黄河四分之三的河道位于华北克拉通，但其形成演化通常归因于上游青藏高原的隆升，很少提及华北克拉通的影响。黄河中下游水系的演化需要在华北克拉通构造地貌演化史中重建。晋陕峡谷流经华北克拉通，是了解黄河中游历史的关键（图1）。晋陕峡谷的开凿开始于保德红土之前还是早更新世存在不同看法。更重要的是，关于峡谷中曾经是否存在北向流动的河流，仍有激烈争议。保德和河曲是两个关键地区，但河流地貌缺乏高精度的测量和相关性，河流沉积相和物源尚未得到系统分析。

近些年碎屑物源示踪方法被引入黄河演化研究，但引起了多方面的讨论。一些作者提出，黄河上游的碎屑锆石起源于青藏高原东北部，被输送到黄河中下游。基于这一结论，利用青藏高原物质的出现时间，推测黄河中下游整合发生在~5 Ma或~1.5 Ma两个截然不同的时间。然而，之前的研究表明晋陕峡谷很少观察到黄河上游的碎屑颗粒；北秦岭的锆石成分与青藏高原东北部相似，但其对黄河沉积物的影响需要进一步评估。此外，粒径、地质单元和地貌的空间位置变化、构造和气候变化等都可以影响河流碎屑的时空变化。黄河流域广布的风成红土和黄土很容易被河流侵蚀，带来物质的变化。显然，需要在综合地质证据、对黄河沿岸沉积物和源区碎屑锆石组成的系统调查下，重新审视黄河的形成和演化。

晋陕峡谷两侧广泛分布着丰富的新生代沉积物，是华北地区几组新近纪和第四纪地层的命名区，以大量出土的哺乳动物化石而闻名。本研究系统总结了华北克拉通新生代构造演化历史，然后对黄河及其支流新近纪和第四纪沉积物进行了地貌特征、沉积学调查和碎屑锆石U-Pb定年。我们得到以下主要认识：

（1）保德和河曲地区唐县宽谷的形态相似，新近纪砾岩的时间框架、碎屑成分、物源和沉积学特征的一致表明存在一条流经鄂尔多斯地块的大河。更重要的是，基于差分GPS的高精度测量，我们发现唐县宽谷在河曲比保德整体高~20米，这是一个强有力的地形证据，表明一条南向流动的新近纪河流。

（2）过去的磁性地层学揭示砾岩的上覆红土和砂岩沉积年龄底界为~8.3Ma，但从未直接测定砾岩的沉积年代。零散的年代结果表明，芦子沟和鄂尔多斯地块北缘的基底砾岩沉积于~23 Ma。虽然我们不知道在中新世晚期唐县宽谷开凿之前是否有向南流动的河流，但我们推测鄂尔多斯高原面和唐县宽谷之间>400米的高差至少部分是由黄河侵蚀造成的。因此，唐县宽谷的基底砾岩可能形成于渐新世-中新世（~23 Ma）和中新世晚期（>8.3 Ma）之间。

（3）新近纪拉张的华北克拉通之上发育了黄河（图1）。鄂尔多斯地块的边缘在新近纪期间发生了构造变形、边缘隆起、地堑沉降。山西地堑北部强烈的玄武岩喷发、吕梁山和太行山的快速剥蚀以及山西地堑在30-15 Ma的初始沉降与响应岩石圈减薄的软流层上升流密切相关。吕梁山的次级断裂——离石断裂的弱活动，降低了鄂尔多斯地块东部的地形，使未来的晋陕峡谷沿线地区成为该地块的最低部分。鄂尔多斯地块内部自新生代以来没有显示出明显的断层活动。因此，我们排除了构造活动是河曲和保德之间高差的原因，并认为这种高差是新近纪向南流动的黄河造成的。

（4） 山西地堑和渭河地堑开始下沉的时间早于唐县宽谷的渐新世-中新世开凿（图1b），为新近纪黄河提供潜在的南向排水路径。三门峡谷与晋陕峡谷的地貌组成类似，均为唐县宽谷+第四纪深切峡谷样式。总之，我们提出，华北克拉通的伸展构造环境在新生代晚期促进了黄河中游的整合，鄂尔多斯地块周围的三个直角弯曲是由地堑的几何形状和晋陕峡谷所约束。

（5）相比新近纪沉积物，黄河第四纪沉积物中2.8-2.2 Ga和330-180 Ma锆石颗粒显著增加，岩浆岩砾石减少（图2和3a）。我们认为~3Ma黄河下切导致沉积物来源由吕梁山主导转变为鄂尔多斯地块主导。相比黄河沉积物的系统变化，支流的沉积物组成本身多变。磨扇沟的泥岩沉积主要来源于再循环的红土（图3b）。

（6） 由于沿岸不同的地质单元，黄河现代河床沉积物显示出非常不同的碎屑锆石成分（图2和3）。源自青藏高原东北部的碎屑在陇中盆地和银川地堑的沉积物中起主导作用。河套地堑的河床砂仍主要来自青藏高原东北部；进入晋陕峡谷后，河床砂几乎只来自华北克拉通。北秦岭和华北中央造山带（太行山和吕梁山）开始对黄河沉积物产生影响。红土和黄土的再循环是一个重要的来源，导致黄河的一些沉积物具有与中国黄土高原风成沉积物和青藏高原东北部相似的碎屑锆石年龄谱。例如，在黄河三角洲的钻孔样本中，我们观察到新近纪-第四纪沉积物的物源从华北克拉通向青藏高原东北部/北秦岭迁移的总体趋势（图3d）。我们认为，碎屑锆石成分的这种时间变化与气候恶化下第四纪黄土累积速率的增加密切相关，这增加了黄土高原对黄河中下游物质的供应。

不同的地质、构造和地貌单元、河流切割模式和再循环的风成沉积物控制着黄河河道新生代沉积物物源的时空变化，对碎屑锆石源研究具有深远意义。本文对用碎屑物源方法研究河流演化的启示：

（1）在河套地堑，河床物质与华北克拉通的亲和力越来越大（图2和3）。晋陕峡谷沿线的新近纪和第四纪河流碎屑主要起源于华北克拉通西部。我们的数据强烈表明，来自青藏高原东北部+中亚造山带南部的碎屑使穿越晋陕峡谷和到达华北平原变得困难。沉积物稀释、矿物相的物理和化学分解和/或可变的局部沉积物输入都会改变沉积信号。

（2）物源数据集的搜集整理难以完美，尤其在近源物质主导的情况。黄河和支流的一些样品来自当地地层，需要专门分析。由于当地来源的影响较大，支流的沉积物可以显示出比黄河更多样的锆石组成。

（3）自上新世晚期以来，重要的气候变化导致了侵蚀速率增加和广泛下切，这导致了河流沉积物来源和成分的变化（图2和3a），这被世界上多项河流研究所证实。正如本研究所观察到的：新近纪和第四纪沉积物显示了源区的系统迁移（图4）。

（4）黄河下游的沉积物变化主要来源于加速的黄土沉积和北秦岭，后两者均与青藏高原东北部的碎屑组成相似，但这并不意味着这些碎屑是黄河直接从青藏高原东北部搬运而来。黄河在华北平原（黄海淮平原）和渤海频繁游荡和改道，其泥沙组成与当地河流竞争，使得从单一钻孔的物源变化解析黄河形成变得复杂和困难（图3d）。此外，黄河水系第四纪下切引起的华北克拉通和北秦岭的信号更加突出，进一步掩盖青藏高原隆起的信号（图4）。

 黄河沉积物的物源受多种因素控制。物源的变化不一定是由黄河的形成/整合引起的，而不同的河流系统可以显示出相似的碎屑成分。上游的整合不会影响中游的河流沉积物，因为上游的碎屑既没有被有效输送到中下游，也没有在中下游被检测到。碎屑成分的变化和不变都难以单独作为黄河形成的指标。我们强调，通过详细的野外和沉积学调查，对包括干流和支流在内的整个河流系统进行系统调查，可以帮助准确重建河流的起源和演变。跨时间和空间整合各种数据集可以更深入地了解河流物质迁移。

河流地貌一直是地质学和地貌学的热门话题，但在形成年龄、演化过程和驱动因素方面仍存在许多争议。在这项研究中，我们强调综合研究河流演化的意义，包括构造地貌梳理、沉积学和物源的定量分析，以期解决争论。

  本项工作由诸多单位组成的研究团队合作完成，包括中国地震局地质研究所、中山大学、中科院地质与地球物理研究所、瑞士苏黎世联邦理工大学和北京大学，并受到国家自然科学基金（编号42225205、42488201和42471002）和第二次青藏科考项目（编号2019QZKK0704）的联合资助。

上述成果已在线发表于国际期刊Journal of Geophysical Research-Earth Surface，更多内容请查看：Xiong Jianguo, Zhang Peizhen, Deng Chenglong, Vincenzo Picotti, Liang Hao, Ren Zhikun, Wang Weitao, Kang Huan, Liu Qingri, Zhao Xudong, Zhang Xiuli, Zhang Yihui, Li Youli, Zhang Huiping, Zhao Xitao. 129 (10). Journal of Geophysical Research – Earth Surface,  https://doi.org/10.1029/2023JF007532

图1 黄河中游地貌和构造分布图。a图黄色区为黄土高原。

图2 黄河及其支流新近纪-第四纪物质与物源区的多维标度图。晋陕峡谷的新近纪和第四纪沉积物之间发生了系统的物源变化。

图3 黄河沉积物、风成沉积物、钻孔沉积物和潜在源区（蓝色方块和浅蓝色区域）的n(330–180 Ma)/n(3.0–1.5 Ga) 和n(540–330 Ma)/n(3.0–1.5 Ga)组分分布图。（a）河套地堑到晋陕峡谷的黄河河床物质越来越靠近华北克拉通。（b）黄河沉积物的新近纪泥岩与黄土和红土的对比。（c）渭河地堑、华北盆地和黄河三角洲的现代黄河河床样本。（d）黄河三角洲钻孔样品系统地向青藏高原东北部靠近，其主导原因可能是黄土和北秦岭物质的加入。

图4 黄河晋陕峡谷地貌演化与物源变化模型图。（a）新近纪唐县宽谷的开凿和延展。弯曲河道和辫状河道同时发育。寒武纪地层（可能还有一些奥陶系地层）是黄河新近系砾岩的主要来源。西岸的较大支流输送了鄂尔多斯地块地层中的混合碎屑。（b）第四纪深切峡谷。与新近纪相比，鄂尔多斯地块的地形起伏在这一时期有所增加。鄂尔多斯地块在为黄河阶地和现今河床提供碎屑方面发挥了主导作用。河流沉积物的颜色代表不同的成分和来源：绿色、黄色和其他颜色分别代表源自吕梁山寒武系、鄂尔多斯地块和当地岩石的混合碎屑。