大型河流系统中的源-汇沉积物输送过程及其地貌控制因素

利姆波河中游陡坡段是现代近海沉积物的首要碎屑物源，通过Sr-Nd-Hf同位素、重矿物组合和锆石U-Pb年代学多代理 provenance方法，结合与赞比西河、密西西比河等河流对比分析，揭示了河流纵剖面形态（阶梯状/凹凸状）对沉积物输运路径的控作用，为南部非洲景观演化和气候变迁研究提供新依据。

　　

杨静|聂俊生|胡晓飞|张浩波|陈万峰|罗增|王汉生|陈泰安|林达尼·恩库贝|赵宝金

湖南文理学院地理与旅游学院，常德，415000，中国

摘要

边缘海沉积物是重建陆地景观演化和环境变化的宝贵档案。然而，大型河流系统中的沉积物输送是一个复杂的过程，涉及沉积、储存、重新悬浮以及来自新沉积源的输入，这导致上游和河口沉积物在矿物学、地球化学和地质年代学特征上存在差异。因此，了解现代河流沉积物从源头到沉积地的路径对于准确解释边缘海沉积物中保存的陆地信息至关重要。在这项研究中，我们使用多种示踪方法（包括Sr–Nd–Hf同位素、重矿物组合和碎屑锆石U–Pb地质年代学）来研究现代林波波河沉积物及其河口附近的边缘海沉积物，以追踪从源头到沉积地的物质变化过程。结果表明，林波波河中游的陡峭河段是现代边缘海沉积物的主要来源。通过与赞比西河及其他主要河流（如密西西比河和湄公河）的比较分析，我们发现了两种与河流纵向剖面形态相关的沉积物输送模式：在具有阶梯状剖面的河流中，河口沉积物主要来源于最靠近河口的陡峭河段；而在具有凹形纵向剖面的河流中，沉积物则倾向于直接从上游输送。这些发现强调了纵向剖面形态在控制沉积物输送中的作用，从而为理解源-沉积地关系提供了新的见解，并有助于解释南部非洲的景观演化和区域气候变化。

引言

边缘海沉积物是记录陆地景观和环境系统演变的宝贵档案（Clift, 2006; Liu et al., 2016），并被广泛用于重建古气候和古地理（Galy et al., 2007; Willenbring and von Blanckenburg, 2010; Clift et al., 2014; Clift and Curtis, 2024）。然而，大型河流中的沉积物从源头输送到边缘海的过程通常包括多个阶段，包括沉积、储存、重新悬浮以及来自新沉积源的输入（Weltje and von Eynatten, 2004）。因此，输送到边缘海的沉积物可能与原始来源地区的沉积物在成分上存在显著差异（Castelltort and Van Den Driessche, 2003; Cawood et al., 2003; Jerolmack and Paola, 2010; Romans et al., 2016; Tofelde et al., 2021）。先前的研究表明，大型河流可以表现出两种对比鲜明的沉积物输送模式。对于中国的黄河和长江以及南部非洲的赞比西河等河流，来源研究表明，上游沉积物通常储存在大陆盆地内，而不是直接输送到边缘海；而下游沉积物主要来源于下伏基底和相邻山脉的支流（He et al., 2014; Nie et al., 2015; Yang et al., 2023）。相比之下，对密西西比河和湄公河的研究表明，上游地区的沉积物可以直接输送到它们的边缘海（Clift et al., 2006; Craddock and Kylander-Clark, 2013; Mason et al., 2017; Gregory et al., 2022）。这些对比鲜明的输送模式背后的机制尚不清楚，需要进一步研究。影响现代河流沉积物从源头到沉积地空间变化的关键因素包括流域面积、河流长度以及地貌特征（如纵向剖面形态），此外还有沉积盆地的存在（Paola et al., 1992; Milliman and Syvitski, 1992; Swiechowicz, 2002; Nie et al., 2015; Walley et al., 2020; Walley and Henshaw, 2022; Yang et al., 2023）。

南部非洲的林波波河将陆地沉积物输送到西南印度洋，其纵向剖面呈阶梯状，类似于黄河、长江和赞比西河，但它的流域面积较小，长度较短，中上游缺乏显著的沉积盆地（图1；Baby et al., 2018; Ponte et al., 2019）。这些特征使林波波河成为研究沉积物成分从源头到沉积地变化的理想对象，从而加深了我们对大型河流沉积物输送模式的理解，并为解释南部非洲的景观演化和阿古拉斯洋流的发展提供了见解（Hall et al., 2017; Gruetzner et al., 2019; Baby et al., 2020; Simon et al., 2020; Taylor et al., 2021; Yang et al., 2021）。

在这项研究中，我们采用综合的多示踪方法研究了现代林波波河沉积物及其河口附近的边缘海沉积物，将新获得的Sr–Nd–Hf同位素数据与已发表的重矿物和碎屑锆石U–Pb数据集相结合。通过与邻近的赞比西河以及其他大型河流（如黄河、长江、湄公河和密西西比河）的全球数据集进行区域比较，本研究旨在阐明河流系统中沉积物成分从源头到沉积地的变化过程及其控制因素，从而为南部非洲及更广泛地区的沉积物输送、景观演化和环境变化提供新的见解。

地质和地貌背景

林波波河发源于南非的高地，海拔超过1000米，向东流经南非、博茨瓦纳、津巴布韦和莫桑比克南部，最终注入西南印度洋（Bond, 1979）。这条河流长约1750公里，流域面积约为415,000平方公里（Milliman and Farnsworth, 2011）。该流域的年降水量存在显著的空间差异，通常向内陆方向逐渐减少

材料与方法

在这项研究中，我们分析了从林波波河流域收集的14个现代河流样本的块状沉积物中的Sr–Nd–Hf同位素比值，以及IODP第361次考察U1478站点最上游部分的一个海洋沉积物样本（图3a、b和表1）。所有河流样本均为未固结的沙坝沉积物，以砂为主。颗粒大小从细砂到粗砂不等，几乎没有粉砂或粘土；砂粒的分选程度中等。

结果

表1展示了林波波河流域现代河流沉积物的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值、ε_Nd(0)和ε_Hf(0)值。样本#Matlabas的Hf同位素值低于检测限，因此无法确定其¹⁷⁶Hf/¹⁷⁷Hf比值。在整个流域范围内，主流沉积物与支流沉积物的Sr–Nd–Hf同位素组成存在明显差异（图3b）：⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值范围为0.707至0.814，ε_Nd(0)值范围为?28.74至?11.01，ε_Hf(0)值

林波波河从源头到沉积地的沉积物成分变化

对现代沉积物的Sr–Nd–Hf同位素分析显示，从源头到沉积地，林波波河的沉积物成分发生了显著变化（图3b）。在上游样本中，#Limpopo 15和#Limpopo 9表现出最大的同位素变化，其他主流沉积物也显示出明显的差异。样本#Limpopo 2与最上游的主流样本#Crocodile非常相似，表明来自Crocodile河段上游的沉积物输入对同位素组成有显著影响

结论

本研究结合了Sr–Nd–Hf同位素、重矿物组合和碎屑锆石U–Pb地质年代学来确定现代林波波河沉积物及其河口附近边缘海沉积物的来源。所有示踪指标一致表明，河流中游的陡峭河段是主要沉积物来源。与赞比西河及其他全球大型河流的比较分析揭示了一种由纵向剖面形态控制的沉积物输送模式

CRediT作者贡献声明

杨静：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，数据可视化，研究设计，资金筹集，正式分析，数据管理，概念构思。聂俊生：撰写 – 审稿与编辑，验证，项目监督，资源调配，方法学设计，资金筹集，正式分析，概念构思。胡晓飞：撰写 – 审稿与编辑，资源调配，研究设计，资金筹集。张浩波：研究设计，正式分析。陈万峰：数据可视化

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

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42401004、42372242、42302213、41761144063）、湖南省自然科学基金（项目编号2026JJ70005）、湖南省科技创新计划（项目编号2025RC3209）以及地理学科基金（[2022]351）的支持。