魏振宇，吴鹏，谢远云

一、 研究意义

水系演化是地球表面动力系统的重要组成部分，是构造—地貌—气候变化相互作用的结果。水系重建对于理解全球变化和区域响应至关重要，已经成为地球系统科学领域的重要课题。迄今，东亚大河水系的演化（如，长江、黄河）已经得到广泛关注并取得了许多进展。然而，源头远离青藏高原的其他河流系统的演化却关注较少。

松花江是中国七大水系之一，为东北地区最重要的一条河流，其水系演化与其区域构造和地貌格局的演化密切相关，同时其处于东亚季风的影响下，因此研究松花江水系演化对于理解该区域的构造-地貌-季风演化具有重要意义。然而，松花江水系演化研究极为薄弱，零星的研究可追溯到二十世纪 50-60 年代，2000年以后的文献较为稀少。对于松花江中-上游河段是否存在西流模式及其驱动机制等关键科学问题上仍存在较大争议。

虽然不同学者之间观点不同，但均认为松花江古水系曾发生过重大变迁，但尚缺乏确切的证据（特别是地质地貌与物源示踪指标相结合的证据）和年代限制。因此，我们试图利用松嫩平原东部沉积岩芯的地球化学和重矿物特征，结合沉积学和地貌学证据，重建松花江中-上游河段在早更新世时期的演化历史。重点解决以下科学问题：（1）古松花江在第四纪是否存在过西流模式；（2）这种反向过程是何时发生的，以及控制其流向反转的驱动机制。

二、松花江流域背景与研究方法

松花江是中国第七大河流，全长2309 km，总流域面积约56.12 × 104 km2，年平均径流量360 × 108 m3，流经东北的黑龙江省和吉林省，最终汇入黑龙江（图1）。松花江有嫩江和第二松花江两个源头，嫩江（北源头，一般作为松花江的支流，发源于大兴安岭）和第二松花江（南源头，水文上作为松花江干流的源头，发源于长白山天池）。传统上松花江以哈尔滨和佳木斯为界，分为上游、中游和下游（图1）。为更明确表达水系变迁历史，本研究引入古松花江和古三江河两个术语，分别代表中更新世之前松花江的中-上游和下游河段。

佳木斯-依兰（佳-依）分水岭位于小兴安岭和张广才岭的交汇处，地貌上将松嫩平原与三江平原分隔开，同时扮演着松嫩水系与三江水系之间分水岭的角色。历史上对于佳-依分水岭被切穿的时间尚无明确定论。

课题组在哈尔滨市团结镇天恒山（又称荒山）第四纪河湖-风尘沉积剖面顶部，采用双管单动内衬塑料套管取芯技术进行岩芯钻取，该岩芯已打穿整个第四系地层直至白垩系基岩，钻井深度101.11 m，最终获得岩芯长度93.3 m，取芯率在92%以上。

我们对岩芯沉积物进行了磁化率、粒度、地球化学（常量、微量、稀土元素和Sr-Nd同位素）以及重矿物实验样品采集。岩芯定向取样的古地磁样品及在研究剖面上获取的OSL和ESR样品用于建立沉积岩芯的年代框架（图2，3）。

此外，为了确定岩芯沉积物的物源，在松花江主要支流和干流共采集52个现代河流沉积物样品（位置见图1B）。首先对采集的全样样品进行磁化率测量，然后使用干筛法分离出<63 μm 和63–125 μm两个粒级，分别用于地球化学和重矿物分析。

图1 中国东北地区概况（Xie, et al., 2020）

(A)中国东北地区位置，(B)中国东北平原的数字高程模型，以及中国东北地区水系分布。在(B)中，干流和支流沿岸的红五角星是本研究的采样点；黄色虚线箭头表示早更新世晚期以前松花江的古流向；黄点椭圆区是早-中更新世的松嫩古湖；红色填充矩形为通河T3河流阶地；通河和依兰之间的区域，由一条蓝色的闭合线界定，是三级阶地分布区。图中河流简称如下：HLR=黑龙江; NR-嫩江; SHR=松花江; SSHR=第二松花江; LLR=拉林河; CLR = 岔林河; MYR = 蚂蜒河; BLH = 巴兰河; MDR = 牡丹江; WLR = 西辽河; ELR = 东辽河; LR = 辽河; DBKER = 多布库尔河; GR= 甘河; NMR = 诺敏河; ALR = 阿伦河; YLR= 雅鲁河.

三、岩芯沉积物的物源变化

鉴于水动力分选和化学风化对荒山岩芯沉积物的影响很小，因此岩芯沉积物中的各类代用指标，如，磁化率、地球化学和重矿物可以作为物源示踪的有效指标（Xie et al., 2020）。

在岩芯62.3 m和57.1 m处沉积物的磁化率和地球化学组成分别呈现出明显不同的变化。例如，在62.3米深度处，磁化率值从非常低且相对稳定变化为非常高且波动剧烈（图2），对应的重矿物含量和铁磁性矿物含量也从非常低转变为非常高的剧烈变化（Xie et al., 2020; 王嘉新等, 2020）。在57.1 m处也观察到Sr-Nd同位素、地球化学元素从平稳到剧烈波动的变化（图2，3）。以上指标的变化均表明了岩芯沉积物物源的转变。

将岩芯沉积物和松花江流域沉积物的各项指标进行对比发现，岩芯62.3 m（0.94 Ma）以下的磁化率、元素地球化学组成、Nd同位素和重矿物组成特征与依兰方向现代河流沉积物相近；而62.3 m以上岩芯地层中的上述各指标与松原方向现代河流沉积物相近（Xie et al., 2020; 魏振宇等, 2020; 吴鹏等, 2020; 王嘉新等, 2020）。表明岩芯62.3 m以下沉积物来源于松花江依兰方向，而62.3 m以上沉积物来源于松花江松原方向。

 图2  荒山岩芯地层综合柱状图

图3 荒山岩芯元素比值随深度变化曲线

因此，我们认为在距今约0.94 Ma以前，哈尔滨东部山脉（小兴安岭和张广才岭）因构造运动而强烈隆升，使得哈尔滨东部河流下切侵蚀加剧。在这种情况下，大量从基岩上侵蚀下来的新鲜粗粒碎屑物质，其特点是低化学风化程度、成熟度、循环程度，含量较高的钕同位素值、长英质成分和稳定重矿物比例。这些物质不断被河流自东向西输送到西侧的研究区域。然而，约0.94 Ma后，来自大兴安岭和长白山的大量细粒碎屑物质，注入到自西向东流动的松花江中。 

四、松花江水系反转的地质地貌证据

从荒山岩芯中获得的信息（如磁化率、元素地球化学和重矿物组成）证实了两个相反的沉积物源，此外其它重要的宏观记录（如沉积学和地貌证据）也支持古松花江的西流模式。

松嫩平原属于周边向中心倾斜的半封闭不对称盆地，四周被大兴安岭、小兴安岭和长白山包围。早更新世佳-依分水岭被切穿前，水流顺应地貌梯度从盆地边缘向心状地流向盆地中心。所以从地貌角度看，古松花江的流向应由东向西。

河流阶地作为山脉隆升背景下河流演化的重要地形档案，记录了水系演化的重要信息。在通河和依兰之间区域存在三级沉积阶地，沿松花江零星分布（图4）。通河T3堆积阶地具有明显的二元结构，砾石层粒径最大达到260 mm（图4）；主要为石英和花岗岩岩性，其次为沉积岩，也有少量变质岩和火山碎屑岩；磨圆度较好，有较好的定向排列。基于河流阶地的分布和河流砾石的特点（大小、分布、岩性和排列，见图4），我们认为古松花江流向为西流模式，与现松花江的河流方向相反。

 图4 通河松花江T3阶地（Xie et al., 2020）

（A）通河松花江T3阶地照片；（B）河床沉积物的砾石堆积；（C）阶地砾石照片，从左至右为：鲕粒灰岩，花岗岩，片岩和片麻岩；（D）阶地砾石特征，从左至右为：砾石粒径，岩性，风化程度，磨圆度，古流向玫瑰花图（红色箭头指示向西的古流向）

五、松花江水系演化模式

根据荒山岩芯记录的信息，结合沉积学和地貌学证据，我们提出如下的松花江水系演化模式（图5）。在早更新世早-中期，以佳-依分水岭为界，古三江河从佳木斯向东流经三江平原，而古松花江自依兰向西流入松嫩湖盆。同时，嫩江、松花江吉林段、东辽河和西辽河分别注入松嫩古湖，古湖南侧有一个出口，通过辽河，水流流经下辽河裂谷外泄至渤海。

早更新世晚期，佳-依分水岭因构造抬升，分水岭两侧的松嫩平原和三江平原明显沉降，河流纵比降不断增大，分水岭两侧河流不断向源侵蚀；同时受0.9 Ma中更新世气候转型的影响，冬季风加强，气温降低，全球冰量增加，侵蚀基准面下降，河流的溯源侵蚀加剧。因此，在构造-气候的强迫下，最终导致佳依分水岭在0.94 Ma B.P.被切穿，古松花江被古三江河袭夺，流向发生反转，自西向东流经佳依峡谷进入三江平原，古松花江与古三江河贯通，一个统一的松花江东流水系得以建立。

松花江流向反转后增加了松嫩古湖的出口，古湖面积萎缩。在0.46 Ma松辽分水岭受构造抬升，松嫩古湖湖水进一步外泄，最终干涸。下辽河持续向源侵蚀最终袭夺东、西辽河，嫩江和松花江吉林段河道被迫改道最终并入松花江。自此，现代松花江-辽河水系最终建立。详细的水系演化模式及驱动机制可参考Xie et al. (2020)。

图5 松花江水系演变历史示意图

本文第一作者系哈尔滨师范大学硕士研究生，第二作者为哈尔滨师范大学博士研究生，第三作者为哈尔滨师范大学地理科学学院教授。相关问题交流可通过邮箱xyy0451@hrbnu.edu.cn与作者联系。

主要参考文献：

[1] Xie, Y. Y., Kang, C.G., Chi, Y.P., Wu, P., Wang, J.X., Sun, L., 2020. Reversal of the middle-upper Songhua River in the late Early Pleistocene, Northeast China. Geomorphology, 369, 107373.

[2] 魏振宇, 谢远云, 康春国, 迟云平, 吴鹏, 王嘉新, 刘璐, 2020. 早更新世松花江水系反转-来自荒山岩芯Sr-Nd同位素特征指示. 沉积学报, 38(6): 1192-1203.

[3] 吴鹏, 谢远云, 康春国, 迟云平, 魏振宇, 王嘉新, 刘璐, 2020. 早更新世晚期松花江水系袭夺: 地球化学和沉积学记录. 地质学报, 94(10): 3144-3160.

[4] 王嘉新, 谢远云, 康春国, 迟云平, 吴鹏, 魏振宇, 孙磊, 2020. 哈尔滨荒山岩芯重矿物特征对松花江第四纪水系演化的指示. 第四纪研究, 40(1): 79-94.