韩续，戴紧根，王成善
1. 珠穆朗玛峰的异常高度
珠穆朗玛峰是世界最高峰，其形成机制一直是全球科学家关注的热点问题。珠穆朗玛峰的海拔显著高于其他山峰，它与世界第二高峰乔戈里峰之间的高差接近250 m，而乔戈里峰与第三高峰干城章嘉峰、第四高峰洛子峰之间的高差仅为几十米（图1）。同时，基于GPS数据获得的珠穆朗玛峰短期岩石隆升速率（约2 mm/yr）高于基于低温热年代学数据获得的长期岩石隆升速率（约1 mm/yr）。这些特征表明，珠穆朗玛峰的近期隆升可能受到了某种潜在机制的影响。
图1 喜马拉雅地区海拔7500 m以上山峰高度排名
2. 珠穆朗玛峰附近的独特河流
珠穆朗玛峰位于科西河（Kosi River）流域。科西河的主要支流为阿润河（Arun River），其在我国西藏境内被称为朋曲，上游定日地区呈东西走向；朋曲下游河段呈南北走向切穿喜马拉雅山脉，形成了深切峡谷（图2a）。我们推测，这种独特的河流形态很可能是河流袭夺造成的，河流袭夺可以促进珠穆朗玛峰隆升形成异常海拔。
河流袭夺是指一条河流通过溯源侵蚀切过分水岭，抢夺另一条河流上游段的过程。通常依据河流形态及地质证据来识别河流袭夺过程。Perron和Royden (2013)提出将河流对汇水面积的积分值称为χ值. Willett等(2014)发现分水岭两侧的χ值差异可以指示分水岭的稳定性。稳定的分水岭两侧χ值相等，而经历过河流袭夺等动态重组过程的流域盆地的分水岭两侧χ值存在差异。分水岭之上的凹陷（即风口）有时也可以指示袭夺前古河道的位置。但是这些标志无法准确约束袭夺时间。沉积盆地的物源变化为河流重组过程提供了间接证据，进而可以通过地层沉积时代约束河流袭夺时间。河流的快速下切也可以指示河流袭夺事件，并且提供了直接的时间约束，但是很难区分河流的快速下切是河流袭夺导致的还是构造或气候过程控制的。识别河流袭夺过程，确定袭夺时间是一项具有挑战的工作。
χ值分布特征显示阿润河下游部分的分水岭正向东西两侧扩张（图2b-d），同时阿润河的河道剖面呈上凸形状。一般情况下，稳态河流的河道纵剖面为下凹形，其分水岭稳定不动。而阿润河移动的分水岭与上凸的纵剖面表明河流正处于不稳定状态，这一不稳定状态极有可能是河流袭夺导致的。如果阿润河近期存在袭夺事件，那么河流袭夺会使河流径流量增加，促进河道下切。河道下切会触发均衡反弹，使得包括山峰在内的周围区域隆升，这可以部分解释观测到的珠穆朗玛峰的高度异常。因此，确定科西河的袭夺过程十分重要。
图2 科西河河网形态（a）与χ值分布特征（b-d）
关于阿润河是先成河还是袭夺成河的争论已经持续了近百年。早在1922年，珠穆朗玛峰探险队就基于河道形态提出阿润河是袭夺形成的(Heron, 1922)。喜马拉雅南坡的南北向河流不断溯源侵蚀，袭夺了北面东西走向的古朋曲，就形成了现今的河流形态。前人在阿润河的支流拿当曲采集样品进行低温热年代学分析，发现在第四纪存在一期快速剥露事件，并认为该期快速剥露是河流袭夺导致的河流侵蚀能力加强的结果(Wang et al., 2016)。也有学者认为，阿润河-科西河在形成时的形态与现今一致，随后喜马拉雅山逐渐隆起，河流不断下切并保持原有平面形态(Wager, 1937)。阿润河在玉日峡谷处（图3）突然弯折，切过了抗侵蚀能力更强的片麻岩穹窿，而没有沿着较薄弱的岩性界限处流过。持先成河观点的学者认为这一特征支持了先成河成因(Wager, 1937)。总的来说，阿润河的成因、其可能的袭夺时间都存在着较大争议。
图3 研究区地质简图
3. 河流袭夺过程模拟与结果
为了厘清科西河的流域演化过程，我们将水力侵蚀模型与非线性反演方法相结合，重建了科西河的河流袭夺过程。水力侵蚀模型可以对河流侵蚀过程进行模拟，在模拟过程中我们通过改变上游面积来模拟河流袭夺。在模拟中，模型假设袭夺前阿润河只包含袭夺点下游部分，而科西河的其他支流与现今形态一致（图4a），河网整体处于稳定状态。袭夺发生后，阿润河加入了上游部分，其平面展布形态现今完整流域一致（图4b），阿润河因上游面积增加而开始下切，其他支流仍保持稳态。
图4 模型中袭夺前（a）与袭夺后（b）河网形态对比
模拟获得的最佳结果很好地拟合了现今的河道剖面（图5a、b），模拟结果表明，袭夺事件发生在距今约89千年前。模拟结果的残差在大部分地区接近于0，说明模拟结果很接近于真实情况。基于最佳拟合结果获得的河道参数可以算出河道的凹度值为0.44，与前人在喜马拉雅地区识别的河道凹度基本一致(Kirby and Whipple, 2001)。这些都表明该模拟是合理的。接近于1的坡度指数说明河流下切速率与坡度大致呈线性关系。目前已有研究通过宇宙成因核素获得的侵蚀速率来约束坡度指数，认为在阿润河及其他构造活跃地区的坡度指数大于1(Adams et al., 2020; Olen et al., 2015)，与本研究的结果存在差异。这主要是由于前人使用的宇宙核素方法对河流侵蚀和山坡侵蚀都很敏感，同时还基于稳态地貌假设，而该研究考虑到了河流袭夺后处于非稳态的动态过程。袭夺发生后，袭夺点下游的河流因上游流域面积与流量增加而开始快速下切，袭夺点附近的下切速率可达10 mm/yr，向下游逐渐降低至约1 mm/yr（图6a）。模型预测的河流下切速率与前人在阿润河下游基于阶地定年获得的不超过1 mm/yr的下切速率相一致(Lave and Avouac, 2001)。
图5 a. 最佳模拟结果残差分布图；b. 基于最佳拟合值重建的河道剖面与实际河道剖面对比
河流袭夺导致的河道下切不仅降低了河道的高程，还导致周围区域的岩石因均衡反弹而隆起。考虑到喜马拉雅地区的有效弹性厚度为10-30 km，河流袭夺引发的均衡反弹可使珠穆朗玛峰的隆升速率增加0.2-0.5 mm/yr（图5b）。由均衡反弹带来的额外岩石隆升速率占现今基于GPS获得的珠穆朗玛峰隆升速率的约10%-50% (Wang and Barbot, 2023)。河流下切降低了河道附近的海拔，但是周围区域因均衡反弹影响而整体抬升。同时河流的支流需要一定的时间来响应河流袭夺带来的加速下切，使得侵蚀速率小于岩石隆升速率，从而导致地表隆升。该研究通过计算袭夺发生以来的河流下切总量来估算由此带来的均衡反弹量。河流袭夺造成的均衡反弹为珠穆朗玛峰带来了15-50 m的额外高度，这可以部分解释珠穆朗玛峰相对于乔戈里峰的异常高度差，剩余的高度差则需要后续研究的进一步解释。
图6 科西河袭夺导致河道快速下切与区域均衡反弹
（a）河流下切速率分布；（b）均衡反弹诱发的隆升速率分布（Te=20 km）
尽管构造活动仍然是控制珠穆朗玛峰高度的主要因素，但该研究揭示了河流袭夺导致山峰隆升的新机制。河流袭夺在喜马拉雅造山带及其他造山带中普遍存在，考虑其对山峰隆升的贡献，有助于研究人员更全面地理解造山带的演变与高峰形成过程。
本文第一作者为中国地质大学（北京）博士后，第二、第三作者为中国地质大学（北京）教授。本文主要观点来自 Han et al., (2024) Nature Geoscience论文（Xu Han, Jin-Gen Dai*, Adam G. G. Smith, Shi-Ying Xu, Bo-Rong Liu, Cheng-Shan Wang, Matthew Fox*. 2024. Recent uplift of Chomolungma enhanced by river drainage piracy. Nature Geoscience 17:1031-1037）相关问题交流可通过邮箱[email protected]与本人联系。欲知更多详情，请参考以下文献。
主要参考文献
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Olen, S.M., Bookhagen, B., Hoffmann, B., Sachse, D., Adhikari, D.P., Strecker, M.R., 2015. Understanding erosion rates in the Himalayan orogen: A case study from the Arun Valley. J. Geophys. Res.: Earth Surf. 120, 2080–2102.
Perron, J.T., and Royden, L., 2013, An integral approach to bedrock river profile analysis. Earth Surf. Process. Landf. 38, 570-576.
Wager, L.R., 1937. The Arun River Drainage Pattern and the Rise of the Himalaya. Geogr. J. 89, 239-250.
Wang, A., Min, K., Wang, G., 2016. Quaternary channel-focused rapid incision in the Phung Chu-Arun River in Central Himalaya: Implications for a Quaternary capture event. J. Asian Earth Sci. 129, 243-253.
Wang, L., Barbot, S., 2023. Three-dimensional kinematics of the India–Eurasia collision. Commun. Earth Environ. 4, 164.
Willett, S.D., McCoy, S.W., Perron, J.T., Goren, L., and Chen, C.-Y., 2014. Dynamic Reorganization of River Basins. Science. 343, 1248765.
