的一份子。它接受了来自上方斜坡的水份和土屑，然后再把本身的水份和土屑，一起送到下面的斜坡上去。假如在一系列的斜坡当中，有某一部分被特别快的速度所侵蚀掉，那么最后将可以发生下列的两种情形：

1、在它上面的斜坡因为排水高度（Level of Discharge）的突然降低，于是侵蚀速度增加。

2、在它下面的斜坡，则因从上方带来的负载物增加，于是侵蚀速度为之减慢。由于上方侵蚀的加速，和下方侵蚀的减慢，结果将可以使最先发生问题的那部分斜坡的坡度，为之降低。当斜坡降低了，侵蚀的速度也将随之一起降低。

不过实际的情况，还不止此。某处斜坡的扰动，除了可以对上下相邻的斜坡发生影响之外，还可以继续向外一直波及到整个的流域盆地。因为在每一个的流域盆地之内，河流的主流都是由其他的支流所汇合而成的，所以当中若有任何的支流受到了扰动，那么它的效果，不仅将影响及于主流，而且亦必进而波及到其他的各支流部分。从此可以知道，在系统之内的任一部分如有变化，必将影响及于其他的部分，反之亦然。可见在系统之内的各个部分，彼此都是互有关系的。

在Gilbert的理论当中，我们知道他已经指出，一个开放系统的动力均衡状态如果受到破坏，那么环境的各种因素，将可以发生连锁式的变化。这种变化的目的，便是在企图利用几何形态的改变，来尽量恢复系统当初的动力均衡的状态。于此可见，他和Mackin一般，都是把地形学的研究，纳入到开放系统的思想架构之内，所以都是动力地形学的主要倡导人物。

动力地形学者认为，不变状态趋势在发展的时候，它并不需要作用力（Force）和地形表面抵抗力（Resistance）的相等，而是需要地形本身透过几何的调整，以使地表任一点的抵抗力，和作用在上面的应力，互成比例，同时要在一地区的意义上保持均衡。就是说，作用力可能仍然超过抵抗力，因而招致物质的移去。

Little指出：在一处植物被覆和岩性都很均匀的斜坡上面，侵触作用最快的地方，也就是表流侵触力量最大的地方。这种不一致的侵蚀作用，到后来将可以产生一更稳定的斜坡纵剖面，以使地表对侵蚀作用，有均匀的抵抗力。

在这样的方式之下，经过了相当时间之后，地表的物质便要被移去，而地形的某些几何性质，特别是地形的高低，也将无可避免地要发生逐渐的变化。

开放系统虽然可以从自我的调整当中，来企图保持其不变的状态，不过它本身的几何性质，正如上面所指出，却绝对不是静止不变的。因为系统是在物质和能不断的通过当中来维持，而这种质、能的输出和输入，自然经常改变；同时又因为环境的各个因素一般都极不稳定，使不变状态随时受到影响而不易达到，于是系统便要在走向均衡趋势的过程当中，随时发生调整。这种变化，也就是开放系统运作的特点。

开放系统的另一特点，为负的熵（Entropy，在热力学中是用来指能变得无法作功的程度），或者自由能，可以输入系统之内，因此并不受Entropy的趋势所限。这样，开放系统即可以利用不断交换物质和能的方式，来维持它们的形态组织，同时朝向异质性（Heterogeneity）和层次差异（Hierarchical Differentiation）的趋势当中去发展。

动力地形学对时间的看法，和传统的地形学，亦即指Davis学派的所谓历史地形学，完全不同。动力地形学者认为，地形和作用之间的不变状态，在很多方面看来，是处于一种独立于时间以外的状态（Time Independent Condition）。就是说，开放系统的存在，和时间并无关系。换句话说，假定系统一旦完全达到不变的状态，那么系统的开始状况，连同系统过去历史发展的证据，都已经一并消失掉。时间和历史，对于这个系统的存在，并无意义。Hack将这种情况，以土壤的一方面在地表受到侵蚀，而另一方面则以同样速度向下发育作为譬喻，说道：动力地形学说，在解释地形和它们彼此之间的差异的时候，是探取一种独立于时间以外的态度。这种学说，重视存在于空间的岩石和作用之间的关系。

另外，Von Bertalanffy亦曾指出：在自然系统（Physical System）之内，事物的变化，一般说来仅受瞬时的状况所决定。例如以一落下的物体来说，它并不介意它的瞬时位置是怎么达到的；又以化学反应来说，它也不必介意这些参加反应的化合物是怎样产生的。因此在自然系统之内，我们可以说，过去是被抹杀的。

上述这种把地形研究独立于时间以外的思想，主要是来自一种趋势，都认为地形学的研究，重点应该放在作用与岩石之间的动力关系上面。这便是近代动力地形学的特色。

动力地形学对Davis循环学说的批判，也是最有力量的。因为站在系统学说的立场来看，Davis的理论，是纯然属于闭合系统的。闭合系统的思想，具有如下的几个特点：

第一，它在开始的时候，当中如果含有一已知数量的自由能，或者位能，那么这一系统将会朝向最大Entropy的状况发展，以使系统逐渐走向一种最终的静力均衡（Static Equilibrium）的状态。亦即是走向位能接近于零的状态。这种变化是不可逆的。Entropy的增加，即表示系统内自由能量有减至最小的趋势。当系统逐渐走向静力均衡的时候，则系统之内所存在着的差异，最后必被夷为同一。

我们从上述的概念来看，便不难知道Davis的地理循环理论，正含有闭合系统的思想成份在内。例如他认为在循环开始的时候，必须有一地块的上升以供侵蚀，这等于赋予系统以一已知数量的自由能，或者位能，来从事运作。再根据Davis的说法，此一上升地块经过一定的历史发展过程以后，地形将随之逐渐减低，然后进入了最终的侵蚀与平原作用时期（Stage of Peneplanation），这时候，整个地形的差异，已接近被夷为同一的状态。就是说，整个的地形系统已经进入Entropy最大、同时位能的数量也接近于零的静力均衡状态。由于Davis系统内的Entropy恒向正的方向变化，而自由能则恒向负的方向变化，说明了作用是不可逆的。这样看来，Davis的地形发展理论之含有闭合系统的思想，自然十分的明显。

第二，系统的开始状况，特别是能的状况，必然决定了最终均衡状态的发生。闭合系统的这种必然性（Inevitability）和宿命论（Determinism）的思想，我们从Davis的侵触与平原时期最后之必然来到，可以获得说明。在这种特性之下，闭合系统在任何特别时间内的状况，我们可以认为亦即是系统的开始状况和所经历的时间的函数。这说明了为什么闭合系统思想十分重视时间、和历史的发展，而且事实上，如果我们把时间和历史的因素撤开不谈，则对闭合系统的研究，亦将变得毫无意义。于此我们不难可以再次联想得到，Davis地形研究的历史方法，和闭合系统的观念，实有其极为相似之处。

第三，正如在上面所提到过的，就是它也可以达到一种均衡的状态。不过一般说来，由于这种均衡趋势的发展，是和最大的Entropy有密切的关系，所以它一定要等到整个系统的发展达到最终的阶段以后，才能发生。从这种性质上看，我们便可以知道在闭合系统思想架构里的所谓均衡，一定是静力的。这和开放系统中的动力均衡状态，完全不同。站在动力地形学的立场来看，Davis循环学说的思想是否正确，是否仍有应用的价值，还有待我们去认定，我们所要研究的地形系统，究竟是属于开放的？还是闭合的？如果认为是闭合的，那么他的学说，自然应该仍有很高的价值；否则，如果我们能够获得充分的理由，说明地形系统是具有开放性质的，就是说，具有物质和能的不断供应和移去，那么Davis的循环学说，便应予扬弃。

关于这个问题，Chorley曾经说过：闭合系统的观念，事实上已经把大量、甚或全部为自然学家所研究的系统排斥掉，当中无疑也包括了大多数的地理系统在内。

由于地形系统，是自然系统之一，因此它不是闭合系统，已经十分明显。

动力地形学在从事岩石和作用之间关系研究的时候，是把作用，当作是由各种剪应力（Shear Stress）运作在岩石物质上面所产生的应变（Strain）和崩坏（Failure）来看待。这可以用风化作用、侵蚀作用、搬运作用和沉积作用做例子。动力地形学把剪应力分为重力应力（Gravitational Stress）和分子应力（Molecular Stregs）两大类。重力应力运作在所有的地球物质上面，产生了下坡运动，和各种搬运媒介，例如水、冰和空气等的运动。这些媒介，因为可以利用流体力学（Fluid Dynamics）来分析，因此都被称为流体（Fluids）。下坡运动所需要的能，有两种不同的形式，一是位能，一是动能。这些能的最终来源，便是地球的重力场。分子应力，在一均质的土壤或岩石里头，是用任意的方式，透过某些已知点向各个方向来分布。它所产生的运动，便是扩张（Dilation）或体积的改变。假如分子应力作用在一斜坡上面，则透过重力应力分力的帮助，将可以使土壤发生蠕动。化学作用，例如水解和氧化作用，因为可以增大体积，产生膨胀的应力，因此同属分子应力的范围。

在地表面上，其和作用发生反应的物质，动力地形学家是将之分为三大类：

1、刚性或弹性的固体。它们可以产生弹性应变，其应变与应力成比例，符合Hook氏定律的原理。若果应力超过某一限度，则可以发生剪性断裂与张性断裂。

2、可塑性体。它们可以透过分布于分子间或粒子间的剪力而行变形。若果剪力超过某一限度，则物体将可以产生流动和永久性的变形。

3、流体。这是一种黏性很低，对应力的抵抗力极小的物质，例如气体和液体便是。

应变和崩坏，是由各种剪应力运作在各种岩石物质上面所产生的结果，同时决定了地形作用和形态之间的关系。具有弹性性质的岩石和土壤，可以透过两种方式而行崩坏，一是透过剪切，使相邻的物质发生相对的运动；一是透过强力而断裂。在流体里，当应力超过了某一限度，便会招致两种方式的流动，一是片流，一是扰流。它们都是重要的地形作用。在可塑性体里，流体的意义，则是广泛地包括了均匀分布在整个物质中的应变，以及在粒子间所发生的旋动和滑动。

Strahler曾把重力应力与分子应力作用在岩石上，所产生的各种地形现象，详细地列出，这是动力地形学最重要的文献（Strahler，1952）。动力地形学家们应用上述这种种物理学的观念和方法，便可以达到把地表面上各种异常复杂不同的地形作用，转化为物理学上的问题来处理了，同时予以实验的目的。

动力地形学把研究的重点放在作用上面，方向是很正确的。不过它的研究方式，表面上看来，好像十分科学，但是我们知道在大自然里，地表的土壤和岩石物质，到处不同；某些的地形作用，又往往是由很多其他的作用，同时牵涉在一起而产生；这些作用，在地球过去不同的时间，以及在地球表面各个不同的空间与气候地区里，亦各不相同；它们分别所占的分量，作用时间的长短，以及彼此的交互影响等，更是极端复杂而难以了解，在这种情况下，我们若想把作用和岩石之间的关系，利用简单的数学模型与公式来分析表达，或者利用实验室的人为设备来加以实验，则结果是否具有真实的价值，便不无疑问。2

海岸动力地形学海岸动力地形学是动力地形学的一个分支，是研究海岸带---海、陆相互作用的地带---地形综合体的发生和发展规律的科学。

就研究内容而言，海岸动力地形学是由三个密切关联而不可分割的基本部分所组成的：

第一，从地质学的角度出发，研究海岸地质构造的特征，研究海岸带古代与现代沉积层的发育过程，从而阐明海岸本身的内在基本特征；

第二，从形态学的角度出发，研究海岸带地形综合体中各个古代的与现代的地形单元之间的空间分布规律与时间上的顺序性，从而恢复海岸带之古地理特征与阐明海岸带的发育过程；

第三，从海洋动力学的观点出发，研究现代各海洋动力因子在海岸带中的运动机理及其对海岸地形的塑造作用过程，从而阐明现代海岸带之动态特征，井结合海岸带地质与地形形态的研究结果，进而预测海岸带将来的演化趋势。

因而上述三个方面的有机综合才构成了全面而统一的海岸动力地形学。

海岸动力地形学的研究，不仅在地形学与地质学领域中有着重要的理论意义，而且对于沿海航运、矿业、水电、渔业及国防建设等方面均有其实用意义。

本词条内容贡献者为:

屈明 - 副研究员 - 西南大学