气候—构造—剥蚀相互作用研究进展与展望

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2022.092

地球科学进展 ›› 2023, Vol. 38 ›› Issue (3): 270 -285. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2022.092

气候—构造—剥蚀相互作用研究进展与展望

鲁学云 ¹(

), 季建清 ¹, 王丽宁 ² ^, ³, 钟大赉 ⁴

^1.北京大学地球与空间科学学院造山带与地壳演化教育部重点实验室，北京 100871
^2.中国石油勘探开发研究院，北京 100083
^3.中国石油盆地构造与油气成藏重点实验室，北京 100083
^4.中国科学院地质与地球物理研究所，北京 100029

收稿日期:2022-07-22 修回日期:2022-11-10 出版日期:2023-03-10
基金资助:
国家自然科学基金项目“喜马拉雅中段与南迦巴瓦构造结变质变形剖面的对比研究”(40472100);“东喜马拉雅构造结剥蚀引起的变形：造山楔和热造山“(41472175)

Research Advances and Prospects of Climate-Tectonic-Erosion Interactions

Xueyun LU ¹( ), Jianqing JI ¹, Lining WANG ² ^, ³, Dalai ZHONG ⁴

^1.Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution, School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871, China
^2.Research Institute of Petroleum Exploration & Development, PetroChina, Beijing 100083, China
^3.Key Laboratory of Basin Structure & Hydrocarbon Accumulation, CNPC, Beijing 100083, China
^4.Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

Received:2022-07-22 Revised:2022-11-10 Online:2023-03-10 Published:2023-03-21
About author:LU Xueyun (1994-), male, Midu County, Yunnan Province, Ph. D student. Research areas include tectonic geomorphology, geosphere interactions and related numerical geodynamic modelling. E-mail: xueyunlu@pku.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China “A comparative study on the metamorphic deformation profiles of the Middle Himalayas and the Namche Barwa syntaxis”(40472100);“Deformation induced by erosion in eastern Himalayan syntaxis: the orogenic wedge and hot orogeny”(41472175)

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气候—构造—剥蚀相互作用是地表层圈相互作用过程的重要方面，近年来相关的研究已逐渐成为地球科学界的热点。主要从数理分析、数值模拟和野外实证3个方面对近30年来气候—构造—剥蚀相互作用的研究进行了回顾和总结，认为以往因果效应的研究思路在一定程度上限制了地表层圈相互作用研究的发展，造山带更适合作为一个在内、外动力能量驱动下不断演化的开放系统来进行研究。总是趋向于平衡状态演化的造山系统会响应内、外动力条件的变化，同时也会反作用于内、外动力因素，但内、外动力因素之间保持相对独立。造山演化的系统观跳出了以往因果效应的思维局限，从而可以很好地解决气候—构造—剥蚀相互作用研究中存在的争议问题。

关键词: 气候—构造—剥蚀相互作用, 地表过程, 层圈相互作用, 地球系统

Climate-tectonic-erosion interactions have recently become a research hotspot in Earth science as a significant aspect of geosphere interactions near the Earth’s surface. Here, studies related to climate-tectonic-erosion interactions over the past 30 years are reviewed mainly from three fields: analytical treatment, numerical modelling, and field verification, and it is suggested that advancement of near-surface geosphere interaction research has been limited by the thought pattern of cause and effect. Orogenic belts are best viewed as evolving open systems driven by energy from endogenous and exogenous forces. An orogenic system with a tendency towards equilibrium will respond to perturbations in endogenous and exogenous forces and also exert impacts on relatively independent endogenous and exogenous factors. Beyond cause and effect, the system-oriented view of orogenic evolution can resolve controversial issues in the study of climate-tectonic-erosion interactions.

Key words: Climate-tectonic-erosion interactions, Earth surface processes, Geosphere interactions, Earth system

中图分类号:

P467

图1 气候—构造—剥蚀相互作用

Fig. 1 Interactions among climate， tectonics and erosion

表1 河流作用主导的稳态临界楔中气候和构造的相互关系（据参考文献［ 10 ］修改）

Table 1 Interrelationships between climate and tectonics in a fluvial-dominated steady-state critical wedge （ modified after reference ［ 10 ］）

侵蚀模型	$m$	$n$	$h$	地体增生流的幂次 $F 1 1 + h m$	降水量的幂次 $P - m 1 + h m$
河流功率模型	1	1	2	1/3	-1/3
单位河流功率模型	1/2	1	2	1/2	-1/4
单位剪切应力模型	1/3	2/3	2	3/5	-1/5

表1 河流作用主导的稳态临界楔中气候和构造的相互关系（据参考文献［ 10 ］修改）

Table 1 Interrelationships between climate and tectonics in a fluvial-dominated steady-state critical wedge （ modified after reference ［ 10 ］）

侵蚀模型	$m$	$n$	$h$	地体增生流的幂次 $F 1 1 + h m$	降水量的幂次 $P - m 1 + h m$
河流功率模型	1	1	2	1/3	-1/3
单位河流功率模型	1/2	1	2	1/2	-1/4
单位剪切应力模型	1/3	2/3	2	3/5	-1/5

图2 河流作用主导的造山楔对构造扰动［（a）~（c）］和气候扰动［（d）~（f）］的响应^{［

9
］}
左边一列代表了造山楔地形高度（a）、剥蚀通量（b）和岩石抬升速率（c）对增生流在 t=0 Ma时增加2倍（实线）或减少2倍（虚线）后的响应；右边一列代表了造山楔地形高度（d）、剥蚀通量（e）和岩石抬升速率（f）对剥蚀效率在 t=0 Ma时增加2倍（虚线）或减少2倍（实线）后的响应，所有变量已被标准化到初始稳定值（用下标 i表示）

Fig. 2 Response of a fluvial-dominated orogenic wedge to tectonic ［（a）~（c）］ and climatic ［（d）~（f）］ perturbations^{［

9
］}
Left column illustrates orogen response to either a factor of two increase （solid lines） or decrease （dashed lines） in accretionary flux at time t=0 Ma in terms of topographic relief （a）， total erosional efflux（b）， and rock uplift rate （c） on the pro-wedge side. Right column illustrates orogen response to either a factor of two increase （dashed lines） or decrease （solid lines） in erosional efficiency at time t=0 Ma in terms of topographic relief （d）， total erosional efflux （e）， and rock uplift rate （f） on the pro-wedge side. All variables are normalized by their initial steady-state value， denoted by the subscript i

表2 冰川作用主导的稳态临界楔中气候和构造的相互关系（据参考文献［ 8 ］修改）

Table 2 Interrelationships between climate and tectonics in a glacial-dominated steady-state critical wedge （ modified after reference ［ 8 ］）

临界楔楔角	冰川运动模式	剥蚀通量—降水量/造山楔宽度关系	造山楔宽度—降水量关系	造山楔宽度—增生流关系
低角度	变形为主	$Y ∝ P 58 L 12$	$L ∝ P - 54$	$L ∝ F 2$
低角度	滑动为主	$Y ∝ P 56 L 43$	$L ∝ P - 58$	$L ∝ F 34$
低角度	混合模式	$Y ∝ P 57 L 67$	$L ∝ P - 56$	$L ∝ F 76$
高角度	变形为主	$Y ∝ P 25 L 23$	$L ∝ P - 35$	$L ∝ F 32$
高角度	滑动为主	$Y ∝ P 23 L 53$	$L ∝ P - 25$	$L ∝ F 35$
高角度	混合模式	$Y ∝ P 12 L 32$	$L ∝ P - 13$	$L ∝ F 23$

表2 冰川作用主导的稳态临界楔中气候和构造的相互关系（据参考文献［ 8 ］修改）

Table 2 Interrelationships between climate and tectonics in a glacial-dominated steady-state critical wedge （ modified after reference ［ 8 ］）

临界楔楔角	冰川运动模式	剥蚀通量—降水量/造山楔宽度关系	造山楔宽度—降水量关系	造山楔宽度—增生流关系
低角度	变形为主	$Y ∝ P 58 L 12$	$L ∝ P - 54$	$L ∝ F 2$
低角度	滑动为主	$Y ∝ P 56 L 43$	$L ∝ P - 58$	$L ∝ F 34$
低角度	混合模式	$Y ∝ P 57 L 67$	$L ∝ P - 56$	$L ∝ F 76$
高角度	变形为主	$Y ∝ P 25 L 23$	$L ∝ P - 35$	$L ∝ F 32$
高角度	滑动为主	$Y ∝ P 23 L 53$	$L ∝ P - 25$	$L ∝ F 35$
高角度	混合模式	$Y ∝ P 12 L 32$	$L ∝ P - 13$	$L ∝ F 23$

图3 剥蚀对山脉抬升的影响（据参考文献［ 22 ］修改）
（a）无剥蚀情况下山脉演化的数值模拟结果，下地壳物质在重力影响下侧向流动造成山脉坍塌；（b）施加一定量剥蚀的情况下山脉演化的数值模拟结果，下地壳物质向山根流动，形成稳定的山脉抬升

Fig. 3 Erosion impacts on mountain growth （modified after reference ［ 22 ］）
（a） Numerical modelling results of mountain evolution without erosion， the crustal root below the range is extruded laterally due to gravity， causing mountains to collapse；（b） Numerical modelling results of mountain evolution with a certain amount of erosion， the lower crustal material flows towards the crustal root， forming stable mountain growth

图4 非对称剥蚀对造山演化的影响（数值模拟）（据参考文献［ 21 ］修改）
（a）当湿气来自左侧时的数值模拟结果，彩色区域为模型域，抬升和剥露通过模型域上方扩展的拉格朗日示踪网格表示，且抬升和剥露集中于活动断层上方；（b）当湿气来自右侧时的数值模拟结果，强烈的抬升和剥露均集中于分水岭右侧

Fig. 4 Numerical modelling results showing the effects of asymmetry of erosional efficiency on orogenic evolution（modified after reference ［ 21 ］）
（a） Numerical modelling results when moisture-laden winds arrive from the left. The colored arearepresents the model domain. Uplift and exhumation are indicated by the extension of the Lagrangian tracking mesh on the top of the model domain and they are focused over an active thrust fault. （b） Numerical modelling results when moisture-laden winds arrive from the right. Both uplift and exhumation are focused on the right side of the drainage divide

图5 剥蚀驱动喜马拉雅下地壳流（据参考文献［ 20 ］修改）
（a）垂直于喜马拉雅造山带的构造剖面，MBT：主边界逆冲带，FTB：褶皱逆冲带，MCT：主中央逆冲带，STD：藏南拆离系，LHS：小喜马拉雅变质带，GHS：大喜马拉雅变质带，青藏高原南部快速的剥蚀卸载可以使软弱的下地壳岩石（粉色部分）运动到高原边部；（b）由剥蚀和重力驱动的速度组分（数值模拟结果）；（c）强烈变形的拉格朗日示踪网格显示岩石的变形模式（数值模拟结果）

Fig. 5 Erosionally driven channel flow in the Himalaya（modified after reference ［ 20 ］）
（a） Schematic cross-section perpendicular to the Himalayan orogen. MBT： Main Boundary Thrust， FTB： Fold-Thrust Belt， MCT： Main Central Thrust， STD： South Tibetan Detachment， LHS： Lesser Himalayan Sequences， GHS： Greater Himalayan Sequences. Rapid erosion and removal of material at the southern margin of the Tibetan Plateau allows the movement of a channel of hot， weak ductile rock （pink regions） from beneath the plateau to its margins；（b） The component of rock velocity due to erosion and gravitational effects alone （numerical modelling results）；（c） Greatly disrupted Lagrangian tracking mesh showing the deformation pattern resulting from channel flow （numerical modelling results）

图6 造山带作为内、外动力能量驱动下的复杂系统

Fig. 6 Orogenic belt as a complex system driven by energy from endogenic and exogenic forces

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