伸展地貌中的构造-气候耦合：通过双侧沙箱实验量化分水岭迁移以及侵蚀-沉积作用之间的反馈机制

《Geomorphology》：Tectonic-climatic coupling in extensional landscapes: Quantifying divide migration and erosion-sedimentation feedbacks through bilateral sandbox experiments

景观不对称性由构造沉降和降水空间差异驱动，本研究通过双边沙箱实验模拟正断层活动与降水梯度作用，揭示分水岭迁移机制及侵蚀-沉积反馈规律。结果显示：高沉降侧形成树状水系并促进溯源侵蚀，低沉降侧维持平行河道；降水通过增强输沙能力抑制分水岭迁移，侵蚀模数对构造沉降响应更敏感（提升125% vs 降水13%）；构造与气候的跨分水岭耦合效应在秦岭- micang山得到验证。

　　

雷艳|李一全|王贤燕|毛玉琼|卢华宇

中国南京大学地理与海洋科学学院

摘要

构造沉降和降水的空间变化在伸展性地貌中产生了基本的不对称性。特别是正断层作用，它形成了一个分水岭基面的差异，这种差异向上游表现为侵蚀作用，向下游表现为短暂的沉积作用，但相关的耦合反馈机制仍缺乏定量研究。本研究采用双边沙盒实验，设置了不同的沉降速率和降雨强度，并结合高分辨率的形态测量分析来探讨这些相互作用。我们发现，排水模式因沉降而不同：在高沉降侧，由于基面下降和网络重组，形成了树枝状水系；而在低沉降、运输受限的情况下，则持续存在平行河道。分水岭的迁移倾向于朝向沉降或降水量较小的侧翼，这一过程受分水岭势能梯度的控制。值得注意的是，较高的降水量通过增加沉积通量来抑制分水岭迁移，从而增强了河床的防护作用并减缓了垂直切割。沉积物的堆积通过抬高基面和增加堆积作用稳定了地貌。此外，我们发现了双向的造山尺度耦合现象，即一侧的沉降或降雨增加会促进另一侧的侵蚀和沉积。侵蚀作用与构造沉降的关联比与降雨的关联更强，例如将沉降速率加倍可使侵蚀速率增加125%，而降雨强度增加1.5倍仅使侵蚀速率增加13%。通过对秦岭山脉和米仓山的实证验证，证实了在伸展性环境中构造作用对气候调节的支配作用。这些发现为排水网络的重组提供了定量约束，并为评估裂谷盆地中不对称的构造-气候作用下的地貌响应提供了预测框架。

引言

构造变形和降水是地形地貌演化的主要控制因素（Molnar等人，1993年；Beaumont等人，2001年；Avouac，2003年；Bonnet，2009年；Bufe等人，2016年；Liu-Zeng等人，2018年），它们的空间模式通过不同的地貌过程产生了地貌的不对称性（Hoffman和Grotzinger，1993年；Willett，1999年；Montgomery等人，2001年；Anders等人，2008年；Whipple，2009年；Whipple等人，2017年）。先前的研究通过自然实例记录了这些耦合效应，例如东喜马拉雅地区岩石抬升与降水之间的强烈反馈（Lang和Huntington，2014年；Lu等人，2024年），安第斯山脉中构造抬升模式决定了降水量梯度并驱动了分水岭的持续迁移（Strecker等人，2007年），以及台湾地区构造汇聚与台风驱动的侵蚀之间的竞争（Dadson等人，2003年）。这些发现共同表明，地貌动态是由构造和气候作用之间的复杂相互作用所决定的。

已经提出了多种机制来解释这些地貌现象的成因。例如，构造变形可以直接通过引起地表抬升或沉降来影响地貌模式（Montgomery等人，2001年；Bonnet，2009年；Liu-Zeng等人，2018年）。抬升区域通常伴随着地表侵蚀的增强，因为地形的高度增加了侵蚀的可能性并促进了河道的切割；而沉降可能促进基面的下降和沉积物的积累（Whipple和Tucker，2002年）。同时，气候作用，特别是通过空间降水量梯度，可以通过调节侵蚀过程来控制地貌演化。地形效应会在迎风坡增加降雨量，而在背风坡形成雨影区（Roe，2005年；Wu和Hu，2019年；He等人，2021年）。这种梯度进一步促进了背风坡的沉积作用，导致基面升高。由此产生的基面高度差异加剧了侵蚀的不对称性，加快了迎风坡的切割速度，同时抑制了背风坡的侵蚀，最终推动了地形不对称性的发展（Sobel等人，2003年；Whipple等人，2017年；Forte和Whipple，2018年；Wu和Hu，2019年）。

然而，这些相互作用中的几个关键方面仍需进一步研究，特别是在构造伸展环境中。首先，虽然推覆系统中的基面对地貌演化的控制作用已经得到充分证实（其中基面变化主要由相对稳定的边界条件下的构造抬升驱动），但正断层作用引起的基面空间变化（涉及同时发生的山体抬升和显著的盆地沉降）对地貌演化的影响仍缺乏定量研究。此外，目前还没有一个有效的预测框架来将这些影响联系起来，即将分水岭两侧稳态河头高度的差异与分水岭迁移联系起来（Ye等人，2024a）。其次，现有研究主要集中在孤立的山体侧翼，忽略了可能的双向反馈作用，即对立两侧不同的构造和气候作用可能会相互作用并塑造自然地貌（He等人，2021年；Khukhuudei等人，2024年）。第三，相邻盆地中的同构造沉积作用及其通过基面调节对山体演化和侵蚀-沉积耦合的影响需要进一步探索，这限制了我们量化盆地-山体地貌动态的能力。尽管数值模拟（Burov和Toussaint，2007年；Whipple，2009年；He等人，2021年）提供了有价值的见解，但它们往往通过参数化物理过程来简化复杂的反馈机制，可能忽略了三维框架中的侵蚀和沉积之间的动态耦合。

为了深入理解这些未解决的问题，我们采用了新颖的双边缩比模拟实验，独立控制中央分水岭两侧空间变化的构造沉降模式和降雨梯度。我们的模型揭示了基面的机械作用以及侵蚀-沉积耦合的控制动态，量化了在瞬态构造-气候作用下的地貌表现，特别是在排水分水岭迁移和河流过程方面。此外，通过将结果与秦岭山脉和米仓山进行对比（那里有明确的南北向构造梯度和季风降水差异），我们建立了模型参数与自然地貌演化模式之间的定量关系。这一基于实验的框架也为评估构造沉降模式调节沉积物路径的造山系统演化提供了预测工具。

实验设置和条件

实验装置在Yan等人（2023年）的基础上进行了改进，旨在物理模拟由正断层作用驱动的地貌演化。其设计概念上捕捉了自然正断层的基本机制，即footwall抬升伴随着显著的hanging-wall盆地沉降（Thompson和Parsons，2017年）。该装置包括一个变形装置、一个降雨系统、一个相机和一个3D激光扫描仪（图1）。

地貌形态的演化

在所有实验模型中，最初两侧的水文网络表现为密集的垂直于断层的沟壑，随着它们向上游地形切割，这些沟壑逐渐演变成更明显的河道（图2，图3）。随着实验的进行，排水网络系统变得更加精细，其长度逐渐增加。在footwall侧，与河流切割密切相关的退行侵蚀作用挖掘出垂直于断层的山谷。

构造沉降引起的基面差异的主导影响

具有空间非均匀构造沉降率的实验模型在排水分水岭的两侧产生了不同的河流网络形态，反映了基面差异对地貌演化的影响。在沉降较小的侧翼，较高的基面导致了运输受限的条件，使得沉积通量超过运输能力，从而抑制了基岩的切割（Whipple和Tucker，2002年；Sklar和Dietrich，2004年）。

结论

本研究采用双边模拟方法来解析伸展环境中不同构造沉降、降水梯度与地貌演化之间的反馈机制。我们得出以下结论：

(1) 排水模式受基面控制的侵蚀作用支配。较高的沉降率放大了基面下降幅度，增加了河流切割能力，并促进了树枝状水系的形成。相反，较低的沉降率保持了受运输限制的平行排水。

作者贡献声明

雷艳：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，调查，形式分析，数据管理。李一全：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法论，调查，资金获取，概念化。王贤燕：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。毛玉琼：撰写 – 审稿与编辑，调查。卢华宇：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系会影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号42494914、42171001和42430513）、国家重点研发计划（资助编号2023YFF0803304）以及国家科技重大专项（资助编号2024ZD1001104）的支持。我们感谢Dong Jia教授在实验中提供的技术支持。