山脉激发了敬畏之情，并启发了人类历史上的艺术家和探险家。最近的研究已经对这些地球上最壮丽的地貌是如何形成的产生了重要的新见解。山脉的形成和塑造，似乎不仅受到构成地球外部的巨大构造板块运动的影响，还受到气候和侵蚀的影响。特别是，构造过程、气候过程和侵蚀过程之间的相互作用对山脉的形状和最大高度，以及建造或摧毁一个山脉所需的时间施加了强大的控制。矛盾的是，山脉的塑造似乎既依赖于侵蚀的破坏力，也依赖于构造的建设力。事实上，在将侵蚀视为构造的弱势兄弟 100 年后，许多地质学家现在认为侵蚀实际上可能是这个家庭中的强者。正如一个研究小组所说，“如果山脉的[肌肉]归功于微小雨滴的鼓点，那就品味这种讽刺吧。”
由于山脉的形成在地球演化中的重要性，这些发现对地球科学具有重大意义。对于地质学家来说，地球的平原、峡谷，尤其是山脉，揭示了地球在数亿年发展历程中的轮廓。在这漫长的历史中，山脉指示了地球地壳内部或地表下方发生的事件，例如构造板块的碰撞，将地表层向上推向天空。因此，山脉是强大的构造力作用以及这些力作用的漫长时间跨度最明显的体现。
理解山脉形成的努力由来已久。《地理循环》是关于山脉如何随时间演化的首批综合模型之一，于 1899 年出版。该模型提出了山脉的假想生命周期，从构造隆升短暂而强大的痉挛引起的剧烈诞生，到缓慢但持续的侵蚀引起的逐渐滑向“老年”。地理循环的美丽和逻辑说服了近一个世纪的地质学家忽视其压倒性的局限性。
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在 20 世纪 60 年代，板块构造革命解释了山脉的形成是如何由岩石圈（地球外部相对凉爽且易碎的部分）巨大板块的水平运动驱动的。根据这个广阔的框架，内部热能通过压缩、加热和破碎岩石圈来塑造地球表面，岩石圈的厚度从海洋下方的 100 公里或更薄到大陆下方的 200 公里或更厚不等。岩石圈不是一个坚固的外壳，而是细分为数十个板块。在来自下方的热量驱动下，这些板块相对于彼此移动，解释了我们世界上大多数熟悉的地表特征和现象，例如地震、海盆和山脉。
地球科学家绝没有抛弃板块构造作为山脉形成的力量。然而，在过去的几十年里，他们得出的结论是，山脉最好被描述为不仅是构造作用的结果，而是包括侵蚀和气候过程以及构造过程的系统产物，并且这三个组成部分之间存在许多复杂的联系和反馈。
构造作用的角色
板块构造仍然提供了解释地球表面山脉分布的基本框架。山脉的形成仍然被解释为向地球地壳（地壳是岩石圈的上部）的某个区域添加质量、热量或两者的某种组合。较厚或较热的地壳会向上隆起，形成山脉，因为地壳本质上漂浮在其下方的地幔上，而较厚或较热（密度较低）的地壳漂浮得更高。板块构造通过相邻板块之间的横向汇聚或通过热量和岩浆（熔融岩石）的向上流动来促进地壳的增厚。
构造板块的汇聚通常以两种方式发生。一个板块可能会滑落，或俯冲，到另一个板块下方，进入地幔。在俯冲带边界，上覆板块由于压缩以及来自下降板块熔化的岩浆的添加而增厚。许多山脉，包括几乎所有环绕太平洋地质活动区（称为环太平洋火山带）的山脉，都是由俯冲形成的。另一方面，在大陆碰撞中，两个板块都不会俯冲到地幔中，因此碰撞产生的所有质量增加都有助于山脉的形成。这种碰撞造就了一些壮观的地形，例如青藏高原和喜马拉雅山脉，喜马拉雅山脉包括世界最高的 10 座山峰。
岩浆和热量流向地球地壳——例如在火山活动期间——也可以驱动山脉的形成。地球上最长的山脉——大洋中脊——是由于相邻板块分开时岩浆涌出而形成的，从而在海洋下形成了新的地壳。这些山脊像棒球上的缝线一样贯穿大西洋、东太平洋和印度洋；仅大西洋中脊就超过 15,000 公里长，比周围的深海平原高出 4,000 米。在陆地上，与岩浆流动相关的热量也可以通过使岩石圈密度降低并在下方地幔上更具浮力来帮助隆升大片区域。
气候和侵蚀
新兴的、以系统为导向的山脉形成观点将侵蚀和气候的通常密切相关的效应添加到这些构造现象中。侵蚀包括基岩的崩解、斜坡上沉积物的剥离以及河流对沉积物的输送。活跃在特定景观上的侵蚀剂（重力、水、风和冰川冰）的组合取决于当地气候、地形的陡峭程度以及地表或地表附近的岩石类型。
气候与侵蚀密不可分，因为它影响整个景观的平均物质损失率。一般来说，较湿润的条件有利于更快的侵蚀速率；然而，更多的水分也促进了植被的生长，这有助于“保护”地表。极地纬度地区的山脉最不易受到侵蚀，部分原因是寒冷气候的干旱，部分原因是格陵兰岛和南极洲等大陆冰盖通常冻结在下伏岩石上，几乎不会引起侵蚀。相比之下，欧洲阿尔卑斯山脉和加利福尼亚州内华达山脉等山地冰川积极侵蚀地表下岩石，因此这种类型的冰川可能是地球上最强大的侵蚀剂。
侵蚀、气候和地形之间存在许多其他联系。例如，山脉抬升了流过山脉的风，导致山脉迎风坡的降水增加，从而加剧了侵蚀。这种效应被称为地形降水效应，也是在许多山脉背风坡形成沙漠的“雨影效应”的原因 [参见对面页面的照片]。海拔也会影响侵蚀，因为平均温度随海拔升高而降低，因此较高的山峰不太可能受到植被的保护，而更可能受到冰川的侵蚀。在温带地区，侵蚀速率与地形的平均陡峭程度成正比，显然是因为重力和水驱动的过程在较陡峭的斜坡上更有效。综上所述，所有这些事实表明，山脉在生长过程中会演变出自身的气候——通常变得更湿润、更寒冷，并以更强烈的侵蚀为特征。
上述联系表明，山脉最好被视为一个系统。要理解任何此类系统的行为，有必要识别其组成部分以及这些组成部分之间的相互作用。由于这些相互作用非常重要，简单的系统输入可能会导致出乎意料的复杂输出。这些复杂性包括反馈——组件过程之间稳定或不稳定的联系。在我们概述的简单示例中，系统受到构造碰撞的驱动，构造碰撞为山脉带增加了质量，而响应是山脉的平均高度增加。随着山脉长高，侵蚀加剧，降低了生长速度。这个例子说明了负反馈，其中系统持续的正向驱动导致响应逐渐减小。相比之下，正反馈具有相反的效果，加速系统中任何变化。雨影效应的产生是正反馈的一个例子；侵蚀受到抑制，使山脉能够继续快速生长。喜马拉雅山脉以北的雨影效应促成了高耸的青藏高原的形成 [参见第 80 页和 81 页的方框]。
反馈的概念是理解山脉如何形成——甚至山脉的形成如何影响整个地球系统的核心。人们已经认识到或假设了许多不同类型的反馈。从这些发现中积累的最出乎意料的见解之一是认识到，几种重要的反馈使地表过程（如气候和侵蚀）能够深刻地影响地表深处的构造过程（反之亦然）。
均衡是关键
一种重要的反馈通过称为均衡的现象发生，均衡是指地球地壳漂浮在下方密度更大的液态地幔上的浮力。像任何物理结构一样，山脉也必须得到支撑，事实证明，这种支撑主要来自地壳的强度和均衡。在每个山脉高耸的山峰下，都有一个具有浮力的地壳“根”，它穿透到地幔中。冰山提供了一个有用的类比：由于冰的密度约为水的 90%，因此水面上的给定质量的冰由水面下九倍于该质量的冰支撑。大陆地壳的密度约为下方地幔的 80% 至 85%，这使得数十公里深的地壳根能够支撑数公里高的山脉。
均衡是将山脉的构造或内部演化与其地貌或外部发展联系起来的关键机制。当地表侵蚀去除质量时，均衡会通过抬升整个山脉来响应，以弥补约 80% 的去除质量。这种抬升解释了许多在研究人员充分认识到反馈在山脉形成中的作用之前令人困惑的现象。
例如，沿着美国东部边缘进行的高精度测量显示，陆地正以每世纪几毫米到几厘米的速度上升。这令人困惑，因为阿巴拉契亚山脉位于北美板块的内部，那里没有汇聚板块边界来解释这种隆升。一些地质学家认为，测量结果一定是错误的。然而，鉴于我们新的理解，一些或全部测量的隆升可能是对侵蚀的均衡响应，尤其是在阿巴拉契亚山脉高起伏地区。集中在河谷底部的侵蚀可能尤其重要，因为它可以将山峰抬升到高于侵蚀开始前的海拔高度。这是可能的，因为质量的去除是局部的（在山谷中），但均衡响应会抬升整个山体，包括山谷和山峰。
尽管均衡可以支撑它们数百万年，但没有构造隆升的景观最终会屈服于侵蚀。一些研究表明，澳大利亚的大片地区是非常古老、正在衰退的景观的良好例子。这些地区数亿年来没有经历过构造隆升，海拔最多只有海平面以上几百米。它们的地表隆升速率似乎仅与对侵蚀的均衡响应一致。在喜马拉雅山脉和欧洲阿尔卑斯山脉等构造活跃的山脉中，测得的隆升反映了构造驱动力和侵蚀驱动的均衡隆升的结合。鉴于山脉生长然后衰退的速度，我们可以推断，在其整个历史中，地球上已经出现过又消失了数十个主要山脉。
不寻常的构造时期？
山脉的构造，包括过去遥远时期形成和侵蚀掉的古代山脉，可以在地质记录中留下各种痕迹，例如来自熔岩流、岩浆侵入、曾经深埋的岩石的暴露，以及大量沉积在低洼盆地中的沉积物以及已知仅在高海拔地区繁荣生长的植物化石。通过研究来自许多不同时期的此类指标，地质学家可以推断地球在不同时期山脉形成的程度，从而深入了解地球的发展。
各种地质学家研究了沉积物、岩浆活动和其他潜在的山脉形成指标的相对丰度，并得出结论，过去 4000 万年代表了构造活动和山脉形成的异常激增。然而，同一地质时期也见证了地球上一次重大的气候转变，全球降温使格陵兰岛和南极洲从温带、植被覆盖的土地转变为永久性冰盖，并在过去两百万年间达到覆盖北美和欧洲的冰川的高峰。鉴于此证据，人们提出了两种相反的理论来解释过去 4000 万年间的山脉形成和气候：要么是山脉形成的激增导致了全球气候转变，要么是气候转变导致了山脉形成的激增。
这两种理论中的第一种理论断言，长期降温是由全球范围内山脉形成的激增引起的。例如，冰川往往是自我延续的：一旦建立，它们就会增加地表的反射率或反照率，从而降低温度并允许形成更多的冰。过去 4000 万年间，大型山体的大范围隆升可能增加了地球上被山地冰川覆盖的面积，这将增加地球的反照率。大气中的二氧化碳可能是另一个重要的反馈因素。一种解释认为，山脉的形成可以改变全球降雨和降雪的分布，加快岩石被溶解和化学反应分解的速度。根据这一假设，加速的化学风化从大气中去除了二氧化碳，降低了温室效应，从而导致全球气候变冷。
关于山脉形成和气候的第二种理论认为，在过去 4000 万年中，气候变化实际上是这两种力量中更强大的力量。该理论提出，气候变化实际上产生了许多通常归因于加速山脉生长的深刻地质变化。全球降温可能是由大陆漂移驱动的，大陆漂移改变了陆地和海洋面积相对于纬度的分布以及洋流模式，洋流是地球平衡赤道和两极之间热量不平衡的主要机制 [参见 Wallace S. Broecker 的“混沌气候”；大众科学，1995 年 11 月]。这些气候变化如何模拟山脉的形成？通过均衡隆升。根据这种解释，全球降温加剧了许多山脉的侵蚀。侵蚀的加剧，尤其是在河流和冰川谷底，导致山峰隆升增加，因为均衡补偿了侵蚀去除的山体质量。
全球气候和山脉形成之间的因果关系模糊不清，已被誉为与“鸡和蛋”问题相媲美的地质悖论，但这种循环性在反馈丰富的系统中很常见。地质学家目前可能不知道是什么引发了过去 4000 万年间气候和地形的变化，但他们现在明白，该系统中的多种反馈能够放大任何变化，并且构造、气候和侵蚀一定共同作用，创造了我们今天发现的地质证据。
侵蚀的拉力
对山脉形成系统中多种类型反馈的认识表明，侵蚀不仅参与塑造山脉，而且还引导地壳深处的构造过程。山脉生长的最终限制力是重力。因此，侵蚀通过减轻山脉的重量，实际上加速了山脉下方的构造过程。因此，侵蚀过程可以被视为将地壳“吸入”山脉并向上拉向地表。通过这种方式，侵蚀在岩石以及山脉内部和下方的地壳变形模式上留下了独特的指纹。
山脉地表岩石的类型部分取决于当地气候以及侵蚀的速率和模式。通过这种方式，侵蚀影响了山脉的地形以及成分和结构。岩石的变质作用（由于加热和压力而发生的变化）和许多造岩矿物的产生受地壳内部的压力和温度剖面控制。气候和侵蚀看似微小的细节，例如风速和风向或纬度的微小差异，都会深刻地影响温度历史，从而影响山脉演化过程中产生的岩石类型。
计算机模型已经研究了盛行风向和地形降水效应对山脉中不同变质带分布的影响。对于由俯冲形成的山脉，与俯冲方向相同的盛行风导致大部分降水落在山脉的迎海侧，即面向俯冲板块的一侧。
这种现象加剧了来自地壳深处的岩石的变形和剥露。另一方面，如果盛行风向与俯冲方向相反，则侵蚀集中在山脉的陆地侧，因此变形在整个山脉中相对均匀，并且深部剥露仅限于山脉的内部或大陆侧。一项对几个古代山脉侵蚀核的研究表明，地形降水效应和风向的指纹仍然清晰可见，在气候驱动的侵蚀吸入山脉的岩石分布中，甚至在山脉构造活动停止后长达 20 亿年。
随着越来越多的证据表明构造隆升和侵蚀可能在相似的时间尺度和相似的速率下发生，许多研究人员得出结论，一些山脉已经实现了稳态地形。在这种状态下，山脉的大小可以在数百万年内保持稳定，因为侵蚀速率与隆升速率相匹配。这种山脉内的局部地形将随着不同强度的岩石暴露在地表而发生变化。然而，由于构造和气候驱动的侵蚀之间的长期平衡，山脉的平均高度可能变化不大。
三个阶段
尽管现在认为地球上只有极少数山脉处于完美的平衡状态，但其中许多山脉可能在其历史上的某个时期达到了这种平衡。山脉似乎通常经历三个不同的阶段。第一个形成阶段始于板块的汇聚或某些其他构造事件，这些事件使地壳增厚并导致地形隆起。在这个阶段，隆升速率超过侵蚀速率。然而，随着海拔和起伏的增加，侵蚀速率急剧增加。根据山脉的大小和当地气候，隆升可能会持续到侵蚀速率或地壳强度限制了山脉的平均海拔不再增加为止。这是第二个阶段，一个稳态，只要隆升速率和侵蚀速率保持相等，它就可以持续下去。当隆升减弱时，侵蚀开始占主导地位，最终阶段开始。在最后阶段，山脉的平均海拔开始缓慢而漫长的下降。这个循环可能会在任何阶段因构造或气候事件以及这些过程与侵蚀之间的反馈而中断或变得复杂。
关于山脉如何形成的新模型有望像四十年前的板块构造一样具有革命性。正如板块构造设法解释了地震、火山、化石和许多不同岩石和矿物的全球分布一样，对山脉形成的新理解表明了构造力、地球气候和地形如何相互作用，创造出地球上一些最壮观的景观。与板块构造一样，新模型也阐明了长期以来一直困扰地质学家的现象。例如，结合了许多模型主要原则的计算机模拟已被证明非常成功地模拟了复杂构造历史、气候变异性和不同地质环境的影响。持续的研究将提供更多关于地球壮丽山脉如何生长、演化和衰退的细节，以及关于山脉在塑造我们星球的气候和构造中的重要性的细节。
作者 尼古拉斯·平特 和 马克·T·布兰登 在耶鲁大学新兴的活动构造学领域开始了他们的合作，该领域强调构造变形与地球地形之间的相互作用。平特在那里进行了博士后研究，现在是南伊利诺伊大学卡本代尔分校的教授。他的研究包括关注构造过程的地形表达，并参与了在加利福尼亚州、南美洲和亚得里亚海周边地区的工作。布兰登是耶鲁大学的构造地质学和构造学教授。他的研究重点是理解俯冲带和碰撞山脉中构造隆升和侵蚀之间的相互关系。他正在研究的地区包括亚平宁山脉、阿尔卑斯山脉、南安第斯山脉、克里特岛和美国西部海岸山脉。