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【前沿報道】PNAS:陸生植物繁盛之前地球上已存在類似現今的河流體系
2019-07-05 | 作者: | 【 】【打印】【關閉

通過對蘇格蘭地區中-新元古界河流相砂岩進行實驗、數值模擬以及現代沈積觀察,發現其所代表的古河流具有較低的坡降和較深的河道,類似于現代平原的穩定河流。運用相同方法對地球上其它十處前寒武系河流相砂岩進行計算,獲得類似的結果,這一發現表明在志留紀陸生植物繁盛之前,地球上已廣泛存在類似現今的河流體系。 

陸生植物的光合作用深刻影響著地表圈層並導致了碎屑沈積作用的根本性變革。比如,志留紀以來,陸生植物生長導致風化作用增強,陸相沈積物中的泥質組分顯著增加(McMahon et al., 2018)。同樣,植物登陸也可能導致了大型河流幾何形態的根本性改變。部分學者認爲在志留紀之前,由于缺少植被固定土壤,河岸不穩定,導致河流具有坡降(River gradient)大、河道寬、流水淺、分支多的特征,呈現寬展辮狀河(sheet-braided)的幾何形態。然而,在新元古代Rodinia超大陸聚合時期,部分河流的長度大于3000 km。爲了吻合河流坡降大的特點,將要求流域的海拔高差大于12 km,這顯然與當時的岩石圈厚度相悖。因此,有學者根據河道沈積物的規模提出,至少部分前志留紀河流具有較深的河道,並可能具有較小坡降。 

  針對前志留紀大型河流幾何形態的爭論,美國加州大學地理系Ganti et al. (2019) 以蘇格蘭地區元古宇河流相砂岩(Torridonian Group)爲研究對象,對其所代表的古河流的水深、坡降和形態進行了半定量的恢複。研究認爲在地球植被形成之前,具有低坡降、穩定河道的大型河流已廣泛存在。相關的研究成果發表在PNAS上。 

  在河流系統中,河床地貌、沈積物和流水相互作用,導致河床形成不同的砂體(砂脊、沙丘、沙壩等)。砂體的遷移形成交錯層理,並保存在沈積物中。因此,理論上講,通過砂岩的沈積結構和構造可以反演古水流方向和沈積物搬運的動力學條件。本項工作的研究對象(Torridonian Group)位于蘇格蘭西北部,爲一套近連續的中-新元古界河流相碎屑沈積岩系,主要由板塊或槽狀交錯層理砂岩組成,整體厚度大于6 km,幾乎未發生變質和變形。研究對中上部地層[Applecross組下段(LAF500-100 m);Applecross組上段(UAF2000-3000 m)和上覆Aultbea(> 2000 m)]進行了系統的層系厚度、砂岩粒度和古水流方向測量。 

  根據實驗、數值模擬以及現代沈積觀察所獲得的層系厚度與床砂形態、河流古水深之間的相關關系,計算獲得LAFUAFAultbea組的古水深分别为4.1±1 m11±2.7 m12.8±3.1 m (圖1A)。同時,根據河砂粒度與沈積物搬運水動力條件(由河流的坡降決定),計算獲得的河流坡降分別爲 3.9×10-49.7×10-54.5×10-5(圖1B)。研究結果反映較深的古河道和較小的坡降,不支持“寬展辮狀河”模型(河流坡降爲10-310-2),反而與現今穩定大陸內部、海岸平原和前陸盆地中河流的特征一致。作者運用相同方法,對地球上其它十處典型的元古宇河流相砂岩進行計算,獲得了相似的古水深(4-15 m)和河流坡降(10-4量級)( 2) 

1  古水動力條件恢複顯示Torridonian Group所記錄的河流具有低坡降、單一河道的特征。(A)河流水深計算結果;(B)河流坡降計算結果;(C)假定不同流域面積獲得的河流寬深比;(D)基于现代观察的河流几何形态稳定性圖解

2 地球上十處典型的元古宇河流相砂岩的古水深和河流坡降計算結果

  另外,作者還根據總水量平衡理論(降雨量×流域面積=河道寬度×河道深度×河水流速×時間),計算獲得了河道的寬深比(寬度/深度)。在正常的流域面積估算情况下(104–106  km2),河流的寬深比位于單一河道穩定區域(寬深比爲10-100)(圖1C、圖1D)。只有在流域面積大于108  km2(河流長度將超過地球周長)或降水量大于10 m/y(超過熱帶低壓帶)的情況下,寬深比才符合寬展辮狀河模型。因此,Torridonian群砂岩所記錄的河流更類似于現今的曲流河。 

  曲流河的河道主要受控于洪泛平原沈積物形成的堤岸。最近的研究顯示,元古宙河流也發育成熟的洪泛平原系統。如在Applecross組中,洪泛沉积由纹层状的砂岩組成,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。 

  該研究通過半定量計算的方法獲得元古宙河流的幾何特征,發現低坡度、單一河道的河流在陸生植物繁盛之前已廣泛存在。研究結果表明,盡管陸生植物繁盛對地表圈層造成了革命性的影響,但穩定河流的發育卻是地球早已有之的特征。該研究對于了解前寒武紀地球和地外行星的沈積作用具有重要意義。 

  主要參考文獻 

  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.原文鏈接 

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

  (撰稿:王建剛/岩石圈室)

 
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