Science：科罗拉多河何时贯通大峡谷？——比达霍奇盆地记录支持湖泊溢流成峡假说

大峡谷何时形成、科罗拉多河又如何贯通整个峡谷体系，是北美地貌演化研究中长期悬而未决的经典问题。现有研究表明，约 11 Ma（百万年前）时科罗拉多河已存在于上游地区，而它真正穿出大峡谷、进入下游盆地体系的时间则晚于 5.6 Ma。由此引出一个关键问题：在这数百万年的过渡阶段，科罗拉多河究竟流向何处，又通过什么机制最终贯通大峡谷？围绕这一问题，学界先后提出岩溶盗蚀、地下水侵蚀、溯源侵蚀和湖泊溢流等多种假说，但始终缺乏足够一致的证据约束。

近日，来自加州大学洛杉矶分校的John He博士和美国地质调查局等机构的研究人员在 Science 发表论文，以亚利桑那州东北部比达霍奇盆地（Bidahochi Basin）的晚中新世地层为对象，提出了一组新的关键证据。研究表明，具有明确上游科罗拉多河—格林河（Green River）系统特征的沉积物，最迟在约 6.6 Ma 时已经进入比达霍奇盆地。与此同时，盆地沉积速率显著升高，碳酸盐岩锶同位素比值上升，并出现了指示较强流水环境的大型鱼类化石。这些结果共同说明，在科罗拉多河真正穿越大峡谷之前，它已持续向比达霍奇盆地输送水体和沉积物，从而为“湖泊溢流成峡”假说提供了关键支持（图1）。

图1 研究区位置及相关沉积单元分布。图中展示了比达霍奇盆地、大峡谷、凯巴布隆起以及多条已提出的古科罗拉多河路径和关键样点位置，是理解该研究空间格局和争议背景的基础

这项研究最重要的突破首先来自碎屑锆石 U-Pb 年代学提供的物源约束。研究团队对比达霍奇组（Bidahochi Formation）不同层位的火山灰和砂岩样品开展系统定年，发现上部比达霍奇组中出现了大量 40-25 Ma 的渐新世锆石年龄峰，而这一特征在下部比达霍奇组中几乎缺失。进一步对比显示，该年龄谱与已知的古下游科罗拉多河沉积物高度相似，却难以由盆地附近的局地火山源解释，因此被视为上游科罗拉多河物源进入盆地的关键“指纹”。统计结果进一步表明，上部比达霍奇组在物源特征上明显更接近下游古科罗拉多河沉积，而与其下伏的下部比达霍奇组存在显著差异。

除物源变化外，地层和沉积环境的同步转变同样支持这一判断。上部比达霍奇组的沉积速率达到 100-400 m/Myr，而下部比达霍奇组多数时期仅为 10-20 m/Myr，增幅超过一个数量级。与此同时，盆地碳酸盐岩的锶同位素比值升高，沉积相由底部以粉砂质—泥质沉积为主，逐渐过渡为顶部横向连续的板状砂岩层，表现出受大型河流补给的湖泊—三角洲体系特征（图2）。部分鱼类化石还显示出适应较强流水环境的形态特征，进一步表明晚中新世的比达霍奇盆地并非孤立、低能的封闭湖盆，而很可能已处于大型河流系统的持续补给之下。

图2 比达霍奇组地层框架、沉积 速率及锶同位素变化。该图将上、下部比达霍奇组的沉积相、沉积速率和锶同位素变化置于同一框架下，直 观显示出约6.6 Ma前后盆地沉积体系发生的整体跃迁，是支撑新水系接入的关键证据

该研究的另一项重要意义，在于重新评估古湖是否足以越过凯巴布隆起（Kaibab arch）这一长期争议。作者指出，上部比达霍奇组现今残留地层分布在约 1805-2250 m 的高程范围内，其中最高处还保留有可指示古湖水面的滨岸砂和顶盖状钙华。结合地层关系，研究认为这些证据支持一个向西扩展、并贴靠盆地西侧地形障壁的湖泊存在。按照作者估算，凯巴布隆起上可能的溢流门槛与最高湖相沉积高程之间差距并不大，因此“湖水高度不足以溢流”这一传统反对意见并不成立。

年代学结果还表明，科罗拉多河流入比达霍奇盆地至少持续到约 6 Ma，而下游地区明确带有科罗拉多河信号的沉积物则直到 5.6 Ma 之后、甚至可能晚至 4.8 Ma 才出现。这意味着，科罗拉多河可能先进入比达霍奇盆地，经过一段时间的盆地充填与水系调整后，才最终完成向下游的贯通。该研究据此提出，湖泊溢流很可能是建立科罗拉多河穿越大峡谷路线的关键机制之一，但这并不意味着大峡谷是由一次灾变式洪水瞬间切开。更合理的解释是，溢流首先建立了河流通道，随后长期的常规河流下切逐步塑造出今天的大峡谷地貌（图3）。

图3 约6.5 Ma的古地形重建及河流—湖盆体系示意。该图综合展示了晚中新世相关盆地、沉积单元及可能的河流连接关系，为“先进入盆地、后发生溢流并向下游整合”的解释提供了直观的古地理背景

总体而言，该研究通过碎屑锆石年代学、火山灰定年、锶同位素、沉积速率、沉积相变化和古生物记录等多重证据，证实了晚中新世科罗拉多河已抵达比达霍奇盆地，并后续通过湖泊溢流参与大峡谷水系贯通。尽管早期古峡谷是否已经存在、区域构造和动力地形如何参与这一过程等问题仍有待进一步研究，但这项成果推动了大峡谷形成机制这一经典问题的研究进展，也为理解大陆尺度河流系统的逐级整合提供了新的地层学证据。

主要参考文献

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（撰稿：王友伟、许晨曦/环境演变与碳循环学科中心）