青藏高原隆升與新特提斯海退卻對(duì)亞洲中緯度階段性氣候干旱的影響*

孫繼敏 劉衛(wèi)國 柳中暉 付碧宏

1 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

2 中國科學(xué)院青藏高原研究卓越中心 北京 100101

3 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

4 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 西安 710061

5 香港大學(xué) 地球科學(xué)系 香港 999077

6 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 北京 100094

青藏高原隆升與新特提斯海退卻對(duì)亞洲中緯度階段性氣候干旱的影響*

孫繼敏1,2,3劉衛(wèi)國4柳中暉5付碧宏6

1 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

2 中國科學(xué)院青藏高原研究卓越中心 北京 100101

3 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049

4 中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所 西安 710061

5 香港大學(xué) 地球科學(xué)系 香港 999077

6 中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所 北京 100094

亞洲內(nèi)陸是北半球最大、最廣闊的中緯度干旱區(qū)，且不同于世界上分布于副熱帶高壓控制下的干旱區(qū)?，F(xiàn)今的亞洲中緯度干旱區(qū)深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離各大洋的水汽來源。亞洲中緯度干旱區(qū)究竟如何形成？歷經(jīng)了怎樣的干旱化過程？其形成演化的動(dòng)力機(jī)制是什么？這些一直是懸而未決的問題。事實(shí)上，亞洲中緯度干旱區(qū)發(fā)展成今天所見的干旱荒漠，并不是短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，而是經(jīng)歷了漫長的階段性演化進(jìn)程，是在新生代以來印度、阿拉伯、非洲板塊與歐亞大陸的碰撞，青藏高原的隆升，新特提斯海的退卻以及新生代全球氣候變冷與海平面下降等區(qū)域和全球要素共同作用下，從半濕潤—半干旱—干旱—極端干旱漸進(jìn)演化而來。歷經(jīng)了始新世的半濕潤氣候，漸新世的半濕潤-半干旱氣候和中新世末期以來的干旱-極端干旱氣候。

中亞干旱區(qū)，新生代長尺度演化過程，干旱化，動(dòng)力機(jī)制

DOI 10.16418/j.issn.1000-3045.2017.09.004

亞洲內(nèi)陸是北半球最大、最廣闊的中緯度干旱區(qū)（圖 1），從空間上橫跨了蒙古國中南部、中國黃土高原以北和西北三大內(nèi)陸盆地以及中亞的干旱區(qū)，也是陸上絲綢之路穿越的重要地區(qū)。這一干旱區(qū)不同于世界上分布于副熱帶高壓控制下的干旱區(qū)（如著名的非洲撒哈拉沙漠以及中東的沙漠），而是分布于中緯度地區(qū)；相反，本應(yīng)該是副熱帶高壓控制下的長江中下游地區(qū)卻因亞洲季風(fēng)的影響，成為降水豐沛的“魚米之鄉(xiāng)”。

現(xiàn)今的亞洲中緯度干旱區(qū)深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離各大洋的水汽來源（圖 1）。其中，印度洋的水汽被喜馬拉雅山脈阻擋；來自太平洋的水汽在經(jīng)過長途跋涉之后，在抵達(dá)中亞干旱區(qū)之前基本耗盡；而來自大西洋和地中海的西風(fēng)帶水汽在歐洲大陸上空也大部分耗盡，有限的水汽又受到帕米爾高原、興都庫什、天山山脈、阿爾泰山脈的阻擋。因此，亞洲中緯度地區(qū)成為了北半球最廣闊的干旱區(qū)。

亞洲中緯度干旱區(qū)究竟如何逐步發(fā)展為現(xiàn)今的荒漠景觀？這歷經(jīng)了怎樣的干旱化過程？其形成演化的動(dòng)力機(jī)制是什么？新生代以來印度、阿拉伯、非洲板塊與歐亞大陸的碰撞，青藏高原的隆升，新特提斯海的退卻以及新生代全球氣候變冷與海平面下降等區(qū)域和全球要素，究竟在亞洲中緯度干旱區(qū)的形成過程中各自扮演了怎樣的角色？這些均是目前懸而未決的問題。

亞洲中緯度干旱區(qū)發(fā)展成今天所見的干旱荒漠，并不是短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，而是經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)過程，而且也不是某些學(xué)者認(rèn)為的該地區(qū)一直都是干旱環(huán)境。事實(shí)上，亞洲中緯度地區(qū)在地質(zhì)過程中經(jīng)歷了階段性演化的進(jìn)程，是從半濕潤—半干旱—干旱—極端干旱漸進(jìn)演化而來。本文也主要嘗試基于前人的研究基礎(chǔ)，結(jié)合近年的研究結(jié)果，探討亞洲中緯度干旱區(qū)的階段性演化過程。

1 始新世時(shí)期半濕潤的中亞古環(huán)境

亞洲中緯度干旱區(qū)發(fā)展成現(xiàn)今的大范圍干旱區(qū)，有其深刻的大地構(gòu)造背景。我們知道地球上最近的一次超大陸匯聚發(fā)生在距今 2.5 億年前的潘基亞超大陸時(shí)期，但從距今 2.3 億年以來，潘基亞超大陸開始裂解。尤其是白堊紀(jì)末期（距今 9 400 萬年）以來，南半球?qū)呒{大陸的裂解加劇，非洲、印度板塊紛紛從南極洲板塊脫離向北漂移。直至距今 6 000 萬年前后，印度板塊的前端已經(jīng)與亞洲南緣沿著雅魯藏布江縫合帶的中段發(fā)生碰撞[1-3]。但是在印度板塊與亞洲板塊碰撞帶的東、西構(gòu)造結(jié)，一般認(rèn)為碰撞較晚，直至距今 5 000 萬年前后才完全碰撞[2]。不僅印度板塊向北漂移，非洲板塊同樣北漂，二者與歐亞板塊的匯聚，加速了新特提斯海的收縮。

距今5 000 萬年的早始新世時(shí)期（圖 2），區(qū)域大地構(gòu)造演化已經(jīng)影響到中亞的古氣候。最近的研究表明，印度次大陸自岡瓦納大陸裂解以后，當(dāng)漂過赤道，到達(dá)熱帶輻合帶（Intertropical Convergence Zone，ITCZ）控制范圍時(shí)，已經(jīng)有南亞季風(fēng)的形成，這已被早始新世的數(shù)值模擬所證實(shí)[4]。同時(shí)，Shukla 和 Mehrotra[5]在印度西北的拉賈斯坦邦發(fā)現(xiàn)了早始新世（距今5 500 萬年—5 200 萬年）指示氣候濕潤的煤系地層，且通過對(duì)大量闊葉植物化石的分析，表明當(dāng)時(shí)的降水量可達(dá) 1 800 毫米/年，干、濕季節(jié)分明，這說明南亞季風(fēng)有可能在距今 5 000 萬年前后即已形成。

圖1 現(xiàn)今亞洲中緯度干旱區(qū)的地理位置

圖2 早始新世時(shí)期（5 000萬年前）的海陸格局、水汽路徑與中亞的地理位置（底圖來源：Blakey[6]）紅色粗箭頭指示板塊運(yùn)動(dòng)方向

需要說明的是，印度與亞洲板塊在距今 5 000 萬年已經(jīng)完全碰撞，碰撞邊界的山脈隆升[7]至少會(huì)在一定程度上阻擋南亞季風(fēng)深入亞洲大陸腹地。此外，盡管受非洲、印度板塊與歐亞板塊碰撞導(dǎo)致新特提斯海范圍有所縮小，但是在現(xiàn)今的中亞地區(qū)及其以西地區(qū)仍然存在廣闊的海域，西風(fēng)環(huán)流可以將大量水汽帶入中亞。

即使到了始新世晚期（距今 4 000 萬年左右），海水才從塔里木盆地退出[8,9]，這也與 Carrapa[10]認(rèn)為在連通塔里木與塔吉克盆地的阿萊海峽最西端（塔吉克盆地的最東端）的海退時(shí)間為距今 3 900 萬年前相吻合，因?yàn)樘幵诎⑷R海峽東部的塔里木盆地不應(yīng)比這更晚。但是，晚始新世（距今 4 000 萬年）海水從塔里木盆地的退出過程主要與帕米爾高原的向北突刺有關(guān)。此時(shí)，在帕米爾高原以西的塔吉克盆地大部及其以西地區(qū)仍有廣闊的海洋。而且，此時(shí)的帕米爾高原并沒有與南天山相撞，二者之間至少存在 300 公里的水汽通道[11]，并且此時(shí)天山山脈尚未發(fā)生構(gòu)造復(fù)活，仍保留中生代長期剝蝕后的低海拔[12]，西風(fēng)環(huán)流可以將來自大西洋和新特提斯海的水汽帶入中亞。無論在塔里木盆地的蘇維依組[13]，還是準(zhǔn)噶爾盆地的紫泥泉子組[14]，都是以湖湘地層為主；更東邊的蒙古國南部地區(qū)在晚始新世也是湖泊-河流相沉積環(huán)境[15]。這表明，這一時(shí)期的中亞至少是半濕潤氣候。

2 漸新世時(shí)期半濕潤-半干旱為主的中亞古環(huán)境

距今 3 400 萬年的漸新世初期，非洲板塊、印度板塊與歐亞板塊的匯聚加劇，直接的效應(yīng)就是青藏高原的進(jìn)一步隆升和新特提斯海的進(jìn)一步收縮（圖 3）。此外，漸新世初期也發(fā)生了新生代氣候變冷進(jìn)程中最重要的氣候事件——南極冰蓋開始形成，全球氣候開始從“溫室期”轉(zhuǎn)變?yōu)椤氨移凇?，并伴隨全球海平面的大幅下降。

漸新世初期，在大陸匯聚與全球變冷導(dǎo)致的海面下降的共同作用下，此前曾經(jīng)聯(lián)通在一起的新特提海被分割成南、北兩個(gè)分支，其中，北支稱為副特提斯海（Paratethys）（圖 3）。由于印度板塊與歐亞板塊的持續(xù)碰撞，青藏高原中部的隆升高度在漸新世時(shí)期已經(jīng)接近海拔 3 000 米的高度[16-18]。盡管有國外學(xué)者利用碳酸鹽氧同位素古高度計(jì)認(rèn)為高原中部在漸新世已經(jīng)接近現(xiàn)今高度[19,20]，但是，無論是土壤碳酸鹽或是湖泊碳酸鹽氧同位素高度計(jì)都存在不可回避的問題——氧同位素分餾受水汽來源與碳酸鹽成巖作用（重置）的影響很大，因此嚴(yán)重影響其可靠程度。青藏高原的隆升無疑會(huì)更有效阻擋南亞季風(fēng)深入到亞洲腹地，其“雨影”效應(yīng)已經(jīng)十分顯著。漸新世時(shí)期，東亞季風(fēng)尚未形成[4,21,22]，能夠影響亞洲中緯度地區(qū)的水汽來源，基本只剩下西風(fēng)環(huán)流的水汽[23]。

盡管漸新世初期的副特提斯海其范圍較始新世時(shí)期縮小，但此時(shí)帕米爾仍未與南天山相撞，來自大西洋及副特提斯海的水汽通道尚未關(guān)閉[24]。而且，天山山脈也仍然是低海拔的山脈，尚未發(fā)生構(gòu)造復(fù)活[12]。水汽依然能夠被盛行的西風(fēng)帶到中亞。但由于上風(fēng)方向水汽范圍的減少，被西風(fēng)環(huán)流帶入亞洲中緯度干旱區(qū)的水汽相應(yīng)減少，導(dǎo)致亞洲腹地開始出現(xiàn)半干旱氣候。在距離副特提斯海水汽來源最遠(yuǎn)的蒙古國南部，漸新世初期開始出現(xiàn)風(fēng)成的紅黏土沉積[15]。

圖3 漸新世初期（距今3 400萬年）的海陸格局（底圖來源：Blakey[6]）此時(shí)統(tǒng)一的新特提斯海分裂為南、北兩個(gè)分支，影響中亞氣候的是北支的副特提斯海；紅色粗箭頭指示板塊運(yùn)動(dòng)方向

然而，在蒙古國出現(xiàn)的漸新世風(fēng)成紅黏土夾有古土壤和碳酸鹽結(jié)核層，這表明當(dāng)時(shí)的亞洲中緯度地區(qū)至少是半干旱氣候，而不是極端干旱氣候。眾所周知，成土碳酸鹽結(jié)核的形成必須有足夠水分化學(xué)淋溶作用，因此，成土碳酸鹽結(jié)核的存在說明當(dāng)時(shí)并不是極端干旱氣候。而且在蒙古國的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中，也并未發(fā)現(xiàn)任何的古沙丘沉積，上述漸新世紅黏土沉積為風(fēng)力從山前洪積扇、干旱的古河道等搬運(yùn)而來。

在漸新世末期前后，黃土高原的六盤山以西以及新疆準(zhǔn)噶爾盆地也開始出現(xiàn)風(fēng)成的紅黏土沉積[21,25,26]。這些地區(qū)的風(fēng)成紅黏土同樣夾有古土壤和碳酸鹽結(jié)核，這證明其經(jīng)過足夠水分的化學(xué)淋溶作用，并且其本身是粉塵堆積，而不是風(fēng)沙沉積，其沉積環(huán)境應(yīng)當(dāng)為草原-干草原的半濕潤-半干旱環(huán)境。

3 晚中新世以來趨于干旱的中亞古環(huán)境

晚中新世以來，不僅印度與亞洲板塊的碰撞持續(xù)進(jìn)行，阿拉伯板塊也在晚中新世與亞洲板塊碰撞導(dǎo)致伊朗高原的隆升[27,28]， 同時(shí)非洲板塊也持續(xù)與歐亞板塊匯聚，二者進(jìn)一步加劇了副特提斯海的退縮。此外，自距今 1 400 萬年以來由于東南極冰蓋的持續(xù)擴(kuò)張[29]，海平面也持續(xù)下降。在板塊匯聚和全球變冷的共同作用下，曾經(jīng)煙波浩渺的副特提斯海在晚中新世已經(jīng)大幅退縮（圖 4）。

而且更為重要的是，大量地質(zhì)證據(jù)表明，在晚中新世（距今 700萬年—500 萬年），帕米爾高原的前端（北帕米爾）與南天山相撞，帕米爾前緣斷裂開始活動(dòng)[30-33]，逐漸關(guān)閉了進(jìn)入塔里木盆地的水汽通道（圖 5），加速了塔里木盆地極端干旱氣候的出現(xiàn)。這一時(shí)期，盡管在塔里木盆地中部的麻扎塔格剖面和羅布泊鉆孔仍然顯示出以湖泊沉積為主的特征[33,34]，但在塔里木腹地的麻扎塔格剖面中顯示此時(shí)已有零星的古風(fēng)成砂夾層出現(xiàn)在晚中新世的湖湘地層中，這指示塔里木盆地極端干旱氣候開始出現(xiàn)。盡管塔里木盆地的干旱歷史仍有爭議[35-38]，但更多的證據(jù)表明更干旱的氣候出現(xiàn)在距今 500 萬年以來[33,34,39-41]。這一時(shí)期塔里木盆地的湖湘地層消失，代之以河流相與古風(fēng)成砂相為主的沉積，塔里木盆地進(jìn)一步向極端干旱氣候邁進(jìn)。同時(shí)，這也與柴達(dá)木盆地發(fā)現(xiàn)的骨骼超常粗大的伍氏獻(xiàn)文魚化石指示的上新世以來柴達(dá)木盆地干旱化加劇的地質(zhì)記錄[42]，以及中亞其他地區(qū)的晚中新世干旱化加劇的證據(jù)相印證[43]。

圖4 晚中新世（距今1 000萬年前）的海陸格局（底圖來源：Blakey[6]）副特提斯海大幅收縮，距離中亞內(nèi)陸越來越遠(yuǎn)，水汽來源驟減；紅色粗箭頭指示板塊運(yùn)動(dòng)方向

圖5 中新世末期（距今700萬年—500萬年）的古地理格局帕米爾高原的前端（北帕米爾）與南天山相撞，逐漸關(guān)閉了進(jìn)入塔里木盆地的西風(fēng)水汽通道，加速了塔里木盆地極端干旱氣候的出現(xiàn)[33]；紅色粗箭頭指示板塊運(yùn)動(dòng)方向

盡管我們現(xiàn)在并不清楚，中國的其他沙漠，如巴丹吉林、騰格里、烏蘭布和、庫布齊、毛烏素沙漠等，何時(shí)形成；但是中國黃土高原六盤山以東廣泛分布的距今800萬年—700萬年以來的第三紀(jì)風(fēng)成紅黏土[44-48]，指示了這一時(shí)期，其物源區(qū)的中亞干旱-半干旱區(qū)已經(jīng)初具規(guī)模。

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44 Ding Z L, Sun J M, Liu T S, et al. Wind-blown origin of the Pliocene red clay formation in central Loess Plateau, China. Earth and Planetary Science Letters, 1998, 161: 135-143.

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48 Guo Z T, Peng S Z, Hao Q Z, et al. Late Miocene-Pliocene development of Asian aridification as recorded in an eolian sequence in northern China. Global and Planetary Changes, 2004,41(3-4): 135-145.

Effects of the Uplift of the Tibetan Plateau and Retreat of Neotethys Ocean on the Stepwise Aridification of Mid-latitude Asian Interior

Sun Jimin1,2,3Liu Weiguo4Liu Zhonghui5Fu Bihong6
（1 Key Laboratory of Cenozoic Geology and Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029, China;2 Center for Excellence in Tibetan Plateau Earth Sciences, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;3 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;4 Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710061, China;5 Department of Earth Sciences, The University of Hong Kong, Hong Kong 999077, China;6 Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, China）

The Asian interior is the largest mid-latitude arid zone in the Northern Hemisphere, being different from the other arid areas controlled by the Subtropical High. The present Asian mid-latitude situates in the heart of the Eurasia, being far away from any of the ocean’s moisture sources. How exactly does the mid-latitude Asia become a vast arid area? What kinds of arid processes have been experienced? How is about the mechanism of its formation and evolution? All these issues are unsolved questions. Actually, the present desert environment of the mid-latitude Asia is not a result of short time evolution, but that of long-term stepwise aridification processes. The collision between the Africa Plate, Arabian Plate, and Indian Plate with the Eurasian Plate, the uplift of the Tibetan Plateau, the shrinkage of the Neotethys, and the eustatic global sea-level decline driving by Cenozoic global cooling have all involved in the aridification processes. The mid-latitude experienced Eocene sub-humid, Oligocene sub-humid to semi-arid, and the arid to extreme arid climate since the latest Miocene.

mid-latitude arid zone, Cenozoic long-term evolution, aridification, forcing mechanism

Ph.D. from the Institute of Geology, Chinese Academy of Sciences (CAS) in 1994. From 2001 to present, he has worked as a professor at the Institute of Geology and Geophysics, CAS. His current research engages in Cenozoic palaeoclimate as well as the uplift of the Tibetan Plateau and its environmental effect. E-mail: jmsun@mail.iggcas.ac.cn

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）（XDB03020000），國家自然科學(xué)基金（41672168）

修改稿收到日期：2017年9月12日

孫繼敏 中科院地質(zhì)與地球物理所研究員，主要從事新生代古氣候和青藏高原隆升的環(huán)境效應(yīng)等方面的研究。E-mail:jmsun@mail.iggcas.ac.cn