雅鲁藏布江沉积物来源的定量分析：稀土元素提供的证据

《CATENA》：Quantitative analyses of the Yarlung Zangbo River sediment contributions: Evidence from rare-earth elements

雅鲁藏布江流域沉积物来源定量研究揭示上游贡献占比达85%-87.7%，稀土元素特征显示风-水耦合作用显著影响沉积过程。

　　

张振宇|韩兰英|张正才|张凌光|潘凯佳|董志宝

陕西师范大学地理与旅游学院，中国西安710119

摘要

河流系统的沉积物来源长期以来一直存在争议，核心问题在于局部河流侵蚀与上游输送过程的相对贡献。本研究聚焦于雅鲁藏布江，这条位于青藏高原的重要河流对区域地球化学循环和沉积物输送-沉积动态有着显著影响，旨在建立一个定量框架来区分沉积物的来源及其贡献。研究收集了122个河漫滩沉积物样本、16个沙质沉积物样本和16个泥质沉积物样本（覆盖了四个主流段和四个支流）。通过地球化学方法分析稀土元素（REEs），结合Kruskal–Wallis H检验、判别函数分析和沉积物混合模型进行了全面研究。研究结果表明，雅鲁藏布江-布拉马普特拉河流域内稀土元素的浓度和分馏模式存在显著的空间异质性，尤其是中国段与印度布拉马普特拉河口之间的分馏差异尤为明显。一个重要发现是，从源头到河口，δEu（Eu/Eu^?）值系统性降低，这为沉积物来源的追踪提供了可靠的指标。从沉积物类型的角度来看（不考虑空间分布），三种类型的沉积物（泥质、沙质和河漫滩沉积物）在稀土元素地球化学特征上表现出相对一致性（P > 0.05），这得益于风成-河流相互作用下的充分物质混合。定量分析结果显示，上游地区贡献了85–87.7%的沉积物。本研究为雅鲁藏布江流域的沉积物来源追踪和沉积过程研究提供了精确的定量支持，同时也加深了人们对风成-河流相互作用背景下沉积物特征和物质迁移机制的理解。

引言

沉积物输送是地球表面一个基本且动态的地貌过程（Dong et al., 2018），也是塑造地貌和调节风化大陆物质迁移的主要机制（Nagle et al., 2004; Du et al., 2018; Liang et al., 2025）。在河流的源-汇系统中，关于沉积物来源的争论长期以来集中在局部河流侵蚀与上游输送过程的相对贡献上（Zhang et al., 1996, Zhang et al., 2023; Zhao et al., 2025）。这一过程主要受水力能量（水流）和沉积物供应的相互作用控制。从全球范围来看，许多学者研究了不同河流的沉积物来源，例如南美洲的亚马逊河（Stalder et al., 2025）和马拉尼翁河（Jackson et al., 2025）、欧洲的塞纳河（Janine Meinsen, 2012）、非洲的刚果河（Schefu? et al., 2016）以及中国的珠江（Wu et al., 2023）（图1）。影响这些河流沉积物输送的主要因素是单一的河流过程，其中沉积物的分选和输送效率直接受水文条件控制，而非风成物质输入（Schefu? et al., 2016; Jackson et al., 2025）。

然而，也有许多河流的沉积物来源受到风成-河流相互作用的影响。图1直观地展示了这两种河流类型的全球分布：主要由河流过程控制的河流多分布在湿润地区，而受风成-河流相互作用影响的河流则集中在干旱/半干旱地区。例如北美的科罗拉多河（Sankey & Draut, 2014）和密西西比河（Muhs et al., 2018）；南美的科罗拉多河（阿根廷）（Martínez et al., 2011）和索斯格兰德河（Manoccio et al., 2024）；北非的尼罗河（Woodward et al., 2015）；东亚的长江（Zheng, 2015）和黄河（Hu et al., 2025）；以及澳大利亚的库珀溪（Nanson et al., 2007）。这些河流受到风成-河流相互作用的显著影响。风成和河流过程以水力输送为主要模式，构成了决定沉积物输送模式和驱动源-汇系统中物质循环的基本动态机制（Dong et al., 2018; Liang et al., 2025）。在干旱和半干旱地区，风成和河流过程在空间和时间上相互耦合，共同塑造了沉积过程。风将沙子从周围地区输送到河道中，然后在河道中经过分选和混合，形成既具有风成来源特征又带有河流改造痕迹的沉积物（Shi et al., 2022）。其核心机制是“风驱动的来源和河流输送”的协同作用（Dong et al., 2017; Zhang et al., 2025）。

自20世纪90年代以来，学者们开始在沉积物来源研究中应用指纹技术，运用源-汇理论（Walling and Woodward, 1995; Walling and Owens, 1999; Collins et al., 1997）。从源头和汇点区域收集样本，并通过分析、鉴定、量化和统计测试获得验证的复合指纹追踪器（Collins et al., 1997; Walling et al., 1999）。后来，人们利用了元素的物理化学性质（Caitcheon, 1998）、磁行为（Wilkinson et al., 2013）、同位素组成（Walling et al., 1999; Amundson et al., 2003; Singh et al., 2008）、稀土元素（REEs）追踪器（Liu et al., 2016）和放射性（Kumar et al., 2018）等属性进行追踪。然而，随着沉积物来源数量的增加，在多个来源中区分单一指纹变得愈发困难（Nagle and Ritchie, 2004; Nagle et al., 2007; Zhang and Liu, 2016; Zhang et al., 2016）。因此，复合指纹识别成为量化沉积物来源贡献的有效策略。例如，Collins et al.（1997）提出的混合模型可以建立潜在来源区域与河流之间的关系。通过逐步判别分析（Chang et al., 2000），将复合指纹因子转化为线性方程，以确定来源区域的贡献。

在沉积物来源研究中，特别是涉及稀土元素（REEs）的地球化学元素方法已被广泛应用（Wu et al., 2012; Li et al., 2009; Zhang et al., 2020）。稀土元素（La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu）是特殊的微量元素（Chen et al., 2022），常用于理解地质过程。在地质环境中，它们主要分布在碎屑矿物晶格中或在输送过程中被粘土矿物吸附（Zhang et al., 2022）。稀土元素在沉积物风化、输送和沉积过程中保持稳定（Yang et al., 2007），有效地反映了并保存了来源区域信息，使其成为可靠的来源追踪器（Chang et al., 2000; Ferrat et al., 2011）。

雅鲁藏布江位于青藏高原，被誉为“世界的第三极”。它在“风成-河流相互作用”的全球研究中占据独特地位（图1；Lu et al., 2010; Yang et al., 2025）。雅鲁藏布江流经喜马拉雅地块和拉萨地块之间的缝合带，受到南亚季风和西风带双重气候系统的强烈影响（Mulch and Chamberlain, 2006; Bird et al., 2014; Liang et al., 2022）。风成尘埃输入和河流侵蚀-输送的耦合过程非常复杂，使其成为沉积物来源争议中的关键话题。一些研究基于主要和微量元素的分析表明，沉积物主要来源于当地河漫滩和沙洲的河流侵蚀（Du et al., 2018; Zhang et al., 2023）。相反，其他研究则认为上游区域是下游沉积物的主要来源，这一结论基于风成沉积物的空间相关性（Zheng et al., 2009; Zhao et al., 2025）。目前关于雅鲁藏布江来源的研究主要集中在主要/微量元素上，对稀土元素的研究较少（Li et al., 2009）。尽管已经对沉积物的性质和分布进行了研究，但迫切需要进一步系统地探索这些特征的空间变化（Wei et al., 2021）。以往的研究主要集中在识别构造块尺度上的宏观来源区域（Li et al., 2009; Yang et al., 2022; Du et al., 2024），实现了对主要地质单元来源的定性或半定量区分。例如，Liang et al.（2022）发现大约83%的沉积物来自拉萨地块，约12%来自喜马拉雅地块。然而，这些研究缺乏对流域内子区域（如主干段和支流）来源贡献的定量研究。

因此，本研究明确了影响雅鲁藏布江流域的关键来源区域，确定了最佳的复合指纹因子以建立连接来源和汇点的模型。此外，使用多种复合指纹识别技术估计了河流不同段潜在来源区域的相对贡献，并量化了沉积物贡献率。本研究旨在为雅鲁藏布江流域的来源追踪和沉积过程研究提供关键的科学支持。同时，通过分析物质迁移过程，本研究还旨在阐明沉积物稀土元素的地球化学特征与风成-河流相互作用之间的耦合机制，进一步深化对风成-河流相互作用河流系统中沉积物源-汇动态的理论理解。

研究区域

研究区域

雅鲁藏布江流域位于青藏高原南部（图2a），毗邻喜马拉雅山脉和念青唐古拉山脉。其地理范围为北纬28°00′–31°16′，东经82°00′–97°07′，东西跨度超过1000公里，南北跨度约400公里。总流域面积约为6.22 × 10⁵平方公里，其中约3.3 × 10⁵平方公里位于中国境内。大部分河床海拔超过3000米。

采样策略

为了系统研究雅鲁藏布江流域内稀土元素的空间分布模式和沉积物贡献率，本研究实施了全面的河漫滩沉积物采样策略。研究区域最初通过使用Google Earth卫星图像（https://earth.google.com/web/）进行划定，从而确定了具有代表性的河漫滩区域并制定了采样计划。

随后进行了野外采样。

主流河段的稀土元素特征

在四个主流河段中，主流沉积物中的总稀土元素含量范围为50.54至584.50 μg?g^?1，平均值为243.21 ± 70.64 μg?g^?1（表S1）。这一平均值高于UCC（146 μg?g^?1）、后太古代澳大利亚页岩（183 μg?g^?1）以及整个地壳的平均值（即整个地壳层的整体地球化学背景，178 μg?g^?1）（Boynton, 1984）。中坝河段的稀土元素总量最高。

稀土元素的空间差异

方差分析（ANOVA）结果显示，六个稀土元素指数（包括（La/Yb）_N、（Gd/Yb）_N、（La/Lu）_N、（La/Gd）_N、La/Er以及轻稀土元素/重稀土元素（LREEs/HREEs）存在显著的空间差异（p < 0.05；图7）。在中国所有主流河段之间，这些指数没有显著差异（P > 0.05），这与图4p中的结论一致。然而，仅在河口与其他区域之间发现了统计学上的显著差异。这些比率有效地反映了相对

结论

雅鲁藏布江是一条源自青藏高原的世界级河流。基于野外样本的收集，系统分析了雅鲁藏布江稀土元素（REEs）的空间分布特征。通过整合KW-H + DFA和多元混合模型，定量揭示了不同河段的沉积物贡献率。主要结论如下：雅鲁藏布江沉积物中的稀土元素

CRediT作者贡献声明

张振宇：撰写——初稿，可视化。 韩兰英：软件支持。 张正才：研究方法指导。 张凌光：可视化处理。 潘凯佳：资源协调。 董志宝：概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

我们感谢中央高校基本科研业务费（GK202502004, GK202301003, GK1301032624）、科技基础资源调查计划（2022FY202304）、陕西省自然科学基础研究计划（2023-JC-QN-0301）以及中国科学院跨学科创新团队（2021）提供的财政支持。同时，我们也感谢期刊匿名审稿人对我们手稿的改进工作所做出的努力。