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【前沿报道】PNAS:陆生植物繁盛之前地球上已存在类似现今的河流体系
2019-07-05 | 作者: | 【 】【打印】【关闭

通过对苏格兰地区中-新元古界河流相砂岩进行实验、数值模拟以及现代沉积观察,发现其所代表的古河流具有较低的坡降和较深的河道,类似于现代平原的稳定河流。运用相同方法对地球上其它十处前寒武系河流相砂岩进行计算,获得类似的结果,这一发现表明在志留纪陆生植物繁盛之前,地球上已广泛存在类似现今的河流体系。 

陆生植物的光合作用深刻影响着地表圈层并导致了碎屑沉积作用的根本性变革。比如,志留纪以来,陆生植物生长导致风化作用增强,陆相沉积物中的泥质组分显著增加(McMahon et al., 2018)。同样,植物登陆也可能导致了大型河流几何形态的根本性改变。部分学者认为在志留纪之前,由于缺少植被固定土壤,河岸不稳定,导致河流具有坡降(River gradient)大、河道宽、流水浅、分支多的特征,呈现宽展辫状河(sheet-braided)的几何形态。然而,在新元古代Rodinia超大陆聚合时期,部分河流的长度大于3000 km。为了吻合河流坡降大的特点,将要求流域的海拔高差大于12 km,这显然与当时的岩石圈厚度相悖。因此,有学者根据河道沉积物的规模提出,至少部分前志留纪河流具有较深的河道,并可能具有较小坡降。 

  针对前志留纪大型河流几何形态的争论,美国加州大学地理系Ganti et al. (2019) 以苏格兰地区元古宇河流相砂岩(Torridonian Group)为研究对象,对其所代表的古河流的水深、坡降和形态进行了半定量的恢复。研究认为在地球植被形成之前,具有低坡降、稳定河道的大型河流已广泛存在。相关的研究成果发表在PNAS上。 

  在河流系统中,河床地貌、沉积物和流水相互作用,导致河床形成不同的砂体(砂脊、沙丘、沙坝等)。砂体的迁移形成交错层理,并保存在沉积物中。因此,理论上讲,通过砂岩的沉积结构和构造可以反演古水流方向和沉积物搬运的动力学条件。本项工作的研究对象(Torridonian Group)位于苏格兰西北部,为一套近连续的中-新元古界河流相碎屑沉积岩系,主要由板块或槽状交错层理砂岩组成,整体厚度大于6 km,几乎未发生变质和变形。研究对中上部地层[Applecross组下段(LAF500-100 m);Applecross组上段(UAF2000-3000 m)和上覆Aultbea(> 2000 m)]进行了系统的层系厚度、砂岩粒度和古水流方向测量。 

  根据实验、数值模拟以及现代沉积观察所获得的层系厚度与床砂形态、河流古水深之间的相关关系,计算获得LAFUAFAultbea组的古水深分别为4.1±1 m11±2.7 m12.8±3.1 m (图1A)。同时,根据河砂粒度与沉积物搬运水动力条件(由河流的坡降决定),计算获得的河流坡降分别为 3.9×10-49.7×10-54.5×10-5(图1B)。研究结果反映较深的古河道和较小的坡降,不支持“宽展辫状河”模型(河流坡降为10-310-2),反而与现今稳定大陆内部、海岸平原和前陆盆地中河流的特征一致。作者运用相同方法,对地球上其它十处典型的元古宇河流相砂岩进行计算,获得了相似的古水深(4-15 m)和河流坡降(10-4量级)( 2) 

1  古水动力条件恢复显示Torridonian Group所记录的河流具有低坡降、单一河道的特征。(A)河流水深计算结果;(B)河流坡降计算结果;(C)假定不同流域面积获得的河流宽深比;(D)基于现代观察的河流几何形态稳定性图解

2 地球上十处典型的元古宇河流相砂岩的古水深和河流坡降计算结果

  另外,作者还根据总水量平衡理论(降雨量×流域面积=河道宽度×河道深度×河水流速×时间),计算获得了河道的宽深比(宽度/深度)。在正常的流域面积估算情况下(104–106  km2),河流的宽深比位于单一河道稳定区域(宽深比为10-100)(图1C、图1D)。只有在流域面积大于108  km2(河流长度将超过地球周长)或降水量大于10 m/y(超过热带低压带)的情况下,宽深比才符合宽展辫状河模型。因此,Torridonian群砂岩所记录的河流更类似于现今的曲流河。 

  曲流河的河道主要受控于洪泛平原沉积物形成的堤岸。最近的研究显示,元古宙河流也发育成熟的洪泛平原系统。如在Applecross组中,洪泛沉积由纹层状的砂岩组成,且随着离河道距离的增加厚度逐渐变薄。尽管这些沉积物相对于现代洪泛沉积明显较粗,但它们的存在有利于河道的稳定。由于前志留纪缺少陆生植物和泥质沉积物等固定堤岸的因素,作者推断微生物粘结力可能是砂质河岸稳定的关键。 

  该研究通过半定量计算的方法获得元古宙河流的几何特征,发现低坡度、单一河道的河流在陆生植物繁盛之前已广泛存在。研究结果表明,尽管陆生植物繁盛对地表圈层造成了革命性的影响,但稳定河流的发育却是地球早已有之的特征。该研究对于了解前寒武纪地球和地外行星的沉积作用具有重要意义。 

  主要参考文献 

  Ganti V, Whittaker A C, Lamb M P, et al. Low-gradient, single-threaded rivers prior to greening of the continents[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 116(24): 11652-11657. 

  McMahon W J, Davies N S. Evolution of alluvial mudrock forced by early land plants[J]. Science, 2018, 359(6379): 1022-1024. 

  (撰稿:/岩石圈室)

 
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