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标题: Nature：由流变性子和地表过程控制的造山带地形 [打印本页]

作者: 挖机维修 时间: 2022-10-1 19:08
标题: Nature：由流变性子和地表过程控制的造山带地形

碰撞配景下的造山带演化由地壳增厚、地表抬升以及随后的构造沉寂和地壳均衡回弹环节构成。地壳加厚使碰撞造山带的地形举高，地表过程（如河床基岩的腐蚀）使地形降低，从而抵消了构造活动对造山带的抬升作用，这两个过程同时也将天气与构造接洽了起来（Whipple et al., 1999）。地球上有着巨细、高低差异的造山带，毕竟是什么因素控制着造山带的宽度、高度和一连时间？别的，一些活动造山带腐蚀率高，但是为何能维持长达几个百万年之久的高地形？这些题目一直令人费解。

碰撞造山带的端元类型紧张包括：（1）高抬升速率和高腐蚀率的狭窄活动造山带，如台湾和新西兰南阿尔卑斯；（2）腐蚀率低，形成宽阔高原的活动造山带，如喜马拉雅-青藏高原和安第斯；（3）不活泼的造山带，地形衰退慢，可以或许维持数十至上百个百万年，如乌拉尔山和阿巴拉契亚山。在没有冰川的造山带，降雨和河道腐蚀控制着腐蚀率、剥蚀率和沉积率，暗示天气因素决定生长造山带的高度、宽度和地表起伏程度，由此推测大概是腐蚀率控制着造山带地貌的寿命。然而，另有研究表如今某些环境下，有限的地壳强度大概是限制造山带最大高度的因素。我们需要一个对构造变形的适当表征，来研究腐蚀服从对造山带生长和衰退的影响，这个表征应当包含地壳均衡、岩石圈地幔俯冲、分立的断层和贴近地球性子的流变性。

挪威卑尔根大学地球科学系的Sebastian G. Wolf等，使用一个地表过程和地幔标准构造的耦合模型，研究了造山带的生长和衰退。他们用差异的端元模式和新无量纲数Bm，量化了地表过程和构造如何控制了造山带的演化，并由此界说出三种类型的生长造山带，如图1所示。

类型1：Bm＞0.5，不稳固，由地壳强度控制。
类型2：Bm≈0.4-0.5，流量稳固，也由地壳强度控制。
类型3：Bm＜0.4，流量稳固，但由腐蚀控制。

研究发现：构造作用在喜马拉雅-青藏高原和中央安第斯占主导，而在台湾（大概是类型2），猛烈的地表过程平衡了高汇聚速率的作用；在南新西兰阿尔卑斯（SANZ）（类型3），地表过程占主导。造山带的衰退由腐蚀服从决定，可分为两个差异的阶段（如图2a），每个阶段的相干时间标准和均衡回弹特点差异。该研究提供了一个可以或许同一解释地表过程和岩石圈强度如何决定造山带的高度、形状和寿命的框架。

图1 差异山地的Bm值（Wolf et al., 2022）

使用Bm数，量化研究造山带
作者将Bm新界说为两个已经用于接洽构造和地表过程的无量纲数之比。对于生长造山带，Bm由式（1）界说。此中，Ar将造山带地壳增厚所产生的浮力与造山带前陆地壳抗拒变形、造山带进一步变宽接洽起来；抬升-腐蚀数 Ne决定腐蚀力和地表抬升之间的相对紧张性。

Bm数为影响造山带生长的因素提供了一个简单独特的描述，将汇聚速率、地壳强度、地表过程服从和其他易测量的参数（如地壳厚度）接洽起来。差异的模型有着差异的流域腐蚀率、板块活动速率和地壳强度，它们的Bm数也差异，但全部模型的Bm数都能拟合为一条曲线（图1a）。以是，若知道了活泼造山带的Bm值，则可以反算出未知的参数，如地壳强度宁静均河道腐蚀力。

活泼造山带的Bm值
作者总结了决定差异类型造山带的主控因素，如图1a，在不稳固的类型1（喜马拉雅-青藏高原造山带），高汇聚速率的影响较高腐蚀率占主导；在相似的腐蚀率下，若汇聚速率很低则会形成类型3稳固状态的造山带，如SANZ。对于类型2，如台湾造山带，极高的腐蚀率占主导。由于台湾造山带的前陆盆地较弱，否则在高汇聚速率之下它也会发展为类型1造山带。差异造山带的差异Bm值说明地球上差异区域的地壳强度差距只在2到3之间。而环球板块汇聚速率和河道腐蚀力的差异可跨越更大的量级，并能决定造山带的类型。

造山带演化特点
综合考虑汇聚速率、地壳流变和地表过程之间的相互作用，可以将造山带演化分为4个阶段，如图2a。
第一阶段，造山带开始增长（高），直到增至最大高程（hR）为止（类型1，2）或达到由腐蚀限制的稳固状态（类型3）。
第二阶段，对于高地表腐蚀率的类型2和类型3造山带，它以固定的宽度稳固增长；大概当地表腐蚀不能平衡掉构造抬升时，则以不稳固状态增长，导致类型1的造山带以固定的高度生长变宽。在腐蚀的环境作用下，造山带地形的衰退由腐蚀服从和均衡回弹控制。
第三阶段，展现出快速的地形衰退和短波地形的移除。
第四阶段，慢速、长期的地形衰退由地表过程速率和区域均衡回弹控制。

图2 差异类型造山带演化特点（Wolf et al., 2022）

研究结论认为，造山带地形演化是由汇聚速率、地表过程服从、地壳流变决定的。新的Bm数界说了3种造山带类型，解释了形成差异造山带的隐蔽主控因素，并包管了贴近真实的地壳强度宁静均河道腐蚀能力。在地壳强度限制的造山带（类型1,2），腐蚀服从大概控制着造山带的宽度而不是高度，造山带的高度又束缚着生长造山带的流变性子。相反的是，在腐蚀率限制的类型3造山带中，高腐蚀率决定着造山带的高度，并最终形成构造独特，具备固定宽度的窄造山带。由于模型中腐蚀率不变，透过Bm数也能预测当汇聚结束时造山带衰退的时间标准和速率，由于造山带的寿命由腐蚀服从支配。好比，中安第斯就大概长久存在，很大概比喜马拉雅-青藏高原维持时间更长；而台湾大概在构造静息时期的几个百万年内就被夷平。

紧张参考文献
Whipple K X, Kirby E, Brocklehurst S H. Geomorphic limits to climate-induced increases in topographic relief[J]. Nature, 1999, 401(6748): 39-43.
Wolf S G, Huismans R S, Braun J, et al. Topography of mountain belts controlled by rheology and surface processes[J]. Nature, 2022: 516–521.

撰稿：李顺至，田小波/岩石圈室
美编：陈菲菲
校对：万鹏

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