Science：科羅拉多河何時(shí)貫通大峽谷？——比達(dá)霍奇盆地記錄支持湖泊溢流成峽假說(shuō)

大峽谷何時(shí)形成、科羅拉多河又如何貫通整個(gè)峽谷體系，是北美地貌演化研究中長(zhǎng)期懸而未決的經(jīng)典問(wèn)題。現(xiàn)有研究表明，約 11 Ma（百萬(wàn)年前）時(shí)科羅拉多河已存在于上游地區(qū)，而它真正穿出大峽谷、進(jìn)入下游盆地體系的時(shí)間則晚于 5.6 Ma。由此引出一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：在這數(shù)百萬(wàn)年的過(guò)渡階段，科羅拉多河究竟流向何處，又通過(guò)什么機(jī)制最終貫通大峽谷？圍繞這一問(wèn)題，學(xué)界先后提出巖溶盜蝕、地下水侵蝕、溯源侵蝕和湖泊溢流等多種假說(shuō)，但始終缺乏足夠一致的證據(jù)約束。

近日，來(lái)自加州大學(xué)洛杉磯分校的John He博士和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局等機(jī)構(gòu)的研究人員在 Science 發(fā)表論文，以亞利桑那州東北部比達(dá)霍奇盆地（Bidahochi Basin）的晚中新世地層為對(duì)象，提出了一組新的關(guān)鍵證據(jù)。研究表明，具有明確上游科羅拉多河—格林河（Green River）系統(tǒng)特征的沉積物，最遲在約 6.6 Ma 時(shí)已經(jīng)進(jìn)入比達(dá)霍奇盆地。與此同時(shí)，盆地沉積速率顯著升高，碳酸鹽巖鍶同位素比值上升，并出現(xiàn)了指示較強(qiáng)流水環(huán)境的大型魚(yú)類(lèi)化石。這些結(jié)果共同說(shuō)明，在科羅拉多河真正穿越大峽谷之前，它已持續(xù)向比達(dá)霍奇盆地輸送水體和沉積物，從而為“湖泊溢流成峽”假說(shuō)提供了關(guān)鍵支持（圖1）。

圖1 研究區(qū)位置及相關(guān)沉積單元分布。圖中展示了比達(dá)霍奇盆地、大峽谷、凱巴布隆起以及多條已提出的古科羅拉多河路徑和關(guān)鍵樣點(diǎn)位置，是理解該研究空間格局和爭(zhēng)議背景的基礎(chǔ)

這項(xiàng)研究最重要的突破首先來(lái)自碎屑鋯石 U-Pb 年代學(xué)提供的物源約束。研究團(tuán)隊(duì)對(duì)比達(dá)霍奇組（Bidahochi Formation）不同層位的火山灰和砂巖樣品開(kāi)展系統(tǒng)定年，發(fā)現(xiàn)上部比達(dá)霍奇組中出現(xiàn)了大量 40-25 Ma 的漸新世鋯石年齡峰，而這一特征在下部比達(dá)霍奇組中幾乎缺失。進(jìn)一步對(duì)比顯示，該年齡譜與已知的古下游科羅拉多河沉積物高度相似，卻難以由盆地附近的局地火山源解釋?zhuān)虼吮灰暈樯嫌慰屏_拉多河物源進(jìn)入盆地的關(guān)鍵“指紋”。統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)一步表明，上部比達(dá)霍奇組在物源特征上明顯更接近下游古科羅拉多河沉積，而與其下伏的下部比達(dá)霍奇組存在顯著差異。

除物源變化外，地層和沉積環(huán)境的同步轉(zhuǎn)變同樣支持這一判斷。上部比達(dá)霍奇組的沉積速率達(dá)到 100-400 m/Myr，而下部比達(dá)霍奇組多數(shù)時(shí)期僅為 10-20 m/Myr，增幅超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)。與此同時(shí)，盆地碳酸鹽巖的鍶同位素比值升高，沉積相由底部以粉砂質(zhì)—泥質(zhì)沉積為主，逐漸過(guò)渡為頂部橫向連續(xù)的板狀砂巖層，表現(xiàn)出受大型河流補(bǔ)給的湖泊—三角洲體系特征（圖2）。部分魚(yú)類(lèi)化石還顯示出適應(yīng)較強(qiáng)流水環(huán)境的形態(tài)特征，進(jìn)一步表明晚中新世的比達(dá)霍奇盆地并非孤立、低能的封閉湖盆，而很可能已處于大型河流系統(tǒng)的持續(xù)補(bǔ)給之下。

圖2 比達(dá)霍奇組地層框架、沉積 速率及鍶同位素變化。該圖將上、下部比達(dá)霍奇組的沉積相、沉積速率和鍶同位素變化置于同一框架下，直 觀(guān)顯示出約6.6 Ma前后盆地沉積體系發(fā)生的整體躍遷，是支撐新水系接入的關(guān)鍵證據(jù)

該研究的另一項(xiàng)重要意義，在于重新評(píng)估古湖是否足以越過(guò)凱巴布隆起（Kaibab arch）這一長(zhǎng)期爭(zhēng)議。作者指出，上部比達(dá)霍奇組現(xiàn)今殘留地層分布在約 1805-2250 m 的高程范圍內(nèi)，其中最高處還保留有可指示古湖水面的濱岸砂和頂蓋狀鈣華。結(jié)合地層關(guān)系，研究認(rèn)為這些證據(jù)支持一個(gè)向西擴(kuò)展、并貼靠盆地西側(cè)地形障壁的湖泊存在。按照作者估算，凱巴布隆起上可能的溢流門(mén)檻與最高湖相沉積高程之間差距并不大，因此“湖水高度不足以溢流”這一傳統(tǒng)反對(duì)意見(jiàn)并不成立。

年代學(xué)結(jié)果還表明，科羅拉多河流入比達(dá)霍奇盆地至少持續(xù)到約 6 Ma，而下游地區(qū)明確帶有科羅拉多河信號(hào)的沉積物則直到 5.6 Ma 之后、甚至可能晚至 4.8 Ma 才出現(xiàn)。這意味著，科羅拉多河可能先進(jìn)入比達(dá)霍奇盆地，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的盆地充填與水系調(diào)整后，才最終完成向下游的貫通。該研究據(jù)此提出，湖泊溢流很可能是建立科羅拉多河穿越大峽谷路線(xiàn)的關(guān)鍵機(jī)制之一，但這并不意味著大峽谷是由一次災(zāi)變式洪水瞬間切開(kāi)。更合理的解釋是，溢流首先建立了河流通道，隨后長(zhǎng)期的常規(guī)河流下切逐步塑造出今天的大峽谷地貌（圖3）。

圖3 約6.5 Ma的古地形重建及河流—湖盆體系示意。該圖綜合展示了晚中新世相關(guān)盆地、沉積單元及可能的河流連接關(guān)系，為“先進(jìn)入盆地、后發(fā)生溢流并向下游整合”的解釋提供了直觀(guān)的古地理背景

總體而言，該研究通過(guò)碎屑鋯石年代學(xué)、火山灰定年、鍶同位素、沉積速率、沉積相變化和古生物記錄等多重證據(jù)，證實(shí)了晚中新世科羅拉多河已抵達(dá)比達(dá)霍奇盆地，并后續(xù)通過(guò)湖泊溢流參與大峽谷水系貫通。盡管早期古峽谷是否已經(jīng)存在、區(qū)域構(gòu)造和動(dòng)力地形如何參與這一過(guò)程等問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究，但這項(xiàng)成果推動(dòng)了大峽谷形成機(jī)制這一經(jīng)典問(wèn)題的研究進(jìn)展，也為理解大陸尺度河流系統(tǒng)的逐級(jí)整合提供了新的地層學(xué)證據(jù)。

主要參考文獻(xiàn)

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（撰稿：王友偉、許晨曦/環(huán)境演變與碳循環(huán)學(xué)科中心）