中国北方天山前陆晚第四纪汇聚型下游阶地剖面的地貌分析：证据表明，河流演化主要受气候因素控制，而非差异性构造抬升作用

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Geomorphic analysis of late Quaternary convergent-downstream terrace profiles in the foreland of the northern Chinese Tian Shan: Evidence that climate factors, not differential tectonic uplift, dominated fluvial evolution

河漫滩阶地纵向地形剖面收敛特征及其驱动机制研究——以天山北麓古尔图河为例，通过地貌测绘、无人机地形建模和OSL测年，揭示气候驱动的 water-sediment ratio 变化是塑造该地貌模式的主因，而非差异构造抬升。数值模拟验证了水沙比率的关键作用。

　　

黄美琪|卢红华|庞丽琴|毛子琪|姜玉彤|方毅|郑向民

中国华东师范大学地理科学学院，教育部地理信息科学重点实验室，上海200241

摘要

河流阶地是活跃造山带中的重要地貌特征；然而，目前尚不清楚气候变化还是差异性构造抬升是调节河流阶地纵向地形剖面空间分布的主要因素。本研究聚焦于中国天山北部一条内流河流——格尔图河（Guertu River）山前晚第四纪冲积序列。通过详细的野外调查，我们绘制出了三次冲积作用（冲积扇F₃-F₁）和四个阶地（阶地T₄-T₁）的分布图。从地貌上看，阶地T₄和T₁分别对应于冲积扇F₃和F₂。在野外观察中未发现这些地貌表面有明显的晚第四纪变形迹象。通过对基于无人驾驶飞行器（UAV）的数字高程模型（DEM）和差分全球定位系统（dGPS）数据的分析，我们获得了最古老阶地T₄与现代河床的地形测量数据，显示出河流阶地纵向地形剖面呈向下游收敛的趋势。结合通过光释光测年法确定的阶地T₄的废弃年龄（约15.6千年）以及区域气候历史，我们推断气候变化可能对观察到的地形剖面形成起到了重要作用。这一推断还得到了基于输运限制原理的一维数值模型的支持。该模型的结果表明，与气候相关的水-沉积物比例是调节河床和阶地地形的关键因素。因此，我们认为在前陆环境中河流阶地纵向地形剖面呈向下游收敛的趋势并不一定意味着存在差异性构造抬升。

引言

河流是通过堆积和侵蚀过程积极塑造地球表面的动态力量，在从源头到汇流区的景观形成中起着关键作用（Allen, 2008; Tofelde et al., 2019）。在各种河流地貌中，河流阶地对异源因素的变化（尤其是构造活动和气候变化）非常敏感（Yang and Li, 2012; Wang et al., 2023）。随着下切和堆积作用的交替（这些过程主要受气候变化和构造活动影响），会形成阶地。对于河流阶地而言，其纵向剖面是一个重要的地貌指标，因为它可以记录局部甚至区域性的构造活动和气候变化历史（Yang et al., 2009; Li et al., 2012; Hu et al., 2013; Lu et al., 2018; Malatesta and Avouac, 2018）。因此，揭示阶地纵向地形剖面的空间分布及其背后的驱动因素对于理解河流地貌发育机制至关重要（Pepin et al., 2013; Langston et al., 2015; Malatesta et al., 2017; Chen et al., 2020）。

在活跃造山带的前陆地区，河流阶地通常嵌入在冲积扇中。这些地貌单元通常表现出向下游收敛的纵向地形剖面（例如，Lu et al., 2018; Zhang et al., 2024）。换句话说，河流阶地的坡度从较高的阶地逐渐降低到较低的阶地（例如，Lu et al., 2018; Su et al., 2018）。以往的研究通过利用阶地年代学约束（Hetzel et al., 2006; Chen, 2013; Lu et al., 2018; Li et al., 2024b）、物理建模（Rohais et al., 2011; Van Dijk et al., 2012; Tofelde et al., 2019; Leenman et al., 2022）以及景观演化的数值模拟（Wobus et al., 2010; Delorme et al., 2018; Wickert and Schildgen, 2019; Zhang et al., 2024）来研究这种地形剖面的特征和形成机制。构造活动（如差异性构造抬升）可以增加局部坡度，从而引起河流系统的调整，影响河床地形并形成向下游收敛的河流阶地纵向地形剖面（Pan et al., 2009; Yang et al., 2009; Yang and Li, 2012）。另一方面，气候变化可以改变水-沉积物比例（q_w/q_s），进而影响河床坡度，最终导致河流阶地的纵向地形剖面呈现出与差异性构造抬升相似的模式（Poisson and Avouac, 2004; Hetzel et al., 2006; Lu et al., 2018, Lu et al., 2020; Mao et al., 2024）。尽管取得了这些进展，关于河流阶地纵向地形剖面收敛原因的争论仍然存在。

作为典型的洲内活跃造山带，天山在新生代印度-亚洲碰撞作用下经历了构造重新激活并向盆地方向扩展。结果，在山脉的近前陆盆地形成了多条逆冲断层构造（Lu et al., 2019）（图1）。一系列北向或南向流动的河流切割了这些近东西向的山前构造，形成了河流地貌（Lu et al., 2019, Lu et al., 2020）。因此，天山为揭示河流地貌发育机制提供了天然实验室，特别是阶地纵向地形剖面空间分布的驱动因素。本研究以位于中国天山北部最西端的格尔图河为例（图1）。通过地貌测绘、基于无人驾驶飞行器的地形调查、差分全球定位系统（dGPS）地形测量以及光释光（OSL）测年，我们对格尔图河山前的冲积序列进行了分类，获得了阶地的纵向地形剖面，并确定了主要阶地的废弃年龄。为进一步解释观察到的阶地纵向地形剖面机制，我们基于输运限制原理建立了景观演化数值模型，模拟了河床的地形演变过程，并分析了影响河流过程及河床地形的各种因素。本研究的结果有助于解释前陆环境中河流阶地纵向地形剖面收敛的原因。

天山的地质演化、构造和地层

天山是中亚造山带（CAOB）的关键组成部分，东西延伸约2500公里，最高海拔超过7400米。该山脉的演化历史可分为三个阶段（新疆维吾尔自治区地质局（GBXUAR），1985）。从震旦纪到晚二叠纪，多个地块（主要是塔里木地块、天山中部地块和天山北部地块）的碰撞和聚合导致了...

方法论

本研究利用野外获取的地貌数据和数值模拟来揭示格尔图河山前阶地纵向地形剖面的形成机制。首先，通过野外调查和形态测量对冲积序列进行分类，并获取主要冲积地貌单元的纵向地形剖面。随后，利用光释光（OSL）测年来确定时间框架...

格尔图河山前的冲积序列

识别出三次冲积扇沉积作用，即从最老到最新的F₃至F₁（图2b）。以这三次冲积扇为地貌框架，我们确定了四个阶地，即T₄至T₁，它们的高度依次降低（图4，图5）。在格尔图河山前，最大切割深度约为130米。然而，河流尚未侵蚀穿过这些厚厚的冲积层，因此不存在第四纪之前的...

数值模拟结果的验证

有两项证据可以验证我们模拟结果的合理性（图8，图9，图10）。第一项证据来自测量的纵向地形剖面。根据dGPS测得的高程数据，并结合UAV生成的DEM数据，将阶地T₄和格尔图河河床投影到模拟结果上（图10a），结果显示观察到的剖面与模拟结果高度相似（图10a）。第二项证据来自...

结论

本研究探讨了由中国天山北部的一条内流河流格尔图河形成的晚第四纪河流阶地纵向地形剖面收敛的原因。通过详细的野外调查，我们绘制出了三次冲积作用（冲积扇F₃-F₁），并确定了山前四个阶地（T₄-T₁）的分布...

CRediT作者贡献声明

黄美琪：撰写——初稿、方法论、调查、数据分析。卢红华：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、监督、方法论、调查、资金获取、数据分析、概念构思。庞丽琴：方法论、调查、数据分析。毛子琪：方法论、调查。姜玉彤：调查、数据分析。方毅：数据分析。郑向民：数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务或个人利益可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42471005和42071005）的财政支持。我们感谢邓云吴、 Bingjing Li、Xue Guan和Menghan Wu在过去几个野外工作季中的协助。编辑和匿名审稿人的建设性评论和建议极大地提升了手稿的质量。