早三叠世高温期古热带地区的河流演化模型：以中国北方水峪关地区为例

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Fluvial evolution model for the paleotropics in the early Triassic hyperthermal period: An example from the Shuiyuguan area in North China

该研究基于年峰值流量变异性系数（CVQ?）建立新河流相模型，分析山西柳家沟早三叠世沉积序列。通过岩性组合、沉积构造及古流向测量，揭示CVQ?从低到高对应沉积结构从叠层石向急流交错层理转变，并伴随地貌架构破坏和沉积物变异性增加。发现早三叠世河流沉积呈现低→中→高CVQ?演变，与气候从半干旱向干旱转变及植被稀疏导致的暴雨洪流增强密切相关。该模型为古气候与河流沉积关系研究提供新工具。

　　

作者列表：史雅楠、邵龙毅、克里斯托弗·R·菲尔丁、连浩杰、李雅楠、周凯、穆光远、卢静

中国矿业大学（北京）地质科学与测绘工程学院，精细勘探与煤炭资源智能开发国家重点实验室，北京100083

摘要

研究表明，冲积物的岩相和保存的沉积结构与河流流量模式的变化相关，并反映了沉积时期的古气候条件。年峰值流量方差系数（CVQ_p = 年峰值洪水流量的标准差与年均峰值洪水流量的比值）被用作一套新的河流相模型的基础，这套模型不依赖于河流的平面形态。CVQ?较低的河流沉积物主要由沙丘规模的交错层理组成，宏观结构保存完好，横向和纵向的岩石变化较小；而CVQ?值较高的河流沉积物则表现出更多的超临界流动结构，宏观结构保存较差，岩石变化较大，并且有更多高幅度/低频率流动事件的迹象，这些流动通常具有高浓度。本文研究了山西省水峪关段刘家沟组的岩相和沉积结构，并探讨了这些岩相所代表的河流类型。古水流测量表明，刘家沟组的河道始终从西北向东南方向流动。从垂直角度来看，该组下部以交错层理为主，表明是CVQ?中等的河流沉积物；中部以交错层理和平缓/低角度层理为特征，反映了CVQ?从中等到较高的河流沉积；上部几乎完全由高流量结构组成，表明是CVQ?较高的河流沉积物。这种模式表明，早三叠世的气候逐渐变得干燥，季节性洪水更加频繁。河流沉积物中CVQ?从中等到较高的演变与二叠纪-三叠纪过渡期从半干旱气候向季节性干旱气候的转变相吻合。这一演化模型揭示了古气候对河流序列的重要控制作用，并利用最近发表的模型来洞察某些河流沉积物及其形成的古气候控制因素。

引言

河流对生态系统和人类社会至关重要，提供水资源并支持生物多样性。然而，河流也可能引发灾害，例如2023年夏季华北地区北京-天津-河北地区因暴雨引发的洪水（https://www.gov.cn/lianbo/bumen/202307/content_6895300.htm），以及2025年夏季美国德克萨斯州瓜达卢佩河的毁灭性洪水（https://www.weather.gov/safety/flood-states-tx）。研究河流沉积的模式及其控制因素有助于预测洪水灾害、评估侵蚀和沉积过程，并预防灾难。

地貌学家和沉积学家传统的河流分类方案根据河流的平面形态将其分为四种类型：弯曲河、直河、辫状河和分叉河（Miall, 1977; Reading, 1978; Walker, 1979; Smith, 1983）。过去几十年中，这种基于河流平面形态的分类及其沉积物的分类被广泛使用，并积累了大量关于河流通道（Bridge, 1985, 1993b; Bristow, 1996）、河流沉积物（Bridge, 1993a, 2003; Collinson, 1996; Ethridge, 2011）以及河流相模型开发（Lunt et al., 2004; Bridge, 2006; Miall, 2010）的研究成果。然而，越来越多的研究表明，基于平面形态的河流相模型在预测河流沉积物的外部形态和内部结构方面效果有限，也无法有效评估水动力条件和河流序列的控制机制（Allen, 1983; Bridge, 1993a, 1993b; Miall, 1996; Brierley, 1996; Ethridge, 2011; Zhang et al., 2017; Fielding et al., 2009, 2018, 2025）。事实证明，这些相模型中未考虑的因素对河流沉积物的形成具有很强的控制作用。这一点很重要，因为相模型用于预测古代冲积沉积体的特征，包括那些含有地下自然资源的沉积体。Fielding等人（2018, 2025）发现冲积沉积物的特征与年峰值流量方差系数（CVQ_p）之间存在强相关性。根据CVQ_p，河流可以分为五类：低CVQ_p（<0.5）、中等CVQ_p（0.5–0.8）、高CVQ_p（0.8–1.5）、非常高CVQ_p（1.5–2.0）和超高CVQ_p（>2.0）（Fielding et al., 2025）。这五类河流在介观和宏观尺度上保留了不同的沉积特征。

在现代河流中，流动状态可以用弗劳德数（Fr）来表示。弗劳德数Fr??1的临界和超临界流动下的流动动力学和沉积结构的理解相对较少（Kennedy, 1963; Alexander et al., 2001, Alexander et al., 2020; Fielding, 2006; Cartigny et al., 2014; Tan et al., 2018; Fielding et al., 2018, 2025）。实际上，临界和超临界流动沉积物在现代河流和古代河流沉积物中普遍存在，尤其是在那些流量变化迅速的河流（所谓的“暴涨性”河流及其沉积物）中。

气候变化也影响河流的发展，河流流量的变化与降水模式和干旱的形成密切相关（Alexander et al., 1999; Fielding et al., 2009, 2011, 2018; Manna et al., 2021）。早三叠世是地球已知的最炎热的时期之一（Sun et al., 2012）。研究表明，这一时期的赤道海表温度达到了40?°C（Sun et al., 2012），比现代赤道海表温度高约12–14?°C，而全球平均海表温度约为25–30?°C。二叠纪-三叠纪边界（PTB）的大规模灭绝事件之后，陆地生态系统受到严重破坏（Algeo and Twitchett, 2010; Lu et al., 2022; Zhang et al., 2023）。在陆地生态系统中，植被无法在高温和干旱条件下生存，导致植被覆盖率显著下降（Retallack, 1995; Feng et al., 2020; Xu et al., 2025）。许多学者表明，PTB期间全球不同气候区域的陆地植物群落经历了快速灭绝/消失和植物多样性的灾难性下降（Fielding et al., 2019; Chu et al., 2020; Feng et al., 2020; Gastaldo et al., 2020; Mays et al., 2021; Shao et al., 2023）。先前的研究发现，根系植被对河岸有稳定作用（Davies and Gibling, 2010）。早三叠世期间降雨量大时，河流流动的“暴涨性”可能增加，导致侵蚀速率加快，形成高浓度水流，并在缺乏植被覆盖的情况下加速冲积物的沉积（Wu et al., 2021）。

华北地块保存了一系列互层的红色砂岩和泥岩，记录了早三叠世的古气候和古水动力信息（Liu, 1982; Qu, 1982）。通过锆石UPb测年法和古生物学数据的结合，刘家沟组被确定为早三叠世早期，为确定华北地块的PTB提供了可靠的时间证据（Zhang et al., 2023; Lu et al., 2022）。现有研究主要关注华北地块下三叠统刘家沟组的沉积相划分和沉积环境识别（Zhu et al., 2019; Ji et al., 2023），但关于径流季节性和极端高温对河流序列叠加模式的影响的研究尚不足。在这一领域的发展研究可以为全球极端温室气候的演化提供关键的陆地证据。此外，研究保存的河道类型不仅可以准确重建古水动力环境，还可以指示早三叠世华北地块的气候演化趋势。

本文将研究山西省水峪关段刘家沟组的岩相和沉积结构，并探讨该组中发育良好的砂岩体所代表的河流类型。这些结果为理解超热气候如何影响冲积结构提供了古代案例。

地质背景

华北地块的北部、南部和东部分别由内蒙古隆起、秦岭造山带和潭城-泸江（Tan-Lu）断层带界定（Wang et al., 2007; Shao et al., 2014, Shao et al., 2018）（图1A和B）。从构造上看，华北地块经历了太古代克拉通的形成、中新生代板块构造活动、新元古代-晚古生代板块边缘构造响应和盆地演化等过程。

方法

对水峪关保存的高分辨率垂直地层记录进行了研究（图2）。岩相是根据岩石类型、沉积结构、沉积体的横截面几何形态和古水流方向来定义的。岩相组合是根据共存的岩相和相关沉积特征来确定的。

岩相类型和构造元素的分类主要基于河流相分类的方法。

岩相

通过对露头剖面的详细调查和描述，结合薄片的岩相学检查，在水峪关段早三叠统刘家沟组中识别出四种岩石类型，即砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩。这种分类遵循中国国家标准GB/T 17412.2–1998，其中本研究中的“粉砂岩”指的是含有50%或更多硅质碎屑颗粒的沉积岩。

基于CVQ_p的河流分类方法

我们研究的一个基本前提是，它使我们能够将刘家沟组中识别出的沉积结构（如反沙丘交错层理和平缓层理）与特定的流动状态联系起来，包括超临界和临界流动。这种关联进一步支持了使用年峰值流量方差系数进行河流类型分类的方法（Fielding et al., 2018, 2025），并有助于解释古气候的影响。

结论

• 在水峪关段早三叠统刘家沟组中发现了四种岩石类型：砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩。共识别出八种岩相，这些岩相进一步分为四种河流系统中的相组合，包括河道相、洪泛盆地相、堤岸相和裂隙相。
• 根据CVQ_p，刘家沟组的河流沉积物被分为三种类型，即CVQ_p较低的河流特征为...

CRediT作者贡献声明

史雅楠：撰写初稿、进行调查、数据整理。邵龙毅：撰写、审稿与编辑、争取资金。克里斯托弗·R·菲尔丁：撰写、审稿与编辑、资源获取、方法论。连浩杰：方法论、调查。李雅楠：调查、数据整理。周凯：方法论、数据分析。穆光远：调查。卢静：撰写、审稿与编辑。

未引用参考文献

Cant and Walker, 1978

中华人民共和国地质矿产部, 1998

钱等人, 2010

Simons and Richardson, 1961

张等人, 2004

利益冲突声明

作者声明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：42530208）和国家自然科学基金创新研究群体科学基金（项目编号：42321002）的支持。