尼亚加拉瀑布、优胜美地瀑布或伊瓜苏瀑布等咆哮的瀑布景象令人着迷。但瀑布不仅仅是美丽的；它们还有助于科学家解读地球的历史，因为可以从瀑布的形成方式中收集到地质线索。现在，一项新的研究揭示了瀑布一个先前未知的起源：它们可以自发形成。
长期以来，科学家们已经知道一些瀑布是由于外力形成的。例如，退去的冰川留下巨大的山谷，陡峭的峭壁上有河流流过，形成瀑布。瀑布可能由于岩石类型的差异而形成，也可能在河流与地质断层相交的地方形成，地质断层移动会产生垂直阶梯。但本周发表在《自然》杂志上的这项新研究表明，这些外部影响并非总是必要的——而且这些美丽的构造可以有效地自我创造。
为了研究瀑布形成的动力学，一个研究团队建立了一个小型河流模型，长八米，深一米，整个装置倾斜一定角度。他们用一层完全光滑的聚氨酯泡沫填充了他们的河流——研究作者、内华达大学里诺分校地质科学助理教授乔尔·谢因格罗斯说，就此类实验而言，聚氨酯泡沫可以很好地替代基岩。
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然后，研究小组从“河流”的顶部注入水和沉积物混合物，并观察了几个小时内发生的情况。几分钟之内，水流开始磨蚀泡沫，形成凹痕——但方式并不均匀。“发生的情况是，有些区域的侵蚀速度比其他区域快一点，而有些区域的侵蚀速度比其他区域慢一点，”谢因格罗斯说。“这只是其动力学的一部分——如果你愿意，这就是大自然的混乱方式。”
这个过程产生了一个反馈，或自我增强行为：最初侵蚀更快的区域比其他区域更快地变深，因为水和沉积物加速进入快速形成的凹痕中。这种反馈在泡沫中形成了一系列滑坡和水潭。当水潭达到一定深度时，水力无法再将沉积物从最深处移走，因此它们开始捕获沉积物。那时瀑布开始形成。“我们观察到，当一个水潭被一层砾石填满，并且该水潭停止侵蚀时，瀑布就会形成，”谢因格罗斯说。“但是，它下游紧邻的水潭不会有这个沉积层，并且会随着时间的推移继续加深，因此，上游不侵蚀的水潭和下游仍在侵蚀的水潭之间的高度差会随着时间的推移而增长。”
在实验过程中，以这种方式形成了两个瀑布。“这是首次实验证明这种情况可以发生，”科罗拉多大学博尔德分校的地质科学教授鲍勃·安德森说，他没有参与这项研究。“巧妙之处在于使用这种泡沫作为正在被侵蚀的基质。很难观察到这些特征在岩石中的演变，因为它需要太长时间。”
然而，这些类型的瀑布并非可以在任何地方形成——它们需要陡峭坡度的基岩河流（而不是松散河床沉积物的河流），谢因格罗斯说。他指出了几个他认为可能自发形成的真实瀑布：一个在洛杉矶郊外的圣加布里埃尔山脉，另一个是优胜美地著名的新娘面纱瀑布上游的一系列瀑布。但在他们能够完全确信哪个瀑布是自发形成的之前，他和其它研究人员还需要做更多的工作。他还计划进行更多的实验室实验，看看自发形成的瀑布是否会留下一些“指纹”，科学家可以用这些“指纹”在野外识别它们。
未参与该研究的专家表示，这些发现将帮助研究人员更好地掌握瀑布的起源——这些信息可能有助于他们拼凑出更广阔的地质过去图景。“我们使用瀑布等地貌来解释地球历史上过去的变化；我们将瀑布的存在归因于一些更大的外部力量，例如气候或构造过程，”康涅狄格大学地貌学副教授威廉·奥伊梅特说。“我们将不得不挑战这种方法，并在得出这些结论时更加谨慎。”
然而，其他专家指出，这项研究可能不会显着推翻早期的研究。“我不认为这意味着我们过去对景观的所有解释都是错误的。也许我们可以改进一些，”杜兰大学地球与环境科学副教授妮可·加斯帕里尼说。但她认为这项研究仍然意义重大且有用。“它可以做的是，”她说，“帮助我们解释和理解细节，并尝试更紧密地将故事拼凑在一起。”