新近紀(jì)以來(lái)華北東部古地貌演化數(shù)值模擬及陸架海沉降控制*

韓 續(xù) 索艷慧 李三忠 丁雪松宋雙雙 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 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(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

中生代以來(lái)，華北克拉通東部地區(qū)經(jīng)歷了華北克拉通破壞、古高原垮塌并最終形成渤海灣盆地的構(gòu)造地貌巨變過程。已有大量研究揭示了中生代華北古高原的分布位置及高程 （張旗等，2008；夏國(guó)清等，2012；Dmitrienko等，2017；索艷慧等，2017）和古近紀(jì)期間的渤海灣盆地的多階段裂陷過程 （徐杰等，2004；白玉等，2016；劉瓊穎和何麗娟，2019；Yuetal.，2020），認(rèn)為華北地貌由高到低的反轉(zhuǎn)與25Ma之前古太平洋板塊和25Ma以來(lái)太平洋板塊的相繼俯沖作用密切相關(guān)。

新近紀(jì)以來(lái)，受太行山隆起、黃河沉積物輸運(yùn)、黃河貫通及海侵等地質(zhì)事件影響，華北東部沿海地區(qū)成為海陸相互作用的集中響應(yīng)地區(qū)。華北東部地區(qū)的新構(gòu)造活動(dòng)研究有助于深入認(rèn)知古人類定居環(huán)境、環(huán)渤海灣經(jīng)濟(jì)圈的多圈層相互作用、人地關(guān)系等地球系統(tǒng)科學(xué)核心問題。前人針對(duì)其新近紀(jì)以來(lái)的地貌演化過程及地貌格局的定型時(shí)間，主要存在兩大爭(zhēng)議：（1）一種觀點(diǎn)認(rèn)為，新近紀(jì)期間太行山北部和南部先后加速隆升剝蝕 （曹現(xiàn)志，2014；李庶波等，2015），燕山和秦嶺造山帶快速剝蝕 （翟鵬濟(jì)等，2003；周祖翼等，2003），華北東部各盆地 （渤海灣盆地、北黃海盆地、蘇北—南黃海盆地） 均進(jìn)入熱沉降期 （漆家福等，2008），華北東部地貌格局已定型并趨于穩(wěn)定演化（安美建等，2011；林玉祥等，2015）。（2）另一派觀點(diǎn)認(rèn)為，現(xiàn)今華北東部地貌格局主要是中新世以來(lái)的周緣山脈快速隆升導(dǎo)致的，并于第四紀(jì)最終定型 （王強(qiáng)等，2004；張哲和張軍龍，2020）。

已有的華北古地貌模型，多基于區(qū)域熱年代學(xué)數(shù)據(jù)、河流階地或現(xiàn)今的地震剖面數(shù)據(jù)分析獲得（曹現(xiàn)志，2014；Yietal.，2016；簡(jiǎn)曉玲等，2019；閆紀(jì)元，2021），是針對(duì)某一特定地質(zhì)歷史時(shí)期局部的、片段化的重建結(jié)果。因此，如何綜合利用多種地質(zhì)資料，動(dòng)態(tài)重建華北東部區(qū)域新近紀(jì)以來(lái)的地貌演化過程，是解決上述爭(zhēng)議的關(guān)鍵。

Badlands軟件是一套描述不同時(shí)間和空間尺度上地表地貌演化和區(qū)域盆地演化過程的數(shù)值模擬軟件，它綜合考慮了地幔對(duì)流、構(gòu)造、古氣候、侵蝕和沉積等地球深部和淺表系統(tǒng)多種因素對(duì)于地形地貌的影響 （Salles，2016；Sallesetal.，2018）。該軟件可以通過加載多種不同的邊界條件（如氣候變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面升降、侵蝕作用和沉積作用等），形成一系列可對(duì)比的地貌演化模型，從而量化各邊界條件對(duì)于地貌的影響，最終獲取最符合地質(zhì)事實(shí)的古地貌形態(tài)、沉積物分布和河流水系的重建模型。

本研究使用Badlands數(shù)值模擬方法，動(dòng)態(tài)重建了晚新生代以來(lái)華北東部的地貌演化過程。首先，利用研究區(qū)內(nèi)現(xiàn)有的地震剖面、沉積物厚度和熱年代學(xué)資料，獲得晚新生代（25Ma）初始古地形。然后，以不同邊界條件作為約束，設(shè)置了多組模型；選擇最符合研究區(qū)新近紀(jì)以來(lái)隆升和沉降地質(zhì)事實(shí)的模型作為最終結(jié)果，發(fā)現(xiàn)構(gòu)造作用是研究區(qū)地貌演化的一級(jí)控制因素，此外還發(fā)現(xiàn)華北東部可能存在一條環(huán)現(xiàn)今山東半島分布的古河流——華東河，進(jìn)而探討了構(gòu)造作用控制下的河流水系演化規(guī)律。

2 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北克拉通的東部，包括太行山—呂梁山、燕山褶皺帶、朝鮮沿岸山脈、魯西隆起、秦嶺—大別山組成的隆起剝蝕區(qū)和渤海灣盆地、北黃海盆地、蘇北—南黃海盆地等一系列中新生代盆地組成的沉降沉積區(qū)（圖1）。

圖1 華北克拉通東部及鄰區(qū)大地構(gòu)造位置 （a）和主要構(gòu)造單元 （b）Fig.1 Tectonic location of the eastern North China Craton and its adjacent areas（a）and itsmain structural units（b）

2.1 隆升剝蝕區(qū)

低溫?zé)崮甏鷮W(xué)資料表明，自晚中生代以來(lái)，魯西隆起及其鄰區(qū)經(jīng)歷了早白堊世 （120～100Ma）、晚白堊世—古新世 （90～60Ma）和始新世 （50～35Ma）3個(gè)快速侵蝕期 （Liuetal.，2022）。太行—呂梁山地區(qū)于中—晚侏羅世開始快速剝露，并于早白堊世 （120～110Ma）、晚白堊世 （100～60Ma）、始新世 （50～40Ma）和晚漸新世—早中新世 （30～20Ma）發(fā)生了多次再活化和剝露事件（Huangetal.，2021）。

研究區(qū)南部的秦嶺—大別造山帶，在始新世—漸新世中期開始快速隆升，在漸新世晚期—中新世早期隆升減緩，自晚中新世再次快速隆升，并延續(xù)到第四紀(jì) （王斌等，2017）。

朝鮮半島沿岸山脈的隆升被認(rèn)為在晚第四紀(jì)前經(jīng)歷了長(zhǎng)期緩慢的隆升過程，但基于古生物記錄和河流演化的研究表明，沿岸山脈最晚在5.1～10.6Ma之前經(jīng)歷了快速構(gòu)造隆升，并保持山地地形至今 （Byun and Paik，2021）。

2.2 沉降沉積區(qū)

渤海灣盆地西界為太行山東麓斷裂，東界為郯廬斷裂，總體構(gòu)造呈NE—NEE走向，盆地經(jīng)歷了多期次裂陷，早期裂陷階段可能始于晚侏羅世，后期裂陷階段主要集中于始新世并持續(xù)至漸新世，于中新世館陶期后進(jìn)入裂后沉降階段。晚侏羅世—早白堊世期間，盆地進(jìn)入大規(guī)模裂陷階段，發(fā)育深湖—半深湖相沉積；晚白堊世，盆地經(jīng)歷了區(qū)域性反轉(zhuǎn)事件，大部分地區(qū)發(fā)生隆升、剝蝕；古近紀(jì)盆地內(nèi)發(fā)育陸相沉積，以湖泊相和泛濫平原相沉積為主；新近紀(jì)盆地已基本連片為一整體，主要發(fā)育坡積相和平原河流相地層。

北黃海盆地位于郯廬斷裂帶以東，早白堊世進(jìn)入裂陷階段，晚白堊世發(fā)生反轉(zhuǎn)形成隆起并遭受剝蝕，始新世再次進(jìn)入裂陷階段，漸新世末發(fā)生的反轉(zhuǎn)事件導(dǎo)致沉積間斷，中新世后進(jìn)入裂后階段。

南黃海盆地位于華南地塊內(nèi)，自晚白堊世開始伸展裂陷，在漸新世發(fā)生盆地反轉(zhuǎn)，整個(gè)盆地缺失漸新統(tǒng)。

東海陸架盆地西部坳陷在晚白堊世進(jìn)入裂陷階段，東部坳陷于古新世末期進(jìn)入裂陷階段，中新世后盆地整體進(jìn)入熱沉降階段。

3 模擬方法和模型設(shè)置

3.1 方法

Badlands軟件使用有限體積法定義連續(xù)性方程，應(yīng)用三角形不規(guī)則網(wǎng)格 （TIN）的方式來(lái)求解地貌方程。Badlands的模型設(shè)置需要以特定地質(zhì)時(shí)間的古地形為模擬的初始條件，并加載構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、海平面波動(dòng)和撓曲均衡等模塊。Badlands軟件使用了一系列本構(gòu)方程約束地表過程，實(shí)現(xiàn)水流參數(shù)化、沉積物擴(kuò)散參數(shù)化和侵蝕過程參數(shù)化，從而獲得動(dòng)態(tài)的地貌演化模型 （Salles，2016）。

模擬過程中，模型主要遵循質(zhì)量守恒方程：

其中，公式左側(cè)為地面高程z（m）的單位時(shí)間 （a）增量，公式右側(cè)的 ，u，qs分別表示地形梯度、構(gòu)造隆升或沉降速率 （m／a）和單位寬度的物質(zhì)輸運(yùn)速率 （m2／a）。

Badlands軟件使用簡(jiǎn)單蠕移法則定義了物質(zhì)的輸運(yùn)過程：

其中，qr和qd分別代表河流搬運(yùn)過程和擴(kuò)散過程的單位寬度沉積物通量 （m2／yr），與z（地形梯度）和A（排水面積）相關(guān)。擴(kuò)散系數(shù)κ（m2／yr）與可侵蝕性系數(shù)∈，取決于巖性及降水量、河道寬度、洪水頻率以及其他潛在的參數(shù)和過程。系數(shù)m和n分別為面積指數(shù)和坡度指數(shù)，其比值為凹度（concavity），利用共線性方法，Harel等 （2016）統(tǒng)計(jì)了全球?qū)⒔?500個(gè)流域，得到凹度均值約為0.5。

根據(jù)撓曲均衡理論，地表侵蝕和沉積過程造成的物質(zhì)再分配改變了地表沉積物載荷，地殼在沉積物荷載的重力作用下將發(fā)生大規(guī)模彈性彎曲，Badlands軟件的撓曲均衡模塊使用gFlex計(jì)算地球撓曲均衡效應(yīng) （W ickert，2016）：

其中，ω代表板塊的垂直變化量；Δρ＝ρm－ρn表示地幔和充填物 （沉積物、空氣和水）之間的密度差；ql＝ρlghl表示單位面積的荷載施加的合力；ρl是荷載物的密度；hl是荷載物的厚度；g是重力加速度；D是彈性板塊的抗彎強(qiáng)度。

3.2 模型設(shè)置

研究區(qū)地貌單元廣泛且類型多樣，且晚新生代以來(lái)研究區(qū)內(nèi)盆地?zé)岢两岛蜕降貏兾g迅速，故需要考慮多種地質(zhì)條件和邊界條件。在構(gòu)建模型時(shí)，主要考慮了初始古地形、構(gòu)造變化、海平面變化、地表過程和撓曲均衡校正等因素，并設(shè)置不同的參數(shù)進(jìn)行了一系列參數(shù)測(cè)試。首先，使用Scotese和W right（2018）的古地理模型和沉積相資料分別建立盆地與陸地的關(guān)系（表1）。隨后，將不同的邊界條件應(yīng)用在模型中，這些邊界條件包括構(gòu)造事件、侵蝕性系數(shù)、降水量和巖石圈厚度，通過對(duì)比大量的模型結(jié)果和地質(zhì)證據(jù)，獲得最優(yōu)模型。為比較各要素對(duì)地表過程演化的影響，本研究選取了4組共19個(gè)模型進(jìn)行比較。

表1 各種古地理環(huán)境的海拔高程范圍 （據(jù)何登發(fā)等，2020）Table 1 Elevation of some palaeogeographic environments（after He et al.，2020）

3.2.1 初始古地形

新生代以來(lái)，研究區(qū)內(nèi)渤海灣盆地、北黃海盆地、南黃海盆地普遍弧后伸展導(dǎo)致古高原垮塌和破壞，古近紀(jì)經(jīng)歷了強(qiáng)烈的斷陷作用，并于新近紀(jì)進(jìn)入熱沉降階段，而盆地邊界斷層的活躍導(dǎo)致太行山和魯西隆起等隆起區(qū)快速隆升，地貌總體發(fā)生巨變。為獲取新近紀(jì)早期的古地形，本研究以Scotese和W right（2018）的古地理模型為基礎(chǔ)，在研究區(qū)盆地范圍內(nèi)，主要依據(jù)古地理資料 （劉濤，2020），分別對(duì)各單元的沉積相賦予初始的高程值；在隆起剝蝕區(qū)，本研究使用呂紅華等（2014）提出的古地形重建方法對(duì)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)資料揭示的區(qū)域剝蝕量進(jìn)行處理，從而獲取古地形。最后，將隆升區(qū)和沉積區(qū)古高程數(shù)據(jù)合并，并進(jìn)行三維曲面網(wǎng)格化處理 （網(wǎng)格分辨率為10 km，平面面積為1670 km×1460 km），獲得25Ma的古高程（圖2），并將其作為初始模型加載入Badlands中?？紤]到新近紀(jì)以來(lái)華北東部地區(qū)無(wú)顯著板塊運(yùn)動(dòng)，故將模型設(shè)置在固定參考系下且不考慮板塊運(yùn)動(dòng)。新近紀(jì)以來(lái)，研究區(qū)內(nèi)在水平方向上無(wú)顯著板塊運(yùn)動(dòng)，故本研究將模型設(shè)置在固定參考系下，且不考慮板塊運(yùn)動(dòng)。

圖2 模型初始古地形 （25Ma）Fig.2 Initial paleotopography of Model 25Ma

3.2.2 構(gòu)造事件

研究區(qū)內(nèi)豐富的盆地沉降和山脈隆升等地質(zhì)資料，使得定量化限定構(gòu)造事件的發(fā)生時(shí)間和空間范圍成為可能。結(jié)合已發(fā)表的相關(guān)資料 （丁增勇等，2008；白玉等，2016；Liangetal.，2016；Zhaoetal.，2016）和平衡剖面恢復(fù)結(jié)果，獲得了渤海灣盆地、北黃海盆地和南黃海盆地的構(gòu)造沉降量。對(duì)已搜集的熱年代學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)資料進(jìn)行篩選和校正，獲得了太行山、燕山、魯西隆起和朝鮮沿岸山脈的構(gòu)造隆升量（表2）。

表2 25 M a以來(lái)華北克拉通東部及鄰區(qū)主要構(gòu)造單元的構(gòu)造隆升／沉降量Table 2 Tectonic uplift／subsidence of tectonic units in eastern North China Craton and its adjacent areas since 25 Ma

動(dòng)力地形對(duì)長(zhǎng)時(shí)間、大尺度的地貌和河流水系演化的控制作用已有廣泛研究，如北美安第斯山脈（Wangetal.，2020）、亞馬遜河流域 （Shephardetal.，2010） 和澳大利亞東海岸 （Sallesetal.，2017）等區(qū)域。晚新生代以來(lái)，華北地區(qū)東部持續(xù)處于動(dòng)力地形低值區(qū)，其動(dòng)力地形下降范圍與盆地?zé)岢两捣秶痉?。為探討?dòng)力地形對(duì)古地貌及沉積體系演化的影響，設(shè)置了第1組模型，將Cao等 （2018）的動(dòng)力地形變化數(shù)據(jù)作為構(gòu)造變化量。

3.2.3 海平面升降

古海平面變化控制著大陸邊緣基準(zhǔn)面的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和內(nèi)陸河道侵蝕及淹沒的長(zhǎng)周期變化，直接影響著陸架盆地的可容納空間，從而顯著影響了地貌演化，是設(shè)置模型的重要參數(shù)。本研究模型使用了Haq等 （1987）的海平面變化曲線，該曲線基于鉆孔、底棲有孔蟲和δ18O同位素研究的結(jié)果建立。本研究對(duì)海平面變化曲線進(jìn)行歸一化，截取了25Ma以來(lái)的海平面變化數(shù)據(jù)。

3.2.4 表面過程參數(shù)

降水量是氣候類型的重要指標(biāo)，是巖石的風(fēng)化速率和河流演化的重要影響因素。在Badlands軟件中，年平均降水量是氣候模塊的重要參數(shù)，與可侵蝕性等參數(shù)共同控制了侵蝕速率和侵蝕方式。為探討氣候和侵蝕條件對(duì)地表過程的影響，基于古植物研究恢復(fù)的古氣候資料 （Liuetal.，2011；盧佳儀，2020；Wangetal.，2021），為第2組模型設(shè)置了0.3～2.5m多個(gè)年平均降水量值（表3）。

表3 本研究模型參數(shù)Table 3 Model parameters of this study

模型中的可侵蝕性系數(shù)影響了沖蝕速率，在整個(gè)研究范圍內(nèi)被設(shè)置為均勻的，該參數(shù)與河道物理參數(shù)、巖性、氣候和水流能量有關(guān)，為了使模擬結(jié)果更加符合實(shí)際情況，設(shè)置了第3組模型，分別測(cè)試了1e－8至5e－6多個(gè)可侵蝕性系數(shù)∈（表3）。侵蝕速率的相關(guān)系數(shù)m和n參考Badlands軟件的默認(rèn)值分別設(shè)置為0.5和1。

3.2.5 深部過程參數(shù)

研究區(qū)內(nèi)的隆升區(qū)在晚新生代以來(lái)經(jīng)歷了強(qiáng)烈侵蝕和物質(zhì)卸載，從而可能引發(fā)強(qiáng)烈的地殼回彈，并導(dǎo)致隆升區(qū)的快速剝露。與之相對(duì)應(yīng)，盆地中巨量沉積物的加載也可能使地殼發(fā)生撓曲沉降，并進(jìn)一步為沉積作用提供可容納空間。研究區(qū)內(nèi)的巖石圈有效彈性厚度 （Te）在空間上有較大的變化，太行山地區(qū)有效彈性厚度約為20 km，而東海盆地的有效彈性厚度超過80 km （Chenetal.，2013）。為探討巖石圈有效彈性厚度對(duì)地貌演化的影響，為第4組模型設(shè)置了16～80 km多個(gè)有效彈性厚度值。

4 結(jié)果

針對(duì)構(gòu)造事件、年平均降水量、可侵蝕性參數(shù)和巖石圈有效彈性厚度等影響因素，本研究構(gòu)建了4組共19個(gè)模型，將各模型結(jié)果分別與研究區(qū)構(gòu)造格局、沉積物分布和古地理資料進(jìn)行比較，認(rèn)為模型m27的結(jié)果能較好地反映研究區(qū)晚新生代的地貌演化過程。因此，將模型m27作為最佳擬合模型，獲得了盆地沉積厚度和古地貌演化的模擬結(jié)果（圖3；圖4）。

圖3 新近統(tǒng)以來(lái)華北東部沉積厚度演化模擬結(jié)果 （模型m27）Fig.3 Simulation results of sediment thickness evolution in eastern North China since the Neogene（Modelm27）

圖4 新近紀(jì)以來(lái)華北東部地貌演化模擬結(jié)果 （模型m27；圖中藍(lán)色線條表示低海平面／湖平面時(shí)期古水系的主河道及主要支流）Fig.4 Landscape evolution simulation result in eastern North China since the Neogene（Modelm27.The blue lines represent the channels and tributaries of the ancient drainage system during the low sea level／lake level period）

4.1 盆地沉積厚度

研究區(qū)鉆孔及地震資料揭示，新近紀(jì)以來(lái)，渤海灣盆地構(gòu)造演化熱沉降階段的沉積物厚度介于2000～5500m之間，沉積中心位于渤中凹陷 （丁增勇等，2008）。模擬獲得的厚度值為1900～4600m；約4Ma以來(lái)，渤海灣盆地以渤中凹陷為沉降和沉積中心，沉積厚度迅速增加。模型模擬的沉積厚度相對(duì)不足，可能有2方面原因：一是僅將河流輸送的沉積物作為來(lái)源，不可避免地忽視了自生與風(fēng)成沉積的物源物質(zhì)；二是對(duì)撓曲均衡作用的簡(jiǎn)化，可能導(dǎo)致盆地在荷載狀態(tài)下的沉降量不足。

晚新生代以來(lái)，北黃海盆地的隆起區(qū)、被過量充填的沉積區(qū)和低海平面時(shí)的沉降區(qū)均發(fā)生夷平作用，并在統(tǒng)一的沉積基準(zhǔn)面上，接受了地表河流及海侵沉積，故沒有明顯的沉積中心，沉積厚度為150～1200m。模擬獲得的厚度值為120～1280m，模型演化過程中北黃海盆地基本處于過充填狀態(tài)，在低海平面時(shí)期通常處于泛濫平原沉積體系中。

南黃海盆地的新近系 （主要包括上新統(tǒng)和中新統(tǒng)）在全區(qū)均有分布，與下伏地層呈角度不整合接觸，在地震反射剖面上較容易識(shí)別并可在全區(qū)追蹤。地震剖面揭示的沉積厚度為600～1000m，模擬獲得的厚度值為600～2000m。在閩浙隆起最終垮塌前，南黃海盆地一直是魯西隆起區(qū)、中國(guó)東南沿岸山脈和朝鮮山脈的主要沉積物匯區(qū)。

通過上述對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與已知的晚新生代的盆地構(gòu)造格架特征和沉積分布規(guī)律具有較好的一致性，說(shuō)明m27模型的模擬結(jié)果，能很好地反映研究區(qū)晚新生代的沉積演化過程。

4.2 地貌演化過程

分析模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在晚新生代期間，受巖石圈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地表侵蝕搬運(yùn)的影響，太行山、魯西隆起、秦嶺、大別山和朝鮮半島沿岸山脈快速隆升，處于持續(xù)剝蝕狀態(tài)。渤海灣盆地、北黃海盆地和南黃海盆地自中新世以來(lái)先后進(jìn)入熱沉降，成為研究區(qū)內(nèi)沉積物的匯區(qū)，并且隨著閩浙隆起的破壞，經(jīng)歷了由深湖相向海相的發(fā)育過程（圖4）。

25～22Ma間，魯西隆起和太行山快速隆升，而燕山、朝鮮半島沿岸山脈隆升量與侵蝕量基本抵消。渤海灣盆地的可容納空間不斷擴(kuò)大，各流向的河流均匯入渤海灣盆地，總體處于河流相沉積環(huán)境。南黃海盆地被朝鮮半島沿岸山脈、閩浙隆起帶、中國(guó)東南丘陵帶、山東半島和遼東半島封閉，多發(fā)育NW—SE向河流，以泛濫平原相沉積為主。這一模擬結(jié)果對(duì)應(yīng)于廣布于研究區(qū)盆地內(nèi)新近系的河流相沉積 （王鴻禎，1985；徐杰等，2004；陳容濤等，2018；劉濤，2020）。

21～5Ma間，隨著渤海灣盆地和黃海盆地?zé)岢两导铀?，渤海、黃海地區(qū)由泛濫平原相轉(zhuǎn)變?yōu)楹聪啵蔀橹車恿魉档闹饕练e匯區(qū)，太行山、燕山快速隆升剝蝕產(chǎn)生大量沉積物進(jìn)入盆地，沉積物加載進(jìn)一步增強(qiáng)了盆地的沉降。在此期間南黃海盆地與北黃海盆地逐漸相連，河流相、三角洲相與湖泊相交替發(fā)育。自此，華北東部地貌格局已基本定型，但由于閩浙隆起的阻擋，華北隆起區(qū)的剝蝕物質(zhì)僅有少部分進(jìn)入東海陸架盆地，即使在全球高海平面期間，海水也難以進(jìn)入盆地區(qū)域。至上新世初期，強(qiáng)烈抬升后的太行山區(qū)域的海拔基本處于在400～800m之間，最高可達(dá)1100m，燕山地區(qū)的海拔基本在450～800m 之間，最高可達(dá)1200m，魯西地區(qū)的海拔主要在300～800m之間，朝鮮沿岸山脈海拔大部分在500～2000m之間。

大約在4Ma之后，渤海灣盆地已經(jīng)發(fā)育為渤海古湖，發(fā)源于太行山、燕山和魯西隆起北部的河流匯入渤海古湖，發(fā)育湖泊相沉積。華北平原的平均海拔約為33m，渤海平均水深約25m，黃海平均水深約20m。閩浙隆起逐漸被破壞并在約2Ma時(shí)打開，在高海平面時(shí)期，渤海灣盆地和黃海盆地可能接受海侵，與該區(qū)域的海侵層相對(duì)應(yīng) （Sunetal.，2022）。

5 討論

5.1 各因素對(duì)古地貌演化的影響

5.1.1 動(dòng)力地形

第1組模型m44和m45僅以動(dòng)力地形的變化作為構(gòu)造變化量，可以定量化研究深部地幔流動(dòng)對(duì)地表地形的影響。模擬結(jié)果顯示，2個(gè)模型的動(dòng)力地形變化量均不足以解釋華北東部盆地中新世以來(lái)的盆地異常沉降 （白玉等，2016）和山地的快速隆升。以地貌變化較大的模型m45為例，在動(dòng)力地形的控制下，太行山、燕山和魯西隆起逐漸被剝蝕夷平，朝鮮沿岸山脈至今不足500m，各盆地沉降微弱，渤海灣盆地的最大沉積厚度約400m，與最佳擬合模型m27的結(jié)果相差較大（圖6－a，6－b）。在動(dòng)力地形控制下，發(fā)源于太行山、燕山和朝鮮沿岸山脈的河流先在渤海灣盆地匯集，流經(jīng)南黃海盆地后繞過閩浙隆起帶流出（圖5）。因此，在晚新生代，大波長(zhǎng)的動(dòng)力地形導(dǎo)致的地形地貌變化并不明顯，地殼尺度的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)應(yīng)該是晚新生代以來(lái)華北地區(qū)地貌演化的主要控制因素。

圖5 新近紀(jì)以來(lái)華北東部動(dòng)力地形控制下的地貌演化模擬結(jié)果 （模型m45）Fig.5 Landscape evolution simulation results under dynamic terrain control in eastern North China since the Neogene（Modelm45）

圖6 新近紀(jì)以來(lái)華北東部古地貌演化模型剖面曲線 （剖面位置見圖1）Fig.6 Profile curves of each model of eastern North China paleo-landscape evolution since the Neogene（profile location in Fig.1）

5.1.2 氣候和可侵蝕性因素

自中新世起，華北地區(qū)的氣候系統(tǒng)由緯向西風(fēng)系統(tǒng)向季風(fēng)—西風(fēng)耦合系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，孢粉序列揭示中新世期間淮北平原和蘇北平原以森林植被為主，期間經(jīng)歷多次干濕和冷暖變化，但氣候整體相對(duì)暖濕（Liuetal.，2011；李宗盟等，2021）。晚中新世至早上新世期間中國(guó)東部氣候干冷化，東亞夏季風(fēng)帶來(lái)的降水量減少。早上新世后，亞洲季風(fēng)—干旱氣候系統(tǒng)形成，研究區(qū)在該時(shí)期氣候由干旱轉(zhuǎn)為濕潤(rùn)，形成了大量湖泊 （盧佳儀，2020）。第四紀(jì)以來(lái)，與全球冰期—間冰期旋回相適應(yīng)，研究區(qū)內(nèi)冷暖和干濕旋回明顯。

降水量變化和可侵蝕性影響了沉積物剝蝕速度，間接影響了研究區(qū)內(nèi)的沉積物分布和地表起伏。對(duì)比第2組模型和最佳擬合模型m27的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，降水量的變化對(duì)盆地沉積厚度的影響并不明顯，但對(duì)隆起區(qū)高度有一定的控制作用。當(dāng)氣候較干燥、降水量低時(shí) （模型m57和m36），各隆起區(qū)的平均海拔高度較高，與最佳擬合模型相比，海拔最大差異可達(dá)800m。當(dāng)降水量較高時(shí)，河流侵蝕作用更加強(qiáng)烈，各隆起區(qū)平均海拔高度較低（圖6－c，6－d）。在一定范圍內(nèi)，可侵蝕性參數(shù)∈較大時(shí) （模型m35、m29和m33），侵蝕強(qiáng)烈，研究區(qū)內(nèi)的山地基本被夷平，盆地被過量充填，在撓曲均衡效應(yīng)的作用下，盆地內(nèi)的地層厚度將增加200～500m。當(dāng)侵蝕參數(shù)較低時(shí) （模型m60、m28和m34），盆地沉積物充填較少，沉積物厚度較小，侵蝕較弱，閩浙隆起僅依靠構(gòu)造沉降不能被完全破壞，黃海與東海不能聯(lián)通，各隆起區(qū)海拔明顯高于最佳擬合模型m27（圖6－e，6－f）。

5.1.3 巖石圈有效彈性厚度

現(xiàn)今華北地區(qū)東部的有效彈性厚度分區(qū)明顯，蘇北—南黃海盆地較大（＞50 km），燕山—太行山一帶較小 （10～40 km），在蘭考—聊城—鹽山斷裂以西，渤海灣盆地的Te迅速下降至20～40 km，與太行山低Te帶形成一體，組成明顯的Te梯度帶（鄭勇等，2012；Chenetal.，2013）。在第4組模型中，首先假設(shè)在地質(zhì)歷史時(shí)期，研究區(qū)內(nèi)的Te較高，與現(xiàn)今渤海灣盆地相當(dāng) （模型m56），盆地演化至今的最大沉積物厚度約3200m，相當(dāng)于最佳擬合模型m27的70%，沉積物充填不足，有理由懷疑，晚新生代以來(lái)，隨著渤海灣盆地和黃海盆地發(fā)生快速熱沉降和壓實(shí)作用，區(qū)域內(nèi)的巖石圈強(qiáng)度增強(qiáng)，故地質(zhì)歷史時(shí)期的Te值應(yīng)小于現(xiàn)今的Te值 （70 km）。當(dāng)Te減少時(shí) （模型m40和m41），巖石圈更容易彎曲變形，盆地內(nèi)對(duì)沉積物荷載的響應(yīng)更強(qiáng)烈，因而容納空間較大，沉積厚度更大（圖6－g，6－h(huán)）。當(dāng)Te等于24 km時(shí)，模擬結(jié)果與現(xiàn)今的隆起區(qū)海拔和盆地沉積厚度最為相似，因此，在晚新生代以來(lái)的演化過程中，研究區(qū)內(nèi)大部分區(qū)域的巖石圈有效彈性厚度可能在一定時(shí)期內(nèi)為24 km。

5.2 水系演化歷史

將模擬揭示的水系演化歷史與始新世古大河的演化歷史 （Fuetal.，2022）、物源演化研究（Zhangetal.，2019；Zhaoetal.，2019；Kimetal.，2020；劉濤，2020）、地震地貌學(xué)研究 （陳容濤等，2018；Tanetal.，2020）、渤海古湖研究 （Yietal.，2015，2016）、黃海、東海的古地理研究和前人提出的陸架河流演化模式等結(jié)合，本研究發(fā)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)環(huán)山東半島存在一條古河流——華東河（圖4），這條古河流的形成時(shí)間不晚于中新世（25Ma），可能在全新世期間消亡；其形成原因可能與中生代華北古高原的垮塌有關(guān)，消亡原因與閩浙隆起的劇烈沉降有關(guān)。

晚新生代以來(lái)研究區(qū)內(nèi)古水系演化可分為3個(gè)階段：

第1階段，25～22Ma間，發(fā)源于燕山、太行山的河流與發(fā)源于秦嶺—大別山并向北流入渤海灣盆地的河流在現(xiàn)今膠萊平原處匯合，流入南黃海盆地。在東南沿海山脈發(fā)育的一系列短源河流和發(fā)源于朝鮮半島的河流經(jīng)北黃海盆地同樣流入南黃海盆地，并最終經(jīng)閩浙隆起的濟(jì)州海峽處流出。

第2階段，21～6Ma間，隨著渤海灣盆地和黃海盆地?zé)岢两导铀?，河流被隆升的山東半島阻擋而改道，繞山東半島穿過渤海灣盆地流入北黃海盆地，北黃海盆地成為周圍河流水系的主要匯區(qū)。由于閩浙隆起的阻擋，華北隆起區(qū)的剝蝕物質(zhì)僅有少部分進(jìn)入東海陸架盆地。

第3階段，6Ma之后，閩浙隆起逐漸被破壞，在2Ma時(shí)打開，與地質(zhì)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的海相層相對(duì)應(yīng)（Yietal.，2016；Zhaoetal.，2019），南黃海盆地、北黃海盆地和渤海灣盆地由原本的封閉湖泊轉(zhuǎn)為接受海侵，研究區(qū)內(nèi)的河流演化開始受海平面變化的影響，“華東河”逐漸消亡。

此處，本研究認(rèn)為除構(gòu)造沉降外，閩浙隆起上短源河流對(duì)隆起的侵蝕破壞作用可能也是導(dǎo)致隆起消亡的主要因素。在第四紀(jì)，當(dāng)河流作用較強(qiáng)或海平面較低時(shí)，黃海盆地的物質(zhì)可以經(jīng)閩浙隆起上的海峽進(jìn)入東海，閩浙隆起以內(nèi)發(fā)育河流相沉積。當(dāng)河流作用減弱或海平面上升時(shí)，海侵便會(huì)發(fā)生（Zhangetal.，2019），故海侵記錄可以在0.89Ma左右甚至之前便出現(xiàn)。在0.89～0.416Ma之間，閩浙隆起和廟島隆起雖然已經(jīng)打開，但仍應(yīng)高于相鄰盆地區(qū)域，對(duì)海水具有一定的阻擋作用。在低海平面期，“華東河”仍能發(fā)育在陸架上，直接為沖繩海槽提供細(xì)粒物質(zhì) （Kimetal.， 2020）。0.416Ma后，閩浙隆起完全被破壞，渤海古湖也發(fā)展為內(nèi)陸架海，海水在大部分時(shí)期內(nèi)控制了黃海和渤海區(qū)域。

5.3 模型局限性

晚新生代以來(lái)華北地區(qū)的水平運(yùn)動(dòng)微弱，因此模型僅考慮了研究區(qū)內(nèi)的垂直運(yùn)動(dòng)，未涉及水平位移。模型設(shè)置的各類地質(zhì)參數(shù)較為理想化，如模型使用了統(tǒng)一的可侵蝕性系數(shù)和降水量，未考慮參數(shù)的時(shí)空差異性；模型將Haq等 （1987）的全球海平面曲線用于區(qū)域古地貌演化模擬，未考慮局部構(gòu)造影響下的邊緣海海平面變化可能帶來(lái)的影響。第四紀(jì)以來(lái)，隨著青藏高原隆起，長(zhǎng)江和黃河貫通為研究區(qū)帶來(lái)大量物質(zhì)，但由于模型范圍的邊界僅到達(dá)太行山地區(qū)，故該部分物質(zhì)未被納入模型。

在未來(lái)，使用更多的地質(zhì)資料進(jìn)行高精度地貌演化模擬，并進(jìn)一步結(jié)合深淺部地質(zhì)過程可能有助于改進(jìn)模型，這對(duì)了解構(gòu)造尺度上的地貌演化和沉積過程具有特殊的意義。

6 結(jié)論

本研究使用Badlands軟件動(dòng)態(tài)重建了25Ma以來(lái)華北東部的古地貌演化，模擬結(jié)果揭示了華北東部的地貌格局在中新世時(shí)已定型并趨于穩(wěn)定演化。

1）陸架海沉降是該時(shí)期華北東部地貌演化的一級(jí)控制因素，深部動(dòng)力地形的變化不足以解釋研究區(qū)內(nèi)盆地的地貌變化。

2）可侵蝕性影響了沉積物剝蝕速度，間接影響了山體高度和盆地容納的物質(zhì)，年平均降水量對(duì)隆起區(qū)的影響相對(duì)于沉降區(qū)更加明顯，巖石圈有效彈性厚度主要影響了沉降區(qū)的可容納空間。

3）中新世以來(lái)，華北東部可能存在一條環(huán)山東半島的古河流—— “華東河”，河流發(fā)源于太行山、燕山、魯西隆起，流經(jīng)渤海、黃海和東海陸架，將沉積物輸送至外海。這條古河流的形成時(shí)間不晚于中新世 （25Ma），可能在全新世期間消亡；其形成原因可能與中生代華北古高原的垮塌有關(guān)，消亡原因與閩浙隆起的劇烈沉降有關(guān)。在第四紀(jì)閩浙隆起消亡和海平面上升后，受海侵的影響，該河流最終消亡。