山脉作为地球上主要的地貌之一，大约占据了地球陆地面积的25%。按区域进一步划分，欧亚大陆被山地覆盖的比例最大，达到33%，紧随其后的是北美（24%）、南美（19%）和非洲（14%）。

世界地形图

    如此众多的高大雄伟的山脉，构成了世界地形的“骨架”。同时山脉作为这个星球最美丽的自然景观之一，以其雄浑多姿的身躯，向人们彰显着独有的魅力。

连绵起伏的喜马拉雅山脉 

    山脉主要可以分为三种类型：火山、褶皱山和断块山。这三种类型都是由板块运动形成的，板块间的构造力或火山作用可以局部抬高地球表面。少数山脉是孤立的山峰，但大多数山脉都会形成大范围的山脉地形。

逆冲断层是形成山脉的重要因素

    火山一般出现于板块边界。由于板块间的相互运动，沉没的板块在俯冲过程中带入了大量的水并发生了熔融形成岩浆，这些岩浆沿着一定的通道向上喷发进而形成山脉。火山弧系统是在俯冲带附近形成的一系列火山，大多数火山都位于环绕太平洋的环带。

位于堪察加半岛的火山

    当板块碰撞或俯冲时，板块会弯曲并折叠进而形成山脉。大多数主要的大陆山脉都与冲断或褶皱运动有关。板块可以对称或不对称折叠。上折为背斜，下折为向斜，在非对称折叠中，也可能会出现斜折和翻转。巴尔干山脉和扎格罗斯山脉是褶皱山的典型例子。

在被折弯的褶皱上形成山脉的过程

扎格罗斯中部的褶皱山

    断块山是由地壳的断层引起的，当断层一侧的岩石相对于另一侧上升时，就会形成山峰。它可以很小，也可以形成广泛的裂谷系统。这些山峰通常出现在区域应力为拉张且地壳变薄的地方。

断块山（fault-block mountain）示意图

    内华达山脉（Sierra Nevada Range）就是一个例子，该地区的分层形成了一个650公里长、80公里宽的山脉，其中包括许多向西倾斜的单个部分，向东的山坡突然上升，形成了美国大陆上最高的山峰。

内华达山脉 

    通过以上介绍，我们可以知道一般山脉的形成都是由于板块边界的构造力造成的。但这些山脉形成后并非是保持在一定的高度一成不变的，控制这些山脉高度的因素也并非只有构造力一个因素。
    维持一座山高度的自然过程可以简化为三种类型：首先是构造力对山脉的侧向支撑，这种力量要么防止山脉在自身重量的作用下分崩离析，要么抵抗重力的作用将它们推得更高；第二种就是气候控制的侵蚀作用，主要通过移除高海拔地区的物质来限制山脉的高度；第三个过程被称为“地壳均衡说”（isostasy），它使山脉漂浮在又热又软的地幔物质之上，就像冰山漂浮在水中一样。

控制板块汇聚边界附近山峰高度的过程

（图片来源：Nature自然科研） 

    科学家们一致认为是这三个主要过程共同作用，以动态的方式保持了山脉的高度。但由于不同的过程可能会不同步，所以会产生复杂的情况。地壳均衡过程对另外两个过程的响应被认为是足够迅速地与之同步，因此通常不会受到质疑。而到底是侵蚀力还是构造力起到了一级控制作用则一直是个极具争议的问题。针对这一问题，地质学家们对喜马拉雅山脉、安第斯山脉等典型的汇聚板块边界上的山脉进行了大量的研究。
    早在1997年，Science就有文章指出，在喜马拉雅山脉西北部，地貌的形成很大程度上取决于构造力，但是在与雪线相交的地带中，冰川作用对海拔、起伏和地形的发展设置了上限，而与构造作用的速率无关。

平衡线海拔（ELA）变化对雪线以上地形范围的影响

（Brozovic et al., 1997）

    衡量冰川作用程度的一个常用指标是平衡线海拔（ELA），在这个海拔上，冰川的年累积与年消融正好匹配，因此冰川的净质量平衡为零。而上图反映了平衡线海拔对雪线以上地形范围的影响。举个例子，对于RH地区来说，ELA降低600米将使雪线以上的面积增加一倍，也就是冰川面积变大。而冰川堆积区增加会增加冰通量，进而增加侵蚀率，从而使山脉高度恢复到以前的水平。
    喜马拉雅山脉的数据表明，大量降水的山脉带在广泛冰期后所达到的高度是ELA的作用，而不是岩石上升速率的作用。山地最高海拔和平均海拔随着纬度的增加和ELA的减低而降低。因而在一个构造活跃的冰川山脉中，要想增加高峰海拔，气候必须变暖或变干燥。

珠穆朗玛峰如此之高很可能是因为它位于中纬度地区

    同时，有关喜马拉雅山脉的简单的物理论及数值模拟实验也都表明，主动变形的碰撞山脉的内部动力学受气候侵蚀的影响。

喜马拉雅地区受侵蚀作用驱动的变形过程

（Whipple, 2009）

    同样地，在安第斯山脉的研究也证实大型山脉的上升和气候之间的因果关系不只是单向的（即山脉显著的上升会引发气候变化），新生代气候变化也可能导致了安第斯山脉的上升。在南美洲中部，受气候控制的沉积物短缺会导致高剪应力进而以支撑安第斯山脉的板块边界应力，进而导致山脉高度的变化。

秘鲁-智利地区由于风引起的相关海洋上升流

    位于安第斯中部较高海拔的智利和秘鲁北部受大气和海洋环流的影响有着极端干旱的气候，这种干旱气候大大减少或切断了向海沟提供的沉积物，使板块界面失去了润滑作用，这可能有助于将可用的板块驱动力集中在俯冲板块边界的相对受限部分，将当地的剪应力提高到支撑山脉海拔到3公里以上所需的水平。

位于安第斯山脉西麓的智利首都圣地亚哥

    另一个关于侵蚀控制山峰高度的典型例子是“冰川锯”假说。该假说认为，冰川山脉的高度受到平衡线海拔附近快速冰川侵蚀的限制，使山峰保持在约为气候控制下雪线的高度。因此，全球冰川山高度的差异，应主要受气候变化的影响，而不是受构造作用的影响。

山脉最大海拔（Maximum elevation）和分层最大海拔（Hypsometric）与雪线高度（snowline altitude）具有很好的相关性（Egholm et al., 2009）

    而近期发表在Nature上的论文（Dielforder et al., 2020）对分布在大纬度范围（~53°N-~40°S）、气候条件明显不同的10个汇聚板块边缘的山脉的高度与相关的构造力进行了分析对比，对这一问题进行了进一步的探讨。

研究的10个山脉的位置

    首先，他们使用了一个流变模型量化了大型逆冲断层的剪切力（Fs），并通过对沿各断层段的剪切力积分计算获得最终的剪应力。而后，他们使用分析力平衡模型计算了由流变模型推导出的Fs值可支撑的山体海拔，并与已知的山脉的最大平均高程做对比。在所有研究的边缘横断面的不确定性范围内，两个高程值是相似的且不可区分的。

最大平均高程（MME）与构造支撑海拔（TSE）对比。两者之间的一致性表明，所有这些山的高度大致符合力的平衡。

    该研究表明模型预测的高度与观测到的高度非常吻合。因此，他们得出结论，无论气候条件和侵蚀速度如何，现今的山脉高度是由构造力决定的。

    但该观点也有其困境。构造力通过挤压和堆积地壳岩石来抬升山脉。为了跟上侵蚀，它必须使地壳处于挤压破坏的边缘。根据人们普遍接受的关于脆性上地壳强度的观点，压缩破坏要求水平应力远远高于垂直应力——然而Dielforde等人假设在山脉下面水平和垂直应力的强度是相同的（中性状态）。为了解决这个难题，他们推测山区的地壳几乎没有强度，因为它包含非常弱的断层。但如果地壳如此脆弱，为什么山脉不崩塌，为什么这些地区不成为新的板块边界? 有证据表明，地壳应力在某些俯冲带附近确实几乎是中性的，但不清楚在高山之下是否通常是中性的。因此，关于山峰高度的争论又牵连出了地壳强度的问题。

    可以看出，气候与构造作用共同控制了山脉高度，但哪一种起到主要控制作用，仍然是以个悬而未决的问题。最终解决山脉高度的问题，仍需要大量的观测和理论研究。

//参考资料

///

REFERENCE

https://en.wikipedia.org/wiki/Mountain

Brozovic, N., Burbank, D. W., & Meigs, A. (1997). Climatic Limits on Landscape Development in the Northwestern Himalaya. Science, 276(5312), 571-574.

Lamb, S., & Davis, P. M. (2003). Cenozoic climate change as a possible cause for the rise of the Andes. Nature, 425(6960), 792-797.

Egholm, D. L., Nielsen, S. B., Pedersen, V. K., & Lesemann, J. E. (2009). Glacial effects limiting mountain height. Nature, 460(7257), 884-887.

Whipple, K. X. (2009). The influence of climate on the tectonic evolution of mountain belts. Nature Geoscience, 2(2), 97-104.

Dielforder, A., Hetzel, R. & Oncken, O. (2020) Megathrust shear force controls mountain height at convergent plate margins. Nature 582, 225–229.

Wang，K. L. (2020). Force takes control in mountain-height debate.

转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/164927201