索艳慧, 付新建, 李三忠, 程昊皞, 田子晗, 韩续, 宋双双. (2024). 古地貌动态模拟研究进展综述* [J]. 古地理学报, 26(1): 165-171.
SUO Yanhui, FU Xijian, LI Sanzhong, CHENG Haohao, TIAN Zihan, HAN Xu, SONG Shuangshuang. (2024). Review on dynamic simulation of paleo-landscape[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(1): 165-171.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.01.034
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古地貌动态模拟研究进展综述*
索艳慧1,2, 付新建1, 李三忠1,2, 程昊皞1, 田子晗1, 韩续1, 宋双双1
1 深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心,海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学海洋地球科学学院,山东青岛 266100
2 崂山实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东青岛 266237

第一作者简介 索艳慧,女,1987年生,中国海洋大学教授、博士生导师,从事海洋地质学、洋底动力学研究。E-mail: suoyh@ouc.edu.cn。

收稿日期:2023-12-01 修回日期:2023-12-20
基金资助:*崂山实验室科技创新项目(编号:LSKJ202204400)、国家自然科学基金项目(编号:42121005, 91958214)、山东省自然科学基金项目(编号: ZR2021ZD09, ZR2021YQ25)和中央高校基本科研业务费专项(编号: 202172003)联合资助
摘要

作为连接深时地球内外系统的关键界面,重建的古地貌为跨圈层耦合、多学科交叉研究提供了重要途径。地球系统理论的进步以及计算机模拟技术的发展,使得深时古地貌动态重建成为可能。近年来, Badlands( Basin and Landscape Dynamics)区域古地貌模拟软件和 goSPL( Global Scalable Paleo Landscape Evolution)全球古地貌模拟软件的开发,将地球深部构造过程、降水、海平面变化等若干地球系统因素联系起来,为理解地表系统演化及其与地球固体圈层相互耦合提供了新的技术基础。基于这些新兴模拟技术,聚焦东亚地形倒转和水系重组、显生宙古地貌演变与海洋物种多样性关系等问题,国内外学者分别已开展了相关模拟工作并取得了很好的研究成果。但鉴于高程代用指标本身的不确定性,不同古地貌重建模型之间存在差异; 此外,这些古地貌重建模型很难做到与高精度的地质观测记录完全吻合,迫切需要开展超高(时间和空间)分辨率的海陆古地貌重建。

关键词: 古地貌模拟; 多圈层耦合; Badlands; goSPL; 超高分辨率模型
中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)01-0165-07
Review on dynamic simulation of paleo-landscape
SUO Yanhui1,2, FU Xijian1, LI Sanzhong1,2, CHENG Haohao1, TIAN Zihan1, HAN Xu1, SONG Shuangshuang1
1 Frontiers Science Center for Deep Ocean Multispheres and Earth System,Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques,MOE and College of Marine Geosciences,Ocean University of China,Shandong Qingdao 266100,China
2 Laboratory for Marine Mineral Resources,Laoshan Laboratory,Shandong Qingdao 266237,China

About the first author SUO Yanhui,born in 1987,is a professor of Ocean University of China. She mainly focuses on marine geology and marine geodynamics. E-mail: suoyh@ouc.edu.cn.

Fund:Co-funded by the Scientific and Technological Innovation Project of Laoshan Laboratory(No. LSKJ202204400),the National Natural Science Foundation of China(Nos. 42121005, 91958214),the Natural Science Foundation of Shandong Province of China(Nos. ZR2021ZD09,ZR2021YQ25)and the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No. 202172003)
Abstract

As a key interface connecting the deep-time Earth's internal and external systems,paleo-landscape reconstruction provides an important way for studying deep Earth sciences. The development of computer simulation tools makes it possible to reconstruct deep-time dynamic paleo-landscape. Badlands( Basin and Landscape Dynamics)and goSPL( Global Scalable Paleo Landscape Evolution)software are designed to understand the evolution of surface Earth system and its interaction with the solid Earth system,by combining factors of different spheres such as deep tectonic process,precipitation and sea level change. Based on these new technical basis,some achievements have been made, e.g. regional models that reproduce the topographic inversion and drainage reorganization processes in East Asia and global models that couple the landscape dynamics with the Phanerozoic diversification of the biosphere. However,some differences among different paleo-landscape reconstruction models arise due to uncertainty in elevation proxy indicators. In addition,it is difficult to make the simulated results to be completely consistent with the high-precision geological observation records. It is urgent to carry out global paleo-landscape models of ultra-high resolution in time and space.

Key words: paleo-landscape reconstruction; multispheric coupling; Badlands; goSPL; ultra-high resolution model
1 概述

深部地球过程及表层系统可能通过复杂的反馈关系进行耦合的理念, 是当代地球系统科学最令人激动的进展之一(Huntington and Klepeis, 2018)。地形地貌就是这一耦合地球表层系统和固体圈层系统的关键界面, 是地球内外动力共同作用的结果(Bukhari et al., 2022; Cheng et al., 2024)。作为地质历史时期一系列内外地质活动(区域构造作用、沉积压实作用、风化及剥蚀等)综合作用的产物(杨振等, 2016), 古地貌成为我们了解深时地球的重要基础(Salles et al., 2023a, 2023b)。

数值模拟与计算机软硬件的发展, 为地质学综合研究提供了进一步发展的新机遇, 推动了地质学研究范式的转变, 即从定性描述、单过程模拟为主转向以定量的、多过程耦合综合模拟为核心的新范式(朱阿兴等, 2019)。自20世纪90年代以来, 许多软件被设计用于评估各种机制(如构造或气候强迫)对地貌和沉积盆地演化的影响, 这些模型依靠一组数学和物理表达式来模拟泥沙侵蚀、搬运和沉积, 并能重现地球表面地貌和沉积演化的复杂性(Salles and Hardiman, 2016; Salles, 2019)。然而, 用于评估区域或全球尺度地表演化及其与大气、水圈、构造和地幔动力学相互作用的工具较少, 这即要求结合地理信息系统、大数据处理以及数值模拟等技术, 还要提供全面的地表演变模拟和可视化功能。地球系统理论的进步以及计算机模拟技术、分析工具的发展及精细化, 为理解地表演化及其与地球固体圈层、大气圈和生物圈相互耦合提供了新的技术基础, 使得古地貌动态重建成为可能。

已有的全球古地貌模型— — Paleo-DEM(数字古高程)模型(Scotese and Wright, 2018), 主要基于岩相古地理和洋壳年龄/深度关系等方法获得。Paleo-DEM模型重建了5.4亿年以来的全球古陆地高程, 模型时间间隔为5 Mya、网格精度为0.1° × 0.1° (即10 km× 10 km); 该模型在西太平洋局部地区存在明显错误, 如南海海盆于~40 Ma已打开并开始接受海相沉积、这与钻井资料揭示的陆相沉积环境相悖, 而且模型中海底古地貌基本缺失, 其显示的古海底地貌只是现今的地貌位置变迁。真实的海底古地貌重建是Mü ller等(2008)基于水深— 年龄关系重建的, 海底空间分辨率为10 km× 10 km, 时间分辨率为5 Myr, 且可靠的海底古地貌重建只到2亿年。这2个模型(图 1), 存在海陆割裂的问题, 且均对于古地貌演化过程中的定量化分析及其环境、资源效应以及深部地球动力和浅表过程的耦合过程研究较少。

图 1 30 Ma的古地貌重建方案
左图: 海底模型(Mü ller et al., 2008); 右图: Paleo-DEM模型(Scotese and Wright, 2018)Fig.1 Reconstructed paleo-landscape at 30 Ma

近年来, Badlands (Basin and Landscape Dynamics)和goSPL(Global Scalable Paleo Landscape Evolution)古地貌模拟软件的开发旨在弥补这些不足, 将地球深部构造过程、降水、海平面变化等若干地球系统因素联系起来, 估算和预测区域或全球尺度的深时古地貌和沉积演化(Salles et al., 2018)。模型结果可以检验前人对地球演化过程中的不同假设, 探讨地球系统多圈层相互作用, 从大气环流对造山带的物理剥蚀, 再到河流水系的演化发展以及盆地沉积物堆积过程, 以及这一过程对生物圈演化的控制作用(Salles et al., 2023a, 2023b)。

2 古地貌动态模拟技术: 以Badlands和goSPL为例

Badlands古地貌模拟软件基于定量的构造、古气候及海平面变化等因素的约束, 综合考虑深部岩石圈变形与浅表气候变化对地貌演化的共同塑造过程, 动态重建大陆或盆地尺度数百万年的地貌演化和沉积成盆过程(Salles and Hardiman, 2016; Salles et al., 2017; 刘泽等, 2020; Bukhari et al., 2022; Cheng et al., 2024)。Badlands软件通过子流域划分的方式计算地表侵蚀和沉积物搬运的简化河道和山坡过程, 其模拟过程主要遵循质量守恒方程:

∂z∂t=-Ñ · qs+u (1)

其中, 左侧为地面高程z的单位时间增量(m), Ñ 表示梯度, qs 表示每单位宽度的体积沉积物通量(m2/yr), u为地形变化量(m/yr)。qs 包括河流搬运过程沉积物通量qr (m2/yr)和山坡滑移过程通量qd(m2/yr), 公式如下:

-Ñ · qr=-(PA)m(Ñ z)n (2)

-Ñ · qd=-k ∇2Z (3)

其中, € 为可侵蚀系数, P为净降水量(m/yr), A为流域面积, m和n为常数, 一般比值为0.5, k为扩散系数(Liu et al., 2020; Bukhari et al., 2022)。目前, 前人利用Badlands软件, 针对澳大利亚深部地幔对流对水系演化的影响(Salles et al., 2017)、北美西南部构造— 气候— 地表过程的耦合效应(Bahadori et al., 2022)以及东亚陆架新近纪构造及气候强迫对地貌和沉积物分布的影响(Cheng et al., 2024)等区域科学问题进行了探讨, 该软件也被证实为定量化重建大陆边缘古地貌的有力工具。

goSPL软件是由悉尼大学EarthCodeLab小组开发的一个基于Python的可扩展并行数值模型, 能够模拟全球尺度的地貌演化和受板块构造、古地形和古气候影响的地层沉积正演过程(Salles et al., 2023a, 2023b)。该模型从完整的沉积路径角度出发, 综合考虑了板块运动、构造隆升沉降、气候和沉积条件等不同情景, 阐述了沉积过程对不同地球系统参数响应的复杂性。其相对于现有地貌演化模型(如Badlands), goSPL对于板块水平运动、地层岩性差异及其压实作用有更好的应用效果, 且侧重全球尺度的地表侵蚀和沉积物搬运等问题, 对理解深时全球地表演化和相关地层形成提供了新的见解(Salles et al., 2020)。其算法与Badlands类似, 同样遵循质量守恒方程:

∂z∂t=u+k ∇2Z+€ Pd(PA)m(Ñ z)n (4)

其中, 方程左侧为地面高程z的单位时间增量(m), 方程右侧u为地形变化量(m/yr), k为扩散系数, € 为可侵蚀系数, P为净降水量(m/yr), d为正指数, Pd 代表了降水的风化影响及其对河流切口的强化作用, A为流域面积, PA代表净降水量与流域面积相结合的径流水通量, m和n为常数, 一般比值为0.5。除了遵循基本的质量守恒方程外, goSPL开发团队根据现有的地层模型, 通过扩散方程模拟海洋沉积物的运输和沉积, 该方程假设运输仅与坡度成正比, 因此海洋区域的高程变化率可以表示为:

∂z∂t=km ∇2Z+Qs(5)

式中, km 代表海相沉积物扩散系数(m2/yr), Qs 为由式4求得的陆相沉积物通量(m3/yr)。目前, 前人利用goSPL软件重建了全球显生宙以来的古地貌演化及其盆地沉积响应, 探讨了古地貌演化与剥蚀、沉积作用的关系以及古河流沉积通量对生物圈长尺度演化的控制作用等科学问题(Salles et al., 2023a, 2023b)。

3 典型应用实例
3.1 Badlands区域模型

东亚陆缘位于欧亚板块、太平洋板块和印澳板块的交汇处, 西邻特提斯碰撞带, 东跨西太平洋俯冲带(Wang et al., 2021)。受特提斯构造域向太平洋构造域转换的影响(李三忠等, 2022), 东亚陆缘经历了中生代古华夏山脉的垮塌和华北克拉通破坏过程, 形成了现今东倾的地形、一系列大江大河和近海盆地。基于此背景, 聚焦东亚地形倒转及水系重组过程, 利用Badlands软件, 针对华北克拉通破坏、长江三峡贯通等问题, 依次开展了相关研究工作。

宋双双等(2024)主要通过构建古土壤风化指标(PWI、CFXNa)、碳酸盐同位素等数据库, 并结合磷灰石/锆石裂变径迹、剥蚀厚度恢复、海平面变化等数据, 定量化动态模拟了早白垩世期间华北克拉通破坏的古地貌演变过程。模拟结果表明, 早白垩世期间, 华北克拉通经历了由“ 东高西低” 变为“ 西高东低” 的地形翘变, 并伴随着自西向东的断陷盆地的迁移规律; 大规模火山喷发与断陷盆地的出现共同控制了热河生物群的向东迁移, 热河生物群在燕山地区的山间盆地兴起。

韩续等(2024)定量化分析了地幔对流、构造事件、古气候、侵蚀和沉积等地球深浅部多种因素对于地形地貌的贡献, 动态重建了黄河下游25 Ma以来的地貌演化过程。发现, 华北东部的地貌格局在中新世期间已定型并趋于稳定演化, 陆架海沉降是该时期地貌演化的一级控制因素; 此外, 该时期华北东部可能存在一条环山东半岛的古河流— — 华东河, 这条古河流的形成时间不晚于早新近纪, 可能在全新世期间消亡。

田子晗等(2024)动态重建了长江“ 第一弯” 以东地区晚白垩世(80 Ma)以来的长江流域地貌及水系演化过程。模拟结果表明, 青藏东部及上扬子西南缘晚始新世— 渐新世的阶段性隆升迫使四川盆地原有南流水系下切受阻, 沉积物在盆内堆积形成冲积河道并促使四川盆地地貌由“ 东北高西南低” 反转为“ 西南高东北低” ; 新生代早期, 江汉盆地长期受控于中国东部的裂陷环境, 持续处于较低基准面。四川盆地的水系反转和江汉盆地的持续低基准面, 最终导致位于二者之间的长江三峡在晚渐新世发生贯通。

3.2 goSPL全球显生宙古地貌模拟

goSPL全球古地貌重建模型将板块构造模型与一系列古气候重建模型相结合, 综合考虑河流下切、沉积物山坡滑移、压实作用、构造过程(水平和垂直位移)以及气候条件(降水与海平面波动)等因素, 并将其应用于全球尺度的古地貌重建。Salles等(2023a, 2023b)将Scotese 和 Wright(2018)的岩相古地理图集及其相应的PALEOMAP全球板块构造模型作为其古高程以及构造事件的边界条件, 并加载全球古降水数据集(Valdes et al., 2017), 利用goSPL软件, 动态重建了全球显生宙地貌、流域演化及海洋沉积等地球表层过程(图 2)。该模型提供了地球系统各项指标的连续量化, 包括全球地貌、沉积通量和地层结构, 重新评估了地表过程在向海洋输送沉积物方面所扮演的角色, 并将地貌演化、沉积通量等与生物圈演化相结合, 探讨了全球沉积通量变化对物种演化的控制作用。

图 2 显生宙的地貌演化及相关的侵蚀沉积模式(据Salles et al., 2023a)Fig.2 Global scale Phanerozoic landscape evolution model(after Salles et al., 2023a)

大陆漂移决定地球表面陆地和海洋的分布, 古地理的变化又反过来影响大气环流。板块构造和气候通过确定纬度和日照时间、温度或物质循环, 对海洋和陆地生命的发展至关重要。此外, 在控制生物多样性的各种作用力中, 养分供应被认为是最有影响力的环境驱动因素之一, 海洋摄入的营养物质主要与河流径流有关, 其将大陆地形侵蚀的沉积物重新分配到海洋中。然而, 以往海洋物质通量与侵蚀之间的关系只能通过定性评估, 如Sr同位素分析, goSPL模型则能够通过对地球系统过程中沉积物通量连续计算, 更好地量化地貌演化在生物圈长期演变中可能发挥的作用。

显生宙海洋生物多样性演化呈现出3个主要阶段(图 3): 在寒武纪原始动物群出现之后, 古生代动物群经历了一个快速多样化的初始阶段(奥陶纪— 志留纪), 并一直持续到二叠纪; 三叠纪为低生物多样性阶段; 自侏罗纪开始海洋动物群呈现持续多样化发展。goSPL模型预测的海洋沉积物通量变化与显生宙生物多样性演化3个主要阶段吻合较好, 表明地貌演化过程以及海洋沉积物通量是海洋生物多样性的主要控制因素。

图 3 显生宙海洋沉积物模拟通量与海洋物种多样性关系(据Salles et al., 2023a)Fig.3 Simulated marine net sediment flux and diversification of biosphere for the Phanerozoic(after Salles et al., 2023a)

4 未来展望

古地貌作为构造尺度古气候、古洋流模式模拟的重要边界条件, 为跨圈层耦合、多学科交叉研究提供了重要途径。但目前已有的古地貌重建模型, 无法分辨千年— 轨道尺度等短暂地质事件, 更难与高精度的地质观测记录进行对比; 此外, 因为高程代用指标本身的不确定性, 不同古地貌重建模型也存在差异。迫切需要开展超高(时间和空间)分辨率的海陆古地貌重建。

(责任编辑 李新坡)

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