中国西部拉贾遗址中覆盖层沉积物来源的研究揭示了这场史前灾难的直接原因

《CATENA》：Direct cause of the prehistoric catastrophe revealed by the sedimentary provenance source of the overburden layer in the Lajia ruins in western China

沉积岩成因分析揭示Lajia遗址毁灭于地震与暴雨协同引发的洪水和泥流，为古代灾害链研究提供新证据。

　　

赵辉|黄春长|王海燕|张玉珠|庞江丽|尚瑞青|强晓科

中国西安创新地球环境研究院，西安710061

摘要

位于黄河上游关亭盆地的拉贾遗址记录的史前灾难的原因引发了激烈的学术争论。然而，拉贾遗址究竟是被黄河的突发洪水、积石峡的滑坡坝溃决洪水还是支流谷地的地震引发的泥石流所掩埋和摧毁的，目前仍无定论。为了揭示这场史前灾难的直接原因，我们对拉贾遗址的覆盖层进行了沉积物来源分析（包括重矿物组合和锆石类型学研究）。研究结果表明，覆盖拉贾遗址西部和西南部的突发洪水沉积物是由吕家沟源头拉吉山的古老变质岩以及第三纪红色层山脉和沟谷地区的沙子和粘土物质混合而成的。而覆盖拉贾遗址东部和东南部的红色泥石流沉积物主要来源于关亭盆地北坡第三纪红色层山脉的大规模古代滑坡区。因此，覆盖拉贾遗址的沉积物是典型的突发洪水和泥石流沉积物。结合密集分布的地表裂缝和严重受损的遗址，这些证据表明，在3850年前，拉吉山断层带发生了一次强烈的地震，再加上暴雨，引发了关亭盆地北部山谷的大规模突发洪水和泥石流，最终淹没了拉贾遗址。2023年积石山地震在同一断层带引发的滑坡-泥石流灾害可以作为研究拉贾遗址的重要参考。总体而言，我们的研究结果为准确识别拉贾遗址的破坏原因提供了直接证据和新的研究视角，并进一步支持了关于这一复杂灾害链的区域研究。

引言

中国青海省的拉贾遗址是一个罕见的例子，它像庞贝古城一样被自然灾害保存下来（图1a-c，图2a-g）。该遗址出土了大量考古发现，为了解新石器时代晚期和青铜时代早期的文明、生存策略以及文化交流提供了重要线索。特别是吴等人（2016年）提出的“公元前1920年的突发洪水”理论，为“大禹治水”和中国夏朝的历史真实性提供了看似地质学的验证，这一理论自发表以来引起了全球的广泛关注（例如Gibson、Kaplan、Montgomery、Phelan、Xinhuanet等人的研究）。然而，这一理论也受到了来自不同领域的科学家的质疑（例如Han、Huang等人、Wu等人，2017年）。实际上，关于摧毁拉贾遗址的史前灾难留下的沉积物，考古学家、古水文学家和第四纪科学家已经进行了广泛的研究，得出了不同的观点，并引发了激烈的学术争论（例如Ye、Ye等人、Xia等人、Yang等人、Lü等人、Huang等人、Huang等人、Z等人、Wu等人，2013年、2017年、2019年）。关于这个问题，主要有三种观点：第一种观点认为，大约4000年前，黄河上游的暴雨引发的洪水完全淹没了已经受到早期地震破坏的拉贾遗址；第二种观点认为，地震引发了积石峡的滑坡，形成了黄河上游的堰塞湖，几个月后这个湖溃决形成了突发洪水，导致之前已经受损的拉贾遗址被彻底摧毁（Wu等人，2016年；Li等人，2020a）；第三种观点认为，3850年前关亭盆地发生了地震和强降雨、突发洪水和泥石流，共同摧毁了拉贾遗址的齐家文化聚落（Huang等人，2013年、2017年、2019年；Z等人，2019b；Yin等人，2013年；Dong等人，2018年；Zhang，2020年；Wang等人，2020年）。

争论的核心在于覆盖拉贾遗址并填充黄河河道上方地震裂缝的黑色沙子和红色粘土沉积物的性质、来源和形成机制。例如，覆盖拉贾遗址的黑色沙层被认为是将“大洪水”与摧毁拉贾遗址的古代地震联系起来的关键证据（Wu等人，2016年）。然而，这些黑色沙子主要由当地的片岩碎屑组成，黄河的突发洪水和当地的沟谷突发洪水都可能将片岩从附近的山坡搬运过来（Li等人，2020a、2020b）。另一项研究比较了黑色沙子的铀同位素特征与潜在来源区的特征，发现其²³⁴U/²³⁸U比值与黄河沉积物非常相似，但与支流沟谷物质有显著差异，这支持了突发洪水的起源（Li等人，2024年；Li等人，2020a、2020b）。相反，Zhang（2020年）认为第四纪风成黄土和第三纪红色粘土是黄河中的主要悬浮颗粒，也是沟谷沉积物中细颗粒的主要来源。因此，澄清这些不同沉积物之间的关系仍然是一个关键未解决的问题。然而，以往研究中使用的传统沉积学和地球化学方法难以准确识别拉贾遗址各种沉积物的来源。

重矿物的组成和锆石类型学研究有助于区分这些沉积物的来源。重矿物是比重大于约2.86克/立方厘米的陆源碎屑矿物（Mange和Maurer，2002年）。这些矿物通常具有较高的机械稳定性和化学稳定性，能够保留关于来源区的母岩的宝贵信息（Morton和Andrew，1985年；Morton和Hallsworth，1994年；Nie等人，2013年；Peng等人，2016年）。此外，由于不稳定重矿物的抗风化能力较差，随着搬运距离的增加，不稳定矿物的含量逐渐减少，而稳定重矿物的相对含量逐渐增加（Song等人，2002年；Wang等人，2007年；Xu等人，2009年）。因此，重矿物组合是进行来源分析的重要手段（Morton和Andrew，1985年；Morton和Hallsworth，1994年）。同样，锆石是自然界中最稳定的重矿物之一，其在各种地表地质过程中的性质难以被破坏或改变（Thürach，1884年；Pupin，1980年；Vavra，1994年；Wang，1998年；Chen和Li，2011年）。随着搬运距离的增加和沉积过程中的动态变化，锆石颗粒的形状会变得圆润，通过定量描述颗粒的长度和宽度可以追踪沉积物的来源区（例如Jiao，1988年；Mahaney，2002年；Costa等人，2013年）。锆石常被用作追踪研究的典型矿物。基于锆石的类型学研究和来源分析已在北部沙漠、黄土、红色粘土沉积物和南部红壤中得到广泛应用，并取得了许多有价值的结果（例如Liu，1985年；He等人，1997年；Nie等人，2013年；Nie和Peng，2014年；Peng等人，2016年、2018年；Zhang等人，2020年）。

在这项工作中，我们分析了关亭盆地主要分布的不同沉积类型的重矿物组合和锆石类型学特征，并将其与2023年12月积石山地震引发的滑坡-泥石流灾害进行了比较研究，后者为研究拉贾遗址提供了重要的参考。我们的目标是确定填充齐家文化史前拉贾遗址的沙质和粘土沉积物的来源。我们的研究为准确判断拉贾遗址破坏的真正原因提供了直接证据和新的视角。

研究区域

研究区域

关亭盆地（北纬35°49′–35°54′，东经102°36′–102°56′）位于积石峡东部，是一个位于青藏高原和黄土高原交界处的山间盆地（面积约53平方公里）（图1a-c，Yang等人，2003年；Huang等人，2013年）。关亭盆地的海拔在1750米至1850米之间，年平均气温为8–9摄氏度，年平均降水量和蒸发量分别为250–300毫米和2000–2100毫米。

四种沉积物的重矿物组合

矿物学分析结果显示，覆盖拉贾遗址西部和西南部的突发洪水（即“黑色沙子”）沉积物中的主要重矿物是不稳定的角闪石，占比为51.84–79%，平均含量为69.58%。稳定矿物（如锆石、金红石、电气石和独居石）的含量相对较低，平均含量不到0.6%（图4）。赤铁矿和磁铁矿的总含量超过12%。

覆盖拉贾遗址的突发洪水和红色泥石流沉积物的来源

作为摧毁拉贾遗址的史前灾难的产物，拉贾遗址的覆盖层（突发洪水沉积物和红色泥石流沉积物）是揭示这场史前灾难直接原因的关键。因此，它引起了广泛的研究兴趣并引发了激烈的学术争论（例如Xia等人、Yang等人、2003年、2004年、2005年；Huang等人、2013年、2017年、2019年；Wu等人，2016年）。

结论

重矿物和锆石类型学分析表明，覆盖拉贾遗址的沉积物是来自北部高地的突发洪水和泥石流沉积物，而非黄河。具体来说，拉贾遗址西部和西南部的沉积物是由吕家沟源头拉吉山东坡的古老变质岩以及第三纪红色层山脉和沟谷地区的沙子和粘土物质混合而成的；而红色泥石流沉积物则主要来源于...

作者贡献声明

赵辉：撰写——初稿，数据管理。黄春长：撰写——审稿与编辑，监督，概念构思。王海燕：撰写——初稿，方法论，数据管理。张玉珠：撰写——审稿与编辑，调查。庞江丽：撰写——审稿与编辑，调查。尚瑞青：撰写——审稿与编辑，监督。强晓科：监督，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢郭永强、栾玉达、郑子星、荣晓青、陈英璐在野外和实验室工作中的帮助。本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：41771110和42007403）的资助。