大峡谷的形成与演化
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发布时间：2022-04-30 09:17
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时间：2022-06-20 10:46
1.科罗拉多河
科罗拉多河（Colorado River）发源于美国西部科罗拉多州中北部落基山脉，洪流奔泻，经犹他州、亚利桑那州，由加利福尼亚州的加利福尼亚湾入海。全长2320km，流域面积63.7×104km2。流经7个州——怀俄明州、科罗拉多州、犹他州、新墨西哥州、内华达州、亚利桑那州和加利福尼亚州。
图5-24 美国大峡谷的峡谷地貌
图5-25 美国大峡谷的峰柱
图5-26 美国大峡谷的峰墙
图5-27 美国大峡谷的峰墙
科罗拉多河的源头位于洛基山脉国家公园，在当地叫做绿河。绿河流量并不大，是由怀俄明州流向科罗拉多州的，并在洛矶山脉国家公园分岔，经过了许多险峻的峡谷，通过火焰峡谷（Flaming George）水库之后就开始叫做科罗拉多河了。在科罗拉多高原上一共有11条河流加入到这个水系，一起切割出险峻的峡谷系统。
科罗拉多河向西南流到大理石峡谷南端之后突往西转，斜穿过高原上的地层、褶皱和断层，形成科罗拉多大峡谷。之后，科罗拉多河与一条来自内华达州的维京河汇合，并突然转向南方，出黑峡谷之后，通过南加州平原，由加利福尼亚湾入海。
南缘以浅色的和具有北美生物特征的植被（丛柏、矮松）为主。灰尾巴、白肚子、灰身体的Abert松鼠生存在这里。大峡谷形成以前，这两种现代松鼠的共同祖先是一个生活在这里高原上的黑白相间的松鼠。峡谷形成后，由于这种自然屏障，松鼠不能往来迁移，加之南北气候不同，新的松鼠物种按照自然选择得以进化——北部生活着深色的Kaibab松鼠，南部生活着浅色的Ablert松鼠。
2.地质特征
峡谷的岩石很老，但是峡谷本身却很年轻。在河流近200万年来的下切侵蚀作用下，峡谷的主体切割完成。由于下切作用而出露出来的古老岩石形成地质柱状剖面，记载着约20亿年的地质历史。在大峡谷见到的沉积岩均是近水平的岩层，并且许多岩层贯穿整个科罗拉多高原。
河流系统的演化
科罗拉多河从落基山脉到加利福尼亚海湾绵延1450多英里，川流不息。和其他大河一样，科罗拉多河也是适应不同时期的环境变化发育而来的，但科罗拉多河更为复杂。关于科罗拉多河的演化阶段、支流流向、母流等问题，地质学家争论了一百多年，至今还没有一个让人们普遍接受的假说。以下是河流演化过程中的一些基本原理：
基准面 是指河流下切的极限面，海平面是所有河流下切的终极基准面。有时存在地方基准面，如：湖泊、水库，或者内陆盆地也可以控制河流的下切能力。科罗拉多河流基准面受地面抬升尤其是更新世冰期的影响而变化。此外，河流的部分河段在其贯通之前，可能汇入内陆湖（临时基准面）。
梯度 梯度较小的河流一般不会有太大的能量。但是，如果一个地区地壳抬升，就会使其梯度变大，水的流速变大。这种情况下，水流下切加快，其水量也会增加。有时在地壳抬升过程中，水流可以维持它的原始路线，在河床上下切出一条狭沟。
溯源侵蚀和河流袭夺
当干流下切侵蚀河床的时候，支流也通过溯源侵蚀来增加它们的长度。溯源侵蚀就是在每个山谷中不断地向高地侵蚀。水系发育在易被侵蚀的岩层上，比如，不断向源侵蚀的水系与临近的水系相交叉，发生袭夺。地质学家们认为科罗拉多河在其演化成为一条大河之前发生了多次的河流袭夺。但是它是怎样发生的，在哪里，什么时候发生的，这些细节目前还不清楚。
科罗拉多河演化过程中的主要因素有：
1）中生代晚期（6500万年前），在落基山以及科罗拉多高原地区的河流源头经历了一系列相对较快的抬升。科罗拉多高原总共抬升了5000～10000英尺。河流梯度变得更大，增加了河流的流速及侵蚀速率。
2）随着海拔升高，降雨雪量也越来越多。在寒冷的更新世气候下，冰川开始形成并不断增长。越来越多的冰雪融水可以利用，河流流量也不断增长。发源于落基山的河流在高原上流动时，具有巨大的侵蚀能量。
3）高原气候比山岳气候要干，因此，大水量快流速的河流将高原切割成深长的峡谷。由于在抬升的高原上降雨量较低，因此水量太少，不能拓宽斜坡上的河谷。
4）600万年前，当加利福尼亚海湾张开的时候，这个较低的侵蚀基准面导致大峡谷地区发生快速的向源侵蚀。现在川流不息的科罗拉多河很可能就是在那个时期之后形成的。在海湾形成之前，发源于落基山的科罗拉多河或者说是其母河，流向海洋的另外一个地方。
5）穿过Kaibab高原的东西向大峡谷段是不对称的。由于在抬升过程中有一个轻微的倾斜，所以河流更加靠近南边。北缘受潮气影响，剥失更多的沉积物，也迫使河流向南部靠近。在Kaibab高原上的侵蚀速率更大，因为降在河流北边的雨水全部向南流，汇入大峡谷。在南缘，雨水和融水也向南流；当水流从峡谷出来时，侵蚀效果已经不那么明显了。
6）怎样管制科罗拉多河将决定它在20世纪和21世纪中的演化进程。在1980年，Powell湖开始有能力蓄水。在它被填满导致河水溢过大坝之前能有多长时间呢？如果河水溢过大坝，大坝则必然会被冲倒。
Glen Canyon大坝可控的平均排水量为12 200立方英尺 lft3=2.8316×10-2m3
想恢复河流的正常水位已经是一个不切实际的想法，因为科罗拉多河是整个西南部重要的地表水来源。合法分配给用户的水比它所流走的水还要多。
大峡谷的火成岩和变质岩
当科罗拉多河在高原上下切得更深时，河流开始在古生代水平岩层下更古老的岩层上流动。火成岩和变质岩，都在大峡谷的Inner Gorge处出露出来，属于前寒武纪，年龄超过6亿年。最老的岩层，许多层状页岩、砂岩和其他沉积岩与大量的熔岩流互层，覆盖在本区。大峡谷超群中的岩石在构造活动中由于压力和热量发生变质。一些熔岩呈现出暗色的条带并切穿了老的沉积岩层。地质学家称侵入岩层中间的为岩床，切割古老的岩层的为岩墙（图5-28）。长期的侵蚀搬运走了大量前寒武纪岩石。
图5-28 深成岩体的岩浆侵入到沉积岩岩层
在距今约100多万年的地质历史时期，暗色的玄武岩岩浆沿着裂缝喷出流入大峡谷中（国家公园西部）。火山灰从峡谷边缘的火山灰烬锥中吹出，落在地表。这些熔岩流和火山灰沉降层形成了公园较年轻的岩石。
不整合 在Inner Gorge中的火成岩和变质岩被侵蚀完之前，岩石单元由于造山运动*为大的块体并以大约15°的倾角倾斜。但是表面还是相对比较平坦，因为那时本地区是海洋，古生代沉积岩层开始沉积。古生代和前寒武纪之间的接触面或者接触关系称为不整合，代表了地质记录的一个沉积间断。
3.科罗拉多大峡谷的形成时代
科罗拉多大峡谷开始形成的时代证据之一是边缘砾石。
沿科罗拉多高原的西南缘，大峡谷南北两岸均分布有一套河流相砾石层，称为边缘砾石（nim gravels）。砾石层覆盖在高原的古生代－中生代地层之上，砾石成分有前寒武纪变质岩和火山岩。砾石成分和古流向研究显示大峡谷南北两岸的边缘砾石均来自科罗拉多高原南部边缘山区。可以推测，如果大峡谷和科罗拉多河当时已经存在，则这层边缘砾石只会在大峡谷或科罗拉多河南岸找到，但现在在大峡谷南北两边都有分布，可见这层边缘砾石形成早于大峡谷或科罗拉多河谷。同时，这层砾石被后来喷发的玄武岩所覆盖，经绝对年龄测定，玄武岩年龄为6Ma，可见大峡谷和科罗拉多河谷的形成应晚于600万年。另一证据是科罗拉多河注入加利福尼亚海湾沉积的Bouse组，年龄约5Ma。
边缘砾石和玄武岩测年说明，6Ma前科罗拉多河尚未形成。Bouse组沉积说明科罗拉多河5Ma前才流入加利福尼亚湾入海。而5～6Ma间的科罗拉多河，通过汇水流域贯通了落基山到加利福尼亚湾的河道。科罗拉多河造就大峡谷并深切至现今深度仅有500万年。
4.河流如何切割侵蚀成峡谷
地壳上升和气候变干燥寒冷是形成大峡谷地貌景观的两个重要因素。
向源侵蚀和河流袭夺也是峡谷形成的重要因素。科罗拉多河由原先的多条支流变成一条河流，如原为流向相反而源于同一山脉的河流袭夺，特别是坡降较陡的河流向源头加长至流域分水岭地块，能携带更多沉积物，河道加深较快，切入原为低坡降河道，使河水倒流纳入前者，并变成新源头，河流侧流，流域反向。
随着气候变冷和干旱，面状侵蚀被河谷侵蚀所代替，1500万年前西南部地区变得越来越强烈干冷，500万～600万年变得愈加干燥寒冷，此后河流向下深切成峡谷。现今深谷的地貌正是在这种干冷气候条件下逐渐成形。
科罗拉多河与一些在大峡谷汇入其中的干枯支游的关系可理解为河道切入峡谷，多与主河道同一水平，斜坡度汇入。为什么这种缺水的小支流会形成主河道一样深的峡谷？答案只能是这些大小峡谷都是在稀有的暴雨洪水中大量碎屑磨蚀河道形成，虽在大峡谷干枯支流95%的时间是不活跃的，但支流坡降大，能携带大量碎屑物并侵蚀剥磨河床基岩，可造成不亚于科罗拉多主河道的峡谷，如Tapeats溪流远小于主流河道，但亦能形成深似科罗拉多大峡谷的峡谷，概因其坡降大，携带碎屑物多所致，但主流河道峡谷的深度是其极限。
大峡谷共有19种沉积岩组、2类结晶岩，其岩性、硬度、密度差异，对侵蚀抵抗能力也不相同，特别是对河道加宽意义重大，其他因素对峡谷加深更有意义。
