河流地貌演化研究进展.pdf

2023年 7月CHINESEJOURNALOFGEOLOGY地质科学DOI：10.12017/dzkx.2023.05858（3）：1063109017巨大立1063河流地貌演化研究进展*巨大立杨钊史小辉段亮董云鹏尤嘉利（大陆动力学国家重点实验室，西北大学地质学系 西安710069）摘要本文基于近年来全球河流地貌演化的研究实例及新进展，介绍了主要的研究载体与思路，讨论了河流地貌演化事件背后的地质、环境意义。沉积学、地貌学、物源分析、低温热年代学等是解决河流地貌演化问题的重要工具。沉积学记录着河流演化的一手资料，同时，沉积物定年技术的发展为揭示河流演化过程提供了高精度的时间约束。地貌指数研究是根据河流剖面形态与流域特征等揭示河流及区域地貌演化过程的研究手段，在恢复基岩隆升历史，定义地貌演化状态和判断分水岭迁移等方面具有优势。基于碎屑热年代学的物源分析方法结合沉积物沉积年代测定的研究思路则是利用了地表物质的“源汇”过程变化，是揭示水系沟通演化历史的有效手段。当借助中低温热年代学的多方法联合和单矿物的多重定年作为物源示踪剂时，可以有效提高分析精度，具有广阔的研究前景。另外，低温热年代学和宇宙核素10Be等对浅表过程十分敏感，记录了百万年千年尺度的河流侵蚀作用，是示踪流域侵蚀方式空间变化和定量化揭示侵蚀过程的有力工具。河流的诞生与演化是地表过程的重大事件，记录了局部或区域的构造气候背景，也是研究构造气候地貌耦合及互馈过程的重要纽带。特别是新生代晚期以来，地貌形成过程伴随着古人类的诞生与发展，而河流的演化则在古人类活动和迁徙中起到了重要的控制作用。因此，河流地貌演化的背景动力及环境意义体现了地球多圈层的相互作用与协同演化。关键词河流演化构造气候过程物源分析“源汇”系统碎屑热年代学中图分类号：P931.1文献标识码：A文章编号：0563-5020（2023）03-1063-28作为陆地地貌的重要组成部分，河流系统是连接造山带与海洋、剥蚀区与沉积区的纽带，控制着陆地的侵蚀与沉积，是塑造、改变地表地形地貌的重要地质营力（Harkins et al.，2007；郑洪波等，2009；史小辉等，2018）。同时，河流系统也是地表演化过程的重要指示剂，构造气候控制的地貌演变将敏感地反映在地表水系的变化中（Clark et al.，2004；Harkins et al.，2007；郑洪波等，2009；Zhang et al.，2017）。此外，古人类活动也对新生代晚期以来的河流地貌演化有重要响应（夏正楷等，2000；Sun et al.，2017；谢婉婷等，2022）。因此，大型河流的形成和演化过程是地球系统科学研究的热点领域。目前河流研究的主要内容包括恢复河流的诞生、水系的重组、河流侵蚀历史等，并试图揭示不同时间空间尺度下河流演化事件的驱动因素及其发展*国家自然科学基金面上项目（编号：42172257）资助。巨大立，男，1998年生，硕士研究生，构造地质学专业。Email：杨钊，男，1982年生，博士，教授，构造地质学专业。本文通讯作者。Email：2022-11-24收稿，2023-04-19改回。17巨大立地质科学2023年1064演化背后的环境效应。那么，哪些证据记录了河流的诞生与演化？水系的形成、重组常发生于哪些地质背景下？河流的演化又具有哪些地质环境意义？本文基于近年来全球河流地貌演化的实例研究及新进展，介绍了河流演化问题中主要的研究载体与思路，总结了河流演化事件的驱动因素并探讨了其与构造环境变化的相互关系。1河流地貌演化的地质、地貌记录国内外众多学者针对不同尺度河流的诞生、发展、演化等问题开展了大量工作。其中，沉积学研究、地貌学研究、基于“源汇”系统思路的物源分析、地貌指数、低温热年代学及宇宙成因核素等在解决河流地貌演化相关问题中起到了关键且重要的作用。1.1传统沉积学研究传统沉积学研究包括盆地沉积相分析、古流向测量等，通过恢复古地理环境反映古水系特征。河流流经的沉积盆地往往保留着其地质历史时期的演化信息。以黄河研究为例，一些研究认为，现今黄河流域在地质历史时期发育着若干古湖盆，黄河就是在 这 些 古 湖 水 系 的 基 础 上 串 联 沟 通 起 来 的（王 书 兵 等，2004；季 军 良 等，2006；Craddock et al.，2010；赵希涛等，2018；Wang et al.，2022；Su et al.，2023）。曾位于黄河中下游连接地区的三门古湖研究程度较高。一些学者根据三门古湖的沉积记录发现，0.15 Ma 左右湖泊相沉积被河流相沉积取代，由此认为 0.15 Ma 前后，黄河切穿三门峡，三门古湖外泄，黄河中下游贯通（王苏民等，2001；蒋复初等，2005；季军良等，2006；王书兵等，2013）。然而，利用河流流经的沉积盆地记录作为河流演化证据的争议在于，无法排除湖盆发育期间是否为封闭独立的体系而存在，即湖泊不存在外流泄水口（潘保田等，2005；赵希涛等，2018）。例如现今长江将洞庭湖、鄱阳湖穿越而过，其河、湖相沉积之间的转变不能作为水系沟通的标志。区域内水系内流外流的转变指示了贯通河流的形成，何时完成这一过程显得十分重要。蒸发岩等具有封闭内汇水特征的沉积相标志，在一些案例中被作为判断湖盆是否外泄的关键证据。在黄河中上游的研究中，聂宗笙（2019）以内蒙古河套盆地发育的晚更新世地层中蒸发岩的分布为依据，认为河套古湖在此期间仍为一封闭的半咸水湖。直至晚更新世末，黄河晋陕峡谷段才与河套盆地沟通。Dorn et al.（2020）根据美国Salt河盆地中发育的蒸发岩及其上覆的 3.3 Ma的凝灰岩，认为现今亚利桑那州菲尼克斯地区的外流水系形成年代不超过 3.3 Ma。但是，蒸发岩记录往往仅限于内流水系被外流水系取代的河流演化案例，两组及以上外流水系的相互袭夺与重组无法利用这种方式进行约束。此外，在一些研究案例中，河流的改道、重组会致使水系格局发生变化，导致古河床与现今河流形成不同的流向。因此，测量具有统计学意义的古流向可以反映河流的演化或水系调整过程。黄河中游晋陕峡谷北段存在下伏在 4.9 Ma红黏土之下的河流相砾石层，其记录的自南向北的古流向与现今黄河流向相反，揭示了黄河晋陕峡谷贯通前，存在自南向北流向河套盆地的古水系。后期晋陕峡谷南段发育的“幼年期”黄106417巨大立3期巨大立等：河流地貌演化研究进展1065河向北溯源侵蚀并袭夺北段水系，导致了黄河中上游的连通（潘保田等，2012）。在我国东部沂蒙山区的河流演化研究中发现，也存在河流袭夺事件导致的流向反转现象（Fan et al.，2018）。1.2地貌学研究河流作为地貌的骨骼，受地貌条件控制的同时，还深刻影响着区域地形地貌演化。因此，河流的形成与发展，常常能留下独特的地貌痕迹。传统的地貌研究主要针对夷平面、河流阶地等层状地貌面以及水系形态等展开。夷平面是在长期的剥蚀和夷平作用改造先期地形、地貌而形成具有准平原特征的平缓地形后，由于地表抬升或侵蚀基准面下降经侵蚀、破坏而残存在现今山顶或山麓的一系列零散分布的平面（Coltorti et al.，2007）。Pan et al.（2012）认为黄河晋陕峡谷段是唐县期夷平面形成以来逐步整合的，该夷平面形成于 3.7 Ma左右，由此认为黄河中游水系的建立不超过 3.7 Ma。河流阶地主要是在地壳垂向升降运动或区域侵蚀基准面变化的影响下，由河流下切侵蚀作用形成的层状地貌，可视为地质历史时期的古河床（潘保田等，2005）。某一年龄阶地的出现，就可以代表在该时期之前，这一地区已经有古水系发育，而地区最高级河流阶地的年龄，即可作为该河流诞生的上限年龄。潘保田等（2005）在黄河下游三门峡以东地区发现了 1.2 Ma 的河流阶地，据此认为在 1.2 Ma 前，黄河切穿三门峡、东流到海的格局已经出现。但是，河流阶地是河流某一时段流经并下切的产物，无法很好地指示其上游水系空间分布格局的变化与河流的规模。因此，单纯依靠河流阶地，难以有效约束水系调整的空间变化过程与河流的“源汇”关系。而综合阶地年龄、阶地沉积物记录的古流向以及物源变化特征等则可以提供更丰富的河流演化信息，具体讨论见后文。阶地作为古河床的遗迹，通过对其定年，还可以定量化获得河流下切速率，从而恢复河流的下切过程。iner et al.（2015）利用宇宙核素对土耳其最长河流卡兹勒尔马克河在安纳托利亚高原保存的阶地序列进行年龄测定，结果显示其拔河高度位于 13 m、20 m、75 m 和 100 m 的阶地年龄分别为 16030 ka、34040 ka、1.36 Ma和 1.890.1 Ma，认为这一阶地序列的形成与区域的构造隆升相关，从而得出该地区约 1.9 Ma以来的平均隆升速率为 0.0510.01 m/yr。在我国青铜峡地区，也有研究采用宇宙核素定年获得了黄河的下切过程，黄河青铜峡 T2、T3、T6 和 T8 阶地年龄分别为 51.62.9 ka、60.7（+14.4/8.3）ka、346.1（+30/27.3）ka和 640580 ka，并发现 60 ka以来，黄河下切速率显著增加（Su et al.，2020）。水系重组事件也常常形成一些具有指示意义的特征水系形态。一般情况下，支流常呈小角度顺着主流方向小角度汇入（图 1a）。而在水系重组或改道事件中，常会形成“倒枝状”或“肘状”水系，其特征是支流与干流呈高角度，甚至呈相对方向交汇（图 1b）（Bishop，1995）。“倒枝状”水系形成的一种主要方式为，干流河道在构造作用下局部隆起形成分水岭，造成干流改道。分水岭一侧新发育的水系沿原干流河道注入干流，两者即形成“倒枝状”形态（图 1）。除了河流局部的构造隆升，溯源侵蚀所引起106517巨大立地质科学2023年1066的袭夺作用也可能造成这一水系变化过程。Fan et al.（2018）发现，淮河流域的柴汶河原本流向北东，更新世的河流袭夺作用形成了现今柴汶河的“倒枝状”形态。由此可见，在针对“倒枝状”水系发育的地区开展研究时，需要结合区域地质地貌情况具体问题具体分析，如何有效、精细地厘定“倒枝状”水系特征形成的驱动因素是今后研究中值得持续关注的内容。1.3地貌参数研究水系及流域的地貌参数特征记录了河流在内外动力地质作用共同影响下的演化信息，是近年来的研究热点之一（Kirby et al.，2003；Harkins et al.，2007；Hu et al.，2010；Kirby and Whipple，2012；王一舟等，2016）。这种方法通过 GIS 技术和高分辨率数字高程数据提取有关的河流地貌参数，可以定性和定量地研究河流的侵蚀下切与演化状态。其主要应用有：（1）恢复区域隆升历史基于基岩河道水力侵蚀模型，河道坡度（S）和上游流域面积（A）存在如下的幂函数关系（Hack，1973；Flint，1974；Wobus et al.，2006；Kirby and Whipple，2012）。dzdx=S=KSA-（1）其中，z表示河道高程，x表示距离，KS表示河道的陡峭指数，指示河道的陡峭程度，与隆升速率（U）和侵蚀系数（K）有关。KS=()UK1n（2）为凹度指数，表示河道下凹度，与面积指数（m）和坡度指数（n）相关：=mn（3）以 ref为参考凹度指数，可以获得标准陡峭指数 Ksn。在岩性与气候相同的条件下，标准陡峭指数 Ksn的分布记录了区域岩石抬升速率或侵蚀速率（Snyder et al.，2000；Kirby and Whipple，2001；Wobus et al.，2006）。裂点是河流纵剖面上坡度发生变化的点，由构造隆升、侵蚀基准面下降或者气候、岩性差异形成（Howard et al.，1994；图 1一般水系形态（a）及“倒枝状”水系形成（b）过程示意图Fig.1Schematic diagram of common drainage patterns（a）and the formation of barbed drainage（b）106617巨大立3期巨大立等：河流地貌演化研究进展1067Crosby and Whipple，2006）。裂点可分为“垂阶型”和“坡断型”两类。垂阶型裂点往往由基岩抗侵蚀能力差异导致，其上、下游间没有明显的陡峭指数变化。而“坡断型”裂点存在上、下游陡峭指数的明显差异，同时坡面面积双对数图上会显示一个明显错断（图 2），其指示侵蚀基准面的下降或隆升速率的变化（Wobus et al.，2006；Kirbyand Whipple，2012；王一舟等，2016）。长期均衡演化下的河流，其地表隆升与侵蚀作用平衡，会形成平缓下凹的河流纵剖面形态。而在差异隆升或气候变化条件下，会造成河流的下切侵蚀，形成裂点并打破均衡状态。这一阶段称瞬时演化状态，河流纵剖面上凸，裂点向上游迁移，直至迁移至分水岭处进入下一个均衡状态（Crosby and Whipple，2006；Harkins et al.，2007；李雪梅等，2017；Zhang et al.，2017）。根据基岩河道侵蚀速率方程和裂点迁移规律，我们可以计算裂点迁移速率，并反映区域隆升历史（王一舟等，2016）。Wang et al.（2020）分析了北秦岭汇入渭河盆地河流的纵剖面，发现了“坡断型”裂点并计算了上、下游的凹度与陡峭指数。结果显示，下游河道陡峭指数大于上游，并且在华县华阴断裂附近存在陡峭指数最大值，指示该断裂对区域的构造隆升具有较强的控制作用。根据估算的裂点迁移速率，计算了裂点年龄为 5.591.8 Ma，认为此裂点的形成与中新世晚期上新世早期秦岭的快速隆升有关。在河套盆地大青山地区，河道纵剖面和侵蚀速率的研究则揭示了 2.80.8 Ma河套盆地的相对沉降，造成河流的侵蚀下切，下切作用沿着黄河传递到了青藏高原东北缘（Li et al.，2020）。在处于瞬时演化状态的河流中，还可以通过裂点上游的残余地貌面重建河流下切前的纵剖面形态，估算河流下切量。渭河上游 12条支流的河流纵剖面显示，该地区河流处于瞬时演化状态。古河道重建表明，渭河自 1.41.2 Ma 以来的平均下切量为 354130 m，南部支流下切幅度高于北侧支流，平均下切速率为 0.250.3 m/ka，西秦岭地区比陇中盆地和六盘山南部的平均下切速率高 0.10.2 m/ka，由此认为渭河上游地区河流下切受控于青藏高原的北东向生长（Shi et al.，2018）。（2）定义地貌演化阶段以流域盆地的相对高度比（h/H）为纵轴，相对面积比为（a/A）横轴绘制的曲线为流域图 2裂点分类示意图（据 Kirby and Whipple，2012修改）Fig.2Schematic diagram of knickpoint classification（modified from Kirby and Whipple，2012）106717巨大立地质科学2023年1068盆地的面积高程曲线，曲线与坐标轴之间的面积即为面积高程积分（HI）（Strahler，1952）。HI的简易计算公式为（Pike and Wilson，1971）：HI=()hmean-hmin()hmax-hmin（4）面积高程积分曲线蕴含了流域的地貌演化阶段信息（Strahler，1952；Ohmori，1993）。地貌演化时间较长时，面积高程曲线下凹，HI值低，代表地貌演化阶段的老年期。而地貌侵蚀程度较低时，面积高程曲线上凸，有较高的 HI值，指示地貌演化的幼年期。介于两者之间的为壮年期，面积高程曲线呈“S”形。北秦岭黑河流域的地貌特征显示，黑河中下游子流域面积高程积分值明显高于上游，这反映了黑河流域的演化处于过渡阶段，下游侵蚀强烈，处于地貌演化的幼年期或壮年期；上游处于地貌演化的壮年期晚期老年期，代表经过了长期侵蚀的残余地貌。太白断裂东南侧陡峭指数是西北侧的两倍，指示了断裂南段侧较高的隆升速率（Shi et al.，2019）。（3）判别分水岭的迁移Perron and Royden（2013）提出为避免对高程微分而产生误差，更多的保存河道信息，对公式（1）积分可得到：z(x)=()UKAm01n(x)（5）(x)=0 x()A0A(x)m ndx（6）其中 值被认为可以判断分水岭的迁移方向（Willett et al.，2014）。分水岭两侧的侵蚀速率存在差异时，分水岭会向低的一方迁移。在分水岭两侧汇入同一高程基准面的两条河流中，值大的流域代表低的陡峭系数和侵蚀速率，从而指示流域的萎缩和分水岭的靠近。Fan et al.（2021）发现汉江与嘉陵江分水岭两侧，汉江一侧相比于嘉陵江有显著高的 值，从而指示两者分水岭在向汉江侧移动，汉江流域正在缩小，将其作为了嘉陵江曾经袭夺汉江的地貌证据。河流地貌信息对地貌演化反应敏感，可用于研究河流演化状态，恢复区域隆升历史和判断分水岭的移动方向等，促进了河流及地貌演化过程的半定量、定量研究，为进一步探讨地区构造气候背景提供了重要信息。但实际研究过程中复杂的地质因素如构造、岩性差异等常常会带来干扰，因此需要结合流域地质背景综合研究。相信随着研究的逐步深入与完善，地貌特征与地貌指数研究将成为认识理解河流演化与构造气候过程的重要研究工具。1.4基于“源汇”系统思路的物源分析以“源汇”系统思路为指导的，追索河流沉积物物源变化的研究手段成为近年来研究河流诞生或水系重组问题的热点（Romans et al.，2016；Walsh et al.，2016；徐杰等，2019；Caracciolo，2020；谈明轩等，2020）。运用这一方法的关键有两点：一是106817巨大立3期巨大立等：河流地貌演化研究进展1069“汇”区需发育较完整的具有年代学限制的沉积序列；二是需选取合适的物源示踪工具。两者有效结合可以获得物源随时间的变化特征，为精细建立水系演化的时空过程提供支撑。（1）地层沉积年代学框架的建立河流流经的沉积盆地、河口扇沉积以及一系列连续的河流阶地等是蕴含着河流演化关键信息的沉积记录。通过对这些沉积物开展有针对性的测年工作，建立年代学框架是示踪“源汇”关系的基础。目前对河流相沉积物常采用的年代学测量方法主要包括14C、释光年代学、电子自选共振（ESR）、宇宙核素和磁性地层学方法等。放射性14C 法用途广泛，发展成熟，测年精度高，可通过沉积物中的植物残骸、木炭、贝壳、骨头、泥炭等进行定年。但由于14C半衰期短，约为 5 730 yr，因此其定年范围主要是距今 5万年以来（田婷婷等，2013；Lowe and Walker，2014）。释光年代学方法包括热释光（TL）和光释光（OSL），其测年对象主要为沉积物中的长石、石英，测年范围为数百年至 200 ka（Guralnik et al.，2011；Pillans and Gibbard，2012）。对老于 200 ka的沉积物或高级阶地，常采用 ESR 或宇宙核素定年。ESR 的测年范围为数千年至 2 Ma 左右，主要测年矿物为石英（Voinchet et al.，2010；刘春茹等，2011）。相对而言宇宙成因核素法有更长的测年范围，10Be26Al核素为 0.310 Ma，10Be21Ne核素则可达 15 Ma（Hetzel etal.，2006；Kong et al.，2009；Guralnik et al.，2011；孔 屏，2012；马 严 等，2015；Schaller et al.，2016）（图 3）。在地层完整连续的情况下，磁性地层学也是沉积年代测定的有效手段。除了钻孔沉积物与盆地沉积常用这种方法外，磁性地层学方法也常用于限定黄土覆盖区的河流阶地年龄。尤其是在黄河中上游流经的黄土高原地区，晚新生代以来连续堆积风成沉积物（刘东生，1985；丁仲礼等，1989；Ruan et al.，2019）。阶地作为地壳隆升的标志，一经形成就暴露于地表并接受黄土（或风成红土）沉积，因此阶地河流相沉积上覆的底层黄土年龄可视为阶地形成时代的上限（雷祥义等，1992；潘保田等，2005）。通图 3沉积物年代学测定常用工具及测年范围（据 Pillans and Gibbard，2012；Lowe and Walker，2014修改）Fig.3Routine sedimentary age dating methods and their suitable ranges（modified from Pillans andGibbard，2012；Lowe and Walker，2014）106917巨大立地质科学2023年1070过古地磁极性测量并与标准极性柱对比就可测得年代。此外，在沉积地层或阶地中发育火山岩或火山灰时，针对这些火山沉积物中含钾矿物的 KAr或 ArAr定年也可以获得沉积物的绝对年龄（iner et al.，2015；Bridgland et al.，2017）。近年来随着碳酸盐原位 UPb定年技术的迅猛发展，利用沉积物中存在的方解石脉或自生白云石等开展原位UPb 定年成为限定河流相沉积物形成时代的新兴手段（Rasbury and Cole，2009；Li etal.，2014；赵子贤等，2019；张亮亮等，2022）。（2）物源示踪工具物源示踪工具的选取关系到源区信号能否被有效识别，在实际研究中采用有力的示踪工具才可以获得精确的源区信息。目前研究多数采用碎屑锆石 UPb年代学工具追索源区信号变化。这一方法的研究思路是基于沉积物中的碎屑锆石较好地保存了源区岩石的年龄信息，通过将碎屑锆石年龄谱同潜在源区的锆石年龄相对比，结合地层沉积年龄，恢复其物源信号随时间的变化，就可以重建水系的演化过程（Romans et al.，2016；Walsh et al.，2016；徐杰等，2019；谈明轩等，2020）（图 4）。图 4利用物源变化反映古水系演化过程原理示意图（据 Romans et al.，2016修改）Fig.4Conceptual diagram of provenance signal change with drainage system，which can be used toreconstruct the river evolution（modified from Romans et al.，2016）彩页107017巨大立3期巨大立等：河流地貌演化研究进展1071然而，从热年代学角度看，锆石 UPb属高温热年代学，具有高的同位素体系封闭温度（图 5）。这就意味着碎屑锆石可能在多次沉积旋回后仍保留最初的热历史信息，即沉积物中的碎屑锆石可能并不是直接来自于源区岩浆岩或者高温变质岩，而很可能是从 沉 积 岩 中 再 旋 回 的，这 会 对 源 区 的 精 确 识 别 带 来 干 扰（Carter and Moss，1999；Campbell et al.，2005；郭佩等，2017）。李亚伟等（2019）对长江砾石层，流域内盆地沉积物以及现今河流沉积物的碎屑锆石 UPb年龄进行了分析比对，发现这些不同地质历史时期的沉积物年龄谱间具有高度的相似性，因此认为单一的碎屑锆石 UPb年代学方法难以对大型河流的物源进行精确识别。造成这一现象的原因很大程度上即来自古老锆石颗粒的多次旋回。为避免锆石再旋回现象的干扰及单一研究手段的局限，中低温碎屑热年代学、钾长石 Pb同位素以及多方法联合等手段成为示踪河流“源汇”演化关系的有力工具。1）中低温碎屑热年代学随着单颗粒定年技术的蓬勃发展，碎屑中低温热年代学为河流演化的物源示踪问题提供了新的研究手段。以 ArAr，裂变径迹及（UTh）/He为代表的中低温热年代学方法封闭温度低（图 5），对地壳浅部尺度构造热事件十分敏感，在源区识别中可以有效避免再旋回矿物的干扰（Carter and Moss，1999；Campbell et al.，2005；Clift et al.，2006）。印度河和恒河的物源研究很好地证明了低温热年代学温度计在物源研究中的优越性。图 5常用热年代学温度计的封闭温度（据 Pollard，2003修改）Fig.5The closure temperature of various thermochronometers in current use（modified from Pollard，2003）107117巨大立地质科学2023年1072该研究发现，如果仅采用传统锆石 UPb 方法对恒河和印度河现代沉积物进行物源分析，显示出仅有 2.5%和 18%的锆石来自于喜马拉雅山脉或青藏高原。而锆石 UPb 和（UTh）/He双定年数据显示，超过 95%的恒河和印度河锆石来自于喜马拉雅山脉或青藏高原。造成这一差异的原因是两河的现代沉积物中存在 60%70%的再旋回锆石，而相比于锆石 UPb，（UTh）/He体系有着较低的封闭温度，对浅层次的地壳热事件敏感，能有效排除再旋回锆石的干扰（Campbell et al.，2005）。同样的，在我国大江大河的演化中，中低温碎屑热年代学也逐渐开始被应用到源区示踪中（Deng et al.，2020；Sun etal.，2021）。总的来看，碎屑矿物中低温热年代学对大河演化问题的约束提供了更有力方案，具有广阔的发展前景。2）多方法的联合开展不管是何种物源示踪手段，在解决实际地质问题中，单一方法往往容易产生局限性。结合研究区地质背景，采用多方法结合的研究手段可以对物源变化提供更有效约束（赵红格等，2003；徐杰等，2019）。多种方法的结合有两种手段，一是采用多矿物示踪法的联用，二是单矿物多重测定。多矿物示踪法联用即对某一研究对象采用多种物源手段综合运用，相互之间补充印证，从而获得更全面的源区信息。Clift et al.（2006）的研究将高、中、低温热年代学结合（锆石 UPb、白云母 ArAr、锆石和磷灰石裂变径迹），探讨了湄公河、红河的主要物源区。红河的碎屑锆石 UPb 和碎屑白云母 ArAr均显示出现物源主要来自于扬子地块，来自红河断裂带周缘的物源供给极少，而碎屑锆石、磷灰石裂变径迹记录的冷却年龄却与红河断裂带周缘具有很好的亲缘性。这一不一致现象被认为是红河断裂周缘的思茅、楚雄盆地再循环沉积物为红河提供了显著的物源供应，但这些沉积物中高温同位素体系未被重置，仍记录最早的源区信息，导致碎屑锆石 UPb和碎屑白云母 ArAr无法识别出该物源区。这一研究案例显示，若只利用中高温热年代学方法作为示踪工具，重要的源区可能会被忽略。除了不同矿物同位素年代学的联合测定，还可以采用年代学与同位素特征、矿物地球化学或重矿物组合特征等不同物源示踪法的结合，提高源区信号分辨率。近年来运用最多的是锆石 UPb 法与其他重矿物示踪方法的联用（Yang et al.，2019；Zhang etal.，2021）。在伊洛瓦底江的演化研究中，岩相特征、重矿物特征组合、SrNd 同位素和锆石 UPb等 4种物源示踪方法的结合发现河流流经盆地的中新世中晚期的物源特征与三角洲（第四纪以来）及现今沉积物不一致，认为是中新世晚期以来，构造活动逐步导致了现今伊洛瓦底江的水系格局（Jonell et al.，2022）。Enkelmann et al.（2007）在对松潘甘孜三叠系进行碎屑锆石 UPb、白云母 ArAr测定的基础上，将白云母中的 Si含量纳入分析。根据碎屑白云母 Si含量的不同，可以划分出形成于高压超高压过程中的高硅白云母与在岩浆或变质作用中形成的普通白云母，从而提高物源研究分辨率。这些研究案例揭示了物源分析多法联用可以集合多种方法的不同优势，获取更全面的源区信息，从而避免某一源区的遗漏或误解。多方法结合的第二种手段是单矿物多重测定。传统的单矿物测定只涉及某一矿物的单一年龄或地球化学特征，只能获得该矿物所经历地质过程的节点信息，并无法区107217巨大立3期巨大立等：河流地貌演化研究进展1073分具有相似年龄的不同源区。随着近年来高精度地球化学分析的飞速发展，单颗粒双重测定、三重测定技术出现，使得单一矿物颗粒多同位素年龄及地球化学特征的同时获取成为可能。根据单矿物的多同位素年龄及地球化学特征组合，能识别出矿物所经历的地质作用过程，使矿物的来源更加具体化，进一步提高了物源研究的精确度。以锆石 UPb 与（UTh）/He 双定年为例，通过同时测定单一锆石颗粒的 UPb 结晶年龄与（UTh）/He 冷却年龄，从而将不同 UPb 与（UTh）/He 年龄组合的碎屑锆石区分开来（Reiners et al.，2005）。这种方法利用了相似结晶年龄的地质体可能具有不同的剥露冷却历史，而冷却年龄一致的地质体，结晶年龄则可能有较大的差异（图 6）。此外，火山作用下形成的锆石由于迅速的冷却结晶，其 UPb 年龄与（UTh）/He 年龄一致，在物源研究中具有重要的指纹特征意义（图 6）。在实际应用中，单颗粒锆石 UPb 和裂变径迹双定年揭示了美国阿拉斯加南部弧前盆地新生代沉积物中包含浅部侵位结晶、结晶后经过剥露冷却和经历过热重置 3种对应不同构造环境的锆石颗粒，分别具有不同的沉积路径过程（Enkelmann et al.，2019）。墨西哥湾中新世沉积物的碎屑锆石 UPb和（UTh）/He双定年也将 Grenville造山期锆石颗粒区分为了 4个不同源区（Xu et al.，2017）。除了单纯使用多矿物热年代学方法之外，还可以通过同时测定单一颗粒的同位素年龄与地球化学特征的组合来识别源区。Deng et al.（2020）精细研究了长江上游昔格达古湖的物源特征，运用碎屑磷灰石三重分析（UPb、裂变径迹、微量元素），在确定磷灰石 UPb年龄的同时获取了裂变径迹年龄与母岩类型信息，并结合金红石 UPb、微量元素以及锆石 UPb 年龄，发现昔格达古湖物源主要来自松潘甘孜及龙门山地区。Wang et al.（2021）发现青藏高原东南缘兰坪盆地的白垩纪沉积物存在 5个锆石 UPb年龄峰值，结合以负值为主的 Hf（t）值，认为物源主要来自松潘甘孜地块的再旋回沉积物，部分来自四川盆地和南羌塘地体的沉积物以及义敦岛弧和松潘甘孜地体的岩浆岩，基于此重建了青藏高原东南缘的区域古水系特征。通过这些研究案例可以发现，多重测年或多指标测定使沉积物颗粒来源更具体化，对于精确示踪源区变化具有重要意义。在未来研究中，单矿物颗粒如锆石、磷灰石等的 UPb、裂变径迹及（UTh）/He图 6锆石 UPb、（UTh）/He双定年原理示意图（据 Reiners et al.，2005修改）Fig.6Sketch diagram of HePb double dating of detrital zircon to enhance the resolution inprovenance study（modified from Reiners et al.，2005）107317巨大立地质科学2023年1074及地球化学特征的多重测定，将有效区分物源信息，有望为高精度物源研究提供更可靠的技术支撑。3）其他优势物源示踪手段除了碎屑热年代学方法，一些具有不同特性的物源分析手段也在河流演化问题中起到了关键作用。原位碎屑钾长石 Pb同位素分析基于同位素组成的区域性差异，即不同来源的碎屑钾长石会表现出各自源区的 Pb 同位素组成特征（Tyrrell et al.，2007；Tyrrell et al.，2012；Zhang et al.，2014）。同时由于钾长石在化学风化作用下不稳定，因此被认为不易经过多次搬运，从而在一定程度上避免了再旋回颗粒的干扰（Tyrrell etal.，2007；Tyrrell et al.，2012）。Zhang et al.（2016）利用这一方法对江汉盆地钻孔沉积物开展了物源研究，发现 3.4 Ma以来，具有松潘甘孜地块 Pb同位素特征的钾长石颗粒被输送至江汉盆地，认为长江上游切穿三峡的时间应早于晚上新世，而在 1.8 Ma前的沉积物中汉江物质首次出现，推断现今汇入长江的汉江水系建立于 1.8 Ma左右。现今物源示踪方法种类繁多，在实际地质问题的研究中，应在结合研究区地质背景的基础上，因地制宜地选择合适的物源工具。峨眉山大火成岩省是长江流域上游地区重要和具有特征性的地质体。长江中游江汉盆地钻孔沉积物中记录了上新世第四纪界限处物源由长英质向铁镁质主导的转变，这一现象被归因于上游地区来自峨眉山大火成岩省物质的加入，从新的角度为长江水系建立时间提供了新的见解（Shao et al.，2015）。还有研究将长江上、下游地区 Cd（镉）含量的差异用作物源示踪的标志（Li et al.，2021）。除了利用某种元素或同位素地球化学组分特征的区域性差异，具有典型特征的岩石碎屑也可以用作物源指示。Dorn et al.（2020）的研究将菲尼克斯地区古 Salt河沉积中的玄武质碎屑与两河上游源区玄武岩露头进行岩相学、微量元素及 SrNd同位素特征对比。同时还将 Salt河上游地区具有独特条带状硅化构造的 Mescal灰岩作为物源信号之一进行综合研究，发现 Salt河及 Verde河上游的玄武质碎屑和 Mescal灰岩碎屑同时出现在菲尼克斯地区古 Salt 河沉积中，从而建立了该地区自上而下的湖泊溢流水系演化模式。1.5河流侵蚀地貌的年代学约束河流下切及其剥蚀过程是河流地貌演化研究中的重要内容。低温热年代学和宇宙成因核素的发展与应用为我们研究百万年千年尺度的流域隆升剥蚀背景提供了有力工具。河流是地表物质剥蚀搬运的重要地质营力，显著影响着区域的剥蚀冷却作用，也控制着盆地的充填与沉积。由于较低的封闭温度和对地表的冷却剥露事件响应明显，流域基岩的低温热年代学可能记录着区域水系早期的演化信息。四川盆地的热年代学研究揭示，自始新世以来，四川盆地经历了两期全流域剥蚀，共 35 km的沉积物被剥蚀去顶，均与古长江上游的两阶段的水系重组有关。第一阶段古长江上游古红河南海的水系沟通导致了四川盆地 45 Ma以来的快速剥蚀去顶事件；第二阶段 12 Ma以来的快速冷却代表了三峡贯通后，四川盆地沉积物被去顶剥蚀并向东搬运（Yang et al.，2017）。此外，磷灰石裂变径迹和（UTh）/He的年龄高程研究，同样揭示了大渡河峡107417巨大立3期巨大立等：河流地貌演化研究进展1075谷和岷江峡谷存在自 1110 Ma以来局部的快速剥蚀，被认为与青藏高原东缘隆升导致的河流快速下切有关（Yang et al.，2017）。河流沉积物石英中的宇宙成因核素10Be浓度也可用于定量计算流域 103105yr的侵蚀速率，相比于热年代学，其分辨率更高，可以恢复更年轻的区域剥露历史（Brown etal.，1995；Granger et al.，1996；Palumbo et al.，2010；Wittmann et al.，2011；赵旭东等，2019；Shi et al.，2021）。因此，宇宙核素10Be为探讨河流侵蚀过程及构造气候背景作用的研究提供了新手段。Schaller et al.（2016）通过欧洲不同纬度 4条河流现今沉积物中的10Be 浓度计算现今侵蚀速率。4 条河流侵蚀速率空间对比显示，侵蚀速率与纬度、气候没有明显关系，而主要与流域地貌指数相关。因此，低温热年代学和宇宙成因核素可以定量揭示不同尺度的流域侵蚀过程，从而为探讨构造气候共同控制下的地貌演化过程提供依据。2河流地貌演化与构造气候耦合河流是连接造山带与海洋、剥蚀区与沉积区的纽带。造山带的隆升剥露或剥蚀量增加可以转化为河流物质信息传输至下游沉积区；下游沉积区甚至海洋的构造气候信 息 也 会 顺 着 河 流 系 统 传 递 至 上 游 造 山 带（Walsh et al.，2016；Gong et al.，2018；Caracciolo，2020）。同时，河流对构造气候控制的地貌地表过程十分敏感，区域或局部的构造隆升沉降以及降水的强弱、温度升降等气候过程都将以某种形式影响河流的演化，同时构造气候的变化信息也会被记录在河流系统中（Clark et al.，2004；Harkins et al.，2007