“世界屋脊”最初竟為“谷地”！青藏高原都經(jīng)歷了什么？

作者 ｜ 韓揚眉

地球第三極青藏高原如今平均海拔在4000米以上，被稱為“世界屋脊”。但在形成今日之“高大”面貌之前，青藏高原其實還發(fā)育了一個低海拔的溫熱的“谷地”。

從“谷地”到“世界屋脊”是如何演化的？其隆升過程又對今天的青藏高原環(huán)境有著怎樣的影響？這些都是關(guān)于青藏高原尚未解開的謎題。

歷時20余年，在第二次青藏科考的支持下，中科院院士、中科院青藏高原研究所（以下簡稱青藏高原所）研究員丁林領(lǐng)銜的碰撞隆升及影響團隊，通過構(gòu)造地質(zhì)演化、巖石圈深部結(jié)構(gòu)、古高度、古溫度、古植被分析和古氣候模擬等多領(lǐng)域多手段的綜合研究，刻畫了青藏高原隆升前低海拔“中央谷地”的面貌與歷史過程。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學進展》。

高升前的“低谷”

青藏高原隆升過程復雜，且經(jīng)歷了漫長的歷史時期，其隆升的地球動力學過程仍存在爭議。

有觀點認為，在距今5300萬年到3600萬年的始新世，高原南部最先成為海拔最高地區(qū)，隨后向北隆升；另一種觀點認為，在始新世，高原中部是海拔最高的地區(qū)，形成青藏高原雛形，然后從中新世開始向南擴展成喜馬拉雅山脈，向北擴展到青藏高原北部的昆侖山以及祁連山地區(qū)。

論文第一作者、青藏高原所博士熊中玉介紹，印度板塊與歐亞板塊碰撞后，在高大的岡底斯造山帶和中央分水嶺造山帶之間，曾發(fā)育一個與現(xiàn)今地貌完全不同的“低海拔中央谷地”。它自西向東，沿現(xiàn)在的日土—改則—尼瑪—班戈—那曲—丁青一線展布。

“但它何時隆升到現(xiàn)今高度，導致中央谷地隆升的內(nèi)源驅(qū)動力又是什么？我們還不清楚?！闭撐耐ㄓ嵶髡叨×直硎荆瑴蚀_量化隆升過程及特征對于評估其對大氣和地表過程的影響至關(guān)重要。

自1997年起，丁林帶領(lǐng)團隊持續(xù)在位于中央谷地中部的倫坡拉盆地開展野外考察，試圖解開這個謎團。

倫坡拉盆地隸屬班戈縣，面積約3600平方千米，海拔約4700米，年平均溫度約0℃，年降水量400~500毫米，屬于典型的高寒季風性氣候，是研究青藏高原隆升歷史、機制及環(huán)境—生物效應的熱點地區(qū)。

火山灰中找“密碼”

“火山灰?guī)r層是盆地中沉積下來的古代火山噴發(fā)的火山灰，可用于準確限定地層的形成時代和絕對年齡。地層的絕對年齡類似于一個‘標尺’，只有在這個標尺的基礎(chǔ)上，我們才能精確地重建地球各個圈層的演化過程?！毙苤杏窀嬖V《中國科學報》。

研究團隊在盆地內(nèi)共發(fā)現(xiàn)了9套火山灰，利用鋯石鈾鉛測年的方法，確定了火山灰的絕對年齡，建立了倫坡拉盆地5000萬~2000萬年前沉積地層的絕對年代框架。

研究表明，下部牛堡組地層沉積年代為5000萬~2900萬年前，上部丁青組地層沉積年代為2900萬~2000萬年前。

在此年代框架基礎(chǔ)上，研究團隊與英國布里斯托大學古氣候模擬團隊合作，首次在青藏高原上利用古氣候模擬的方法，確定了青藏高原中央谷地的降雨模式為冬、夏兩個季節(jié)的雙峰式。

同時，結(jié)合降雨量、地表蒸散和土壤水分含量等，他們揭示了古土壤鈣質(zhì)結(jié)核的形成季節(jié)：牛堡組下部古土壤鈣質(zhì)結(jié)核的形成時間為3~6月，而牛堡組上部古土壤鈣質(zhì)結(jié)核的形成時間則限定在5~6月和9月兩個階段。

深部圈層為“內(nèi)生動力”

基于古土壤鈣質(zhì)結(jié)核團簇同位素數(shù)據(jù)確定的地表古溫度，研究團隊還創(chuàng)造性地使用地表空氣濕球溫度和濕球氣溫直減率定量恢復了倫坡拉盆地地表高度變化歷史。

研究結(jié)果表明，約5000萬~3800萬年前，青藏高原呈現(xiàn)“兩山夾一盆”的地貌特征，岡底斯山脈海拔約4500米、中央分水嶺山脈海拔約4000米，它們之間夾著海拔約1700米的中央谷地。中央谷地氣候溫暖濕潤，降水由西風和季風共同主導，亞熱帶動植物繁盛，是高原內(nèi)部的“香格里拉”。

約3800萬~2900萬年前，以倫坡拉盆地為代表的中央谷地快速隆升為海拔超過4000米的高原，這也標志著青藏高原主體部分形成。

伴隨中央谷地隆升和全球氣候變冷，高原中部溫度顯著下降，降水減少，并且南部季風作用相對增強。氣候變化導致高原中部從溫暖濕潤的亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹涓稍锏母吆鷳B(tài)系統(tǒng)，主要地表植被為高山草甸。

結(jié)合前期研究，團隊進一步指出，雅魯藏布江縫合線以北，從造山帶發(fā)展為高原主體的時間為晚始新世—早漸新世（3800萬~2900萬年前），而雅魯藏布江縫合線以南的喜馬拉雅山脈于中新世早期（2500萬~1500萬年前）才達到現(xiàn)在高度。

丁林介紹，導致中央谷地隆升的深部地球動力學機制，是俯沖的拉薩地幔拆沉、軟流圈物質(zhì)上涌及上部地殼縮短。中央谷地的隆升是青藏高原對地表圈層環(huán)境的巨大影響的開始。該研究在青藏高原各圈層時空演化研究方面邁出了堅實一步，對青藏高原地球系統(tǒng)科學研究具有重要示范作用。

相關(guān)論文信息：

https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0944

《中國科學報》 (2022-03-02 第4版 綜合 原標題為《“谷地”如何變身“世界屋脊”》）

編輯 | 趙路

排版 | 志海