華北早白堊世古地貌動(dòng)態(tài)演變及熱河生物群東遷*

宋雙雙 索艷慧 李三忠 丁雪松韓 續(xù) 田子晗 付新建

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

3 加州大學(xué)洛杉磯分校地球行星與空間科學(xué)學(xué)院，美國(guó)加州洛杉磯 CA90095

1 概述

受控于復(fù)雜的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換，華北克拉通在中生代期間發(fā)生了強(qiáng)烈的破壞作用，其破壞峰值出現(xiàn)在早白堊世約 125Ma（朱日祥等，2011；Liuetal.，2015；Wangetal.，2018；Wuetal.，2019）。除深部地幔減薄與物理化學(xué)性質(zhì)的改變之外，華北克拉通破壞還伴隨淺部的地殼伸展作用、大規(guī)模的火山活動(dòng)、斷陷盆地的發(fā)育、變質(zhì)雜核巖及大量金屬礦產(chǎn)的形成等 （陳印等；2009；李三忠等，2009；林偉等，2013；李振宏等，2014，2016；湯艷杰等，2021）。變質(zhì)核雜巖集中在華北克拉通的南、北邊緣，是巖漿活動(dòng)與強(qiáng)烈伸展作用下的共同產(chǎn)物 （朱光等，2008）；華北東部中、小型裂谷盆地呈面狀分布，且正斷層十分發(fā)育 （朱光等，2021），受巖漿活動(dòng)的影響，盆地內(nèi)普遍發(fā)育陸相火山沉積，而盆地外廣泛分布侵入巖，反映了顯著的克拉通破壞 （許歡等，2013a；朱光等，2021）；東部地塊伸展作用強(qiáng)烈，而西部地塊受弱伸展作用的影響，發(fā)育大型坳陷或斷—拗結(jié)合樣式的盆地，巖漿、斷層活動(dòng)微弱，表現(xiàn)出穩(wěn)定克拉通的狀態(tài)（王建超，2019；朱光等，2021）。

此外，侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)期間，華北地區(qū)的冀北—遼西—內(nèi)蒙古東南部一帶，分布著一個(gè)極其重要的生物群—熱河生物群，早期以東方葉肢介 （Eosestheria）、三尾擬蜉蝣 （Ephemeropsistrisetalis）和狼鰭魚(yú) （Lycoptera davidi） 為典型代表 （Chenetal.，1988；雷廣臻等，2005）。熱河生物群的起源以華北北部燕遼地區(qū)為代表區(qū)域，其中冀北—遼西及內(nèi)蒙古東南部地區(qū)產(chǎn)出了門(mén)類(lèi)眾多、保存精美生物群化石 （王思恩，1990；Zhouetal.，2021）。復(fù)雜豐富的生態(tài)鏈與龐大的生態(tài)系統(tǒng)使其成為研究陸相生物演化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，尤其是早期鳥(niǎo)類(lèi)、帶羽毛恐龍以及早期被子植物化石的發(fā)現(xiàn)，引起了科學(xué)界的重大關(guān)注 （張立軍，2013；徐星等，2019）。前人通過(guò)代表性化石群序列的建立、生物化石分析等方法發(fā)現(xiàn)，熱河生物群時(shí)期的脊椎動(dòng)物 （主要以恐龍、鳥(niǎo)類(lèi)等為代表）、無(wú)脊椎動(dòng)物 （主要以葉肢介、介形蟲(chóng)和昆蟲(chóng)為代表）以及被子植物等均發(fā)生了輻射，尤其是火山活動(dòng)最為頻繁的128—120Ma期間，是生物群輻射的主要階段 （周忠和，2006；張立軍，2013）。氣候變遷和構(gòu)造活動(dòng)是影響生物群演化的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素，熱河生物群的繁盛期對(duì)應(yīng)著華北克拉通破壞的峰值 （～125Ma）時(shí)期，華北克拉通破壞導(dǎo)致的地理環(huán)境和棲息環(huán)境的變化，可能是造成生物群繁盛與更替的主要影響因素之一 （Zhouetal.，2003；柳永清等，2009；Zhou and Wang，2017；Yuetal.，2021）。如：華北克拉通破壞過(guò)程中造成的構(gòu)造活動(dòng)導(dǎo)致了斷陷盆地的廣泛發(fā)育，形成了眾多相對(duì)獨(dú)立的湖泊環(huán)境 （殷藝天等，2022）；大規(guī)模的火山噴發(fā)，為植被的生長(zhǎng)帶來(lái)了豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使原有的生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生迅速變化甚至瓦解，促進(jìn)了生物群的更替與演化（黃迪穎，2015；朱日祥等，2020）。因此，厘清華北早白堊世的古地貌演化過(guò)程，是深入理解華北地區(qū)古地理環(huán)境、古氣候與生物群落演變之間關(guān)系的關(guān)鍵 （夏國(guó)清等，2012；Liuetal.，2015；程光鎖等，2019；Yuetal.，2021）。

然而，目前對(duì)整個(gè)華北地區(qū)早白堊世古地貌演變過(guò)程的整體認(rèn)識(shí)，主要是基于構(gòu)造解析（Lietal.，2012，2013；Mengetal.，2019；陳宣華等，2019；Juetal.，2021）、沉積相恢復(fù)（王禎鴻，1985；Liuetal.，2015；郭艷琴等，2019；Zhaoetal.，2020）、大陸巖石圈結(jié)構(gòu)演化（張旗等，2008；Liuetal.，2019；Sunetal.，2021）等資料的定性和片段化描述。本研究則基于上述綜合研究，另辟蹊徑，從定量化、動(dòng)態(tài)式重建的角度，精細(xì)模擬并刻畫(huà)華北地區(qū)早白堊世期間的古地貌動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。

為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，本研究采用Badlands古地貌模擬軟件，以地球系統(tǒng)多圈層耦合互作的理念，綜合并定量化計(jì)算華北地區(qū)多圈層因素 （如動(dòng)力地形、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面變動(dòng)、氣候變化等）對(duì)地表地形的貢獻(xiàn)度或影響程度，模擬了華北地區(qū)早白堊世期間 （145—100Ma）的古地貌動(dòng)態(tài)演化過(guò)程。模擬結(jié)果表明，在晚侏羅世—早白堊世之交（～145Ma），華北地區(qū)東部 （現(xiàn)今燕山、渤海灣盆地及魯西地區(qū)）存在一個(gè)海拔高達(dá)3000m的華北古高原，該古高原于135Ma發(fā)生了垮塌破壞，華北地貌開(kāi)始向 “西高東低”轉(zhuǎn)變；早白堊世期間，華北地區(qū)裂陷盆地自西向東的遷移，導(dǎo)致熱河生物群也具有自西向東的遷移規(guī)律。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

華北克拉通中生代期間位于古特提斯洋、古太平洋、古亞洲洋三大構(gòu)造域的交匯區(qū)域，北側(cè)為中亞造山帶和陰山—燕山造山帶，南側(cè)與秦嶺—大別造山帶相接，西接賀蘭山—六盤(pán)山造山帶，東臨郯廬斷裂帶與蘇魯造山帶，是中國(guó)最大、最古老的克拉通 （公王斌等，2016；Mengetal.，2019）（圖1）。受古太平洋板塊西向俯沖作用的影響，華北克拉通經(jīng)歷了強(qiáng)烈的破壞作用，以巖石圈減薄、地幔性質(zhì)轉(zhuǎn)變、大規(guī)模巖漿活動(dòng)及彌散性伸展構(gòu)造（包括變質(zhì)核雜巖、拆離斷層和斷陷盆地）為主要標(biāo)志 （朱光等，2008；朱日祥和徐義剛，2019；湯艷杰等，2021）。具體過(guò)程如下：中生代期間，尤其是侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)期間，受控于復(fù)雜的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換，華北克拉通發(fā)生了垮塌破壞，地形地貌隨之發(fā)生了劇烈變化，開(kāi)始向 “西高東低”轉(zhuǎn)變 （Lietal.，2015；李振宏等，2016）。早—中侏羅世期間，華北克拉通處于弱伸展階段；中—晚侏羅世期間，受燕山運(yùn)動(dòng)的影響，華北地區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)烈擠壓—造山作用 （李三忠等，2011；Lietal.，2015）；早白堊世期間，華北克拉通由擠壓構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變?yōu)樯煺箻?gòu)造體制，標(biāo)志著華北克拉通破壞的開(kāi)始和發(fā)展，受東側(cè)古太平洋板塊俯沖后撤的影響，華北地區(qū)處于統(tǒng)一的NW－SE向伸展構(gòu)造環(huán)境，并于125Ma時(shí)達(dá)到了破壞作用峰值 （林偉等，2013；Lietal.，2015；李振宏等，2016）；晚白堊世期間，華北克拉通東西部表現(xiàn)為不同的應(yīng)力體制，其中東部地塊在此期間經(jīng)歷了多次的擠壓—伸展交替作用，而西部地塊則表現(xiàn)為持續(xù)的弱伸展 （王建超，2019；朱日祥和徐義剛，2019）。白堊紀(jì)晚期至新生代初期，東部地塊進(jìn)入裂陷階段，渤海灣盆地開(kāi)始發(fā)育。

圖1 華北地區(qū)構(gòu)造格架Fig.1 Tectonic setting of North China

趙國(guó)春和孫敏 （2002）根據(jù)華北克拉通前寒武系基底將其劃分為西部地塊、中部地塊與東部地塊（圖1－c）。西部地塊主要指鄂爾多斯盆地及其周緣地區(qū)，其北緣為陰山造山帶 （狼山—色爾滕山—大青山造山帶），南緣為秦嶺—大別造山帶，東西兩側(cè)分別為呂梁山地區(qū)和賀蘭山—六盤(pán)山地區(qū)（陳印等，2017；Zhaoetal.，2020；Sunetal.，2022）。中部地塊主要指華北克拉通中央呈NNE向展布的呂梁山—太行山地區(qū)以及二者中間的山西裂谷帶 （主要包含現(xiàn)今的大同盆地、寧武—靜樂(lè)盆地、汾渭地塹等），其北鄰為中亞造山帶，南部以秦嶺—大別造山帶為界。東部地塊指現(xiàn)今華北平原一帶，主要包括現(xiàn)今的渤海灣盆地、燕山造山帶、膠萊盆地及魯西地區(qū)。在華北克拉通破壞期間，中—西部?jī)H表現(xiàn)為克拉通的改造，現(xiàn)今地殼厚度仍可達(dá)到100～200 km （翟明國(guó)，2019；湯艷杰等，2021）。東部地區(qū)整體破壞作用強(qiáng)烈，主要發(fā)育一系列伸展盆地和變質(zhì)雜核巖（陳宣華等，2019），其下部巖石圈發(fā)生了明顯的減薄，現(xiàn)今的巖石圈厚約60～80 km且具有易熔和同位素虧損的特征 （湯艷杰等，2021），其中渤海灣盆地是華北克拉通的垮塌中心（朱日祥和鄭天愉，2009；李三忠等，2011）。

3 古地貌模型構(gòu)建

Badlands是一個(gè)綜合考慮了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面變動(dòng)、氣候變化、流系演化以及沉積物侵蝕和堆積過(guò)程等因素，從而來(lái)約束地表過(guò)程的軟件 （Salles，2016；Sallesetal.，2018）。該軟件需要加載初始古地形或者古高程、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的構(gòu)造地形或者動(dòng)力地形、海平面變化等參數(shù)，動(dòng)態(tài)恢復(fù)古地貌及水系演變過(guò)程。

該軟件的模擬過(guò)程主要遵循質(zhì)量守恒：

即地表高程z（m）的變化是由地表的侵蝕沉積過(guò)程 ·qs和構(gòu)造隆升u（m／yr）共同決定的。其中，qs為沉積物通量，單位m2／yr。地表的侵蝕沉積是通過(guò)兩個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)：河流侵蝕過(guò)程和斜坡蠕動(dòng)，并分別遵循如下公式：

其中qr、qd分別表示河流侵蝕與土壤蠕變通量；∈為可侵蝕性系數(shù)；A為流域面積；z為地形梯度；k表示擴(kuò)散系數(shù)；m和n是表示沉積物通量及輸運(yùn)能力的無(wú)量綱數(shù)，通常具有m／n＝0.5的關(guān)系 （Whipple and Tucker，1999；Tucker and Hancock，2010）。

華北克拉通在早白堊世基本已經(jīng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此本次構(gòu)造重建只涉及構(gòu)造單元的垂直升降，不涉及板塊的水平運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) （Torsviketal.，2012；Huangetal.，2018）。作者首先通過(guò)古土壤同位素、沉積相等數(shù)據(jù)，構(gòu)建了研究區(qū)（33°N～42°N，105°E～123°E；圖1）在145Ma的初始古地形（表1）；再利用磷灰石裂變徑跡等數(shù)據(jù)，計(jì)算出各構(gòu)造單元的隆升／剝蝕量（表2）；最后結(jié)合侵蝕、降雨等因素，考慮了巖石圈構(gòu)造變形、地表沉積物侵蝕和堆積過(guò)程等多圈層因素對(duì)古高程變化的定量化貢獻(xiàn)因素，利用Badlands軟件模擬了白堊紀(jì)期間 （145—100Ma）的古地貌演化過(guò)程。

表1 華北早白堊世初始古地形參考數(shù)據(jù)Table 1 Initial paleotopographic reference data in the Early Cretaceous in North China

表2 華北早白堊世構(gòu)造地形參考數(shù)據(jù)Table 2 Tectonic topographic reference data in the Early Cretaceous in North China

3.1 初始古地形構(gòu)建

本研究構(gòu)建的初始古地形，主要基于收集的古土壤同位素?cái)?shù)據(jù)和古土壤風(fēng)化數(shù)據(jù)（表1），利用高程—溫度梯度 （～5.5℃／km），實(shí)現(xiàn)古高程的定量計(jì)算，原理如下：地表溫度具有隨海拔升高而降低的特征；沉積物中蘊(yùn)含著豐富的古環(huán)境信息，且沉積物材料豐富易獲得。此外，對(duì)于沒(méi)有上述二者數(shù)據(jù)覆蓋的地區(qū)，利用巖相古地理數(shù)據(jù)，進(jìn)行了初始古地形的限制。

3.1.1 古土壤同位素?cái)?shù)據(jù)

碳酸鹽團(tuán)簇同位素與碳酸鹽穩(wěn)定同位素（δ18O、δ13C）是近幾年興起的測(cè)溫技術(shù)。其中，碳酸鹽團(tuán)簇同位素法通過(guò)測(cè)量碳酸鹽礦物同位素團(tuán)簇的豐度值 （△47），來(lái)定量獲得礦物形成時(shí)的溫度 （Eiler，2006）。Quade等 （2013）通過(guò)對(duì)現(xiàn)代土壤樣品的分析研究，得到了△47與年平均溫度 （MAAT）間的轉(zhuǎn)換關(guān)系：MAAT（℃）＝1.2（T℃ （△47））－21.72。碳酸鹽穩(wěn)定同位素 （δ18O、δ13C）法是通過(guò)計(jì)算與相鄰低海拔區(qū)域同位素豐度之差，來(lái)反應(yīng)兩地區(qū)古地貌之間的差異 （Row ley and Garzione，2007；H ren and Sheldon，2012）。這2種方法現(xiàn)已成功應(yīng)用在始新世天山造山帶、青藏高原以及白堊世遼西地區(qū)的古溫度重建中，為確定古高程提供了新的方法和思路 （Snelletal.，2014；Wangetal.，2020；Zhangetal.，2021；Xiongetal.，2022）。

在本研究模型中，通過(guò)2種古土壤同位素?cái)?shù)據(jù)計(jì)算出的地表古溫度，并與同時(shí)期青藏高原地區(qū)古高程—古溫度進(jìn)行對(duì)比，對(duì)鄂爾多斯盆地初始古高程進(jìn)行了有效限制（表1）。

3.1.2 古土壤風(fēng)化數(shù)據(jù)

沉積物的風(fēng)化程度受其形成和保存環(huán)境影響巨大，氣候是主要的控制因素之一。在風(fēng)化過(guò)程中，巖石中的礦物元素會(huì)發(fā)生不同程度的損失，因此，巖石中某元素的化學(xué)虧損比例可表示為：

化學(xué)風(fēng)化指數(shù)τX(jué)＝－CDFX＝（X土壤／X基巖）×（Zr基巖／Zr土壤）－1（Rasmussenetal.，2011；秦建銘等，2020）。在基巖風(fēng)化過(guò)程中，Na的虧損指數(shù)可以作為很好的陸表風(fēng)化強(qiáng)度指標(biāo)，因此，Yang等（2016）建立起了年平均溫度 （MAT）與τNa之間的轉(zhuǎn)換方程：

Gallagher和Sheldon（2013）對(duì)158組現(xiàn)代土壤的化學(xué)風(fēng)化數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，推導(dǎo)出了年平均溫度與土壤風(fēng)化層主要陽(yáng)離子 （Na、Mg、K、Ca）相對(duì)損失的古土壤風(fēng)化指數(shù) （PWI）之間的新的古土壤古測(cè)溫關(guān)系：

其中，Na、Mg、K、Ca為4種元素陽(yáng)離子的單位質(zhì)量百分濃度。

以上2種方法已成功應(yīng)用到古、中、新生代地表古溫度重建工作中 （Yangetal.，2016，2018，2020；Bucheretal.，2020；秦建銘等，2020；Gaoetal.，2021）。本研究以中國(guó)東部酸性巖為基巖，結(jié)合古土壤風(fēng)化數(shù)據(jù)，來(lái)定量求取華北東部地區(qū)的地表古溫度。

3.1.3 沉積相數(shù)據(jù)

不同沉積環(huán)境的巖相和巖石類(lèi)型可用于約束古地形和古水深 （Horton，2018）。雖然一直以來(lái)沉積相數(shù)據(jù)，被認(rèn)為不適用于量化地貌單元的高程變化，但仍然可用于間接估算高程變化量。如一些陸表盆地與前三角洲海拔一般分布在－50～－200m之間，沖積平原與較低的河流系統(tǒng)沉積海拔在海平面以上、200m 之內(nèi)等 （劉少峰和王成善，2016）。由于鄂爾多斯盆地面積較大，僅依靠古土壤同位素?cái)?shù)據(jù)等手段難以進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，因此本研究還利用沉積相 （即古地理環(huán)境）對(duì)其古高程進(jìn)行了有效約束（表1）。

3.2 構(gòu)造地形構(gòu)建

3.2.1 熱年代學(xué)研究

熱年代學(xué)手段可以通過(guò)提供巖石中特定礦物冷卻時(shí)間和速率等信息，進(jìn)而揭示巖體在某個(gè)地質(zhì)歷史時(shí)間內(nèi)的抬升／侵蝕過(guò)程和構(gòu)造熱事件 （李理和鐘大賚，2018；李理等，2018）。目前研究較為成熟的是磷灰石、鋯石裂變徑跡分析，其裂變徑跡長(zhǎng)度可以記錄熱歷史演化的溫度信息，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于構(gòu)造熱史分析中 （邱楠生等，2006；賈楠等，2015；許立青等，2016）。本研究依據(jù)前人研究中得到的熱年代學(xué)信息（表2），結(jié)合相應(yīng)地區(qū)的構(gòu)造演化歷史，重建了其關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期的構(gòu)造地形（垂向抬升量）。

3.2.2 剝蝕厚度恢復(fù)

剝蝕厚度恢復(fù)是恢復(fù)盆地原型的重要方法之一，當(dāng)前確定地層剝蝕量的方法包括磷灰石裂變徑跡法、地震層速度法、地質(zhì)外推法、鏡質(zhì)體反射率法、構(gòu)造橫剖面法等 （紀(jì)友亮等，2004a，2004b，2006；王明健等，2012）。針對(duì)渤海灣盆地地區(qū)，本研究主要利用了剝蝕厚度恢復(fù)數(shù)據(jù)。

4 模擬結(jié)果

4.1 古地形重建

重建的古地形與地質(zhì)歷史時(shí)期的巖相古地理重建結(jié)果吻合（圖2；圖3）。在侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)之交（145Ma），華北克拉通整體呈現(xiàn)出 “東高西低”的特征，燕山造山帶可達(dá)3500m；太行山以東是一個(gè)巨大的高原，海拔普遍在2900m以上。這與張旗等 （2008）基于對(duì)中國(guó)東部埃達(dá)克巖和喜馬拉雅型花崗巖時(shí)空分布特征分析提出的、存留于中侏羅世—早白堊世的華北古高原結(jié)果一致。作為現(xiàn)今華北東、西部的過(guò)渡地帶，太行山在中侏羅世晚期曾發(fā)生過(guò)1期隆升事件，此時(shí)高程約在2350～2700m （許歡，2016；文一雄，2021）；西部地塊海拔約在2000m，鄂爾多斯盆地表現(xiàn)為一個(gè)巨大的湖盆，是華北地區(qū)的主要沉積區(qū) （許歡等，2013a；林玉祥等，2015）（圖2）。

圖2 華北克拉通早白堊世初 （145Ma）古地理 （a）與模擬古高程 （b）Fig.2 Palaeogeography（a）and modeled results（b）of the North China Craton at the earliest Cretaceous（145Ma）

圖3 華北關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期古地理與模擬古高程 （a圖據(jù)朱日祥和鄭天愉，2019；b圖據(jù)王鴻禎，1985）Fig.3 Comparison between modeled results with corresponding palaeogeography in key geological period in North China（Fig.a according to Zhu and Zheng，2019；Fig.b according to Wang，1985）

145—135Ma期間，華北西部地塊普遍表現(xiàn)為沉積區(qū)。同時(shí)，受燕山運(yùn)動(dòng)的影響，鄂爾多斯盆地表現(xiàn)為一個(gè)四周隆起、相對(duì)封閉的內(nèi)陸盆地，盆地流域面積開(kāi)始減小、湖泊逐漸萎縮（黃永波，2010；何登發(fā)等，2021；圖2－b）；盆地西側(cè)賀蘭山—六盤(pán)山地區(qū)繼承了晚侏羅世的擠壓構(gòu)造背景，賀蘭山隆升至約3500m，六盤(pán)山盆地則作為沉積物匯區(qū)接受了大量的山前堆積（董云鵬等，2021）。北部燕山、大青山地區(qū)發(fā)生區(qū)域性構(gòu)造活動(dòng)，發(fā)育了一系列山間盆地。東部魯西地塊受到近SN向的拉伸作用，沿著印支期的先存斷裂形成了斷陷盆地，此時(shí)華北東部最大沉降速率出現(xiàn)在膠萊盆地，沉降量可達(dá)1790m；渤海灣盆地處于差異性沉降階段（漆家福等，2003；陳印等，2009；唐智博等，2011）。

自135Ma開(kāi)始，華北東部古高原開(kāi)始垮塌、地形降至2500m以下，周口、魯西南、南華北等山間盆地出現(xiàn)。鄂爾多斯盆地在區(qū)域應(yīng)力的作用下整體發(fā)生抬升，表現(xiàn)為殘存的克拉通盆地 （楊鵬等，2021）。125Ma時(shí)，古太平洋板塊俯沖后撤回卷與后撤速率達(dá)到最大，華北克拉通的破壞達(dá)到峰值，華北東部陸塊發(fā)育了大量斷陷盆地，如呈NE—NNE向展布的冀中坳陷、濟(jì)陽(yáng)坳陷、膠萊盆地等，并伴隨著巨量的巖漿作用 （朱日祥和徐義剛，2019；張喬等，2020）。同時(shí)，太行山、呂梁山開(kāi)始隆升（圖3－b），使華北西部地塊沉積中心發(fā)生了向西的遷移 （Zhaoetal.，2020）；受巖漿侵入作用的影響，燕山造山帶內(nèi)的部分巖體與遼東半島發(fā)生了隆升剝蝕，渤海灣盆地中遼東灣坳陷、渤中坳陷、濟(jì)陽(yáng)坳陷等接受了來(lái)自周?chē)∑饎兾g區(qū)的沉積，平均沉積厚度小于1000m （朱光等，2008；陳子健，2019；陳慧等，2022）。

早白堊世晚期 （125～100Ma），華北克拉通東部不同規(guī)模斷陷盆地廣泛發(fā)育的構(gòu)造格局與西部相對(duì)穩(wěn)定環(huán)境下發(fā)育的拗陷式盆地形成鮮明對(duì)比（朱光等，2021）。東部地塊處于伸展應(yīng)力狀態(tài)，廣泛發(fā)育斷陷盆地，各盆地差異沉降（圖3－d）。渤海灣盆地進(jìn)入裂陷沉降期，表現(xiàn)為沉積物的快速填充，最小沉降量約為400～500m，最大沉降量在600～1400m之間，盆地格架形成 （陳印等，2017；許威，2017；李晨等，2022）。膠萊盆地在此期間仍持續(xù)發(fā)生火山活動(dòng)，在盆地內(nèi)沉積了1套火山巖（朱光等，2008）；華北西部六盤(pán)山盆地在弱伸展背景下開(kāi)始斷陷接受穩(wěn)定沉積，鄂爾多斯盆地在擠壓作用下抬升，同時(shí)受干旱氣候影響，流域面積進(jìn)一步減小、湖盆消失，白堊紀(jì)鄂爾多斯盆地總體沉降量約為600～1200m （公王斌等，2016）；太行—呂梁地區(qū)以及陰山—燕山造山帶表現(xiàn)為山脈區(qū)大幅度隆升至4500m以上，山間差異性沉降。與早白堊世早期相比，華北克拉通東部的強(qiáng)伸展活動(dòng)帶發(fā)生了從克拉通南、北緣向內(nèi)部遷移，表現(xiàn)為南、北緣地形相對(duì)隆起，斷陷盆地在現(xiàn)今渤海灣盆地及其鄰區(qū)集中發(fā)育 （朱光和鄭天愉，2009）。

4.2 古流域重建

古降水和海平面升降是影響地表巖石侵蝕、沉積物搬運(yùn)以及流域地貌演變的重要參數(shù) （Wattsetal.，1984；Sallesetal.，2018）。本研究使用了Badlands軟件中的降水模擬模塊及Haq等 （1987）海平面重建方案進(jìn)行古流域重建，年平均降水量使用Badlands軟件默認(rèn)值1000 mm／a。

古流域重建結(jié)果顯示，早白堊世早期 （約135Ma之前），受西伯利亞板塊與華北地塊碰撞隆升的影響，華北北緣逐漸形成相對(duì)華北克拉通內(nèi)部的高地勢(shì)，成為克拉通內(nèi)部主要的物源供給體系（李忠等，2013）。此時(shí)華北西部地形較低，是克拉通內(nèi)部的主要沉積區(qū)，受東高西低地形控制，研究區(qū)發(fā)育一條NE向主水系，水流向西。寧武—靜樂(lè)盆地中生代期間古河流的流動(dòng)方向整體表現(xiàn)為自北向南，證明其陸緣剝蝕區(qū)位于陰山、燕山隆起區(qū)（鄒雨，2017）。冀北、遼西及大青山地區(qū)的各盆地也接受了來(lái)自華北北部、東北部的碎屑沉積，主要發(fā)育自NE向SW 和自NNE向SWW 的古水流 （許歡等，2013b；渠洪杰等，2016；王永超等，2016）。鄂爾多斯盆地北緣主要物源區(qū)為北部陰山造山帶，六盤(pán)山盆地的主要物源區(qū)為北秦嶺及鄂爾多斯地塊（李忠等，2013；寧奧杰，2017）。

早白堊世中晚期，受中部山脈隆起影響，研究區(qū)NE向主水系被逐漸分割（圖3－b）。前人通過(guò)礫巖組構(gòu)統(tǒng)計(jì)、碎屑鋯石定年、盆山系統(tǒng)分析等方法證明，隨著秦嶺與太行—呂梁山脈的不斷隆升，鄂爾多斯盆地南部物源區(qū)主要為北秦嶺一帶，發(fā)育N-NW 和N-NE向2條分支水系，其東部主要接收來(lái)自太行—呂梁地區(qū)的礫質(zhì)山麓—沖積扇體系的沉積物 （王建強(qiáng)等，2011；禹江，2018；李姣莉，2022；圖3－b）。遼西地區(qū)物源供給區(qū)主要位于盆地的北西側(cè)，發(fā)育SE向古水流 （景山，2008）。東部膠萊盆地在早白堊世期間以盆地中部朱吳—海陽(yáng)斷裂帶為界，其西部水流方向大致為NW 至SE向，東部水流方向則為SE 至NW 向 （彭楠等，2015；章朋等，2016；任天龍，2019；圖3－b）。直至100Ma，太行山的強(qiáng)烈隆升導(dǎo)致二者徹底被隔離，分為2條水系（圖3－d），東、西水系各自發(fā)展。

4.3 模擬結(jié)果驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型結(jié)果的可靠性，本研究選取了鄂爾多斯盆地的實(shí)際地質(zhì)演化剖面（圖4－a），對(duì)比了模型中相應(yīng)位置的沉積演化剖面 （圖4－b），二者有很好的對(duì)應(yīng)性。此外，本研究還對(duì)比了模型中渤海灣盆地早白堊世地層的沉積厚度（圖5），其中冀中坳陷、渤中坳陷與黃驊坳陷沉積厚度較小，均小于1000m，濟(jì)陽(yáng)坳陷、臨清坳陷與遼東灣坳陷沉積厚度較大，約在700～1400m之間，是渤海灣盆地在白堊紀(jì)的沉積中心 （吳彥萱，2020；李晨等，2022）。模擬的盆地及部分次級(jí)坳陷的白堊紀(jì)地層沉積厚度、位置、形態(tài)等與地震資料揭示的結(jié)果吻合較好。

5 討論

5.1 古地貌變化對(duì)生物群落分布的控制作用

古環(huán)境、古氣候和構(gòu)造活動(dòng)影響著地球上的生物多樣性。就華北克拉通破壞引起的燕遼—熱河生物群的更替—繁盛—消亡過(guò)程而言，華北古高原逐漸垮塌而轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗪韪窬?、水網(wǎng)交錯(cuò)的宜居生態(tài)環(huán)境，劇烈的火山活動(dòng)促使湖泊生產(chǎn)力顯著提高、裂谷盆地的出現(xiàn)、山脈的劇烈隆升及其引起的氣候變化等綜合環(huán)境效應(yīng)，是引起生物群發(fā)生輻射的重要外部驅(qū)動(dòng)因素，是地球內(nèi)外動(dòng)力作用的綜合效應(yīng)（柳永清等，2009；Yietal.，2019；殷藝天等，2022；Qinetal.，2022）。下文通過(guò)對(duì)比模擬的關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期古地貌結(jié)果，結(jié)合熱河生物群的時(shí)空分布規(guī)律，試圖探討古地貌變化對(duì)熱河生物群遷移演化的控制作用。

5.1.1 熱河生物群發(fā)展階段

熱河生物群是生存在早白堊世極其重要的陸相生物群，其核心分布區(qū)域主要包括河北北部、遼寧西部以及內(nèi)蒙古東南部，主要包括帶羽毛的恐龍、鳥(niǎo)類(lèi)、魚(yú)類(lèi)以及被子植物等，對(duì)該生物群的研究對(duì)于理解鳥(niǎo)類(lèi)及被子植物的起源和早期進(jìn)化具有重要意義 （徐星等，2019；Qinetal.，2022）?；诂F(xiàn)階段發(fā)現(xiàn)的腹足類(lèi)、雙殼類(lèi)、介形類(lèi)等無(wú)脊椎動(dòng)物群化石，可以將熱河生物群的發(fā)展大致分為早、中、晚期3個(gè)階段 （陳丕基，1988；裴軍令等，2019；圖6－a）。熱河生物群早期 （135—130Ma）的分布，主要局限于河北北部和西伯利亞的一個(gè)相對(duì)較小的區(qū)域，生物多樣性相對(duì)有限 （Zhou and Wang，2017）；中期 （130—122Ma）迅速發(fā)生生物輻射，分布范圍與生物多樣性均大幅度擴(kuò)大，達(dá)到生物多樣性最高峰；晚期 （122—110Ma）達(dá)到地理分布最大，向西延伸至中國(guó)新疆地區(qū)，向東延伸至朝鮮半島和日本西南部，向南延伸至中國(guó)西南部 （Zhouetal.，2021；圖6－b）。

圖6 中國(guó)晚中生代古環(huán)境—古氣候—古生物演變 （a）和熱河生物群平面分布 （b）（修改自王大寧等，2016；Qin et al.，2022）Fig.6 Paleoenvironment－paleoclimate-paleontological evolution in the late Mesozoic（a）and distribution of the Jehol Biota（b）in China（modified from Wang et al.，2016；Qin et al.，2022）

5.1.2 熱河生物群演化對(duì)地貌變化的響應(yīng)

模擬結(jié)果表明，145—135Ma時(shí)，在河北北部的燕山地區(qū)首次出現(xiàn)了若干孤立的山間盆地（圖7－a），熱河生物群也在此興起。前人通過(guò)古地磁研究發(fā)現(xiàn)，華北克拉通在侏羅紀(jì)發(fā)生了大規(guī)模由北向南的漂移，使其轉(zhuǎn)移到了亞熱帶—熱帶干旱區(qū)；早白堊世早期華北地區(qū)發(fā)生了第2期旋轉(zhuǎn)，使燕遼地區(qū)首先回到了溫暖濕潤(rùn)氣候帶 （Yietal.，2019）。此時(shí)，華北古高原垮塌，西太平洋暖濕氣流可能影響到華北克拉通最早破壞的東北角，華北地區(qū)的東北部進(jìn)而由干燥逐漸轉(zhuǎn)為適宜的濕暖氣候，生存條件適宜，河流的初次流入使盆地內(nèi)也為生命的再次出現(xiàn)提供了必要條件 （許歡等，2013b）。早白堊世火山活動(dòng)始于燕山西部地區(qū)，時(shí)間從145Ma持續(xù)到135Ma，這一發(fā)現(xiàn)也與生物群興起時(shí)間相吻合 （馬強(qiáng)等，2022）。135—130Ma為熱河生物群發(fā)展早期，生物分布范圍局限且多樣性不高 （裴軍令等，2019），僅存在于河北北部地區(qū)，以大北溝組與花吉營(yíng)組出土的介形蟲(chóng)、無(wú)尾魚(yú)類(lèi)化石為代表，主要以無(wú)脊椎動(dòng)物群為主，華北大部分地區(qū)仍處于干旱—半干旱氣候帶上，環(huán)境溫度尚未大幅度升高，昆蟲(chóng)和無(wú)脊椎動(dòng)物發(fā)育，植物稀少且以針葉林為主，被眾人所熟知的鳥(niǎo)類(lèi)、哺乳動(dòng)物等典型物種尚未出現(xiàn) （萬(wàn)曉樵等，2017；Qinetal.，2022）。

圖7 不同時(shí)期裂谷盆地分布情況及熱河生物群遷移軌跡Fig.7 Distribution of rift basins and inferred migration direction of Jehol Biota

130—122Ma是熱河生物群的繁榮期，此時(shí)生物的足跡已幾乎遍布了整個(gè)華北地區(qū)，相比于其生存早期，生物群分布在這一階段顯著向西、南方向延伸，以遼西、河北北部和內(nèi)蒙古南部廣泛分布的被子植物、翼龍等化石為代表 （Zhou and Wang，2017）。模擬結(jié)果表明，鄂爾多斯盆地145Ma以來(lái)發(fā)育一個(gè)巨大的湖盆（圖7－a），且在盆地西南緣與西北緣沉積了多套凝灰?guī)r，火山活動(dòng)為整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)了豐富的營(yíng)養(yǎng)，繁茂的植物群可以為動(dòng)物提供食物和庇護(hù)所，進(jìn)一步促進(jìn)了熱河生物群向華北西部的遷移 （Zhouetal.，2021；何登發(fā)等，2021）。這一階段大致對(duì)應(yīng)了華北克拉通的破壞峰期，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和火山活動(dòng)共同作用下，形成了盆嶺相間古地理環(huán)境。伴隨著伸展斷陷作用，眾多相對(duì)獨(dú)立、不同規(guī)模的斷陷區(qū)，如冀中坳陷、濟(jì)陽(yáng)坳陷、膠萊盆地、周口盆地等在華北地區(qū)廣泛發(fā)育，擴(kuò)大了生物群在華北地區(qū)的分布范圍 （朱光和鄭天愉，2009；Qinetal.，2022；圖7－b，7－c）。此時(shí)的太行山脈發(fā)生了大幅度隆升（圖7－c），成為華北地區(qū)東西之間地貌—降水的天然屏障 （許歡等，2013a；康延臻，2020）。前人通過(guò)對(duì)介形蟲(chóng)化石大小的分析以及植物孢粉的研究發(fā)現(xiàn)，熱河生物群存在時(shí)期處于早白堊世的主要增溫階段，此時(shí)華北大部分區(qū)域已處于溫暖濕潤(rùn)的亞熱氣候帶上，生物生存環(huán)境適宜 （王大寧等，2016；萬(wàn)曉樵等，2017；殷藝天等，2022；Qinetal.，2022）。復(fù)雜的古地理環(huán)境與溫暖潮濕的氣候有利于新物種的產(chǎn)生和生物多樣性的增加，熱河生物群各群類(lèi)均發(fā)生了不同輻射 （張立軍，2013）。這一時(shí)期孢子植物和花粉的種類(lèi)大幅增加，一大批植物新類(lèi)群形成，特別是一些早期被子植物首次出現(xiàn) （柳永清等，2009；張立軍，2013）；繁茂多樣的植被為昆蟲(chóng)及食草動(dòng)物的生存和繁衍創(chuàng)造了良好的條件，使鳥(niǎo)類(lèi)、昆蟲(chóng)等也呈現(xiàn)出了高度多樣性 （朱光等，2009；徐星等，2019；朱日祥等，2020）；植食動(dòng)物的繁盛又為以恐龍為代表的肉食類(lèi)提供了充足的食物來(lái)源。復(fù)雜完整的生態(tài)鏈、廣泛出現(xiàn)的湖泊盆地與發(fā)達(dá)的水系，使生物群的發(fā)展達(dá)到鼎盛階段（許歡等，2013a）。

模擬結(jié)果表明，122Ma之后熱河生物群發(fā)展到晚期，受古太平洋板塊俯沖后撤的影響，華北北部陰山—燕山造山帶逐漸開(kāi)始活動(dòng)，華北北部再次轉(zhuǎn)變?yōu)樯降丨h(huán)境，西部鄂爾多斯地區(qū)在區(qū)域應(yīng)力的作用下整體抬升，盆地逐漸消亡。與生物群生存早期相比，華北克拉通東部的強(qiáng)伸展活動(dòng)帶發(fā)生了從克拉通南、北緣向克拉通內(nèi)部遷移，裂谷盆地主要集中發(fā)育在東部渤海灣、膠萊以及遼東一帶，古地貌顯示為高山、河流、盆地并存（圖7－c，7－d）。生物群也持續(xù)向東南部繼續(xù)擴(kuò)展至日本、朝鮮等地區(qū)，分布范圍達(dá)到最大。華北地區(qū)的巖漿活動(dòng)也具有自西向東遷移的趨勢(shì)，且在110—105Ma左右到達(dá)遼東半島及朝鮮半島，與生物群遷移軌跡及遷移時(shí)間具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系 （張哲坤，2020）。早白堊世末期華北地區(qū)古氣候、古環(huán)境再次發(fā)生巨變，古氣候由溫暖潮濕的亞熱帶氣候逐漸向炎熱干旱轉(zhuǎn)變，熱河生物群走向消亡，新生物群逐漸興起（張立軍，2013；徐星等，2019）。

5.2 模型的局限性

在構(gòu)建模型時(shí)，為了最大程度地將華北地區(qū)劃定在模擬區(qū)域內(nèi)，在邊界地帶會(huì)小范圍的包含秦嶺造山帶、祁連造山帶等，其地形變化可能會(huì)在一定程度上影響模擬結(jié)果。此外，確定初始古地形采用的溫度—高程法，沒(méi)有考慮地形隆升以及氣候變化、降水、季節(jié)性溫差等環(huán)境因素對(duì)地表溫度的影響，這可能會(huì)在影響初始古地形的準(zhǔn)確性。在設(shè)置侵蝕參數(shù)時(shí)，未考慮不同區(qū)域巖性的差異，設(shè)置了統(tǒng)一的可侵蝕性系數(shù)。未來(lái)將會(huì)通過(guò)加載更細(xì)致的巖性約束來(lái)進(jìn)一步提高模型的預(yù)測(cè)和重建精度。

6 結(jié)論

本研究利用Badlands軟件模擬了華北地區(qū)白堊紀(jì)古地貌演變過(guò)程。模擬結(jié)果表明：

1）白堊紀(jì)早期，燕山地區(qū)首次出現(xiàn)了斷陷盆地，巖漿活動(dòng)也始于燕山西部，熱河生物群首先在燕山地區(qū)興起；早白堊世早期鄂爾多斯盆地發(fā)育湖盆相，為生物繁盛提供了適宜的生存條件；早白堊世中晚期華北地區(qū)裂谷盆地具有自西向東遷移的特征。

2）早白堊世期間，熱河生物群具有中期向鄂爾多斯地區(qū)擴(kuò)散、晚期自西向東遷移的演化規(guī)律。

3）華北克拉通早白堊世裂谷盆地作為一種生境，其分布與遷移可能是引起燕遼與熱河生物群消亡的重要外部驅(qū)動(dòng)因素之一，在很大程度上控制著燕遼與熱河生物群的形成、繁盛和消亡。