青藏高原东北部秦王川盆地晚第四纪时期的排水系统演化：解析构造运动与气候变化的共同影响

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Late Quaternary drainage evolution in the Qinwangchuan Basin, northeastern Tibetan Plateau: deciphering the joint impacts of tectonics and climate change

　　陈彦文|袁道阳|李洪强|于金超|吴浩|苏琪|姚云生|王晓瑞|张丽军|闫晓勇
中国兰州大学地球科学学院，兰州730000

**摘要**
排水系统在塑造地貌过程中起着重要作用，对其演化历史的研究揭示了构造活动和气候变化对景观的影响。本文以位于青藏高原东北部陇中盆地北部的秦王川（QWC）盆地为例，通过年代学（宇宙成因核素埋藏测年法和光释光测年法）、物质来源分析以及χ图分析，研究了QWC盆地、江沟河及其相邻的庄浪河的第四纪河流沉积物和阶地，以了解该地区的河流演化过程。结果表明，QWC-Jiangou河流系统的大规模河流活动始于约1500千年前；随后，区域性的构造活动导致不同河段形成了独特的地貌。压缩作用使得盆地内部形成了凹陷，并沉积了厚层的砾石-砂岩层；而黄河下切作用导致的基准面下降则使得江沟河沿岸形成了五级阶地。证据表明，QWC-Jiangou系统与庄浪河是独立演化的，并未发生先前研究中提出的Jinqiang河被庄浪河大规模突然捕获的现象；然而χ图分析显示，西济水河和龙潭河逐渐侵占了QWC盆地上游的排水系统。排水系统的重组以及中亚地区的逐步干旱化导致了QWC盆地内河流的逐渐萎缩，这些河流在约50千年前已完全干涸。QWC盆地干涸引起的环境退化使得冲积砂在盆地南部形成了局部沙丘堆积。本研究强调了整合沉积学、地貌学和构造学证据以重建青藏高原东北部排水系统演化过程的必要性，并充分考虑了构造活动和气候变化的共同影响。

**引言**
排水系统作为塑造地貌的重要地质因素，当其平衡状态受到构造、岩性和气候扰动时会发生重组（Willett等人，2014；Fan等人，2018；Panin等人，2020）。构造活动是河流系统长期演化的重要驱动力（Clark等人，2004；Sharman等人，2017；Li等人，2025）。例如，印度板块与欧亚板块碰撞引发的青藏高原抬升极大地改变了亚洲的宏观地形，并深刻影响了高原周围的排水网络格局（Clark等人，2004；Jiao等人，2021）。青藏高原向东北方向的扩张形成了系列西北走向的山脉带、新生代盆地和纵向河谷，为横向河流的发育创造了条件（Zheng等人，2017）。此外，断层活动显著影响了排水系统的重组和地貌演化（Fan等人，2018；Replumaz等人，2020；Yu等人，2020）。气候变化通过调节降水量、冰川、湖泊和河流径流深刻影响了排水系统的重组（Panin等人，2020；Liu等人，2021）。例如，近期的全球变暖导致北美洲北部冰川的融水流向发生重大变化，从向北流入白令海转变为向南流入太平洋（Shugar等人，2017）。青藏高原上内流湖的快速扩张还引发了湖泊合并、溢出甚至融入外流河流系统（Liu等人，2021）。在地质历史上，气候变化通过增强侵蚀效率和控制“堆积-侵蚀”循环影响了河流演化（Starkel，2003；Petit等人，2017）。构造活动与气候的耦合可以加速排水系统的重组。例如，祁连山脉持续抬升形成的地形坡度，加上中更新世过渡期（MPT）气候波动加剧的侵蚀作用，共同导致了忠龙关河被洪水坝河捕获（Su等人，2025）。河流 piracy（即一条河流侵蚀并占据另一条河流的流域）是排水系统重组的重要方式，在活跃的造山带中，它可以推动排水系统从受构造控制的纵向河流系统转变为受区域坡度主导的横向河流网络（Struth等人，2020；Su等人，2022）。排水系统的重组具有重要的地质和环境效应：首先，它会影响短期和长期的地貌演化（Fan等人，2018；Su等人，2025），调节水文过程和物质迁移（Sharman等人，2017），从而影响造山带和沉积盆地的演化（Struth等人，2020）；其次，它可能引发水文灾害和生态风险（Liu等人，2021），甚至对全球气候模式产生显著影响（Li等人，2025）。

关于青藏高原及其周边地区排水系统演化的主要研究集中在大型河流和活跃的造山带上，对小型河流和干旱内陆盆地关注不足。陇中盆地是青藏高原东北部典型的新生代盆地，而秦王川（QWC）盆地则是陇中盆地北部黄土丘陵地区的第四纪盆地（图1a）。该盆地处于活跃构造区与稳定构造区（青藏高原和黄土高原）、季风气候与大陆性气候、湿润地区与干旱地区、外流盆地与内流盆地的多过渡带。这种独特的构造、地貌、气候和河流特征使其成为研究排水系统对构造和气候变化的响应以及排水系统演化环境效应的理想区域。目前，QWC盆地处于干旱状态，没有常年地表径流。然而，在盆地的东西两侧保存着两条宽500–1500米的南北向古河道，其中沉积了厚10–50米的砾石-砂岩层，并蕴藏有地下水（图1b）（Hou等人，1979；Yuan等人，2000；Yue，2017；Wang，2018）。此外，在盆地南部的江沟河出口处形成了明显的河流阶地序列。古河道沉积物和阶地表明过去曾有过大规模的河流活动，这与当前的干旱状况形成鲜明对比。在青藏高原东北部，这种在干旱盆地中保存完整河流记录的现象较为罕见，为理解河流演化和消亡机制以及中国内陆干旱盆地的环境变化提供了重要参考。

**以往研究**
以往研究表明，Jinqiang河（上游的庄浪河）曾经流经QWC盆地，形成了盆地东部和南部的宽阔古河道。后来，由于庄浪河捕获了Jinqiang河，导致盆地干涸（Yang和Liu，1979；Zhang，1987；Yuan等人，2000）。然而，这些研究仅基于地貌和沉积记录进行了简单推断，缺乏直接的物质来源和地质年代学证据以及合理的演化机制。尽管横向河流捕获纵向河流是造山带中排水系统重组的重要方式（Struth等人，2015；Pan等人，2016；Su等人，2022），但尚不清楚QWC盆地的环境变化是否确实是由庄浪河捕获Jinqiang河引起的。为解决这些问题，本研究重点分析了QWC盆地内的古河道沉积物、江沟河阶地以及相邻的庄浪河沉积物。通过综合运用物质来源分析、宇宙成因核素（26Al/10Be）埋藏测年、光释光（OSL）测年和χ图分析等方法，重建了QWC盆地及其相关河流系统的演化历史和机制，并进一步探讨了其对青藏高原东北部排水系统和环境变化的影响。

**研究方法**
**地质和地理背景**
陇中盆地是一个大型新生代盆地，边界受到祁连-海原断层、西秦岭断层和拉吉山断层等主要断层的控制。其北部又被玛雅雪山断层、庄浪河断层和白银白杨树沟断层划分为平城盆地、兰州盆地和白银盆地等次级盆地，QWC盆地是兰州盆地的一个子盆地（图1a）。其中，祁连-海原断层是一个重要的边界断层带。

**野外研究**
为了重建QWC盆地的排水演化历史，研究工作主要集中在盆地内部和江沟河上，并对庄浪河进行了补充调查。QWC盆地内的数十个人工坑暴露了厚度从几米到几十米不等的地层剖面，为研究盆地的沉积历史提供了有利条件。三个关键的地层剖面位于朱家庄（ZJZ）。

**河流阶地**
在江沟河北端的毛茨村附近形成了五级阶地（图2）。除T1阶地为填充阶地外，其他阶地均切割了古近纪红色沉积层。T5–T2阶地展示了明显的河流二元结构（图3c–f，h），而T1阶地缺乏这一特征（图3b）。其中，T5阶地仅出现在河东岸，阶地宽度约为400米。河流沉积物厚度约为6米。

**讨论**
QWC流域的大规模河流活动至少始于约1500千年前。随后，盆地内发生了多次沉积周期，形成了厚50米的砾石-砂岩层；同时，江沟河在南部盆地的下切作用形成了五级阶地。最终，在约50千年前河流沉积停止，随后在40–13千年前盆地南部发生了突然的沙丘堆积事件（Long等人，2016）。

**结论**
本研究重点分析了QWC盆地的古河道沉积物、江沟河阶地以及庄浪河沉积物。通过物质来源对比和地质年代学方法，探讨了第四纪QWC流域的排水演化过程和机制。QWC盆地的大规模河流活动始于约1500千年前，随后的构造活动差异导致了不同河段形成多样的地貌景观。

**作者贡献声明**
陈彦文：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、软件应用、方法学研究、数据管理。
袁道阳：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、项目监督、资源管理、方法学研究、数据获取、形式分析、概念构建。
李洪强：验证、软件应用、数据管理。
于金超：验证、数据管理。
吴浩：项目监督。

**利益冲突声明**
作者声明不存在可能影响本文研究的利益冲突或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金（42172227，42472267）和中国地震局地质研究所基础研究基金（IGCEA2533）的资助。1:500,000比例尺的地质数据来自GeoCloud（https://geocloud.cgs.gov.cn）；12.5米分辨率的DEM数据来自阿拉斯加卫星设施（ASF）数据搜索（https://search.asf.alaska.edu）；5米分辨率的DEM数据由……提供。