索艷慧 付新建 李三忠 程昊皞 田子晗 韓 續(xù) 宋雙雙

1 深海圈層與地球系統(tǒng)教育部前沿科學(xué)中心，海底科學(xué)與探測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100

2 嶗山實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266237

1 概述

深部地球過(guò)程及表層系統(tǒng)可能通過(guò)復(fù)雜的反饋關(guān)系進(jìn)行耦合的理念，是當(dāng)代地球系統(tǒng)科學(xué)最令人激動(dòng)的進(jìn)展之一 （Huntington and Klepeis，2018）。地形地貌就是這一耦合地球表層系統(tǒng)和固體圈層系統(tǒng)的關(guān)鍵界面，是地球內(nèi)外動(dòng)力共同作用的結(jié)果（Bukharietal.，2022；Chengetal.，2024）。作為地質(zhì)歷史時(shí)期一系列內(nèi)外地質(zhì)活動(dòng) （區(qū)域構(gòu)造作用、沉積壓實(shí)作用、風(fēng)化及剝蝕等）綜合作用的產(chǎn)物（楊振等，2016），古地貌成為我們了解深時(shí)地球的重要基礎(chǔ) （Sallesetal.，2023a，2023b）。

數(shù)值模擬與計(jì)算機(jī)軟硬件的發(fā)展，為地質(zhì)學(xué)綜合研究提供了進(jìn)一步發(fā)展的新機(jī)遇，推動(dòng)了地質(zhì)學(xué)研究范式的轉(zhuǎn)變，即從定性描述、單過(guò)程模擬為主轉(zhuǎn)向以定量的、多過(guò)程耦合綜合模擬為核心的新范式（朱阿興等，2019）。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，許多軟件被設(shè)計(jì)用于評(píng)估各種機(jī)制 （如構(gòu)造或氣候強(qiáng)迫）對(duì)地貌和沉積盆地演化的影響，這些模型依靠一組數(shù)學(xué)和物理表達(dá)式來(lái)模擬泥沙侵蝕、搬運(yùn)和沉積，并能重現(xiàn)地球表面地貌和沉積演化的復(fù)雜性（Salles and Hardiman，2016；Salles，2019）。然而，用于評(píng)估區(qū)域或全球尺度地表演化及其與大氣、水圈、構(gòu)造和地幔動(dòng)力學(xué)相互作用的工具較少，這即要求結(jié)合地理信息系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理以及數(shù)值模擬等技術(shù)，還要提供全面的地表演變模擬和可視化功能。地球系統(tǒng)理論的進(jìn)步以及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、分析工具的發(fā)展及精細(xì)化，為理解地表演化及其與地球固體圈層、大氣圈和生物圈相互耦合提供了新的技術(shù)基礎(chǔ)，使得古地貌動(dòng)態(tài)重建成為可能。

已有的全球古地貌模型——Paleo-DEM （數(shù)字古高程）模型 （Scotese and W right，2018），主要基于巖相古地理和洋殼年齡／深度關(guān)系等方法獲得。Paleo-DEM模型重建了5.4億年以來(lái)的全球古陸地高程，模型時(shí)間間隔為5Mya、網(wǎng)格精度為0.1°×0.1°（即10 km×10 km）；該模型在西太平洋局部地區(qū)存在明顯錯(cuò)誤，如南海海盆于～40Ma已打開(kāi)并開(kāi)始接受海相沉積、這與鉆井資料揭示的陸相沉積環(huán)境相悖，而且模型中海底古地貌基本缺失，其顯示的古海底地貌只是現(xiàn)今的地貌位置變遷。真實(shí)的海底古地貌重建是Müller等 （2008）基于水深—年齡關(guān)系重建的，海底空間分辨率為10 km×10 km，時(shí)間分辨率為5Myr，且可靠的海底古地貌重建只到2億年。這2個(gè)模型（圖1），存在海陸割裂的問(wèn)題，且均對(duì)于古地貌演化過(guò)程中的定量化分析及其環(huán)境、資源效應(yīng)以及深部地球動(dòng)力和淺表過(guò)程的耦合過(guò)程研究較少。

圖1 30Ma的古地貌重建方案Fig.1 Reconstructed paleo-landscape at 30Ma

近年來(lái)，Badlands（BasinandLandscapeDynamics）和goSPL（GlobalScalablePaleoLandscapeEvolution）古地貌模擬軟件的開(kāi)發(fā)旨在彌補(bǔ)這些不足，將地球深部構(gòu)造過(guò)程、降水、海平面變化等若干地球系統(tǒng)因素聯(lián)系起來(lái)，估算和預(yù)測(cè)區(qū)域或全球尺度的深時(shí)古地貌和沉積演化 （Sallesetal.，2018）。模型結(jié)果可以檢驗(yàn)前人對(duì)地球演化過(guò)程中的不同假設(shè)，探討地球系統(tǒng)多圈層相互作用，從大氣環(huán)流對(duì)造山帶的物理剝蝕，再到河流水系的演化發(fā)展以及盆地沉積物堆積過(guò)程，以及這一過(guò)程對(duì)生物圈演化的控制作用（Sallesetal.，2023a，2023b）。

2 古地貌動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)：以Badlands和goSPL為例

Badlands古地貌模擬軟件基于定量的構(gòu)造、古氣候及海平面變化等因素的約束，綜合考慮深部巖石圈變形與淺表氣候變化對(duì)地貌演化的共同塑造過(guò)程，動(dòng)態(tài)重建大陸或盆地尺度數(shù)百萬(wàn)年的地貌演化和沉積成盆過(guò)程（Salles and Hardiman，2016；Sallesetal.，2017；劉澤等，2020；Bukharietal.，2022；Chengetal.，2024）。Badlands軟件通過(guò)子流域劃分的方式計(jì)算地表侵蝕和沉積物搬運(yùn)的簡(jiǎn)化河道和山坡過(guò)程，其模擬過(guò)程主要遵循質(zhì)量守恒方程：

其中，左側(cè)為地面高程z的單位時(shí)間增量 （m），?表示梯度，qs表示每單位寬度的體積沉積物通量（m2／yr），u為地形變化量 （m／yr）。qs包括河流搬運(yùn)過(guò)程沉積物通量qr（m2／yr）和山坡滑移過(guò)程通量qd（m2／yr），公式如下：

其中，?為可侵蝕系數(shù)，P為凈降水量 （m／yr），A為流域面積，m和n為常數(shù)，一般比值為0.5，k為擴(kuò)散系數(shù) （Liuetal.，2020；Bukharietal.，2022）。目前，前人利用Badlands軟件，針對(duì)澳大利亞深部地幔對(duì)流對(duì)水系演化的影響 （Sallesetal.，2017）、北美西南部構(gòu)造—?dú)夂颉乇磉^(guò)程的耦合效應(yīng) （Bahadorietal.，2022）以及東亞陸架新近紀(jì)構(gòu)造及氣候強(qiáng)迫對(duì)地貌和沉積物分布的影響（Chengetal.，2024）等區(qū)域科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了探討，該軟件也被證實(shí)為定量化重建大陸邊緣古地貌的有力工具。

goSPL軟件是由悉尼大學(xué)EarthCodeLab小組開(kāi)發(fā)的一個(gè)基于Python的可擴(kuò)展并行數(shù)值模型，能夠模擬全球尺度的地貌演化和受板塊構(gòu)造、古地形和古氣候影響的地層沉積正演過(guò)程 （Sallesetal.，2023a，2023b）。該模型從完整的沉積路徑角度出發(fā)，綜合考慮了板塊運(yùn)動(dòng)、構(gòu)造隆升沉降、氣候和沉積條件等不同情景，闡述了沉積過(guò)程對(duì)不同地球系統(tǒng)參數(shù)響應(yīng)的復(fù)雜性。其相對(duì)于現(xiàn)有地貌演化模型 （如Badlands），goSPL對(duì)于板塊水平運(yùn)動(dòng)、地層巖性差異及其壓實(shí)作用有更好的應(yīng)用效果，且側(cè)重全球尺度的地表侵蝕和沉積物搬運(yùn)等問(wèn)題，對(duì)理解深時(shí)全球地表演化和相關(guān)地層形成提供了新的見(jiàn)解 （Sallesetal.，2020）。其算法與Badlands類似，同樣遵循質(zhì)量守恒方程：

其中，方程左側(cè)為地面高程z的單位時(shí)間增量（m），方程右側(cè)u為地形變化量 （m／yr），k為擴(kuò)散系數(shù)，?為可侵蝕系數(shù)，P為凈降水量（m／yr），d為正指數(shù)，Pd代表了降水的風(fēng)化影響及其對(duì)河流切口的強(qiáng)化作用，A為流域面積，PA代表凈降水量與流域面積相結(jié)合的徑流水通量，m和n為常數(shù)，一般比值為0.5。除了遵循基本的質(zhì)量守恒方程外，goSPL開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)根據(jù)現(xiàn)有的地層模型，通過(guò)擴(kuò)散方程模擬海洋沉積物的運(yùn)輸和沉積，該方程假設(shè)運(yùn)輸僅與坡度成正比，因此海洋區(qū)域的高程變化率可以表示為：

式中，km代表海相沉積物擴(kuò)散系數(shù)（m2／yr），Qs為由式4求得的陸相沉積物通量 （m3／yr）。目前，前人利用goSPL軟件重建了全球顯生宙以來(lái)的古地貌演化及其盆地沉積響應(yīng)，探討了古地貌演化與剝蝕、沉積作用的關(guān)系以及古河流沉積通量對(duì)生物圈長(zhǎng)尺度演化的控制作用等科學(xué)問(wèn)題（Sallesetal.，2023a，2023b）。

3 典型應(yīng)用實(shí)例

3.1 Badlands區(qū)域模型

東亞陸緣位于歐亞板塊、太平洋板塊和印澳板塊的交匯處，西鄰特提斯碰撞帶，東跨西太平洋俯沖帶 （Wangetal.，2021）。受特提斯構(gòu)造域向太平洋構(gòu)造域轉(zhuǎn)換的影響 （李三忠等，2022），東亞陸緣經(jīng)歷了中生代古華夏山脈的垮塌和華北克拉通破壞過(guò)程，形成了現(xiàn)今東傾的地形、一系列大江大河和近海盆地。基于此背景，聚焦東亞地形倒轉(zhuǎn)及水系重組過(guò)程，利用Badlands軟件，針對(duì)華北克拉通破壞、長(zhǎng)江三峽貫通等問(wèn)題，依次開(kāi)展了相關(guān)研究工作。

宋雙雙等 （2024）主要通過(guò)構(gòu)建古土壤風(fēng)化指標(biāo) （PWI、CFXNa）、碳酸鹽同位素等數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合磷灰石／鋯石裂變徑跡、剝蝕厚度恢復(fù)、海平面變化等數(shù)據(jù)，定量化動(dòng)態(tài)模擬了早白堊世期間華北克拉通破壞的古地貌演變過(guò)程。模擬結(jié)果表明，早白堊世期間，華北克拉通經(jīng)歷了由 “東高西低”變?yōu)?“西高東低”的地形翹變，并伴隨著自西向東的斷陷盆地的遷移規(guī)律；大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)與斷陷盆地的出現(xiàn)共同控制了熱河生物群的向東遷移，熱河生物群在燕山地區(qū)的山間盆地興起。

韓續(xù)等 （2024）定量化分析了地幔對(duì)流、構(gòu)造事件、古氣候、侵蝕和沉積等地球深淺部多種因素對(duì)于地形地貌的貢獻(xiàn)，動(dòng)態(tài)重建了黃河下游25Ma以來(lái)的地貌演化過(guò)程。發(fā)現(xiàn)，華北東部的地貌格局在中新世期間已定型并趨于穩(wěn)定演化，陸架海沉降是該時(shí)期地貌演化的一級(jí)控制因素；此外，該時(shí)期華北東部可能存在一條環(huán)山東半島的古河流——華東河，這條古河流的形成時(shí)間不晚于早新近紀(jì)，可能在全新世期間消亡。

田子晗等 （2024）動(dòng)態(tài)重建了長(zhǎng)江 “第一彎”以東地區(qū)晚白堊世 （80Ma）以來(lái)的長(zhǎng)江流域地貌及水系演化過(guò)程。模擬結(jié)果表明，青藏東部及上揚(yáng)子西南緣晚始新世—漸新世的階段性隆升迫使四川盆地原有南流水系下切受阻，沉積物在盆內(nèi)堆積形成沖積河道并促使四川盆地地貌由 “東北高西南低”反轉(zhuǎn)為 “西南高東北低”；新生代早期，江漢盆地長(zhǎng)期受控于中國(guó)東部的裂陷環(huán)境，持續(xù)處于較低基準(zhǔn)面。四川盆地的水系反轉(zhuǎn)和江漢盆地的持續(xù)低基準(zhǔn)面，最終導(dǎo)致位于二者之間的長(zhǎng)江三峽在晚漸新世發(fā)生貫通。

3.2 goSPL全球顯生宙古地貌模擬

goSPL全球古地貌重建模型將板塊構(gòu)造模型與一系列古氣候重建模型相結(jié)合，綜合考慮河流下切、沉積物山坡滑移、壓實(shí)作用、構(gòu)造過(guò)程 （水平和垂直位移）以及氣候條件 （降水與海平面波動(dòng)）等因素，并將其應(yīng)用于全球尺度的古地貌重建。Salles等 （2023a，2023b）將Scotese和W right（2018）的巖相古地理圖集及其相應(yīng)的PALEOMAP全球板塊構(gòu)造模型作為其古高程以及構(gòu)造事件的邊界條件，并加載全球古降水?dāng)?shù)據(jù)集 （Valdesetal.，2017），利用goSPL軟件，動(dòng)態(tài)重建了全球顯生宙地貌、流域演化及海洋沉積等地球表層過(guò)程（圖2）。該模型提供了地球系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)的連續(xù)量化，包括全球地貌、沉積通量和地層結(jié)構(gòu)，重新評(píng)估了地表過(guò)程在向海洋輸送沉積物方面所扮演的角色，并將地貌演化、沉積通量等與生物圈演化相結(jié)合，探討了全球沉積通量變化對(duì)物種演化的控制作用。

圖2 顯生宙的地貌演化及相關(guān)的侵蝕沉積模式 （據(jù)Salles et al.，2023a）Fig.2 Global scale Phanerozoic landscape evolution model（after Salles et al.，2023a）

大陸漂移決定地球表面陸地和海洋的分布，古地理的變化又反過(guò)來(lái)影響大氣環(huán)流。板塊構(gòu)造和氣候通過(guò)確定緯度和日照時(shí)間、溫度或物質(zhì)循環(huán)，對(duì)海洋和陸地生命的發(fā)展至關(guān)重要。此外，在控制生物多樣性的各種作用力中，養(yǎng)分供應(yīng)被認(rèn)為是最有影響力的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素之一，海洋攝入的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)主要與河流徑流有關(guān)，其將大陸地形侵蝕的沉積物重新分配到海洋中。然而，以往海洋物質(zhì)通量與侵蝕之間的關(guān)系只能通過(guò)定性評(píng)估，如Sr同位素分析，goSPL模型則能夠通過(guò)對(duì)地球系統(tǒng)過(guò)程中沉積物通量連續(xù)計(jì)算，更好地量化地貌演化在生物圈長(zhǎng)期演變中可能發(fā)揮的作用。

顯生宙海洋生物多樣性演化呈現(xiàn)出3個(gè)主要階段（圖3）：在寒武紀(jì)原始動(dòng)物群出現(xiàn)之后，古生代動(dòng)物群經(jīng)歷了一個(gè)快速多樣化的初始階段 （奧陶紀(jì)—志留紀(jì)），并一直持續(xù)到二疊紀(jì)；三疊紀(jì)為低生物多樣性階段；自侏羅紀(jì)開(kāi)始海洋動(dòng)物群呈現(xiàn)持續(xù)多樣化發(fā)展。goSPL模型預(yù)測(cè)的海洋沉積物通量變化與顯生宙生物多樣性演化3個(gè)主要階段吻合較好，表明地貌演化過(guò)程以及海洋沉積物通量是海洋生物多樣性的主要控制因素。

圖3 顯生宙海洋沉積物模擬通量與海洋物種多樣性關(guān)系 （據(jù)Salles et al.，2023a）Fig.3 Simulated marine net sediment flux and diversification of biosphere for the Phanerozoic（after Salles et al.，2023a）

4 未來(lái)展望

古地貌作為構(gòu)造尺度古氣候、古洋流模式模擬的重要邊界條件，為跨圈層耦合、多學(xué)科交叉研究提供了重要途徑。但目前已有的古地貌重建模型，無(wú)法分辨千年—軌道尺度等短暫地質(zhì)事件，更難與高精度的地質(zhì)觀測(cè)記錄進(jìn)行對(duì)比；此外，因?yàn)楦叱檀弥笜?biāo)本身的不確定性，不同古地貌重建模型也存在差異。迫切需要開(kāi)展超高 （時(shí)間和空間）分辨率的海陸古地貌重建。