營力地形學：導論

一 . 緒論 (Introduction)

地球最顯著的特點之一就是具有多變的地表形態。我們大概可以肯定地說，當人類開始關心自然環境時，地景是他們最先注意到的地質特徵。熟悉的地表特徵可引領他們的旅行、建立他們的領土範圍。隨著時間流逝，人們學會如何為了不同目的而有效使用區域特性，像是農業、貿易和軍事戰略。他們也學到有些地形擁有某些有別於其他地形的特色。逐漸地這些孤立的觀察聚集成為一個有系統的知識集錦，而一個科學的分支就誕生了。   

地形學最常被定義為對地形的研究。如同大部分簡化的定義，真實的含意稍微有點含糊，而且還可以更深入地解釋。舉例說明，地形可視為「以不同的方法分析所欲尋找的資料」。工程師也許要知道—處具有開發潛力地點之特殊地形的地理特性。他們可能對地形是如何或何時發展並無興趣。他們所採用的分析方法和想要了解氣候變化對於相同地形之影響的地形學者不同。因此，地形資料可能因應不同的科學目標而生。所以地形學有時會創造出像是氣候地形學、歷史地形學或是營力地形學等分科，來強調地形分析上的一個特定焦點。學術研究者可能會認為其中一個研究取向特別吸引他，而實際上這門科目〈地形學〉也普遍地在地質系和地理系教授。

        傳統的地形學一直是過渡描述性的。在以前多強調一地形在某演育模式中的位置，因此常與歷史的解讀有關。然而近幾年此學科趨向於定量，而地形研究也變得較實用。很明顯地，沒有任何定義可以適當的表示地形學的廣度。地形學的最大特質可能就是缺乏嚴密的學科界線，因為地形學本身趨向於跨學科的研究，而這正是解決有關全球變化及環境壓力等主要科學問題的取向。

       事實上，比一個精確的定義更為重要的是：地形學是一個野外導向的科學。好的地形工作所必要的第一步是地圖和照片分析，而實際資料則可支持解讀。但對於地形正確性的真正試驗則在野外。在野外，所有證據都被拼湊成一個清晰的圖案以說明地形形態的形成及所在位置。做個細心的觀察者是成為地形學家的基本要求。成為細心的觀察者並不容易，事實上傑出的地形學通常從他們犯的錯誤中學習以建立觀察力。地形營力是很複雜的，基本控因的小變化就可能造成一連串不同的地形。不變的是，一個人如果有許多環境經驗，那他就會對地形有不同的解讀。因此，一個地形學家，就如同其他科學家，必須學習交易。建立對地形的觀察力是沒有捷徑的。觀察力必須透過長期的田野經驗而逐漸形成。

        這本書將專注於討論創造地表特徵的營力。營力可以被解釋為：一力量造成地表上物質或形態的物理或化學改變的作用。較簡單的說法是，營力可以想成是「透過一種方法使一事物從另外一事物而生」。為什麼以營力做為中心主題比使用其他標準〈如氣候或時間〉有利的原因並不清楚。地形學介於地質和許多其他討論地表現象之學科的介面上。現今地形學家必須知道水文學者、土木工程師、土壤學者、森林學家、城市計畫學者及其他專家所面臨的問題。由於這些科學家是在下伏有地質的環境中工作，而且有些環境受到地質條件的控制，所以他們也必須關心地質的概念與地質的問題。因為它們（水文、土壤….）在同時同地產生作用，所以必然有一個共同的興趣來結合這些明顯不同的領域。了解營力的普遍需求對所有研究地表的學科都是最基本的。

        更重要的是，了解作用營力對地球科學本身也是必要的。地形學要繼續作為地球科學的一部份，有關地表營力的未來研究必須提供地質學家及地球物理學者有用的資訊似乎是必然的（Ritter 1998）。這個聯結已經顯現了。舉例來說，沉積學家和地形學家聯合來為地層的紀錄的解讀提供一個較可靠的基礎（Schumm 1981；Kraut and Middleton 1987）。沉積物序列突然改變的意義可能是反映地形對外來因素的反應（像是沈積物供應區的氣候變化或是構造變動）。但是地形系統本身內部的獨特事件也有可能造成順序的中斷（Smith et al. 1989；Brizga and Finlayson 1990；Kraus）。任何中斷事件如何透過一個地形系統被傳輸及如何在沈積物構造中被證明是一個非常重要的研究，需要這兩個分科的貢獻。[譯者按：在美國地形學常被視為是地質學的一門分科，本文作者是從事地形學研究的地質學者，所以行文中特別提到地形學對地質學其他分科或地球科學的貢獻。]

        地形學者也可以對重要的地球科學問題提供見解，像是（1）板塊邊緣的分析（Tosdal et al. 1984；Taylor et al. 1985）。（2）地下水流動系統的測定（Larkin and Sharp 1992）。（3）測定危險廢棄物儲藏之安全性所應有的地形穩定分析（Wells and Gardner 1985），和（4）地形對新發展之定年技術的影響，像是宇宙放射性核種定年（Pavish et al. 1985；Cerling 1990）和熱螢光定年(luminescence dating )（Berger 1992）。

        對於上列地質現象的因果關係仍然缺乏明確的瞭解。舉例來說，我們知道全新世天氣變化劇烈，足以破壞地表微妙的平衡。令人困惑的是，相同的氣候傾向常造成不同的地形反應。因此，就算是在近代，我們大多仍不清楚因果關係。

        最後，我們必須體認：人類活動在這個因果關係中也是一個重要的因素（for a classic example see Gilbert 1917）。這在分析環境問題及地質災害上特別重要。地形學在環境科學中必然扮演重要的角色。不幸的事，在傳統上環境科學一直以生化系統為主，而重要的物理環境一直被忽視或是被工程師用以減輕問題而不是研究的方法來處理。我們認為，在提出一減災計畫的方案前，應該要先了解物理環境。再者，我們認為科學的理解必須植基於以營力地形學為本之概念的應用。因此，工程學與環境地質學可從地形學者的貢獻中獲益良多。

        人類對地形營力及環境問題的影響的一個好例子是發生在1970年代和1980年代的南加州（Kuhn and Shephred 1983；Kochel and Ritter 1990）。在這裡週期性氣候變化的一個影響是使面對太平洋的峭壁產生加速的侵蝕。在之前的幾十年中，由於氣候乾燥，很少有大風暴，所以波浪作用不劇烈。沙灘、海岸線及海崖均處於相對穩定的狀態。這使得海岸邊出現了大規模的都市化，隨之而來的有草坪過度的用水、灌溉，還有污水淨化槽、過濾網和cesspools的使用。過度用水導致地下水面穩定上升，這是邊坡破壞的主要原因之一。因此，當氣候變化而有較多降雨及侵蝕性風浪時，海崖則因人類活動而破壞。山崩和塊體崩壞發生次數增加，則海崖的整塊石塊（通常是在支持崖頂的住家）就會滑落海中〈圖1.1〉。顯然，人類是地形改變的催化劑。

二. 營力地形學的基本原則
(The basics of process geomorphology)

假設我們以營力為核心來檢視地形學是一個可行的方法，我們必須辨識出當它們整合時，構成營力地形學的基本原則。這些原則列舉如下，並將在之後的幾個章節中詳細討論。

1、地形和營力間存在著微妙的平衡或均衡。這種平衡的特性是藉著此兩因子為系統或系統的一部份來呈現；

2、地形和營力之間的平衡是由能量、力和抗力所創造；

3、推動力或抗力的變化可能會使系統超越穩定。當均衡的界值或界檻被超過時  ，系統會暫時處於不均衡狀態，並會產生重大反應。系統會順應新的外力或抗力控因發展到不同的均衡狀態，但是可能以複雜的方式建立新的平衡；

4、不同的作用之間相互關連，一種作用的效應可能引發另一種作用；

5、地形分析可以根據不同的時間間距來進行。在營力研究中，視營力和地形的關係，所採用的時間架構對結論有直接的影響。所以，所採用的時間必須依地形分析的種類來決定。

(一) 微妙的平衡 (The delicate balance)

地形和造成地形的營力之間的平衡或均衡的關係不是最近才有的觀念。在十九世紀末葉，G. K. Gilbert（見Gilbert 1887）在他對美國西部的研究報告中就曾很清楚的指出這些觀念。基本上，Gilbert相信在特定的氣候和構造配置之下，地形會反映出主要營力和當地地質之間一些獨特的狀態。他常常用「動態調節」(dynamic adjustment)或是「平衡狀態」(balanced condition)等名詞來描述這種關係。Gilbert對這種均衡的看法的一個例子可以參見圖1.2 。我們可以看到一連串適應軟硬交替岩層的邊坡，這些在不同地層單位發展出的邊坡是由地質和像塊體崩移、片洗、河流等營力間的交互作用所產生及維持。重要的是，Gilbert相信只要營力和氣候與構造控因維持一定，持續的侵蝕並不會改變邊坡的角度。所以在時間 b、c 的邊坡就會與在時間a時的邊坡一樣，因為營力的形態和速率在這段時間內並無改變。如果構造或氣候的控因有變動，營力也會跟著改變，那時會就發展出新的邊坡形態以適應發生改變的營力。

在二十世紀前半葉，當地形學者擁護由W. M. Davis所發展出的「地景是隨著時間和歷程而持續變化，達到不同階段（可由區域地形特徵來界定）」的觀念時，Gilbert的想法被閒置一旁。直到第二次世界大戰之後，均衡的研究取向才再度復興。Horton(1945)、Strahler (1950.1952a)、Leopold and Maddock (1953)等人提出的文章，重新強調營力和形態間調節的重要性。這個轉變促使.T. Hack (1960b)提出「動態均衡觀念dynamic equilibrium concept」，基本上就是將Gilbert的研究取向作為地形分析的哲學架構。這個觀念認為地景中的要素會對作用在地質上的營力做快速的調節，所以營力和形態之間展現了因果關係。只要基本控因不變，地景中的形態就會保持其原有的特徵。

Hack的模式有別於Davis對地表長期發展的認知。就本文以營力為重點而言，長期的地景演育可能不如較常發生的氣候或構造的突發變化來得重要(Ritter 1988)。這些變化會干擾均衡，而且地形特徵和受氣候或地殼構造因子影響而改變的營力之間通常需要建立不同的關係。新的均衡關係「多快可以達到？」是一個重要的問題，主要取決於氣候或造構改變的規模大小。很顯然地，一些地景（例如，冰磧石）是和已經不存在的氣候或營力有關，所以它仍在對現在的狀態做調節。

很多地形學家認為，形態和營力間的平衡最好是以將此二因子視為一系統或系統的一部份的方式來呈現。簡單地說，「系統(system)」是相關要素的集合。例如，假設我們以一個集水盆地為一系個統，而且將其能夠測量的部份分為流域面積、河谷的邊坡、氾濫平原以及河道。這個系統的平衡或均衡狀態可藉著不同變數之間的統計關係顯現出來；比如說，流域面積可能直接和河流的總長度有關等等。

系統的研究取向變得十分複雜（Chorley 1962；Chorley and Kennedy 1971），而且在地形學中不同的系統（指河流、海岸系統等）也被辨識出來並加以應用（Schumm 1977）。就我們的目的而言，最好將地形和營力視為一個能量或物質不停地在增加或移除的「開放系統(open system)」的一部份。任何能量或物質的流動都需要營力以及與其在統計上相關的地形做調整以維持系統的平衡。這個系統的方法有下列的優點：

1、強調營力和形態間的密切關係。

2、突顯地形學上多變數的特性。

3、顯示出有些地形可能還未達到平衡，因為它們的特色是由過去的狀態所決定。例如，一些受過冰河作用的地區的地形特徵是對過去的地形控因在作調節。

如上所述，「均衡」暗示了地形（可能還有營力）存在著一些不變的狀況。理論上，這需要那些最終控制地形和營力的要素（如氣候或造構運動）也保持不變。但實際上，這些控因的確會隨著時間而變。所以，均衡真正的意義取決於所考慮的時間間距。Schumm和 Lichty （1965）主張時間間距可以分為循環的(cyclic)、均夷的(graded)或穩定的(steady)時距，不同的時距對我們了解營力和地形間的關係很重要，而且對於理解均衡也極為重要。Chorley和Kennedy（1971）更進一步的說明不同種類的均衡與每種特定的時距（圖1.3）。靜態均衡（Static equilibrium)存在於短的穩定時距（日或月）。在此時間尺度上，地形不會改變，所以它們是真正的時間獨立(time- independent)。在穩態均衡（steady-state equilibrium）時，地形或營力是以均夷時距來考慮（如一百年至一千年）（Schumm 1977）。在這種時距的均衡中，地形的確發生改變，但是彌補效應（offsetting effect）常使系統維持在一平均的狀態。相對地，動態均衡（dynamic equilibrium）是以循環時距來考慮，可能達數百萬年之久（Schumm 1977）。在此情況時，雖然變數發生變化，但是它們不互相彌補，所以系統中的平均狀態持續地改變（圖1.3）。

        由上述對時間的看法，可知為什麼對均衡這一觀念的理解或下定義是如此困難。時間在了解「均衡」上是重要的因素，而且要在地形學上有效利用這個觀念，必須要有特定的時間架構。我們在後面的章節將會檢視營力地形學中的時間因子。

(二) 力、營力和抵抗力：平衡的要素
(Force, process, and Resistance : The Ingredients of Balance  )

我們從牛頓的物理學知道只要少數的基本量就足以解釋力學。牛頓所確認的機械量（mechanical quantities）為力（force），根據他的力學定律，力大概可以被定義為「任一物體改變或傾向改變其運動狀態的任何東西」。更明確的說，牛頓定義力為「質量乘以加速度」F = ma。因為加速度是一個有規模和方向的向量參數，所以力也是一種向量。

力的測量單位是重量。所以，根據所使用的單位系統（表1.1），力的標準單位是英磅、達因或者牛頓。另一個基本的量是質量，與力有直接關係（如上述的方程式中）。事實上，若以重量和重力加速度代入這個方程式，此方程式可以表示成 W = mg，或 m = W/g，W表示重量，m是質量，g是重力加速度。如此證明了在力學分析中力和質量之可交換的關係。

力也和能量有關，以地形學而言，我們可以將地形和營力視為是能量的應用，能量被定義成「作多少功的能力」，它不能被毀滅也不能被創造，但是它可以以很多種形式出現，而且能從某一形式轉變成另一形式。一物体的動能起源於物体的位移，位能則由物体的位置所決定，任何物体之動能或位能的改變和使物体產生改變的作功是相等的。所以，能量的單位和功的單位一樣。

舉例來說，假想一個100磅的鐵球被搬運至一棟30英尺高的建築物頂端。讓這個鐵球移到較高高度所需的功，相當於因為高度增加所造成的位能的改變。「功」的量被定義成「力」和「物体的位移」的乘績，就是Work=Fs，其中F是力，而s就是位移的距離。在fps制的系統（見表1.1），功的單位是英尺一磅。在另一個單位系統裡，表示功的單位為爾格（erg）（達因一公分）和焦耳{10⁷爾格}，或是牛頓-公尺。所以，就上述的例子，Work = PE（位能），PE = Fs，PE = 100英磅×30英呎 = 3000ft-lb，其中PE就是所獲得的位能。

說明了「能」和「力」是不同的，但是它們可以透過「功」的概念關聯起來。既然「能」是作「功」的能力，而「功」是「力」的函數，那麼（1）「力」是測量「能」的主要成分，（2）在力學上，「力」可以被視為是「能」的應用，這個現象我們將稱之為推動力（driving force）。

在營力地形學裡地形代表了推動力與抗力（resistance force）之間的相互作用。以地形學而言，推動力可以是氣候、地心引力或其他產生於地球內部的力。抗力是由地質的架構（geological framework）所提供。這兩種要素的聯結則為作用(營力，process)。因此，如同前面所言，作用(營力，process)可以被視為一種方法，透過此種方法，一事物自另一事物產生出來；就像汽車，一個系統的量被傳輸並參與另一系統的機制一樣。

一般來說，營力可分為外營力或內營力。外營力作用於地表或靠近地表處，而且通常是受地心引力和大氣圈的力量（atmospheric forces）推動；內營力就不同了，它能量的來源是來自地球的內部。這內營力本身可以在地表運作，但它的能量來源通常是來自地底深處。同一種地形的發展有時會同時涉及到兩種力。舉例來說，火山錐丘的形狀就是由於內營力的火山作用和外營力的坡面作用所共同造成的。

總而言之，我們認為地形學可以以物理上的概念來檢視，特別是從「力」作用於地表物質的角度。在我們的模式裡，力的影響取決於推動的力量有多麼旺盛，以及所受到的抵抗（地質架構）有多麼強烈。從這樣的意義來說，我們得以用營力來解釋地球表面多樣的地形。

推動力 (Driving force)    在說明這能量是以推動力的方式加諸在地表物質上，我們應該簡要地檢視地球系統中的主要力量。雖然每一種推動力都經過長期和詳細的研究，但是本文只做簡要的說明以適合本文的特定需要。

氣候    太陽的幅射是使外營力運行的主要能量來源。幅射是以熱能的形式表現出來，也就是一種由物質分子運動所形成的能量。熱可以用正常的能量單位來表示，但是長久以來都是以特殊的而且較方便的「卡」或英制的熱量單位（Btu）來表示。舉例來說，一卡就是使一克純水上升攝氏一度所需要的熱量。

想像大氣圈最外側有一個平面垂直於所進入的太陽光線，則整個表面會接收到2.0cal/cm²/min的輻射能，也就是所謂的太陽常數（I₀）。這種能源實際被使用在地形上的值低很多，因為它的大部分輻射都受雲、大氣中的微粒物質以及地表面而反射回到太空。所以，地球系統所吸收到的（入射），而且確實可以利用的熱能，全球平均值大約為0.30-0.35cal/cm²/min。

這個平均值隨著緯度（表1.2）和季節的不同而有很大的變化。因為整体熱能的收支不會改變，所以地球的大氣系統必須完全將它所接收的熱能釋回太空中（以長波幅射的形式）。儘管被吸收的幅射量隨緯度的增加而減少，但是各緯度帶熱能的損失相當一致（表1.2）。這樣造成赤道與極區明顯的溫度差別，而使海洋、甚至大氣向極區傳輸熱能。太陽能的轉換需要一系列的複雜過程，也因而產生多樣的天氣。這些作用建立了地表各區域可以大致明確界定的溫度和降水的形態。在任何地方長時間平均的天氣狀況被稱為氣候。氣候代表了在整個大氣系統中太陽能的分佈和轉換的淨結果。

以地區性的規模（scale）而言，熱的轉換機制有助於解釋海洋和大陸性氣候的顯著不同。陸塊的吸熱與散熱都較海洋快，在溫度上變化較為極端。因為地表的熱力特性控制鄰近上部大氣的增溫，所以我們能預期在陸地或水面上的溫度是以與地表（陸或水）同樣的方式作用。中緯度大陸性氣候的季節性可以用增溫和減溫的相對速率以及相關的陸–海配置的氣壓系統的變化來理解。

以較大的規模而言，隨各緯度熱量的不平均，需要熱量從赤道向極區傳輸。這種轉換的確切機制涉及一系列複雜且相互有關連的過程，主要是和氣象學有關的領域，變數包括全球氣團的循環模式、垂直和水平的氣壓分佈、鋒面、地球的旋轉、以及海陸分布。一般而言，熱能是藉著由平均氣壓和風帶系統所控制的空氣的運動向極區傳輸（圖1.4）。

洋流也是重要的熱量分配者。暖流在冷空氣下往極區流動，並以潛熱的方式釋放能量，最後溫暖了上空的大氣。就讓所有的地區都達到相同的氣溫的觀點來看，熱量的分布並未完成。然而，以一個地區為基礎，它在穩定溫度方面是有效的，讓地球擁有一個相當明確的氣溫形態。

降水量也由支配氣溫的相同作用所控制，而且一般的降水形態遵從大氣循環的主要分帶。降水量在赤道低氣壓槽附近最多。而在緯度30°左右兩個低緯度循環胞之下降側附近最少（圖1.5）。第二個降水高峰區發生在有不穩定氣壓胞的中緯度。當大氣團變冷或濕氣增加時，就會降水。通常當充滿水汽的空氣升到更高、更冷的高度時，就會造成降雨。上昇氣團和造成降雨的主要機制是對流、地形效應和鋒面力學。在對流中，比周圍空氣輕的暖空氣會一直上升直到壓縮成似積雲膨脹時的外形。地形效應是當氣團被迫抬昇過高山時發生。在山的迎風面有經常性降雨，而在山背側則出現典型的雨影區。鋒面的活動涉及高、低氣壓帶的互動。鋒面就是低氣壓胞的濕空氣和高氣壓胞的乾空氣之間的接觸線。在鋒面相接處，濕空氣被迫抬昇到乾空氣之上，因此也變冷，結果就發生降雨。

重力    第二個重要的推動力--地心引力，在無數外營力和內營力的地形作用中顯現。與氣候的推動力結合，地心引力決定河流作用力、塊体崩壞、冰河作用、海岸的潮汐效應和地下水移動的情形。在內部，地心引力直接影響地殼均衡（isostasy）的作用（控制不同密度的地球物質的分布，最後造成區域隆升）。重力是無所不在、影響所有物質。重力可以連續不斷地作用在地球表面、地面之上或地面之下的每個系統，所以在考慮任何營力時都不可以完全忽略重力。

牛頓力學對重力的經典之作在1687年發表，介紹（重力）地心引力定律。簡單的說 F = G（m₁ m₂ /r²），任兩個物体之間都存在著相互的吸引力，這個吸引力是兩物体的質量、兩物間距離以及重力常數的函數。

因此，兩個物体之間的重力吸引是一種作用--反作用的現象。每個物体施力於另一個物体會產生與此力大小相等、方向相反且作用於同一直線的反作用力。我們對於重力的主要興趣在於它如何影響地形，特別是地表的物質。施加於地表物質的重力是以作用於每個擁有質量的自由落体（質點）的加速度的量來量測。通常以下面這個方程式表示

g = GM/r²  M為地球的質量

在大部份科學工作中，g被假設為常數，為980gals（gal是一重力單位，即1cm/sec/sec）。

在這方程式中，g無法像我們一般假設的被視為常數，因為它取決於多個不同的變數。距離（r）由於地形上的不規則和地球不是完美球形而會變化。地球物質的密度分布不均。除此之外，還有地球轉動帶來的反作用力，並造成各緯度帶間重力的明顯差異。因此「g」在地球表面不是呈規則地分布。地球物理學家很關心這種變化，因為些微的重力變化都有實質的意義，特別是把它當作探勘工具的時候。然而，比起總和的規模，地球表面重力的變化很小，所以對大多數的外營力分析而言，g是被視為不變的。而且在營力分析時，通常也把g視為不變。另一方面來說，反映地球質量和密度之不同的些微變化對內營力非常重要。當我們在第二章視「地殼均衡調節」為地形營力時，將再次探討重力。

地熱    熱能是在地球內部所產生的，產生的主因主要是放射性元素的衰退，其次則是地球潮汐和岩石變形所造成的摩擦力而產生。地球內部每年傳送地熱約2.4 ×10²⁰卡到地球表面上來。如果拿地球表面所接收到的太陽輻射能的熱度來跟地熱的總量來做比較的話，地熱是很小的，但確實顯示：不論它的來源或梯度，地熱是在地球內從一個地方傳輸到另一個地方。既然能量的分配是推動地球內部的地質作用，所以熱傳輸的機制很重要。

        熱到達地球表面的測定是困難又昂貴的，而且這種測量常常會受到次要因素的影響，像是地下水、傳導性的變化和最近的火山活動。此外，所做的量測常不是隨機分布，而是傾向於集中在一些有特殊興趣的地方做測量，所以許多地區只有很少的或根本沒有資料。儘管如此，精密儀器的發展和對海洋構造學的興趣，已經累積了相當的資訊，足以對地球表面熱力流提出合理的描繪。除了局部的不正常之外，令人驚訝的是地球各個部分所出現的地熱相當一致，大陸的和海洋的平均值只相差了0.2m cal/cm/sec (Wyllie 1971)。如果放射能是地熱產生的主要來源，除非熱力的平衡是由熱的傳輸過程(像是傳導和對流)所造成，否則大陸和海床熱流相等的情形，就需要輻射性礦物在此兩種環境下有異常的分布才行。這些過程可以藉由在地球上的主要地文區的熱流來展現(如表1.3)(中)(英)。注意從中洋脊和海溝流出的熱流量和整個洋底盆地的平均熱流量的值有相當大的差別，在中洋脊頂部是不正常的高，而海溝的熱流量格外地低。在中洋脊之下熱能可能是因為是對流反轉(convective overturn)的一部分而顯著上升，而在海溝底下的低熱能可能代表的是反轉胞(overturning cell)的下降翼。在大陸上，就如所預期的最低的熱流量值出現在非常穩定的地盾地區，而最高的則是在最新近的造山帶和有關的新生代的火山活動地區。

地熱的傳輸在決定地球主要地形架構上扮演了很重要的角色。熱傳輸推動了地表下造成地形抬升和變形的作用，改變了不同抗力的岩石的分布，同時也控制了大洋盆地的容積，進而影響了海平面的位置。熱流如何或是否和地心引力的分布有關仍然有所爭議，但是這兩種力量的結合必然代表一個主要的地形要素。

抗力的架構 (The Resisting Framework)    地形反映了「推動力的施用」和「被作用之物質的抵抗」兩者之間的平衡。在檢視過我們的系統中推動力的突出特性後，我們現在應該來檢視抵抗的要素，但是要如何精確地來說明是相當混亂的。僅陳述地形系統中的抵抗力為地質是很誘人的；地質在地形上的影響是如此普遍和多變，所以任何對地質的角色在決定營力和形態的簡要回顧都是不足夠的。關於地形學之地質的控制完整討論，需要對在各種氣候和構造體制下，各種可能的地質架構的分析。雖然我們現在無法做這樣的努力，我們仍會提出一些普遍的例子，來顯示地質的抵抗力如何在地形上表現出來。

岩性（Lithology）    地形學中的抵抗力是透過兩個主要的地質變數來進行的：岩性和構造(structure)。各種不同起源的岩石創造了在地球表面上各種非常不同的化學和礦物組成、組織和內在強度的岩性。在地形學中我們關心的是當代的抵抗架構，而不管它形成的歷史。對於現存的地殼和表面岩石分布的整體的了解是很重要的。

        表1.4綜合多種對岩石圈中化學成分的估計。像所期望的一樣，大陸地殼的化學組成中在二氧化矽和K₂O的含量比海洋地殼要高，而在CaO、MgO和鐵的含量比海洋地殼要低。這樣的化學成分分佈可以轉為對一般岩石類型和典型礦物組成的體積百分比的合理估計(表1.5)(中)(英)。這些分析的意義是強調，地形學中的抵抗架構基本上是限定在兩套火成岩和變質岩，以及大約十種不同的礦物。地殼主要由矽酸鹽類礦物所組成(花崗岩、片麻岩、片岩、granodiorites和閃長岩)。這些組成地殼體積的48%，而基性岩石類構成了大約43%的體積。很明顯地，矽酸鹽類在來源上是深成岩的或變質岩的，也是構成大陸地殼最主要的成分，而基性岩類絕大多數是火山作用，是根源於海底。

        在毗連的美國大陸地殼下部，是比一般人所猜想的還要更基性(表1.6)(中)(英)。Pakiser和Robinson(1966)根據地震的速率指出整個美國地殼在體積上54%是基性的(在重量上則有55%)。此外，他們指出美國東部地文區的基性岩石的含量大很多。普遍說來，東部地區以基性地殼佔優勢，而西部地區的地殼則以矽酸鹽類礦物為主。

        如果 Pakiser 和 Robinson 是正確的話，去調查出露在阿帕拉契和西部山地(Cordilleran)地區的火成岩將更為有趣(表1.7)。在阿帕拉契山區，地殼主要是基性的(如表1.6所示)，但是表面的火成岩幾乎全部是鈣鹼性的深成岩。這種類型的岩石在表1.7中所顯示(佔全部的84.5%)，深成岩中96%是花崗岩。相反地，出露在西部山地區的火成岩主要是由噴出作用所造成(63.6%)，而其中77%在成分上是玄武岩或安山岩。在美國東部厚層的基性地殼支持表面主要是花崗岩的岩石；相對地，在西部是矽酸鹽地殼支持表面基性的岩石。

        在北美，大部份出露地表的物質為沉積岩(表1.8)，雖然它們只佔整體地殼體積的一小部分。它們的來源是較老的火成岩、變質岩和沉積岩，所以它們的化學和礦物學特性反映了外在地形營力所引發的改變。因此，地形學變成岩石循環中重要的一環。

        沉積岩廣闊的分佈無疑地讓地球表面的礦物成分不同於表1.5所列的地殼組成。在地面上，石英和長石是最主要的礦物，兩者含量大致相同(長石佔30%，石英佔28%)；方解石和白雲石增加到大約佔9%；黏土礦物和雲母變得更加重要，上升到大約佔18%(Leopold et al 1964)。

        在任何特定的氣候中，每種岩石會以不同的方式和速度對風化作用和侵蝕作用作反應。隨著時間的發展和穩定的造構活動，高起的陸塊通常由抗力強的岩石所構成，而低下地區則是由較易受風化和侵蝕作用的岩石所構成。差別風化和侵蝕作用對地景發育的影響是在每一個基礎地質學的導論課程中都會強調的。事實上，我們在地質學的訓練中很早就被制約，視區域的地形為大致的岩性、造構運動和地質歷史的反映。例如，地文區的概念就是以這種方法讓我們思考地質對地形的控制。無論如何，值得強調的是地形作用會在各種尺度上突顯岩性的差異。巨大尺度的差別，會造成像山脈和平原這樣的區域特徵(圖1.6)，也可以用來在侵蝕地形上對岩石分佈做粗略推估的第一步。在岩石種類相似的大區域內，較小的岩性差異也會因地形作用而在地表以較次要的地形差異表現出來。這些在一般地景中極小的差異很可能提供了該地關於地質歷史的重要資訊，而且對未來的地形發展是重要的控制(圖1.7和1.8)。甚至在顯微鏡的尺度下，岩性的變化也可能對風化作用下有獨特的影響(圖1.9)，最後造成地形微妙的差異( Eggler et al.1969)。

       似乎可以確定的是，即使長時間的侵蝕作用也不能完全消除地景中微小的岩性異常處(Flint 1963)，雖然它們的外觀可能被大大地壓制。岩石的多樣性應從不同的等級來考慮。由結晶岩石或沉積岩所構成的大片區域可能會發展出獨特的區域特徵，但是在區域內較小的變化可能以微妙的地形的變化來展現，而這種變化通常提供了重要的地質和地形的訊息。地形學家一定要能察覺到這些隱晦不明的地形改變，以呈現對地質、地形歷史和營力的整合解釋。

構造（structure）    影響地形的地質構造包括從大規模廣域的構造形式至只對小區域控制的小尺度特徵。構造的影響只有在岩石和氣候條件有助於差別風化和侵蝕的狀況下是顯而易見。在沈積的環境，地質構造會被厚的沈積物遮蓋，而掩蔽了在下面的構造表面。相對地，在岩性相似的侵蝕性地景中，（如地盾或山地的核心區）內部構造通常不容易辨識，但是較小構造還是可能產生出可辨別的地形控制。例如，「節理的間距」被認為是在岩性均質的山區讓冰河河谷之縱剖面呈階梯狀的主要因素。最可能表現構造控制的岩石環境是軟硬岩石交替出現的沈積岩程序，如阿帕拉契山的河谷山嶺區(Valley and Ridge province)。在那裡堅硬的砂岩和礫岩層形成山脊，山脊之間是被易於侵蝕的頁岩及石灰岩所形成的山谷隔開。呈彎曲狀的山脊，表現出下伏的褶皺特性；這個地區的地形顯示出傾沒背斜或向斜構造普遍分佈的情形。

{譯者按：可參見  何春蓀  19-10和19-11圖}

(三) 界檻與複雜反應 (Thresholds and Complex Response)

營力地形學的第三個基本定律是有關界檻概念（threshold concept）。任何有關均衡的概念即意味著有不均衡的狀態。如果系統的重要控因需要系統內部做反應，那麼必然有一段再調節的時期，在此時期中營力和形態是處於不均衡的狀態。山崩、地層下陷和溝蝕(gully erosion)都是當「力」和「抗力」的變數改變而不能再維持平衡關係所產生之不均衡的例子(圖 1.10)。Schumm (1973)認為，如果處於均衡狀態的系統可以用實際的參數來界定，那麼必然有可以代表平衡狀態界限(limits)的參數值(parameter values)。如果超過了界限值(臨界狀況critical condition、界檻threshold)，系統就進入不均衡狀態。平衡的界限是臨界狀況稱為界檻(Schumm1973)。

如果參數值因為外部控因變化而超過界檻，即稱為外部界檻（extrinsic threshold）。自然界中有很多例子，地質學者最熟悉河水的界檻速度（在該速度沈積物開始移動）。另一例子是地形對氣候波動的反應。

然而有一個更難以捉摸的界檻形式，就是內部界檻（intrinsic threshold），也就是當外部的狀況維持相對不變時，系統發生不安定及破壞。這種界檻狀況的發展主要是因應於系統內部逐漸的改變（通常是不易察覺的）。在很多例子中，這種界檻狀況通常代表系統抗力的降低而非推動力的增強。舉例來說，在有週期性豪雨的地區可能邊坡已維持相當長時期的穩定，但是不斷的冰凍及融解或其他成土作用逐漸降低邊坡物質的凝聚力。最後一個一般強度的降雨就會造成山崩。

一個特別的界檻類別稱為地形界檻(geomorphic threshold)（Schumm1973,1980）基本上是指地形本身的穩定性。最初Schumm認為是內部界檻的一種；地形逐漸的改變（尤其是指邊坡因子），最後達到穩定的界限，需要（地形）形態特徵作快速的調節。此概念的意義是”突然的改變”可能是地景發展中的正常現象，而且並不一定需要外部因子的改變。Schumm後來又把此概念擴充為包括外部因子所造成的地形變化。

        均衡的破壞十分普遍，被認為是地形系統的基本特質。這種認知讓很多地形學者視界檻觀念為地形學的主要工作模式(working model)。然而地形學者所發現的是，界檻概念很難應用於真實的狀況，而且常常因為沒有考慮時間因素，而變得很複雜。所有的干擾事件都會在地形系統中造成反應，但是要將一個反應指定給哪一個界檻事件卻很不易釐清。我們建議，系統發展到平均參數值與事件發生前非常不同的狀態時，才算跨越了界檻。如果系統在另一個相同規模的事件發生之前，又回復到原來的狀態，雖然系統曾有暫時的不均衡，但不算跨越界檻。問題是：「什麼是暫時的不均衡？」；「什麼是有地形意義的不均衡？」我們會在討論「時間」的章節中再提到此問題。

一個界檻反應是以一系列的反應事件的方式表示。因為系統內所有的作用和成分不一定在同時間達到界檻狀態，所以會有一系列反應事件。

          同樣的事件演變可能發生於冰河期海平面明顯下降時。基準面下降的影響會從主流河口開始，如密士西比河。在那麼大流域中的支流可能要到「初始事件」(initiating event)開始很久之後，才會經驗到切割作用。

Gilbert所觀察到的複雜反應不同於Schumm和Parker的發現，因為（1）誘發界檻（跨越）的力是發生在流域分水嶺附近，而非主流河口；（2）推動力與人為活動有關；（3）最初的反應是積夷，積夷的位置逐漸向下游移動。

界檻概念在地形學中最早是在河流系統展現。後來在各種地形都被辨認出來（例如，見Coates和Vitek1980），而且也發展新的方法來指出何時一個系統傾向於界檻狀況。此外，愈來愈清楚的是造成不安定的系統壓力常是人類活動所產生的。

 (四) 作用聯動的原則 (The Principle of Process Linkage)

對被改變的狀況所做的複雜調整，時常牽涉一連串的反應作用，我們就稱之為「作用聯動」（The Principle of Process Linkage）。作用聯動在本質上是根據谷排效應的原則來操作；它是指在一個調節時期中營力或地形的改變，時常在全然不同的營力和地形中，促發依序的反應。聯動之所以能作用是因為一個推動力能從一種營力類型轉變成另一種。因此，超越界檻的原始力所引發的反應可能牽涉到無數的作用。

St. Helens火山的災難涉及了大量的作用聯動，它顯示出主要反應的區位逐漸向下游移動。除此之外，在這個事件之中，單一的推動力是發生於地球內部。然而，這個火山活動的結果快速傳輸道邊坡作用（土石山崩和泥流），而且再傳入河流、水文、湖泊的系統與作用。物理的變化甚至改變了生物的平衡。

這種對單一刺激的反應，而能將營力作用從一種型態轉至另一種型態的能力，通常也是孤立或無明顯刺激作用之地形活動的唯一解釋。

(五) 時間架構 (The Time Framework)

在前面的章節中，我們看見地形學可以不同的實時距來考慮，Schumm和Lichty（1965）稱它們為循環的（cyclic），均夷的（graded），和穩定的（steady）時距。但問題是這些時距中哪一個最有助於展現營力地形學的機制呢？

為了更清楚地去看清時間要素，我們可以考慮一個假設的流域和組成它的子系統（支流）。如果我們觀察任何一條河流的單一橫剖面，我們可以用一組參數如寬度、深度、坡度和形狀來描述該點的河道形態。在河流之中任一次的水流事件，都可能會造成暫時性的沖刷或淤積，如此會造成河道參數（channel parameters）立刻的變化，但並不是永久的影響它。當水流事件過去之後，它們就會回復到先前的狀況。隔一小時或一天對這些變數所做的測量，會得到不同的數值，但是這些變數的內部關係總是一致的，而且很顯然地會對外在控因做調節。更重要的是，當考慮這個時間尺度時，流經此橫剖面的沉積物和流量是一變數，它們會因為河床形狀的變化而改變。例如，如果河流沖刷河床，移動的負荷就會增加，而且河道的面積也會擴大，而河道能容納較大的水量。因此，流量和沉積量都暫時受到河道改變的影響。然而，我們是在非常短的時間內來觀察河流，我們所定義的「均衡」，幾乎是瞬間的（或是 Schumm 和 Lichty 的用語“穩定(steady)“）。既然在這個時間尺度無法預期有永久的改變，我們可以理所當然的說，從這樣的角度來看，營力和地形是獨立於時間的（即不隨時間而變化）。參看（圖1.3A）。

在較長的時期中，穩定時距的河道測量會隨著沉積物或流量的平均值而有所變化；外部和內部變數的統計關係會界定均夷時距的均衡狀態。在這種時間尺度（不像穩定時間），沉積物和流量是獨立變數，可以決定河段的形態和水流特徵。在均夷時距中，因為氣候或侵蝕基準的改變，所造成外部變數的變化，可能需要河道中一套新的均衡狀態。當超過了界檻值時，河流必然會有一些重要的改變。而且（也和穩變時間的不同）這種調節將會是永久的改變，除非外部控因又發生了另一項改變。通常這個反應是以“河床挖鑿或積夷”、“曲流度變化”的方式來呈現。

重點是這個系統會暫時處於不平衡，而且在某段時間內河流是趨向於一個新的均衡狀態。這個所牽涉到的時距，是界於長期的循環時距和瞬間的穩定時距之間。再體認均衡時距唯一有效的地形學概念時，絕對時間並不十分重要。它的意義是在於一旦達到均衡，被破壞的平均很快的（從地質學的角度）將會被每一個子系統重建新平衡的能力所抵制；所以均夷時距並未涉及地景持續漸進的改變。此外，區域系統中的所有部分可能不會同時受到影響，或發生一樣的情形。

如果我們以循環時距來考慮我們所假設的流域，在穩定或均夷時距所呈現的平衡（或是暫時性的不平衡）就變得不相關了。流域中的沉積物以及能量的流失是難以改變的，此現象也暗示系統將持續的逼近（也許永遠都不能達到的）一個最終的均衡狀態。在這些時間架構之中，流域中的地形會隨著系統能量的衰減而持續降低它的高差。

時間的體系是明顯存在的，我們如此解釋地形學，端賴所使用的時間尺度而定。在營力地形學中最後是以穩定或均夷時間尺度來做分析，在此二時間尺度，是認為地形和營力是獨立於時間的，或是暫時依賴於時間。【譯者按：“時間依賴(time-dependent)“是指隨著時間的進展，地形會逐漸低降。在循環時距的尺度，地形就是時間依賴的。】

我們現在回到先前較早提出的問題來考慮“界檻”的意義。我們藉著考慮足以大規模改變海灘或河道形態的破壞性風暴(catastrophic storm)（指會引起嚴重的侵蝕和堆積）來檢視這個問題。這個風暴事件的地形意義取決於「海灘或河道是否能在另一個差不多規模的風暴發生之前恢復到原來的狀態」。一個系統恢復到它原有特徵所需要的時間，稱為恢復時間（recovery time）（Wolman and Gerson 1978）。在這裡的重點是，需要有一組新的均衡狀態才算真正的跨越界檻。如果兩個破壞性風暴之間的時距比恢復時間長，新的均衡就無法建立；也就是說，在恢復到原來的特徵之前，不會有另一個相同規模的風暴來侵擾。

假設氣候是長時間天氣的平均狀態，大型變動事件雖然少見，但仍應被視為是均衡狀態的正常部分，而恢復時間比這種主要事件的頻率短。因此雖然一 個不尋常的風暴會使系統處於暫時的不平衡，但系統很快的回復到原來的情形，就表示並沒有跨越界檻。這種現象在穩定時距（數日到數十年）是很常見的，而ˊ破壞性事件是很惱人甚至是很危險的。事實上，大部分的自然災害是在這些暫時性的時段中活動。為了降低這種事件的影響，我們應該努力辨識出造成災難不穩定的原因。但是，這樣的災難，未必見得就跨越了界檻。

界檻何時會被跨越呢？我們認為是當破壞性風暴的頻率增加到一定的程度，而使恢復時間比這些破壞性事件的間隔還要長時，界檻就被跨越。只有實質的氣候變遷才可能造成這樣的改變。在這種情況下，系統在受到另一個破壞性的風暴的壓力之前，沒有足夠的時間去回復到它原來的均衡。因此，系統必須發展出能反映調節到這種新的氣候狀態（包括大型風暴事件頻率的改變）的均衡參數。氣候變遷及和它有關的調節可能需要五十年，數個世紀，或是更久的時間。因此，這整個作用過程明顯的是一個均夷時距的現象。我們的例子展現了地形的重要性，因為這個形態和營力之間新的關係，是由氣候的顯著改變所引發的（氣候變遷是營力地形學中的一個重要控因）。也很重要的是，因為其他控因（人類活動、造構作用）的改變所造成的調節也會在均夷時距的尺度發生。

將“界檻”定義為均夷時距的現象，讓我們能將地形及營力的改變和地形學中控因的改變，建立起關連。它提供了再了解發生於第四紀（Quaternary）的事件所需要的環節（link），這些概念是不容易完全充分了解的，而且我們的認知也仍然在發展當中，但是如果這個學科要在地學中被認為是不可或缺的一環，地形學家就必須要能提供有用的資訊給其他的科學家。舉例而言，在這個模式中，穩定時距的干擾可能會、也可能不會被保留於地形之中，但他們可能是以孤立的單位被紀錄在地層層序之中。地質學家應該了解那樣的單位並不一定表示有氣候改變或造構事件發生。但是，如果地層層序是從以細顆粒為主的沉積物，轉變為以粗顆粒為主就可能表示界檻有被跨越，也應該與外在控因改變所造成的地形（和/或）營力變化有關。這一個和其他的例子都明白顯示了界檻概念的價值，但地形學首先應一致認同它的定義，這樣它的威力才能被真正了解。

# 譯者按：兩本教科書的作者都引用Schumm and Lichty (1965)發展的均衡概念，但因注意所舉例之地形特徵不同，所以各種均衡所涉及的時距也大不相同，應特別注意；此外兩者的用詞也不盡相同。

Gilbert 常用「動態調節」(dynamic adjustment)或是「平衡狀態」(balanced condition)等名詞來描述「在特定的氣候和構造配置之下，地形會反映出主要營力和當地地質之間一些獨特的狀態」。T. Hack (1960b)提出「動態均衡觀念dynamic equilibrium concept」，基本上就是將Gilbert的研究取向作為地形分析的哲學架構。Gilber和Hack所說的是相當於上表中的穩態均衡。

三、結語 (Summary)

在本章中我們建議營力地形學的取向比其他研究取向有用，因為它能和其他同樣研究地表現象的學科有較好的聯繫。我們也提出一套構成營力地形學架構的基本原則。

營力和所造成的地形將以推動力（例如氣候和重力）和抗力（由地表的地質構造所構成）之間的平衡的角度來分析。也會從具有地質意義的時間尺度來考慮營力。