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打通圈层隔离和科学界线 重建由造山带到高原形成的历史

文章来源 :
2022-02-10 19:09

印度板块与欧亚板块碰撞后,在早期形成的高大的冈底斯山造山带和中央分水岭造山带之间发育了一个广阔的中央谷地,该谷地隆起消失即标志统一高原(Tibet)的形成。2月10日,中国科学院青藏高原研究所丁林院士领衔的碰撞隆升及影响团队以“青藏高原中央谷地古近纪隆升和消亡过程”(The rise and demise of the Paleogene Central Tibetan Valley)为题,在国际顶级学术期刊Science Advances上发表相关研究成果。

由青藏高原深部圈层作用驱动的高原生长过程,是高原地表圈层(大气圈、冰冻圈/水圈、生物圈和人类圈)演化和链式响应的内源驱动力。该团队通过开展构造地质演化、岩石圈深部动力学过程、古温度、古植被分析和古气候模拟等多领域、多手段的综合研究,打通圈层隔离和科学界线,定量恢复了青藏高原中央谷地3800-2900万年前的隆升和消亡过程,揭示了中央谷地的隆升和统一高原的形成历史是青藏高原对地表圈层环境巨大影响的肇始(图1)。结合团队前期研究,该成果进一步表明,雅鲁藏布江缝合线以北从造山带到统一高原的诞生主要发生在晚始新世-早渐新世(3800-2900万年),早于喜马拉雅山(Himalaya)的形成时间,雅鲁藏布江缝合线以南喜马拉雅山脉于中新世早期(2500-1500万年)才达到现在高度。该成果在打通高原各圈层演化的时空隧道方面迈出了坚实一步,对青藏高原地球系统科学研究将具有重要的引领示范作用。


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图1. 青藏高原中央谷地3800-2900万年前隆升和消亡过程。A. 5000-3800万年前:青藏高原呈现为“两山夹一盆”的地貌特征,即高海拔的冈底斯山脉和中央分水岭山脉之间夹着低海拔的中央谷地。中央谷地气候温暖湿润,降水由西风和季风共同主导,亚热带动植物繁盛,是高原内部的“香格里拉”。B. 3800-2900万年前:中央谷地快速隆升为大于4000 m的高原,地表温度下降,降水减少,且降水主要受季风控制,高山草甸为主要地表植被。


青藏高原中央谷地(图2)位于高原核心腹地,夹持于南部冈底斯山脉和北部中央分水岭山脉之间,西起班公湖,东至丁青县,东西长1500公里,南北宽20-100公里,平均海拔约4600米,是考证统一高原形成的关键靶区。该成果研究地点位于中央谷地中部的伦坡拉盆地,隶属班戈县,面积约3600平方千米,现今海拔约4700米,年均温约0℃,年降水量400-500毫米,属典型的高寒气候。盆地内沉积有牛堡组和丁青组两套新生界地层,牛堡组由一套河流相的紫红色古土壤、砂砾岩、以及湖相灰色泥页岩和灰岩组成,丁青组为一套灰色系泥岩、页岩、油页岩以及粉细砂岩组成。牛堡组和丁青组出露丰富的动植物化石,自本世纪以来一直是研究青藏高原隆升历史、机制及环境-生物效应的热点地区。


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图2. 青藏高原中央谷地范围(白色阴影区)及地表高度变化剖面,五角星代表研究地点伦坡拉盆地位置


自1997年,丁林院士带领团队持续在伦坡拉盆地进行野外考察,采集了大量年代学和团簇同位素样品(图3)。科研人员在牛堡组和丁青组地层中发现了9套火山灰,利用锆石U-Pb年代学方法确定了这些火山灰的绝对年龄,建立了伦坡拉盆地5000-2000万年前沉积地层绝对年代框架。其中,牛堡组沉积时代在5000-2900万年前,丁青组沉积时代在2900-2000万年前。在此年代框架的基础上,研究团队与英国布里斯托大学古气候模拟团队合作,在青藏高原首次利用古气候模拟确定了青藏高原中央谷地的降雨模式为冬、夏两个季节的双峰式,结合降雨量、地表蒸散和土壤水分含量等,揭示了古土壤钙质结核的形成季节。模拟结果显示牛堡组下部古土壤钙质结核的形成时间为3~6月,而牛堡组上部古土壤钙质结核的形成时间则限定在5~6月和9月两个阶段。结合古土壤钙质结核团簇同位素重建的地表温度、模拟得到的海平面湿球温度以及地表气温直减率,定量恢复了伦坡拉盆地地表高度变化历史(图4)。结果表明,青藏高原中央谷地在5000-3800万年前处于1700米的相对低海拔位置,处于亚热带森林环境,是青藏高原内部的“香格里拉”(Su et al., 2021);在3800-2900万年前,以伦坡拉盆地为代表的中央谷地快速隆升到海拔超过4000米的高原(图4)。此外,降水氧同位素模拟得到的上述两阶段古降水同位素的差值与使用耦合同位素恢复的牛堡组下部和上部古地表土壤水的差值一致,进一步验证了古高度结果的可靠性。伴随中央谷地的隆升和全球气候变冷,高原中部地区温度显著下降,降水减少,并且季风作用增强。气候变化进一步导致高原中部地区从温暖湿润的亚热带生态系统转变为寒冷干燥的高寒生态系统(图1)。综合区域内古高度、构造活动、岩浆作用(Ding et al., 2007)等证据,研究认为,中央谷地地表隆升的深部地球动力学机制为俯冲的拉萨地幔拆沉、软流圈物质上涌及上部地壳缩短(图1)。


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图3. 丁林院士带领团队在伦坡拉盆地进行野外考察


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图4. 青藏高原中央谷地、冈底斯山脉、中央分水岭山脉和喜马拉雅山脉古高度历史重建图


作为此项研究的核心数据,古土壤钙质结核团簇同位素在青藏高原地球系统与资源环境国家重点实验室分析获取。古高度重建过程中,限定古土壤钙质结核形成的温度非常关键,团队实验技术人员经过四年技术攻关,自主研发碳酸盐团簇同位素测量方法,搭建碳酸盐团簇同位素前处理实验装置(图5),顺利解决了上述难题。实验技术人员高效纯化从古土壤钙质结核中提取的二氧化碳,通过设置不同低温-条件下的恒温色谱柱和冷阱,去除二氧化碳中可能含有的杂质气体,再在高精度稳定同位素质谱仪253Plus上对经过前处理装置提取和纯化的二氧化碳进行团簇同位素的测量。该质谱仪专门配备了质量数为47.5的法拉第杯,用于监测二氧化碳团簇同位素测量的背景干扰。


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图5. 碳酸盐团簇同位素分析系统 


该研究成果获得第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0708)等项目资助。中科院青藏高原研究所丁林院士为该文章的通讯作者,熊中玉博士和刘晓惠博士为共同第一作者,共同作者还包括英国开放大学Robert Spicer教授、布里斯托大学Alex Farnsworth博士和Paul Valdes教授、中科院西双版纳热带植物园苏涛研究员等。 

论文信息:Xiong, Z.Y, Liu, X.H, Ding, L.*, Farnsworth A., Spicer, A., Xu, Q., Valdes P., He, S., Zeng, D., Wang, C., Li, Z., Guo, X., Su T., Zhao, C., Wang H., Yue Y. The rise and demise of the Paleogene Central Tibetan Valley. Science Advances, 8, eabj0944 (2022).

原文链接:https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0944