东撒哈拉巨型洼地形成与演化过程中构造作用与地表过程的耦合控制

《Geomorphology》：Coupled control of tectonic and surface processes on the inception and evolution of the East Saharan mega-depressions

基于埃及Farafra高原的地质、结构及同位素数据，提出撒哈拉巨型洼地四阶段演化模型：早期与新生代拉张构造同期形成断陷盆地，后续阶段通过地下水侵蚀拉平边缘陡坎、次级洼地合并及沿主导构造带扩展形成深达250米的巨型洼地，并揭示地质结构对洼地形态演化的控制作用。

　　在地球上和一些其他行星上，存在一种显著的地貌特征，称为“巨型洼地”或“mega-depressions”。这些洼地通常表现为广阔的地形低谷，其规模巨大，可能横跨数百甚至数千公里。它们的形成机制一直是地质学研究中的一个热点问题，涉及多种可能的因素，包括风蚀、构造变形、地下水活动、冰川作用以及喀斯特化等。尽管已有大量研究尝试解释这些地貌的起源和演化，但其具体过程仍存在诸多争议。本研究聚焦于埃及西部沙漠中的东法拉弗拉巨型洼地，通过综合现场观测、结构分析、遥感数据和碳酸盐沉积物的同位素测量，提出了一种新的模型，以揭示这些巨型洼地的形成和演化机制。

东法拉弗拉巨型洼地位于埃及西部沙漠的中心区域，是一个面积约为20,000平方公里的三角形封闭洼地（图1a）。它位于红海山脉的西侧，覆盖了从苏丹北部到埃及北部，以及从红海山脉到利比亚东部的广阔地区。这一区域的巨型洼地被认为是地球上最大的之一，其形成与红海的开启及其相关的构造活动密切相关。这些构造活动在新生代时期导致了扩展性断裂系统的形成，并重新激活了先前的地质结构。这些断裂系统不仅影响了该地区的地表形态，还为地下水活动提供了通道，从而在地貌演化过程中发挥了重要作用。

本研究的主要目标是通过现场调查和数据分析，揭示东法拉弗拉巨型洼地的形成过程及其空间和时间演化特征。研究团队发现，这些巨型洼地并非由单一的地形退缩过程形成，而是由大量小型、持续生长的洼地在时间推移中逐渐合并而成。这一发现与传统的观点不同，传统观点认为巨型洼地可能由一个较大的洼地逐渐退缩形成。相反，研究结果表明，巨型洼地的形成是一个复杂的多阶段过程，其中构造活动和地表过程共同作用，推动了地貌的演化。

研究团队在东法拉弗拉高原上观察到成千上万个小型、平行排列的洼地，这些洼地的长度和深度各不相同，范围从几十米到几千米不等。这些洼地的形成与地下水活动密切相关，特别是在构造断裂带附近。通过同位素分析，研究团队发现这些碳酸盐沉积物（如钙华和钟乳石）的氧同位素组成（δ1?O VSMOW = +17.9至+19.7‰）与努比亚砂岩含水层（NSAS）的地下水（δ1?O VSMOW = -8.0至-12.8‰）存在显著差异。这一发现表明，这些洼地中的碳酸盐沉积物并非直接来源于降水，而是由地下水在地表的活动形成。地下水活动可能通过侵蚀作用、溶洞形成或沉积物堆积等方式塑造了这些洼地的形态。

此外，研究团队还发现，这些小型洼地在演化过程中会逐渐合并，形成更大的洼地。这一过程可能与地形的退化和洼地内部地貌的形成有关。在合并过程中，陡峭的阶地可能被侵蚀，从而促进了洼地的扩展。同时，一些特殊的地形特征，如“剧场式峡谷”（Theater-Headed Valleys, THV），可能在这一过程中形成。这些峡谷通常沿着合并后的洼地边缘出现，其形态可能与地下水活动密切相关，地下水通过侵蚀作用在地表形成了这些独特的地貌。

为了进一步验证这一模型，研究团队对东法拉弗拉高原的地质结构进行了详细分析。他们发现，该区域的断裂系统主要呈北-南和西北-东南方向延伸，这些断裂系统不仅控制了地下水的流动路径，还对洼地的形成和演化起到了关键作用。通过遥感数据和现场调查，研究团队确认了这些断裂系统与洼地之间的空间关联性。这表明，构造活动在洼地的形成过程中起到了重要的引导作用，地下水活动则进一步放大了这一作用。

在研究过程中，团队还注意到一些特殊的地貌特征，如小型洼地边缘的钙华和钟乳石沉积物。这些沉积物的存在不仅表明了地下水活动的长期存在，还可能反映了不同阶段的气候变化。例如，在湿润时期，地下水可能更容易在地表流动并沉积碳酸盐，而在干旱时期，这些沉积物可能被风蚀或干燥过程所破坏。因此，这些沉积物的分布和形态可能为研究该地区的古气候提供了线索。

研究团队还利用多种方法，包括地质测绘、遥感影像分析、结构地质学和同位素地球化学，对东法拉弗拉高原的地质特征进行了全面调查。这些方法的结合使得研究团队能够更准确地识别出构造断裂带与洼地之间的关系，并揭示出洼地形成的多阶段过程。例如，在构造断裂带附近，小型洼地的形成可能与地下水活动的集中有关，而在远离断裂带的区域，洼地的形成可能更多依赖于地表侵蚀和沉积作用。

研究还发现，这些巨型洼地的形成过程与古气候条件密切相关。在更新世时期，北非地区经历了多个湿润和干旱周期，这些周期可能影响了地下水活动的强度和频率，从而推动了洼地的形成和演化。特别是在湿润期，地下水可能更容易在地表流动并形成碳酸盐沉积，而在干旱期，这些沉积物可能被风蚀或干燥过程所破坏。因此，研究团队认为，古气候的变化可能在一定程度上影响了巨型洼地的形成速度和规模。

此外，研究团队还探讨了这些巨型洼地的演化速度和时间尺度。通过对阶地退缩速率的现场观测和数据分析，研究团队发现，这些退缩速率在不同区域和不同时期存在显著差异。这可能与地表过程的多样性、岩石的抗风化能力以及古气候周期的强度有关。例如，在某些区域，由于岩石的抗风化能力较低，阶地可能以较快的速度退缩；而在其他区域，由于构造活动较为活跃，阶地的退缩可能受到更多的影响。

研究团队还提出，这些巨型洼地的形成可能不仅仅是构造活动和地表过程的简单叠加，而是两者之间的相互作用和协同演化。例如，构造活动可能为地下水活动提供了通道，而地下水活动则进一步影响了地表的侵蚀和沉积过程。这种相互作用可能在不同的时间尺度上发生，从而塑造了巨型洼地的复杂形态。

本研究的结果不仅对理解东非撒哈拉地区的巨型洼地形成机制具有重要意义，还可能为其他类似地貌的研究提供参考。例如，火星上的巨型峡谷（如瓦尔les马里内里斯）可能与地球上的巨型洼地具有相似的形成机制，因此，研究地球上的巨型洼地可能有助于理解火星上的类似地貌。此外，研究团队还指出，这些巨型洼地的形成过程可能与全球范围内的其他干旱地区存在相似之处，因此，其研究结果可能对全球干旱区的地貌演化研究具有普遍意义。

综上所述，本研究通过综合多种研究方法，提出了一个关于巨型洼地形成和演化的全新模型。这一模型不仅揭示了构造活动和地表过程在巨型洼地形成中的作用，还强调了地下水活动在塑造这些地貌中的关键地位。研究结果表明，巨型洼地的形成是一个复杂的多阶段过程，涉及构造活动、地下水活动、地表侵蚀和沉积作用等多个因素的相互作用。这些发现为理解巨型洼地的起源和演化提供了新的视角，并可能对其他地区的地貌研究产生重要影响。