秦嶺:地球多圈層相互作用的熱點

郭安林,張國偉,董云鵬,郭泱泱,姚安平

(1.西北大學 地質學系/大陸動力學國家重點實驗室,陜西 西安 710069;2.中煤科工集團西安研究院有限公司,陜西 西安 710076)

當代地球科學家的注意力正從地球這顆行星的單一系統(tǒng)(板塊構造)如何運行轉變?yōu)樗械南到y(tǒng)(圈層)如何運行、如何關聯(lián)互動和如何操控行星地球的演變方面[1-3]。 其中，對地球宜居環(huán)境的形成、保護和可持續(xù)發(fā)展等科學問題的關注成為重中之重。 地球科學正將解答 “一個使人類能夠進化的世界是怎樣被創(chuàng)造出來的以及作為一個物種我們正如何重塑這個世界”這兩個重大科學問題作為研究的目標[4],以致于任何地球科學問題,不論其研究的切入點是什么,落腳點多半會是多圈層相互作用或者對宜居地球成因的啟示,才顯得更富有科學意味。

因此,可以說21世紀正在和必將成為地球系統(tǒng)研究的世紀。這樣的說法恰當?shù)孛枋隽说厍蚩茖W發(fā)展的時代特征以及前沿態(tài)勢。然而,這并不意味著板塊構造過時了。恰恰相反,當進入以地球系統(tǒng)研究為主旋律的時代,更加需要注重板塊構造在地球系統(tǒng)多圈層相互作用中牽一發(fā)而動全身的顯要地位。

隨著地球系統(tǒng)研究的深入,學者們愈來愈清楚地看到，地球演化進程中正是因為有了板塊構造的就位，或者更嚴格地說，現(xiàn)代板塊構造的出現(xiàn)[5]這樣宏大的地質事件,才能夠創(chuàng)造出生命蓬勃繁盛的世界，并使得生命進化到了人類如此高級的階段。在地球系統(tǒng)諸圈層相互關聯(lián)和相互作用中,固體地球在很大程度上自成體系。其原因在于，固體地球的物質和構造運動主要由內部放射性物質衰變產生的熱驅動,其運行相對獨立于其他表層系統(tǒng)。而固體地球的物質組成和構造運動在極大的程度上制約和影響著表層系統(tǒng)[4]。因此,作為固體地球主要的構造運動形式和物質傳遞的傳送帶，或者固體地球運營的操作系統(tǒng)的板塊構造代表了地球系統(tǒng)中的第一驅動力[6],它將所有的地球圈層有機地連接在一起,驅動著地球的演化。

自從板塊構造，特別是現(xiàn)代板塊構造就位以來,以板塊構造為牽引的多圈層耦合互動無時無刻不在發(fā)生并影響著地球宜居環(huán)境的塑造。在地球的內部和表層都可以觀察到多圈層互動的現(xiàn)象和歷史記錄。其中,地質上的大陸造山帶,代表了多圈層相互作用最活躍的地帶,而不僅僅是傳統(tǒng)觀念中地球內動力地質作用的場所。

1 造山帶的多圈層相互作用

在板塊構造的驅動下,造山作用期間是以固體地球內部圈層之間的物質交換和能量傳遞為主要形式的多圈層相互作用，并在一定程度上卷入了地球的表層系統(tǒng)。造山作用完結之后,這一相互作用轉化為以表層系統(tǒng)圈層的相互作用為主的多圈層耦合互動,其發(fā)生作用的基礎即為造山作用期間形成的物質組成以及結構構造。

1.1 造山作用期間的多圈層相互作用

1) 造山作用過程中的巖漿作用將地球深部的物質帶至地球表層,包括火山作用、巖漿侵入作用、底侵作用、流體作用、脫碳作用等,增進大陸生長、改變地殼物質組成和結構以及改變大氣成分。同時,上述作用過程均將地球深部的熱量輸送至地球表層,引發(fā)地表升溫。

2) 通過板塊俯沖過程將地球表層的物質輸送至深部，改變地幔物質成分和巖石礦物結構。這些物質包括洋殼、洋底沉積物、陸殼、含碳氧流體等。

3) 板塊俯沖、陸陸碰撞過程引起地殼變形、加厚以及地殼抬升效應，包括大洋板片斷離、拆沉以及大陸下地殼拆沉引發(fā)的地殼伸展、減薄、造山垮塌等變形效應[7]。這些深部過程造成表層多樣化的地質構造樣式。

4) 造山作用過程中,除固體地球圈層的相互作用外,也卷入了巖石圈與其他圈層的相互作用。例如:①在構造和地殼加厚等因素的作用下,山脈的隆升改變了既有區(qū)域的氣候特征。 ②在洋殼俯沖過程中，將大洋沉積物、 海水中的碳、 氧、 磷和氮等元素帶至地球深部, 造成上述生命構成和宜居地球創(chuàng)建相關元素的地質循環(huán)[3]。 特別是將碳帶入地質循環(huán)過程, 有助于降低大洋碳庫的碳容量， 并形成負反饋， 引起大氣碳濃度的降低, 起到調節(jié)氣候的作用。 ③通過火山噴發(fā)和巖漿侵入作用， 將深部物質包括流體帶至淺部和地表, 給生命提供營養(yǎng)物質、 改變水圈及大氣圈成分。 特別是巖漿流體中碳的釋放， 起到了氣候調節(jié)的作用。 ④造山過程引發(fā)的上述效應為生物的進化營造了多方面的宜居條件。

1.2 造山作用結束后的多圈層相互作用

造山作用之后,固體圈層間的相互作用為主的多圈層作用已經退居次位,轉而以地理概念的山脈為場所、表層作用為主要形式的多圈層作用。

1) 在水和大氣中碳的共同作用下,造山帶中硅酸鹽巖石的風化作用形成了較強的中和大氣二氧化碳的負反饋效應。此外,Lovelock等注意到,植物的腐爛及其土壤環(huán)境創(chuàng)造了使巖石快速溶解的酸性條件,加速了大氣二氧化碳的減少，并降低地球的氣溫[4]。

2) 山區(qū)綠色植物的發(fā)育及其所進行的光合作用是大氣碳消耗的另一更為快捷的途徑。一方面，植物吸納大氣碳產生氧。另一方面,從大氣碳凈減少的角度看,更為重要的是，碳參與下的光合作用產生的植物再生產。大規(guī)模植物死亡后的遺體加入了不同路徑和不同時間尺度碳的循環(huán),發(fā)揮著調節(jié)陸地、海洋和大氣碳濃度的作用而影響氣候。

3) 山體的物理、化學和生物的風化剝蝕牽涉了水圈、大氣圈和生物圈的作用力。侵蝕作用的結果造成山體隆升和刻畫地形地貌,而多樣化的、復雜的地形地貌有利于生物的繁育和發(fā)展[8-10]。

4) 山脈作為一定區(qū)域的侵蝕流域盆地沉積物的源,能提供大量的剝蝕碎屑物,填充匯水流域低地。同時,這一沉積過程給盆地的有機物帶來了巨量的營養(yǎng)物質,促進了生命的繁育。

中國大陸中央造山系秦嶺造山帶就是這樣一個地球系統(tǒng)多圈層相互作用發(fā)生的典型地域。在前人秦嶺研究成果的基礎上,本文從眾多的秦嶺多圈層相互作用的例子中選取4個案例，并以東秦嶺(陜西段)及其北坡為主要研究對象進行討論。同時,在文中也盡可能地列出該領域未來研究的科學方向。

2 秦嶺山脈的概況

秦嶺山脈位于中國大陸中部,東起河南南陽盆地、西至青海共和盆地。由東向西延伸1 600 km,南北寬200～300 km(見圖1)。

圖1 秦嶺山脈及周緣地區(qū)地貌圖Fig.1 Geomorphological map of the Qinling Mountains and surrounding areas

地質上，秦嶺屬于多幕次的復合型大陸造山帶，商丹和勉略兩大縫合帶將秦嶺造山帶由北而南將其劃分為華北地塊南緣溝-弧-盆系、南秦嶺和揚子板塊北緣[11-13]。其演化歷史可以追索至中—新元古代[14]。其主要的造山期有中晚古生代加里東造山運動、早中生代印支運動以及中生代晚期的燕山運動。在印支運動中,揚子地塊與華北地塊沿勉略縫合帶最終碰撞拼合,完成了統(tǒng)一的中國大陸基本構造格架的構建[11]。新元古代造山活動由殘留的巖體和大量的大約1.0 Ga的碎屑鋯石來表征,代表了消失的格林威爾造山運動[14]。而現(xiàn)今的秦嶺山脈形成于中新生代[11,13]。

秦嶺山脈以山峰、峽谷、盆地等地貌形態(tài)構成,平均海拔高度1 800～2 000 m,最高峰為陜西太白縣境內的太白山(3 771 m)。秦嶺高程地貌形態(tài)以中起伏的低中山—中山為主[15]。秦嶺北坡較陡，南坡較緩,主脊偏北。

秦嶺山脈是長江與黃河流域的分水嶺,南坡水系屬長江流域,北坡水系屬黃河流域。秦嶺又是中國南北方氣候的分野,其北屬于暖溫帶亞濕潤大區(qū),以南為北亞熱帶濕潤大區(qū)。北部冬季溫度在零度以下,南部高于零度。年降水量北部低于800 mm,而南部高于這個數(shù)量。秦嶺山區(qū)年平均溫度在8～14℃,低于秦嶺周邊城市年平均溫度約5℃[16]。秦嶺是重要的水源涵養(yǎng)區(qū),其中陜西段的水資源量約占陜西省水資源總量的50%。秦嶺北坡水資源量占渭河盆地地表水資源總量的51%,是浐河、灞河、灃河、黑河、潏河等河流的源區(qū)。

秦嶺山脈良好的生態(tài)環(huán)境是生物多樣性的天堂和“世界生物基因庫”。秦嶺陜西段森林覆蓋率達72.95%,森林蓄積達2.26億m3[17],森林面積達3.99×105km2,樹種多以生長周期長的喬木為主,是碳匯的重要場地[16,18]。同時,秦嶺是劃分以北的落葉闊葉林帶和以南為常綠闊葉林帶的界限。

3 秦嶺多圈層相互作用的實例

3.1 秦嶺新生代的隆升與氣候效應

3.1.1 秦嶺新生代的隆升 《構造地貌學(TectonicGeomorphology)》一書中提出過如下問題：“是否晚新生代全球山脈加速隆升并驅使氣候發(fā)生改變?”[19]答案是肯定的。新生代，特別是晚新生代是全球極為活躍的山脈隆升(成山)時期,其原因為新生代兩大造山活動(環(huán)太平洋周邊板塊俯沖和印度—歐亞板塊的碰撞全球性構造事件)以及引發(fā)的遠程效應。

秦嶺是一座年輕的山脈。它的隆升及其北側渭河盆地的形成,是中國大陸自印支期造山運動以來，中新生代的重大地質事件。之所以重大是因為秦嶺山脈的崛起帶來了一系列的地質、地理和氣候效應。例如,秦嶺的隆升促成秦嶺南北的氣候變化;許多動植物群落隨之興亡;新生代晚期風成的紅土和黃土沉積在其北側,黃土高原出現(xiàn)了;黃河被攔阻在秦嶺以北,形成中國大陸北方最大的水系。這一切改變了中國大陸中部的區(qū)域地質、地理以及生態(tài)環(huán)境。秦嶺山脈本身最終演變?yōu)橹袊箨懩媳钡刭|、地理、氣候、生物的分界線。

從目前的研究來看, 秦嶺新生代強烈的隆升與古太平洋板塊和現(xiàn)代太平洋板塊向東亞大陸的俯沖、 中國大陸東部中生代晚期至新生代較長時間處于伸展環(huán)境的大背景密切相關[20-25]。 同時, 伸展環(huán)境多表現(xiàn)為正斷層作用[20-21,26-28]。 在新生代兩階段裂谷作用中, Liu等[21]認為， 渭河地塹發(fā)育在第二階段即晚新生代時期, 該階段經歷了近N—S向的伸展作用， 并形成了近E—W向的正斷層和NNE的右旋走滑斷層。 由于中生代晚期至新生代期間， 沿東亞大陸東緣俯沖的古太平洋板塊的性質和機制發(fā)生變化, 主要表現(xiàn)為多次俯沖海溝的后退、 板塊回滾以及洋中脊俯沖等， 并造成上述中國大陸東部陸內構造以及巖漿作用的響應[21-22,25,29]。

越來越多的研究表明,秦嶺隆升的主期在新生代,且快速隆升出現(xiàn)在新生代晚期,甚至第四紀期間。從多個夷平面的存在可知，秦嶺的隆升是以間歇式、多幕式為特點的[30-31]。從低溫熱年代學數(shù)據(jù)(主要為AFT測年數(shù)據(jù))的統(tǒng)計來看,大約50 Ma是東秦嶺北部隆升啟動的時間,同時也是渭河盆地開始接受沉積的時間[27,32-37]。根據(jù)原地質部第三地質普查大隊的鉆孔資料,在渭河盆地地下五千多米處鉆遇古近紀中始新統(tǒng)(50 Ma)紅河組地層[32,38]，從盆地沉積角度證實了上述東秦嶺隆升啟動的年齡數(shù)據(jù)是有意義的。在更大動力學背景上,東秦嶺隆升的動因來自東亞大陸東緣太平洋板塊俯沖帶的轉型,大約50 Ma正值太平洋板塊取代古太平洋板塊(Izanagi板塊)的交替過程。兩者之間近于平行東亞大陸邊緣的洋中脊的俯沖不僅引起了巖漿作用的空窗期,而且造成了中國大陸東部盆地沉積的不整合以及山脈的隆升現(xiàn)象[29]。Liu等將此解釋為早新生代(55～45 Ma)洋脊俯沖引發(fā)的板片窗效應[39]。

東秦嶺首次加速隆升出現(xiàn)在中新世晚期(大約10 Ma)[27,33-37,40-41],此時太平洋板塊經歷著俯沖海溝的后退[21,25],造成中國大陸東部持續(xù)的構造伸展以及新一輪的巖石圈減薄和相應的大陸玄武巖的噴發(fā)[22,25]。

東秦嶺的隆升在第四紀期間也經歷了加速過程,地質現(xiàn)象判讀和測年數(shù)據(jù)較集中的時間節(jié)點為:大約1.2[32,42-43],0.8[31,44]，0.02[45]，0.01 Ma[31]。其中,薛祥熙等[46]利用動物群落的南北差異發(fā)生的時代,約束快速隆升時間,認為秦嶺成為動物南北遷徙的屏障出現(xiàn)于早更新世末—中更新世,并根據(jù)古生物群落時代和多級洞穴高差推算出早更新世末—中更新世的隆升速率為0.11～0.16 mm/a。滕志宏等[31]則通過夷平面并結合河流階地的發(fā)育以及沉積厚度推斷出Q1、Q2、Q3和Q4的隆升速率，并判定Q1和Q4秦嶺上升是加速的。

3.1.2 秦嶺新生代的氣候效應 秦嶺的快速抬升與青藏高原的隆升均發(fā)生在新生代,后者對中國北方特別是西北地區(qū)造成的強大氣候效應，在很大程度上掩蓋了秦嶺抬升的氣候影響[47]。因此,從青藏高原的氣候效應中甄別和提取秦嶺的氣候影響有一定的難度。此外,若考慮全球氣候變化的區(qū)域影響,例如更新世的氣候轉型、全球氣候多動力因子等[48],厘清秦嶺隆升的氣候效應將是更大的挑戰(zhàn)。

盡管缺少定量分析秦嶺影響大氣環(huán)流的臨界高度數(shù)據(jù),但平均海拔高度1 800～2 000 m的秦嶺山脈會對平流層下層(低層)施加較強的影響力是肯定的。平流層下層含有較多的水汽(雨云、霧)和沙塵物(例如黃土),冬季南下季風因為低溫也會下壓下層高度。因此，秦嶺的存在對東亞季風的作用是明顯的。 劉護軍[32]認為，秦嶺的隆升凸顯了青藏高原隆升的氣候效應,意味著強化了東亞季風的強度,特別是冬季風。它的最大效應是在夏季和冬季分別形成對季風的阻隔作用。前者攔截溫暖濕潤的夏季風的北上,后者則對干冷的冬季風南下形成屏障?，F(xiàn)今,在全球變暖導致秦嶺南北同步升溫的背景下,秦嶺山脈作為中國南部北亞熱帶和北部暖溫帶的界限而存在的意義依然是明顯的[49]。在南部北亞熱帶北界，在海拔高度有抬升趨勢的情況下,秦嶺北部渭河盆地的城市日均氣溫≥1℃的天數(shù)已符合北亞熱帶的特征,但所有地區(qū)1月份的氣溫仍在0℃以下。因此,南北氣候以秦嶺為界仍符和鄭景云等氣候帶的劃分原則[50]。這充分說明，秦嶺山脈的存在形成了對東亞季風的屏障作用。

秦嶺的氣候效應,直接或者間接地制約和改造著環(huán)境。最直觀的例子是，秦嶺作為氣候帶分界,其南北出現(xiàn)不同的氣候特征和植物群落及其相應的生態(tài)環(huán)境[51]。第四紀以來，秦嶺將冬季風搬運的、源自西北荒漠地區(qū)的風塵攔截在秦嶺以北,沉積為世界上最大規(guī)模的黃土高原。而在秦嶺之南,在相同的地質歷史時期,卻是紅土的堆積[52]。在更為久遠的中新世晚期至上新世(8～7 Ma BP),秦嶺可能同樣阻隔了季風攜帶的紅黏土的南下,在鄂爾多斯地塊上形成了黃土高原的前身——“紅土高原”[53]。盡管如此，現(xiàn)在依然不清楚,秦嶺新生代的崛起對其北方氣候以及生態(tài)環(huán)境施加影響的時空限度和相應的強度。對于秦嶺以南廣大地區(qū)而言,秦嶺隆升的氣候效應攔截了夏季風的暖濕氣流，并強化了秦嶺以南廣大地區(qū)夏季風的效應。

第四紀晚更新世(大約1.2 Ma BP)是秦嶺隆升重要的時間點，自此，在第四紀早期，幾乎占據(jù)整個渭河盆地的三門湖開始萎縮并逐漸消失。除去黃河于大約0.15 Ma BP切穿三門湖的原因外,湖體的逐漸消失不能排除秦嶺抬升的氣候效應。由于秦嶺隆升對于夏季風及其攜帶水汽的攔阻,造成秦嶺以北降雨的減少以及對三門湖供水的減少。

秦嶺山脈腹地例如洛南盆地，黃土和古土壤的地球化學和礦物學研究表明,自0.880 Ma BP以來,隨著東秦嶺的階梯式隆升,來自秦嶺以北的東亞冬季風的強度減弱,而來自南部的東亞夏季風增強。因此,造成該區(qū)氣候逐漸趨向溫和濕潤,并為古人類在此活動創(chuàng)造了宜居環(huán)境[54]。

秦嶺的隆升以及氣候環(huán)境效應的研究應當成為未來地球系統(tǒng)研究的主攻方向之一。需要在向國際前沿看齊的前提下,繼續(xù)在下述問題上悉心鉆研:秦嶺隆升的深部動力學;秦嶺隆升階段的熱年代學與大地構造事件的配套;隆升過程不同階段的氣候和環(huán)境效應;隆升過程中地表剝蝕作用的貢獻。

3.2 秦嶺:生物天然營養(yǎng)庫

地球上，生命的孕育、誕生和演化以及生物圈的形成發(fā)展需要其他圈層的物質支持,其中重要的物質組分是陸地營養(yǎng)物質,包括碳、磷、鉀、鐵等營養(yǎng)元素[3,55-56]。在陸地供給的營養(yǎng)物質中,磷(P)和鉀(K)被稱作是關鍵的“生命構建營養(yǎng)元素”[54]。

地球表層的巖石組成中,花崗巖富含上述元素，特別是磷、鉀,同時還含有其他一些生命繁育必要的金屬元素和稀有元素,是最為理想的“生命構建營養(yǎng)元素”的源泉。大陸占地球表面的1/3,花崗巖構成了大陸地殼尤其是上地殼的主體。因此,花崗巖的地表分布極其廣泛。中國大陸具有眾多的造山帶,是花崗巖非常發(fā)育的地域[57-58]。

秦嶺造山帶多幕次造山作用產出的花崗巖主要為早古生代加里東期(507～400 Ma)、早中生代印支期(252～185 Ma)和中生代晚期的燕山期花崗巖(158～100 Ma)[59]。

秦嶺(陜西段)北坡出露大量的花崗巖巖體, 面積占整個北坡的40%以上(見圖2)。 出露于秦嶺北坡的花崗巖主要屬于早古生代和晚中生代的花崗巖, 地質構造單元上屬于北秦嶺和華北地塊南緣。 印支期花崗巖大多出露于秦嶺南坡(分水嶺以南)的南秦嶺。 三期花崗巖盡管時代不同， 但多數(shù)為二長花崗巖、 花崗閃長巖和鉀長花崗巖, 屬于富鉀鈣堿性-鉀玄巖系列。 花崗巖主微量元素含量基本相似, 關鍵營養(yǎng)元素鉀(K)和磷(P)的質量分數(shù)分別為北秦嶺花崗巖4.16%和0.12%; 華北地塊南緣同類巖石為4.26%和0.13%[60]。

圖2 東秦嶺(陜西段)北坡花崗巖分布圖(根據(jù)文獻[61]修改)Fig.2 Granite distribution on the northern slope of East Qinling(Shaanxi section)

地質歷史上,秦嶺成為其北側鄂爾多斯地區(qū)沉積物的“源”開始于晚古生代和早中生代時期,當時加里東造山運動已使秦嶺隆起,又復疊加了印支期造山運動。早期的華北陸表海以及秦嶺海槽的構造配置已經發(fā)生了反轉,曾經的秦嶺海槽已經是隆起的山脈,而陸表海已經成為內陸湖盆[62-64]。研究表明,三疊紀鄂爾多斯盆地與秦嶺造山帶中的山間盆地存在某種相連的通道,兩者同時接受來自秦嶺的同源碎屑物沉積[65]。于是通過這些通道,秦嶺山地富鉀、磷和其他微量元素的營養(yǎng)物質源源不斷地供給盆地,滋養(yǎng)了豐富的有機物,為鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)烴源巖的形成打下物質基礎。白堊紀早期,由于鄂爾多斯盆地的構造隆起,秦嶺造山帶作為它的沉積物源地的歷史,在早白堊世宣告結束,其沉積物的最后標志是分布在鄂爾多斯盆地南緣的下白堊統(tǒng)“宜君礫巖”[66]。

如前所述,隨著秦嶺在大約50 Ma前開始隆升和渭河盆地的下陷,大量來自秦嶺北坡的剝蝕碎屑沉積在盆地中。秦嶺大約10 Ma的快速隆升加劇了山與盆高程的反差,進一步強化了山體的風化剝蝕，有力地促進了剝蝕率的提高和碎屑物的通量[3, 56]。同時,由于燕山期強烈的花崗巖巖漿侵入作用,使得東秦嶺北部的花崗巖大量增加。

根據(jù)Shi等得出的晚中新世(大約10 Ma)北秦嶺的剝蝕速率(大約67.4～327 m·Ma-1)[36],可計算出秦嶺北坡鉀和磷的剝蝕量:鉀每百萬年為4 087×106～1 983×108t,磷為6 691×105～3 246×106t。平均每年鉀和磷的剝蝕量分別為4 087～198 300 t和669～3 246 t。這些營養(yǎng)元素在三門湖向東打開之前的一千萬年內基本沉積在渭河盆地中,賦存地層相當于灞河組及其上覆地層。此外,在古近紀中始新世晚期—晚始新世期間,渭河盆地已經開始接受主要來自秦嶺的剝蝕碎屑,形成灞河組以下至紅河組地層[32],只是在大約40 Ma期間,東秦嶺的隆升速率低于中新世以后的速率。

這樣的營養(yǎng)元素供給量已經持續(xù)了千百萬年之久,造就了渭河谷地肥沃的土地,為農耕文明的開啟、進而為中國古代最早“天府之國”的出現(xiàn)以及在此基礎上形成的燦爛的中國古代文明奠定了基礎。

3.3 秦嶺:碳中和的基地

碳是構成生命最基本的物質。同時,碳又是調節(jié)氣候、營造宜居環(huán)境不可缺少的關鍵元素。今天,人類已經進入了“碳的紀元”[67],控碳已經成為治理國家、保護宜居地球和世界正常秩序的重大國策。習近平主席2020年向世界莊嚴承諾,中國將在2030年實現(xiàn)碳達峰和2060年實現(xiàn)碳中和。

作為中國大陸的“眾山之首”,秦嶺山脈是巖石礦物的世界，生物多樣化的天堂以及碳中和最理想的場所。碳被吸收和儲集的場所,就是巨大的“碳匯”和“碳庫”。多個碳的吸收儲集方式一起產生著減少大氣碳的負反饋效應。

首先,秦嶺發(fā)育極其豐富的植被,其植被的密度超過南北兩側的盆地。因此,這些綠色植物的光合作用是可觀的,在產出高濃度的負氧離子的同時,消耗著大氣中巨量的二氧化碳,發(fā)揮著凈化空氣、調節(jié)氣候、改善居住環(huán)境的效應。據(jù)研究,僅秦嶺陜西段，森林年均固定CO2約4 000萬t[68]。相對下述減碳方式,綠色植物的光合作用是最快捷的。因為它僅僅與日照有關,只隨著晝夜和季節(jié)變化。另一方面，因為綠色植物需要進行有氧“呼吸作用”,從大氣碳凈減少角度來看，其效應是有限的,或者更嚴格地說，其減碳效應短時間尺度上存在起伏變化。但是,不能忽視在碳的參與下，光合作用產生的植物生產力總量的提升。因為,全球植被中的碳含量總和幾乎等于大氣中的總碳量[4]。隨著植被體量規(guī)模的擴大,有機物所含的碳最終會包含在它們的遺體中加入到不同路徑和不同時間尺度的碳循環(huán),發(fā)揮著不可替代的，調節(jié)陸地、海洋和大氣碳濃度的作用而影響氣候,起到一個重要的負反饋效應。根據(jù)研究,如果碳隨植物的遺體進入土壤，在那里停留的時間會是50年[3]。如果碳進入沉積物并被埋藏于陸內盆地形成沉積巖,再次遭受風化剝蝕的時間長短取決于暴露地表或者卷入板塊構造循環(huán)的時間。

硅酸鹽風化過程產生另一個有效的降低大氣碳的負反饋(見圖3)。秦嶺山脈中出露大量的硅酸鹽巖石,部分沉積巖也含有高比例的硅酸鹽礦物。因此，在地表的化學風化作用中,水與大氣中的碳參與硅酸鹽巖石的風化作用,與其反應生成碳酸根離子及鈣、鎂、鐵等離子,搬運至內陸盆地或者進入大洋,形成碳酸鹽及其他沉積巖,加入地殼循環(huán)過程。進入大洋的碳會形成碳酸鹽巖石，加入板塊構造循環(huán),隨板片俯沖至地幔,成為深部碳,直至它們通過火山和侵入巖漿作用再度回到地表,在那里停留50～60 Ma[3，69]。

注：變化的太陽光度被視作施加的外力圖3 硅酸鹽風化作用的負反饋(引自文獻[4])Fig.3 The silicate weathering negative feedback with changing solar luminosity shown as anexternal forcing

在秦嶺造山帶的演化歷史中,風化作用始終存在于造山作用的過程中和造山結束后的構造平靜期,尤其在造山后的構造平靜期，外動力作用尤為強烈的情形下,風化作用更趨于劇烈。其詳細的多圈層相互作用過程需要今后相當長的時間，從各個角度悉心研究。而現(xiàn)今，由于太陽亮度的增加和溫室效應的加重(主要是大氣碳濃度的增加)(見圖3),這一作用過程比以往任何時候都要強烈[4]。但是雨水的減少,會抑制這一效應的發(fā)揮。從近年的降雨量來看,秦嶺及秦嶺北側有“南雨北移”的現(xiàn)象,假如這一趨勢能夠持續(xù)下去,可能會使秦嶺風化作用起到的碳中和強度更大。

今后研究重點任務之一是，較為精準地計算秦嶺通過上述植物的光合作用和硅酸鹽巖石風化等方式實現(xiàn)碳中和的量,為進一步發(fā)揮秦嶺作為中國大陸中部碳中和基地的作用,擴大秦嶺綠色植被的體量,為國家制定相關碳中和政策提供科學依據(jù)。

3.4 秦嶺:早期人類和中華文明的搖籃

由于秦嶺新生代的隆升,導致了中國大陸中部地質、地理，氣候和生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)了前所未有的新格局。除此之外,更有意義的是，新生代秦嶺隆升事件和渭河盆地的出現(xiàn),為中華文明的誕生和發(fā)展,舉行了一個地質構造上的奠基禮。

3.4.1 藍田人的搖籃 Zhu等[70]2.12 Ma舊石器時代古人類遺址的發(fā)現(xiàn)，將藍田人出現(xiàn)的1.63 Ma[71]又向前推了0.5 Ma。按照此發(fā)現(xiàn),藍田人成為了東亞最古老的直立人,可能僅次于最早走出非洲的遠古人類(于二百多萬年前走出非洲的)[72]。這一新的發(fā)現(xiàn)對重新認識人類的起源演化和遷徙格局必然產生重大影響。

藍田人棲居于陜西藍田縣玉山鎮(zhèn)上陳村一帶,屬于銅人塬,位于秦嶺山脈北麓,南距秦嶺山脈約4 km。極有可能在兩百多萬年以前,藍田人曾經活躍在秦嶺北坡。秦嶺強反差的地形地貌，多樣化的動植物世界以及陰晴不定的氣候條件，晴朗夜空的星漢燦爛,無疑鍛煉了人類先祖的身體，促進了其心靈智慧的發(fā)展和成熟。秦嶺復雜的地形地貌和豐富的食物資源,不僅養(yǎng)育了他們的身體,還培育了他們的心智。高山峻嶺和茂密的植被有利于古人類骨骼肌肉的發(fā)育和主管軀體運動系統(tǒng)的大腦皮層部位的發(fā)達。陰晴多變的氣候和夜晚燦爛的星空鍛煉了他們的左右腦,促進了思維能力的發(fā)育[73]。

秦嶺的宜居環(huán)境例證還可以在Fang的研究中看到[74]：隨著更新世東秦嶺的隆升,秦嶺腹地中洛南一帶的氣候條件逐漸趨于溫暖和潮潤,甚至不受第四紀晚期冰期的影響。這樣的宜居環(huán)境吸引了早期人類在此繁衍生息。他們是否與藍田人有親緣關系值得研究。秦嶺山地新生代宜居環(huán)境孕育出眾多的動物種類,包括現(xiàn)今的秦嶺四寶(熊貓、金絲猴、羚牛和朱鹮)。但是，相對于這些動物,秦嶺在其第四紀以來的演化過程中還養(yǎng)育了我們的祖先藍田人,他的出現(xiàn)意義更為重大。對于我們的先祖藍田人的成長和進化而言,秦嶺功不可沒。

隨著秦嶺山地宜居條件的變化和藍田人的進化,藍田人走出了大山遷徙到了秦嶺北麓的黃土臺塬地帶。在這里他們左右逢源,一面是山地,一面是松軟的黃土塬。山地繼續(xù)為他們提供生活的必須品，而塬的廣大和開闊,為他們尋求更為宜居的環(huán)境和向更高級階段的進化鋪平了道路。古土壤中夾雜著沉積的大小不一、形狀各異的白色脈石英,據(jù)分析,這些石英巖很可能來源于秦嶺北麓花崗巖侵入體中的石英脈,則為他們制造工具提供了石材。

渭河谷地多年來發(fā)現(xiàn)的舊石器時代古人類除藍田人以外,還有大荔人(18～23萬年)。后者已經完全生活在渭河河谷腹地,是藍田人200萬年之后的舊石器中晚期的古人類了。從藍田人生存的地理位置來看,他們剛剛離開山地,才亦步亦趨地走向渭河谷地的縱深,還有非常漫長的路要走。

3.4.2 中華文明的發(fā)祥地 為何歷史上西周、秦漢唐如此強盛?人們認為關中平原農業(yè)文明的發(fā)達奠定了建都的基礎。再往深層探究,為什么這里的農業(yè)文明甚至商業(yè)貿易如此發(fā)展,可能的答案會是渭河的平原形成提供了天時地利、土地肥沃等農業(yè)發(fā)展的條件。但這依然是較為浮淺的答案。其實再深追一步,在渭河谷地發(fā)達起來的中國古代文明植根于地質構造之中。渭河谷地的地質構造環(huán)境為后來的早期人類演進和人文進步奠定了良好的地理環(huán)境基礎。在此基礎上,農耕文明得以高屋建瓴地發(fā)展。

英國著名歷史學家菲利普費爾南多·阿梅斯托(Fermades Armesto)根據(jù)陸地海洋等地理單元劃分了世界文明的類型,強調文明的強度取決于“地利”的優(yōu)劣。中華文明被歸為“沖積土文明”的范疇。他指出，中華文明與黃河文化密不可分,而黃河文化起源于上游的“小谷地”[75]。需要指出的是，他的著作中將“小谷地”的名字搞錯了,實際上應當是渭河谷地。渭河谷地以高山峻嶺與黃河做屏障,成為中國文明的搖籃。有西周、秦漢唐等歷史上舉足輕重的朝代在此建都。他特別提到了秦國依據(jù)天塹在此崛起,首次統(tǒng)一了中國。他很客觀地認為,中國文明是世界文明的典范,“文明在世界其他地方興衰無常,但中國文明卻有驚人的連續(xù)性?，F(xiàn)今中國所具有的文化,可以明顯看出是大約4 000年前在黃河流域開始形成的文明流傳下來的”?！霸谝粭l長條泥土地上開端的故事,結果傳到了全世界?！?/p>

但是，需要指出的是,在評價文明的“地利”因素時,費爾南多·阿梅斯托忽略了不同地理單元的結合配置對于文明形成和發(fā)展的功效。對于中國的案例而言,他忽視了秦嶺與渭河谷地之間的協(xié)同作用對于文明進化的推動效應。與渭河谷地在統(tǒng)一的地質構造背景下發(fā)育的秦嶺山脈,從地球系統(tǒng)多圈層相互作用的角度，在以下幾方面對渭河谷地起到了養(yǎng)育、庇護作用,強化了文明進步的“地利”因素,為中華文明大廈的建立奠定了物質和結構基礎。

1) 來自秦嶺富含營養(yǎng)物質的沉積物造成了渭河盆地的沃土千里,在一定意義上為后來農耕時代的發(fā)展提供了物質條件。

2) 秦嶺是渭河盆地重要的水源涵養(yǎng)地。秦嶺的水資源量約占陜西省水資源總量的50%，秦嶺北坡的水資源量占關中地表水資源總量的51%。這些豐富的水資源從古至今灌溉著八百里秦川,促進農業(yè)的發(fā)展、推動著文明的進步。

3) 南有秦嶺,北有北山,使得渭河盆地成為得天獨厚的風調雨順之地,少有自然災害的發(fā)生。盡管青藏高原的隆起對中國大陸西北地區(qū)造成了荒漠化的影響，但渭河盆地卻是地肥水美,保障了早期人類的繁衍生息和農耕時代人民安居樂業(yè)、社會穩(wěn)定安寧。

4) 秦嶺隨同圍繞渭河盆地周緣的山脈和黃河，對文明的發(fā)展形成了天然的安全屏障。古人對于渭河谷地的山川形勝多有議論,稱其為“四塞之國”。對于何為“四塞”,戰(zhàn)國時期的范睢給予了較為清晰的解釋:秦國“四塞以為固,北有甘泉(今淳化甘泉山)、谷口(今涇河出北山之處),南帶涇、渭,右隴、蜀(秦巴山地),左關(崤山函谷關)、阪(蒲津關,晉陜間的古渡口,在今大荔縣東黃河邊)”[76]，構成了渭河谷地南側的天然屏障。除了“四塞”說法之外,渭河谷地又稱作“關中平原”。所謂關中,就是在陜西境內，秦嶺山脈由西而東的大散關、武關、潼關 (早期為函谷關)以及北面的蕭關(今甘肅固原東南)。有了這“四塞”加“四關”的庇護,渭河谷地就能攻能守，固若金湯,國家無往而不勝。尤其在古代文明的發(fā)展初期,“得秦嶺者得天下”[77],以秦嶺為主的山川形勝從政治和軍事上維護了國家的長治久安,保護了既有的文化,極大地促進了文明的順利延續(xù)和發(fā)展。當然,吳宏岐指出，關中平原發(fā)達還有一個不能忽視的原因就是它在通往西域絲綢之路上的重要位置[76]。但說穿了,交通上的重要位置還是繞不開上述“地利”因素的作用。

以上諸多因素促成了渭河盆地成為中國最早的“天府之國”。在戰(zhàn)國時期,渭河一帶的秦國所在地就被稱為“天府”和“天下之雄國也”。到了西漢，渭河盆地又有“金城千里,天府之國”的說法(《史記·留候世家》)。 因此,“天府之國”的稱謂比成都平原獲此殊榮要早出約600年。

正是秦嶺山脈與渭河谷地的山盆的完美構造和空間搭配,將山岳的形勝與沖積平原的優(yōu)勢結合起來,最終形成的自然地理環(huán)境給人類社會帶來了極強的人文效應,使得中華文明在這塊土地上生根、開花、結果,并以萬世不竭的強大生命力傳承和延續(xù),彰顯出倔強、頑強、彈性和偉大的同化能力。而對比世界上單純的沖擊平原文明或者高地文明,前者如尼羅河、美索不達米亞和印度河文明,后者如安第斯山的印加文明[75],都統(tǒng)統(tǒng)消失在歷史的煙塵中,難覓蹤影。

在這里應當悉心考慮“一方水土養(yǎng)一方人”的微妙和深刻道理。如果說黃河、長江是中華民族的血脈,那么橫亙中國大陸中央的秦嶺山脈就是他的脊梁。千百萬年的地質演化和多圈層互動的結果,秦嶺山地的物質和構造已經通過形形色色的物理與化學的渠道滲透到了中華民族和文明的細胞之中,造就了這一屹立于世界東方的民族和所擁有的璀璨的中華文明。

在秦嶺地質研究的基礎上,開展秦嶺山地、渭河盆地與早期人類演化的關系，以及中華文明在此誕生發(fā)展的地質、地理、氣候和生態(tài)環(huán)境意義的研究前景是廣闊的。

4 結語

地球系統(tǒng)研究已經成為21世紀地球科學研究的主旋律,而多圈層相互作用及其宜居地球的成因是研究的重中之重。大陸造山帶代表了地球系統(tǒng)多圈層相互作用極為活躍的場所。造山作用期間,多圈層相互作用以固體地球圈層的關聯(lián)互動為主,而在造山作用結束之后,地表作用上升為主要的多圈層相互作用的形式。

秦嶺造山帶是多幕次的復合型大陸造山帶,無論是造山過程或者造山作用結束形成地理意義上的山脈,它始終都是中國大陸多圈層相互作用的舞臺,而造山作用結束后的多圈層相互作用正是在前期造山作用提供的物質和形成的構造基礎上展開的。

文中所選擇的4項與秦嶺多圈層作用有關實例的討論,目的在于能夠給學者以啟發(fā),認識到秦嶺對于展開地球系統(tǒng)研究的難能可貴和秦嶺多圈層相互作用研究天地的廣闊,并努力構建一個秦嶺構造-環(huán)境-生命-人文的地球系統(tǒng)研究生態(tài)鏈,從研究積累厚實的秦嶺地質構造出發(fā),通過多學科(包括人文學科)的攜手融合,大力開展以構造為主的多圈層關聯(lián)互動與中國大陸宜居環(huán)境成因，以及中國早期人類和中華文明在這塊土地上發(fā)跡的相關研究,將地球科學水平推向新的高度。

致謝:中國地質大學(北京)的張博博士提供了最前沿構造文獻，西北大學地質系周小虎老師提供了文中底圖，池建強同學幫助繪制圖件，在此深表謝忱。