新疆古塔里木盆地与古塔克拉玛干沙漠的形成

新疆古塔里木盆地与古塔克拉玛干沙漠的形成

1新疆从国外地表地区、从国内、外域三大要素中变化的地质及地质意义中国的沙漠主要分布在北部降雨小于400毫米的地区（图1）。三个特点是深、中、山区和高原，穿过各种生物气候带，以及新疆西北部的最常见分布。从地域上看,中国主要有8大沙漠和4大沙地,其中有三个沙漠位于西北新疆,分别是塔克拉玛干、古尔班通古特和库姆塔格沙漠(图1)。已有的第四纪古地理、古气候学以及风沙地貌学和风沙物理学研究证明,沙漠是在干旱气候和丰富沙物质来源等自然条件下长期发展演变而形成,其形成和演变受物源、气候(风力、干旱度、大气边界层厚度与层结稳定性等)以及下垫面条件(如地表植被覆盖率、地形等)三大要素的直接控制,因此理解沙漠地貌景观的形成与演变,对认识地球系统中地表各圈层相互作用规律具有重要意义。新疆沙漠处于青藏高原的北缘;晚新生代以来,青藏高原的隆升和亚洲内陆干旱气候的形成,被国际学术界认作为新生代气候恶化的重要标志。新疆沙漠特殊的地理位置使其本身就是高原隆升和亚洲内陆干旱化事件的良好记录体。因此,新疆沙漠的形成与演化研究涉及到青藏高原的隆升及其环境效应、西部干旱化机制等问题,因而受到广泛关注。目前,已有长期的研究工作和东西方文献获取并记录了人们对新疆沙漠地貌景观形成的认识,但看法很不一致,有必要进行系统总结。本文试图从古环境证据角度,基于已有的中西方文献,对新疆沙漠的形成演化做一些归纳和总结。2气候变化作用新疆位于中国西北部的亚洲内陆腹地,四面距海均超过2000km,海陆距离大。气候上常年受到西风带的控制,冬季受到蒙古—西伯利亚高压带的影响,大陆性干旱气候明显。南疆、东疆大部为暖温带气候,北疆大部为温带气候。全区22%的面积分布沙漠、戈壁荒漠,高山区域有永久积雪和冰川。沙漠主要分布在南北两个盆地的中心,分别为中国面积第一大(塔克拉玛干)和第二大(古尔班通古特)沙漠;在新疆东部还分布着库姆塔格沙漠(图1);此外,吐鲁番盆地、焉耆盆地、伊犁河谷及东疆等地还零星分布有沙丘地。塔里木盆地中央的塔克拉玛干沙漠(33.7万km2)是世界第二大流动沙漠,可称为世界“旱极”。塔里木盆地三面环山,南、西、北分别为海拔3000m以上的昆仑山、帕米尔高原、天山所包围;地势由西南向东北倾斜,发育冰雪融水补给的塔里木河、阿克苏河、和田河和克里雅河等内陆水系。沙漠周围山体的基岩主要由前寒武纪至第四纪年龄的沉积岩及元古代至白垩纪年龄的花岗质岩所组成,大多数前寒武纪岩石已发生变质作用。由于帕米尔高原和天山的阻挡,当来自大西洋的西风气流较弱时,无论是西风的北支和南支气流都无法翻越帕米尔高原和天山,只能绕天山东部(东灌)或通过一些山口从西部(西灌)进入盆地;当西风气流强大时,无论是西风的北支和南支,不但有绕流后的东灌气流,而且还有越山气流(中灌),这些进入盆地的气流影响着沙漠风积地貌的类型。由于距离太平洋遥远,东亚夏季风不能深入,北部天山阻碍了北冰洋湿润气流的进入,南部巨大的青藏高原、喜马拉雅山、昆仑山则阻挡了来自印度洋的暖湿气流。盆地年降雨量大部分地区介于25~40mm,东部地区15mm以下,年潜在蒸发能力2100~3400mm之间;年平均气温11oC。盆地内地貌景观呈环状分布特征,边缘为山地,次之为山前洪积-冲积扇戈壁,中心为沙漠,沙丘类型复杂多样(图2)。绿洲分布在沙漠与戈壁之间,或位于河流沿岸等地,是重要的农业地区。塔克拉玛干沙漠流动沙丘广泛分布,约占沙漠面积85%,沙丘移动方向在大部分区域是由东北向西南移动。尽管以流动沙丘为主,但沙漠内部河流沿岸、沙漠边缘河流两岸及洪积-冲积扇前缘等地带分布绿色植被带,由于间歇性洪水的补给,冲积地层中有着丰富的淡水资源,成为沙漠中唯一的人类活动的场所。古尔班通古特沙漠(4.88万km2)位于北疆准噶尔盆地中央(图3),固定、半固定沙丘面积占整个沙漠的97%,是中国最大的固定、半固定沙漠。已有沙漠学者最近将之定义为沙地。准噶尔盆地是介于天山山脉、准噶尔界山和阿尔泰山之间的大型山间盆地;在构造上,盆地地势东高西低,由东向西、向西北缓倾;发育伊犁、准噶尔(内流区)和额尔齐斯(外流区)三大水系。盆地周围山地封闭不严谨,西部和西北部山口可以使湿润的西风气流长驱而入。与暖温带的塔里木盆地相比,温带范围内的准噶尔盆地由于受西风环流的湿润作用,沙漠内固定—半固定沙丘占绝对比例。降水不像塔里木盆地那样稀少,年降水量可达70~150mm,主要为冬雪型降水;沙漠内部植被生长较好,梭梭、红柳和胡杨分布较多。影响沙丘地貌建造的营力主要是西风环流体系和蒙古高压风系(偏东风)。但就对整个盆地影响而论,后者(蒙古高压风系)居于次要地位,具有季节性和区域局限性,仅在冬春季对古尔班通古特沙漠中部和东北部地区有较大的意义。盆地内全年主要盛行西风环流风系的北支(西北风),因此沙丘具有自西北向东南移动的特征。库姆塔格沙漠(2.29万km2)分布在新疆东部,罗布泊以南,阿尔金山北麓(图4),为中国第六大沙漠。青藏高原新构造运动的强烈隆升,构筑了库姆塔格沙漠南高北低的盆山格局。区域气候极端干旱,年降水量30mm以下,植被稀疏,沙丘全部是流动型沙丘,除覆盖在海波1250~2000m高度的石质山地斜坡上外,还覆盖在古代洪积—冲积或河湖相平原上;沙漠处于东北、西北两种风向交汇处;沙丘类型复杂,羽毛状沙垄面积占沙漠面积1/5(图4),独有的羽毛状沙丘著称世界。沙漠地貌主要表现为风蚀形态和风积形态,风蚀作用与风积作用地区分布明显。3关于新疆从塔克拉玛干等土地资源区的性质研究最近研究已表明,区域尺度上出现或形成沙漠,沙源的可供性比其他任何条件都更为重要,因此,识别大范围风成沉积物的物源是理解沙漠和沙丘地形成与演化的首要条件。科学的判断亚洲中部尤其是新疆地区沙漠沙物源尤为关键,这不仅能理解这些沙漠的形成,也能促进对过去和现在全球尺度气候系统的理解。因为研究已证明,中亚腹地的塔克拉玛干等沙漠是全球粉尘物质的一个大源区,是理解全球粉尘—气溶胶过程和气候环境效应的基础。近时期以来和末次冰期时沉积在格陵兰岛的矿物粉尘,都被认为主要来自于中国的塔克拉玛干沙漠和内蒙古沙漠。来自亚洲内陆的风成粉尘还被认为是西太平洋中远洋沉积物和北太平洋中部沉积物重要组分的一个主要物源,这些粉尘还显著影响了西太平洋海水的化学组成。已有研究发现,亚洲附近区域的西太平海水的稀土元素(REE)模式同中国沙漠粉尘和黄土有着密切关系。因此,对新疆沙漠沙物源的认识具有全球意义。综合来看,历史上关于新疆沙漠沙物质来源的看法有很多,如有观点认为新疆沙漠的沙是从中亚细亚吹来的,有认为来自于东边罗布古湖沉积物;而某些沙丘地貌与沉积学研究则认为新疆各沙漠因为具备了“就地起沙”的自然特征而最终形成,因为发现沙漠沙的矿物成分及颗粒大小只因沙丘下伏地质地貌类型不同而显示出差别,与风向(长距离)无明显关系。3.1沙物质来源与运输历史塔里木盆地第三纪和第四纪新构造运动造成的由西南向东北降低的盆地地势和四周环山的地形,制约了整个盆地的水系分布和沉积物的性质。钻探资料揭示,在沙漠西南部,地表以下100~200m深度内全部为细粉砂沙层,300m深度内为冲积相沙层及粉砂土层;北部塔里木河平原上第四纪疏松沙质沉积物厚度在400~500m以上;沙丘沙的矿物成分、粒度与下覆沉积物密切相关。在沙漠西南部,由于昆仑山山体主要以元古代、太古代等古老的片麻岩、片岩和千枚岩等变质岩系为主,发育于昆仑山的各河冲积物上的风成沙矿物组成都具有一定数量的石榴子石等变质矿物。沙漠北部天山山体以相对年轻的古生代和中生代火山岩为主,塔里木河冲积平原的沙物质矿物组成中,石榴子石含量明显比沙漠南部低,而云母却成为主要成分,其次为绿帘石,其矿物组成与塔里木河冲积物大体一致。对主要来自盆地内部和外围第四纪冲洪积物的机械和矿物组成研究后,朱震达等认为,河流沉积物是塔克拉玛干沙漠沙的主要物源,并基于风成沙重矿物、粒度组成认为沙漠不同区域的沙丘沙是当地起源的。然而,早期最先涉足此区域的国外学者持有显著不同的观点,多为单一来源的观点。如斯文赫定等认为“塔克拉玛干大沙漠的沙物质是从罗布泊洼地吹来的”,舒莫夫.BB等认为塔克拉玛干沙漠沙来源于海相沉积物,那琳.E和西尼村.B等和诹访兼位等认为塔克拉玛干沙漠沙来源于古湖相沉积物。近年来国内外学者的研究趋于多元化,如钱亦兵基于风成沙矿物学和氧同位素分析认为塔克拉玛干沙漠边缘区来源以就地起沙为主,腹地则接受了异地产物并均一化。穆桂金等推测塔克拉玛干沙漠风成沙物源与周围各大水系密切相关,是各种结构特征都较稳定的沉积物。陈渭南认为塔克拉玛干沙漠中部沙丘沙有较高的成熟度,沙漠沙是由中部向外围扩展的。基于西南部沙丘沙的主量元素和矿物组成以及粒度分布,Honda和Shimizu认为同大多数沙漠沙相比,塔克拉玛干沙漠沙有着较高的Q/F(石英/长石)比值和C/Q(方解石/石英)比值,较细的颗粒粒径,较小的磨圆度;这与早期学者的研究是一致的。然而,关于这些沙漠沙的来源和搬运历史的看法却被分成了两种:一种认为塔克拉玛干沙漠不同区域的沙丘沙有着不同的物源,因为它们的重矿物组合是不同的;另一种认为整个塔克拉玛干沙漠的沙具有均质性,因为沙的全岩样具有一致的主量元素和同位素特征。近年来,随着研究对象的系统性、同位素方法和手段的应用,多数学者认为塔克拉玛干沙漠沙的母源是不同源的,具有异质性。根据分布在塔克拉玛干沙漠周围山地中的冰碛的Sr、Nd同位素组成差异较大这一事实,Chang等认为以这些冰碛物为重要起始母源的塔克拉玛干沙漠沙是不会同源的;此外,昆仑山北侧的冰川被约束在单个山谷里,起始源区的沉积物在东—西向的混合也是极其不可能的;另外,并非所有的沙物质都来源于冰碛,因为强烈的河流侵蚀和物理风化过程,也会产生大量的冲—洪积相、河—湖相松散物质,从而增加了源区沉积物的异质性。沉积学研究表明塔克拉玛干沙漠的沙丘仍然处在沙丘发育的早期阶段,因为它们的粒度组成中仍然有过多的细颗粒沉积物,并由于河流沉积物的输入而使沙漠沙变得更为年轻。细颗粒组分的大量存在支持塔克拉玛干沙漠沙异质性的观点,但可能经历较高程度的混合和搬运过程,因为大的沉积物体积减少了混合过程的潜在能力和风蚀的效应。与中国北方其他沙漠沙和风成沉积物相比,塔克拉玛干沙漠沙粗、细颗粒组分都具有较低的化学风化指数值(CIA=50~55)和较高的可溶盐含量,接近于未风化的上陆壳UCC平均值(CIA=50)且处于大陆风化的早期阶段,都指示了塔克拉玛干沙漠沙的源区只经历了相对较低的化学风化过程,这在部分程度上与持续干旱的气候以及沙物质有限的暴露时间和年龄有关。基于REE和主量元素证据,Yang等发现塔克拉玛干沙漠风成沙的粗、细粒级组分之间在微量元素丰度和REE特征上都有显著差异,表明沙漠内各区域之间的粗粒级沙物质来源不同,并非均质化;而细粒级组分的沙物质可能经历了较高程度的有效混合过程而趋于均质;粗粒级组分沙物质的区域差异与盆地中的河流和风营力系统一致,表明沙漠北部和南部沙之间通常是混合的,但沿着东—西方向很少混合。3.2古尔班通古特沙漠沙沙物质来源的多源性就沙漠沙来源而论,古尔班通古特沙漠的现代沉积物远不及古代沉积物重要。因为盆地内广泛而巨厚的沉积层与盆地目前的水网分布不相适应,现代河流的流程和水量都不足以在短期内携带大规模的河流沉积物进入盆地,而应当是第四纪湿润期时发育的河流所致。因此古尔班通古特沙漠沙的来源的主体应是古代的河流沉积物。钱亦兵等通过矿物学分析,认为古尔班通古特沙漠沙来源具有多源性。从整体来看,在准噶尔盆地的整个搬运—沉积过程中,来自周围山系的各类碎屑是该盆地沉积层形成的主要物源,盆地内台原高地的基岩风化剥蚀产物也有重要贡献;沙漠各区域之间的沙物质矿物组成特征因地而异,但同一区域内不同类型的沙如沙丘沙和丘间地沙物质组成之间却较为相似,证实了朱震达等“就地起沙”形成沙丘的主流成因,即沙丘沙主要来源于下伏沙;但沙丘沙和下伏沙二者之间的重矿物组合特征、矿物成分分散度和石英/长石比值等参数存在一定差异,表明在下伏沙向沙丘沙的演化过程中存在着风营力的“掺杂”改造作用;此外,气候、植被及其他地理条件对这种作用有明显的影响,因此沙丘沙比下伏沙具有更为广泛的物源。3.3物质组成特征库姆塔格沙漠东西最长达350km,南北最宽约120km,总面积约2000km2,这样大的范围内,沙漠附近下伏沉积物有较大的差异,因此沙物质的来源受下伏沉积物的影响,来源也应是多种多样的。库姆塔格沙漠沙的多数沙粒径集中在0.5mm以下,特别是0.25~0.1mm和0.1mm以下,以细粒级沙为主体;从沙粒的磨圆度来看,南部高大沙丘沙的磨圆度达0.7左右,北部刚形成的低矮沙丘沙磨圆度一般在0.3左右,沙漠总体的沙粒磨圆度都较低,表明沙粒被风力加工的时间较短,搬运距离较近。沙漠沙石英颗粒的表面形态和微结构主要表现为麻面、蝶形凹坑、翻卷薄片、槽沟和断裂等结构,表明沙颗粒受到显著的风力作用;矿物组成以石英(70%~80%)、长石为主;重矿物组成中,磁铁矿、绿帘石、石榴子石和角闪石四种矿物的总和超过50%;重矿物组合与附近下伏沉积物有着相似的特点。因此,沙漠沙的物质组成特征表明,库姆塔格沙漠沙大部分是附近下伏沉积物经风力吹扬和堆积,“就地起沙”形成的。根据沙漠不同区域沙物质组成特征,夏训诚推测罗布泊地区广大的湖河相沉积平原、沙漠北缘大面积出露的由第四纪湖相沉积物组成的雅丹地层,均由细沙和粘土构成,在北风作用下,是库姆塔格沙漠沙的主要来源;沙漠东部疏勒河曾经流经的区域,河流相沉积物显著分布,成为库姆塔格沙漠东部沙物质的主要来源;克孜勒塔格山南麓及三垅沙以北大面积分布的洪积物可能为沙漠东北部一带提供了不少沙源;阿奇克谷地第三纪及更古老岩系组成的低山丘陵主要为泥岩及砂岩组成,受强烈剥蚀和机械风化作用产生大量基岩风化的残积、坡积物,也是沙漠的重要沙源之一。3.4关于风成沉积相关、形成机制的研究总体上,新疆沙漠沙的物质来源在我们的认知上经历了从单源(朴素的观点)到异源(多源)的变化,以及从定性描述到定量识别的过程。目前,新疆沙漠沙异源的看法由于其更为精细化而被更多人接受。放射性同位素与稳定同位素、地质年代学和地球化学以及空间信息系统与模拟等新技术手段和研究方法的出现与应用,促进了人们对沙物源逻辑认识的系统性。然而,依然有很多问题没有清楚的答案。例如,(1)新疆沙漠沙经历了怎样的风营力搬运过程,搬运途径和方式、风作用强度与时间、再循环程度如何等;(2)水营力(河流、湖泊、冰川等)过程对风成沉积及其物源有怎样的影响作用,水成沉积物与风成沉积物在沉积学、物源上的关系如何;(3)风成沉积物物源的年代学构成、沉积历史等;(4)局地地貌因素和大尺度环境地质因素对风成沙物源具有怎样的控制作用;(5)源区具有怎样的构造环境(被动大陆边缘、活动大陆或岛弧等)和气候环境背景(降水、温度梯度、环流),如何识别;(6)碎屑沉积物与母源物质之间经历了怎样的改变,改变程度如何,继承了母源多少信息,受何种因素影响,如何确立有效的识别指标;(7)母源沉积后的改造程度是否响应并记录了区域或其他尺度水文、气候、地质背景变化等。显然,要清楚认识新疆沙漠沙的异源性以及要回答以上问题,还需要开展进一步的研究工作。从构造和风场环流背景看,新疆的南、北两个盆地都具有地形倾斜方向与风场合成方向大致相反的特征。如塔里木盆地地形由西南向东北倾斜,主导风向却为北风、东北风;准噶尔盆地地形由东南向西北倾斜,全年主导风向却为西北风。由于地形倾斜的构造特征决定了盆地内河流水系的流向,也就是河流沉积物的输送方向,而风场的合成方向决定了沙丘移动的方向,也就是风成沉积物的搬运方向。因此,新疆盆地中的这种特殊构造成因和大气环流模式决定了盆地内部必然存在一个碎屑物质输送的地质大循环过程。它在很大程度上应加大了沙漠内部物质的循环、混合、新老交替过程和物质来源上的复杂性、多源性。尽管目前我们可以基于下覆地貌特征和沙漠沙成分将新疆沙漠地区的沙源类型概括地归纳为:(1)古河流的冲积物,(2)现代河流冲积物,(3)洪积-冲积物,(4)冲积-湖积物,(5)基岩风化的残积-坡积物,(6)近代湖泊沼泽地沉积物等;但目前来看,这些判断都是定性或半定量的,还需要精细化的地球化学、同位素证据来进一步约束。4地质时期新疆沙漠的形成和发展4.1区域地质背景世界上的多数沙漠分布在受副热带高压环流控制的南、北半球低纬度地带或受极地高压环流控制的北半球高伟地带,被称为地带性沙漠,或热带沙漠和冷沙漠。与它们相比,新疆沙漠位于北半球中纬地区,其高空气流终年受北半球西风带而不是副热带高压影响,近地面气流在冬、春季节主要受东亚冬季风影响,是典型的非地带性沙漠或“温带沙漠”。全球第四纪冰期—间冰期气候交替所导致的地表水热条件的变迁,直接影响了中国北方沙漠的生、消、扩、缩,并在沙漠的边缘地带反映得最为明显。中国西北部晚新生代的气候状况逐渐由湿变干,主要归因于青藏高原隆升等构造活动引起的大气环流的改变。研究证明,7~5Ma以来是中亚造山带发生构造复活的重要时期,塔里木、准噶尔盆地同期开始了类似现今的干旱环境,在圈层耦合的角度上响应了新生代岩石圈构造变动的环境效应。青藏高原的平均海拔高度在海平面4000m以上,使起源于印度洋和太平洋的水汽难以到达亚洲中部的内陆盆地。因此,对亚洲中部地质与地貌景观的科学研究,从20世纪初期就在相当程度上集中于与青藏高原构造历史有关的持续增长的干旱化过程上。对于深处亚洲内陆盆地沙漠形成演变历史的研究,有助于了解新生代全球气候变冷及青藏高原隆升所导致的环境效应。新疆广泛分布的沙漠,是在海陆对比差异显著、周边地体差异性隆升加剧雨影区的气候干旱、盆-山系统中的构造剥蚀、水系变迁与河流侵蚀、物质循环等自然条件作用下,长期发展演变而形成;历史时期尤其是近百年来沙漠的扩展和一些区域零星沙丘的形成,在一定程度上则受到人为因素的影响。4.2中新世以来的短海湿地早期的研究多数根据古地理资料来判断,认为中国西北地区的干旱气候早在中生代白垩纪(135~70Ma)到新生代早第三纪(70~25Ma)时即已初步形成;中、晚侏罗纪时,新疆的盆地就属于半干旱—干旱亚热带红层盆地;在准噶尔盆地将军戈壁的古新世-渐新世地层中找到了已经沙漠漆壳化、属于晚白垩世的标准化石屠螺和维氏楔蚌;中新世以后,塔里木盆地腹部沙漠开始形成,统一的中亚内陆干旱盆地—塔里木盆地就此产生;晚第三纪上新世,塔里木盆地广大面积为沙漠所占据。然而,近来基于新生代古环境证据的分布模拟研究认为,中国内陆气候系统由行星主控型向季风主控型转变开始于早第三纪的渐新世—中新世边界,此时的副特提斯海(古地中海的一部分)才从中亚退却,海洋环境(湿润)向陆地环境转换,并与喜马拉雅—青藏高原地块隆起以及南海扩张事件共同主导了新生代中国内陆的季风(东部)—干旱(西北)—高寒(青藏高原)气候配型。显然,这种观点不支持中生代白垩纪(135~70Ma)时西北地区的干旱化。此外,基于黄土高原黄土-红粘土古粉尘沉积序列的古环境研究认为亚洲内陆的沙漠化最早出现于早中新世的22Ma时,远远晚于白垩纪时期。4.3中国北方沙丘—黄土对新疆沙漠形成演化的指示意义沙漠及其周边新生代地层中的古风成沙及其孪生的风成粉尘沉积物,是反映沙漠形成、演化的直接和间接证据。中国黄土是沙漠产生后的相伴产物。中国北方和西北地区的第四纪沙漠形成演化在时间和空间都与黄土有关。黄土可能连续完整的记录了沙漠形成和演化的过程,同时还记录了搬运粉尘的载体—风和环流—的演化过程,因为风尘黄土沉积可以直接指示其物质来源区的干早化过程及风力搬运的动力学机制。中国北方沙漠粉尘搬运与沉积的大气环流过程一直是黄土古气候研究的重要问题之一。最先引起人们注意的是西风环流在黄土搬运与沉积中的作用,黄土—古土壤序列形成的古季风理论强调了东亚冬季风在中国中部黄土高原黄土形成中的主导作用。黄土高原黄土的粒度特征表明,冰期时西风环流加强,同时西风急流南移至约N35度,间冰期西风环流减弱且急流北移至约北纬37度。近来,有关中亚粉尘起源与搬运机制的研究表明沙漠和黄土沉积序列之间的因果关系似乎具有多样性,当前迫切需要研究中国沙漠气候变率的频率和幅度是否与北非撒哈拉沙漠相似。中国黄土总面积的17.35%分布在西部新疆干燥内陆盆地沙漠及其周围的山地,在塔里木盆地和准噶尔盆地黄土分布的总面积分别为3.44万km2和1.58万km2。大气环流数值模拟实验显示,随着青藏高原的隆升,亚洲内陆将持续变干,环流的强度和波动性将增大,干旱化和沙漠扩张所造成的粉尘将被季风和西风环流带到沙漠边缘或外围地区,如昆仑山北坡、天山北坡、黄土高原,甚至中国东部、北太平洋乃至北极地区,成为全球海—陆—气圈层耦合变化中的关键性联结纽带。4.4形成时代年龄由于地处西风带的塔里木盆地在中新世还是北支地中海(古特提斯海)的一部分,因此西风气候控制下的盆地的干旱化演变与古海洋、古行星风系和古东亚季风变迁、青藏高原隆升、古河流地貌的关系,即古环流格局、古地理与构造-侵蚀活动的响应,已成为研究塔克拉玛干沙漠形成、演化的重要科学基础。长期以来,基于以上研究获得对于塔克拉玛干沙漠形成时代的认识分歧较大,导致对其干旱成因、初始形成、演化过程的认识也有所不同。仅在塔克拉玛干沙漠的形成年代(年龄)上,目前就有众多看法。如来自风成沉积的研究结果,就有如7.0Ma前的中新世晚期,5.3Ma前的上新世初期,3.6Ma前的上新世中期、早更新世(百万年)、中更新世(数十万年)等,而腹地或局部沙丘地甚至形成于晚更新世(数万年)和全新世(数千年)。有来自沙漠边缘河流地貌的研究则认为,塔克拉玛干沙漠的广泛形成和发育是第四纪中更新世以来的地质事件,其根据是发源于昆仑山的河流于中更新世才开始下切,昆仑山北坡4000m高度以下黄土状亚砂土沉积为中更新世时的风成沉积。此外,来自沙漠东缘罗布泊古湖相沉积证据的研究则认为,塔里木盆地的干旱是在中新世—上新世边界(5.6~5.1Ma时)开始的,预示此时沙漠的出现。对于以上研究来说,无论是古风成沉积、古湖相沉积证据还是河流地貌证据,这些认识存在差异的焦点本质上在于沙漠形成的规模和地域上;问题之一是早期的塔克拉玛干沙漠范围是否和晚期乃至现今规模的塔克拉玛干沙漠一样,期间沙丘地经历了怎样的变化过程和赋存状态等,显然问题的答案目前还不清楚,没有统一的认识,因而导致由于研究对象和时段的不同结论也不一致。然而,这些在荒漠地带开展的古环境研究殊为不易,有限的年代学和古环境重建证据为进一步约束塔克拉玛干沙漠形成提供了目前最宝贵的信息库,也是开展进一步系统研究的契机,值得总结和借鉴。4.4.1风成粉砂的出现与干克拉玛干沙漠的关系塔里木盆地南缘上新世至早更新世阿图什组和西域组中的粉砂岩夹层沉积,年代学研究显示其形成年代为3.6Ma并系风成成因,Zheng等因此推断塔里木盆地南缘风成沉积(黄土)至少开始于上新世早期(3.6Ma),盆地与现代相似的气候格局也在这时开始建立,盆地中的塔克拉玛干沙漠开始形成。Zheng等认为这些盆地南缘风成沉积的形成是对青藏高原隆升引起的全球气候环境变化,尤其是亚洲内陆干旱化的响应。而在盆地南缘不同地点,Sun和Liu对昆仑山北麓Sanju区域出露的新生代西域组-阿图什组沉积序列中的古风成粉砂岩也进行了系统考察,获得了沙漠形成年代(~5.3Ma)的间接证据;由于在近地面风(北风)的作用下,来自塔克拉玛干沙漠的粉尘无法搬运出盆地,而是沉积在下风向的盆地南缘昆仑山北坡,因而风成粉尘的出现与沙漠的形成密切相关。剖面上巨厚的风成粉砂沉积出现在5.3Ma年前,表明塔克拉玛干沙漠的沙丘至少在5.3Ma年前就已出现。Sun和Liu对此风成沉积的出现提出了两种可能的解释:一是距今5.3~5.6Ma前发生的地中海盐度危机(MissinianSalinityCrisis),这一事件必然影响到海洋环流进而影响到中亚西风气候;其次,青藏高原的多期次构造隆升过程导致其不同时期的隆升高度必定会对大气环流有不同程度的影响,5.3Ma前塔克拉玛干沙漠的出现也可能与此期高原隆升对大气环流的影响有关。如果说堆积在下风向的风成粉砂岩只是沙漠形成的间接证据,那么在塔克拉玛干沙漠腹地麻扎塔格—北民丰隆起区域的古风成沙丘岩则为认识沙漠的形成提供了更为直接的地质证据。Sun等用高分辨率古地磁年代学结合古生物地层学方法,证明了这些古风成沙丘岩的形成年代约为7.0Ma,由此将塔克拉玛干沙漠腹地出现风沙环境的时代延伸到了7.0Ma前;并指出,7Ma前塔克拉玛干沙漠的形成可能是对该时期以来全球气候恶化的响应,也可能与这一时期青藏高原北缘的构造隆升所导致的“雨影”效应的加强有关。在塔克拉玛干沙漠边缘中新生代地层中存在较多的古风成砂和石膏楔,被认为是表征沙漠和气候干旱的直接证据;基于这些古风成沉积物的年代学指标,董光荣认为塔里木盆地区域的气候和沙漠演化可分为两大时期:一是白垩纪、第三纪在内的前第四纪时期,存在固定、半固定沙丘占相当比重的红色沙漠;二是第四纪时期的黄色沙漠。以上涉及到的古风成沉积物及其年代学证据,都指示了塔里木盆地边缘或腹地在第三纪时即已存在干旱性的气候和地表的风营力过程。但由于这些沉积物/岩曾受到长期的侵蚀作用,遗留下来的已是局地性的风成沉积,在沉积规模和连续性上,它们的存在是否能代表着大范围沙丘地乃至古塔克拉玛干沙漠的出现,以及其后是否持续、扩大或消亡,或是否与现今规模的塔克拉玛干沙漠有继承关系,物源区和粉尘搬运机制是否相同等,都需要进一步的研究来解释。近来的研究表明,中国北方干旱区具有地质与环境多样性的背景,同一区域内沙漠与湖泊景观能快速出现和转化,表明中国的干旱区景观是非常敏感的短时性地貌系统,并不会像人们先前所想象的那样会持续很长时间而不发生变化。4.4.2从古地理和古气候时代来研究昆仑山北坡海拔4000~2500m区域广泛分布的风成黄土状亚砂土,是迄今发现的中国内陆极端干旱区最厚的黄土,是其母源地塔克拉玛干沙漠受风场环流作用的有力证据。它的堆积年代及其与塔克拉玛干沙漠形成演化的关系早在20世纪50-70年代就已引起人们的注意,这时期研究工作多属于普查性质,推断昆仑山黄土属于塔克拉玛干沙漠的同期近源风成沉积,形成于干旱环境下,时代大约为中更新世或晚更新世,但与早更新世沙漠的大规模发展有关。Fang等对昆仑山北坡出山口河流最高阶地(于田县阿羌县大坂苏克河右岸最高阶地黄土地层剖面)80多米厚的黄土进行了古地磁和古气候记录研究,认为该剖面黄土形成于距今约880ka前(中更新世),推测塔里木盆地现代形式的环流格局约形成于88万年前,昆仑山黄土和极端干旱气候、塔克拉玛干沙漠雏形大致也在此时出现;青藏高原、帕米尔高原和天山山脉的隆起,是导致盆地极端干旱气候条件和沙漠形成的根本原因。4.4.3基因组织及沉积特征依据第四纪期间,中国沙漠有两次大规模的扩张,一次是中更新世全球最大冰期时,另一次是末次冰期最盛期(LGM),第二次尤为显著。末次冰期是东亚气候在整个第四纪时波动最为剧烈、最不稳定的时期,这一认识已被各界学者所认同,它们在中国北方和新疆沙漠、黄土地层中的记录也已被大量研究所发现。塔里木盆地和柴达木盆地边缘广泛存在的残留冰冻楔和冰碛物沉积,表明这些地区的末次冰期最冷期出现在约30~25kaBP时期。但在总体寒冷的气候条件下,不同的沉积学和古环境证据显示塔克拉玛干沙漠不同区域在末次冰期经历了不同的干湿波动过程。来自沙漠边缘的风成沉积证据:塔克拉玛干沙漠南缘克里雅河上游普鲁剖面是晚更新世沙山地层的代表。该地风成沙堆积的起始年代为66.7±3.3kaBP,与末次冰期开始的年代(70ka)较吻合;该剖面沉积物化学元素和碳酸盐含量变小、风化淋溶作用微弱,表明区域在末次冰期后与现代一样,都是极端干旱的荒漠环境;末次冰期以来气候持续干旱,其中偏湿期的记录不明显,风况变化也不大。沙漠腹地的证据:在沙漠腹地的克里雅河下游干三角洲、塔中及其附近的风沙地貌区,Yang、Yang等发现了广泛存在的末次冰期时的河湖相亚粘土沉积和古风成砂(或河流、风成沙混合相)互层沉积,表明沙漠腹地在末次冰期时气候经历了几次显著的干湿变化(冷干或冷湿)。这与沙漠边缘持续干旱的气候明显不同。但在沙漠腹地,即使在河流与湖泊存在的时期,也已有风蚀和风积地貌的发育,而风成沉积物可再次为河湖相沉积物所覆盖。这些腹地和南部边缘风成和湖相沉积地层的光释光年代学数据表明,沙漠腹地的气候湿度在末次冰期的40ka以来发生了显著的变化;湖相沉积地层表明在约2ka(全新世)和30ka(末次冰期)前的两个时期,塔克拉玛干沙漠中部比现在的气候条件湿润得多。在塔里木盆地南缘海拔1800m区域常出现系冰水沉积的沙楔,有沙楔的测年结果为40kaBP和18kaBP,指示沙漠南缘在末次冰盛期时有两次显著的降温过程,且降温幅度可能较大。Yang等推测全球西风带和可移动的极地高压的变化,引发了塔克拉玛干沙漠南缘和腹地降水的波动;但沙漠温度的变化受冬季风强度所控制。来自不同流域的沉积学证据:在塔克拉玛干沙漠南部克里雅河流域中游地区,普遍保存了三级河流阶地,每级阶地上都有沙丘发育。14C测年结果表明,较低的两极阶地是全新世时形成的;高阶地的河流沉积物上部1m形成了碳酸钙结核,它的14C年龄约28.7ka±1.5kaBP,表明塔克拉玛干沙漠在大约30ka时气候比现代湿润,其后都较为干旱。Feng等通过对塔里木河流域12kaBP以来地层沉积相研究,认为12kaBP以来塔里木河流域在全球气候波动的影响下叠加了内陆干旱盆地的环境效应,在总体干旱气候条件下具有暖干与冷干交替变化的规律。这两个不同流域的沉积学证据差异,表明塔克拉玛干沙漠南部与北部地区在晚更新世以来似乎也经历了略有差异的气候变化。塔里木盆地东部罗布泊地区和塔里木河下游河段之间的库鲁克库姆沙漠(通常被作为塔克拉玛干沙漠的一部分),它的形成与罗布泊的发展有关;夏训诚根据沙漠中普遍发育风蚀地貌雅丹地形推测其时代属于中更新世;到全新世时,随着塔里木河无法进入,区域水系开始消亡,广泛形成沙漠。4.5古尔班通古特沙漠的起源和发展4.5.1中更新世中国南半岛地区早期对古尔班通古特沙漠形成演化的认识多来自于古地理资料,多为定性分析和推断,缺少年代学证据的支持。古地理学者认为,准噶尔盆地中部在早更新世时气候已经变得相当干旱,并形成了古尔班通古特沙漠;中更新世,准噶尔盆地平原上冲积和风积两种作用交替进行;晚更新世的准噶尔盆地,冬季受蒙古高压的影响,以东北风为主,在平原上以南北向排列的纵向沙垅占优势;而在沙漠南缘,偏北风气流受阻于天山,发展为横向类型沙丘。全新世以来,天山北麓河流变化的趋势也是流程缩短,平原地区河流改道频繁,湖泊面积也趋于缩小,而沙漠面积则相应扩大。全新世大西洋期雨量略多,大部分沙丘上盛长灌丛和草本植物,并逐渐趋向固定。自全新世早期以来,天山北麓东段沙漠不断向南扩展,并迫近潜水溢出带;至全新世中期的后期,满营湖、旱台子以北也沙漠化,全新世晚期沙漠继续南扩。4.5.2准噶尔盆地晚渐新世以来风成沉积物的时间序列在准噶尔盆地腹地的顶山盐池和铁尔斯哈巴河区域,分布着保存较好的第三纪风成红粘土,是早期风沙活动乃至沙丘地存在的证据。针对这些第三纪沉积序列,Sun等在系统的磁性地层学和生物地层学基础上建立了准噶尔盆地腹地这些晚渐新世以来风成沉积物的时间序列;并在沉积学、微量元素地球化学、同位素地球化学研究基础上,认为准噶尔盆地最早的风成沉积和中亚干旱化至少起始于24Ma前。Sun等据此推测,准噶尔盆地的第三纪风成粉尘可能由西风环流从哈萨克斯坦搬运而来;这些粉尘与由冬季风从蒙古和中国北方荒漠搬运并沉积在中国中部黄土高原上的黄土不同,从而指出中亚地区与现今相似的干旱气候模式可能早在晚渐新世即已盛行。4.5.3清水河出基改造准噶尔盆地南缘天山北坡河流阶地上的黄土,也被人们广泛认为是来自古尔班通古特沙漠粉尘堆积形成的,并且该黄土开始沉积的时代被认为代表了沙漠主体最迟形成的时代和显著干旱化的开始。Fang等考察了天山北坡海拔2400~700m高度地貌面上广泛存在的风成黄土,认为它们是古尔班通古特沙漠的同源异相沉积。天山黄土在沙湾和石河子一带最厚,其中沙湾清水河出山口河流最高阶地上黄土剖面厚约71m,发育9层浅褐色古土壤。Fang等基于古地磁测定结果推测底部年龄约800ka前,认为准噶尔盆地极端干旱气候和现代古尔班通古特沙漠雏形最迟大致在这时形成;但在距今约650ka和500ka前有两次显著的干旱化增强和沙漠扩大过程,然后逐步干旱最终形成现代的环境格局。由于这些干旱化和沙漠扩大事件与中更新世全球气候的显著变化基本同步,Fang等认为亚洲内陆大范围的沙漠化和干旱化所导致的巨大环境效应,可能是全球气候变化和中更新世系列气候事件发生的重要驱动力。基于同一地区的黄土沉积,史正涛等通过古地磁、光释光和14C年代学以及>63μm砂含量变化的研究,认为古尔班通古特沙漠大规模发育是从约1.2Ma开始的,最迟在0.8Ma前已经存在;0.8Ma以来沙漠发育经历了基本稳定期(0.8~0.4Ma)、强烈波动扩展期(0.4~0.13Ma)和收缩稳定期(0.13~0Ma)三个阶段;在成因机制上,认为昆—黄运动使青藏高原及亚洲山地隆升到3000m后其热力、动力作用引起了大气环流形势的改变及印度季风强度减弱,是准噶尔盆地古尔班通古特沙漠广泛形成主要原因。4.5.4古尔班通古特沙漠形成演变的年代学意义和机制与塔克拉玛干沙漠内部零星分布的古河湖相沉积物不同,准噶尔盆地内存在广泛而巨厚的第四纪冲洪积物。吴正认为这些沉积层的形成与盆地目前水系网的分布状况不相适应。因为目前盆地内仅有玛纳斯河、奎屯河等较大河流有较长流程和比较丰富的水量,其他河流大都在洪积扇边缘地带就已经消失,因此吴正推断巨厚沉积层的形成代表着第四纪时有过至少一个湿润时期,当时水系网比较稠密,同时有丰沛的水量。野外考察和航摄相片可看出无数的干河床伸向沙漠中心。来自古尔班通古特沙漠南缘丘间地的一个35m深钻孔的沉积特征研究表明,准噶尔盆地在晚更新世主要表现为相对冷湿的环境,剖面物质以弱胶结沙为主,其中夹有两层含钙结核的粘土层,OSL年龄分别是62kaBP和28kaBP,可以认为这两个时期气候的湿润性更为突出。以上所述的古风成沉积和冲洪积及其年代学证据,都指示了古尔班通古特沙漠至少在中更新世以来就已存在。但也如同塔克拉玛干沙漠一样,目前已报道的研究成果,由于研究区和研究对象、研究手段以及方法的不同,在关于古尔班通古特沙漠形成演化的时间、过程和影响机制方面,学术界也存在着认识上的差异。需要开展进一步系统的古环境研究和高分辨率的年代学证据来推进这种认识上的统一。4.6中更新世物权实验组织库姆塔格沙漠是中国研究相对较晚的沙漠,腹地广泛出露含古风成砂的第四纪地层剖面。在地质构造上,库姆塔格沙漠与塔克拉玛干沙漠有许多相似之处。第三纪末青藏高原的隆升奠定了库姆塔格沙漠地区现今的构造地貌景观。古地理证据:早期学者根据古地理环境资料,认为库姆塔格沙漠应在塔里木盆地干旱气候形成以后的一段时间形成,也就是在早更新世以后;在一范围不大的区域,一般说来形成年龄越老沙丘越高大,形态也越复杂;库姆塔格沙漠一般南部高北部低,南部沙丘高可达70~80m,而北部沙丘一般高在10m左右,具有从南向北阶梯状降低的特点,反映了沙漠发展过程是由南向北不断发展扩大的。沙漠北部有些下伏沉积物出露地表,沉积物为砾石夹浅红色、浅灰色砂岩互层;对比罗布泊地区第四纪地层,应划分为中更新世;沙漠大部分覆盖在中更新世地层上,表明该沙漠的形成是在中更新世。古风成沙证据:唐进年等根据古风成砂地层剖面的年代学分析结果,对比已有的周边区域地质资料,认为库姆塔格沙漠的形成至少始于早更新世初,到中更新世晚期286±43kaBP时沙漠已大面积扩展形成,奠定了现代沙漠环境格局;并且认为沙漠最初从西南部开始形成,之后向北和东北扩展。同时,依据梭梭沟地层剖面的研究,唐进年等认为库姆塔格沙漠在第四纪演化过程中至少经历了19个沙漠正、逆过程旋回;新构造运动对沙漠的形成演化和地貌的形成发育具有重要作用:构造性山间断陷活动使库姆塔格地区逐渐向封闭的干旱盆地演化,形成沙漠。夏训诚根据沙漠下伏沉积物、第四纪古地理、沙丘形态和14C年代学测定等资料,推测巨厚的湖相沉积物为库姆塔格沙漠的形成提供了丰富的沙源,沙漠在中更新世以后开始出现,晚更新世以后进一步发展扩大,形成今天的规模;它的发展过程最初在南部,然后在北部,由南向北逐渐向阿奇克谷地扩展。在沙漠形成时代和空间演化上,这与唐进年等的研究结果相似。因此,可以认为目前学术界在库姆塔格沙漠形成时代的问题上获得了统一性的认识。此外,关于库姆塔格沙漠独特的羽毛状沙丘的形成,由于研究角度的不同,目前有些不同的认识。夏训诚根据埋在沙丘中枯死的柽柳、沙拐枣群丛的14C测年数据,地质时代为4.6±0.1ka,推测库姆塔格沙漠北部羽毛状沙垄是4600年以后才发展起来的;沙漠中的沙垄是由新月形沙丘和新月形沙垄逐渐演变而成,又由于沙源丰富,在沙垄两侧或垄间发育了数道平行的小沙埂,垂直于沙垄,形成了特殊的羽毛状沙垄形态。Dong等则认为羽毛状沙丘的形成可能事实上与组成塞弗(Seif)沙丘的假羽毛状沙丘的地面光谱反照率有关,而后者与组成沙丘的颗粒粒径和轻重矿物的颜色有关。4.7地质时期新疆沙漠的形成由于气候是沙漠形成的动力条件,因此沙漠的演化模式通常受控于区域气候的演化模式而与之对应。4.7.1气候变化模式第四纪时期以来,新疆地区的气候变化特征可大致概括为:在中亚内陆持续干旱的宏观背景下,叠加着局域尺度的气候不稳定性,水热条件的配置有别于中国东部季风区。以北疆地区为主,包括昆仑山北缘的部分地区,晚更新世以来气候演变的模式是冷—湿、暖—干为主的西风主控型模式(水热不同期),它与中国东部暖—湿(夏季风)、冷—干(冬季风)的东亚季风主控型模式(水热同期)相区别,这一特征广泛为新疆各种地质记录所记载[68,70,77,78,79,80,81,82,83,84]。例如,通过对古丝绸之路兴衰的研究,李江风证明新冰期和小冰期恰好为古丝绸之路的发达时期(汉代2~3kaBP);由于沙漠中人类居住地的存亡主要取决于水,故反推冷对应于湿,而暖对应于干。李吉均从湖泊沉积研究认为新疆地区晚更新世以来的环境变化服从西风带的一般规律,冰期与雨期同步,冰期为冷湿期,间冰期为暖干期。中国内陆干旱区最大淡水湖博斯腾湖的钻孔岩芯的高分辨率记录表明,南疆地区近千年来在百年尺度上的气候变化组合以暖干和冷湿为主,是西风影响区湿润小冰期气候的典型代表。不仅如此,亚洲内陆冰芯、湖泊、河流、沙漠等沉积地层均记录了西风环流显著影响区较为湿润的小冰期气候,出现明显的冷湿气候组合。此外,中国干旱、半干旱地区的湖泊还高分辨率地记录了近15kaBP以来中国东、西部区域的气候变化差异,主要体现在高湖面的两种波动形式上。一种是以中国东、中部地区的岱海、呼伦湖、达里湖和班公湖为代表的中国季风区高湖面的变化,另一种则是新疆巴里坤湖、西昆仑湖泊、博斯腾湖、乌伦古湖等西风区为代表的另一种演变形式。西风区高湖面的出现大都与气候的寒冷期对应,而季风区此时的湖面是下降的,高湖面则都出现于各暖期之中;但在全新世适宜期二者则是同步的,都表现为一次显著的湖侵。高湖面是入湖水量增多的体现,一定程度上反映了降水增多的湿润气候,表明晚更新世的各次冰期中新疆地区是相对湿润的,这种气候变化模式相同于欧洲、北美等受西风带气候控制的地区。在全新世气候适宜期,新疆地区总体上是以暖湿为特征的,反映了全球宏观背景条件下区域一致性的特征。西风型演变模式是新疆地区第四纪气候变化的重要特征,该模式的建立是新疆地区第四纪气候研究最重大的进展之一,使得新疆成为中国第四纪古环境演变研究领域极富特色的区域。4.7.2沙区气候环境格局的动式发育模式西风主控型的气候演化模式导致新疆沙漠的演变有别于中国北方中、东部的沙漠,它们的区别可概述为:(1)中国东部和东北部沙区(以浑善达克沙地为代表),同时受到东亚冬、夏季风的显著影响,第四纪沙漠变迁主要表现为沙丘正、逆过程交替出现的波动式发育模式,即流沙出现、扩大与缩小、生草成壤过程相间,是“草原型”或“季风型”沙漠,以旋回波动式演化模式为特征;(2)中国中部沙区(以巴丹吉林沙漠为代表),受西风型气候的影响,同时受到东亚冬季风的强烈影响和东亚夏季风的次级影响,沙漠的演化模式主要表现为松散风成沙与钙质胶结层或湖相层迭覆出现、以松散风成沙为主的高大沙山,是“西风-季风型”沙漠,以非线性(或偏性)沙丘波动式演化模式为特征;(3)中国西部新疆地处中亚内陆,其构造地貌特征使两大盆地区域受行星系西风、海陆季风或地形山谷风等的焚风效应的影响,第四纪以来的气候环境格局总体表现为持续的干旱化过程并伴随次级小规模的波动过程;因此新疆沙漠的演化模式主要表现为流沙不断扩大的直线式发展过程,是“荒漠型”、“雨影型”或“焚风型”沙漠。5历史时期新疆沙漠的变迁5.1历史时期的土地沙漠化历史时期新疆经历了快速的沙漠化过程。广大学者认为历史时期新疆沙漠的扩展是由人为因素造成的。因为全新世以来的地质记录显示:千年尺度的气候变化在塔克拉玛干沙漠地区是较为温暖的,而现在的气候条件表明自然因素是不会促进沙漠如此快速的发展的。历代封建王朝迫于人口压力,一方面滥垦、滥伐式的掠夺生存资源,具有重要生态意义和固沙作用的沙丘植被大量破坏,致使绿洲边缘流沙蔓延,沙漠扩展,形成“沙进人退”格局;如新疆北部精河、艾比湖一带及其附近区域,南疆洛浦、莎车、喀什绿洲等;另一方面,人口压力的增大使人为绿洲被迫向河流上游扩展,灌溉作业等人为用水量的加剧使得流向下游的水量逐渐减少,河流下游断流或河流改道,遗留的沙质干河床受风力吹扬作用,就地起沙形成沙丘,并逐渐成片,形成流动沙丘群。然而,历史时期新疆南、北部沙漠经历了并不相同的沙漠化过程。研究表明:两千多年来,准噶尔盆地中的古尔班通古特沙漠环境基本稳定,但在东南缘及西南缘存在着固定、半固定沙丘向流动沙丘转化的沙丘活化现象。而历史时期的塔克拉玛干沙漠,在沿沙漠河流下游干三角洲分布的一些古代绿洲,由于水系变迁、战争等原因沦为沙漠化土地;河流中上游及洪积、冲积平原虽然也有风沙化的古城废