第四节 外作用力

地表面是一个很不平坦的表面。在海平面之上，全球陆地的平均海拔高度大致为 875 米。从地表高程的统计研究中，根据不同的高度所占据的面积，

得出了它们的分配图。瓦格奈（H·Wagner）在 1912 年曾经作过计算，并得出了地球固体表面的各级高程分配。一直延续至今，研究陆地的高度和海洋的深度及其分配规律，还是许多学者感兴趣的课题之一。尽管关于高程的分配，五十多年之前业已确定，但随着测量数据的不断丰富，精度的不断提高， 使这方面的统计分析有进一步的发展。米纳尔德和史密斯在 1966 年，利用现代的测深图并考虑了其它因子，重新得出了这种分配图。并相应地列出了地球表面高度和深度的数据。从这些图和表中，可以对于地球外表的轮廓有一个大致的了解。

表 5．1 地球表面的高度和深度

续表

[注：大陆的数据系E·科西纳引用沙伊德格在 1963 年的资料。]

从这里能够看出，陆地表面的主要部分均处于海拔 1，000 米以下的高程内。以本书的角度去看，海洋底部是地表物质的堆积场所，外作用力主要表现于陆地表面上。在外力作用下被风化的地表物质，通过各种途径，输出到

自然地理系统之外的海底。这种外部作用力（为多种外力形式的总称），在构造力作用所造成的骨架上，与重力和其它力伴随在一起，共同改造着地表的形态。如美国 NASA 的双子星座 V 号所拍摄的我国四川省重庆西北的山地， 就可看到典型陆地地形的面貌。（图 5．7）

同时，外力作用还改变着地壳物质的均衡，它力图将地球表面夷平为一个光滑连续的球面，从而使得重力对于地表固体物质的表现、以及动能和势能二者的转换处于一种比较

稳定的、无法活跃表现的潜在状态之中。外力作用的这一趋势，早在上一个世纪，就已经阐明，经过后来越来越多的事实验证，认为这是一种有价值的论断，对于自然地理面有着直接的重大的意义。

很多人倾向认为，地形在很大程度上是由主河流的剖面来表达的。陆地整个可以看成是多级河网交错分布的各个空间的镶嵌，也就是一个流域一个流域的拼接。它通过面流、溪流、支流，最后汇成主流。它的这种结构，一方面改造着地表的形态，另一方面又反映着地表的形态，对于它的研究，有助于我们理解外力的一个主要方面是怎样改造着陆地的基础的。当然对于内流区、沙漠区、冰盖区、极地区等，不能用上述的论点去解释，在它们之上， 外部作用力的主要形式也不是流水，但它们均不能代表地表形态的基本演化过程。因此在外部作用力中，水的作用总是受到特别的重视。

一个河流的均衡剖面，是由该河流中的能量分配来决定的。一般而论， 沿着河道在一个河段中流动的水，它的能量 E 是由伯努利（Bernoulli）方程来描述的：

E = γ

Vh +

1 Vρv²

2

(5．10)

式中等号右方的第一项为在该河段中的势能，V 是水的容积；h 为这一河段上下之间的高差；γ是水的比重。第二项代表动能，v 为水的流速，ρ为水的密度。在河段长度Δl 上，能量的损失ΔE，代表着通过每单位河流长度时所消耗的功ΔW／Δl，则

△W = △E =

Vγ △h + Vρ

△v²

·

(5.11)

△l △l △l 2 △l

利奥波德（Leopold）在 1953 年就已指出，一个河流趋向于调整它自己的深度，以此来维持在任何时间内，在其整个长度上的速度为一个常数，即Δv²／Δl=0，这样，

△W = Vγ △h

(5.12)

△l △l

而Δh／Δl 即为河流的坡降。我们省略了对于公式的推演，但其最后可以得出地形高度 h 和水平距离 x 之间的关系为：

-Klogx=h+C (5．13)

C 为积分常数，而 K 也是一个常数。此式有什么地理意义呢？它对于我们去估算地表面高度的概率 P（h），有很大帮助，而一旦知晓了地表高度的概率分配，一地的地形起伏和外力作用程度也就不难得出定性或定量的结论了。仍然不加推导，只将其结论引出：

P（h）=Te^-hT (5．14)

P（h）为在陆地表面上高度 h 所占据的概率数，经过一定演算后，

 −( △h ) 

T = 1 − e



K 。果能够确定T值的话，那么在地球表面上，某一高度



（从海平面算起）所占有面积的概率即可确定，从而对于陆地表面地形起伏的状况，有可能获得定量表达的方法。由开始时所引证的瓦格奈和米纳尔德等人的数据，知道陆地面积的 73％位于海平面与其上 1，000 米之间的高度范围内（也有的数字为 72％），假定我们取高度间隔Δh=1 米，则

1000

0.73 0

1000

P(h)dh 0

Te−hT dh = −e−hT 1000

0

= e−1000T + 1

∵ − e^−1000T = −0.27

∴ T = 0.013

(5.15)

这样在全球陆地范围内，高度 h 所发生的概率就得出为： P（h）=0.0013e^{-（0.0013）h} (5．16)

在构造力与外部作用力互相作用所形成的陆地地表上，公式（5．16）可以反映地形起伏的基本形态。这样，当某个高度的 P（h）发生了显著的变化时，这也就隐伏着反映了构造力与外力有着相应的变化。如能通过十分精确而快速的手段，测定出和计算出它们变动的轨迹，将能定量地得出这两种力互相作用的强度，并能预测变化的方向。显然从自然地理学目前的水平来看， 无论从其基本理论，还是从其测试技术，都没有具备这样的基础，不过也不能就说这一定是海市蜃楼般的幻想。

外力作用，主要发源于太阳辐射能。当太阳能投射于地表后，它表现为不同的形式。由于能量在时间上和空间上分布的固有差异，必然产生普遍存在于自然地理面中的外力梯度。如大气压力梯度、水力梯度、温度梯度等， 从而引起了不同规模、不同表现特征的能量和物质传输与交换。根据热力学第二定律的判据，这种由高到低沿梯度进行的过程，是可以自动进行的过程， 它的基本性质使它具有一种必然的趋势，那就是力图使得这种不均衡现象得到缓和，过程进行的极限就是达到平衡。本节难以全部概述外部作用力所表现的各种形式，只有通过个别事例加以必要的说明。

在自然地理面中，风是常见的一种自然现象。风的运动是由外力梯度引起的，在它的行进过程中，对于阻挡其前进的物体施以风压。风压的大小与风速的平方成正比。而风速大小本身又取决于压力梯度以及下垫面的特征。同时风压又与空气密度成正比，空气的密度又与大气压力、空气的温度和湿度等因素有关。这样，如果取气压为 1000 毫巴，气温为 15℃，空气湿度为15 毫巴，空气的密度就是 1.203 公斤／立方米，此时风的最大压力在数值上可以表示为：

P=0.1227v² (5．17)

P 为垂直于风速的每平方米面积上所受到的最大压力（单位公斤），v² 为风速（米／秒）。当 v=4 米／秒，（3 级），P 近似等于 2 公斤；如若风速

=12 米／秒（6 级）时，P 增加到 18 公斤；而当风速=33 米／秒（12 级）时， P 剧增至 134 公斤。

既然风是最常见的一种空气流动过程，那么在其流动中，必然将所获得的能量消耗于对其的阻力上，从而刻蚀着地表面的所有物体，形成了许多典型的风蚀地貌特征，特别是当风中携带着固体颗粒和其它气溶胶时，将对阻

挡它的一切，产生着更大的作用，形成了外部作用力中又一个很重要的成分。除了许多著名的风蚀地形是其直接作用的结果外，它对于植物、土壤、水乃至于建筑物、人类社会等，都有很大的影响。美国有一项关于暴风灾害的统计，认为美国每年死于风暴的人数平均为 289.1 人，每年损失掉的财产价值14，500 万美元（据 Burton 和 Kates）。

在自然地理系统中，风对于物质的风化、对于地形形状的改变、对于物质的输运和堆积等，都起着相当活跃的作用。此外，风总是携带有微细的固体颗粒和沙尘，显著地影响着大气的透明度，从而影响着能量对系统的输入， 起到某种有效的反馈作用，这是我们进行系统分析应当认真加以考虑的。下表列出了在风蚀系统中的关键变数，以此可供我们研究外部作用力中的风， 对地表进行侵蚀时，要考虑的主要变数以及这些变数的基本作用。

表 5．2 风蚀系统中的关键变数

表中的（+）表示这些变数增加时，风的侵蚀变小； 表中的（-）表示这些变数增加时，风的侵蚀增加。

对于水的作用，这是外部作用力中规模最大的一种力量。改变地面形状

快、输运物质能力大、影响范围广、作用形式多，这些都是它的特点。关于水的基本侵蚀原理，很早就引起了人们的注意。库克（1936 年）、爱利逊（1947 年）等，都作过水的侵蚀过程分析，并建立了这种侵蚀的理论和方程。

荷兰的詹森（Jansen）和西德的帕特（Painter）在 1974 年，列出了世界上 79 条大于 5，000 平方公里流域面积的河流，计算了它们的年平均悬移质沉积物的数量，并把这种数量表示成有关气候和地貌等八个参数的函数， 在分析水的侵蚀力方面有其独到之处。据此，他们分别得出了全球的四个气候带中单位面积的剥蚀率，见表 5．3。

表 5．3 全球剥蚀量的估算

其中：A——代表热带多雨的气候带，最冷月温度大于 18℃； B——代表干燥气候带；

C——代表地中海气候带；

D——代表湿润微热的气候带，最冷月平均温度低于 0℃，最热月平均温度高于 10

℃。

极地气候带没有在此考虑。由此进一步计算出全球陆地的平均剥蚀量为

26.7×10⁹ 吨／年。这似乎是一个被低估了的数字，然而用他们所得出的数字和已公布的其它人的数字相比较，还是比较适中的。已公布的数字按大小排列为：

富尼尔（Fournier，1960 年） 58.1×10⁹ 吨／年库埃男（Kuenen，1950 年） 32.5×10⁹ 吨／年吉拉里（Gilluly，1955 年） 31.7×10⁹ 吨／年潘契诺夫（Pechinov，1959 年） 24.2×10⁹ 吨／年休姆（Schumm，1963 年） 20.5×10⁹ 吨／年霍尔曼（Holman，1968 年） 18.3×10⁹ 吨／年劳帕金（Lopatin，1952 年） 12.7×10⁹ 吨／年

由这些数字可以估算出地球的外力强度来。大陆高出海平面的全部固体物质约为 17×10¹⁶ 吨，即使按照上述公布数字中的最小值为依据，则将整个地球完全削平到海平面位置，也不会超过二千万年。而对于地球演化的历史来说，二千万年不过是一个相当短暂的时刻。从地球形成至今，如按此速度剥蚀地面的话，则应当有 250 次被夷平了。但为什么在经历了几十亿年之后， 地表面仍然呈现出高低交错的复杂面目呢？其基本原因就是外力所剥蚀的基础是不稳的，地球的构造力异常活跃，在整个地质循环中，全部链条都在相应地转动，并非单只进行剥蚀和堆积。此外，外力作用的强度随着条件的变化而变化，其作用速率并不是一个常数。由此又一次看出，地表形态只不过是各种力作用的最后表现而已。

现在简略地介绍一下风化作用。风化作用随时都在进行，只要是暴露于地表的固态物质，均遭受着它的作用。对于一个物体来说，如欲使其发生运动，首要条件就必须对其施以一定的力，从而将它从原来所处的相对稳定状态变化到不稳状态，风化作用对于表面固态物质所行使的力，就能赋于它们这种不稳状态。

暴露于地表的固体物质，所发生的全部物理的和化学的改变和损坏，称之为风化。我们分机械风化（即物理风化）和化学风化两方面加以说明。

1. 机械风化：

岩石通过机械的破碎分裂，从而减小其稳定度，降低其粘聚力，使粒度由大变小，不大严格的说，这就是机械风化。一般它通过以下三种途径来实现：

1. 在地表面的岩石，由于压力释放所具有的膨胀作用：我们知道，从地表向下每深入 3—4 米，就增加一个大气压。岩石总是在经受巨大压力的条件下形成的，这要比它暴露于地表时的压力大得多。当岩石由于构造力作用抬升至地表时，立即失去了原来在深处时的重负，岩石则从巨大压力的释放中获得膨胀。其结果，使得大多数的岩石，都产生了看得见的或看不见的裂纹或“节理”。这种膨胀力的数量是很惊人的，从花岗岩的采石场中测定得知，当其从岩石基体剥离时，沿着它的长度膨胀了千分之一。

2. 外部结晶体如冰和盐类在岩石裂隙中的生长：水被禁锢在岩石的裂缝中并冻结时，它的膨胀将在岩石内产生很大的应力。水分在大气条件下冻结时，它的分子组成为严格的六面形晶格，而且它的比容增加 9％，这种容积增大的现象，致使岩石的裂纹进一步扩大。美国材料试验学会（1971 年）， 曾经使用“风化指数”去划分全美的风化状况。该风化指数系年平均冰冻周期天数和冬季平均降水之乘积。所谓“冰冻周期天数”，是指一日当中空气温度既高于 0℃也低于 0℃，以此作为风化岩石时的冻融频率估算。而冬季平均降水是指秋天中第一次霜冻来临至第二年春天最末一次霜冻之间所发生的月平均降水总和。年平均冰冻周期天数和冬季平均降水之乘积，表明了水的冻融作用（也包括冰冻时比容增大造成裂纹加大的效应在内）及其对于风化的效应。在美国它的模型表达为：

并以此风化指数对全美作了分区。

此外，盐类对于破坏岩石的作用更为显著，美国国家标准局对于花岗岩建筑和纪念碑作了测试，发现 5，000 次的交替冻结和融化（在－12℃时延续六小时，然后在 20℃的水中将花岗岩样品放置一小时，作为一个周期，以后再重复进行），很难看出花岗岩的分离；可是同样的花岗岩试块，交替浸泡在硫酸钠的饱和溶液中（室温下达 17 小时），而后干燥（在 105℃下达 7 小

时），这样反复进行了 42 个周期，花岗岩即告破裂。由此看来，岩石裂纹中， 由于蒸发致使水溶液过饱和而产生盐的沉淀结晶，对于岩石的破坏是相当剧烈的。

1. 快速的不均衡加热与冷却引起的胀缩：沙漠中暴露于太阳之下的圆卵石，可以发现它们碎裂为象桔子瓣那样的碎块。行进于沙漠中的旅行者经常描述到：可以听到石头的破裂声如同步枪射击声一样响。这里有一段趣闻： 曾经驻扎在非洲撒哈拉大沙漠中的法国殖民军，有一次在他们的要塞里，由于远处石头的爆裂声响如此之大，以至于指挥官无法判明原因，因而发布战斗警报，最后证实，的确不是有人进攻，而是石头的爆裂声，闹了一场虚惊。

令人不解的是，至今尚无一人可以用实验去证实太阳的加热会强到足以碎裂岩石的事例。美国国家标准局使用了曾在冻融试验、盐溶液试验时所采用的那种花岗岩试块，干燥加热至 105℃，而后再冷却到－10℃，反复连续进行了 2，000 次，并未发现岩石有任何损坏的证据。另外一个经常被引用的事例，是格里格斯（D．Griggs）在 1936 年所公布的试验。他使用了体积为

3 立方英寸的花岗岩岩块，进行交替的加热和冷却，先在 5 分钟之内将岩块的表面加热到接近 140℃，然后冷却到大约 30℃（用电风扇吹冷）达 10 分钟，

如此往复，总共进行了 89，400 次，相当于事实上 244 年的太阳逐日加热和冷却。可是其结果是：岩石并无任何一点变化的迹象，甚至使用显微镜去观察也侦检不出来任何破损的征兆。由上述实验告诉人们，怎样去认识沙漠中石块的爆裂，还是悬而未决的问题之一。

机械风化除了上述的三种途径外，属于此范围的还有植物生长的机械作用以及人类开采矿石等活动。

1. 化学风化：

岩石的化学成分和矿物成分，在水、空气和生物及其它因素作用下，发生变化并瓦解的过程，就是化学风化。当谈到岩石的化学风化时，首先想到的就是水。在接近地球表面的范围内，水是最丰富最活跃的物质。在地球整个外壳五公里厚度的一层中，水是其它全部物质总和的三倍，而且可能是另外一种存在最普遍的固体物质——长石的六倍。由于水具有许多非凡的特性，因此在化学风化中起着明显的巨大作用。如果你到过壮观的岩溶地区， 那就不能不惊叹水的这种威力。一切矿物成分都溶于水，当水中含有二氧化碳时，它的溶解能力还可大大增加，每年通过水所溶解的化学元素，流入海洋去的数量是相当可观的。至于空气的化学风化作用，特别是当其中含有某些物质时，也是很强烈的，植物通过根系及其它部分的生化作用，其化学风化的效应也是显而易见的。

从化学风化的观点出发，二氧化硫是最重要的污染物质，它在空气中的浓度在城市要比在乡村高的多。正常状态下，大气中的二氧化硫数量并不太大，可是人类活动如矿物燃料的燃烧，在局部地区能够使其数量急剧增加。它随着空气漂移很远。近来已经证明，瑞典一些建筑物的被损毁，归因于远距离的英国、西德鲁尔工业区和捷克斯洛伐克等地二氧化硫的作用，这就是西欧惊呼的“酸性雨”。

二氧化硫，是可溶性的，而且其溶解度与大气中二氧化硫的浓度有直接关系。当其溶于水时形成了弱酸，可与许多材料发生化学反应。它以两种方式进行化学风化，一是直接地促进了化学风化，二是可导致盐的生成，而后者对于化学风化更为重要。

空气中的二氧化碳亦可与水结合形成弱酸，起到化学风化作用。

培尔特（Peltier）曾使用了简单的气候因子，如年平均温度和年平均降水，作为对于风化作用的控制因子，去考虑世界范围的风化过程强度。下图就指出了他的一般分类图。（图 5．8）

地球的表面，时时处处都经受着风化作用，使大块岩石变为小块，使岩石结构解体，由稳定变化到不稳定。风化所产生的细碎的疏松物质，通过另外形式的外力输送到低处（当然还要伴随着重力），最终沉积到海洋，成为整个地质循环的一个组成部分。不言而喻，它也是这个循环中变化速率最快的一个部分。从自然地理系统去认识，外力的风化作用与传

输作用，可以用一些变量表示出来。这些变量分别可以归属为系统变量与环境变量两大类，针对着沉积物的运动过程，从而把外力作用与构造力作用有机地联系在一起。

如果将这些变量表示在图上，它们之间的因果关系，组成了一个复杂的结构网络（图 5．9）。

总之，目前对于外作用力的各种形式及其综合作用结果，还未总结出比较严密的规律。