青藏高原亚洲河流地球化学研究现状与展望

青藏高原亚洲河流地球化学研究现状与展望

国际陆地环境研究计划（ssfmargins游）的“源转移”科学计划的中心研究目标是揭示世界陆地环境中碎屑物质的总量，以及大陆架区域内的分布、运输和扩散模式。河流显然是世界陆源碎屑物质搬运入海的主要方式。最近,新的国际地圈生物圈计划IGBP-II下的海岸带陆海相互作用计划LOICZ-II提出“流域盆地—海岸带相互作用研究”,也强调要从流域到海岸和陆架再到深海来系统研究生物地球化学循环过程。发育于南亚及环太平洋与印度洋的河流输沙总量约占世界入海河流泥沙总和的70%以上。新生代青藏高原的隆升形成了亚洲主要水系,这些河流携带高原快速隆升而风化剥蚀的大量陆源物质进入边缘海,对边缘海的沉积体系形成、古环境演化以及全球海洋化学通量变化等均具有显著影响[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。最近几年国际全球变化研究的一个热点就是根据亚洲,尤其是东南亚和南亚的河流在河口和海区的沉积地球化学记录来研究喜马拉雅—青藏高原隆升过程以及亚洲季风的形成和演化。本文将综述亚洲主要河流地球化学的研究进展以及我国长江和黄河沉积地球化学研究现状,展望未来可能的主要研究方向和热点科学问题。1目前，对东南亚和东南亚河流地球化学的研究1.1能力障碍:化学风化和气候变化亚洲不同地区的河流具有明显不同的流域化学风化特点,流域构造、气候、植被、土壤及地层岩性等是主要的控制因素。随流域年均温度和降雨量增大,亚洲主要河流的离子浓度及离子侵蚀模数增高,而离子径流量占入海物质总通量的比却减小,即反映出地带性的气候特征对流域化学风化的强烈控制。不同规模的流域内硅酸盐的化学风化和物理风化有非常好的相关性,即物理剥蚀强的流域化学风化也相应地比较强。而长江与黄河的研究则显示黄河流域物理侵蚀达到世界最高值,而硅酸盐风化却相当弱,明显弱于长江流域;气候不同是造成长江与黄河流域硅酸盐风化差异的主要因素,而岩性的控制较弱。流域盆地内的风化和侵蚀可以通过大气CO2的消耗和颗粒有机碳在陆架地区的埋藏来影响海洋和大气的长期CO2通量变化。自Raymo等在20世纪90年代初期提出新生代青藏高原隆升加强大陆化学风化,消耗大气CO2而显著影响全球气候变化以来,通过亚洲主要河流地球化学记录来研究青藏高原隆升过程及其造成的全球环境变化一直是最近几年国际全球变化研究的热点。世界60条主要河流的悬浮物浓度与流域内的Ca硅酸酸和Mg硅酸盐化学风化引起的大气CO2消耗之间存在非常好的正相关性,而且径流深是控制流域硅酸盐风化以及大气CO2消耗的主要因素,而温度对风化的影响并不显著;尤其是大河流域的大玄武岩省包括印度德干(Deccan)、美国科罗拉多(Colorado)以及我国长江流域的峨眉山玄武岩省,它们的化学风化占世界大陆硅酸盐风化消耗CO2总量的30%左右,对全球古气候变化起重要的控制作用。实际上,这些大岩浆岩省(LIPs:LargeIgneousProvinces)对全球气候变化具有2个截然相反的影响,即这些火山活动不仅充当大气CO2的源,也是它的汇。一方面这些LIPs形成时喷发的大量气体导致全球气温升高,另外一方面它们化学风化时消耗大气CO2而使得全球变冷。然而,高原隆升、化学风化和气候变化之间的关系非常复杂。恒河和布拉马普特拉河的水化学研究表明,由于流域内Ca硅酸盐和Mg硅酸盐的分布面积并不广,因此硅酸盐化学风化对大气CO2消耗的贡献也有限。根据ODP116在孟加拉深海远端扇的研究结果,France-Lanord等认为晚第三纪青藏高原隆升和风化剥蚀对大气碳循环的主要影响是增加沉积地层中有机碳的埋藏,而流域硅酸盐风化消耗大气CO2量的增加并不显著。我国的长江和珠江流域,除了玄武岩外,不同时期的花岗岩分布非常广泛,目前对流域硅酸盐和铝硅酸盐岩的化学风化消耗大气CO2量的研究非常薄弱。早在1981年Hu等以及随后的科学家[24,25,26,27,28,29]都认识到我国河流的水化学组成主要受流域碳酸盐岩和蒸发盐岩控制,硅酸盐风化的贡献较弱。虽然全球大气CO2的消耗从长远来看主要受硅酸盐岩风化控制,但是在我国大河流域分布非常广泛的碳酸盐岩的风化也可能是大气CO2的消耗的主要因素。最近,黄河水化学的研究揭示黄河流域碳酸盐岩风化消耗的大气CO2量要明显超过硅酸盐风化,CO2的消耗率要明显低于南亚河流以及世界河流平均值。显然,目前需要开展主要河流流域的系统研究,来深入认识我国主要流域碳酸盐岩和硅酸盐岩的化学风化及其对与全球大气CO2消耗的贡献。1.2从古环境控制到古气候控制的流域水环境古地理控制亚洲边缘海盆地的沉积地层研究发现在大约2~4Ma陆源碎屑沉积速率突然显著增加,在第四纪很多地区沉积速率达到最大,最主要的影响因素可能是晚第三纪以来的季风气候不稳定性,而仅在局部地区沉积速率在15Ma左右呈现增加趋势。根据东亚边缘海的地震地层剖面研究,Clift等推测自~45Ma印度—亚洲板块碰撞后这些边缘海的沉积速率明显增加,尤其在~33Ma和18Ma呈现2个明显的峰值,同季风强盛导致大陆风化加强有关;而在晚中新世(5~11Ma)除了湄公河河口外几乎所有盆地的沉积速率都下降,到了晚上新世(<5Ma)由于全球气候急剧变化沉积速率又迅速增加。恒河和印度河流域的晚第三纪形成的碎屑沉积物中淡水双壳类化石的稳定氧同位素研究表明,在10.7Ma前就存在强烈的亚洲季风,而大约7.5Ma亚洲大陆逐渐变干,C4草类植物分布面积显著增大,相应地孟加拉扇沉积速率在8Ma左右也明显下降。最近根据喜马拉雅地区河流流域古土壤层的稳定碳同位素研究,Ghosh等认为8~4Ma期间亚洲大陆为C4植物为主的格局在晚上新世大约4Ma由于亚洲季风加强,降雨增多,C3植物普遍发育,强烈的化学风化增加了边缘海的沉积速率。根据我国东部地区华北平原、黄河和长江三角洲地区3个深钻孔的沉积地球化学、孢粉以及微体古生物学研究,Yang等也发现晚上新世长江与黄河流域化学风化较强,而到了第四纪流域气候逐渐变冷干,化学风化减弱;晚新生代长江流域古气候总体上比北方地区温湿,反映出东亚季风强度的区域性差异。恒河和布拉马普特拉河的地球化学研究发现单一地运用河流溶解态和悬浮物的通量来估算喜马拉雅—青藏高原地区的风化速率并不可靠,而依据地球化学方法计算的整个喜马拉雅地区的侵蚀量是河流实测悬浮物通量的2倍,而且喜马拉雅东部地区的剥蚀速率(2.9mm/a)要高于西部(2.1mm/a);季风强度是控制流域风化剥蚀的最主要因素。恒河上游的10Be和26Al同位素组成揭示高喜马拉雅地区的剥蚀速率最大,达到2.7±0.3mm/a,在青藏高原南侧剥蚀速率下降到1.2±0.1mm/a,而到山体南边坡脚处侵蚀速率只有0.8±0.3~<0.6mm/a,流域侵蚀速率的变化主要受不同的气候和构造背景控制。显然,构造—气候—岩性对亚洲主要流域风化作用的控制相当复杂,在不同地质、地理和气候背景下的流域内物理和化学风化特点也不一样。通过新生代形成的河流沉积物记录来释读喜马拉雅—青藏高原隆升过程、流域剥蚀速率及相应的亚洲季风气候演化需要慎重,寻求合适而稳定的古气候和环境变化的替代指标显得尤为迫切和重要。1.3海洋os同位素组成演化的控制因素不少研究认为晚新生代全球海洋的Sr同位素演化主要受喜马拉雅—青藏高原的隆升和化学风化控制,尤其是发源于青藏高原地区的几条南亚和东南亚大河将流域具有不同Sr同位素组成的大量风化产物搬运至大洋,导致了全球海洋的Sr同位素组成变化。同87Sr/86Sr同位素组成变化趋势一样,过去40Ma来全球海水的187Os/186Os同位素比值逐渐增高。然而,喜马拉雅—青藏高原的隆升对全球海洋Os同位素组成演化的控制作用则比较复杂,不同的学者认识并不一致。一种观点认为喜马拉雅地区的强烈化学风化将大量放射性成因的Os同位素搬运至海洋而导致过去16Ma来全球海洋187Os/186Os组成的显著升高;而另外一些学者认为喜马拉雅地区虽然具有大量放射性成因的Os同位素组成的基岩,但其化学风化不足以导致晚新生代全球海洋Os同位素的显著变化,而新生代全球大陆持续增强的化学风化是主要原因。最近Singh等对恒河和布拉马普特拉河河流沉积物的Re-Os同位素组成系统研究后认为,60%~90%的布拉马普特拉河沉积物来自于喜马拉雅组,其低的187Os/186Os比值对今天海洋的Os同位素组成影响甚小,而恒河因为其高放射性的Os同位素组成而对全球海水的Os同位素演化具有重要的控制作用。1.4岩石学和年代学根据世界25条主要河流河口地区的锆石U-Pb和Lu-Hf同位素年龄谱系研究,Maruyama等推测大陆壳生长模式并不连续,呈现2.7Ga、2.1Ga、1.8~1.1Ga和0.7Ga几个幕式生长阶段,以2.1Ga为主;元古代的生长大约占75%,太古代不到20%,而显生宙仅占5%左右。印度河口三角洲地区的锆石U-Pb同位素年龄谱系研究揭示HigherHimalaya是锆石的主要物源区,而Karakoram和LesserHimalaya的物源贡献较弱;白云母、黑云母的Ar-Ar年龄以及磷灰石的裂变径迹研究证实高原的快速隆升导致河源区的地形升高是控制大量陆源碎屑物侵蚀并搬运入海的主要因素。南亚若干条河流沉积物的碎屑锆石和斜锆石U-Pb和Lu-Hf年代学研究很好地约束了东南亚大陆的陆壳生长和循环模式,揭示出元古代5个主要的陆壳生长事件包括2.5Ga、2.3Ga、1.9Ga、1.1Ga和0.8Ga,以及加里东期、印支期和喜马拉雅期岩浆事件,以印支期(250~200Ma)的岩浆活动最为显著。这些河流沉积物中碎屑钾长石颗粒的U-Th-Pb年代学研究发现在这些钾长石颗粒中没有保存前寒武纪的Pb同位素信息,东南亚大陆的碎屑沉积物主要来自显生宙的造山带。越南红河流域正片麻岩中锆石的SHRIMPU-Th-Pb的年代学研究揭示出2.84~2.91、2.36和1.96Ga3个年龄峰,对应于锆石的三期主要生长事件,其中~2.9Ga最老的锆石核部年代可能是东南亚最古老的基底岩石年龄,而后两个年轻的年龄组则可能代表了后期的高级构造—变质事件。最近,Clark等在长江上游的金沙江及其支流大渡河、安宁河和雅砻江的峡谷上开展了基岩样品的磷灰石裂变径迹和U-Th-He低温年代学工作,认为青藏高原东南侧这些深切的峡谷初始形成时间大约在9~13Ma,下切速率约为0.25~0.5mm/a;晚中新世青藏高原东侧的强烈隆升及其带来的丰富降雨导致了河流的迅速下切。然而,流域盆地内锆石的物源可能相当复杂,尤其是在流域源岩类型多变、构造—造山运动复杂的大河流域,运用锆石的年龄谱系进行物源区识别、构造演化研究和古地理重建工作必须谨慎。Cawood等对澳大利亚弗兰克兰(Frankland)河流沉积物中碎屑锆石的U-Pb同位素年龄研究证实在古老的造山带,很难将河流沉积物中的锆石年龄与沉积物源区简单对应,上游的一些源岩信息很可能被掩盖。2我国河流地球化学示踪研究现状和展望过去10多年来国内外学者对我国的几条主要河流包括长江、黄河和珠江的沉积物地球化学组成开展了大量的基础研究工作。研究主要集中在元素地球化学方面,即根据河流沉积物的元素组成特征研究流域的源岩组成、化学风化和人类活动对元素组成的控制作用以及河口地区元素的地球化学行为等,进而揭示这些河流沉积物元素组成的独特性,并确立流域的水体环境背景值和入海沉积物的地球化学示踪标准等[47,48,49,50,51,52,53,54]。在我国的这几条主要河流中,长江的沉积地球化学示踪研究最深入,开展的工作也最多。最近几年的若干研究均围绕河流地球化学的示踪运用和长江沉积物的从源到汇过程进行。现代长江表层沉积物的元素地球化学组成可以示踪长江流域风化上陆壳的化学组成特征以及反映流域的化学风化程度,尤其是稀土元素地球化学的研究揭示长江和黄河具有不同于南亚河流的稀土组成特点,更接近于世界平均上陆壳(UCC)和世界入海沉积物的平均组成。长江河流沉积物总体上经历了中等程度的化学风化,Na、Ca硅酸盐风化程度明显高于黄河流域,而弱于南亚河流;不同的地带性气候特点可能是控制这些流域硅酸盐化学风化程度的主要因素。相比南亚和东南亚的主要河流,我国河流沉积物的放射性同位素地球化学示踪研究非常薄弱。Goldstein等报道了一个长江口表层沉积物的Nd同位素组成,认为它与长江流域一个寒武纪/前寒武纪界线处的沉积岩样品具有相同的Nd同位素组成;孟宪伟等则较系统地采集了长江流域泛滥平原的细粒沉积物样品,报道了Sr同位素组成,探讨了流域地质背景和化学风化的制约作用,从而确立了示踪长江入海端员物质的Sr同位素标准。Clift等分析了金沙江上4个河流沉积物的Pb同位素组成,并和红河以及南海沉积物的同位素组成进行了比较,研究了它们之间的物源关系。最近几年,一些学者尝试了我国河流沉积物的成因矿物学示踪研究。根据长江与黄河沉积物中的磁铁矿的元素组成特点,杨守业等研究了流域主要源岩类型对磁铁矿元素组成的控制,指出了河流沉积物中Ti-Fe氧化物化学组成的对流域不同物源区的示踪意义。长江三角洲地区PD-99钻孔沉积物中碎屑独居石的U-Th-Pb年代学研究发现晚上新世沉积物中未见<25Ma的年轻独居石颗粒,而在其上部的第四纪沉积物中这些年轻独居石颗粒广泛分布,推测早更新世随青藏高原强烈隆升,长江发育而贯通入海。总体而言,我国河流地球化学的示踪研究虽然在元素地球化学方面取得了较好的工作基础,但是在研究思路和关键方法上还有待突破和深入。同位素地球化学和成因矿物学的示踪研究迄今还没有深入开展,研究程度要比南亚河流明显薄弱;我国几条主要河流各具不同的地质、地理、水文和气候背景,河流沉积物的从源到汇过程也不一样,将来的河流地球化学示踪研究需要从整个流域角度来考虑,而不能偏重在河口地区,同时要注重比较不同流域的源汇过程差异,揭示出这些河流地球化学的示踪特点以及在世界主要河流中的独特性;另外,围绕全球变化的热点科学问题,我国的河流地球化学示踪研究需要进一步凝练科学目标,充分利用大量的流域基础研究资料,综合不同学科的研究方法,来深入研究一些关键问题。3长江源到汇过程研究的关键问题我国的长江发源于青藏高原东北侧,流域主要位于扬子地块上,跨越了不同的地貌和大地构造单元,流域地质构造和源岩类型明显比东南亚河流复杂。可以说,长江流域的水文地貌特征在世界主要河流中最为复杂。另外,长江流域的水系非常发育,流域盆地和湖泊也多于南亚流域,沉积物的从源到汇过程相当复杂。长江流域受东亚季风气候影响显著,表现在不同地区具有不同的气候特征,因此流域风化剥蚀具有明显的区域性变化特点。虽然长江沉积物的从源到汇过程研究历史比南亚河流都要久远,早在上世纪初期便开展了大量工作。然而目前的研究进展却明显落后于南亚河流。从一定意义上讲,我们应该考虑将长江作为世界河流的一个典型,加强其流域沉积物从源到汇过程的系统研究,这对系统认识青藏高原隆升与东亚季风演化、我国新生代地形的宏观格局演化等均具有重要意义。长江作为一条完整的河流何时形成是理解长江沉积物从源到汇过程的关键问题,也是长江研究中争论最多的热点问题。长江的形成历史研究可以追溯到上世纪初,国内外著名学者Willis、Barbour、李四光、李春昱等便开始了探索;20世纪中后期以任美锷、沈玉昌、李吉均和杨达源等为代表的众多学者都相继做过研究。长江形成时间的认识从老到白垩纪—第三纪[59,60,61,62,63,45],到年轻至晚第四纪(0.15~0.2Ma),更多的观点则认为在早更新世中—晚期长江才真正东西贯通。国内外不少研究认为长江三峡以上河段作为先成河,曾经借助今天礼社江—元江(红河)等水道而南流甚至入南海。Clark等根据长江上游地区的河流地形地貌研究推测在中新世随着青藏高原东侧地表抬升约2000m,导致向南流的古长江水系发生河流袭夺事件而转向东流,形成今天的长江。Clift等根据莺歌海盆(GulfofTonkin)的新生