古地貌動態(tài)模擬研究進展綜述*

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)教育部前沿科學中心，海底科學與探測技術教育部重點實驗室，中國海洋大學海洋地球科學學院，山東青島 266100

2 嶗山實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東青島 266237

1 概述

深部地球過程及表層系統(tǒng)可能通過復雜的反饋關系進行耦合的理念，是當代地球系統(tǒng)科學最令人激動的進展之一 （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)的關鍵界面，是地球內外動力共同作用的結果（Bukharietal.，2022；Chengetal.，2024）。作為地質歷史時期一系列內外地質活動 （區(qū)域構造作用、沉積壓實作用、風化及剝蝕等）綜合作用的產物（楊振等，2016），古地貌成為我們了解深時地球的重要基礎 （Sallesetal.，2023a，2023b）。

數值模擬與計算機軟硬件的發(fā)展，為地質學綜合研究提供了進一步發(fā)展的新機遇，推動了地質學研究范式的轉變，即從定性描述、單過程模擬為主轉向以定量的、多過程耦合綜合模擬為核心的新范式（朱阿興等，2019）。自20世紀90年代以來，許多軟件被設計用于評估各種機制 （如構造或氣候強迫）對地貌和沉積盆地演化的影響，這些模型依靠一組數學和物理表達式來模擬泥沙侵蝕、搬運和沉積，并能重現地球表面地貌和沉積演化的復雜性（Salles and Hardiman，2016；Salles，2019）。然而，用于評估區(qū)域或全球尺度地表演化及其與大氣、水圈、構造和地幔動力學相互作用的工具較少，這即要求結合地理信息系統(tǒng)、大數據處理以及數值模擬等技術，還要提供全面的地表演變模擬和可視化功能。地球系統(tǒng)理論的進步以及計算機模擬技術、分析工具的發(fā)展及精細化，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基礎，使得古地貌動態(tài)重建成為可能。

已有的全球古地貌模型——Paleo-DEM （數字古高程）模型 （Scotese and W right，2018），主要基于巖相古地理和洋殼年齡／深度關系等方法獲得。Paleo-DEM模型重建了5.4億年以來的全球古陸地高程，模型時間間隔為5Mya、網格精度為0.1°×0.1°（即10 km×10 km）；該模型在西太平洋局部地區(qū)存在明顯錯誤，如南海海盆于～40Ma已打開并開始接受海相沉積、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今的地貌位置變遷。真實的海底古地貌重建是Müller等 （2008）基于水深—年齡關系重建的，海底空間分辨率為10 km×10 km，時間分辨率為5Myr，且可靠的海底古地貌重建只到2億年。這2個模型（圖1），存在海陸割裂的問題，且均對于古地貌演化過程中的定量化分析及其環(huán)境、資源效應以及深部地球動力和淺表過程的耦合過程研究較少。

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

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

2 古地貌動態(tài)模擬技術：以Badlands和goSPL為例

Badlands古地貌模擬軟件基于定量的構造、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地貌演化的共同塑造過程，動態(tài)重建大陸或盆地尺度數百萬年的地貌演化和沉積成盆過程（Salles and Hardiman，2016；Sallesetal.，2017；劉澤等，2020；Bukharietal.，2022；Chengetal.，2024）。Badlands軟件通過子流域劃分的方式計算地表侵蝕和沉積物搬運的簡化河道和山坡過程，其模擬過程主要遵循質量守恒方程：

其中，左側為地面高程z的單位時間增量 （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包括河流搬運過程沉積物通量qr（m2／yr）和山坡滑移過程通量qd（m2／yr），公式如下：

其中，?為可侵蝕系數，P為凈降水量 （m／yr），A為流域面積，m和n為常數，一般比值為0.5，k為擴散系數 （Liuetal.，2020；Bukharietal.，2022）。目前，前人利用Badlands軟件，針對澳大利亞深部地幔對流對水系演化的影響 （Sallesetal.，2017）、北美西南部構造—氣候—地表過程的耦合效應 （Bahadorietal.，2022）以及東亞陸架新近紀構造及氣候強迫對地貌和沉積物分布的影響（Chengetal.，2024）等區(qū)域科學問題進行了探討，該軟件也被證實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EarthCodeLab小組開發(fā)的一個基于Python的可擴展并行數值模型，能夠模擬全球尺度的地貌演化和受板塊構造、古地形和古氣候影響的地層沉積正演過程 （Sallesetal.，2023a，2023b）。該模型從完整的沉積路徑角度出發(fā)，綜合考慮了板塊運動、構造隆升沉降、氣候和沉積條件等不同情景，闡述了沉積過程對不同地球系統(tǒng)參數響應的復雜性。其相對于現有地貌演化模型 （如Badlands），goSPL對于板塊水平運動、地層巖性差異及其壓實作用有更好的應用效果，且側重全球尺度的地表侵蝕和沉積物搬運等問題，對理解深時全球地表演化和相關地層形成提供了新的見解 （Sallesetal.，2020）。其算法與Badlands類似，同樣遵循質量守恒方程：

其中，方程左側為地面高程z的單位時間增量（m），方程右側u為地形變化量 （m／yr），k為擴散系數，?為可侵蝕系數，P為凈降水量（m／yr），d為正指數，Pd代表了降水的風化影響及其對河流切口的強化作用，A為流域面積，PA代表凈降水量與流域面積相結合的徑流水通量，m和n為常數，一般比值為0.5。除了遵循基本的質量守恒方程外，goSPL開發(fā)團隊根據現有的地層模型，通過擴散方程模擬海洋沉積物的運輸和沉積，該方程假設運輸僅與坡度成正比，因此海洋區(qū)域的高程變化率可以表示為：

式中，km代表海相沉積物擴散系數（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的古地貌演化及其盆地沉積響應，探討了古地貌演化與剝蝕、沉積作用的關系以及古河流沉積通量對生物圈長尺度演化的控制作用等科學問題（Sallesetal.，2023a，2023b）。

3 典型應用實例

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）。受特提斯構造域向太平洋構造域轉換的影響 （李三忠等，2022），東亞陸緣經歷了中生代古華夏山脈的垮塌和華北克拉通破壞過程，形成了現今東傾的地形、一系列大江大河和近海盆地?；诖吮尘埃劢箹|亞地形倒轉及水系重組過程，利用Badlands軟件，針對華北克拉通破壞、長江三峽貫通等問題，依次開展了相關研究工作。

宋雙雙等 （2024）主要通過構建古土壤風化指標 （PWI、CFXNa）、碳酸鹽同位素等數據庫，并結合磷灰石／鋯石裂變徑跡、剝蝕厚度恢復、海平面變化等數據，定量化動態(tài)模擬了早白堊世期間華北克拉通破壞的古地貌演變過程。模擬結果表明，早白堊世期間，華北克拉通經歷了由 “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流、構造事件、古氣候、侵蝕和沉積等地球深淺部多種因素對于地形地貌的貢獻，動態(tài)重建了黃河下游25Ma以來的地貌演化過程。發(fā)現，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，陸架海沉降是該時期地貌演化的一級控制因素；此外，該時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間不晚于早新近紀，可能在全新世期間消亡。

田子晗等 （2024）動態(tài)重建了長江 “第一彎”以東地區(qū)晚白堊世 （80Ma）以來的長江流域地貌及水系演化過程。模擬結果表明，青藏東部及上揚子西南緣晚始新世—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”反轉為 “西南高東北低”；新生代早期，江漢盆地長期受控于中國東部的裂陷環(huán)境，持續(xù)處于較低基準面。四川盆地的水系反轉和江漢盆地的持續(xù)低基準面，最終導致位于二者之間的長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造模型與一系列古氣候重建模型相結合，綜合考慮河流下切、沉積物山坡滑移、壓實作用、構造過程 （水平和垂直位移）以及氣候條件 （降水與海平面波動）等因素，并將其應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的PALEOMAP全球板塊構造模型作為其古高程以及構造事件的邊界條件，并加載全球古降水數據集 （Valdesetal.，2017），利用goSPL軟件，動態(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程（圖2）。該模型提供了地球系統(tǒng)各項指標的連續(xù)量化，包括全球地貌、沉積通量和地層結構，重新評估了地表過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合，探討了全球沉積通量變化對物種演化的控制作用。

圖2 顯生宙的地貌演化及相關的侵蝕沉積模式 （據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來影響大氣環(huán)流。板塊構造和氣候通過確定緯度和日照時間、溫度或物質循環(huán)，對海洋和陸地生命的發(fā)展至關重要。此外，在控制生物多樣性的各種作用力中，養(yǎng)分供應被認為是最有影響力的環(huán)境驅動因素之一，海洋攝入的營養(yǎng)物質主要與河流徑流有關，其將大陸地形侵蝕的沉積物重新分配到海洋中。然而，以往海洋物質通量與侵蝕之間的關系只能通過定性評估，如Sr同位素分析，goSPL模型則能夠通過對地球系統(tǒng)過程中沉積物通量連續(xù)計算，更好地量化地貌演化在生物圈長期演變中可能發(fā)揮的作用。

顯生宙海洋生物多樣性演化呈現出3個主要階段（圖3）：在寒武紀原始動物群出現之后，古生代動物群經歷了一個快速多樣化的初始階段 （奧陶紀—志留紀），并一直持續(xù)到二疊紀；三疊紀為低生物多樣性階段；自侏羅紀開始海洋動物群呈現持續(xù)多樣化發(fā)展。goSPL模型預測的海洋沉積物通量變化與顯生宙生物多樣性演化3個主要階段吻合較好，表明地貌演化過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系 （據Salles et al.，2023a）Fig.3 Simulated marine net sediment flux and diversification of biosphere for the Phanerozoic（after Salles et al.，2023a）

4 未來展望

古地貌作為構造尺度古氣候、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，無法分辨千年—軌道尺度等短暫地質事件，更難與高精度的地質觀測記錄進行對比；此外，因為高程代用指標本身的不確定性，不同古地貌重建模型也存在差異。迫切需要開展超高 （時間和空間）分辨率的海陸古地貌重建。