晚漸新世—早中新世青藏高原隆升與東亞季風(fēng)演化

肖國橋 張春霞 郭正堂

①副教授，中國地質(zhì)大學(xué)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；②副研究員，③中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

晚漸新世—早中新世青藏高原隆升與東亞季風(fēng)演化

肖國橋①張春霞②郭正堂③

①副教授，中國地質(zhì)大學(xué)生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；②副研究員，③中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所新生代地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

青藏高原；構(gòu)造隆升；晚漸新世；東亞季風(fēng)；古環(huán)境

晚漸新世—早中新世是東亞環(huán)境格局從行星風(fēng)系氣候格局向類似于現(xiàn)今的季風(fēng)氣候格局轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期。最新的地質(zhì)證據(jù)表明，高原東北部在25～22 Ma發(fā)生了顯著的構(gòu)造抬升，與亞洲內(nèi)陸荒漠和東亞季風(fēng)系統(tǒng)起源的時(shí)間基本一致，支持氣候模擬所揭示的東亞季風(fēng)起源與青藏高原北部隆升的密切關(guān)系。

東亞地區(qū)現(xiàn)代季風(fēng)降水呈現(xiàn)從東南向西北逐漸減少的趨勢(圖1(a))，這種格局不同于平行于緯度線的行星風(fēng)系氣候格局。我們不禁要問：為什么東亞地區(qū)不是行星風(fēng)系氣候格局？當(dāng)前的這種季風(fēng)氣候格局是何時(shí)形成的？

事實(shí)上，對于這些問題，地質(zhì)學(xué)家們基于新生代不同時(shí)期的氣候干濕指示標(biāo)志，發(fā)現(xiàn)類似于現(xiàn)今的季風(fēng)氣候格局形成于晚漸新世—早中新世期間(25～22 Ma)，而且在這之前，東亞氣候格局的確是行星風(fēng)系氣候格局(圖1(b)和1(c))[1-3]。那么，一個(gè)新的問題又出現(xiàn)了：是什么因素導(dǎo)致了晚漸新世之前行星風(fēng)系氣候格局向之后季風(fēng)氣候格局的轉(zhuǎn)變？

青藏高原是新生代形成的地球上面積最大、海拔最高的高原，其平均海拔超過4 000 m，對亞洲氣候和大氣環(huán)流有著巨大的影響。一直以來，研究者們將青藏高原的隆升與東亞季風(fēng)的演化聯(lián)系在一起，并通過大氣環(huán)流模型論證了這種聯(lián)系[2,4-5]。但是，由于青藏高原范圍巨大，構(gòu)造演化歷史復(fù)雜，對于高原隆升的階段性、時(shí)空格局，以及何時(shí)達(dá)到引起東亞環(huán)境格局轉(zhuǎn)變的臨界高度等問題，學(xué)術(shù)界長期以來存在不同意見。近年來，隨著古氣候數(shù)值模擬的進(jìn)展和新的地質(zhì)證據(jù)的不斷積累，越來越多的證據(jù)顯示出晚漸新世—早中新世的青藏高原隆升與該時(shí)期東亞環(huán)境格局的轉(zhuǎn)變相關(guān)。本文試圖根據(jù)這些新證據(jù)對這兩者之間的關(guān)系進(jìn)行初步探討。

1 數(shù)值模擬進(jìn)展：高原北部隆升與東亞季風(fēng)起源關(guān)系密切

青藏高原大地形的存在對亞洲區(qū)域大氣環(huán)流有重要的動力和熱力效應(yīng)。一方面，高原的存在極大地改變了大氣環(huán)流的格局，使西風(fēng)帶分支繞流，行星波發(fā)生彎曲，同時(shí)還阻擋了印度洋的暖濕氣流向亞洲內(nèi)陸輸送，使喜馬拉雅南側(cè)極度濕潤，而亞洲內(nèi)陸常年干旱；另一方面，青藏高原的夏季熱源、冬季冷源作用加大了海陸間熱力差異，加強(qiáng)了亞洲冬、夏季風(fēng)環(huán)流。青藏高原對亞洲季風(fēng)的這些作用早在20世紀(jì)70年代就受到了氣象學(xué)家們的關(guān)注[6]，并被隨后的大氣環(huán)流數(shù)值模擬研究所支持和深化[5]。結(jié)合大量青藏高原新生代隆升的地質(zhì)證據(jù)，一個(gè)普遍的共識是高原隆升對亞洲季風(fēng)(包括東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng))的形成有重要的影響。

圖1 中國的降水分布特征以及古近紀(jì)和新近紀(jì)的氣候空間格局(圖1(a)據(jù)中國氣象局資料修改，圖1(b)和1(c)根據(jù)文獻(xiàn)[2]修改)

近年來，隨著模式的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，更高分辨率的大氣環(huán)流模型、海-氣耦合模型、地球系統(tǒng)模型等的應(yīng)用進(jìn)一步明確了青藏高原隆升與東亞季風(fēng)(也稱為東南季風(fēng))形成之間的關(guān)系。早期Kutzbach等[5]通過無山-半山-全山的模擬試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，高原隆升對南亞季風(fēng)(也稱為印度季風(fēng))有重要的影響。隨后一些學(xué)者針對東亞季風(fēng)演化與高原隆升的關(guān)系，結(jié)合青藏高原階段性隆升的特征，以逐漸增長的高原規(guī)模為試驗(yàn)條件開展了一系列的數(shù)值模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高原高度達(dá)到現(xiàn)今一半時(shí)就可產(chǎn)生明顯的東亞季風(fēng)環(huán)流[4,7]。值得注意的是，最近一些學(xué)者考慮到實(shí)際的青藏高原隆升可能存在強(qiáng)烈的空間和時(shí)間差異，高原主體和其南部的喜馬拉雅山脈可能并非同時(shí)形成，因此模擬了青藏高原不同部位隆升對東亞和南亞季風(fēng)的影響。Boos和Kuang[8]在模擬中去掉了青藏高原主體而只保留喜馬拉雅山脈，發(fā)現(xiàn)只需存在喜馬拉雅山脈就足以形成與現(xiàn)今類似的南亞夏季風(fēng)，因此懷疑南亞季風(fēng)的形成與青藏高原主體是否隆升關(guān)系不大。隨后，Wu等[9]的模擬試驗(yàn)進(jìn)一步揭示出海陸分布和高原主體的熱力作用分別對東亞和南亞季風(fēng)的影響存在差異。最近，劉曉東課題組[10-11]的氣候模擬研究顯示，喜馬拉雅山脈的隆升可導(dǎo)致南亞夏季風(fēng)顯著增強(qiáng)，而青藏高原北部的隆升可造成東亞中緯度季風(fēng)區(qū)降水量顯著增加，同時(shí)也會造成亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)面積的明顯擴(kuò)大和粉塵含量的大幅增加。由此可見，對于東亞的粉塵堆積而言，高原北部的隆升既創(chuàng)造了源區(qū)條件，也為粉塵的搬運(yùn)提供了風(fēng)動力條件。

上述數(shù)值模擬的進(jìn)展從機(jī)理上揭示出東亞季風(fēng)起源與青藏高原隆升，尤其是與北部的隆升關(guān)系密切。但要進(jìn)一步論證這兩者之間的關(guān)系，一方面需尋求東亞季風(fēng)起源的地質(zhì)證據(jù)，另一方面也需尋找高原(尤其是高原北部)發(fā)生重大構(gòu)造隆升的證據(jù)，并且這兩者在時(shí)間上能夠耦合。以下將根據(jù)近年來在這兩方面獲取的地質(zhì)證據(jù)進(jìn)行論述。

2 晚漸新世—早中新世東亞季風(fēng)起源的證據(jù)

如前文所述，前人通過各種指示氣候干濕的環(huán)境標(biāo)志，對新生代不同時(shí)期的環(huán)境格局進(jìn)行了重建，將行星風(fēng)系環(huán)境格局向與現(xiàn)今類似的季風(fēng)環(huán)境格局的轉(zhuǎn)變時(shí)間鎖定在古近紀(jì)/新近紀(jì)之交[1-3]，但難以給出這一轉(zhuǎn)變發(fā)生的確切時(shí)間。

中國北方的風(fēng)塵堆積是東亞季風(fēng)環(huán)流的產(chǎn)物[4,12]，因?yàn)橐环矫娣蹓m物質(zhì)的堆積離不開持續(xù)存在的、足夠強(qiáng)勁的冬季風(fēng)搬運(yùn)，另一方面，序列中所包含的大量古土壤層的發(fā)育需要暖濕的夏季風(fēng)攜帶水汽，因此，利用風(fēng)塵堆積的底界年齡可追溯東亞季風(fēng)系統(tǒng)的起源年代。近年來的研究發(fā)現(xiàn)，在中國黃土高原西部存在底界年代～22 Ma的連續(xù)風(fēng)成紅土堆積[12-13]。最近對這套風(fēng)塵堆積的碎屑鋯石物源研究[14]顯示，其物質(zhì)來源與第四紀(jì)黃土[15]極為類似，但明顯不同于周邊基巖，指示著中新世時(shí)期的干旱區(qū)分布和大氣環(huán)流的宏觀格局可能與第四紀(jì)基本類似。由此可見，西部黃土高原風(fēng)塵堆積的底界年代指示著東亞季風(fēng)環(huán)境系統(tǒng)的起源時(shí)間至少為～22 Ma，與上述東亞環(huán)境格局發(fā)生轉(zhuǎn)變的年代一致。

但是，由于風(fēng)塵沉積的底部極易受到堆積初期的地貌、侵蝕等因素的影響，可能會導(dǎo)致其底界年齡比風(fēng)塵堆積真正開始的年代年輕。因此，處于粉塵源區(qū)下風(fēng)方向能夠接受粉塵堆積的一些負(fù)地貌單元有望能夠保存更完整的但可能經(jīng)過流水改造的風(fēng)塵沉積記錄。一般認(rèn)為，北太平洋粉塵主要來源于亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)，其沉積通量的變化可反映亞洲內(nèi)陸干旱化程度，因而與黃土高原風(fēng)塵堆積的物源聯(lián)系在一起。研究發(fā)現(xiàn)，北太平洋粉塵沉積通量在20 Ma前后發(fā)生了整體增加[16]，也表明東亞地區(qū)大氣環(huán)流格局的重組和亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)的擴(kuò)張[2]。值得注意的是，對位于黃土高原西部西寧盆地湖相沉積的磁性地層和巖石磁學(xué)的研究發(fā)現(xiàn)，該盆地的物源在25.3 Ma發(fā)生了變化，與上述季風(fēng)環(huán)境格局出現(xiàn)以及北太平洋粉塵沉積通量大幅增加的時(shí)間接近[17]。對于這一物源變化，存在兩種可能的解釋[17]：①東亞冬季風(fēng)起源之后攜帶亞洲內(nèi)陸粉塵向黃土高原輸送導(dǎo)致西寧盆地物源變化；②該時(shí)期西寧盆地周邊新的山體隆升產(chǎn)生的剝蝕物與之前的物源有所不同。如果第一種解釋成立，則能夠精確確定東亞季風(fēng)的起源年代，當(dāng)然，這仍需要進(jìn)一步的物源研究來驗(yàn)證。

除風(fēng)塵堆積外，東亞地區(qū)的一些長序列的生態(tài)記錄也被認(rèn)為與早中新世以來的東亞季風(fēng)演化相關(guān)。例如，臨夏盆地的孢粉記錄顯示植被類型在～22 Ma由之前的疏林草原轉(zhuǎn)變?yōu)樯?，被認(rèn)為與季風(fēng)氣候的出現(xiàn)相關(guān)[18]。南海的黑碳碳同位素記錄揭示出早中新世以來存在多次C4植被擴(kuò)張事件，也被認(rèn)為與東亞季風(fēng)的演化相關(guān)[19]。

總之，綜合海陸資料來看，東亞季風(fēng)系統(tǒng)的起源時(shí)代基本可確定在25～22 Ma。

3 高原北部25～22 Ma強(qiáng)烈構(gòu)造活動的證據(jù)

從現(xiàn)有研究來看，青藏高原的隆升是一個(gè)多階段(56～45 Ma、45～38 Ma、25～20 Ma、13～8 Ma、3.6 Ma以來)、非勻速、存在強(qiáng)烈空間差異的復(fù)雜過程[20-22]。盡管如此，最近越來越多的研究聚焦于25～20 Ma期間的高原隆升。張克信等[21]系統(tǒng)總結(jié)了青藏高原98個(gè)新生代盆地的沉積序列，發(fā)現(xiàn)25 Ma前后高原及周邊地區(qū)普遍存在不整合面，指示著青藏高原該時(shí)期存在強(qiáng)烈的整體隆升。王二七[22]對青藏高原的大地構(gòu)造演化進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，發(fā)現(xiàn)25 Ma前后的構(gòu)造活動證據(jù)遍布整個(gè)高原(圖2)，并提出高原現(xiàn)今的構(gòu)造和地貌格架定型于該時(shí)期，隨后的隆升與高原向外擴(kuò)展有關(guān)。對于56～38 Ma期間的構(gòu)造運(yùn)動，學(xué)術(shù)界一般認(rèn)為是印度板塊向亞洲板塊俯沖碰撞的高峰時(shí)期[20-22]，此時(shí)高原北部雖存在遠(yuǎn)程效應(yīng)，但整體海拔可能仍不高[23]?；谇叭说目偨Y(jié)(詳見張克信等[21]和王二七[22]的論文)并結(jié)合一些新的證據(jù)，下文著重對青藏高原北部25 Ma前后的構(gòu)造活動及與之相關(guān)的證據(jù)進(jìn)行概述。

青藏高原北部構(gòu)造活動的直接表現(xiàn)包括山體抬升、斷層活動、地層的褶皺變形等。山體抬升可導(dǎo)致基巖的剝露和礦物的冷卻，進(jìn)而被一些中、低溫?zé)崮甏鷮W(xué)的研究所揭示。磷灰石和鋯石的熱年代學(xué)研究[22,24]表明，高原北部的祁連山、拉雞山、鄂拉山以及塔里木盆地北緣的天山等均在25 Ma前后發(fā)生了快速的剝蝕冷卻(圖2)，同時(shí)，作為高原北部邊界的阿爾金斷裂也在30～25Ma發(fā)生了快速的左行走滑運(yùn)動。橫亙高原北部的昆侖山也在該時(shí)期發(fā)生了大規(guī)模的逆沖隆升。高分辨率的地震反射數(shù)據(jù)顯示，位于塔里木盆地西南緣的西昆侖在23 Ma前后發(fā)生了大規(guī)模的脆性變形和逆沖隆升[25]，東昆侖的顯著隆升發(fā)生在29～24 Ma期間，并可能將古近紀(jì)作為統(tǒng)一盆地的柴達(dá)木盆地和其南部的可可西里盆地一分為二[26]。

圖2 青藏高原25 Ma前后構(gòu)造活動的證據(jù)(據(jù)文獻(xiàn)[22]修改)

25 Ma前后的構(gòu)造活動也被高原北部的一系列新生代盆地所記錄。這些盆地包括西寧盆地、蘭州盆地、臨夏盆地、貴德盆地、循化-化隆盆地、共和盆地、柴達(dá)木盆地、可可西里盆地等(圖2)。研究表明，這些盆地在25～22 Ma均存在不整合面或沉積速率增加，代表高原北部一次顯著的抬升[17,21-22]。

事實(shí)上，25～22 Ma的構(gòu)造活動并不限于高原北部，縱觀整個(gè)高原，構(gòu)成高原主體的各個(gè)構(gòu)造單元及高原周邊均存在大量構(gòu)造變形的證據(jù)(圖2)。例如：30～25 Ma期間，高原東部的龍門山發(fā)生了快速隆升；21 Ma前后，高原中南部拉薩附近的曲水花崗巖發(fā)生了快速抬升；26～24 Ma期間，沿岡底斯南緣廣泛堆積了厚層的磨拉石沉積(大竹卡礫巖)；25 Ma前后，喜馬拉雅帶發(fā)生了顯著的構(gòu)造活動等[21-22]。總之，這些證據(jù)指示著25～22 Ma是高原構(gòu)造演化的一個(gè)非常重要的時(shí)期，相信隨著今后對青藏高原古高程重建的研究，相關(guān)證據(jù)會越來越豐富。

4 小結(jié)

綜上所述，越來越多的地質(zhì)證據(jù)顯示出25 Ma前后是高原構(gòu)造演化的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期，這一時(shí)間與早期古環(huán)境格局重建所揭示的季風(fēng)氣候格局出現(xiàn)的時(shí)間，以及東亞粉塵起源揭示的大氣環(huán)流格局的重組和亞洲內(nèi)陸干旱化的時(shí)間具有一致性。雖然早期有研究認(rèn)為晚新生代副特提斯海的逐漸退縮對亞洲內(nèi)陸干旱化以及東亞季風(fēng)的形成可能也有非常重要的影響[27]，但最近的地質(zhì)證據(jù)表明副特提斯海的大范圍退縮可能遠(yuǎn)早于25 Ma[28]。因此，上述時(shí)間上的一致性為長期以來氣候模擬所揭示的高原隆升導(dǎo)致東亞季風(fēng)起源的觀點(diǎn)提供了依據(jù)，同時(shí)，也為近期氣候模擬研究所提出的亞洲內(nèi)陸干旱化、季風(fēng)環(huán)流以及風(fēng)塵堆積的出現(xiàn)與高原北部隆升的關(guān)系最為密切的結(jié)論提供了依據(jù)[10-11]。

(2014年5月22日收稿)■

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Initiation of East Asian monsoon system related to Tibetan Plateau uplift from the latest Oligocene to the earliest Miocene

XIAO Guo-qiao①, ZHANG Chun-xia②, GUO Zheng-tang③
①Associate Professor, State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; ②Associate Professor, ③CAS Member, Key Laboratory of Cenozoic Geology and Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

The East Asian climate were transformed from a zonal pattern to a monsoon-dominated pattern from the latest Oligocene to the earliest Miocene (25～22 Ma). Recent geological evidence indicates significant uplift of the NE Tibetan Plateau during this interval, timely coupled with the initiation of East Asian monsoon system and onset of desertification in the Asian interior, thus supporting the modeling results that the initiation of East Asian monsoon system is mainly related to the uplift of northern Tibetan Plateau.

Tibetan Plateau, tectonic uplift, latest Oligocene, East Asian monsoon system, paleoenviroment

(編輯：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.002