杨超群，沈传波
1 引言
长江西起青藏高原唐古拉山，向东注入中国东海（图1），是亚洲最大的河流系统，其水系格局深受地貌和气候的控制，因此探究其演化对于理解整个东亚构造地貌格局的建立、季风气候的演化具有重要意义，是国内外研究的热点问题之一。
图1 长江流域数字高程模型
针对“现今长江水系格局何时建立”这一问题的争议，已经持续了一个世纪，尤其聚焦在“长江三峡”、“长江第一湾”等一系列关键节点的形成时间上。一些研究认为，在现今的东流长江形成之前，长江的上游作为古红河的一条支流，向南注入南海；长江的中下游为区域性河流，分别汇入江汉盆地和苏北-南黄海盆地（图2a）。随着东亚地形的不断调整，长江水系发生一系列重组：长江中下游水系逐渐形成（图2b），在长江三峡处袭夺了上游的部分水系（图2c），并最终在长江第一湾处袭夺了金沙江（图2d），形成了现今的东流长江水系(Clark M. et al., 2004)。因此，长江三峡的形成不仅贯通了四川盆地与江汉盆地的水系，还建立了初步的东流的长江系统，可以认为是万里长江向东流的第一步。
图2 长江演化模式图(据Clark M. et al., 2004修改)
2 长江三峡的形成机制
目前对三峡形成机制主要有两种观点（图3）：“下切说”认为在三峡深切峡谷形成前存在区域性河流，随着川东地区的抬升和江汉盆地的沉降，三峡地区的侵蚀基准面下降，先存河流的下切形成现今的深切峡谷；“溯源说”则认为三峡形成前黄陵背斜系四川盆地与江汉盆地水系之间的分水岭，随着江汉盆地的沉降，拥有更低的侵蚀基准面的江汉盆地水系在三峡处袭夺了四川盆地水系，进而形成了现今的三峡深切的峡谷。尽管存在不同见解，但两种观点均认为江汉盆地的热沉降导致下游的侵蚀基准面降低，进而在三峡处发生河流快速侵蚀，形成深切的峡谷，因此三峡的快速侵蚀是理解三峡形成演化过程的关键。
图3 长江三峡形成的两种模型（据Wang P. et al., 2014修改）
3 长江三峡形成时间研究
三峡基岩的剥露过程可以为三峡侵蚀提供时间约束，Richardson N. et al. (2010)利用磷灰石(U-Th)/He和裂变径迹定年方法重建了三峡地区的热演化历史，厘定三峡地区在 45-40 Ma存在一次明显的冷却过程，据此推测三峡的形成可能发生该时期。
三峡形成后会第一时间影响下游盆地的沉积环境，因此下游盆地的沉积记录可以确定是否与上游连通，进而判断三峡是否形成。江汉盆地在~36.5 Ma广泛存在一套蒸发岩，反映了干旱湖盆的沉积环境，与现今的大河体系相矛盾(Zheng H. et al., 2013)，因此三峡的形成可能发生在~36.5 Ma之后。长江中下游广泛存在一套砂砾石组合（即“雨花台组”），其碎屑锆石U-Pb年龄与现今长江河砂年龄特征几乎一致（图4a,b），据此推测现今的长江水系格局至少在砾石层堆积时已建立。Zheng H. et al. (2013) 以江汉盆地的蒸发岩年龄为上限，以雨花台组上覆玄武岩Ar-Ar年龄为下限，认为长江三峡的形成发生于36.5-22.9 Ma，江汉盆地沉积物的碎屑锆石U-Pb年代学也被用来指示三峡形成至少发生在中新世(Wang P. et al., 2014; Yang C. et al., 2019)。
图4 三峡下游盆地碎屑锆石U-Pb年龄分布
然而，最近的碎屑云母Ar-Ar定年和碎屑钾长石Pb同位素的研究表明(Sun X. et al., 2021; Zhang Z. et al., 2021)，雨花台组与江汉盆地白垩纪沉积物沉积特征类似（图4a, c），并不包含三峡上游源区物质（如来自青藏高原的新生代锆石、云母等），据此推论长江三峡形成于雨花台组砾石层堆积之后。再者，三峡地区阶地上沉积物堆积于三峡侵蚀之后，可以为三峡形成提供最小的时间约束。阶地沉积物石英电子自旋共振分析、释光等数据表明，三峡的形成可能发生在1.12-0.75 Ma之前 (Li J. et al., 2001; Xiang F. et al., 2007)。
4 主要争议和研究展望
尽管长江三峡的研究取得了一系列成果，但目前学界对三峡的形成时间存在较大争议，尤其在三峡的侵蚀研究(45-40 Ma, 与下游物源分析结果<36.5 Ma矛盾)、雨花台组物源归属问题上争议最为激烈。
三峡侵蚀的研究主要基于三峡地区基岩的低温热年代学数据所揭示的岩石剥露过程。地质体剥露过程中，只有处于封闭温度的岩体才能记录地表的地质过程（图5a）。其中，磷灰石(U-Th)/He定年的封闭温度为~60 ℃，其对应的深度大致为2000 m，因此只有侵蚀发生时地表2000 m以内的基岩才能通过磷灰石(U-Th)/He定年记录地表的地质活动（图5b）。三峡地区峡谷深度整体在1000~2000 m（图5c,d），普遍小于磷灰石(U-Th)/He定年检测地表地质活动的深度，因此无法记录三峡侵蚀过程。独居石裂变径迹定年(MFT)封闭温度低至25-45 ℃，对地表地质事件更为敏感，最低可以通过1000 m深度的峡谷基岩记录河流的侵蚀过程（图5），可能为长江三峡的侵蚀等新生代地表地质事件提供更为精确的时间约束。
图5 (a) 磷灰石(U-Th)/He (AHe)和独居石裂变径迹(MFT)封闭温度对应的深度; (b) AHe和MFT记录峡谷侵蚀的位置; (c) 长江三峡地区的数字高程模型及三峡剖面位置; (d) 长江三峡剖面图以及MFT、AHe封闭温度对应深度的位置。三峡未被河流侵蚀的区域存在一系列低起伏面，代表河流侵蚀发生前的夷平面，其与河水面的高差为峡谷的侵蚀深度（1000-2000 m，小于AHe封闭温度对应深度，大于MFT封闭温度对应深度）
雨花台组物源归属的争议主要产生于碎屑锆石U-Pb年龄、云母Ar/Ar定年、钾长石Pb同位素等不同的物源分析方法。锆石U-Pb年龄代表着锆石的结晶时间，通过与源区结晶基底对比进而可以确定锆石来源。由于其稳定性，锆石可以在多次沉积旋回保存，其U-Pb年龄特征与源区沉积物U-Pb年龄分布有着密切的关系。雨花台组碎屑锆石U-Pb年龄与江汉盆地白垩纪沉积物的锆石U-Pb年龄分布一致，可能主要反映江汉盆地的物源特征。与锆石相比，云母和钾长石为不稳定的轻矿物，只能在简单的沉积旋回中保存，因此其物源研究很有可能显示了简单沉积旋回的矿物特征。最近的研究(Li S. et al., 2024)表明，碎屑锆石U-Pb以及云母Ar/Ar、钾长石Pb同位素并不能完整地记录河流演化过程，大型河流的演化可能需要多种矿物、多种物源分析方法联合约束。
综上，长江三峡的形成是长江演化过程的关键一环，对于理解东亚构造地貌格局、季风气候的演化具有重要意义。目前长江三峡形成存在巨大争议，尤其在三峡侵蚀时间与雨花台组物源归属上争论最为激烈，独居石裂变径迹定年和多矿物、多物源分析方法联合约束可能为厘定长江三峡侵蚀时间与雨花台组的归属提供新的见解。
第一作者为成都理工大学油气藏地质与开发工程全国重点实验室助理研究员杨超群，主要研究方向为热年代学、盆地分析等。通讯作者为中国地质大学（武汉）构造与油气资源教育部重点实验室教授沈传波，主要研究方向为构造—成藏年代学。
参考文献
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