EPSL：周期性气候变化如何重塑地层记录能力

摘要：为什么有些气候信号能够在地层中清晰保存，有些却踪迹难寻？传统观点认为，河流—三角洲沉积体系对气候信号的筛选作用相对稳定：短周期信号更容易被内部沉积过程掩盖，长周期信号则更可能被保存下来。最新研究发现，这种“筛选能力”本身也会随外部强迫而改变。周期性气候变化通过调节水沙供给波动，增强沉积体系内部的区域地形起伏和沉积分配不均一性，从而改变河流—三角洲地层保存环境信号的能力。

河流—三角洲地层是重建深时气候与环境变化的重要地质档案。然而，这些地层并不会完整、连续地记录所有外部变化。河道迁移、改道等内部沉积过程，会在沉积物最终保存之前改造、削弱甚至抹除外部信号。因此，沉积体系能够保存哪些信号，不仅取决于外部强迫本身，也取决于沉积体系自身的记录能力。

补偿叠置是衡量这种记录能力的关键概念。在短时间尺度上，沉积速率通常高度不均一：有些位置快速沉积，有些位置则长期缺乏沉积，甚至发生侵蚀。随着时间延长，沉积作用逐渐填平地形低处，使不同位置的沉积速率趋近于盆地长期平均加积速率。这一由短时间尺度非均一沉积，逐渐转向长时间尺度相对均一沉积的过程，被称为补偿叠置，其对应的特征时间被称为补偿时间尺度。一般而言，短于补偿时间尺度的外部信号更容易被内部过程所掩盖，而长于这一时间尺度的信号更可能被地层保存。

以往研究多在恒定水沙供给条件下讨论补偿时间尺度，并常用最大河道深度与长期平均加积速率的比值来近似估算这一时间尺度。然而，周期性水沙波动是否会改变补偿时间尺度，目前尚缺乏系统性研究。换言之，周期性水沙波动在形成地层记录的同时，是否也会改变沉积体系保存外部信号的能力？

为回答这一问题，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加州大学圣芭芭拉分校 Vamsi Ganti 副教授、弗吉尼亚大学 Ajay Limaye 副教授和杜兰大学 Kyle Straub 教授合作，基于三角洲水槽实验和河流数值模拟（图1），系统检验了周期性外部强迫如何影响沉积体系的地形起伏、沉积分配和地层记录能力。

图1 物理实验和数值实验设置。（a ）Tulane Delta Basin 三角洲水槽实验平面图；（b）河流冲积盆地数值实验平面图。白色虚线表示后续 分析所用的横向剖面位置

研究结果显示，周期性水沙波动能够显著延长河流—三角洲体系的补偿时间尺度。在部分高振幅水沙波动实验中，补偿时间尺度可延长至恒定供给条件下的约4倍。这意味着，沉积体系需要更长时间才能从局部、非均一沉积转向相对均一沉积，外部信号也更容易在这一过程中被削弱或变得难以识别。也就是说，外部信号不仅会被沉积体系筛选，还会改变这一筛选过程本身。

进一步分析表明，控制补偿时间尺度变化的关键，并不是单个河道的最大下切深度，而是整个沉积体系是否形成持续存在的、大规模的区域地形起伏（图2，图3）。在低泥沙供给阶段，河道更容易被限制在局部低处；在高泥沙供给阶段，沉积物又集中堆积在活跃河道或三角洲朵叶附近。随着水沙供给持续波动，不同区域之间的地形高低差被逐步放大，使沉积体系需要更长时间才能填平低处并恢复相对均一的沉积格局。

图2 周期性水沙波动增强沉积体系内部的区域地形起伏。图中每一行代表一个三角洲物理实验，分别对应恒定供给条件以及不同周期和幅度的水沙波动条件。左列显示各实验中横向剖面高程随时间的变化；中列标出最深河道位置（蓝色圆点），用于表征局部河道下切；右列显示去除长期平均沉积面和整体加积趋势后的残余地形，其中红色曲线用于表征区域尺度地形起伏

图3 补偿时间尺度主要受区域地形起伏控制。图中比较了快速强迫和慢速强迫下，补偿时间尺度与两类地形指标的关系：最大河道深度（a、c）和区域地形起伏（b、d）。结果显示，补偿时间尺度与区域地形起伏显著相关，而与最大河道深度的相关性较弱

这一发现对解释地层记录具有重要意义：河流—三角洲地层中的轨道尺度气候信号识别，应结合剖面位置、沉积相带和地层构型进行综合分析。周期性气候变化不仅会改变进入沉积体系的水沙供给，还会进一步影响沉积体系内部的地形起伏和沉积分配方式。因此，周期性气候变化可能在二维或三维地层中留下清晰的沉积构型，但在单一垂向剖面中则可能表现为沉积间断、信号削弱或信号缺失。多剖面对比和三维露头解析，是提高古气候信号识别可靠性的重要手段。

综上，该研究揭示了周期性水沙波动通过增强区域地形起伏、延长补偿时间尺度，进而改变河流—三角洲地层记录能力的机制。这一结果为理解轨道尺度气候信号在陆相地层中的保存、削弱和缺失提供了新的理论依据。

研究成果发表于国际学术期刊EPSL（王友伟*, Ganti V, Limaye A B, Straub K M. Cyclic water-sediment supply coarsens the temporal resolution of fluvio-deltaic strata [J].Earth and Planetary Science Letters, 2026, 690, 120177. DOI:10.1016/j.epsl.2026.120177.）。研究得到第二次青藏高原综合科学考察研究(2024QZKK0301)项目的资助。