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【导读】 近期《地质学》期刊发表文章，对美国一个白垩纪河流改道节点进行了详细的三维解剖。通过整合数字露头模型和野外特征，研究人员重现了该区域河流改道前、改道中和改道后的地貌演变，并将其与地层结构特征相关联。这项研究为识别和解释地球和火星上类似的古代河流改道沉积提供了新的解释。
河流改道（river avulsion），是指河流主河道突然改变位置，转向泛滥平原（floodplain）上的新路径的过程。作为地球表面最基本和最具破坏力的地貌过程之一，河流改道不仅是塑造现代河流地貌的关键因素，也被认为在构建古代河流地层和地貌演化中发挥着重要作用。尽管河流改道是三维（3-D）空间上的过程，但对其沉积物的研究长期以来主要局限于二维（2-D）剖面上的岩性堆积模式分析，缺乏对改道节点空间位置及其演化历史的了解。此外，对于火星上观测到的由河流作用形成的交叉脊，尽管普遍认为其成因与河流改道有关，但对其地层结构和形成时间尺度的认识仍然十分有限。如何在三维空间上识别和解释古代河流改道沉积？火星上观测到的交叉脊是否可以作为河流改道事件的证据？这些交叉脊所代表的河流活动持续了多久？为了解答上述问题，研究人员选择美国一个保存完好的河流改道节点作为研究对象。该露头位于塞维尔前陆盆地（Sevier foreland basin）内，由白垩纪时期形成的河流沉积物构成。这些沉积物主要由砂岩和砾岩组成，覆盖在细粒沉积物之上，经过差异风化作用形成了正地形脊（positive-relief ridges），为观察三维地层结构提供了理想条件。图1 （A）河脊的航拍图像和研究区域的位置显示了地层格架和古地理的位置。（B） 撕脱结节和脊线规模的斜视图。（C） 肋骨和沟结构记录了古水流方向。（D） 指示倾角方位的条形吸积层。（E） 在撕脱点获得的阴影地形图和数据。河道漫滩接触符号根据其高程进行阴影处理，并针对区域构造倾斜进行校正。玫瑰图总结了撕脱前（T1）和撕脱后（T2）脊内的流动和吸积方向。
研究人员采用了一种多学科交叉的研究方法，综合利用了多种技术手段，包括：1）无人机摄影测量：获取高分辨率数字高程模型 (digital elevation model，DEM) 和正射影像，用于构建三维露头模型。2）野外地质调查：测量和记录沉积岩层特征，包括：沙丘槽轴和坝状沉积的倾斜方位；不同位置的河道-泛滥平原接触面高程。3）三维地层模拟：利用开源软件“meanderpy”构建河流改道节点的三维地层模型，并与露头观测结果进行比较分析。图2 （A，B）撕脱节点三维纹理网格的斜视图说明了脊之间的地形和地层关系（视图方向见图1E）。T1（撕脱前）和T2（撕脱后）通道基底和吸积表面分别由蓝色到白色（T1）和红色到黄色（T2）色调的相对年龄表示。
通过对露头数据和模型结果的综合分析，研究人员获得了以下主要发现：1) 该交叉脊代表了一个河流改道节点， 证据包括：改道前后的河流沉积物在空间上相交。改道前的沉积物尖灭，而改道后的沉积物在下游方向增厚。改道前后河流的古流向和沉积物加积方向发生了明显的变化。2) 该区域在河流改道前经历了明显的河床加积和超高现象。研究人员通过对交叉层理厚度和不同位置的河道-泛滥平原接触面高程的分析，发现改道前的河道相对于泛滥平原存在一定程度的超高，表明该河段在改道前经历了河床加积过程。3) 该河流改道事件发生在相对较短的地质时间尺度内，可能仅持续了几个世纪。研究人员根据河床加积速率和沉积物厚度估算，认为该区域的河流活动时间尺度可能比之前认为的要短得多。图3 未解释和解释的拼接照片说明了撕脱结节的地层学
这项研究为识别和解释古代河流改道沉积提供了新的三维地层学框架。以往对河流改道沉积的研究主要依赖于二维剖面分析，而这项研究则强调了三维空间信息的重要性，为更全面地理解河流改道过程提供了新的视角。有助于更准确地评估古代河流沉积物所记录的环境信息。 了解河流改道事件的发生频率和规模，对于重建古代气候和构造演化历史具有重要意义。该研究为地球和火星上观测到的类似地貌特征提供了新的成因解释，火星上观测到的交叉脊很可能也是由河流改道事件形成的，并为推测火星古代河流活动时间尺度提供了新的思路。图4 撕脱节点三维地层模型
参考文献：Cole M. Speed, Zoltán Sylvester, Paul R. Durkin, Peter P. Flaig; Three-dimensional anatomy of a Cretaceous river avulsion. Geology 2024; doi: https://doi.org/10.1130/G52254.1
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