王友伟等−GRL：极热事件中沉积物通量变化对河流沉积地层的影响

河流沉积地层是重建古气候与构造事件的重要载体。然而，由于河流系统同时受到内部自旋回过程与外部气候和构造的叠加影响，如何从沉积记录中准确识别并量化沉积物通量（Qs）的变化，一直是沉积学和地貌学中的一个复杂难题，这一难题被称为“TheQsProblem”。古新世–始新世极热事件（PETM，约56 Ma）集中体现了这种复杂性：该事件期间大量碳释放使全球平均气温上升约5–8 ℃，而不同盆地却呈现分化的沉积响应——如美国 Bighorn盆地PETM期间发育的河道砂体厚度较事件之前和之后增加约4倍，而Piceance 与 Hanna 盆地的河道砂体在事件前后则几乎保持不变。针对这些分化的沉积响应，学界存在两种对立的假设：一为“沉积物通量阶跃式增加”，强调持续增强的风化与侵蚀导致沉积物供给整体提升；二为“沉积物通量变率增强”，认为极端水文事件造成沉积物脉冲式输入，而长期平均通量并未显著改变。传统地层分析方法难以有效区分这两种假设机制。

为解决这一争议，中国科学院地质与地球物理研究所王友伟特聘副研究员与荷兰代尔夫特理工大学Hemmo A. Abels副教授合作，采用地层正演模拟方法，系统研究了阶跃增加与变率增强两种沉积物通量扰动模式对河流沉积系统地层结构、河道砂体厚度及河流纵剖面坡度的影响。

该研究所用三维模型基于扩散方程和物质平衡表征沉积动力学机制（图1），并显式考虑河道迁移、分叉与改道等关键过程。通过设置四种情景：基准（Qs恒定）、阶跃增加（Qs阶跃增加40%）、变率增强（Qs以±40%幅度周期波动，总量不变）及中间情景（阶跃增加叠加周期波动），在4万年的模拟时长（包括事件前、事件期和事件后三个阶段）中系统解析了河流系统的差异化响应。

图1初始模拟盆地剖面与空间格局。下文所示剖面均沿BB’线提取

研究结果显示，在“阶跃增加”情景下，盆地表现为与基准情景相似的渐进式加积（图2和图3），事件初期沉积速率迅速升高（图3），河床抬升、纵剖面坡度增大，但随着可容纳空间趋于饱和，后期出现侵蚀与地层间断，在事件期间未形成巨厚砂体（图3）。与之形成鲜明对比的是，“变率增强”情景下盆地表现为加积与侵蚀交替发生（图4），河床高度与纵剖面坡度均呈现周期性波动（图5），并通过河道下切创造额外可容空间，发育巨厚砂体（图4）。值得注意的是，两种情景下河流系统的剧烈响应均发生于事件开始前期，且上游响应最为显著，向下游逐渐减弱，因此在分析此类极端事件的地层记录时，需特别关注层位特征并考虑所研究剖面在盆地中的相对位置。

图2基准情景下的地层剖面。（a）沉积物供给量随时间的变化。（b）剖面地形变化：灰色区域表示地形起伏范围，实线显示平均高程。（c）沉积速率时空变化的年代-地层图（类似Wheeler diagram），白点代表侵蚀，彩色点代表加积。（d）时间间隔为50年的地层剖面。时间线密集区域表示沉积作用微弱或无沉积，切割关系指示侵蚀。彩色方块标记河道位置（非实际尺寸）。带圈数字旁的向上和向下箭头分别表示加积与侵蚀

图3沉积物通量阶跃式增加情景下的地层剖面

图4沉积物通量变率增强情景下的地层剖面

图5各情景下河道厚度分布以及河流纵剖面坡度演化图。（a）河道厚度核密度分布，竖直虚线表示各情景河道厚度分布的95分位值；（b）Kolmogorov–Smirnov检验矩阵，对比不同情景下河道厚度的分布是否显著不同；（c–r）为各情景下的坡度时空变化及其平均值演化

该研究定量揭示，与沉积物总量变化相比，其时序变率对地层结构的影响更为显著，更易形成厚层河道砂体和强烈的河流纵剖面坡度波动；厚砂体未必代表沉积物“增量”，可能源于通量的“波动性”增强，这对理解古气候–地表过程耦合机制具有重要启示；从资源勘探角度看，高变率沉积物通量背景更易形成厚度大、连通性好、均质性强的优质储层。

综上，该研究成功解释了全球不同盆地河流系统对极热事件的差异响应：Bighorn盆地的巨厚砂体可能对应于“变率增强”情景，而Piceance和Hanna盆地中未观测到巨厚砂体则可能与“阶跃增加”情景相关。未来研究将进一步引入植被、河岸强度、海平面变化等因素，并通过联用地球系统模型、地貌演化模型和地层沉积模型，构建多尺度联动的气候–剥蚀–沉积模拟体系，深化对古气候–地表过程相互作用的理解。

研究成果发表于国际学术期刊GRL（王友伟* and Hemmo A. Abels. Alluvial stratigraphic response to abruptly increasing and variable sediment supply: Insights from stratigraphic forward modeling[J].Geophysical Research Letters, 2025, 52: e2025GL115985. DOI: 10.1029/2025GL115985.）。

编辑 | 崔静怡

校对 | 王友伟