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

大峽谷何時形成、科羅拉多河又如何貫通整個峽谷體系，是北美地貌演化研究中長期懸而未決的經典問題。現有研究表明，約 11 Ma（百萬年前）時科羅拉多河已存在于上游地區，而它真正穿出大峽谷、進入下游盆地體系的時間則晚于 5.6 Ma。由此引出一個關鍵問題：在這數百萬年的過渡階段，科羅拉多河究竟流向何處，又通過什么機制最終貫通大峽谷？圍繞這一問題，學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，但始終缺乏足夠一致的證據約束。

近日，來自加州大學洛杉磯分校的John He博士和美國地質調查局等機構的研究人員在 Science 發表論文，以亞利桑那州東北部比達霍奇盆地（Bidahochi Basin）的晚中新世地層為對象，提出了一組新的關鍵證據。研究表明，具有明確上游科羅拉多河—格林河（Green River）系統特征的沉積物，最遲在約 6.6 Ma 時已經進入比達霍奇盆地。與此同時，盆地沉積速率顯著升高，碳酸鹽巖鍶同位素比值上升，并出現了指示較強流水環境的大型魚類化石。這些結果共同說明，在科羅拉多河真正穿越大峽谷之前，它已持續向比達霍奇盆地輸送水體和沉積物，從而為“湖泊溢流成峽”假說提供了關鍵支持（圖1）。

圖1 研究區位置及相關沉積單元分布。圖中展示了比達霍奇盆地、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鍵樣點位置，是理解該研究空間格局和爭議背景的基礎

這項研究最重要的突破首先來自碎屑鋯石 U-Pb 年代學提供的物源約束。研究團隊對比達霍奇組（Bidahochi Formation）不同層位的火山灰和砂巖樣品開展系統定年，發現上部比達霍奇組中出現了大量 40-25 Ma 的漸新世鋯石年齡峰，而這一特征在下部比達霍奇組中幾乎缺失。進一步對比顯示，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，因此被視為上游科羅拉多河物源進入盆地的關鍵“指紋”。統計結果進一步表明，上部比達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霍奇組存在顯著差異。

除物源變化外，地層和沉積環境的同步轉變同樣支持這一判斷。上部比達霍奇組的沉積速率達到 100-400 m/Myr，而下部比達霍奇組多數時期僅為 10-20 m/Myr，增幅超過一個數量級。與此同時，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—泥質沉積為主，逐漸過渡為頂部橫向連續的板狀砂巖層，表現出受大型河流補給的湖泊—三角洲體系特征（圖2）。部分魚類化石還顯示出適應較強流水環境的形態特征，進一步表明晚中新世的比達霍奇盆地并非孤立、低能的封閉湖盆，而很可能已處于大型河流系統的持續補給之下。

圖2 比達霍奇組地層框架、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 觀顯示出約6.6 Ma前后盆地沉積體系發生的整體躍遷，是支撐新水系接入的關鍵證據

該研究的另一項重要意義，在于重新評估古湖是否足以越過凱巴布隆起（Kaibab arch）這一長期爭議。作者指出，上部比達霍奇組現今殘留地層分布在約 1805-2250 m 的高程范圍內，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。結合地層關系，研究認為這些證據支持一個向西擴展、并貼靠盆地西側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”這一傳統反對意見并不成立。

年代學結果還表明，科羅拉多河流入比達霍奇盆地至少持續到約 6 Ma，而下游地區明確帶有科羅拉多河信號的沉積物則直到 5.6 Ma 之后、甚至可能晚至 4.8 Ma 才出現。這意味著，科羅拉多河可能先進入比達霍奇盆地，經過一段時間的盆地充填與水系調整后，才最終完成向下游的貫通。該研究據此提出，湖泊溢流很可能是建立科羅拉多河穿越大峽谷路線的關鍵機制之一，但這并不意味著大峽谷是由一次災變式洪水瞬間切開。更合理的解釋是，溢流首先建立了河流通道，隨后長期的常規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盆地、沉積單元及可能的河流連接關系，為“先進入盆地、后發生溢流并向下游整合”的解釋提供了直觀的古地理背景

總體而言，該研究通過碎屑鋯石年代學、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，證實了晚中新世科羅拉多河已抵達比達霍奇盆地，并后續通過湖泊溢流參與大峽谷水系貫通。盡管早期古峽谷是否已經存在、區域構造和動力地形如何參與這一過程等問題仍有待進一步研究，但這項成果推動了大峽谷形成機制這一經典問題的研究進展，也為理解大陸尺度河流系統的逐級整合提供了新的地層學證據。

主要參考文獻

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（撰稿：王友偉、許晨曦/環境演變與碳循環學科中心）