新近纪以来华北东部古地貌演化数值模拟及陆架海沉降控制<sup>*</sup>

韩续, 索艳慧, 李三忠, 丁雪松, 宋双双, 田子晗, 付新建. (2024). 新近纪以来华北东部古地貌演化数值模拟及陆架海沉降控制^* [J]. 古地理学报, 26(1): 192-207.
HAN Xu, SUO Yanhui, LI Sanzhong, DING Xuesong, SONG Shuangshuang, TIAN Zihan, FU Xinjian. (2024). Numerical simulation of eastern North China paleo-landscape evolution since the Neogene controlled by continental shelf subsidence[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(1): 192-207. 复制到剪切板

Doi: 10.7605/gdlxb.2023.06.070
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新近纪以来华北东部古地貌演化数值模拟及陆架海沉降控制^*

韩续^1,², 索艳慧^1,², 李三忠^1,², 丁雪松³, 宋双双^1,², 田子晗^1,², 付新建^1,²

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 青岛海洋科学与技术国家实验室,海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东青岛 266237

3 加州大学洛杉矶分校地球行星与空间科学学院,美国加州洛杉矶 CA90095

通讯作者简介 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。

第一作者简介 韩续,男,1999年生,中国海洋大学硕士研究生。E-mail: hanxu7359@stu.ouc.edu.cn。

收稿日期:2022-10-21 修回日期:2023-03-11

基金资助:*青岛海洋科学与技术国家实验室山东省专项经费(编号: 2022QNLM05032)、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: ZR2021YQ25)和中央高校基本科研业务费专项(编号: 202172003)联合资助

摘要

中生代以来,华北地区经历了华北古高原垮塌形成渤海湾盆地的地貌巨变过程。针对中生代的华北古高原和古近纪期间的渤海湾盆地裂陷过程已有大量研究,但新近纪以来,由于受太行山隆起、黄河沉积物输运、黄河贯通及海侵等地质事件影响,现今华北东部沿海地区及海域的地貌演化过程及地貌格局的定型时间还存在争议。使用 Badlands数值模拟软件,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,动态重建了华北东部晚新生代(25 Ma)以来的地貌演化过程; 并通过与区域构造格架和沉积相展布的对比,检验了模拟结果的合理性。结果表明,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华北东部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中新世,可能在全新世期间消亡。本研究的古地貌模拟结果也有助于系统理解华北洋陆过渡带的多圈层相互作用。

关键词: 华北东部; 新近纪; 古地貌; 陆架海沉降; 华东河

中图分类号:P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)01-0192-16

Numerical simulation of eastern North China paleo-landscape evolution since the Neogene controlled by continental shelf subsidence

HAN Xu^1,², SUO Yanhui^1,², LI Sanzhong^1,², DING Xuesong³, SONG Shuangshuang^1,², TIAN Zihan^1,², FU Xinjian^1,²

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,National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao),Shandong Qingdao 266237,China

3 University of California Los Angeles,Department of Earth,Planetary and Space Sciences,Los Angeles,CA90095,USA

About the corresponding author SUO Yanhui,born in 1987,is a professor and a Ph.D. supervisor of the College of Marine Geosciences,Ocean University of China. She is mainly engaged in researches on marine geology and marine geodynamics. E-mail: suoyh@ouc.edu.cn.

About the first author HAN Xu,born in 1999,is a master degree candidate of the College of Marine Geosciences,Ocean University of China. E-mail: hanxu7359@stu.ouc.edu.cn.

Fund:Co-funded by the Marine S & T Fund of Shandong Province for National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao)(No.2022QNLM05032),the National Natural Science Foundation of China(Nos.42121005, 91958214),the Natural Science Foundation of Shandong Province of China(No. ZR2021YQ25)and the Fundamental Research Funds for the Central Universities(No.202172003)

Abstract

Since the Mesozoic,North China experienced an abrupt landscape transition from the collapse of the paleo-plateau to the formation of the Bohai Bay Basin. The distribution of the Mesozoic North China Paleo-plateau and the Paleogene rifting in the Bohai Bay Basin have been well known. However,factors driving the Late Cenozoic landscape evolution of the region remain a subject of debate,due to major geological events,such as the uplift of the Taihang Mountain,the sediment transport and the evolution of the Yellow River and marine transgression. In this study,we used Badlands software to quantitatively analyze the contributions of mantle convection,tectonic events,paleoclimate change,erosion and deposition to landscape,respectively. We then reconstructed the paleo-landscape evolution of eastern North China since the Late Cenozoic(25 Ma). The credibility of the modeled results was validated by comparing with existing geological data on tectonic frameworks and sedimentary facies patterns. We suggested that the landscape configuration in eastern North China was primarily established during the Miocene,controlled by the subsidence of continental shelf sea. Notably,our model identified an ancient river,termed'the East China River' near the Shandong Peninsula,which formed no later than the Early Neogene and disappeared by the Holocene. Our results are of great scientific significance to the systematic study on the multiple-sphere coupling in the eastern North China Ocean-Continent Connection Zone.

Key words: eastern North China; Neogene; paleo-landscape; continental shelf subsidence; East China River

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1 概述

中生代以来, 华北克拉通东部地区经历了华北克拉通破坏、古高原垮塌并最终形成渤海湾盆地的构造地貌巨变过程。已有大量研究揭示了中生代华北古高原的分布位置及高程(张旗等, 2008; 夏国清等, 2012; Dmitrienko等, 2017; 索艳慧等, 2017)和古近纪期间的渤海湾盆地的多阶段裂陷过程(徐杰等, 2004; 白玉等, 2016; 刘琼颖和何丽娟, 2019; Yu et al., 2020), 认为华北地貌由高到低的反转与25 Ma之前古太平洋板块和25 Ma以来太平洋板块的相继俯冲作用密切相关。

新近纪以来, 受太行山隆起、黄河沉积物输运、黄河贯通及海侵等地质事件影响, 华北东部沿海地区成为海陆相互作用的集中响应地区。华北东部地区的新构造活动研究有助于深入认知古人类定居环境、环渤海湾经济圈的多圈层相互作用、人地关系等地球系统科学核心问题。前人针对其新近纪以来的地貌演化过程及地貌格局的定型时间, 主要存在两大争议: (1)一种观点认为, 新近纪期间太行山北部和南部先后加速隆升剥蚀(曹现志, 2014; 李庶波等, 2015), 燕山和秦岭造山带快速剥蚀(翟鹏济等, 2003; 周祖翼等, 2003), 华北东部各盆地(渤海湾盆地、北黄海盆地、苏北— 南黄海盆地)均进入热沉降期(漆家福等, 2008), 华北东部地貌格局已定型并趋于稳定演化(安美建等, 2011; 林玉祥等, 2015)。(2)另一派观点认为, 现今华北东部地貌格局主要是中新世以来的周缘山脉快速隆升导致的, 并于第四纪最终定型(王强等, 2004; 张哲和张军龙, 2020)。

已有的华北古地貌模型, 多基于区域热年代学数据、河流阶地或现今的地震剖面数据分析获得(曹现志, 2014; Yi et al., 2016; 简晓玲等, 2019; 闫纪元, 2021), 是针对某一特定地质历史时期局部的、片段化的重建结果。因此, 如何综合利用多种地质资料, 动态重建华北东部区域新近纪以来的地貌演化过程, 是解决上述争议的关键。

Badlands软件是一套描述不同时间和空间尺度上地表地貌演化和区域盆地演化过程的数值模拟软件, 它综合考虑了地幔对流、构造、古气候、侵蚀和沉积等地球深部和浅表系统多种因素对于地形地貌的影响(Salles, 2016; Salles et al., 2018)。该软件可以通过加载多种不同的边界条件(如气候变化、构造运动、海平面升降、侵蚀作用和沉积作用等), 形成一系列可对比的地貌演化模型, 从而量化各边界条件对于地貌的影响, 最终获取最符合地质事实的古地貌形态、沉积物分布和河流水系的重建模型。

本研究使用Badlands数值模拟方法, 动态重建了晚新生代以来华北东部的地貌演化过程。首先, 利用研究区内现有的地震剖面、沉积物厚度和热年代学资料, 获得晚新生代(25 Ma)初始古地形。然后, 以不同边界条件作为约束, 设置了多组模型; 选择最符合研究区新近纪以来隆升和沉降地质事实的模型作为最终结果, 发现构造作用是研究区地貌演化的一级控制因素, 此外还发现华北东部可能存在一条环现今山东半岛分布的古河流— — 华东河, 进而探讨了构造作用控制下的河流水系演化规律。

2 地质背景

研究区位于华北克拉通的东部, 包括太行山— 吕梁山、燕山褶皱带、朝鲜沿岸山脉、鲁西隆起、秦岭— 大别山组成的隆起剥蚀区和渤海湾盆地、北黄海盆地、苏北— 南黄海盆地等一系列中新生代盆地组成的沉降沉积区(图 1)。

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	图 1 华北克拉通东部及邻区大地构造位置(a)和主要构造单元(b)Fig.1 Tectonic location of the eastern North China Craton and its adjacent areas(a)and its main structural units(b)

2.1 隆升剥蚀区

低温热年代学资料表明, 自晚中生代以来, 鲁西隆起及其邻区经历了早白垩世(120~100 Ma)、晚白垩世— 古新世(90~60 Ma)和始新世(50~35 Ma)3个快速侵蚀期(Liu et al., 2022)。太行— 吕梁山地区于中— 晚侏罗世开始快速剥露, 并于早白垩世(120~110 Ma)、晚白垩世(100~60 Ma)、始新世(50~40 Ma)和晚渐新世— 早中新世(30~20 Ma)发生了多次再活化和剥露事件(Huang et al., 2021)。

研究区南部的秦岭— 大别造山带, 在始新世— 渐新世中期开始快速隆升, 在渐新世晚期— 中新世早期隆升减缓, 自晚中新世再次快速隆升, 并延续到第四纪(王斌等, 2017)。

朝鲜半岛沿岸山脉的隆升被认为在晚第四纪前经历了长期缓慢的隆升过程, 但基于古生物记录和河流演化的研究表明, 沿岸山脉最晚在5.1~10.6 Ma之前经历了快速构造隆升, 并保持山地地形至今(Byun and Paik, 2021)。

2.2 沉降沉积区

渤海湾盆地西界为太行山东麓断裂, 东界为郯庐断裂, 总体构造呈NE— NEE走向, 盆地经历了多期次裂陷, 早期裂陷阶段可能始于晚侏罗世, 后期裂陷阶段主要集中于始新世并持续至渐新世, 于中新世馆陶期后进入裂后沉降阶段。晚侏罗世— 早白垩世期间, 盆地进入大规模裂陷阶段, 发育深湖— 半深湖相沉积; 晚白垩世, 盆地经历了区域性反转事件, 大部分地区发生隆升、剥蚀; 古近纪盆地内发育陆相沉积, 以湖泊相和泛滥平原相沉积为主; 新近纪盆地已基本连片为一整体, 主要发育坡积相和平原河流相地层。

北黄海盆地位于郯庐断裂带以东, 早白垩世进入裂陷阶段, 晚白垩世发生反转形成隆起并遭受剥蚀, 始新世再次进入裂陷阶段, 渐新世末发生的反转事件导致沉积间断, 中新世后进入裂后阶段。

南黄海盆地位于华南地块内, 自晚白垩世开始伸展裂陷, 在渐新世发生盆地反转, 整个盆地缺失渐新统。

东海陆架盆地西部坳陷在晚白垩世进入裂陷阶段, 东部坳陷于古新世末期进入裂陷阶段, 中新世后盆地整体进入热沉降阶段。

3 模拟方法和模型设置

3.1 方法

Badlands软件使用有限体积法定义连续性方程, 应用三角形不规则网格(TIN)的方式来求解地貌方程。Badlands的模型设置需要以特定地质时间的古地形为模拟的初始条件, 并加载构造运动、海平面波动和挠曲均衡等模块。Badlands软件使用了一系列本构方程约束地表过程, 实现水流参数化、沉积物扩散参数化和侵蚀过程参数化, 从而获得动态的地貌演化模型(Salles, 2016)。

模拟过程中, 模型主要遵循质量守恒方程:

$\frac{\partial z}{\partial t} = - \cdot q_{s} + u$ (1)

其中, 公式左侧为地面高程z(m)的单位时间(a)增量, 公式右侧的 $, u, q_{s}$ 分别表示地形梯度、构造隆升或沉降速率(m/a)和单位宽度的物质输运速率(m²/a)。

Badlands软件使用简单蠕移法则定义了物质的输运过程:

$- \cdot q_{r} = - \in A^{m} {(z)}^{n}$ (2)

$- \cdot q_{d} = - κ^{2} z$ (3)

$- \cdot q = - q_{r} - q_{d}$ (4)

其中, $q_{r} 和 q_{d}$ 分别代表河流搬运过程和扩散过程的单位宽度沉积物通量(m²/yr), 与 $z$ (地形梯度)和 $A$ (排水面积)相关。扩散系数 $κ$ (m²/yr)与可侵蚀性系数 $\in$ , 取决于岩性及降水量、河道宽度、洪水频率以及其他潜在的参数和过程。系数 $m$ 和 $n$ 分别为面积指数和坡度指数, 其比值为凹度(concavity), 利用共线性方法, Harel 等(2016)统计了全球将近1500个流域, 得到凹度均值约为0.5。

根据挠曲均衡理论, 地表侵蚀和沉积过程造成的物质再分配改变了地表沉积物载荷, 地壳在沉积物荷载的重力作用下将发生大规模弹性弯曲, Badlands软件的挠曲均衡模块使用gFlex计算地球挠曲均衡效应(Wickert, 2016):

$D^{2}^{2} ω + Δ ρgω = q_{l}$ (5)

其中, $ω$ 代表板块的垂直变化量; $Δ ρ = ρ_{m} - ρ_{n}$ 表示地幔和充填物(沉积物、空气和水)之间的密度差; $q_{l} = ρ_{l} g h_{l}$ 表示单位面积的荷载施加的合力; $ρ_{l}$ 是荷载物的密度; $h_{l}$ 是荷载物的厚度; g是重力加速度; D是弹性板块的抗弯强度。

3.2 模型设置

研究区地貌单元广泛且类型多样, 且晚新生代以来研究区内盆地热沉降和山地剥蚀迅速, 故需要考虑多种地质条件和边界条件。在构建模型时, 主要考虑了初始古地形、构造变化、海平面变化、地表过程和挠曲均衡校正等因素, 并设置不同的参数进行了一系列参数测试。首先, 使用Scotese和Wright(2018)的古地理模型和沉积相资料分别建立盆地与陆地的关系(表 1)。随后, 将不同的边界条件应用在模型中, 这些边界条件包括构造事件、侵蚀性系数、降水量和岩石圈厚度, 通过对比大量的模型结果和地质证据, 获得最优模型。为比较各要素对地表过程演化的影响, 本研究选取了4组共19个模型进行比较。

表 1 各种古地理环境的海拔高程范围(据何登发等, 2020) Table1 Elevation of some palaeogeographic environments (after He et al., 2020)

3.2.1 初始古地形

新生代以来, 研究区内渤海湾盆地、北黄海盆地、南黄海盆地普遍弧后伸展导致古高原垮塌和破坏, 古近纪经历了强烈的断陷作用, 并于新近纪进入热沉降阶段, 而盆地边界断层的活跃导致太行山和鲁西隆起等隆起区快速隆升, 地貌总体发生巨变。为获取新近纪早期的古地形, 本研究以Scotese和Wright(2018)的古地理模型为基础, 在研究区盆地范围内, 主要依据古地理资料(刘涛, 2020), 分别对各单元的沉积相赋予初始的高程值; 在隆起剥蚀区, 本研究使用吕红华等(2014)提出的古地形重建方法对低温热年代学资料揭示的区域剥蚀量进行处理, 从而获取古地形。最后, 将隆升区和沉积区古高程数据合并, 并进行三维曲面网格化处理(网格分辨率为10 km, 平面面积为1670 km× 1460 km), 获得25 Ma的古高程(图 2), 并将其作为初始模型加载入Badlands中。考虑到新近纪以来华北东部地区无显著板块运动, 故将模型设置在固定参考系下且不考虑板块运动。新近纪以来, 研究区内在水平方向上无显著板块运动, 故本研究将模型设置在固定参考系下, 且不考虑板块运动。

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

3.2.2 构造事件

研究区内丰富的盆地沉降和山脉隆升等地质资料, 使得定量化限定构造事件的发生时间和空间范围成为可能。结合已发表的相关资料(丁增勇等, 2008; 白玉等, 2016; Liang et al., 2016; Zhao et al., 2016)和平衡剖面恢复结果, 获得了渤海湾盆地、北黄海盆地和南黄海盆地的构造沉降量。对已搜集的热年代学数据库资料进行筛选和校正, 获得了太行山、燕山、鲁西隆起和朝鲜沿岸山脉的构造隆升量(表 2)。

表 2 25 Ma以来华北克拉通东部及邻区主要构造单元的构造隆升/沉降量 Table2 Tectonic uplift/subsidence of tectonic units in eastern North China Craton and its adjacent areas since 25 Ma

动力地形对长时间、大尺度的地貌和河流水系演化的控制作用已有广泛研究, 如北美安第斯山脉(Wang et al., 2020)、亚马逊河流域(Shephard et al., 2010)和澳大利亚东海岸(Salles et al., 2017)等区域。晚新生代以来, 华北地区东部持续处于动力地形低值区, 其动力地形下降范围与盆地热沉降范围基本符合。为探讨动力地形对古地貌及沉积体系演化的影响, 设置了第1组模型, 将Cao等(2018)的动力地形变化数据作为构造变化量。

3.2.3 海平面升降

古海平面变化控制着大陆边缘基准面的长期变化趋势和内陆河道侵蚀及淹没的长周期变化, 直接影响着陆架盆地的可容纳空间, 从而显著影响了地貌演化, 是设置模型的重要参数。本研究模型使用了Haq等(1987)的海平面变化曲线, 该曲线基于钻孔、底栖有孔虫和 $δ$ ¹⁸O同位素研究的结果建立。本研究对海平面变化曲线进行归一化, 截取了25 Ma以来的海平面变化数据。

3.2.4 表面过程参数

降水量是气候类型的重要指标, 是岩石的风化速率和河流演化的重要影响因素。在Badlands软件中, 年平均降水量是气候模块的重要参数, 与可侵蚀性等参数共同控制了侵蚀速率和侵蚀方式。为探讨气候和侵蚀条件对地表过程的影响, 基于古植物研究恢复的古气候资料(Liu et al., 2011; 卢佳仪, 2020; Wang et al., 2021), 为第2组模型设置了0.3~2.5 m多个年平均降水量值(表 3)。

表 3 本研究模型参数 Table3 Model parameters of this study

模型中的可侵蚀性系数影响了冲蚀速率, 在整个研究范围内被设置为均匀的, 该参数与河道物理参数、岩性、气候和水流能量有关, 为了使模拟结果更加符合实际情况, 设置了第3组模型, 分别测试了1e^-8至5e^-6多个可侵蚀性系数 $\in$ (表 3)。侵蚀速率的相关系数m和n参考Badlands软件的默认值分别设置为0.5和1。

3.2.5 深部过程参数

研究区内的隆升区在晚新生代以来经历了强烈侵蚀和物质卸载, 从而可能引发强烈的地壳回弹, 并导致隆升区的快速剥露。与之相对应, 盆地中巨量沉积物的加载也可能使地壳发生挠曲沉降, 并进一步为沉积作用提供可容纳空间。研究区内的岩石圈有效弹性厚度(Te)在空间上有较大的变化, 太行山地区有效弹性厚度约为20 km, 而东海盆地的有效弹性厚度超过80 km(Chen et al., 2013)。为探讨岩石圈有效弹性厚度对地貌演化的影响, 为第4组模型设置了16~80 km多个有效弹性厚度值。

4 结果

针对构造事件、年平均降水量、可侵蚀性参数和岩石圈有效弹性厚度等影响因素, 本研究构建了4组共19个模型, 将各模型结果分别与研究区构造格局、沉积物分布和古地理资料进行比较, 认为模型m27的结果能较好地反映研究区晚新生代的地貌演化过程。因此, 将模型m27作为最佳拟合模型, 获得了盆地沉积厚度和古地貌演化的模拟结果(图 3; 图 4)。

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	图 3 新近统以来华北东部沉积厚度演化模拟结果(模型 m27)Fig.3 Simulation results of sediment thickness evolution in eastern North China since the Neogene(Model m27)

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	图 4 新近纪以来华北东部地貌演化模拟结果(模型m27; 图中蓝色线条表示低海平面/湖平面时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(Model m27. The blue lines represent the channels and tributaries of the ancient drainage system during the low sea level/lake level period)

4.1 盆地沉积厚度

研究区钻孔及地震资料揭示, 新近纪以来, 渤海湾盆地构造演化热沉降阶段的沉积物厚度介于2000~5500 m之间, 沉积中心位于渤中凹陷(丁增勇等, 2008)。模拟获得的厚度值为1900~4600 m; 约4 Ma以来, 渤海湾盆地以渤中凹陷为沉降和沉积中心, 沉积厚度迅速增加。模型模拟的沉积厚度相对不足, 可能有2方面原因: 一是仅将河流输送的沉积物作为来源, 不可避免地忽视了自生与风成沉积的物源物质; 二是对挠曲均衡作用的简化, 可能导致盆地在荷载状态下的沉降量不足。

晚新生代以来, 北黄海盆地的隆起区、被过量充填的沉积区和低海平面时的沉降区均发生夷平作用, 并在统一的沉积基准面上, 接受了地表河流及海侵沉积, 故没有明显的沉积中心, 沉积厚度为150~1200 m。模拟获得的厚度值为120~1280 m, 模型演化过程中北黄海盆地基本处于过充填状态, 在低海平面时期通常处于泛滥平原沉积体系中。

南黄海盆地的新近系(主要包括上新统和中新统)在全区均有分布, 与下伏地层呈角度不整合接触, 在地震反射剖面上较容易识别并可在全区追踪。地震剖面揭示的沉积厚度为600~1000 m, 模拟获得的厚度值为600~2000 m。在闽浙隆起最终垮塌前, 南黄海盆地一直是鲁西隆起区、中国东南沿岸山脉和朝鲜山脉的主要沉积物汇区。

通过上述对比可以发现, 模拟结果与已知的晚新生代的盆地构造格架特征和沉积分布规律具有较好的一致性, 说明m27模型的模拟结果, 能很好地反映研究区晚新生代的沉积演化过程。

4.2 地貌演化过程

分析模拟结果可以发现, 在晚新生代期间, 受岩石圈构造运动和地表侵蚀搬运的影响, 太行山、鲁西隆起、秦岭、大别山和朝鲜半岛沿岸山脉快速隆升, 处于持续剥蚀状态。渤海湾盆地、北黄海盆地和南黄海盆地自中新世以来先后进入热沉降, 成为研究区内沉积物的汇区, 并且随着闽浙隆起的破坏, 经历了由深湖相向海相的发育过程(图 4)。

25~22 Ma间, 鲁西隆起和太行山快速隆升, 而燕山、朝鲜半岛沿岸山脉隆升量与侵蚀量基本抵消。渤海湾盆地的可容纳空间不断扩大, 各流向的河流均汇入渤海湾盆地, 总体处于河流相沉积环境。南黄海盆地被朝鲜半岛沿岸山脉、闽浙隆起带、中国东南丘陵带、山东半岛和辽东半岛封闭, 多发育NW— SE向河流, 以泛滥平原相沉积为主。这一模拟结果对应于广布于研究区盆地内新近系的河流相沉积(王鸿祯, 1985; 徐杰等, 2004; 陈容涛等, 2018; 刘涛, 2020)。

21~5 Ma间, 随着渤海湾盆地和黄海盆地热沉降加速, 渤海、黄海地区由泛滥平原相转变为湖泊相, 成为周围河流水系的主要沉积汇区, 太行山、燕山快速隆升剥蚀产生大量沉积物进入盆地, 沉积物加载进一步增强了盆地的沉降。在此期间南黄海盆地与北黄海盆地逐渐相连, 河流相、三角洲相与湖泊相交替发育。自此, 华北东部地貌格局已基本定型, 但由于闽浙隆起的阻挡, 华北隆起区的剥蚀物质仅有少部分进入东海陆架盆地, 即使在全球高海平面期间, 海水也难以进入盆地区域。至上新世初期, 强烈抬升后的太行山区域的海拔基本处于在400~800 m之间, 最高可达1100 m, 燕山地区的海拔基本在450~800 m之间, 最高可达1200 m, 鲁西地区的海拔主要在300~800 m之间, 朝鲜沿岸山脉海拔大部分在500~2000 m之间。

大约在4 Ma之后, 渤海湾盆地已经发育为渤海古湖, 发源于太行山、燕山和鲁西隆起北部的河流汇入渤海古湖, 发育湖泊相沉积。华北平原的平均海拔约为33 m, 渤海平均水深约25 m, 黄海平均水深约20 m。闽浙隆起逐渐被破坏并在约2 Ma时打开, 在高海平面时期, 渤海湾盆地和黄海盆地可能接受海侵, 与该区域的海侵层相对应(Sun et al., 2022)。

5 讨论

5.1 各因素对古地貌演化的影响

5.1.1 动力地形

第1组模型m44和m45仅以动力地形的变化作为构造变化量, 可以定量化研究深部地幔流动对地表地形的影响。模拟结果显示, 2个模型的动力地形变化量均不足以解释华北东部盆地中新世以来的盆地异常沉降(白玉等, 2016)和山地的快速隆升。以地貌变化较大的模型m45为例, 在动力地形的控制下, 太行山、燕山和鲁西隆起逐渐被剥蚀夷平, 朝鲜沿岸山脉至今不足500 m, 各盆地沉降微弱, 渤海湾盆地的最大沉积厚度约400 m, 与最佳拟合模型m27的结果相差较大(图 6-a, 6-b)。在动力地形控制下, 发源于太行山、燕山和朝鲜沿岸山脉的河流先在渤海湾盆地汇集, 流经南黄海盆地后绕过闽浙隆起带流出(图 5)。因此, 在晚新生代, 大波长的动力地形导致的地形地貌变化并不明显, 地壳尺度的构造运动应该是晚新生代以来华北地区地貌演化的主要控制因素。

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	图 5 新近纪以来华北东部动力地形控制下的地貌演化模拟结果(模型m45)Fig.5 Landscape evolution simulation results under dynamic terrain control in eastern North China since the Neogene(Model m45)

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	图 6 新近纪以来华北东部古地貌演化模型剖面曲线(剖面位置见图 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 气候和可侵蚀性因素

自中新世起, 华北地区的气候系统由纬向西风系统向季风— 西风耦合系统转变, 孢粉序列揭示中新世期间淮北平原和苏北平原以森林植被为主, 期间经历多次干湿和冷暖变化, 但气候整体相对暖湿(Liu et al., 2011; 李宗盟等, 2021)。晚中新世至早上新世期间中国东部气候干冷化, 东亚夏季风带来的降水量减少。早上新世后, 亚洲季风— 干旱气候系统形成, 研究区在该时期气候由干旱转为湿润, 形成了大量湖泊(卢佳仪, 2020)。第四纪以来, 与全球冰期— 间冰期旋回相适应, 研究区内冷暖和干湿旋回明显。

降水量变化和可侵蚀性影响了沉积物剥蚀速度, 间接影响了研究区内的沉积物分布和地表起伏。对比第2组模型和最佳拟合模型m27的结果可以发现, 降水量的变化对盆地沉积厚度的影响并不明显, 但对隆起区高度有一定的控制作用。当气候较干燥、降水量低时(模型m57和m36), 各隆起区的平均海拔高度较高, 与最佳拟合模型相比, 海拔最大差异可达800 m。当降水量较高时, 河流侵蚀作用更加强烈, 各隆起区平均海拔高度较低(图 6-c, 6-d)。在一定范围内, 可侵蚀性参数 $\in$ 较大时(模型m35、m29和m33), 侵蚀强烈, 研究区内的山地基本被夷平, 盆地被过量充填, 在挠曲均衡效应的作用下, 盆地内的地层厚度将增加200~500 m。当侵蚀参数较低时(模型m60、m28和m34), 盆地沉积物充填较少, 沉积物厚度较小, 侵蚀较弱, 闽浙隆起仅依靠构造沉降不能被完全破坏, 黄海与东海不能联通, 各隆起区海拔明显高于最佳拟合模型m27(图 6-e, 6-f)。

5.1.3 岩石圈有效弹性厚度

现今华北地区东部的有效弹性厚度分区明显, 苏北— 南黄海盆地较大(> 50 km), 燕山— 太行山一带较小(10~40 km), 在兰考— 聊城— 盐山断裂以西, 渤海湾盆地的Te迅速下降至20~40 km, 与太行山低Te带形成一体, 组成明显的Te梯度带(郑勇等, 2012; Chen et al., 2013)。在第4组模型中, 首先假设在地质历史时期, 研究区内的Te较高, 与现今渤海湾盆地相当(模型m56), 盆地演化至今的最大沉积物厚度约3200 m, 相当于最佳拟合模型m27的70%, 沉积物充填不足, 有理由怀疑, 晚新生代以来, 随着渤海湾盆地和黄海盆地发生快速热沉降和压实作用, 区域内的岩石圈强度增强, 故地质历史时期的Te值应小于现今的Te值(70 km)。当Te减少时(模型m40和m41), 岩石圈更容易弯曲变形, 盆地内对沉积物荷载的响应更强烈, 因而容纳空间较大, 沉积厚度更大(图 6-g, 6-h)。当Te等于24 km时, 模拟结果与现今的隆起区海拔和盆地沉积厚度最为相似, 因此, 在晚新生代以来的演化过程中, 研究区内大部分区域的岩石圈有效弹性厚度可能在一定时期内为24 km。

5.2 水系演化历史

将模拟揭示的水系演化历史与始新世古大河的演化历史(Fu et al., 2022)、物源演化研究(Zhang et al., 2019; Zhao et al., 2019; Kim et al., 2020; 刘涛, 2020)、地震地貌学研究(陈容涛等, 2018; Tan et al., 2020)、渤海古湖研究(Yi et al., 2015, 2016)、黄海、东海的古地理研究和前人提出的陆架河流演化模式等结合, 本研究发现研究区内环山东半岛存在一条古河流— — 华东河(图 4), 这条古河流的形成时间不晚于中新世(25 Ma), 可能在全新世期间消亡; 其形成原因可能与中生代华北古高原的垮塌有关, 消亡原因与闽浙隆起的剧烈沉降有关。

晚新生代以来研究区内古水系演化可分为3个阶段:

第1阶段, 25~22 Ma间, 发源于燕山、太行山的河流与发源于秦岭— 大别山并向北流入渤海湾盆地的河流在现今胶莱平原处汇合, 流入南黄海盆地。在东南沿海山脉发育的一系列短源河流和发源于朝鲜半岛的河流经北黄海盆地同样流入南黄海盆地, 并最终经闽浙隆起的济州海峡处流出。

第2阶段, 21~6 Ma间, 随着渤海湾盆地和黄海盆地热沉降加速, 河流被隆升的山东半岛阻挡而改道, 绕山东半岛穿过渤海湾盆地流入北黄海盆地, 北黄海盆地成为周围河流水系的主要汇区。由于闽浙隆起的阻挡, 华北隆起区的剥蚀物质仅有少部分进入东海陆架盆地。

第3阶段, 6 Ma之后, 闽浙隆起逐渐被破坏, 在2 Ma时打开, 与地质观测发现的海相层相对应(Yi et al., 2016; Zhao et al., 2019), 南黄海盆地、北黄海盆地和渤海湾盆地由原本的封闭湖泊转为接受海侵, 研究区内的河流演化开始受海平面变化的影响, “ 华东河” 逐渐消亡。

此处, 本研究认为除构造沉降外, 闽浙隆起上短源河流对隆起的侵蚀破坏作用可能也是导致隆起消亡的主要因素。在第四纪, 当河流作用较强或海平面较低时, 黄海盆地的物质可以经闽浙隆起上的海峡进入东海, 闽浙隆起以内发育河流相沉积。当河流作用减弱或海平面上升时, 海侵便会发生(Zhang et al., 2019), 故海侵记录可以在0.89 Ma左右甚至之前便出现。在0.89~0.416 Ma之间, 闽浙隆起和庙岛隆起虽然已经打开, 但仍应高于相邻盆地区域, 对海水具有一定的阻挡作用。在低海平面期, “ 华东河” 仍能发育在陆架上, 直接为冲绳海槽提供细粒物质(Kim et al., 2020)。0.416 Ma后, 闽浙隆起完全被破坏, 渤海古湖也发展为内陆架海, 海水在大部分时期内控制了黄海和渤海区域。

5.3 模型局限性

晚新生代以来华北地区的水平运动微弱, 因此模型仅考虑了研究区内的垂直运动, 未涉及水平位移。模型设置的各类地质参数较为理想化, 如模型使用了统一的可侵蚀性系数和降水量, 未考虑参数的时空差异性; 模型将Haq等(1987)的全球海平面曲线用于区域古地貌演化模拟, 未考虑局部构造影响下的边缘海海平面变化可能带来的影响。第四纪以来, 随着青藏高原隆起, 长江和黄河贯通为研究区带来大量物质, 但由于模型范围的边界仅到达太行山地区, 故该部分物质未被纳入模型。

在未来, 使用更多的地质资料进行高精度地貌演化模拟, 并进一步结合深浅部地质过程可能有助于改进模型, 这对了解构造尺度上的地貌演化和沉积过程具有特殊的意义。

6 结论

本研究使用Badlands软件动态重建了25 Ma以来华北东部的古地貌演化, 模拟结果揭示了华北东部的地貌格局在中新世时已定型并趋于稳定演化。

1)陆架海沉降是该时期华北东部地貌演化的一级控制因素, 深部动力地形的变化不足以解释研究区内盆地的地貌变化。

2)可侵蚀性影响了沉积物剥蚀速度, 间接影响了山体高度和盆地容纳的物质, 年平均降水量对隆起区的影响相对于沉降区更加明显, 岩石圈有效弹性厚度主要影响了沉降区的可容纳空间。

3)中新世以来, 华北东部可能存在一条环山东半岛的古河流— — “ 华东河” , 河流发源于太行山、燕山、鲁西隆起, 流经渤海、黄海和东海陆架, 将沉积物输送至外海。这条古河流的形成时间不晚于中新世(25 Ma), 可能在全新世期间消亡; 其形成原因可能与中生代华北古高原的垮塌有关, 消亡原因与闽浙隆起的剧烈沉降有关。在第四纪闽浙隆起消亡和海平面上升后, 受海侵的影响, 该河流最终消亡。

(责任编辑李新坡; 英文审校徐杰)

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文献选项

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