Geomorphology:构造抬升如何影响山脉的不对称性?

地表形态主要受到构造、气候和岩性的影响,因此地貌参数常被用来提取构造、气候等信息。分水岭是描述山脉形态的最重要标志之一,常被用来定义山脉的不对称性和提取构造信息。定量化地理解构造抬升如何影响分水岭的位置是从山脉形态提取构造信息的一个重要前提,也是研究构造和地表过程相互作用的基础之一。但是到目前为止,对于这个构造地貌学的基础问题还在持续探索中。

实验室石峰副研究员、谭锡斌研究员、周朝博士生、休斯敦大学刘一多博士组成的研究团队,在前人研究基础上(He et al., 2021),通过公式推导和数值模拟的方法对上述问题进行了研究。在抬升速率均匀变化和统一的侵蚀系数的前提假设之下,研究团队对比分析了两个重要参数(抬升速率的梯度和抬升速率的比值)对山脉不对称性的影响。通过公式推导,揭示山脉不对称性不总是由抬升速率梯度(λ)控制,而是由抬升速率的比值(U1/U2)控制(图1)。分水岭位置与抬升速率的比值之间的定量关系如图1的公式所示。数值模拟分析同样揭示分水岭位置受U1/U2控制,而不是受λ控制(图2):当λ增加或减小时(图2A),分水岭可以保持稳定;当λ不变时,分水岭却可能会发生迁移(图2B)。

研究表明,当我们通过分水岭的稳定位置或其迁移方向提取构造信息时,首先获得的是抬升速率的比值或其变化趋势,而不是抬升速率的差值(梯度)或其变化趋势。研究通过两个实例(位于鄂尔多斯地块周缘的乌拉山和中条山)给出了新公式在通过分水岭提取构造信息中的应用(图3)。另外,研究还对比了不同条件下垂直构造运动和水平构造运动对分水岭位置的影响,揭示出在构造活动较弱或者岩性较弱(侵蚀系数较高)的情况下,水平运动对山脉形态的影响较弱,而山脉不对称性主要受山脉两侧的抬升速率比值控制。



图 1 分水岭位置和抬升速率比值的定量关系


        

图 2 数值模拟结果揭示出分水岭位置不受抬升速率梯度(λ)控制,而受抬升速率比值(U1/U2)控制


 

                                                                  

图 3 通过分水岭的稳定位置或其迁移方向提取构造信息的实例(乌拉山和中条山)


该研究得到了中央级公益性科研院所基本科研业务专项(IGCEA2004)和国家自然科学基金青年基金项目(41702221)的共同资助。此研究成果于2021年7月在线发表于《Geomorphology》杂志:

Feng Shi, Xibin Tan*, Chao Zhou, Yiduo Liu, 2021. Impact of asymmetric uplift on mountain asymmetry: Analytical solution, numerical modeling, and natural examples. Geomorphology, https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2021.107862

主要参考文献

He, C., C.-J. Yang, J. M. Turowski, G. Rao, D. C. Roda-Boluda, and X.-P. Yuan. (2021). Constraining tectonic uplift and advection from the main drainage divide of a mountain belt. Nature communications, 12(1), 1-10