陳磊，王平，2，張懷

1.南京師范大學地理科學學院，南京 210023

2.江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023

3.中國科學院大學地球與行星科學學院，計算地球動力學重點實驗室，北京 100049

0 引言

大河是人類文明的發(fā)源地，人類的每一段文明都離不開大河的哺育。大河水系也是大陸地貌乃至地球表層系統(tǒng)中最重要的組成部分，巨量的沉積物由大河從陸地搬運到海洋，在物質循環(huán)中扮演著極其關鍵的角色。因此，大河水系的形成與演化備受地球科學家關注。

傳統(tǒng)觀念普遍認為大河水系的演化受控于板塊構造，例如印度—歐亞板塊匯聚及青藏高原的隆升，導致亞洲大河水系格局的形成，如長江、黃河、湄公河、怒江、雅魯藏布江[1]；又如太平洋和美洲板塊匯聚及科迪勒拉—安第斯增生造山作用，逐步確立了美洲大陸水系的基本樣式，如密西西比河、亞馬遜河[2]。在非洲，東非大裂谷的發(fā)育，以及與裂谷相關的構造活動導致了非洲中部河流系統(tǒng)的重組，尼羅河的源頭之一白尼羅河的起源就與東非裂谷西部分支的發(fā)展密切相關，并逐步演化形成了現(xiàn)在的尼羅河水系格局[3]。

然而板塊構造卻很難直接產生或改變大河水系，對大河水系形成與演化起到最直接作用的是地形的改變。例如板塊構造形成了大陸和海洋，它們的平均高差約為4.5 km，這種高度上的差異可以由地殼均衡理論來解釋，并形成了不同密度和厚度的陸殼、洋殼以及巖石圈[4]。不論是板塊匯聚作用還是裂解作用，都可能導致大陸掀斜的發(fā)生，甚至方向的倒轉，為大河水系的形成奠定基礎[5-6]。在這里，我們把由板塊水平運動產生的地形，稱為“構造地形”（Tectonic topography）。板塊匯聚導致巖石圈、地殼的增厚，從而產生“正”構造地形；相反，板塊裂解導致巖石圈、地殼的減薄，產生“負”構造地形。越來越多的證據(jù)表明，地形并非單純由板塊水平運動塑造，還包括由地幔對流產生的黏性應力所造成的“動力地形”（Dynamic topography）的影響[7]（圖1）。當熱的地幔發(fā)生對流上升（如地幔柱），形成“正”動力地形；而當冷的且密度高的物質發(fā)生下沉（如俯沖板片），則形成“負”動力地形。動力地形相比構造地形，波長大（＞5 000 km）、振幅?。ǎ? km）[4]。原則上動力地形可以發(fā)生在10～1 000 km的波長范圍內，但由于地殼和巖石圈密度、厚度變化，以及板塊的撓曲對＜100 km波長的地形有很強的控制作用，所以常常被板塊的水平運動所掩蓋。因此，構造相對穩(wěn)定的克拉通內部是動力地形表現(xiàn)最為顯著的區(qū)域[8]，如非洲，澳大利亞等地區(qū)。

圖1 地球表面“動力地形”（a）和“構造地形”成因（b）圖解（修改自文獻[7]）Fig.1 “Dynamic topography”and“Tectonic topography”on the earth’s surface (modified from reference [7])

一般認為動力地形具有兩種成因。一種是與超大陸聚合和裂解有關的動力地形，通常歸因于大陸邊緣地幔柱的加熱和上涌[9]；另一種是與大洋板片平板俯沖有關的動力地形，最早由Gurniset al.[8]提出，作者認為俯沖的大洋巖石圈板片相對于周圍的地幔物質溫度低且致密，破壞了地幔溫度場，形成了負浮力異常，導致地幔流動，形成了初始動力沉降。隨著平板俯沖持續(xù)，動力地形的幅度和波長增加，還可能轉變?yōu)閯恿β∩齕8,10]。無論哪種成因，動力地形的存在都指示了深部地幔流動能夠改變大尺度的陸地地形格局，造成區(qū)域隆升、盆地沉降等，并且得到了大量地質證據(jù)的支持[11-14]。作為最重要的地表響應，在上述動力地形產生和變化的過程中，地表水系必然會隨之變化，突出表現(xiàn)為大河水系的重組，如溯源侵蝕、襲奪、流向反轉等。

本文在近期國內外研究進展的基礎上，基于地球動力學與地貌模擬技術，系統(tǒng)總結了動力地形與大河水系演化的研究方法和典型案例，嘗試從水系演化的角度闡明地幔深部過程與地表過程的耦合關系，并提出大河水系的演化不僅受到構造地形的影響，動力地形對于水系的重組也可能起到決定性的控制作用。

1 研究方法

1.1 動力地形計算與驗證

1.1.1 基本概念及計算

“動力地形”最早由Pekeris[12]提出，是指由地幔對流導致的大尺度地殼高程的改變。隨著人們對地球深部認識的加深及技術的進步，動力地形的概念得到了進一步修正，例如Richardset al.[13]指出動力地形是響應地幔流動而產生的地球表面的垂直位移。Braun[7]則認為地幔對流和地表邊界之間的相互作用產生黏性應力，黏性應力與地表地形垂直變化所產生的重力應力相互作用引起地幔的相對運動，形成了動力地形。Allen[14]進一步指出動力地形的產生是由于上地幔和下地幔之間的熱浮力驅動，從而傳遞了黏性應力，且黏性應力與重力相互作用，使得地球表面地形發(fā)生變化（圖2）。

圖2 動力沉降和隆升機制示意圖，Δρ 是淺層地幔與空氣或水的密度差Fig.2 Mechanism of dynamic subsidence and uplift,Δρ is the density difference between air or water and the shallow mantle

這里的黏性應力與地幔黏度分布呈正相關關系，且地幔黏度η與溫度和深度有關：

式中：ηr是參考黏度，一般取值為1021Pa·s；η0是無量綱黏度因子，與深度有關，巖石圈和上地幔為1，下地幔為30；E是活化能，為了方便計算常令上地?；罨?為100 kJ/mol，下 地 幔 為30 kJ/mol。T是 溫 度（通過地幔溫度來進行標準化）[15]。

為了得到動力地形h，需要求解相應Stokes 方程，并消除一定深度的浮力和橫向黏性的影響力[16]，用公式表示如下：

式中：σrr是地幔對流模型水平面上的徑向應力，即黏性應力與重力的合力，g是重力加速度，h是動力地形。

1.1.2 結果驗證

動力地形的計算大致包括以下幾個步驟：1）收集研究區(qū)域的地震層析成像，得到地震波速度異常值。2）由地震波速度異常反演密度差異。一般認為密度的差異是由溫度的差異造成的[17]，也有不同觀點認為上地幔處的密度異常與地?；瘜W成分異常有關[18-19]。3）選擇合適的地幔黏度結構，將數(shù)據(jù)代入到具體的動力地形公式（如公式2）中便可得到動力地形。雖然計算過程并不復雜，但動力地形的地質記錄很難保存，尤其難從波長短，振幅大的地形信號中分離。通常采用“殘余地形”（Residual topography）來對比驗證動力地形計算的結果是否可靠[20]：

式中：hres是殘余地形，h0是觀測地形，hcal是根據(jù)選定的地殼厚度Hc，地幔密度ρm以及地殼密度ρc計算得到的均衡地形。H0是與海平面有關的振幅常數(shù)[21]。

動力地形是單純模型計算的結果，而殘余地形綜合了地質記錄（通過觀測得到h0）和模型計算的結果。眾多研究表明，動力地形和殘余地形總體是一致的，例如Flamentet al.[4]利用四種不同的巖石圈均衡模型計算殘余地形場，與五種不同的地幔對流數(shù)值模型預測的全球動力地形場進行對比，發(fā)現(xiàn)這兩種地形存在廣泛的一致性。Gvirtzmanet al.[21]認為地殼浮力和地幔巖石圈密度可以用現(xiàn)有的地質資料進行近似估計，而地幔上升流或下升流區(qū)域可以通過殘余地形來識別。Faccennaet al.[22]在亞平寧山脈的研究發(fā)現(xiàn)，殘余地形與區(qū)域層析成像模型估算的動力地形相吻合。

此外，動力地形存在的地質證據(jù)還包括地層不整合面、沉積中心的遷移及熱年代學所推斷的埋藏和剝蝕歷史等[23-28]，將這些證據(jù)充分的運用到對動力地形的驗證中，才能更好地約束動力地形。

1.2 地貌演化模型與模擬

1.2.1 基本概念

地貌演化模型用以解釋地貌的成因，早期以Davis[29]侵蝕旋回和Penck[30]的坡地后退理論為代表，雖然這些模型能夠將復雜過程簡化，但無法解決地貌演化與其驅動因素之間的內在聯(lián)系。20 世紀80年代以來，以Hack 為代表的動態(tài)平衡理論[31]受到研究人員的青睞，并逐漸定量化，成為描述地形隨時間演化的數(shù)學模型。地貌演化的數(shù)學模型中涵蓋了多種外部因素（構造、氣候、生物、海平面變化等）和內部因素（沉積物產生、侵蝕能力等），被廣泛用于揭示各種地貌過程的驅動機制[32]。定量模型的構建通常包括以下幾個部分。

（1）描述質量守恒

地貌系統(tǒng)中的質量守恒可以表示為：

質量在單位體積中隨時間的變化率=輸入質量變化率—輸出質量變化率用一般性公式表示為：

式中：z是地表高程，t是時間，qs是沉積物在單位時間單位寬度特定方向上的傳輸速率，B是除侵蝕沉積以外的控制因素（如海平面下降或構造抬升等），▽是散度算子，ρˉ是沉積物的平均密度，ρsrc是輸入物質的密度，ρs是輸出的沉積物密度。

（2）描述坡地沉積物產生和運移

坡地過程可分為兩步：風化層生成以及塊體運移。風化層生成的理論模型由Gilbert建立[33]，描述了巖石崩解速率與上覆風化層厚度的反比關系。Ahnert用指數(shù)衰減函數(shù)的形式表示出了其關系[34]：

式中：ps0是裸露基巖的風化層生成速率，H是風化層厚度，ps是單位時間內與風化層等效的巖石厚度，用來表示巖石轉化為土壤的速率，H*是特征衰減系數(shù)。

針對塊體運動（如土壤蠕動），存在一系列的數(shù)學函數(shù)關系，例如：

線性蠕動函數(shù)：

式中：Kc是經驗常數(shù)，這是應用和測試最廣泛的表示塊體運動的函數(shù)，它解釋了上凸型的山坡剖面現(xiàn)象[35]。但線性蠕動函數(shù)對自然土壤在靠近休止角的梯度上的遷移率預測不足，并不能很好地模擬自然條件下的物質運移[36]。于是出現(xiàn)了非線性函數(shù)關系[37-40]，以Howard[38]提出的為例：

式中：Sc是土壤蠕動發(fā)生的閾值梯度，KD和a是系數(shù)。在?z非常小時，該公式就非常接近線性蠕動函數(shù)，而當?z接近Sc時，沉積物的傳輸速率則趨于無窮大。

（3）描述水流運動與河道分布

流域的大部分地貌形態(tài)都是由河流塑造的，因此描述水流的運動與河道的分布是地貌演化模型的重點，通常通過求解St Venant Equations（圣維南方程）來描述河道或具有自由表面的淺水的運動規(guī)律：

式中：i是輸入的降水量減去損失量（下滲和蒸發(fā)等），h是徑流深度，u和v是x和y方向上的水流速度，τb是邊界剪切應力，ρ是水密度，Cf是摩擦系數(shù)。

（9）表示的是河流系統(tǒng)中質量的連續(xù)性，（10）（11）分別是x和y方向上的運動方程，公式左側第一項是某固定點的局地加速度；第二，三項是由于流速的空間分布不均勻所引起的對流加速度，又稱為慣性項；第四項反映了水深的影響，稱為壓力項；第五項反映重力的影響，稱為重力項；第六項為水流內部及邊界的摩阻損失。

由于圣維南方程的解析解很難得到，通常采用空間離散化的方法進行數(shù)值解。近期，元胞算法和運動波等近似算法的出現(xiàn)[41-43]，為計算水流的運動與河道分布提供了一種有效的方法，從而簡化了計算過程。

（4）描述河流侵蝕和沉積物搬運

根據(jù)河床類型的不同，決定水流侵蝕速率的因素也有所不同。一種是基巖型河道，侵蝕能力表現(xiàn)為對基巖中的顆粒的分離能力；另一種是帶有松散、非黏性沉積物的沖積型河道，侵蝕能力表現(xiàn)為水流搬運沉積物顆粒的能力。由此產生了基巖河道水力侵蝕模型和沖積河道水力搬運模型[38,44-46]。

①基巖河道水力侵蝕模型

考慮河床只遭受侵蝕的情況，并且假設泥沙濃度很高，顆粒的最終沉降可以被忽略，顆粒一旦被侵蝕就會被水流帶走，保證了質量守恒。

式中：E是單位時間單位深度的侵蝕速率，ka是與巖性、河流載荷、侵蝕過程等有關的正常數(shù)，河道剪切應力[47-48]τ，a為無量綱正常數(shù)，主要受侵蝕過程的影響[49-50]。

②沖積河道水力搬運模型

河床由完全松散、無黏性的沉積物構成，因此，河床高度變化的速率可以由輸入（D）和輸出（E）的沉積物的差異來表示：

Fosteret al.[51]認為瞬時沉積物輸出取決于最大輸運能力qc和實際泥沙通量qs之間的差：

式中：Dc是最大侵蝕能力。

將上述描述質量守恒、坡地沉積物生成和運移、水流運動與河道分布、河流侵蝕與沉積物搬運的模型進行組合，就構成了地貌演化模型的基本框架。地貌演化模型中參數(shù)眾多且計算復雜，涉及到具體問題時，還需要根據(jù)實際情況進行調整，才能最大程度地反映現(xiàn)實地貌演化過程。

1.2.2 模擬計算

基于地貌演化模型，近年來涌現(xiàn)出眾多計算機軟件對地表過程進行數(shù)值模擬[32,52-53]，這里以Badlands 軟件為例介紹模擬的思路與方法。Badlands是一款開源、并行的盆地和地貌演化模擬軟件，它采用簡化的河道和坡面過程來描述侵蝕、沉積及物質的運移，適合研究大陸尺度上的數(shù)億年的水系演化[54]（圖3）。Badlands軟件使用有限體積法定義控制方程，應用不規(guī)則三角網(TIN)的方式來求解地貌演化方程[55]。

圖3 地貌演化模型示意圖（Badlands）z是高程，sl是海平面，r是降雨，f是撓曲均衡，u是構造地形（修改自文獻[54]）Fig.3 Schematic diagram of Landscape evolution model(Badlands)z is elevation,sl is sea level,r is rainfall,f is flexural isostasy,and u is tectonic topography(modified from reference[54])

地形隨時間的變化可以用以下控制方程來表示：

式中：u是構造隆升量（m/yr），qs是單位截面積的沉積物通量（m2/yr），包括河道侵蝕（qr）和坡地過程（qd）。

河道侵蝕（qr）采用河流功率（單位長度或流量面積的能量耗散率）方程，定義為地表地形梯度和河流流量的函數(shù)：

式中：?是侵蝕系數(shù)，表示侵蝕能力。無量綱系數(shù)m和n均為正值，表示河流下切速率隨河床剪應力的變化規(guī)律，通常m/n的值約為0.5。P是凈降水量（一定時間內，降落到水平面上，假設無滲漏，不流失，也不蒸發(fā)，累積起來的水的深度），A是流域面積。

坡地過程（qd）則定義為線性擴散過程：

式中：κ是擴散系數(shù)，?2是z的二階偏導。

侵蝕系數(shù)?和擴散系數(shù)κ的大小受到氣候、巖性和沉積物搬運過程的影響[32]。

1.2.3 模型驗證

地貌演化數(shù)值模擬通常是在假想的、隨機生成的流域中運行，需要依靠真實的流域，結合現(xiàn)代高分辨率的地形觀測與定年技術對相關模型進行驗證[56]。近期的研究表明，還可以通過河流剖面形態(tài)來反演地貌演化歷史，但對演化時間的約束則取決于對巖石抗侵蝕能力的估計[57]。其他的驗證方法還包括，如計算模型的準周期性谷間距，即坡面上同一序次等級且具有相似間隔的溝谷間距[58]；計算地形高差和出水口數(shù)量等形態(tài)特征信息[59]；開展小尺度物理模擬的方式來重現(xiàn)一定條件下地形的演化過程[60]等等。最近，Stanleyet al.[61]綜合選取了低溫熱年代學數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和入海沉積物通量數(shù)據(jù)來約束地貌演化模型，使用了不匹配度（Misfit）參數(shù)來比較觀測數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)之間的差異，取得了不錯的結果。例如對于地形數(shù)據(jù)，使用KS（Kolmogorov-Smirnov）統(tǒng)計來計算模型預測地形與觀測地形之間的距離D：

式中：Fn（x）是模型預測分布的分布函數(shù)，F(xiàn)0（x）是觀測分布的分布函數(shù)，利用該方法計算高度，坡度，曲率的不匹配度（Mheight，Mslope，Mcurve）。將D標準化到[0，1]，0表示觀測數(shù)據(jù)和模型預測數(shù)據(jù)完全一樣，1則表示兩個分布在可信范圍內相差最大。

2 典型案例

近20 年的地質與地球動力學研究已經證明，大陸上廣泛存在動力地形。在北美，科羅拉多高原的新生代隆升[62]，北美內陸白堊世盆地的沉降和隨后的抬升[63-64]，古生代以來北美克拉通，Kaapvaal（卡普瓦爾）克拉通的垂直運動[28]，科迪勒拉山系古生代的掀斜事件[65]都被認為與動力地形相關。此外，中新世南美北部向東傾斜[66]，澳大利亞晚白堊以來的大陸掀斜[67-68]，非洲南部新生代的隆升[69-70]也與動力地形有關。對于亞洲，雖然動力地形的分離仍然存在困難，但地質證據(jù)表明中國南海以及華東地區(qū)也都存在動力地形[23,71-75]。上述大陸的動力地形也控制了大河水系的演化，如亞馬遜河、尼羅河、密西西比河的水系演化[76]。

2.1 北美法拉隆板塊俯沖引起的水系重組

大量的沉積學證據(jù)表明，白堊世以來北美的水系發(fā)生了重組，流向由原來的西北—北方向轉變成了東北—北方向，南部的水系大多匯流在了墨西哥灣處[15]。早期學者認為這種大陸尺度的水系重組事件是構造成因，如80～55 Ma 間Laramide 造山帶的隆起，導致水系重組及沉積物質的再分配[77]。近年來，研究人員通過地震層析成像等技術發(fā)現(xiàn)Farallon（法拉?。┌鍓K的俯沖產生了顯著的動力地形，由此導致了自西向東的水系重組，形成了現(xiàn)今的水系樣式[78]。

為了驗證Laramide 造山帶的隆起和動力地形對水系的影響，Wanget al.[15,79]進行了地球動力學和地貌模擬，結果表明：1）Laramide 隆升并沒有改變基本的大陸尺度水系模式。巖石圈彈性、海平面、降水等因素可以改變幾百米以內的地表地形，但不足以改變大陸傾斜方向、古水系以及沉積物搬運方向。模擬結果同時也顯示，在沒有地幔動力驅動的情況下，Laramide隆升只能重塑美國西部的局部水系格局，不足以改變北美大陸尺度的水系演化。2）墨西哥灣的沉降與Farallon板塊及海底高原的平板俯沖有關。白堊世時期，F(xiàn)arallon 板塊的平板俯沖，加之海平面上升[80]和Laramide隆升引起的撓曲沉降，使北美中西部的地表下沉，導致了白堊世100～70 Ma的大規(guī)模海侵[15]。到古新世，榴輝巖化的海底高原俯沖增加了Farallon板塊的負浮力，將墨西哥灣地區(qū)拉低，成為動力地形最低的區(qū)域。圖4左列圖模擬結果顯示了白堊世以來墨西哥灣地區(qū)＞1 km的動力沉降，并得到了地層學、熱年代學、物源證據(jù)的支持[15,79,81-82]。與此同時，北美中西部的巖石圈以5 m/Ma的速度反彈，海侵迅速消退。動力沉降持續(xù)東移，美國東部以約10 m/Ma的速度發(fā)生沉降，致使北美發(fā)生了由東高西低向東低西高的地形反轉，導致了大陸尺度的水系重組（圖4）。

圖4 北美早白堊世（129 Ma）以來的動力地形（左圖）及古水系演化（右圖）動力地形模擬采用北美參考系的地幔對流模型，由法拉隆板塊俯沖和榴輝巖化海洋高原共同產生；右圖早白堊世，早古新世以及始新世后北美大陸的古水系演化依據(jù)沉積學結果給出（修改自文獻[15,82]）Fig.4 Dynamic topography of North America since the early Cretaceous (129 Ma) (left)and paleo-drainage system evolution (right)The dynamic topography simulation is based on the mantle convection model of the North American reference system,which is produced by the subduction of the Farallon plate and the eclogite oceanic plateau. The early Cretaceous, Early Paleocene, and post-Eocene paleo-drainage system evolution of North America is shown on the right according to sedimentological results(modified from references[15,82])

白堊世早期（129 Ma），動力沉降區(qū)位于北美西部，發(fā)育西北流向的大型水系，流入現(xiàn)今的加拿大北極地區(qū)，而在美國最南端，注入墨西哥灣地區(qū)的河流為一系列流程較短的區(qū)域性河流，南北主水系的分水嶺位于美國東南部（圖4）。古新世以來（58 Ma），動力沉降的區(qū)域向東遷移至北美中東部，墨西哥灣地區(qū)成為顯著的沉降區(qū)，南北主水系的分水嶺開始向北遷移至美加分界線附近，北部加拿大的水系流向轉向東北方向，南部美國大部的水系開始流向墨西哥灣，且水系上游持續(xù)向西北方向擴展，源頭一度延伸至美國西部加州地區(qū)。隨著沉降中心持續(xù)向東遷移，流入墨西哥灣的水系分水嶺也向東遷移，到上新世時期，南流水系失去加州地區(qū)的部分水系源頭，主體河流組成現(xiàn)今密西西比河的水系樣式[15]。大河水系的重組導致沉積物從向北轉而向南，朝著墨西哥灣運移，這表明深部地幔與地表的相互作用可能是控制沉積源—匯體系的主要因素。

2.2 板塊俯沖與大陸掀斜引起的澳大利亞水系重組

澳大利亞東部高地比中部平原平均海拔高出1 km左右，墨累—達令河發(fā)源于澳大利亞東南部，最終流入印度洋，構成了澳大利亞最大的水系。然而，地球動力學演化證據(jù)表明，白堊世時期的情況正好相反，澳大利亞東部被Eromanga（伊羅曼加）海所淹沒，大多數(shù)水系自西向東匯入該海域[83-85]。早期學者試圖用構造沉降來解釋這種地形變化，將其歸因于巖石圈的彈性變形[86]。但后來發(fā)現(xiàn)即使考慮了水平擠壓力、有效彈性厚度的變化和撓曲響應，也不能解釋觀測到的被動邊緣的大幅度下沉，地層反演的沉降史與熱沉降的估計值還是存在較大的偏差[87]。

Salleset al.[88]從現(xiàn)今的縱向河流剖面和動力地形模型出發(fā)，對過去澳大利亞東部地貌進行反演。結果表明，板塊運動和地幔對流的相互作用導致了該地區(qū)120 Ma 以來的兩期大規(guī)模隆升，使澳大利亞水系發(fā)生重組（圖5）。模擬結果也得到了地質記錄的支持，模擬的東部高地剝蝕與觀測的沉積歷史、低溫熱年代學和累積沉積厚度基本吻合[89-90]。該模型結果建立了澳大利亞東部動力地形和大陸尺度水系演化之間的基本聯(lián)系。

如圖5所示，晚侏羅世（150～140 Ma）時澳大利亞東部地形為西高東低，發(fā)育大型的東流水系，期間澳大利亞整體處于動力沉降的狀態(tài)[88]。到早白堊世晚期（100～90 Ma），由于澳大利亞板塊的持續(xù)東移以及可能存在的下覆板片的影響，在澳大利亞東部引起了動力回彈，地形向西掀斜，加之該時段的海平面上升，導致了澳大利亞中部的海侵和東部水系的重組。到了新生代早期（60～50 Ma），東部高原發(fā)生了第二階段的隆升，澳大利亞板塊下的俯沖板片釋放出大量的水（約2%）并伴隨部分熔融使得密度降低，俯沖帶之上的地幔楔浮力增加，黏度下降，導致澳大利亞東部太平洋地幔熱黏性物質上涌并在澳大利亞板塊下進一步擴散[91-95]。在地表，澳大利亞中東部高差持續(xù)增大，侵蝕加強，以墨累—達令河為主導的河流開始匯集，最終形成了現(xiàn)在的水系格局。俯沖驅動的動力地形控制了澳大利亞東部的流域分布，導致了自東向西的水系模式，對地貌特征和流域的形成起著關鍵性的作用。

2.3 “長壽”的尼羅河水系：來自動力地形梯度的控制

在橫貫大陸的水系當中，大部分大河都發(fā)源于造山帶，但尼羅河的形成則是個例外，普遍認為它與Karoo 地幔柱的上涌有關[6]。例如，Whiteet al.[96]認為在地幔柱的作用下，更多的巖漿物質在地幔柱活躍時期增生到地殼底部，由此產生的地殼增厚導致非洲南部玄武巖區(qū)長期保持高地形，形成了尼羅河南北向的初始水系模式，其年齡可以追溯到新生代早期。大量的地質證據(jù)表明埃塞俄比亞高原從漸新世持續(xù)隆升，并同期開始向尼羅河流域輸送沉積物，這些證據(jù)包括：1）尼羅河三角洲巖心的沉積物記錄表明尼羅河從漸新世以來就一直從埃塞俄比亞高地注入到尼羅河三角洲[97]，其中年輕的碎屑鋯石年齡位于30～20 Ma；2）沉積物厚度記錄也支持在漸新世東非—地中海源匯系統(tǒng)已經形成[98]；3）熱年代學研究表明，青尼羅河盆地最早從28～30 Ma 就開始遭受侵蝕和剝蝕作用[99]；4）河流剖面反演能夠推斷抬升速率，從而判斷非洲大陸的地貌演化，數(shù)據(jù)顯示抬升的主要階段開始于30 Ma[57]。

Faccennaet al.[76]根據(jù)地球動力學模擬恢復了動力地形，結果表明埃塞俄比亞高原的動力隆升以及埃及以北地中海地區(qū)的動力沉降形成了穩(wěn)定的地形梯度，可能是古老尼羅河存在的原因（圖6）。通過與全球觀測結果和殘余地形的觀測結果相比較，驗證了模擬結果的合理性[100-101]。如圖7所示，始新世末期（40 Ma），埃塞俄比亞高原開始快速隆升，38 Ma左右尼羅河三角洲發(fā)生沉積并迅速累積[76]。此時由于Sirte裂谷處的動力沉降要遠高于地中海區(qū)域，源于埃塞俄比亞高原的河流無法全部流向地中海，大部分可能匯入西北—東南向的Sirte 裂谷（圖7c）。在20 Ma時，熱年代學數(shù)據(jù)顯示此時的紅海存在一個隆升的山峰阻擋了尼羅河流向紅海，正好與動力地形圖對應[98]。對比40 Ma以來的動力地形，可以看出埃塞俄比亞高原底部有一個持續(xù)增長的地幔柱上升流，一直影響著尼羅河流域，圖7中另一個負動力地形主要存在于蘇丹—剛果地區(qū)，被解釋為埃塞俄比亞高原地幔柱的回流[102]，可能與剛果河上游流域的形成有關。

這表明，自漸新世以來，尼羅河可能沿著類似的路徑流動。盡管尼羅河流域在過去30 Ma 期間經歷了多次小規(guī)模的變化，但這條河一直沒有中斷。地幔對流塑造了地球表面，而動力地形作為地幔對流的一種表現(xiàn)形式，它的存在可能為長期存在的大陸內部河流及其隨時間的變化提供了一個參考證據(jù)。

圖5 150～50 Ma 以來澳大利亞東部動力地形、地形、水系模式變化圖（修改自文獻[88]）Fig.5 The changes in dynamic topography, topography, and drainage pattern of eastern Australia from 150-50 Ma(modified from reference [88])

2.4 太平洋板塊俯沖引起的亞馬遜河水系重組

亞馬遜河發(fā)源于安第斯山脈，自西向東橫穿南美大陸，流入大西洋。然而，大量的地質證據(jù)卻表明，在安第斯山隆起之前，早期水系向北流入現(xiàn)今的加勒比?；蛳蛭髁魅胩窖?，直到中新世，亞馬遜河發(fā)生了水系倒轉，轉變成為一條東流大河[66]。一些研究者認為這是由于安第斯山脈中部和北部的造山作用引起亞馬遜河的水系重組[103-104]，但南美洲新生代的地形演化以大規(guī)模的抬升和下沉為標志，很難用巖石圈變形來解釋這種大陸水系的根本變化[105]。而另一些研究者則認為南美洲水系變化與地幔深部過程引發(fā)的動力地形有關，F(xiàn)arallon,Phoenix和Nazca板塊俯沖造成地幔對流使得南美成為世界上負動力地形最大的地區(qū)之一，并在早中新世形成了沉降區(qū)，形成了Pebas 濕地沉積環(huán)境[106-107]。Flamentet al.[105]通過地球動力學模擬揭示出，南美洲之下的平板俯沖導致了水平板片前緣的動力沉降，而在海溝與水平板片之間的區(qū)域則形成了動力抬升。作者利用構造變形、撓曲載荷、板幔相互作用、長期海平面變化、俯沖帶幾何學以及平板俯沖的特征恢復了南美洲北部的大尺度地形，認為持續(xù)的平板俯沖導致了早中新世Pebas 濕地沉積的結束以及東流水系的形成（圖8）。Shephardet al.[66]利用地震層析成像技術以及區(qū)域地質數(shù)據(jù)對地球動力學模型進行約束，反映了深部過程與地表過程之間的關系，并對亞馬遜河進行了古地理重建。結果表明，動力地形引發(fā)的大陸尺度的掀斜導致了亞馬遜水系的重組，中新世亞馬遜河沉積物源的證據(jù)也表明亞馬遜河當時正在向東遷移，南美東部沉積速率加大。

圖6 （a）尼羅河流域的殘余地形圖（選取了AB 剖面作為研究對象）；（b）沿AB 剖面的殘余地形分布圖；（c）從埃塞俄比亞高原到俯沖的希臘板片的動力地形分布（時間變化以及緯度距離，尼羅河三角洲在緯度距離為10°處）；（d）埃塞俄比亞—也門高原地形（源）與尼羅河三角洲沉積物通量（匯）的演變（暗橙色方塊代表的是埃塞俄比亞高原平均高程，修改自文獻[76]）Fig.6 (a) is the residual topographic map of the Nile Basin; profile AB is selected as the research object; (b) is the residual topographic distribution along profile AB; (c) is thedynamic topography and its temporal variation, and latitude distance from the Ethiopian plateau to the subducted Greek slab, the Nile Delta is at 10°; (d) is the Ethiopia-Yemen Plateau topography(source) and the Nile Delta sediment volume (sink); Dark orange squares represent the mean elevation of the Ethiopian Plateau(modified from reference [76])

圖7 近40 Ma 尼羅河流域動力地形（修改自文獻[76]）Fig.7 Dynamic topography of the Nile drainage over ～40 Ma (modified from reference [76])

新生代早期（約60 Ma），南美洲北部就開始出現(xiàn)沉降，亞馬遜河流域覆蓋了大部分地區(qū)（圖8），主要從東部流向西部，與此同時安第斯山脈開始隆升[105,108]。直到漸新世（30 Ma）時，南美洲北部和西部的沉降增強，形成了安第斯前陸盆地河流系統(tǒng)，在早中新世（22～14 Ma）期間發(fā)育Pebas濕地沉積，此時水系仍然向北流向加勒比海，到了晚中新世，亞馬遜—加勒比水道徹底關閉，Pebas 濕地沉積消失，北安第斯山脈的隆起限制了亞馬遜河的擴大，河流系統(tǒng)發(fā)生轉向，從而形成了東流的亞馬遜河系統(tǒng)。水系反向事件得到了沉積物源，古水流特征，生物地層學以及安第斯山脈前陸盆地沉積速率的變化等多方面的證據(jù)支持[103,109]。由此可見，板塊俯沖引發(fā)的動力地形是塑造亞馬遜河水系的重要因素。

圖8 近60 Ma 以來亞馬遜河的古地理重建和動力地形（修改自文獻[105,108]）Fig.8 Palaeogeographic reconstruction and dynamic topography of the Amazon river since 60 Ma (modified from references [105,108])

2.5 復雜的板塊構造：東亞地區(qū)動力地形研究

東亞地區(qū)構造演化復雜，大量研究表明，自中生代以來，東亞地區(qū)受到了太平洋板塊，Izanagi 板塊（古太平洋板塊）、印度板塊、菲律賓板塊的共同作用[110-112]。晚侏羅世古太平洋板塊向西俯沖，在東亞下方形成一個水平板片，導致白堊世時期松遼，南黃海盆地以及新生代東海陸架盆地的異常沉降[72]。Yanget al.[113]利用地幔對流模型研究表明，東亞的大規(guī)模的平板俯沖會產生了強烈的下行流、大規(guī)模的水平壓應力和負的動力地形，并促進了東亞以伸展為主導的構造應力[113-117]。新生代以來，Izanagi 板塊洋中脊俯沖、太平洋板塊的斜向俯沖、菲律賓板塊順時針旋轉、再加上歐亞板塊和印度板塊的碰撞，加劇了東亞地區(qū)的弧后擴張伸展。地球動力學模擬揭示出地幔過渡區(qū)存在顯著的水平板片[118-119]。結合地層學證據(jù)和殘余地形計算表明，平板俯沖可能是導致東亞地區(qū)的動力沉降，從而形成了低起伏的東亞地形的重要原因[74,120]。

國內很多學者從動力地形的角度來恢復東亞地區(qū)復雜的構造背景，Caoet al.[72]將磷灰石裂變徑跡與動力地形相結合，恢復了太行山從晚侏羅世開始到現(xiàn)在的四個階段：晚侏羅世的快速剝蝕，白堊世的慢速剝蝕，早新生代的快速剝蝕以及晚新生代的慢速剝蝕。四個階段正好對應了動力地形的抬升與沉降，快速剝蝕期處于動力抬升期，慢速剝蝕期處于動力沉降期。研究發(fā)現(xiàn)不僅太行山受到了動力地形影響，松遼盆地和南黃海盆地白堊世的異常沉降，東海陸架盆地新生代的異常沉降都可以用動力地形來解釋。

侏羅世晚期（160 Ma），東亞地區(qū)動力地形普遍不顯著，南部的較大振幅來自于太平洋和特提斯洋的聯(lián)合作用，但整體表現(xiàn)為向南傾斜[72]（圖9）。直到120 Ma，動力地形向東南旋轉，主要是由于Izanagi 板塊俯沖影響的加大。動力沉降持續(xù)到了80 Ma，到60 Ma 左右，Izanagi—太平洋中部擴張脊與中國東部匯聚邊緣相交，此時動態(tài)地形最偏負。40 Ma 以后，由于俯沖帶的后退，東亞地區(qū)的動力沉降向東遷移，并伴隨沉積中心的遷移與構造變形[121]。

Liuet al.[122]利用Caoet al.[72]和Rubeyet al.[123]的東亞動力地形計算結果模擬了東海陸架盆地南部200～100 Ma 的地質演化，發(fā)現(xiàn)其受到了三個構造階段的控制：1）200～170 Ma，主要受到了巖石圈尺度上的構造控制，由于此時古太平洋板塊俯沖角度較小，形成了強烈的差異隆升；2）170～130 Ma，古太平洋板塊俯沖角度增大，大部分地區(qū)緩慢抬升，鉆井數(shù)據(jù)和地震剖面揭示這個階段主要受到西太平洋地幔上升流的影響，產生了動力隆升[124-127]；3）130～100 Ma，古太平洋板塊后撤，形成了陡俯沖角，發(fā)生了動力沉降[128-129]。東亞地區(qū)并不像北美或澳大利亞等地區(qū)受到單一板塊的作用，其動力地形演化過程相對復雜，但動力地形也無疑是東亞地區(qū)構造—地貌背景形成的重要因素。

圖9 160 Ma 以來東亞地區(qū)的動力地形洋中脊和轉換斷層以紅色線表示，俯沖帶用尖黑色三角形帶表示，修改自文獻[72]Fig.9 Dynamic topography of east Asia since 160 Mamid-ocean ridge and transformation fault are represented by red lines,subduction zone is represented by sharp black triangle zone,modified from reference[72]

3 討論與展望

無論是密西西比水系、亞馬遜水系的重組，還是尼羅河水系能夠得以穩(wěn)定存在數(shù)十百萬年，這些地質事實都充分說明深部地幔對流動引發(fā)的動力地形控制了大河水系的演化。反之，地表的侵蝕與沉積也可以反過來影響地幔對流，造成對局部動力地形的影響[7,130-131]。動力地形是由地球內部密度和表面密度變化引起的重力應力之間的平衡表達式。在這種情況下，地表過程（侵蝕/沉積）可能通過影響兩個平衡應力中的一個來影響動力地形，例如地表侵蝕會降低動力地形的高度[7,131]。但由于地表過程過于緩慢，無法對地幔對流產生顯著的反饋，加上地幔和巖石圈之間強烈的黏度對比，也大大減弱了這種影響。由此可見，深部過程與地表過程之間存在著顯著的耦合關系，其中最典型的表現(xiàn)就是大尺度動力地形的形成，以及由其控制的大河水系的演化。大河水系的展布最直觀的表現(xiàn)便是沉積物記錄，動力沉降會導致快速的板內沉積，形成區(qū)域地層不整合和大陸尺度的水系重組。研究表明：動力沉降會形成近似平行的傾斜地層，隨著沉降的偏移方向而逐漸年輕并伴隨著沉積中心的遷移和沉積厚度的加深[132]。墨西哥灣、Laramide 盆地、美國西部內陸盆地都有類似現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)[79,133-134]，所以地表沉積地層的幾何性質能有效的反映動力地形的變化。

圖10 長江下游水系從古近紀到中中新世的構造—地貌演化過程（a）在古近紀，同期西藏的印亞板塊碰撞和中國東南部的弧后伸展共同導致了江漢盆地，蘇北盆地，南黃海盆地，東海陸架盆地的發(fā)育；（b）漸新世晚期至中新世早期，太平洋板塊的持續(xù)俯沖可能產生了水平板片，動力沉降作用下盆地相互連接，古長江因此而貫通（修改自文獻[139]）Fig.10 Tectonic-geomorphic evolution of the lower Yangtze River system from Paleogene to Middle Miocene(a)During the Paleogene,the synchronous Indo-Asia collision in Tibet and the back-arc extension in southeast China led to the development of the Jianghan Basin,North Jiangsu-South Yellow Sea Basin,and East China Sea Shelf Basin;(b)During the Late Oligocene to Early Miocene,the ongoing subduction of the Pacific Plate may have produced the stagnant horizontal slab.Connecting the corresponding basins opened a path to a through-going fluvial system(ancient Lower Yangtze River)(modified from reference[139])

地球動力學模擬與地貌模擬技術的出現(xiàn)，使得反演深部地幔對流過程與地表過程耦合關系，進而揭示動力地形對大河水系演化的控制成為可能。然而，這些模擬研究方法也存在諸多問題。首先，作為地球動力學模擬的基礎數(shù)據(jù)，地震層析成像分辨率不高以及將地震波速異常與地幔密度異常轉換過程還不夠清晰。此外，當前的地幔對流模型只能研究長波長的動力地形，未來全波形地幔對流模型將包含巖石圈，能夠進一步揭示0～1 000 km 尺度的動力地形，例如海溝區(qū)域[135]，而對大陸來說，短波長的動力地形主要由大陸巖石圈的分層和地幔對流的不穩(wěn)定形成，現(xiàn)在面臨的難題是如何將短波長動力地形信號從均衡和彈性撓曲中分離出來，因為這兩個因素的振幅在千米尺度上是相似的。最后，地貌模型與地球動力學模型的耦合也存在模擬手段，計算能力等限制因素，目前在地球動力學模型上有不同的計算方法，例如有限元，有限體積，離散元等等，這些方法都各有優(yōu)劣，但核心問題還是如何處理算力與精確度之間的關系，這就需要去構建一種快速且精確度高的模型算法來解決此類問題。在探尋大河水系演化與動力地形的關系研究中，一個不容忽視的重要研究區(qū)就是東亞地區(qū)。青藏高原被稱為“亞洲水塔”，發(fā)源于青藏高原的眾多大河都經歷過水系的重組，如長江、黃河、怒江、雅魯藏布江等[136]，這些大河的演化是否受到動力地形的控制？深部地幔對流是如何作用于地表過程？都是亟待解決的科學問題。雅魯藏布江流經西藏南部和東喜馬拉雅構造結，隨后流入印度東北部成為布拉馬普特拉河。目前對于雅魯藏布江的演化主要有兩種觀點：1）雅魯藏布江，伊洛瓦底江，怒江在喜馬拉雅碰撞前就是紅河的支流[136]。2）紅河和伊洛瓦底江沒有直接的聯(lián)系[137]。Robinsonet al.[138]利用U/Pb 和Lu/Hf 年代學方法對雅魯藏布江的演化歷史進行了恢復，結果表明雅魯藏布江在始新世中晚期（約40 Ma）匯流到伊洛瓦底江，早中新世由于東構造結的大量剝蝕以及布拉馬普特拉支流向上游的溯源侵蝕導致斷流，形成了現(xiàn)在的雅魯藏布江水系格局。但當前的多數(shù)研究中都沒有解釋雅魯藏布江水系發(fā)生變化的根本原因，是否與深部地幔過程存在聯(lián)系仍然有待進一步研究。此外，來自長江中下游新生代沉積物的證據(jù)表明，古近紀受東亞區(qū)域伸展控制，主要為集中在江漢、蘇北等斷陷盆地的內流水系，新近紀以來盆地凹陷，水系發(fā)生重組，逐漸轉變?yōu)闁|流的大河水系（圖10），這種水系的重組很可能與板塊俯沖引發(fā)的動力地形控制作用有關[139]。然而，揭示它們的耦合關系還需要詳細的地球動力學與地貌模擬研究。