青藏高原隆升的研究进展与问题

青藏高原隆升的研究进展与问题

青藏高原的上升是世界历史上最重要的事件之一。它对中国、整个欧亚大陆的气候和环境变化具有决定性的意义和影响。也被称为全球气候的驱动机和矩阵。同时，它也是地球动力学研究的最佳自然实验室。长期以来，它一直是科学家的研究领域。科学家们从不同的角度研究了高原的上升过程，推测了高原的上升过程的范围，并讨论了高原的机制、形式、历史和影响。到目前为止，人们对青藏高原的上升并没有完全理解。在本文中，我们将基于青藏高原的证据、机制和模型（价值）模拟高原的上升过程。从证据和研究方法论证高原隆升问题是必要青藏高原隆升研究是基于已有的地质、地貌、生物、气候等四大类证据进行的.由于各位学者采用的研究方法和研究对象的不同,特别是对证据认识的差异和不同,形成了对高原隆升的意见和观点的不同,因此,从证据和研究方法方面讨论青藏高原的隆升问题是必要的.1.1地质证据地质证据中包括断层活动、地层褶皱、火山与岩浆活动、山麓相砾岩沉积和矿物放射性测年及其热演化历史等.1.1.1能力模型的改变青藏高原的隆升是构造运动引起的重大的地质事件,断裂活动和褶皱变形作为构造运动的表现形式,是研究青藏高原隆升的有力证据.青藏高原自45MaBP板块碰撞以来,区域性挤压一直是高原的控制因素,其上主要断裂多表现为逆断层或逆冲断层,即表现为地壳的短缩和加厚隆升.因此,基于中新世以来青藏高原上的断裂活动由原来的垂直错断为主变成水平走滑为主以及青藏高原,特别是其南部地区山地上出现南北向的正断层和地堑盆地,Mercier、Harrison、Morlner、Coleman等将断裂活动形式的转变和南北向正断层的出现作为主要证据,认定青藏高原隆升完成的时代为8MaBP和14MaBP,即该时刻青藏高原已达到最高高度或现今的高度.但是利用高原上南北向正断层和地堑谷地出现的时代来推断青藏高原达到最大高度的时代的理论基础并不绝对坚实,有深入研究的必要.目前的研究表明青藏高原隆升是整体隆升和局部隆升相叠合形成的,整体性的断裂形式的转变并不表明高原上完全停止了垂直错断,垂直错断还继续存在,隆升也没有停止过,况且青藏高原南部南北向正断层的出现并一定体现高原整体性的应力状况的改变,即藏南局部并不一定体现整个高原整体,因此我们并不认同青藏高原在14MaBP和8MaBP即以达到如今的高度的观点.1.1.2火山岩的特征火山活动与岩浆侵入体现了地壳与岩石圈热力活动的状况,火山喷发大多受地质构造运动的制约,在一定程度上反映了构造活动的历史.火山活动的频率能够一般性地反映构造运动的状况,并不直接指示地面的抬升,但可以作为青藏高原隆升的佐证.火山熔岩通常覆盖各种古地形面,或者被各种古地形面所切削,加之其遇冷迅速形成封闭体能够用放射性方法(铀系法、Ka-Ar法、裂变径迹、TL等)进行较精确的定年.因此,火山熔岩在揭示青藏高原隆升的时间、幅度的研究中值得采纳.1.1.3区域成岩年龄及构造意义进行不同阶段、不同矿物的同位素年龄及热演化历史的研究,可以获得不同时段矿物的抬升速率从而探讨高原的隆升过程甚至研究其隆升机制.现在利用岩浆侵入体中的榍石、锆石、磷灰石、黑云母等特征矿物的放射性同位素、裂变径迹测年及其封闭温度来推断岩体的热演化历史和构造上升速率是当前学术界的一个重要研究领域.丁林、钟大赉等系统研究青藏高原地区,特别是东喜马拉雅地区矿物裂变径迹后指出高原经历过3次抬升事件(25～17MaBP、13～8MaBP、3MaBP至今).王彦斌等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.张玉泉等通过对叶城-狮泉河剖面花岗岩中黑云母40Ar～39Ar法年龄研究,表明青藏高原西部从加里东期到燕山晚期,隆起速度有增大的趋势,而且具脉动性.江万等通过对青藏高原冈底斯花岗岩带中段花岗闪长岩中不同矿物裂变径迹年龄研究表明,青藏高原南部的隆升是分阶段的,从岩体就位到约30Ma的缓慢隆升阶段,30Ma～7Ma隆升速度加快,7Ma以来高原快速隆升;结合已有的相关研究成果认为高原的隆升具有整体性、阶段性、加速性和区域的不均衡性.尽管对该方法的准确性、可靠性还存在不同看法,但如果综合考虑相关证据,利用矿物的同位素年龄及热演化历史研究青藏高原的隆升应该是可行且可靠的,特别是对于揭示高原隆升的机制有很大的帮助.1.1.4盆地构造特征山麓相砾岩作为一类常见的山前沉积,在诸多影响其发育的因素中,沉积地区与其附近剥蚀区存在比较明显的地形高差是其最基本的因素和必要条件.因此,山麓砾岩是推断其剥蚀源区地面高度变化的一个很好的证据.王伴月等研究了甘肃省党河流域砂砾岩层,从沉积速率方面证明了在中新世早期时,该地区仍较平静,但到了中中新世的早期(大约在16Ma)时,其南侧的青藏高原已明显抬升,且越往后期越剧烈.钟巍等研究了临夏盆地新生代沉积特征,根据盆地周缘的磨拉石沉积特点,指出高原在5.3MaB.P.、3.2MaB.P.、2.4MaB.P.和1.6MaB.P.的发生的几次强烈的构造运动对于其现代地貌格局与特征的形成具有重要意义.郑洪波等研究了叶城晚新生代山前盆地的岩性及山前盆地的沉积相的变化特征指出上新世西昆仑山已经开始有规模地隆升,并具有相当的高度,晚上新世时(～3.6Ma)昆仑山有强烈的隆升.宋春晖等研究了高原东北部贵德盆地新生代地层.依据其沉积相组合和沉积演化,指出高原三次隆升和两次夷平;强调3.6Ma±的隆升是新生代构造运动的一个重要分水岭,此后构造活动速度明显加速,地形高差显著增大;并指出隆升是一个多阶段、不等速和非均变的复杂过程.李勇等研究了新生代龙门山前陆盆地和盐源盆地,以地层不整合面和ESR测年资料为主要依据,将青藏高原东缘新生代构造变形和隆升事件划分为5期,分别为:65～60Ma拉萨地体和喜玛拉雅地体拼合,50～40M印亚板块碰撞a,23～16Ma高原第一次隆升、4.7～1.6Ma高原第二次隆升、0.65～0Ma高原第三次隆升.利用山麓砾岩沉积目前还只能定性的探讨高原高度的变化,定量研究只有在现代山麓砾岩堆积过程研究清楚以后,砾石沉积特点与地形高差、堆积地点、气候条件等许多因素之间的具体关系得以确定之后才能开展.所以,加强山麓砾岩现代沉积过程的研究对青藏高原隆升研究是必要的和有意义的.1.2地形证据地貌证据包括夷平面、河流阶地、古岩溶等.1.2.1高原隆升研究夷平面是指由剥蚀和夷平作用所产生的,以截面形式横切所有在年龄上先于它的地层和构造的一种平缓地形,是地貌长期发展的终极产物(准平原或山麓剥蚀平原)经抬升破坏或埋藏的结果.李吉均等认为夷平面的形成一般需要上千万年至数亿年的构造相对稳定时期,以它为主的各种地貌面的分布范围广泛,高度相对稳定,真正代表高原的隆升,高原隆升研究的可靠根据.潘保田等认为青藏高原及边缘山地普遍存在两级不同时代夷平面(山顶面、主夷平面)和一级剥蚀面,山顶面形成于渐新世至中新世早期;主夷平面是以双层水平面或山麓剥蚀平原形式发育的,大致形成于20～3.6MaB.P.期间,完成时的高度低于1000m;剥蚀面形成于3.6～1.7MaB.P.期间,许多学者支持他们的看法.但Shockleton等认为青藏高原上仅发育一级夷平面.杨逸畴等认为高原上有山原面和盆地面两级夷平面.罗来兴等认为在川西滇北高原仅存在一个统一的夷平面,现在的多级层状面是夷平面后期变形、移位的结果.王树基依据海拔高度变化,将天山夷平面分为三级.因此,对高原夷平面的统一认识还有待进一步的研究,基于夷平面的高原隆升的认识需要进一步的考证.1.2.2关于高原隆升的讨论河流阶地和洪积台地是不同于夷平面的另一类古地形面,是经常用于推断地面上升的地貌证据.李吉均、施雅风等系统研究了兰州以上黄河上游地区河流阶地的特点和形成年龄并结合临夏盆地砾岩沉积地层特点和夷平面及相关证据提出青藏高原主要经历了三次大的隆升和剥蚀循环作用,最近的一次开始于3.4Ma前,之后经过三次强烈隆升(A幕、B幕、C幕)高原面由这之前的1000m左右达到了现在的高度,而且现在高原还在强烈隆升.许多学者[1,15,18,23,24,31]从不同角度支持上述观点.1.2.3岩溶地貌与青海湖及“昆黄运动”的关系古岩溶是湿热环境的指示证据,可用于恢复古环境,推断高原面高程,又由于发育于洞穴的岩溶物质多处于封闭环境,可以进行准确的测年,因此是高原隆升研究很好的证据.青藏高原目前所见岩溶地貌主要属于第三纪古岩溶地下部分经经后期剥蚀而出露于地表,风化壳红土和洞穴次生化学沉积等古岩溶相关沉积也多以残留形态出露于已发生解体的高原主夷平面的南和东南缘.崔之久.高全洲等通过夷平面重建和古岩溶裂变径迹的综合研究,支持青藏高原的三次隆升和两次夷平的观点,进一步认为两次夷平的高度不超过500m,目前意义上的青藏高原起于5MaB.P.的最新一次隆升,早更新世时青藏高原达到1500m,0.7MaB.P.又经过一次强烈的“昆黄运动”达到3000m.1.3中、晚期火炬气藏成岩时代研究不同的生物群落是适应不同的气候环境而存在的,气候环境的变化会引起生物群落的相应变化,一定的生物群落往往指示着特定的气候环境,因此利用动物化石、植物大化石、孢粉化石及植物硅酸体可以恢复和重建古气候和古环境,然后与相似的现代环境进行对比研究,从而推断当时的高原面高度或者可以直接以特征生物的现代种或相似种的垂直生态幅来推断该地的高度.徐仁研究了喜马拉雅山希夏邦马峰北坡山脚下出露的野博康嘉勒地层中的植物和孢粉化石,依据沉积后期冷杉和云杉等的出现和增加指示的气候转凉趋势,以及高山栎及雪松林的发育分布的气候条件,推测在上新世中晚期海拔高程在2500m,此后喜马拉雅山上升了约3000m.宋之琛等根据藏北伦坡拉盆地早第三纪孢粉组合研究,认为中始新世的山地海拔高度在2000m以下,到晚始新世～早渐新世形成亚高山,晚渐新世时海拔为2800～3600(4000)m.李文漪系统研究了喜马拉雅山区南木林、希夏邦马、聂聂雄拉、吉隆及札达盆地所发现的第三纪植物和孢粉化石,并参照动物化石推测中新世晚期7～6MaBP喜马拉雅山的平均高度约在2500m上下,至5Ma山区可能已达3000m左右.魏明建等以已有的高原地区植物孢粉资料为依据,系统研究了青藏高原第三纪古植被的演化,分区域分时段研究了高原面高程的变化,认为高原是阶段性、持续上升的,其间不存在大幅的降低过程;藏北高原比喜马拉雅山系隆升早,且在整个第三纪都比喜马拉雅山高,到上新世的中、晚期其高度已达海拔3000m以上,喜马拉雅山系成为世界屋脊是第四纪以来的事.生物的特定进化规律及群落特征可以用来进行确定地层年代,从而为研究高原隆升过程提供时间证明,尤其对较古老地层年代的确定具有重要意义.如三趾马在地层中的出现指示了气候的转凉和干旱化的出现,其时代为中新世中晚期到上新世早期,利用其演化关系及生物群落特征可以确定地层年代的早晚;伏平粉的出现指示地层年代为中新世到上新世早期.生物证据也存在不确定性,如局部小气候、纬度、天文、火山等事件对生物群落的影响,研究中需要注意剔除干扰因素.目前的工作主要是定性研究,定量研究的开展还需要大量的基础工作要作.1.4气候证据气候证据包括了古气候变化,以及由于气候变化而引起的古土壤、古风化壳演化.1.4.1高原隆升对中国高原气候的影响青藏高原的隆升对东亚季风的形成和加强具有决定性的意义和影响.Kutzbach、刘晓东等从大气动力学、热力学及气候学的角度论证了青藏高原隆起过程对大气的作用存在2000m的临界高度,超过这一高度大气环流发生改变导致高原上行星风系控制的副热带气候逐渐转变为东亚季风性气候.还证明,由于高原的热力作用和对西南季风的阻挡造成高原北部的干旱,高原的隆升进一步加强了东亚季风,特别是冬季风的加强尤为明显.高分辨率的黄土高原风尘序列研究揭示了东亚季风至少自7.2Ma前开始建立,临夏盆地中新世晚期东乡柳树组约在7.2MaB.P.,动植物均由森林型突变为草原型类群,反映了一次气候的巨变,同期的藏北多格错仁红层孢粉组合反映可可西里地区为温带旱生草原为主体的古植被面貌,中新世晚期高原干旱趋势的逐渐加强,说明中新世晚期高原已经达到了临界高度.气候变化也可能受到海陆分布、大气成份变化.突然事件等因素影响.在研究中要注意排除这些因素的干扰,才能准确描述高原的隆升过程.目前有证据证明8Ma前南亚的变干与阿拉伯海上升流的加强指示的印度季风的一次显著增强,可能是由于全球性变冷引起的,所以认为青藏高原在那时达到或超过了现在的高度是值得商榷的,甄别8Ma及7.2Ma前后气候变化的原因是正确认识高原隆升的关键之一.青藏高原隆升对亚洲乃至全球气候的影响是当前学术界关注的热点问题,我们认为东亚季风的稳定出现,应该指示高原面整体已达到了2000m左右,定量反推高原本身的高度变化需要研究高原高度与季风强度变化的关系.1.4.2北太平洋区域经济性状研究高原隆升引起的气候变化必然引起高原面上土壤发育的变化,古土壤和古风化壳及风尘堆积是很好的环境信息载体,可以恢复古气候和古环境.与现代相似土壤进行对比可推断该地层当时的高度,与现今该地层的高度对比,就可以得到地层隆升的幅度.郭正堂等,姜文英等研究了西峰地区上新世红黏土碳酸盐的碳同位素记录与青藏高原隆升的关系,认为4.4～4.0MaBP西峰红土粒度和北太平洋粉尘记录反映的亚洲干旱化程度加强的时期具有高度一致性,其与青藏高原在此时期的强烈隆升有关.姚小峰等研究了玉龙山东麓产自0.5～0.7MaB.P.3000m高度的古土壤的发育条件,指出该地区此段时间隆升幅度超过800m;其古土壤有机质碳同位素变化研究显示了相同的结果.黄成敏等系统分析了青藏高原自中新世以来古土壤,认为中新世青藏高原仍处于剥蚀夷平时期,地面高度低于500m;上新世晚期海拔在1500m左右,早更新世至今高原内部平均升高了约2000～2200m;中更新世高原内部以来上升了1400m左右,高原南缘和东南缘抬高了约1000m;晚更新世以来,高原内部隆升了约1000m,高原东北部和南缘上升了约700m;全新世高原内部升高了300～500m.但由于古土壤的多元发生、异源母质、发生特性的多因素成因与分异、古土壤与现代土壤类型的可比性与精准性等原因,使得此种方法具有一定的缺陷,在研究中应该注意.2高原隆升与高原地质关系研究青藏高原是冈瓦纳大陆和欧亚大陆长期相互作用的结果,由6个地体(喜马拉雅地体、拉萨地体、羌塘地体、可可西里-巴颜喀喇地体、昆仑地体和塔里木地体)相继增生到亚洲大陆的一个后生组合.对高原形成的机制的研究开始于上世纪20年代,早期的研究多侧重于古板块的分解、俯冲和碰撞,目前俯冲作用.挤压作用、拆沉作用、对流作用得到了广泛的认可,在各模式中体现的较多;底侵作用、垮塌作用、垂向挤出作用也得到了很好论证,在许多高原隆升机制研究中也得到了体现.傅容珊等以地壳短缩为基础,从地幔动力学角度提出高原隆升的三阶段模式(BCCM),认为高原从45Ma年前板块碰撞以来经过剥离隆升-挤压隆升-对流隆升三个阶段达到目前的高度,并认为高原的隆升是非稳性、多阶段、多机制驱动的结果.滕吉文等研究高原整体隆升的物理-力学机制提出的隆升、地壳短缩和增厚的动力学模式认为高原整体隆升的主导因素是两大陆板块的碰撞、挤压和长期“楔入”,并在其作用下导致一系列派生要素的产生和相继作用;重力均衡作用和热作用对于高原隆升和地壳短缩起到了重要作用,但却不是主导因素(动力源).李廷东等的“陆内汇聚-地壳分层加厚-重力均衡调整”模式认为高原的隆升分为碰撞俯冲隆升、汇聚挤压隆升、均衡调整隆升三个阶段;高原隆升驱动力来自于压应力.许志琴等提出的“周缘内向的陆内俯冲及腹地地幔底辟”隆升机制认为印度板块俯冲不是高原隆升的唯一驱动,高原周缘克拉通作用及深部热驱动是高原隆升不可忽视的地内因素.孔祥儒等综合研究了西藏西部地球物理剖面与岩石圈结构指出高原深部构造由具有各自不同特性的多个块体组成,认为青藏高原的形成是多阶段、多形式、多机制、多块体的地球动力学构造演化的结果.汤懋苍等的“宇地磁耦合假说”认为高原隆升的动力源自地核磁流体的运动,它受宇宙磁场的制约;且地磁极性强正向期对应着高原的强隆升期,长反向期则伴随着高原的夷平期.Spencer等以大喜马拉雅Kaghan地区的构造样式为研究对象提出的“垮塌褶皱模式”(CollapseFolding)认为高原的隆升受热变底侵、重力均衡、培塌拉伸、褶皱抬升等多种因素共同制约.武红岭等通过研究高原形成过程和各地体岩石力学参数,认为高原隆升受多种因素控制,其中各岩石圈层材料力学性质的不均一性是基本控制因素之一.钟大赉等以岩石的裂变径迹年龄为研究对象,提出高原的隆升是一个多阶段、不等速和非均变的过程;晚上新世以来高原的面貌是整体隆升与局部快速隆升相叠合并至少是两中机制联合作用的结果.尽管在具体问题上还存在着不同的看法,但高原隆升的多阶段、多因素、非均变及整体隆升与局部快速隆升相叠合的特点,得到了一致的认可.探索高原隆升的内部动力因素,找出高原隆升的源动力,成为关注的重点,也是能否正确认识高原隆升的关键.隆升机制和动力学的研究多数处于定性阶段,需要地质、地貌、生物、气候等相关证据的进一步证实,深入的定量研究和模型模拟研究则是学者们面临的挑战.3高原隆升演化过程随时间变化的分析模型傅容珊、黄建华等以高原隆升三阶段模式(BCCM)为基本模型,以一梯形区域为边界框架,考虑了与抬升过程相应的剥蚀过程及高原演化的后期大约8～10Ma时发生的对流搬离导致的隆升因素,对高原挤压隆升过程进行了数值模拟,结果显示模型描述的青藏高原隆升演化过程和观测资料有较好的吻合,同时显示高原下部岩石层的对流搬离可能是最近8～10Ma以来高原整体隆升的主导机制.李祖宁、傅容珊等在此基础上,以BCCM为基本模型,修改了England和Mckenzie的黏性薄层流变模型中控制大陆形变的连续性方程,获得了青藏高原隆升的数理方程:式中ρc,ρm分别为地壳和地幔的密度,s地壳厚度,L为岩石层平均厚度,Ar为Argand数,n为流变率幂指数,·E为应变率张量第二不变量,·ε为应变率张量,u为速度水平分量,h为高原的实际高度,α为剥蚀率系数,β(t)为搬离隆升的速率,h为纯挤压隆升的地形高度.他们用有限差分法直接模拟了高原隆升过程,数值模拟的结果与青藏高原的地形高度、地壳厚度的分布形态和范围吻合较好,同时也显示出高原隆升演化过程的非平稳性和多阶段性,且高原的不同地域表现出不同的隆升演化过程;同时还表明上地幔小尺度对流对岩石层底部的搬离作用可能是最近8Ma以来高原快速隆升的主导机制.董文杰、汤懋苍等以“宇地磁耦合假说”为基本模型,基于事实分析和理论假设,主要考虑高程对侵蚀速率的影响以及地磁极性和星际氢原子浓度对隆升速率的制约,建立了青藏高原高程随时间变化的微分方程模型,计算了45Ma以来青藏高原的高程变迁.其计算模型为:h={αβt+αβ2+[h0+αβ2]+e-β?t,(t∈tu)‚h0e-βt,(t∈td).其中有:ht=0=h0α={α0,c,(t∈tu),α0=9.465×10-3(m4/Μa2)‚0.0‚(t∈td).β={β0(h<2?000?m)‚12β0(h≥2?000?m),β0=0.382(/Μa).式中h为高原的高程,α为抬升速率随时间的增长系数,β为待定系数,C为星际氢原子浓度,tu和td分别为地磁极性与现代地磁极性相同和相反的时期.模拟结果表明:青藏高原的高程变化包括了多次隆升和夷平过程,其中主要的隆升期有7段:45～37Ma、28～25Ma、20～18Ma、15～13Ma、10～7Ma、3.4～1.7Ma和0.73Ma至今;主要的夷平期有6段:37～30Ma、25～22Ma、18～15Ma、13～10Ma、6～3.4Ma和1.7～0.73Ma.结果与钟大赉等利用东喜马拉雅构造结裂变径迹年龄提出的实测模型有很好的吻合.刘晓东等利用美国大气海洋研究中心(COLA)的全球大气环流模式(GCM),以现代欧亚大陆边界为准,其余边界条件与现代相同情况下,通过现代地形高度的100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%和无地形条件进行了共11个数值实验,研究了东亚季风对青藏高原隆升的敏感性.结果显示东亚季风变化非常敏感的响应于高原隆升,在高原隆升到现代高度的一半之前,东亚大约30°N以北近地面地区冬夏反向意义下的季风现象是不存在的;只有在青藏高原存在,且超过2000m,东亚北方地区冬季才