长期构造作用对大型板内流域地貌演化的影响：以巴西横贯大陆的巴拉那河的一条主要支流为例

板内构造主动控制河流系统演化的机制研究，通过整合水道形态测量、热年代学等数据，揭示巴西东南部Piquiri河流域正交走滑断层系统对水道格局及侵蚀的长期控制作用，总侵蚀量达4125 km3，证实被动边缘板内构造对河流系统演化的主导作用。

　　

Viviane Barbosa Gimenez | Eduardo Salamuni | Saul Hartmann Riffel | George Luiz Luvizotto

圣保罗州立大学地质系，巴西圣保罗州里奥克拉罗

摘要

在被动大陆边缘，板内河流系统通常会对微弱但持续的构造应力表现出复杂的地貌响应，尽管地震活动较低，活动断层的地表表现也较为有限。在这些环境中，一旦超过地貌阈值，排水网络可能会迅速重组，形成陡坎带、河道偏转、不对称盆地以及局部侵蚀现象，这些现象记录了继承地壳结构的重新激活。本文研究了巴西东南部被动边缘帕拉纳河主要支流皮基里河（Piquiri River）的长期地貌构造演化过程，整合了排水形态测量数据、χ-Ksn分析、剖面测量、总体侵蚀测绘、脆性构造数据以及独立的热年代学约束信息。研究表明，该地区的地貌由两个正交走向的走滑断层系统（NW-SE和NNW-SSW）控制，这两个断层系统对排水几何形态、陡坎分布、盆地不对称性和垂直侵蚀程度具有决定性影响。这些构造走廊集中了河流的侵蚀作用，导致河道反复发生弯曲，并在盆地中部形成了沿断层排列的陡坎带和峡谷。总体侵蚀量达到了4125立方公里，对于这种规模的流域来说是一个异常高的数值；其空间分布表明，蓬塔格罗萨拱（Ponta Grossa Arch）的构造分割作用显著增强了侵蚀作用，超出了岩石类型或气候因素的单独影响。通过结合总体侵蚀量和垂直侵蚀模式与红土表面的U-Th/He年龄数据，我们推导出了地貌演化的相对时间序列，确定了约2500万年和800万年前的两次重要的排水重组事件，这些事件与来自安第斯边缘的板块应力重组有关。我们的研究结果表明，被动边缘的板内地貌能够通过对继承断层网络的阈值控制机制，对长周期、低应变的构造应力保持高度敏感。

引言

断层重新激活被认为是板内构造环境中地貌更新的基本机制，在这种环境中，预先存在的机械不连续性会随着板块应力状态的变化而积累应变（Zoback, 1992; Burbank and Anderson, 2013; Duvall and Tucker, 2015）。大规模的地壳断裂带常常伴随着强烈的岩浆活动和岩石圈体积的反复改造，这使得它们对地热状态和机械状态的时间和空间变化特别敏感（Tommasi and Vauchez, 2001; Corti et al., 2003）。虽然断层重新激活的内部效应（如变质作用和新构造结构的形成）已有较为详细的记录（Sibson, 1986; Holdsworth et al., 2001），但重复的板内走滑断层重新激活的地貌表现仍不够明确，尤其是在大型排水系统的尺度上。

大型大陆河流流域理论上对远场构造应力非常敏感，然而在板内环境中它们的地貌演化却难以解释，因为变形通常较为微弱且分布广泛，地表表现也较为不明显（Whipple, 2004）。在这种情况下，排水网络可能保留了构造应力的最清晰记录，通过形成陡坎带、河道偏转、盆地不对称性和排水重组来非线性响应应力变化（Whipple and Tucker, 1999; Bishop, 2007; Kirby and Whipple, 2012）。尽管这些现象在活跃变形区域有充分记录，但在板内环境中——尤其是在反复的走滑断层重新激活情况下——它们的意义仍有争议，因为类似的地貌特征也可能由气候波动、岩石类型差异或基底水平变化引起（Brookfield, 1998; Seybold et al., 2021; Tandon and Sinha, 2022）。

大多数主要河流系统起源于抬升的造山带，并穿越广阔的克拉通内部区域，最终注入海洋，将其长期演化与全球构造过程和超级大陆循环联系起来（Cox, 1994; Whipple, 2004; Burbank and Anderson, 2013; Tandon and Sinha, 2022）。全球范围内的大型大陆河流普遍显示出构造作用与排水演化之间的强烈耦合。尼罗河反映了与非洲地形增长相关的长期重组（Fielding et al., 2010），而黄河则记录了与青藏高原抬升相关的阶段性扩张（Lin et al., 2024）。同样，东亚的主要河流系统（如长江）也显示出受构造调节的排水增长（Cao et al., 2023），而亚马逊河的形成则是由于安第斯山脉驱动的重组（Latrubesse et al., 2010）。因此，地形对排水组织和持久性具有决定性影响，反映了板块汇聚与分离、重力扩张、地壳隆起和区域倾斜的综合作用（England and Houseman, 1988; Whipple and Tucker, 1999）。然而，在以走滑构造为主的板内环境中，重复断层重新激活如何转化为盆地尺度的侵蚀、排水重组和长期地貌失衡的机制仍不够清楚。

与断层带相关的排水异常为了解过去和当前的应力状态提供了宝贵的线索。在板内地区——新构造断层暴露较少且地震活动普遍较低的情况下，陡坎带、河道偏转和盆地不对称性等地貌指标通常是检测断层重新激活和重建长期地貌演化的主要手段（Bishop and Goldrick, 2010; Burbank and Anderson, 2013）。然而，仅依靠地貌分析提供的视角较为有限，因为构造信号可能会被岩石类型异质性、火山活动、等静力调整和气候变化所掩盖或掩盖。要厘清这些效应，需要一种将地貌指标与断层分布、运动学和区域应力演化明确联系起来的综合方法，特别是在以走滑变形为主的环境中（Duvall and Tucker, 2015; Forte et al., 2016; Souza et al., 2021）。

在这个框架下，巴西东南部边缘及其相关的板内河流系统为研究重复的走滑断层重新激活如何影响地质时间尺度上的排水演化提供了理想的自然实验室。许多研究记录了沿该边缘和蓬塔格罗萨拱地区的裂谷后构造重新激活现象（Franco-Magalhaes et al., 2014; Hiruma et al., 2010; Santos et al., 2023a）。然而，对于这些现象的解释存在分歧，有人认为这是缓慢的渐进性变形伴随应力场旋转的结果（Strugale et al., 2007; Santos et al., 2023b），也有人认为这是由新生代多个应力源驱动的间歇性断层重新激活事件（Riccomini et al., 2004; Gimenez et al., 2022; Salamuni et al., 2021）。这些不同模型对大型板内排水网络的地貌后果仍缺乏定量研究。

在这里，我们以皮基里河流域及其与帕拉纳河的交汇处为例，皮基里河既是蓬塔格罗萨拱的主要支流，也是其主要构造线状构造（Ferreira, 1982）（图1）。通过整合排水形态测量数据、河道陡度指数、χ分析、总体侵蚀估算和详细的构造分析，我们评估了重复的走滑断层重新激活如何影响整个新生代的排水组织、侵蚀模式和地貌更新。这种多学科方法使我们能够将地貌阈值和排水重组与板内构造过程明确联系起来，为其他在构造活动较弱的大陆内部地区的大型河流系统提供借鉴。

地质背景

皮基里河流域位于帕拉纳盆地的中心部分，这是一个占地约150万平方公里的克拉通内凹陷盆地，包含古生代和中生代的岩层，这些岩层延伸至巴西中南部以及阿根廷、巴拉圭和乌拉圭。该盆地的东侧（位于巴西东南部与乌拉圭之间）受到强烈的侵蚀作用和地壳抬升的影响，估计垂直剥蚀深度达到了约2500米（Hurter and

方法

我们详细绘制了皮基里河流域的排水网络和地表地形图，将其划分为85个子流域和三个主要地貌区，分别对应河流的上游、中游和下游（图4）。分析还涵盖了从伊瓦伊河（Ivaí River）到皮基里河口之间的最后150公里河段，包括曾经存在塞特凯达斯瀑布（Sete Quedas Falls）的区域。形态测量分析使用的是ArcGIS 10.4软件。

结果

基于对85个子流域的初步地形和地貌分析，皮基里河流域被划分为三个地貌区（GZ-1、GZ-2和GZ-3），分别对应河流的主河道下游、中游和上游（图4）。这种划分提供了一个一致的框架，用于比较同一流域内不同区域的形态测量模式和排水组织。

高程图（图5）显示了中等程度的地形起伏，海拔范围从

讨论

皮基里河流域受到两个正交走向的断层系统（NW-SE和NNW-SSW）的控制，这两个断层系统对排水几何形态和侵蚀模式具有决定性影响。NW-SE走向的断层与皮基里河和圣塞巴斯蒂昂河（S?o Sebasti?o River）的走向一致，而NNW-SSW走向的断层则控制着皮基里河和戈伊奥-埃雷河（Goio-Erê River）的主要河道。河道中的弯曲、直线段以及网状或树枝状分布反映了河流对走滑断层的反复调整

结论

本研究填补了理解板内地貌演化的一个关键空白：即排水网络如何在百万年的时间尺度上响应构造活动较弱的大陆内部的重复走滑断层重新激活。尽管被动边缘通常被认为是机械稳定的，但皮基里河流域的例子表明，继承的断层系统可以施加持续的地貌阈值，反复重组排水系统、控制侵蚀过程并产生长期存在的地貌特征

CRediT作者贡献声明

Viviane Barbosa Gimenez：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。Eduardo Salamuni：撰写——审稿与编辑、监督、方法论、概念化。Saul Hartmann Riffel：撰写——审稿与编辑、验证、方法论、调查。George Luiz Luvizotto：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调。

关于写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本论文期间，作者使用了ChatGPT 5.1（OpenAI）来帮助改进手稿某些部分的清晰度、结构和措辞。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审阅和编辑，并对工作的完整性、准确性和原创性负全责。

未引用的参考文献

Aza?ón et al., 2015

Chavez-Kus and Salamuni, 2008

Cooke et al., 2020

Farias et al., 2022

Fielding et al., 2018

Fúlfaro and Suguio, 1980

Malik et al., 2023

Morales and Hasui, 2001

Nascimento et al., 2016

O'Leary and Simpson, 1977

Petri and Fulfaro, 1983

Quigley et al., 2007

Renne et al., 1996

Salamuni et al., 2004

Sanches et al., 2024

Sowinski et al., 2024

Stevaux et al., 2009

Tandon et al., 2008

Whittaker, 2012

Zheng et al., 2013

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可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢Peter Christian Hackspacher博士（已故）在我们工作的早期阶段提供的宝贵指导和监督。同时，我们也感谢圣保罗州立大学（UNESP）的地球科学与环境研究生项目以及巴西联邦研究生教育支持与评估机构（CAPES）在整个研究过程中给予的制度和财政支持。