瀑布是如何形成的｜坚硬岩石与松软岩石、断层与侵蚀塑造的地貌科学

什么是瀑布——诞生于河流纵剖面上的「落差」

瀑布的定义出乎意料地简单，指的是河水急剧跌落的场所。在日本习惯上多把落差5米以上者称为瀑布，但法律上并无严格定义。从地貌学上真正重要的不是高度本身，而是那里存在落差这件事本身意味着什么。

河流本来追求的是「平滑的曲线」

河流越往上游越陡，越往下游坡度越缓。若把高度绘成侧视曲线图，会呈现一条上凸的平滑曲线，称为纵剖面曲线。经过数万年、数十万年，河流不断削蚀岩石，力图逼近这条理想曲线（均衡纵剖面）。日本国土地理院也解释说，河流通过上游侵蚀、中游搬运、下游堆积的分工来塑造地貌。

然而实际的河流上会出现急剧偏离这条曲线的「凸起」，那里正是河流尚未削去的部分。这一点被称为裂点，而以明显落差呈现的裂点就是瀑布。也就是说，瀑布是「河流尚未取胜之处」的标记。

日本为何瀑布众多

日本在世界范围内也是瀑布极多的国家，原因有三。其一是雨量丰沛。日本年降水量约1700毫米，约为世界平均值的两倍。其二是地形陡峻。国土约七成为山地，河流短促而坡陡，从源头到河口距离短，因而水流削蚀岩石的力量格外强劲。其三是位于活动带。日本处在板块俯冲带上，隆起与断层运动活跃，火山也多。坚硬岩石与松软岩石复杂交接的地质，到处埋下了落差的种子。

1990年，日本环境省等选定了「日本瀑布百选」。从北海道到冲绳，成因与规模各异的瀑布并列其中，也构成了一份可以纵览日本列岛地质多样性的清单。若要在旅途中造访瀑布，事先查清它属于哪一类型，看到的东西会大不相同。

瀑布可以按形态分类

观察瀑布时，先看形态便容易推测其成因。日本广泛使用以下分类。

最大的原因是「坚硬岩石与松软岩石」——差别侵蚀的机制

若统计全世界瀑布的成因，最多的是岩石硬度的差异。即便是同一条河、同样的流量，易被削蚀的岩石会迅速降低，难以削蚀的岩石则保持高耸。这种侵蚀速度之差被称为差别侵蚀（选择性侵蚀）。

同样的水，岩石不同则削蚀方式不同

岩石是否易被削蚀，并非只由矿物硬度决定。裂隙（节理）的多寡、颗粒之间结合的强度、含水后是否易于崩解会共同起作用。例如同为火山成因，高温火山碎屑流因自身重量与热量熔结而致密的熔结凝灰岩十分坚硬，而仅仅堆积下来的火山灰层却脆到用铁锹就能挖开。

那智瀑布——坚硬火成岩与松软沉积岩的分界

落差133米、作为单段瀑布居日本之首的和歌山县那智瀑布（那智大瀑布），堪称差别侵蚀的教科书。据南纪熊野地质公园的解说，这座瀑布形成于熊野酸性火成岩类的花岗斑岩与周围熊野层群沉积岩的分界处。坚硬的花岗斑岩难以削蚀，松软的沉积岩一侧先行降低，于是在分界处形成了巨大的落差。

那智瀑布被指定为国家名胜，也是世界遗产「纪伊山地的灵场与参拜道」的组成部分之一。一座被作为信仰对象珍视千年以上的瀑布，在地质学上也有明快的存在理由——这种双重意义提升了它的价值。

盖岩构造——上方压着坚硬岩石时

在差别侵蚀之中尤为典型的，是上部坚硬、下部松软的叠置方式。坚硬的上部岩层如同「盖子（盖岩）」，使瀑布的出水口保持锐利。而下部松软的岩层则被水花与漩涡削蚀，不断向内退缩。结果瀑布背面出现空腔，形成垂直乃至外伸（悬垂）的独特面貌。

瀑布在向上游行走——掏蚀与崩塌的循环

关于瀑布最违反直觉的事实是，瀑布并未停留在同一位置。瀑布每年都在一点点向上游后退。以人的一生来看慢得无法察觉，但在地质时间尺度上却快得惊人。

瀑潭是挖掘岩石的机器

落下的水在瀑潭中形成强烈漩涡，并卷入砾石与砂粒。这些石块旋转着磨蚀基岩，掏出被称为瓯穴（壶穴）的圆形孔洞。同时，高速水流使局部压力下降时会产生微小气泡，气泡破裂瞬间的冲击会破坏岩石表面，这就是空蚀作用。瀑潭是由水、砂与气泡构成的天然掘进机。

瓯穴不仅出现在瀑潭，也遍布水流湍急的河床。群马县沼田市的吹割瀑布，河床的凝灰岩沿水流开裂，刻出深沟与无数瓯穴，形成独特景观。它被指定为国家天然纪念物及名胜，是能在脚下观察「河流削蚀岩石」这一现象的珍贵场所。想到瀑潭底部正以数十倍的猛烈程度发生同样的事，后退的速度也就不难理解了。

掏蚀→岩檐→崩塌的三个步骤

1. 底部掏蚀：瀑布下部松软岩层被漩涡与水花向内削蚀，形成凹槽
2. 岩檐悬出：凹槽加深，上部坚硬岩层失去支撑，如屋檐般向外悬出
3. 崩塌：无法承受自重或冻融作用的岩檐一举崩落，瀑布出水口向上游移动数米
4. 重启：在新的出水口，又从第一步开始新一轮循环

也就是说，瀑布的后退并非平滑推进，而是以「数十年纹丝不动，某一天轰然下退数米」这种阶梯状的方式发生。平均后退速度不过是把这些跳跃摊到漫长年月中得出的数字。

尼亚加拉瀑布——一万两千年后退十一公里

后退的代表实例，是连接北美五大湖的尼亚加拉瀑布。末次冰期冰盖退去的约一万两千年前，水流是从远比现在靠下游的安大略湖岸附近开始跌落的。瀑布上部是志留纪的坚硬白云岩，其下是松软的页岩，构成理想的盖岩构造。下部被削蚀、上部随即崩塌，如此反复而向上游移动，其轨迹便是如今的尼亚加拉峡谷（约11公里）。峡谷本身就是「瀑布走过的足迹」。

后退速度随时代与人类活动发生了很大变化。直到二十世纪前期，一般认为约为每年1米左右，但因水力发电大量取水，加之1960年代实施了整形工程，近年的后退速度据说已降至每年数厘米。这也是人类延长了瀑布寿命的罕见案例。

大地开裂之处形成瀑布——断层与台地边缘

与岩性差异并列的另一大成因是地壳运动。断层使大地错动，落差便在瞬间产生。河流只能跨过它，于是形成瀑布。

挂在断层崖上的瀑布

断层使一侧抬升（或另一侧下沉）时，地表会出现称为断层崖的直线状陡崖。横切断层崖的河流必定在其边缘跌落。日本列岛是世界上屈指可数的活动带，活断层遍布全国，因而与断层相关的瀑布并不少见。断层沿线的岩石往往被压碎，这条破碎带先被削蚀，于是瀑布形态变得笔直，峡谷也延伸成直线。

维多利亚瀑布——沿裂隙呈之字形后退的瀑布

位于赞比亚与津巴布韦国界上的维多利亚瀑布（当地名莫西奥图尼亚，意为「雷鸣般轰响的烟雾」），是裂隙造就瀑布的代表。这一带分布着厚厚的玄武岩台地，其上有两个方向的巨大裂隙。填充裂隙的松软沉积物先被削蚀，赞比西河便沿裂隙方向使瀑布延伸生长，遇到下一条裂隙时改变方向，再向另一方向后退。

其结果是，从地图上看峡谷呈现出之字形折返的独特形状。据深田地质研究所的报告，这一过程始于约10万年前，折返共7次，现在的瀑布已是第8代。落差约100米，宽度在雨季超过1.7公里，被称为以「宽×高」计世界最大级的水帘。

安赫尔瀑布——从桌状山边缘落下的979米

拥有世界最大落差979米的安赫尔瀑布（天使瀑布）位于委内瑞拉的卡奈马国家公园。圭亚那高原上林立着被称为特普伊（桌状山）的巨大方山，其顶部平坦、侧面垂直陡立。水正是从其中之一奥扬特普伊的边缘落下，由于落差过大，水在到达地面之前便化为雾气弥散。构成台地的岩石极其坚硬、侧面不崩塌而保持垂直，这才使如此惊人的落差成为可能。

火山列岛特有的瀑布——熔岩与火山碎屑流造出的落差

要理解日本的瀑布，火山不可或缺。熔岩流与火山碎屑流能在短时间内把厚实坚硬的岩层铺满地表，它们改变河道，甚至堵塞河流，从而造出瀑布。

华严瀑布——熔岩堵塞河谷所成湖泊的出口

栃木县日光市的华严瀑布（落差97米）名列日本三大名瀑。这座瀑布的故事始于约1万5千年前的男体山喷发。流出的熔岩堵塞河谷，形成了堰塞湖中禅寺湖。从湖中流出的大尻川翻越那道熔岩壁跌落——这就是华严瀑布。瀑布岩壁上露出当时熔岩（华严熔岩）的剖面，可以观察到上下两层熔岩流的叠置，以及块状部分发育的垂直柱状节理。

脆弱的火山喷出物与反复发生的崩塌

正因为是堰塞湖的出口，华严瀑布周边的地质含有易碎的火山灰与浮石，绝非稳定。事实上1986年瀑布出水口的基岩发生大规模崩塌，瀑布的面貌为之改变。据栃木县的资料，为应对这次崩塌，自1990年度起在兼顾景观的前提下分阶段实施了瀑布上部悬出部分的加固工程。瀑布不是「原样保存」的对象，而是「以持续后退为前提进行安全管理」的对象。

称名瀑布——落差350米，日本第一的段瀑

富山县立山町的称名瀑布落差350米，居日本之首。它自上而下分为70米、58米、96米、126米四段落下，属于段瀑。这座瀑布位于称名川深切立山火山喷发形成的弥陀原熔结凝灰岩台地而成的V形谷——称名廊下的最深处。

尤其值得一提的是后退记录。据推测，称名瀑布在约10万年前位于比现在下游约15公里处，简单换算即以每年10至15厘米左右的速度削蚀熔结凝灰岩向上游移动。眼前的深邃峡谷，正是瀑布在这10万年间走过的距离。它被指定为国家名胜及天然纪念物，也入选日本瀑布百选。

渗出的水造就的瀑布——透水层与隔水层的分界

以上所看的都是「河流跌落落差」的瀑布。然而日本还有没有河流却有水在落下的瀑布，即地下水直接从崖壁中途渗出的潜流瀑。

透水的地层与不透水的地层

地层中既有易于透水的透水层（孔隙多的熔岩流与砾石层），也有几乎不透水的隔水层（黏土质的泥流堆积物等）。自上方渗入的雨水与融雪水在透水层中横向流动，遇到隔水层便无处可去。在这一分界被崖壁切断的地方，水会沿着分界线横向成排涌出。

白丝瀑布——宽150米的水帘

静冈县富士宫市的白丝瀑布，是这一机制造就的日本代表性潜流瀑。据富士宫市的解说，富士山的融雪水从上部透水的新富士火山白丝熔岩流与下部不透水的古富士泥流堆积物的分界绝壁中涌出。从高约20米、宽约150米的弯曲崖壁上，数百条大小水流如垂下的丝绢般落下，故得名「白丝」。

涌水量约为每秒1.5吨，水温全年约12℃基本恒定。在地下缓慢流动而来的水不易受外界气温影响，因而夏凉冬暖。它被指定为国家名胜及天然纪念物，也是世界文化遗产「富士山——信仰的对象与艺术的源泉」的组成资产之一。

潜流瀑的另一个特征是水量与水温稳定。地表河流一下雨就涨、久旱便干涸，而地下水在厚厚的地层中缓慢移动而来，季节变化很小。富士山麓的涌泉群自古被用作生活用水以及造纸、食品产业用水，并支撑着需要清冽水源的虹鳟养殖与山葵栽培，凭借的正是这份稳定。瀑布既是观光资源，也是支撑地方产业与生活的水资源露头。

石灰岩地带的涌泉与瀑布

石灰岩地带也会发生类似现象。石灰岩易溶于弱酸性的雨水，在地下形成空洞与水道。也有戏剧性的例子：原本在地表流动的河流中途被吸入地下，又从远处的崖壁重新喷出形成瀑布。观赏瀑布时若思考这水究竟从何而来，便会看到仅凭地表河流无法解释的世界。

冰川、海平面变化与隆起——时间尺度改变了瀑布

瀑布的成因还有更大尺度的因素，即冰期与间冰期的循环、海平面的升降以及大地的隆起。它们会移动河流所要削蚀的「目标高度」本身。

悬谷——只有干流被深切时

冰川的侵蚀力远强于河流，会把谷底大幅下切成U形谷。然而冰川主要在规模较大的干流河谷中发育，小支谷则无法孕育足够的冰川。结果冰期结束、冰消退之后，便出现只有干流谷底很深，支谷谷底被高高留在原处的落差。这种被悬在高处的谷地称为悬谷，支流之水在汇合处化为瀑布跌落。

即使没有冰川，同样的事也会发生。只要干流水量远多于支流，干流便会更快更深地下切，在汇合处形成落差。凡是存在「削蚀力不均衡」的地方，都可能诞生瀑布。

海平面下降时，河流从下游开始削蚀

河流最终下切所依据的基准高度称为侵蚀基准面，通常就是该河注入的海平面。冰期时大量水被固定为陆地上的冰盖，海平面比现在低100米以上。于是河流的「目标」骤然下降，从河口附近开始猛烈下切。这一下切前锋向上游传播，途中的落差同样是裂点＝瀑布。海平面与瀑布看似相距遥远，其实直接相连。

反之若海平面上升，下游侧堆积占优，瀑布便逐渐被埋没。目前正在进行的海平面上升会给日本海岸线带来什么，请参见海平面上升会让日本九成沙滩消失吗？一文。

直接落入大海的瀑布

在隆起迅速的海岸或岛屿的陡峻地形上，可以看到河流从海蚀崖边缘直接落入大海的瀑布。屋久岛、伊豆半岛、纪伊半岛的海岸都有这样的实例。在这类瀑布处，淡水与海水直接混合，形成特殊环境，有时可以观察到独特的生物分布。

瀑布的一生，以及它送往大海的东西

瀑布并非永恒。它会诞生、后退，终将消失。而在消失之前，瀑布始终在击碎大量岩石，不断送往下游，最终送入大海。

瀑布是如何消失的

瀑布的终结方式主要有两种。其一是后退殆尽：一旦削穿支撑瀑布的坚硬岩层，或后退到上游已无坚硬岩石之处，落差便逐渐变缓，经溪流瀑阶段转为普通急流。其二是被埋没：滑坡、泥石流、火山喷出物，或人工水库的蓄水，都会使瀑布本身隐没于堆积物或水面之下。

瀑布击碎的岩石，会变成海岸的沙

瀑布崩塌所落下的岩石并不会就此消失。它们在瀑潭中被击碎，顺流而下时一路翻滚而变得更细，成为砾石，再成为砂粒，从河口进入大海，被沿岸流搬运，最终成为构筑沙滩的材料。日本沙滩上的沙，大多正是这样从山地供给而来的泥沙。瀑布既是山中的风景，同时也是维持海岸线的泥沙供给系统的上游端。

然而如今，这条链条在各处被切断。水坝与拦沙坝拦住泥沙，加之河道采砂，抵达大海的泥沙量大幅减少。结果许多海岸的沙滩日渐消瘦。这一问题在水坝与海岸侵蚀的关系一文中有详细解说。泥沙一旦无法抵达，河口滩涂的维持也会受到影响。

瀑布的生态系统，以及如何享受与守护瀑布

最后，让我们把瀑布不再当作「地貌」，而当作「生物的场所」来看。对生态系统而言，瀑布既是屏障，同时也是特殊的栖息环境。

瀑布是鱼类的高墙

高大的瀑布对多数鱼类而言是无法逾越的屏障。因此瀑布上下游的鱼类组成会发生变化，被隔在上游的种群经过漫长岁月，有时会形成独特的遗传特征。尤其对往返于海与河之间的洄游鱼类（香鱼、鳗鱼、吻虾虎鱼类等）来说，河流的连续性直接关乎生存。日本环境省的生物多样性信息系统也把河流连续性与洄游鱼类分布的关系整理为重要指标。

这里需要注意的是，天然瀑布与人工堰坝意义不同。天然瀑布在那里已有数千乃至数万年，生物是在这一条件下建立起分布格局的。而近年修建的堰坝与水坝，则是突然切断了原本连通的河流。同样是「无法逾越的落差」，对生态系统的影响却截然不同。各地推进鱼道设置与堰坝改造，正是为了填补这一差别。

水花孕育的苔藓与蕨类小宇宙

瀑布周围有一片因水花而始终保持高湿度的飞沫带。这里全年湿度高、气温变化小，对不耐干燥的苔藓类、蕨类与地衣而言是理想环境。周围森林即便干燥，唯独瀑布四周绿意浓郁、岩石被苔藓覆盖，原因就在于此。瀑布在半径数十米的范围内，造出了与周围不同的小气候。

这一环境十分脆弱。水量减少，或周围树木被砍伐而使光照与风的条件改变，它都会轻易消失。取水或上游开发导致瀑布水量减少，不只是景观问题，更意味着仅存于此的生物群落的消失。

瀑布也曾是信仰与文化的场所

在日本，瀑布本身自古就被作为信仰对象。那智瀑布是熊野那智大社别宫飞泷神社的神体，不面向社殿而直接向瀑布祈祷的形式至今仍被守护着。修验道的瀑布修行也在各地流传，瀑布被视为区隔尘世与神域的界线。落差巨大、水声不绝、水花改变空气——瀑布所产生的这种物理上的非日常性，似乎直接被赋予了宗教意义。

这份文化积累在保护方面也意义重大。被奉为信仰对象的瀑布周围，往往作为神社林免于砍伐而保留下原始森林，结果成为生物多样性的热点。人们怀着「敬畏」而未曾触碰的地方，就这样成了自然的避难所。

名胜与天然纪念物这样的守护方式

在日本，许多价值很高的瀑布依据文化财保护法被指定为名胜或天然纪念物。那智瀑布是名胜，称名瀑布与白丝瀑布既是名胜也是天然纪念物。此外，位于国立公园、国定公园区域内的瀑布还受自然公园法约束，开发与构筑物设置受到限制。从作为文化财的价值（景观、信仰、历史）与作为自然的价值（地貌、生态系统）两方面同时受到守护，正是日本瀑布的特点。

另一方面，由于地质本质上并不稳定，「原封不动地永久保存」是做不到的。正如华严瀑布的加固工程那样，现实的做法是在管理崩塌风险的前提下让人们安全地观赏。守护瀑布并不是把瀑布冻结保存，而是以瀑布必将改变为前提，兼顾人的安全与自然的进程。

造访瀑布时

站在瀑布前时，请不要止步于「真美」，而试着追问「为什么这里会有落差」。上方的岩石与下方的岩石有何不同、被掏空的背面、向下游延伸的峡谷——这一切都是水与岩历经数万年角力的记录。而那些水最终会抵达大海。理解瀑布，也就是理解山与海本为一体。