青藏高原造山运动初步研究论文

自80年代以来青藏高原逐渐成为地球科学研究的热点和焦点，正在酝酿着新的理论突破。一方面是因为青藏高原作为地球上大陆碰撞最典型的地区，它是检验和发展板块学说的理想场所，有助于建立新的地球动力学理论；另一方面则是由于青藏高原在晚新生代的强烈隆起，极大地改变了亚洲乃至整个北半球的大气环流形式，并对大陆岩石的化学风化、海洋锶同位素的演化以及高原周边的环境、气候及陆地生态系统都产生了重大的影响。 本文综述了青藏高原隆升的时间、过程、环境气候效应及其对海洋锶同位素演化影响的主要内容和最新进展，以便了解青藏高原隆升在全球气候变化中的重要性，并对海洋锶同位素组成的演化特征及其影响因素能够有一个较为清楚的了解。 1 青藏高原的隆起及其气候和环境效应 青藏高原是全球大陆地势上最高的一级台阶，青藏高原的隆起使得地球表面的形状发生了巨大的变化，并对全球变化产生了重要影响。 1.1 高原隆起的阶段性 青藏高原的隆起是一个多阶段、不等速和非均变的复杂过程。对此，国内外学者有着不同的观点。我国学者认为青藏高原的地壳增厚到几乎双倍于正常地壳的厚度是在始新世中期到中新世早期亚洲板块和印度板块的碰撞后开始产生的，但此时只有冈底斯山和喜玛拉雅山呈现显著隆升，广大高原本部仅做被动的、相应的应力调整和变形，但经过长期剥蚀曾两度达到夷平状态，而青藏高原的强烈隆升是从上新世晚期和/或第四纪早期才开始的 〔1〕 。李吉均等 〔2〕 又进一步发展了这一观点，认为青藏高原的整体快速隆升始于3.6 的青藏运动，而始于1.1～0.6 和0.15 的昆仑—黄河运动及共和运动则使高原最终达到现今的高度。其中青藏运动又分为A、B、C三期（3.6、2.5和1.7 ），而到了约2.5 的B期时青藏高原已隆升到现今高度的一半（约2 000 m），这一高度被认为是高原隆起—黄土堆积的临界高度。在共和运动时期，喜玛拉雅山由于普遍超过了6 000 m而成为阻塞印度洋季风的重大障碍。90年代以来国外许多学者对这一观点提出了挑战，并把青藏高原的强烈隆起的时间提前了很多。Coleman 〔3〕 认为早在14 以前青藏高原就已达到最大高度并呈东西向拉伸塌陷，其后高度又有所降低。其证据是在喜马拉雅山南北向的正断层上找到了年代为14 的新生矿物。Kroon等 〔4〕 认为喜马拉雅山和青藏高原在8 以前已达到现今的高度，其主要的根据是发现阿拉伯海的上涌流在8 时大大增强，指示了印度洋季风的出现。Quade等 〔5〕 通过对巴基斯坦北部土壤碳酸盐碳同位素的研究揭示出在约7.4～7.0 时C 3 植物向C 4 植物发生剧烈转变，这种剧烈的生态演变标志着当时亚洲季风的形成或显著加强。Harrison 等 〔6〕 通过地层年代学、沉积岩石学、海洋学和古气候学的研究表明南青藏高原的快速隆升和去顶事件开始于约20 以前，而现代青藏高原的高度则得益于约8 前高原的再次隆升。王彦斌等 〔7〕 根据喜玛拉雅山聂拉木地区花岗岩样品的磷灰石的裂变径迹分析结果提出整个南喜玛拉雅造山带在上新世—第四纪为快速抬升期。钟大赉等 〔8〕 通过较系统的矿物裂变径迹研究表明：45～38 印度板块与欧亚板块碰撞后，青藏高原经历过3次抬升事件（25～17 、13～8 、3 至今）。施雅风等 〔9〕 也支持这一观点，并且认为在40 左右，发生了青藏高原的第一期隆起，但当时所成的高山已被完全蚀去，其高度难以估计，范围也较小。青藏高原的二期隆起发生在25～17 。其证据是孟加拉湾浊流扇沉积 87 Sr/ 86 Sr变化指示喜马拉雅的变质岩在20～18 处于强烈上升时期（Harris，1995）。崔之久等 〔10〕 利用夷平面与古岩溶研究证明了青藏高原经过三次隆起和两次夷平的观点的正确性。王富葆等 〔11〕 根据沉积学、磁性地层学、古生物学和氧、碳同位素等研究资料，恢复了中新世晚期以来的构造和气候事件，指出喜马拉雅山上升始于7.0 前，但强烈的上升发生在2.0～1.7 间和0.8 以来，另外，在4.3～3.4 间亦有一次显著隆升，但以后两次上升最为强烈，并且山地与盆地之间的差异隆升运动明显。 时至今日，青藏高原隆起的时间、过程、幅度和速率等问题仍然未有定论，这还有待于国内外学者进一步研究证实。 1.2 高原隆起的环境和气候效应 青藏高原的隆升与全球及区域环境、气候变化的关系问题，引起了世界科学家的广泛关注。尤其是，近年来随着构造隆升驱动气候变化假说的提出，用以青藏高原为代表的构造隆升导致的各种物理化学过程及其气候效应来解释大冰期的来临和全球气候变化，已成为国内外学者研究的热点和焦点。青藏高原对大气环流的热力与动力作用自50年代开始即被科学家们所注意，并进行了一系列的观察与研究。早在20多年前，真锅等（1974年）的数值模拟计算结果表明：考虑青藏高原大地形存在时的1月份100 k Pa等压面上的大气环流图式与现今实际观测值近似一致，当不存在青藏高原时，现有的西伯利亚高压就不复存在 〔12〕 。明茨等 〔13〕 通过计算分析，也都一致认为：由于青藏高原的存在，欧亚大陆的冬季才有西伯利亚高压。Kutzbach等 〔14〕 的数值模拟结果表明，青藏高原的存在与否是亚洲季风，特别是东亚季风形成的一个决定因素。Birchfield等 〔15〕 认为青藏高原的隆起增加了冬季雪的覆盖厚度，改变了局部乃至全球的反照率，从而可能对全球气候产生不可忽视的影响。最近Ruddiman等 〔16〕 通过理论分析与数值模拟把晚新生代地球的变冷及区域分异性的增强归因于晚新生代青藏高原及北美西部高原的隆起。王建等 〔16〕 从孢粉植物分异及演变、干旱碎屑及膏盐沉积分布等方面，对柴达木盆地西部新生代气候与地形的演变进行了探讨。其结果表明，盆地西部新生代两个极端干燥的气候期（膏盐发育期）分别出现在始新世至渐新世及上新世至第四纪。前者与老第三纪行星环流控制下的副热带干燥带有关，而后者与青藏高原的隆升有关。 施雅风等 〔9〕 通过对柴达木盆地的研究结果表明：青藏高原于25～17 第二期强烈隆升即相当于喜马拉雅运动的二期，其所达高度与宽度，足以改变环流形势，它和同时期的热带太平洋的变暖、南极冰盖出现越赤道气流增强、亚洲东缘、东南缘边缘海盆的扩大、亚洲大陆的向西伸展、副特提斯洋的萎缩等因素相结合，共同加强了大陆与大洋的热力差别和动力作用，孕育了以夏季风为主的亚洲季风系统，替代了东亚地面老第三纪的行星风系，导致了东亚干旱草原带大收缩与湿润森林带大发展等重大环境变化。 滕吉文等 〔17〕 从青藏高原巨厚的地壳与薄岩石圈模式、位场与波场特征，从板块构造与深层过程和动力学机制的角度，研究和探讨了高原隆升与全球变化的关系。他们认为，地球内部（地壳、地幔、地核）物质运移与气候变化有着密切关系，并且指出，高原特异的壳—幔结构，一系列大型走滑断层的形成和其整体隆升，均影响太阳能量在大气层里的传输方式，使大气热机效率增大，导致行星西风增强，极—赤温差增大，并最终形成第四纪大冰期。 风尘沉积是典型的大气沉积物，对大气环流格局和强度变化的响应特别灵敏，因而可以间接地视为构造隆升驱动气候变化的重要地质证据 〔18〕 。因而与青藏高原有着天时、地利关系的黄土高原能够对青藏高原的隆升起到好的说明作用。黄土高原风尘沉积序列真实地记录了东亚季风形成演变的信息， 它既是北半球大冰期气候变化的反映，又是对青藏高原构造隆升的响应 〔19,20〕 。吴锡浩等 〔20〕 根据地层记录，对黄土高原黄土—古土壤序列所反映的构造气候旋回与青藏高原冰碛—古土壤序列所反映的隆升过程进行对比，表明它们在地球轨道偏心率的准0.4 Ma周期变化方面具有大致同步的相位关系。刘东生等 〔21〕 也论述了亚洲季风系统的起源和发展及其与两极冰盖和构造运动的时代耦合性。王富葆等 〔22〕 利用孢粉分析并结合沉积学及 14 C测年等资料，进一步说明青藏高原对全球气候变化具有“启动区”和放大器的作用。 此外，磁化率曲线和氧同位素曲线所反映的东亚冬、夏季风自3.4 开始大致同时增强，而此时全球冰量也开始显著增加，这与大致在3.4～2.6 青藏高原的加速隆升之间的关系绝不是一种巧合。而且青藏高原的阶段性隆升与东亚季风的多次气候突变有着某种内在联系 〔20,23〕 。 Raym等(1992)提出，青藏高原大面积的隆升在过去40 Ma以来引起了全球大陆硅酸盐风化速率的加快，导致大气CO 2 含量的下降和全球气温的下降，并称之为“冰室效应（icehouse effect）”。但这种观点受到了很多学者的挑战 〔24～26 〕 。Christlan 等 〔27〕 指出，喜马拉雅的风化剥蚀对碳循环的主要影响是增加了沉积岩中有机碳的埋藏量，而不是增加了硅酸盐的风化速率。另外值得一提的是，覆盖着约10%的地球陆地表面的黄土—古土壤序列中含有平均约10%的碳酸盐 〔19〕 ，即有相当数量的碳被固定埋藏，没有参与全球的碳循环，这可能也是大气CO 2 浓度降低的一个因素。 青藏高原的隆升在全球气候变化研究中的重要性得到了众多学者的认同，但是，最近卢演俦等 〔28〕 指出，新生代初印度—欧亚板块汇聚以来，特提斯海的消退，以及太平洋板块在亚洲大陆东缘和东南缘消减引起的弧后海盆（如日本海、东海、南海）的扩张和陆缘海盆（如黄海、渤海）的出现，对于亚洲古季风形成的意义要比青藏高原隆升所起的作用更重要。这一点在Ramstein等 〔29〕 的AGCM数字模拟试验结果中得到了论证。 目前，对于全球变化尤其是第四纪气候变化机制的研究方面，以轨道尺度气候变化的研究比较深入，而对于青藏高原对全球气候变化的影响研究的还不够，尚没有达成明确的共识。