尼亞加拉瀑布、優勝美地瀑布或伊瓜蘇瀑布等咆哮的瀑布景象令人著迷。但瀑布不僅僅是美麗的；它們還有助於科學家解讀地球的歷史，因為可以從瀑布的形成方式中收集到地質線索。現在，一項新的研究揭示了瀑布一個先前未知的起源：它們可以自發形成。
長期以來，科學家們已經知道一些瀑布是由於外力形成的。例如，退去的冰川留下巨大的山谷，陡峭的峭壁上有河流流過，形成瀑布。瀑布可能由於岩石型別的差異而形成，也可能在河流與地質斷層相交的地方形成，地質斷層移動會產生垂直階梯。但本週發表在《自然》雜誌上的這項新研究表明，這些外部影響並非總是必要的——而且這些美麗的構造可以有效地自我創造。
為了研究瀑布形成的動力學，一個研究團隊建立了一個小型河流模型，長八米，深一米，整個裝置傾斜一定角度。他們用一層完全光滑的聚氨酯泡沫填充了他們的河流——研究作者、內華達大學裡諾分校地質科學助理教授喬爾·謝因格羅斯說，就此類實驗而言，聚氨酯泡沫可以很好地替代基岩。
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然後，研究小組從“河流”的頂部注入水和沉積物混合物，並觀察了幾個小時內發生的情況。幾分鐘之內，水流開始磨蝕泡沫，形成凹痕——但方式並不均勻。“發生的情況是，有些區域的侵蝕速度比其他區域快一點，而有些區域的侵蝕速度比其他區域慢一點，”謝因格羅斯說。“這只是其動力學的一部分——如果你願意，這就是大自然的混亂方式。”
這個過程產生了一個反饋，或自我增強行為：最初侵蝕更快的區域比其他區域更快地變深，因為水和沉積物加速進入快速形成的凹痕中。這種反饋在泡沫中形成了一系列滑坡和水潭。當水潭達到一定深度時，水力無法再將沉積物從最深處移走，因此它們開始捕獲沉積物。那時瀑布開始形成。“我們觀察到，當一個水潭被一層礫石填滿，並且該水潭停止侵蝕時，瀑布就會形成，”謝因格羅斯說。“但是，它下游緊鄰的水潭不會有這個沉積層，並且會隨著時間的推移繼續加深，因此，上游不侵蝕的水潭和下游仍在侵蝕的水潭之間的高度差會隨著時間的推移而增長。”
在實驗過程中，以這種方式形成了兩個瀑布。“這是首次實驗證明這種情況可以發生，”科羅拉多大學博爾德分校的地質科學教授鮑勃·安德森說，他沒有參與這項研究。“巧妙之處在於使用這種泡沫作為正在被侵蝕的基質。很難觀察到這些特徵在岩石中的演變，因為它需要太長時間。”
然而，這些型別的瀑布並非可以在任何地方形成——它們需要陡峭坡度的基岩河流（而不是鬆散河床沉積物的河流），謝因格羅斯說。他指出了幾個他認為可能自發形成的真實瀑布：一個在洛杉磯郊外的聖加布裡埃爾山脈，另一個是優勝美地著名的新娘面紗瀑布上游的一系列瀑布。但在他們能夠完全確信哪個瀑布是自發形成的之前，他和其它研究人員還需要做更多的工作。他還計劃進行更多的實驗室實驗，看看自發形成的瀑布是否會留下一些“指紋”，科學家可以用這些“指紋”在野外識別它們。
未參與該研究的專家表示，這些發現將幫助研究人員更好地掌握瀑布的起源——這些資訊可能有助於他們拼湊出更廣闊的地質過去圖景。“我們使用瀑布等地貌來解釋地球歷史上過去的變化；我們將瀑布的存在歸因於一些更大的外部力量，例如氣候或構造過程，”康涅狄格大學地貌學副教授威廉·奧伊梅特說。“我們將不得不挑戰這種方法，並在得出這些結論時更加謹慎。”
然而，其他專家指出，這項研究可能不會顯著推翻早期的研究。“我不認為這意味著我們過去對景觀的所有解釋都是錯誤的。也許我們可以改進一些，”杜蘭大學地球與環境科學副教授妮可·加斯帕里尼說。但她認為這項研究仍然意義重大且有用。“它可以做的是，”她說，“幫助我們解釋和理解細節，並嘗試更緊密地將故事拼湊在一起。”