內部力量和氣候

(Internal Forces and Climates)

一.緒論 (Introduction)

對均衡狀態的間歇性干擾是地表力學的重要成分，這是營力地形學的主要原理之一。在很多實例中，造成地形系統不穩定的原因多是來自外部。在本章中，我們便要審視加諸於地形系統的主要外部控因。

理論上，如果沒有相對力量的阻撓，外營力會逐漸使地景低降至沒有什麼特徵，只有些微的起伏打斷地表的單調的情景。但是地球自形成以來就有高低起伏，表示地球在形成的過程中，外營力不一定總是最佔優勢的。地表不是靜止的環境，而是一個剝蝕作用重複的與新的物質（因內營力而被抬升或生成）相互對抗的場所。物質的匯入不僅使地表起伏變大，也帶來新的位能，而得以加速或改變外營力的性質。新物質和新能量主要是透過火山運動和地表的垂直隆升而被引入。

除了內營力脈衝式的輸入以外，從第四紀冰期和間冰期的歷史我們可以得知，氣候狀態也不是不變的。雖然地形系統的均衡狀態能自行調節以適應氣候，但是氣候的改變和內營力的作用同等地重要，他們就如同是造成地形暫時性不穩定的火星塞。

主要氣候變遷和重要內營力投入事件的重要性，在於它們的發生多是不規則的，其間以長時期的相對穩定期分開。這些因子產生了地形系統達到界檻值反應所需要的狀況。此外，氣候變遷和內營力作用的時期，是辨讀地形學中相繼性(the sequential nature of geomorphology)的要素。因此，主要外部控因(指氣候變遷和內營力作用)是第四紀地形學的基礎。第四紀地形學是地形學中的一個分科，其目的主要是決定地形的歷史而非地形的營力。我們偶爾會檢視地形學如何被運用在第四紀的研究。不過，我們對第四紀地形學的討論會很小心，如此才不會破壞了本文的營力地形學的主題。

二.內營力效應 (The Endogenic Effect)

內營力是我們在觀察地表不可或缺的部份。火山作用和地震為地球內部能量及威力如何影響地表及營力做了明證。但是通常內部力量的行使，儘管比較不引人注目，但對塑造地形和外部力量一樣重要。舉例來說，圖2.1即顯示大部份的地表面出現在兩個水平面，對應即為大陸和海床。全球高程分佈（圖2.1）也指出了大陸及海床在地文上的重要性。表面海拔高度介於海平面與一公里者，共佔世界總面積的20.8﹪；洋底深度介於三至六公里者，則佔總表面積52.4﹪。大陸的平均高度大約是0.875公里，海床的平均深度大約是3.729公里。

        組成大陸和形成海盆的岩石，在組成礦物及化學成分上完全不同。組成大陸的岩石較富含二氧化矽、密度比較小，所以大陸地殼不僅較厚，也高於海洋底部。為何海洋和大陸地殼兩者會有如此巨大的差異，確切的原因至今仍無法確定，這是因為大陸起源理論缺乏有力的證據。原始大陸形成之事件的重建只是靠地球早期歷史的間接證據。雖然如此，高的大陸和低的海洋盆地之狀態的維持，就代表內營力機制所永遠維持的平衡。此外，如圖2.2顯示，面積越大的大陸其高度越大（南極洲除外），這個事實必然是反映地球內部某種主要的運作機制。我們的目的就是解讀出這種地形現象是由何種內部作用所造成的。

(一)造陸作用 (Epeirogenic)

地殼的變形統稱為地殼變動（diastrophism）或造構作用（構造作用，tectonism），主要可分為造山運動和造陸運動。造山運動的最高潮就是形成構造山脈。這種山系的典型是內部岩石因摺皺作用和過度推擠（overthrusting）而被高度破壞；造山運動的範圍通常限於局部狹長帶上。相反地，造陸運動是使區域性尺度的地表隆升或沈降，而且在作用過程中並未造成原來岩石構造的破壞。在這種形式的變形中，地形對此推動力的反應是非常消極的。雖然垂直的位移可能伴有些微的地層傾斜，但褶皺和逆衝在這種運動中不會發生。然而，在形成山系本身的造山運動停止之後，山系也會受到之後的造陸運動的影響。這種岩石和地表的垂直位移，是被基本的重力所推動。

       在第一章裡，我們簡要地探討過重力，以及決定它對任一區位之物體所產生之效應的各種因素。任何物質的淨力是作用於其上之重力向量的總和。因為相互間的引力可以轉換成能夠做功的動能形式，所以，每一物體都擁有分離的位能量。不幸的是，影響一特定物質的所有引力要素並不作用於同一方向；所以，對重力的確切計算是將之分解為作用於x、y、z軸上的分力。這個複雜的過程，可以透過將重力系統視為一個由等位能面所組成的能場（energy field）來簡化。在這個模式中，海準面變成在地球重力場中一個非常重要的等位能面（equipotential surface）。雖然這個平面因為局部的要素而些微的扭曲，但與地球半徑相較，這種扭曲的擺幅很少，而且影響的範圍也有限。

       海準面等位能面（sea-level equipotential surface）稱為象地體（geoid），常被定義為切割在陸地上一系列假想運河的水面。地表地形是參照象地體，因為海拔高度是由平行於海準面向上延伸的平面來決定。在任何測量地點，測量儀器要與象地體成正切關係，使正切線與通過該地的鉛垂線呈直角。然而，對於任一物體，鉛錘的方向是所有作用於其上之重力的向量總和，所以可能不會那麼完美地垂直於地球的重心。為了解決這個複雜性，測地學家利用第二種稱作球狀體（spheroid）的面，這是一種排除所有不規則影響以數學來描述的海平面。基本上，球狀體指是密度沒有橫向的變化，而且，從地球重心至地球表面的變化是均一的狀況下，所假想的地球海準面（hypothetical），這樣的質量分佈，重力從極區至赤道的變化是一致的，而且它的理論海準面的值可以輕易的估算出來。在上述假設下所計算出來的重力值，和實際測量到的數值之間的差異，稱為重力異常（gravity anomalies）；它們指出了象地體與球狀體的差異（圖2.3）。

因為在海平面上很少做重力量側，大多數的觀察必須簡化成分離的成分，指出那些部份來自質量，那些部份來自距離。重力測量所得數值在與球狀體數值相比較之前，必須先做修正。因為質量所產生的異常的一般傾向稱為布蓋異常（Bouguer anomalies），在山區為強烈的負值，海拔越高越是如此。這也展現了一個最重要的地形學原則－地表地形在某種程度上與地球上與地球內部的質量分布有關。

        這種地形受到地球內部質量分布影響的觀念並分類觀念，達文西（Leonardo da Vinci）就曾提過。至於這個觀念成為一個假說則是基於十九世紀中葉在印度大陸上所作的調查資料。C. E. Dutton對在科羅拉多高原進行研究時引入了地殼均衡（isostasy）這個名詞來定義所涉及的內部營力。基本上，地殼均衡調節（isostatic adjustment）的結果是一種發生在大範圍、被抬升的地區，如大陸或山區，被其下部地殼岩石的「質量不足」（mass deficiency）所補償。地殼均衡作用營力的要求是在海平面上的高度有多高。山脈、海洋盆地、地盾，和其他大規模的地形或地文區，在地球內部某一平面上的總質量達到平衡，這個深度就稱作補償深度（the depth of compensation）。這種地殼均衡也許是受控於岩石密度的變化（Hsu 1965；McGinnis1966），並且藉著內部調節來維持，但其機制還未被清楚了解。事實上，這個機制可能隨著在補償深度所支持的地形規模而不同。

重力的測量指出物質( mass)平衡作用真正完成，並且這種作用絕對不是持續的。也就是說，(地球)內部的質量分布和地形不是處於完全的均衡狀態。還未被地殼均衡作用修正的質量不平衡的部分稱為地殼均衡的異常(isostatic anomaly)。如果地殼均衡的異常為零，那麼這系統就是處於完全的平衡。然而我們知道這種平衡狀態很容易被干擾，所以負異常和正異常並非不常見。一個負的地殼均衡異常表示在此地點的質量不足，地面會有抬升的傾向，因為更多物質必須在深處增加以求達到均衡狀態。同樣地，正的地殼均衡異常地表將會下沉，因為正值表示在地面下的質量過量了。

因為大部分的地塊，不論局部的或區域的，都不是完全相等，因此為了要建立均衡，地殼的垂直運動是與生俱來的(inherent)。而當地殼的均衡被侵蝕、厚層沉積物堆積(例如在Lake Mead)或造構運動破壞時，就需要一個相對的作用，以恢復均衡狀態。我們也知道大規模的冰河堆積會伴隨地面的下沉;相反地，當冰消失而重量被移除時，地殼將會抬升以恢復地殼均衡。這種對於冰河期和間冰期情況的反應稱為冰河的地殼均衡 ( glacio-isostasy )，並且是高緯度地區最重要的地形作用之一(Andrews 1974)。因此，地殼均衡是一個引起造陸型地殼變動（epeirogenic diastrophism）的內營力，它也是維持地殼中各大地塊間之地形關係的原因。海洋盆地和大陸之間的高差可能就反映了地殼均衡，因為在兩地區下面的地殼厚度和岩石密度是不同的。然而，同樣的作用也會作用在小於陸地或海洋盆地的尺度上。

地殼均衡運作的事實在地形學上非常重要，因為它需要地面的垂直運動。當向上運動時，地殼均衡產生了外營力所需的位能。地質學者常從主要造山運動事件發生期間或之後的沉積物的厚度和組織 ( texture ) 來解釋一區隆升的特徵 (Burbank and Beck 1991)。對抬升的規模和速率的估計有時是根據最年輕抬升地層的位置和年齡 ( Lundberg and Dorsey 1990)，或是侵入火成岩的暴露情形，那些岩石冷卻速率變化 ( Harayama 1992 ; Benjamin et al. 1987)。

僅管有許多問題，但當環境背景適當並且所考慮的時距相對較短時，仍可能決定出確切的隆升率。尤其是受到冰河的地殼均衡隆升影響的海岸地區更是如此 ( Andrews 1974 ; Ten Brink 1974 ; Hillaire - Marcel and Fairbridge 1978 )。例如：Ten Brink (1974) 藉由海貝樣本的碳14定年和被保留下來的海濱線 ( strandlines) 的海拔高度之間的相互關係可求得詳細的隆升曲線 (圖2.4)。海濱線基本上是像湖或海這樣的水體所形成的舊濱線，它被抬升而高於現今的水位面之上。在Ten Brink 的研究中，根據相關化石所定年的最老濱線比後來格陵蘭海岸在冰川消退過程中所浮現的濱線還要高。在圖2.4中所呈現出的曲線清楚的表現出在後冰河期的調整過程中，地殼隆升作用如何進行。

然而，依據和冰緣區的相對位置，這樣的分析也可能被複雜化。舉例來說，主要冰被（ice sheets）的周圍地區在冰河後退初期常表現出一段初期快速隆升的歷史，之後則為緩降時期（Peltier 1986）。這解釋了為什麼現今美國緬因州的海岸正以每年1~2公釐的速度下沉(subsiding) (Reilinger 1987)。

顯著的隆升率在地形學上很重要，因為它們決定了地面系統是否能在隆升事件發生時仍保持均衡狀態。而這只有當剝蝕率和隆升率速度一樣時才可能發生。這種平衡似乎只有在地殼變形持續進行的非常活躍的板塊邊緣才可能發生（Liu and Yu 1989；Lundberg and Dorsey 1990；Burbank and Beck 1991 ）。如果隆升率遠遠超過一般的剝蝕率，那麼這系統將會跨過界檻而進入不均衡狀態。而要花多少時間才能重新建立新的平衡？則是取決於隆升率和剝蝕率之間的差別。Schumm(1963 c)討論在做這種分析時所牽涉的複雜性；雖然隆升率遠比剝蝕率高，但是隆升是以短期突發性的方式（burst）發生，而不是長期、持續的事件（但剝蝕則是長期、持續的）。

用長期資料來決定隆升率所隱含的問題，都呈現在表2.1中，表中的垂直變位速率是在現在環境中量測或根據晚冰河和後冰河期的資料所求出。表中的資料是隨意選取的，所以並無完整的代表性。其中有些運動是由於冰和（或）水的負荷去除或者沉積物和水的負荷增加所造成的地殼均衡的調整。其他的運動則是在經歷過旺盛造構運動的區域中發生的。雖然本表中的樣本有限，有趣的是仍然可以看出不論造構環境如何，垂直變位率都很高。舉例來說，在Fennoscandia 和北美中部的隆升率，毫無疑問是冰河消退所引發的地殼反彈，和加州、阿拉斯加地區正在進行活躍的地殼變形的隆升率是在同一規模等級中。顯然大部分的垂直運動都遠比最大剝蝕率還大，這將留在後面討論。而在表2.1中呈現的數值也是相當複雜，因為當一地區越接近均衡狀態時，地殼均衡的反彈(rebound)速率就逐漸下降。在冰或水的過度重量剛去除之後，隆升率很高，但當均衡快要被重建時，隆升率可能很低（see Gutenberg 1941;Crittenden 1963）。除了現在正在經歷地殼變形（deformation）的地區，隆升率通常介在每年5~15公釐之內。

有關地殼均衡隆升的重要地形學觀點簡單地摘要如下：
1.     幾乎所有在大陸內部的地區是處於或接近於地殼均衡的平衡狀態。
2.     構造特徵和最初的地表起伏是由與基盤岩石的密度變化有關的重直造陸運動所造成。吾人推測後造山期的山地隆升也和地殼均衡的補償有關。
3.     因侵蝕和堆積、冰河的發展、造山運動等等使物質重新分配，需要下部岩石的垂直運動以重建地殼均衡的平衡狀態。
4.     地殼均衡的推動力是重力，它是對於不同性質的岩石密度的回應。造成岩石密度不同的原因和地殼均衡補償的機制並不清楚，但是它對地形學的影響卻是真實的。
5.     隆升率通常比剝蝕率高。

(二)造山運動和造構地形學
(Orogeny and Tectonic Geomorphology)

        自從第一次認識到山地帶的岩石和其他地區的岩石在結構上不同時，科學家就開始深思山的起源問題。表現在山區之中的激烈摺皺和過度逆衝，讓地質學家明白當山地形成時必然有顯著的地殼短縮，但是在尋求造成變形的原因時，卻因為對地球內部的忽略而受到阻礙。最初，曾提議用逐漸冷卻、收縮的地球去解釋所需的收縮壓力(the needed compressional stress)。不過，後來科學家們認識到地球藉由放射能不斷增加內部熱力，也接受地球是冷起源的理論，這個提議就被駁回了。其他的建議也遭到同樣的命運。然而，板塊構造理論的出現讓地質學家重新評估在此新的全球模式觀點上「山」的形成。 板塊構造的詳細討論超過本書的範圍，而且板塊模式的基本概念可以在任何自然地質學的教科書中找到。對本書的目的而言，只需要知道的是:「山地和海洋的特徵(像是島弧和海溝)與岩石圈正在被消磨的板塊邊緣上發生的地震和火山活動有密切的關連」。

        造山運動對地形作用的影響比造陸運動所引起的更不明確，因為真正的岩層(actual rocks) 變形在地下深處發生。因此，在造山運動的力量施行時，地形反應不會發生。這種地區通常是在造山運動結束，當地殼均衡作用抬升厚層低密度且高度變形的岩層時才受到影響。雖然如此，鄰接造山運動帶的地形系統會在造山運動期間變成不均衡。造成這種改變的推動力可能是伴隨著造山力量出現的次生現象。其中最顯著的是地震作用及火山作用。

        地震活動以多種方式將地球內部能量轉變為外營力。第一，地震時一方面增加推動力，同時也減低物質的抵抗力，通常造成突發的邊坡崩壞 (山崩) ，這反應了在接近活動造山運動地帶對地震的回應(see  Garwood et al. 1979)。第二，沿著造成地震的斷層的移動，有時會使地面錯移；向上移動產生的地形反應與造陸運動中產生的地形反應相同，但是它們通常不那麼顯著。

        地殼變形在地景上留下的刻印，是地形學最古老的信條之一(see Everett et al. 1986)。最初，區域造構學是用來解釋大尺度地形的不同特徵。例如，地形學家了解到在美國西部盆地山嶺區中的斷塊山地和交錯的盆地(the block mountains and intervening basin of Basin and Range province in the western United States )和東部賓州阿帕拉契山脈的彎曲狀山谷山嶺區(sinuous valleys and ridges)二者是顯著不同的造構型態的反映。這些觀察本身就很有趣，但是造構類型的影響主要是地文學的(physiographic) ，並無助於增進我們對營力的了解。

        最近，形態和造構之間的關係變成更詳細、複雜的地形研究的基礎，而且促成地形學的分科 － 造構地形學的發展(請看 Summerfield 1991；Whitehouse 1992)。現在，造構地形學(Tectonic Geomorphology ) 被用來處理造構活動如何影響地形系統中的營力和形態；相反地，也處理地形如何用來評估造構運動。大部分的研究是為了解地形沿著斷層的垂直或水平移動，以及對與大規模隆起有關的傾斜和撓曲的反應。在許多研究中，地形被用來探討造構作用的類型和速率，也展現了從「強調形態的解釋」轉移到「如何由形態的分析來了解營力」。

        造構地形學被利用在多元的科學目的上(Morisawa and Hack 1985)，研究規模的尺度可以從比較地球和火星(Arvidson and  Guinness 1982)的造構形態到分析像沖積扇這種單一地形。這個研究取向在環境計畫上也有極大的意含，特別是地形穩定性、地震作用、地震風險，還有斷層特徵和運動週期方面的預測(Bull and McFadden 1977; Wallace 1977,1978 ;Buckman and  Anderson 1979; Nash 1980; Colman and Watson 1983; Wesnousky 1986;DePolo and Slemmons 1990;Menges 1990; Wesnousky et al.1991)。Bill(1984) 曾回顧造構地形學的基本概念和應用。

造構地形學的威力是在於應用可測量的地形特質來反映造構活動的時間和強度，特別是在第四紀的這一時段。某些地形和地形配置在這些分析中特別有用:1.斷層包圍的山地和它們相關的山麓地帶， 2.像海階和河階地形面、沖積扇和河床等，3.斷層崖。

在斷層所包圍的山地所發生的造構活動可用兩個參數來計算: 1.山地前緣的的彎曲度(mountain-front sinuosity )，就是山地和山麓接觸帶的長度和山地前緣直線距離的比值； 2.主要河谷在山腳往上游一特定距離的河床寬度和高度的比值。(例子，請看Bull and McFadden 1977；Bull 1984)

理論上，一個造構不活動的地區，山地前緣會呈現高度的彎曲，因為持續的侵蝕和沖積會逐漸改變山緣線，使其和有斷層作用的山緣線十分不同。在造構穩定區山中的河谷應該是寬廣而平淺的，因為由穩定的侵蝕基準面所控制的側蝕(即在同一高度以側蝕為主，會加寬河谷)會主導這整個系統。相反地，在造構活動地區，山緣線的彎曲度低而且山谷狹窄而深峻(圖2.5)。

這是因為重複的垂直運動讓斷層和山緣線一致，而上游的河水在斷層隆升的一側會進行下蝕。無數的觀察都印證了這種可預期的反應--河流峽谷的出現和流水功率(stream power )的增強有關聯，而流水功率的提高，則是和斷層有關的快速抬升所造成(例子，see Jackson et al. 1982)。

根據斷塊山地的山麓以及斷塊山地本身的作用和形態特徵，已經發展出一套相對造構運動的分類(表 2.2)。這種分類對於區域的預察(regional reconnaissance)， 或對於可能由不同斷層類型所包圍的各個山脈之詳細研究都有助益。由於多數用來分析的資料可以很容易地從地形圖和航空照片上取得，更增強其效用。

        在斷層使扇(fan)或河階產生錯動、或海階及波蝕棚遠高於海準面以上的地方，利用地形面來作為造構活動的指標是顯而易見的(圖2.6 ；see Bull and Cooper 1986；Pillans 1990；Merritts and Bull 1989)。斷層的水平變位也會記錄在不同的地形變化中。例如Keller et al.， 在南加利福尼亞的 Indio Hills辨識出許多聖安得里斯斷層一分支所造成的許多造構地形。錯動的水系(offset drainages ) 、河流的轉向(stream diversion ) 和沖積扇－山足面複合體(alluvial fan－pediment complex)都顯現出將近0.7公里的水平移動。其他特徵則被認為是斷層之垂直移動的產物。這項研究最重要的也許是，Keller 和他的同事是以一條與斷層上的彎折有關的單純切面(就是斷層的水平錯移)就可以解釋幾乎全部相關的特徵。因此，地形在這裡是被當做解釋變形之機制的主要證據。

        河階、沖積河床(valley floor) 和河道的縱剖面也是地區性造構作用的敏感指標。例如，重複的大地測量調查已清楚地顯現美國路易西安那州和密西西比州這兩地區是現代快速抬升的地方。Burnett and Schumm (1983) 檢視流經這些抬升地區河流的特徵(圖2.7)，發現有相當多的地形證據可印證上述大地測量的發現。階地和河谷底部的剖面在越過隆升軸或背斜層軸部時特別凸出；從軸部向上游坡度異常的平緩，而從軸部向下游處非常陡峭(King and Stein 1983)。在造構活動至今仍活動的地方，河道本身也可能會變形。應用河道性質和河道坡降的異常現象來做各種造構分析，已吸引相當多的注意(Seeber and Gornitz 1983；Ouchi 1985；Bull and Knuepfer 1987； Harvey and Well 1987；Rhea 1989)。我們相信這種分析方式在未來會更盛行。受到新構造運動影響的河流，到底會產生多大的反應，取決於河流的大小。較大的河可能有足夠的能量使削夷和抬升的速度相當。因此，他們的變化可能較小。然而，河谷底部和河階之特徵可能在隆升軸上呈現明顯的變化。河流特徵清楚地反應新造構運動( neotectonism) ，在造構地形學上應該將之視為主要的標準。

三.氣候地形學 (Climate Geomorphology)

(一)氣候、營力和地貌 (Climate, Process, Landforms)

        氣候對地表景觀的影響非常大，所以科學家必然會嘗試企圖把氣候分成一些有用的類別。最成功的氣候分類是那些以實測到氣溫和降雨量觀測值做為劃分基準的分類，像是廣泛使用的柯本系統或其他更簡單的方法(Bull 1991) 。但是地形學者關心在各種氣候類型中能量如何用做「地形功」，更勝於關心氣候如何分類。換句話說，我們必須知道為何某些地形在一特定氣候條件下的發展最有效。

地形和氣候間的關係是地形學上一個主要的研究取向，就是氣候地形學，受到歐洲科學家的大力擁護(Tricart and Cailluex 1972;Budel 1982) 。本質上，這取向的基本前提是地形機制的類型和速率隨氣候帶的不同而變化。如果這個假設是正確的，根據這些機制所形成的地形在各個區域間都不同，並且會反映出該區的優勢氣候。

Bűdel 提出在中緯度地區當代的營力太微弱，以至於不能移除在全新世之前形成的地景特徵。因此，中緯度地區95%的地形是在從前更凜冽的氣候下所發展的，和當今的作用無關。所以，只有當我們討論的是由在全新世期間所建立的氣候帶下的營力作用所發育的地形時，氣候地形學的架構才會突顯出來。如果遵循這基本原則，在廣大區域中的地形將會一致，而不同氣候帶的地形特徵也會徹底地改變。如果某地形不符合所討論的特定氣候帶，就被視為殘餘地形特徵（relict feature），也就是在已經不存在於此地區的氣候狀況所發展的地形。

        在一區域中，優勢營力和盛行氣候之間的關係是毫無疑問的。Wilson提出氣候和營力上的關係可稱為氣候─營力系統 (climate-processes system)，而在氣候、營力、地形之間的關係可稱為形態成因系統 (morphogenetic system)。圖2.11以圖表表示6個氣候─營力系統，這六個系統在理論上分別和一套主要的營力有關。這些圖表源自結合數個特定營力和氣候的關係，隨意訂定的名稱只是要對氣候類型做描述。舉例來說﹝在其他要素相同的條件下﹞，當一地年均溫為攝氏0度，平均降水量為500mm，我們可以預期此地將會以冰緣的氣候─營力系統來作用，而在這種氣候條件下作用最有效的營力也會最普遍。圖的每一個氣候─營力系統可藉由該區優勢營力最常造成的地形來界定，而轉換為形態成因系統。(表2.3)(中)(英)

        實際上，地質上些微的差異可能產生複雜的地表變化。此外，殘餘地形和氣候的季節變化也會使所預期的形態更複雜。雖然如此，形態成因的取向提供一個合理的地形研究架構。不過若我們絕對遵從這種研究取向，將會導致我們遠離營力的研究，因為這種方法直接從氣候很快就跳到地形，忽略了介於其中的營力，而且無法指出形態成因方法的效用。我們相信地形學者所能做的重要貢獻之一是解釋氣候變遷對營力的影響；因此氣候─營力系統比與其相關的形態成因系統的重要性更高。在根據溫度和降水量實測值合理地界出定義出不同的氣候─營力系統的邊界後，地形學者就可以成為了解過去氣候變遷的規模以及預測在未來氣候變遷下地表環境的反應的主要成員。

(二)氣候變遷與地形反應
 (climate change and geomorphic response)          

        氣候很重要，因為它是營力機制的基本控制之一。氣候變遷也和氣候本身同等重要，因為它會促使地形系統反應(跨越界檻值)，而我們可以用來解讀過去的地形事件，以及預測在未來的氣候變化下環境的發展。在土壤學(土壤科學)、孢粉學(花粉的研究)、考古學、古生物學、海洋學以及其他學科的研究中都已記載了過去氣候變遷的充分證據。最富戲劇性的氣候變遷當然是曾在地球史上發生數次相隔久遠的冰河期。最近的一次冰河期(glacial epoch)發生在更新世的時代，具有冰期和間冰期(glacial and interglacial stage)交替出現的特徵，當時的氣候和現在明顯不同。因此，氣候的短暫性質(意味氣候多變)是毫無疑問的。然而，氣候變遷的原因仍然有許多爭論，因為控制氣候本身各因子的交互作用就很複雜。對地形學而言，「造成氣候變化的原因」不如「地表系統因應氣候變化所做的調適」來的重要。然而所需的調適通常受時間和空間的因素所控制。格陵蘭冰被計劃(GISP)中對冰心(ice core)所做的分析指出重要的氣候變遷可能迅速發生。氧同位素的資料、微塵的集中情形以及雪的累積率都指出最近一次更新世大冰期之末次冰期與間冰期的震盪非常快速，約1~3年就會發生，而且絕不會延續超過50年。(Dansgaard et al. 1989; Taylor et al. 1993; Alley et al. 1993)

        顯著氣候變遷的快速性使得地形的解讀更加複雜，因為我們不知道地形的反應是否跟的上氣候變遷的速度，或者是否因、果之間有明顯的時差(時間上的延遲)。Bull(1991)稱這種時差為反應時間(response time)，包括作用開始之前的階段和建立新平衡的階段。假設這種時差是存在的，它(時差)可能比接連兩次氣候變遷的時間還長，因此表示一個已被改變的氣候會再改變。反應有延遲現象的可能性增加，因為氣候並不是直接影響營力，而是影響某些環境因子，這些因子再依次控制營力。在此我們將簡短的檢視數個氣候變遷和地形反應之間的關聯。

海準變動 (Sea-Level Fluctuation)

        因氣候變遷產生地形調節的主要中間關聯之一是海準面變動。海準面是地形學上最重要的水平線。除了是作為相對重力分析的基準，海準面代表河流最終基準面和理論上陸地侵蝕的終點。從地質史上，我們知道海平面和相鄰大陸(adjacent land masses)的關係並非不變。它的相對位置會隨時間而改變，因為(1)大陸會作地殼均衡的抬升或下降，(2)海水面本身也有可能會升降，稱為海準變動(eustatic change)。相對於地殼均衡(取決於當地或區域的重力環境)，海準變動是發生在全球的尺度上。

        海準變動的觀念(eustasy)並不新，但也未立刻被地質界採納。或許海準變動最易接受的論點是海準面本身和冰河的累積、消散有明顯的關聯。冰河使水文循環中斷，因為水分被鎖在冰裡，表示降水不會流到海洋。因此，在冰河時期留在陸地上的冰增加，海水減少而使水面降低。相反的，如果現代的冰河全部溶解，海準面上升的量將等同於釋放儲存於冰河中的水量。很清楚的，隨著第四紀冰期即間冰期而成長和耗損的冰河，是海準變動的主要先驅。

        諷刺的是海準變動的證據也常被用來證明地殼均衡。這使得地球科學家面臨難以解釋的問題─相對海準變動的垂直變化是由兩種不同的作用造成，但兩者卻是基於同一種證據 ( 看Morner1980的討論 )。因此如果不了解相同時期的地殼均衡，就無法正確決定肇因於海準變動的海準面變化。舉例來說，冰被的成長與消融會造成海洋水體的改變，而地殼因應冰河負荷的增加和減少也會做出下降和抬升的回應。因為這個理由，很多第四紀海準變遷的研究是在熱帶島嶼的周圍進行，目的是為了避免複雜的冰河作用。

        雖然經過冗長的討論，海準變動的觀念才被勉強地接受，但在兩項科學發展下，海準變動學說開始受到歡迎。第一是地層層序(sequence stratigraphy)的概念(Sloss et al. 1949;Sloss 1963)，因震測技術的發展可辨識出地層系列(stratigraphy Packages)而產生出全球的不整合面和海準變動的關係典範。其次，深海鑽探計劃(Deep Sea Drilling Program)提供了紀錄第四紀冷、暖海溫交互變化的樣本。這些時期的定年顯示它們與地球繞日軌道(Milankovitch)的循環有關。因此，海準變動和冰期─間冰期的循環有關。因氣候繞日軌道之變化所造成的氣候變遷和海岸變動可以由整個地質紀錄中地層層序得證。這些研究取向使海準變動的確實性大增，雖然在較老的岩層中，年代的解析度比地球繞日軌道週期變化的循環更長，很難以此來解釋海準變動。然而，如果我們接受了冰河海準變動，它如何影響地形系統仍是個問題。

        海準變動直接影響一些海濱的營力和特徵(例如海灘、堰洲島)，這些將會在13章中討論。海準變動也會影響河流系統，舉例來說，在海岸地區的河階通常因為海準面波動所造成的交互侵蝕、埋積而形成。理論上，冰河擴張(當海平面下降時)會下切(entrenchment)，然而在冰河循環的衰微階段(當海平面上升時)會發生埋積。Fisk(1944)解讀低Mississippi河谷的堆積台地系列是和冰河作用強弱以及海準變動有直接的關係。雖然細節部分會隨新資料的收集而持續改變，但堆積台地就代表了海準變動和河流反應間有關聯的好例子。

        在冰河期間造成的下切(downcutting)可能逐漸向上游傳播，而在各支流的盆地造成相似的侵蝕反應。到時邊坡可能後退到新的高度，而地下水面可能會更低。因此，根據營力聯動原則，在氣候上的外在變化開始了地形體系中的連鎖反應。這種反應像Mississippi河這樣大的流域系統能向上游傳多遠，取決於河流的侵蝕力和河道保持穩定的情況能維持多久。舉例來講，我們知道密蘇里河中游的某些支流(圖2.12)很明顯的並沒有受到Fisk所認為的Mississippi河下游系列的影響(Brakenridge 1981)。事實上Brakenridge認為在密蘇里河上游流域沿著Pomme de Terre River 連續的河階和氾濫平原與海準面歷史或冰河年代沒有明確的關聯。積夷曾發生在冰期、非冰期以及interstadial時期。因為河流下切所造成的台地在更新世晚期和全新世沒有出現主要冰河作用及海準變動都有發生。這或許表示交替的埋積和侵蝕可以直接由沒有冰河作用及海準變動的氣候變遷造成。再下一個段落將會明確的顯示我們檢視這樣的反應如何發生，以及是否氣候和界檻反應之間的關係是像看起來一樣直接了當。

地質與植物的濾網（Geologic and Vegetal Screen）

        前述的討論顯示出，如果所討論的地點距離海岸很遠，要解釋氣候對當地地形的影響將更為困難。在過去，認為大陸內地的河階是由於冰期、間冰期的氣候變動所造成。當冰河作用開始，氣候從乾燥改變為濕潤氣候，其影響不只是河川流量，還有運送到河流之沈積物的量和類型。這種對河流基本控制的改變，理論上就會使河流產生下切和埋積。

在北美洲，已相當瞭解更新世和全新世時期的氣候狀況。大致上，更新世時期的平均氣溫在冰河期大約比現在低了攝氏七度，在間冰期比現在高了攝氏三度。年降水量在冰期比現在多了約二十五公分，在較暖期則比現在少了十二公分。這些數值的變化是取決於緯度和作推估所使用的技術。

諷刺地是，在掌握這些資料之下，仍無法確定在階地的形成過程中，是冰期或間冰期的氣候造成埋積或刻蝕。使事情更複雜的是，在美國未受到冰河作用的地區，對河階形成的因果關係的不同解釋，似乎可以得到野外證據的支持。河階形成的因果關係的模糊性和氣候改變與反應間的第二個中間關聯有關，或者說，氣候要素如河穿透過地質和植物分佈的濾網而滲透到地形系統。

氣候對地形系統的主要影響是氣溫和降水量，此二者是平均年逕流量和侵蝕規模的基本控因。如預期的，年降水量提高則逕流增加；但是，在一定的降水量之下逕流量會隨著溫度的提高而減少，因為在較溫暖的地區蒸發散作用較旺盛（圖2.13）！流域盆地邊坡所產生的沈積物的量是一種侵蝕的指標，也是氣溫和降水量的函數（圖2.14）。

圖2.14中的曲線是根據美國西部面積平均3900平方公里的流域盆地所得到的，對其他的環境可能不適用。然而，很顯然地，它顯示出氣候對侵蝕的影響是如何穿透植物的濾網。舉例來說，圖2.15是華氏五十度（攝氏十度）的曲線，有效降水量是年平均降水量對優勢氣溫調節之後的結果。在此情形下，最大沈積物輸出量是發生在有效降水約三十公分處，因為在那樣的降水量和氣溫下，植物生長的密度和類型最有利於和水有關的侵蝕。在降水量低於三十公分之處，沒有足夠的水去侵蝕邊坡。而降水在三十公分以上的地方，植被變得更稠密，而且會從沙漠灌木變為草原。草類發達根部系統，易於固定邊坡上的沈積物，所以，隨著降水量的增加，沈積物的產量逐漸降低，直到以森林植被覆蓋而趨於穩定。                           

有關 Langbein--Schumm 的分析將在第五章將進一步討論。現在，重要的是體認氣候的變遷不是直接影響地形系統，而是經由決定有多少水量和沈積物會到達河道的地質濾網（如：岩石種類、土壤）和植物濾網。這兩項因子的變化，需要界檻調整（可能以不同的方式發生）（圖2.16）(中)(英)。除此之外，在反應上的延遲是由「新的植物濾網和特徵在新的氣候型態下多快可以發展」所控制。這項因子並不如我們預期的那樣明確！對於未來可能的氣候變遷之地形反應的預測是不明朗的，因為全新世的植物群系和現代的植物群落不同。這項事實意味著科學家不能確定地預測：假如我們的氣候回復到像更新世時期的盛行情況時，植物群落將會怎樣的發展？

        另一個問題是，即使是相同的氣候變遷，也可能會產生完全不同的沈積物產量，因此而有不同的地形反應發生。再以圖2.15舉例說明：假設在一特定的流域盆地，其降水量降低十五公分，在此變化之前，其有效降水量是四十五公分。降水量的減少將會造成沈積物的大量增加。然而，在一年降水量三十五公分的流域中，降水量同樣減少十五公分，將會使得這個流域的沈積物產量大量減少。所以，在理論上，同樣的氣候變遷，可能會造成一  條河流下切，而另一條河流埋積，因為在適應新氣候時，產出的沈積物的類型和數量剛好相反。這些告訴我們：氣候變遷的效應可能高度取決於之前的氣溫和降水量的情形。如果這樣的陳述正確，就瞭解地形如何對氣候變遷做反應而言，對於先前氣候的掌握就和了解氣候變遷本身的規模一樣重要。

        總之，氣候、營力和地形之間的關係很不容易決定，因為氣候變遷的效力受到其他附屬因素的影響，這些因子在新氣候狀態的調節，會造成河流中沈積物和水量的各種可能，而所造成的反應以目前的知識還無法預測。因此，因為我們還不太瞭解氣候地形學的體系（scheme），我們無法描述氣候和地形之間確切的關係。