构造变形和地表过程的相互作用的过程与机制是地球系统科学关心的热点问题，构造变形影响地表过程，而地表侵蚀和堆积过程通过地壳均衡作用，也对构造应力的分布、构造变形的样式等产生了反馈作用。褶皱冲断带和相邻盆地是地表侵蚀与地壳变形相互作用的重要场所。前人提出强烈的降水、侵蚀或冰川作用与岩石快速隆起存在空间相关性。与大尺度的构造相比，中等尺度的构造差异会引起河流形态的多样性和沉积物输移的变化，反之对新生构造的形成带来影响。在中尺度的褶皱冲断带背景下，构造变形如何响应河流水系演化和沉积物分布并不清楚。
先前研究大多基于构造几何学、气候和地貌的综合分析推断其形成过程，缺乏构造地貌的动态演化过程和机制的探讨，而模拟能够为这一问题的解决提供必要途径。最近，公司李一泉副教授和硕士生毛宇琼等通过构造地貌物理模拟实验，采用水饱和的材料，为更精细尺度的地表过程作用下褶皱冲断带的演化提供了新的视角（图1，2）。该研究设计了多组物理模拟实验，通过三维扫描仪获取地貌的动态演化过程，定量探讨了有无塑性滑脱层和不同地壳缩短速率下，褶皱冲断带地表过程对构造缩短的响应及其对构造发育的影响。相关研究结果发表在国际知名学术刊物《Tectonics》上。
图1 模型的构造地貌演化过程
图2 砂箱模型顶面照片、数字地形以及剖面切片解译
模拟实验的结果表明，塑性滑脱层是否存在决定了构造变形样式，当存在塑性滑脱层时发育薄皮构造，放大了地表过程的作用，对新生构造的发育产生影响。存在塑性滑脱层的情况下，不同的缩短速率一方面影响了构造传播距离和分布特征，另一方面也导致了地表水系发育和侵蚀堆积过程的差异。高地壳缩短速率促进水系形成短小、密集的线性河道，经历较少的侧向侵蚀和侵蚀袭夺过程，沉积物较少。而低缩短速率有利于绵长的树枝状水系的发育，易于发生侧向侵蚀和河流袭夺，形成相对较大的冲积扇并发育河流阶地，沉积物较多。这个模拟结果与自然界南北天山的构造和水系发育模型相吻合（图3）。
图3 (a) 南北天山水系演化与高速中速砂箱模型；(b) 北天山霍玛吐构造带和扇三角洲平原沉积相分布(沉积相信息据高志勇等，2009)与中速模型对比图
研究发现侵蚀和沉积不但受到构造作用的控制，还会反过来影响新生构造发育的位置、形态、幅度以及构造的侧向传播和连接。山前沉积物的分布主要影响了新构造的位置，新生褶皱的轴面产生通常相交于冲积扇前缘。另外，还发现沉积物厚度与断层滑移量呈不同程度的负相关（图4）。特别是当冲积扇大小分布差异巨大时会导致构造分段发育并通过侧向传播相连接。这对于理解新生构造的发育模式以及断层之间连接的形成具有一定的指示意义。
图4 模型中冲积扇厚度与断层滑移量的关系及库车凹陷新近纪沉积剖面图 (剖面解释改编自李鑫等，2013)
进一步将模拟结果与中国西部南北天山和龙门山的自然实例进行对比，发现实验中的水系演化、断层迹线、构造的侧向传播与连接和自然实例都具有较高的相似性。结果表明塑性滑脱层是地壳深部构造活动与地表过程的重要媒介，构造发育除了受地球内动力作用外，还在很大程度上受控于地表侵蚀和堆积过程。表明该物理模拟实验方法可以展示复杂地表过程下褶皱冲断带的三维动态演化过程，该研究不仅为天山、龙门山等地区地表过程影响下的构造几何学和运动学研究以及地震灾害研究提供了一些启示，也为其他地区构造地貌相互作用过程和机制的研究提供了新的视角。参与此项工作的还有bwin王先彦教授、贾东教授，以及来自河海大学的闫兵博士，感谢国家自然科学基金（41771007, 41202145, 42021001，41927802）的资助！
文章信息：Mao, Y., Li, Y.*, Yan, B*., Wang, X., Jia, D., & Chen, Y. (2021). Response of surface erosion to crustal shortening and its influence on tectonic evolution in fold-and-thrust belts: Implications from sandbox modeling on tectonic geomorphology. Tectonics, 40, e2020TC006515.https://doi.org/10.1029/2020TC006515.