孫繼敏

(中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，北京100029)

縱觀地球上的造山帶，青藏高原以其最復(fù)雜的形成機(jī)制、最高的海拔、最大的面積、最重要的環(huán)境效應(yīng)、最脆弱的生態(tài)環(huán)境成為全球地學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)，也是開展地球系統(tǒng)科學(xué)研究的最理想的實(shí)驗(yàn)室。新生代以來印度板塊的北向俯沖，導(dǎo)致了新特地斯洋的消亡以及印度板塊與歐亞板塊的碰撞，這一巖石圈的構(gòu)造變動(dòng)，進(jìn)一步影響了北半球乃至全球尺度的大氣環(huán)流，高原淺表層的剝蝕風(fēng)化、地貌分異、水系調(diào)整、動(dòng)植物演替，也影響到礦產(chǎn)資源的形成演化。因此，從這一意義上講，青藏高原是開展新生代巖石圈－水圈－大氣圈－生物圈各圈層相互作用的關(guān)鍵地區(qū)，也因此成為研究地球系統(tǒng)科學(xué)的典型范例。

新生代印度板塊與歐亞板塊的碰撞不僅導(dǎo)致了深部巖石圈的構(gòu)造變形和青藏高原的隆升，而且在深部巖石圈構(gòu)造變形及高原隆升的過程之中，對(duì)淺表層圈的大氣圈、生物圈、水圈也產(chǎn)生了重要影響。早期的研究關(guān)注了青藏高原的隆起對(duì)大氣環(huán)流的影響，特別是數(shù)值模擬的工作認(rèn)為高原隆升是亞洲緯向風(fēng)系向季風(fēng)風(fēng)系轉(zhuǎn)變以及中緯度內(nèi)陸干旱環(huán)境形成的原因。此后，也有觀點(diǎn)認(rèn)為高原隆升通過風(fēng)化剝蝕過程加強(qiáng)硅酸鹽化學(xué)而降低大氣CO2濃度，進(jìn)而影響全球氣候，而氣候變化又可能通過剝蝕和地殼均衡反饋于高原隆升過程。這些早期的研究雖然也關(guān)注了巖石圈對(duì)大氣圈的影響，但基本處于假說階段。

進(jìn)入到21世紀(jì)，地學(xué)研究需要從圈層耦合的地球系統(tǒng)科學(xué)角度重新審視青藏高原隆升及其對(duì)淺表層圈的影響這一重大科學(xué)問題。青藏高原深部巖石圈的構(gòu)造變動(dòng)對(duì)淺表層圈的影響與互饋是多方面的。高原隆升盡管會(huì)導(dǎo)致大氣環(huán)流的改變，但亞洲季風(fēng)的起源及演化過程中，全球尺度的氣候變化，尤其是極地冰量的演化，也有不可忽視的作用。此外，高原隆升導(dǎo)致的剝蝕風(fēng)化的加劇究竟在多大程度上影響了大氣CO2濃度的改變也是值得深入探索的問題，因?yàn)樵絹碓蕉嗟淖C據(jù)表明高原隆升與大氣CO2濃度之間并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。對(duì)中亞腹地干旱歷史以及中國(guó)東西部氣候格局的分異時(shí)間和機(jī)制仍不清楚，我們尚不知道高原隆升與全球變化各自扮演什么角色?各自的貢獻(xiàn)有多大?從宏觀尺度而言，對(duì)青藏高原隆升的研究也不應(yīng)僅僅限于高原本身，其遠(yuǎn)程效應(yīng)以及對(duì)亞洲宏觀地貌格局演化的影響同樣是深遠(yuǎn)的。對(duì)中國(guó)而言，西高東低地貌格局的形成以及長(zhǎng)江、黃河最終東流入海的時(shí)間同樣是尚存爭(zhēng)議的問題。此外，古氣候研究的終極目標(biāo)之一就是解決古氣候變遷的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，在此方面數(shù)值模擬是該項(xiàng)研究的重要研究手段。通過設(shè)計(jì)更符合實(shí)際的高原分區(qū)域、分階段隆升方案，評(píng)估不同地質(zhì)時(shí)期高原區(qū)域隆升對(duì)于亞洲季風(fēng)－干旱環(huán)境的作用和影響機(jī)制，同時(shí)兼顧副特提斯海退縮的耦合效應(yīng)及氣候系統(tǒng)內(nèi)部的各項(xiàng)反饋機(jī)制，將對(duì)新生代青藏高原隆升對(duì)亞洲氣候環(huán)境演化的影響過程有更加全面、合理的認(rèn)識(shí)。

1 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)

青藏高原隆升是新生代具全球意義的重大地質(zhì)－環(huán)境事件之一，也是中國(guó)的傳統(tǒng)地學(xué)研究領(lǐng)域。1960－1980年代的科考在國(guó)際上產(chǎn)生重大影響，譬如中國(guó)是世界上最早開展古高度研究的國(guó)家。1964年西藏科學(xué)考察隊(duì)曾在希夏邦馬海拔5700～5900 m地帶的晚上新世砂巖中，發(fā)現(xiàn)了高山櫟的葉化石，據(jù)此徐仁教授等［1］認(rèn)為，青藏高原在2～3 Ma間，海拔升高了約3000 m。當(dāng)然，現(xiàn)在來看，當(dāng)時(shí)的古高度估算由于沒有進(jìn)行古氣候校正，因而會(huì)高估了隆升高度。近年來，歐美科學(xué)家對(duì)青藏高原古高度開展了較多研究。Harrison et al.［2］認(rèn)為青藏高原整體部分在大約8 Ma前加速隆升了1000～2000 m，已經(jīng)達(dá)到和超過現(xiàn)今的高度。但最近的研究又對(duì)高原的隆升歷史和高度提出了新的看法:Spicer et al.［3］認(rèn)為高原在15 Ma 前已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)今的高度，并進(jìn)一步認(rèn)為這一高度在過去的15 Ma內(nèi)保持不變;Rowley and Currie［4］的研究認(rèn)為高原表面在35 Ma前已經(jīng)達(dá)到了4000 m以上的高度。姑且不去評(píng)價(jià)這些新觀點(diǎn)的科學(xué)性有多高，但無疑對(duì)以往傳統(tǒng)意義上所認(rèn)知的高原隆升歷史和隆升高度的看法形成相當(dāng)大的沖擊。正是這些爭(zhēng)議的存在，迫使我們必須重新開展青藏高原古高度研究。值得一提的是，前幾年完成的中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新項(xiàng)目群“巖石圈過程對(duì)表層圈的影響”的實(shí)施為青藏高原古高度這一關(guān)鍵科學(xué)問題的突破帶來了曙光，如火山巖氣孔古氣壓、正構(gòu)烷烴古高度計(jì)等正在高原上應(yīng)用，并亟待有新的突破。

眾所周知，青藏高原隆升的遠(yuǎn)程效應(yīng)一直是國(guó)際上研究的熱點(diǎn)問題。雖然高原西南緣由于地處碰撞帶的前緣，其最早的隆升始于約50～55 Ma前［5］，但有關(guān)其它地區(qū)的隆升時(shí)間與抬升高度仍不清楚。對(duì)青藏高原北緣的構(gòu)造變形與隆升歷史而言，同樣爭(zhēng)議頗大。張培震等［6］認(rèn)為青藏高原東北緣在5～10 Ma前發(fā)生了準(zhǔn)同期的構(gòu)造變形。Li et al.［7］對(duì)甘肅隴中盆地晚中新世以來沉積進(jìn)行了研究，提出青藏高原東北緣在3.6 Ma前快速隆升。Métivier et al.［8］認(rèn)為柴達(dá)木盆地的沉積速率在上新世以來才快速增加。Zheng et al.［9］通過對(duì)西昆侖山前晚新生代磨拉石建造的研究，指出青藏高原東北緣自4.5 Ma前開始隆升。金小赤等［10］對(duì)西昆侖北坡的新生代沉積進(jìn)行了研究指出從中新世后期開始的厚達(dá)2000～3000 m的磨拉石沉積，其粒度向上加大，顯示從中新世后期到早更新世隆升速率高而且是加速的。葛肖虹等［11］通過對(duì)青藏高原東北緣新生代沉積的研究指出，最晚一期也是最強(qiáng)烈的一期隆升發(fā)生在1 ～0.8 Ma。Fang et al.［12］通過對(duì)甘肅臨夏盆地晚新生代沉積的研究提出高原隆升導(dǎo)致的構(gòu)造變形在大約6 Ma前傳遞到臨夏地區(qū)。Pares et al.［13］對(duì)青海貴德盆地新生代沉積的研究揭示出此地直至上新世才開始隆升。Sun et al.［14］通過對(duì)昆侖山前陸盆地生長(zhǎng)地層的研究，認(rèn)為5.3 Ma至早更新世是西昆侖發(fā)生地殼縮短與造山帶復(fù)活的重要時(shí)期。Sun et al.［15］通過對(duì)南天山庫(kù)車前陸盆地的生長(zhǎng)地層研究揭示出6.5 Ma至早更新世是南天山發(fā)生地殼縮短與造山帶復(fù)活的重要時(shí)期。

從以上回顧不難看出，由于青藏高原地域十分遼闊，不同塊體距離板塊碰撞邊界的距離也不相同，因此不同地塊的隆升時(shí)間應(yīng)當(dāng)是穿時(shí)的［16］。正如 Tapponnier et al.［17］所論及的那樣，印度板塊向亞洲板塊的斜向俯沖必然導(dǎo)致高原不同塊體的隆升時(shí)間不盡相同，在空間上存在由南向北逐漸傳遞的過程，距離板塊碰撞邊界越遠(yuǎn)則構(gòu)造變形的時(shí)間越晚。Rowley and Garzione［18］也在已有的高原古高度資料基礎(chǔ)上，認(rèn)為高原的隆升有西南向東北變晚(圖1)。總之，無論是高原本身不同塊體的隆升時(shí)間與方式，還是其遠(yuǎn)程效應(yīng)導(dǎo)致的高原北緣以及包括中亞造山帶在內(nèi)的新生代構(gòu)造變形歷史與期次的研究仍然亟待深入。在目前的研究階段，將時(shí)間標(biāo)尺更加細(xì)化、建立更加可靠的反映高原隆升的手段、不同方法之間的交叉檢驗(yàn)是當(dāng)務(wù)之急。對(duì)于前陸盆地而言，過去常用的僅僅依靠沉積速率、沉積相的變化推斷高原隆升時(shí)間的方法，在現(xiàn)在看來存在很多問題。譬如:前陸盆地的構(gòu)造變形復(fù)雜且多有逆沖斷裂發(fā)育，由此會(huì)導(dǎo)致沉積間斷的出現(xiàn);此外，無論是沉積相、還是沉積速率本身既可以是氣候變化導(dǎo)致，也可以是構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致，抑或二者兼而有之，由此使解釋出現(xiàn)多解性和不確定性。

圖1 依據(jù)青藏高原古高度估算推測(cè)的高原不同地塊的隆升時(shí)間［18］Fig.1 Diachronous tectonic uplift of different blocks on the Tibetan Plateau based on the paleoevelation estimation［18］

高原隆升對(duì)地貌演化和亞洲巨型水系調(diào)整也有重要影響，但前人對(duì)長(zhǎng)江、黃河?xùn)|流入海的時(shí)間爭(zhēng)議頗大。有人提出三個(gè)峽谷都是通過河流的溯源侵蝕和襲奪而形成的，瞿塘峽切開的時(shí)代最晚，三峽河段完全貫通的時(shí)限為 2.0 Ma［19］。Clark 等［20］提出長(zhǎng)江上游水系便是經(jīng)過一系列連續(xù)的河流襲奪，首先是三峽地區(qū)西支流的反向，爾后是嘉陵江、泯江、大渡河、雅礱江被接連襲奪東流，最后止于金沙江的襲奪，由南流改向東流，而且河流襲奪都是發(fā)生在青藏高原東南緣晚第三紀(jì)末強(qiáng)烈構(gòu)造隆升之前或是同期。

近些年，隨著低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)和物源示蹤技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)家開展了地質(zhì)體隆升、暴露和侵蝕速率的研究，這些成果為長(zhǎng)江演化研究提供了新的思路。鄭月蓉和李勇等［21］利用多年年均輸沙量計(jì)算出長(zhǎng)江三峽地區(qū)極短周期內(nèi)剝蝕速率。他們認(rèn)為，三峽地區(qū)在地質(zhì)歷史上是一個(gè)準(zhǔn)平原，經(jīng)過長(zhǎng)期的構(gòu)造抬升及剝蝕下切，最終形成高低不平的峽谷地貌，利用高程差推斷出三峽地區(qū)初始剝蝕下切時(shí)間應(yīng)早于32 Ma。

Richardson等［22］研究了四川盆地和三峽地區(qū)的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)，發(fā)現(xiàn)在40～45 Ma三峽地區(qū)有一次明顯的冷卻事件，認(rèn)為是三峽被切穿的結(jié)果，這個(gè)時(shí)間與他們發(fā)現(xiàn)的四川盆地的大規(guī)模侵蝕作用開始的時(shí)間相吻合，所以推斷在始新世的早期，由于三峽的切穿 (起因于下游的溯源侵蝕)，導(dǎo)致了長(zhǎng)江的貫通和四川盆地沉積物的外泄。但Zheng et al.［23－24］曾對(duì)此觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑，他們認(rèn)為江漢盆地自晚白堊紀(jì)開始發(fā)育斷陷型盆地，在新生代早期沉積了數(shù)千米的蒸發(fā)巖。如果三峽被切穿，四川盆地被強(qiáng)烈侵蝕 (按照Richardson的估計(jì)［22］，始新世以來有數(shù)km的沉積物被侵蝕)，這些沉積物首先會(huì)被輸送到江漢盆地形成碎屑沉積。但是，江漢盆地新生代早期的蒸發(fā)巖沉積表明當(dāng)時(shí)盆地屬于內(nèi)陸型咸化盆地，不應(yīng)該存在大型貫穿型河流，尤其不存在攜帶大量沉積物的大型河流。因此，大型水系演化與高原隆升的關(guān)系仍需進(jìn)一步開展研究。

以青藏高原為主體的我國(guó)西部新生代的剝蝕風(fēng)化強(qiáng)度和過程，不僅與全球變化和亞洲季風(fēng)氣候演化密切相關(guān)，同時(shí)，又對(duì)全球氣候產(chǎn)生重要的影響，而后者反過來又作用于亞洲季風(fēng)。青藏高原的隆升可能是其中多個(gè)鏈接的終極驅(qū)動(dòng)力。

以喜馬拉雅－青藏高原為核心的新生代造山帶的剝蝕風(fēng)化消耗的CO2被用來解釋晚新生代以來全球變冷和海洋Sr同位素組成的持續(xù)增加［25－26］。但近來的研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原風(fēng)化似乎并沒有像人們想象的那樣大量消耗CO2，構(gòu)造活動(dòng)并沒有明顯加速巖石化學(xué)風(fēng)化。因此，青藏高原化學(xué)風(fēng)化或高原整體地質(zhì)過程的CO2源/匯機(jī)制是個(gè)需要重新認(rèn)識(shí)的重要科學(xué)問題，若能建立有關(guān)“高原隆升－大陸風(fēng)化－全球變化”新的理論模型，在科學(xué)上具有非常重要的意義。此外，青藏高原隆升加快了剝蝕作用的進(jìn)行，也會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)了有機(jī)質(zhì)的埋藏。如Galy et al.［27］計(jì)算表明，孟加拉扇源自喜馬拉雅流域，隨河流帶入海洋的有機(jī)碳通量可占全球有機(jī)碳埋藏總量的10%～20%，對(duì)降低大氣CO2濃度有重要貢獻(xiàn)。

從高原和周邊盆地的沉積記錄以及南海和孟加拉灣的深海沉積記錄來看，中新世以來隨青藏高原的隆升亞洲季風(fēng)不是增強(qiáng)，反而是隨全球變冷而減弱的，大陸和青藏高原的風(fēng)化強(qiáng)度變化似乎也與全球溫度和季風(fēng)變化減弱的趨勢(shì)同步［28］。這與海洋Sr、Os和 Li同位素記錄［29－30］所反映的趨勢(shì)正好相反，從而對(duì)地球系統(tǒng)地質(zhì)時(shí)期碳循環(huán)模型和青藏高原隆升－全球降溫假說提出根本性挑戰(zhàn)。

青藏高原的隆升對(duì)大氣環(huán)流的影響已是不爭(zhēng)的事實(shí)。我們知道，中國(guó)現(xiàn)今的氣候格局表現(xiàn)為東部為季風(fēng)區(qū)、西北內(nèi)陸盆地為西風(fēng)環(huán)流控制下的干旱區(qū)，這種東、西部分異的環(huán)境格局究竟是何時(shí)形成?究竟是與高原隆升有關(guān)，還是受全球尺度的氣候變冷有關(guān)?均是懸而未決的問題。

長(zhǎng)期以來，我國(guó)學(xué)者在該方面做了一些工作，譬如，周廷儒［31－32］根據(jù)生物和沉積證據(jù)，認(rèn)為第三紀(jì)晚期我國(guó)就以季風(fēng)氣候?yàn)橹?。張林源?3－34］把新生代劃分為早第三紀(jì)的基本無季風(fēng)階段、晚第三紀(jì)的古季風(fēng)階段和第四紀(jì)現(xiàn)代季風(fēng)階段。劉東生等［35］根據(jù)我國(guó)第三紀(jì)具有環(huán)境指示意義的沉積物和動(dòng)植物分布，繪制了古新世、始新世、漸新世、中新世、晚中新世－上新世和上新世6個(gè)時(shí)段的古環(huán)境圖，揭示出我國(guó)東南季風(fēng)的形成始于中新世初期。Sun and Wang［36］也從空間上匯總了中國(guó)大陸125個(gè)地點(diǎn)的古植物和沉積資料，揭示出東亞季風(fēng)系統(tǒng)的建立可能發(fā)生在晚漸新世時(shí)期。最近的研究則進(jìn)一步揭示出早－中漸新世的干旱帶依然呈大致東西的帶狀分布，環(huán)境格局仍屬于“行星風(fēng)系主控型”。晚漸新世的數(shù)據(jù)在數(shù)量上偏少，不足以清晰地定義不同環(huán)境單元的確切界限，但更多地顯示了帶狀格局的特點(diǎn)［37］。Sun et al.［38］對(duì)新疆的準(zhǔn)噶爾盆地開展了第三紀(jì)沉積的綜合研究，在系統(tǒng)的磁性地層學(xué)和生物地層學(xué)基礎(chǔ)上建立了晚漸新世以來的時(shí)間序列;在沉積學(xué)、微量元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上，論證了準(zhǔn)噶爾盆地最早的風(fēng)成沉積起始于2400萬(wàn)a前，同時(shí)認(rèn)為該地風(fēng)成沉積的物源區(qū)為中亞哈薩克斯坦境內(nèi)的干旱區(qū)，由西風(fēng)氣流攜帶而來，這不同于由北西向冬季風(fēng)攜帶而來沉積在黃土高原的第三紀(jì)紅粘土。他們進(jìn)一步指出，類似中國(guó)現(xiàn)今東部為季風(fēng)區(qū)、西北內(nèi)陸盆地為西風(fēng)氣候控制區(qū)的氣候格局至少在距今2400萬(wàn)a前的晚漸新世既已形成。也由此將早第三紀(jì)行星風(fēng)系向季風(fēng)風(fēng)系轉(zhuǎn)變的時(shí)間至少上推到2400萬(wàn)a前。

上述研究在探討中國(guó)東、西部環(huán)境空間格局的分異時(shí)，基本上都是在空間尺度上通過對(duì)有明確的、環(huán)境指示意義的沉積譬如:膏鹽、油頁(yè)巖、煤層、植物化石等進(jìn)行匯總，進(jìn)而得出空間尺度的環(huán)境格局。無疑，這是一種非常重要的古環(huán)境研究手段。但也存在一些不足。中國(guó)早期的第三紀(jì)研究工作，受研究手段的限制，對(duì)精細(xì)年代學(xué)的重視不夠，這也因此影響到鹽類沉積、油頁(yè)巖、煤層等第三紀(jì)沉積的年代學(xué)的精確程度，此其一;其二，以往對(duì)西北內(nèi)陸盆地的新生代沉積的研究，多從勘探、找礦等實(shí)用角度入手，尚缺乏對(duì)重點(diǎn)剖面的高分辨率古環(huán)境重建。

事實(shí)上，我們不僅要了解中國(guó)東、西部環(huán)境分異時(shí)何時(shí)形成的?更要關(guān)注究竟是什么樣的因素促使了中國(guó)西北干旱、東部濕潤(rùn)的氣候格局的形成?現(xiàn)今，對(duì)亞洲季風(fēng)和內(nèi)陸干旱環(huán)境的形成存在不同觀點(diǎn)。氣候模式研究?jī)A向于青藏高原隆升是亞洲季風(fēng)和內(nèi)陸干旱形成的主要原因［39－42］。也有學(xué)者認(rèn)為副特體斯海在漸新世晚期到中新世期間逐步關(guān)閉，加強(qiáng)季風(fēng)環(huán)流和亞洲內(nèi)陸的干旱程度［43］。最近的氣候模式研究則青藏高原的隆升和副特體斯海共同影響了東亞季風(fēng)的形成，且副特體斯海的作用甚至比青藏高原的隆升更為顯著［44］。總結(jié)對(duì)東亞季風(fēng)氣候形成的動(dòng)力機(jī)制方面的研究，我們不難看出，上述觀點(diǎn)主要側(cè)重構(gòu)造作用對(duì)中國(guó)東、西部環(huán)境分異的影響。事實(shí)上，除了構(gòu)造因素，新生代的全球氣候變冷同樣會(huì)影響到環(huán)境空間格局的改變。新生代氣候變冷必然會(huì)導(dǎo)致全球海平面的下降、海陸對(duì)比度的改變，即便沒有構(gòu)造作用導(dǎo)致的新特地斯海的逐步關(guān)閉，海面下降也會(huì)促使副特地斯海向西退卻。此外，北極的變冷、海冰和冰蓋的最終出現(xiàn)，必然對(duì)北半球高緯度冷高壓的形成和爆發(fā)以及大氣環(huán)流產(chǎn)生重要影響。因此，要真正了解中國(guó)東、西部環(huán)境分異及其與高原隆升和全球變化的關(guān)系，必須更全面解剖西風(fēng)區(qū)與季風(fēng)區(qū)的高分辨率氣候記錄。

如何從數(shù)值模擬角度開展青藏高原對(duì)全球氣候變化的影響程度?是否有反饋效應(yīng)的存在?不同區(qū)域是否存在差異?這些問題一直以來得到了古氣候?qū)W者們的廣泛關(guān)注。從基于數(shù)理模型的計(jì)算到基于地質(zhì)記錄的猜測(cè)，大量的研究工作聚焦于此。目前人們對(duì)青藏高原生長(zhǎng)氣候效應(yīng)的認(rèn)識(shí)主要始于20世紀(jì)70年代。得益于基于大氣動(dòng)力學(xué)方程的環(huán)流模式的出現(xiàn)。人們利用氣候模式對(duì)大地形對(duì)氣候的影響進(jìn)行了大量的理論研究［45－46］。Manabe 等［46］利用大氣環(huán)流模式對(duì)“有山”“無山”條件下氣候系統(tǒng)的響應(yīng)狀況進(jìn)行了模擬，首次揭示了高原大地形的存在對(duì)于維持北半球定常行星波和西伯利亞高壓系統(tǒng)以及南亞季風(fēng)的建立所起的重要作用。

此后，Kutzbach和Ruddiman等［47］真正將理論研究同構(gòu)造學(xué)高原生長(zhǎng)的概念相聯(lián)系，應(yīng)用更加復(fù)雜的大氣環(huán)流模式分在“有山” “無山” “半山”情景下模擬了全球氣候狀況的改變，揭示了青藏高原和北美西部高地的隆起對(duì)全球氣候變化的重要性，且不同地區(qū)響應(yīng)差異明顯。高原在冬夏季分別扮演了冷熱源的角色，從而加劇了盛行風(fēng)向的季節(jié)轉(zhuǎn)換，對(duì)亞洲冬夏季風(fēng)同時(shí)有顯著的增強(qiáng)作用［40］。在內(nèi)陸，由于高原對(duì)來自熱帶印度洋水汽的阻隔，和地形強(qiáng)迫引起的強(qiáng)下沉氣流使這些地區(qū)的干旱狀況顯著惡化［48－49］。

隨著計(jì)算條件的改善，更多復(fù)雜的試驗(yàn)設(shè)計(jì)被采用，最具代表性的是高原現(xiàn)代高度等間距遞增試驗(yàn)。經(jīng)過10%遞增試驗(yàn)的檢驗(yàn)，青藏高原的氣候效應(yīng)存在突變變化，且區(qū)域性差異明顯［42］。較之南亞季風(fēng)，東亞季風(fēng)對(duì)高原生長(zhǎng)的響應(yīng)更加敏感，東亞季風(fēng)風(fēng)向的季節(jié)性轉(zhuǎn)換更加顯著，只有在高原高度約為現(xiàn)代一半的條件下，東亞冬季風(fēng)才逐漸建立起來［42］。而后，Kitoh［50］利用耦合海氣模式擴(kuò)展了遞增試驗(yàn)，從而進(jìn)一步揭示了海溫變化對(duì)季風(fēng)響應(yīng)的反饋?zhàn)饔?，結(jié)果表明考慮海溫可以放大亞洲季風(fēng)系統(tǒng)對(duì)高原生長(zhǎng)的響應(yīng)。

在過去40年中，青藏高原的動(dòng)力和熱力作用似乎已經(jīng)得到人們的廣泛認(rèn)可，然而最近，青藏高原通過其熱力效應(yīng)作用于亞洲季風(fēng)這一結(jié)論卻受到一定的質(zhì)疑。Boos等［51］在Nature上撰文指出，當(dāng)喜馬拉雅山存在時(shí)，青藏高原大地形對(duì)南亞季風(fēng)的影響不明顯，即喜馬拉雅山的動(dòng)力阻隔了高原對(duì)南亞季風(fēng)的可能作用［51］。這一研究極大的沖擊了高原氣候效應(yīng)的傳統(tǒng)觀點(diǎn)，但隨后有研究反對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)，并進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)高原的熱力效應(yīng)對(duì)于季風(fēng)變化是十分重要的［52］。這些發(fā)現(xiàn)揭示了青藏高原不同區(qū)域的生長(zhǎng)可能對(duì)氣候系統(tǒng)存在不同的影響。事實(shí)上，高原生長(zhǎng)也不是一個(gè)簡(jiǎn)單的過程，越來越多的證據(jù)顯示高原的中部南部和北部是分區(qū)域分階段隆升的［53－55］，這也要求我們必須同地質(zhì)歷史中青藏高原的實(shí)際隆升過程相聯(lián)系，設(shè)計(jì)更加符合事實(shí)的隆升方案才更有實(shí)際科學(xué)意義，更有助于我們理解青藏高原的氣候環(huán)境效應(yīng)。已有研究表明，高原不同地區(qū)地形的垂直上升、水平擴(kuò)張和生長(zhǎng)以及主要隆升事件出現(xiàn)的時(shí)間都存在差異，因而對(duì)高原周邊不同地區(qū)會(huì)帶來的氣候環(huán)境效應(yīng)也是不一樣的［56－57］。

此外，高原隆升的氣候環(huán)境效應(yīng)研究過去多集中在其動(dòng)力和熱力影響上。實(shí)際上高原隆升過程中存在一系列氣候反饋機(jī)制可能進(jìn)一步增強(qiáng)了高原隆升的作用。例如，隨著高原隆升和地表氣溫降低，在青藏高原山區(qū)發(fā)育過多期冰川作用。因此，高原冰雪反饋可能進(jìn)一步增強(qiáng)隆升中高原熱力作用的影響［58］。同時(shí)，高原隆升加劇了高原西側(cè)和高原北側(cè)的內(nèi)陸干旱化，從而影響亞洲粉塵排放，大氣粉塵循環(huán)通過改變大氣輻射平衡、云物理結(jié)構(gòu)、大氣化學(xué)過程以及生物地球化學(xué)循環(huán)進(jìn)一步影響氣候［59］。亞洲粉塵及其攜帶的鐵元素甚至能夠通過大氣環(huán)流輸送進(jìn)入海洋，增加浮游生物產(chǎn)率，吸收大氣中CO2，從而通過影響全球生物地球化學(xué)循環(huán)過程導(dǎo)致全球氣候變冷［60］。此外，高原隆升會(huì)導(dǎo)致陸地硅酸鹽巖在造山帶和高原地區(qū)化學(xué)風(fēng)化加強(qiáng)，加上山體剝蝕和有機(jī)碳的埋藏，從而消耗大氣中的CO2并使氣候變冷［26］。一旦氣候變冷，又會(huì)導(dǎo)致降水和植被覆蓋減少，這樣反過來又減弱了硅酸鹽的風(fēng)化，所以也減緩了大氣中CO2含量的減少，故使氣候變冷又得到了抑制。正是由于氣候系統(tǒng)中大量存在的正、負(fù)反饋過程，使高原隆升與氣候變化之間的關(guān)系變得異常復(fù)雜。

因此，在另外氣候模擬上，必須設(shè)計(jì)更加符合實(shí)際的高原分區(qū)域分階段隆升方案，評(píng)估不同地質(zhì)歷史時(shí)期高原不同區(qū)域隆升對(duì)于亞洲季風(fēng)－干旱環(huán)境的不同作用和影響機(jī)制，同時(shí)兼顧副特提斯海退縮的耦合效應(yīng)及氣候系統(tǒng)內(nèi)部的各項(xiàng)反饋機(jī)制，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)新生代青藏高原隆升對(duì)亞洲氣候環(huán)境演化的影響過程有更加全面合理的認(rèn)識(shí)。

2 當(dāng)前青藏高原隆升的地貌、環(huán)境、氣候效應(yīng)的熱點(diǎn)問題

1)青藏高原何時(shí)達(dá)到其隆升的最大高度?如何開展不同區(qū)域的古高度重建?

眾所周知，青藏高原的隆升高度是評(píng)價(jià)其環(huán)境效應(yīng)及其剝蝕風(fēng)化的關(guān)鍵，同時(shí)，古高度也是對(duì)板塊碰撞過程的表征和計(jì)量，更是聯(lián)系深部巖石圈地球動(dòng)力學(xué)與淺表層演化的紐帶，只有準(zhǔn)確重建古高度才能正確評(píng)價(jià)高原隆升與擴(kuò)展過程對(duì)區(qū)域與全球氣候的影響。然而，截止目前，科學(xué)界并沒有解決青藏高原具體高度的變化，已有的研究多是依據(jù)同位素高度效應(yīng)［61－62］，基于現(xiàn)代自然背景的簡(jiǎn)單外推，相對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)過程而言，這些研究缺乏說服力，導(dǎo)致高原何時(shí)達(dá)到最大高度以及不同區(qū)域隆升高度的爭(zhēng)論。以西藏中部的倫坡拉盆地為例，此前，Rowley＆Currie［4］利用土壤和湖泊碳酸鹽同位素高度計(jì)的結(jié)果，認(rèn)為在始新世末期 (35Ma)高原就已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)今高度的看法。但我們最近對(duì)倫坡拉盆地的新生代沉積開展了磁性地層學(xué)、火山灰年代學(xué)、孢粉學(xué)研究［63］，提出了新的看法。首先，我們確定了倫坡拉盆地的丁青組至少含有漸新世地層，而并非Rowley和 Currie認(rèn)為的中新世－上新世地層［4］。孢粉組合揭示的植被類型以森林植被為主，既有亞熱帶常綠闊葉林，也有溫帶落葉闊葉林，還有山地暗針葉林，說明當(dāng)時(shí)已經(jīng)有了山地植被垂直帶的分異。在此基礎(chǔ)上，利用Mosbrugger＆Utescher［64］在1997年提出的共存分析法 (The Coexistence Approach)，依據(jù)化石植物群中各類群的現(xiàn)存最近高原親緣類群對(duì)高度的耐受范圍，獲得對(duì)高度的共存區(qū)間，用該區(qū)間作為對(duì)高度的初步估測(cè)。在此基礎(chǔ)上，考慮到地質(zhì)時(shí)期的下墊面狀況與現(xiàn)今的不同，特別是板塊位置、海表溫度、大氣溫度、氣溫垂直梯度的不同，利用國(guó)外模擬的溫度和氣溫梯度的差異對(duì)共存高度進(jìn)行校正，提出高原中部倫坡拉地區(qū)在晚漸新世－早中新世的古高度不超過3200 m，比Rowley和 Currie［4］在同一地點(diǎn)利用土壤和湖泊碳酸鹽氧同位素估算的高度至少低1500～2000 m的古高度。所以，我們的證據(jù)不支持Rowley認(rèn)為的在始新世末期 (35Ma)高原就已經(jīng)達(dá)到現(xiàn)今高度的看法。同時(shí)，我們對(duì)當(dāng)前西方比較流行的自生碳酸鹽氧同位素古高度方法提出了質(zhì)疑:① 氧同位素高度計(jì)的基礎(chǔ)是瑞利模型，但Hou et al.［65］在喜馬拉雅的實(shí)測(cè)結(jié)果表明 Rowley利用的瑞利模型并不適合高海拔地區(qū)，其模擬結(jié)果高估了山體高度;②同位素分餾模型是基于單一水汽來源，然而，無論是過去還是現(xiàn)在，倫坡拉盆地不存在單一水汽來源，近40年氣象資料表明夏季的倫坡拉盆地既有西南季風(fēng)也有西風(fēng)帶來的水汽;③碳酸鹽是一種在表生環(huán)境下并不穩(wěn)定的礦物，極易發(fā)生次生轉(zhuǎn)化，成巖過程必定產(chǎn)生同位素的分餾;④無論是土壤或是湖泊碳酸鹽，其氧同位素并不能直接代表大氣降水氧同位素，其間存在復(fù)雜的分餾系數(shù);⑤現(xiàn)在的地球溫度比第三紀(jì)時(shí)期低很多，海表溫度的差異必定導(dǎo)致分餾模型的差異，換句話說，不能將現(xiàn)今的同位素分餾模型直接用于地質(zhì)時(shí)期的古高度估算。也就是說，盡管現(xiàn)在針對(duì)青藏高原的古高度已經(jīng)有不同的重建方法和相應(yīng)的結(jié)果 (圖2)，但必須承認(rèn)我們要走的路還很遠(yuǎn)。

圖2 青藏高原不同作者的高原古高度重建結(jié)果 (來自 Sun et al.［63］)Fig.2 Results of paleoelevation estimations of the Tibetan Plateau among different authors［63］

2)印度與亞洲板塊碰撞的遠(yuǎn)程效應(yīng)如何?

印度與亞洲板塊的碰撞不僅使靠近板塊碰撞邊界的喜馬拉雅山系劇烈抬升為全球海拔最高的造山帶，同樣導(dǎo)致了其周緣造山帶的復(fù)活，特別是高原東北緣在新生代的快速隆升。關(guān)鍵的問題是:高原隆升的遠(yuǎn)程效應(yīng)何時(shí)傳遞到高原的東北緣?特別是研究程度相對(duì)薄弱的東昆侖、天山、祁連山、六盤山等山脈的構(gòu)造隆升時(shí)間與期次?新生代不同時(shí)期阿爾金斷裂的走滑速率有無變化?

3)高原隆升對(duì)亞洲宏觀地貌格局與水系演化有何重要影響?

中國(guó)大陸的地貌格局在高原隆升前后有重大差異，高原隆升前，中國(guó)大陸繼承了白堊紀(jì)的基本地貌和氣候格局，中國(guó)大陸的地形在總體上呈現(xiàn)向西傾斜。但伴隨著印度和亞洲板塊發(fā)生陸－陸碰撞以來，中國(guó)大陸原來西傾的地形逐漸演變?yōu)橄驏|傾斜，而源自青藏高原的長(zhǎng)江、黃河的形成與演化歷史是探討這一巨型地貌演變的關(guān)鍵。

4)新生代青藏高原的隆升和擴(kuò)展如何影響物質(zhì)的剝蝕、風(fēng)化作用?

新生代青藏高原的隆升是地球上最為顯著的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，隆起后的高原其淺表層經(jīng)歷了剝蝕風(fēng)化。因此，定量估算高原周邊新生代剝蝕量以及剝蝕速率的變化對(duì)于正確評(píng)價(jià)高原的隆升幅度與歷史是十分重要的。其次，加強(qiáng)的物理風(fēng)化不僅影響到高原的剝蝕深度，而且新鮮巖石的暴露和破碎大大增加了碎屑巖的比表面積，也因此加速了化學(xué)風(fēng)化作用的進(jìn)行。而硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化無疑會(huì)因消耗大氣CO2從而對(duì)氣候產(chǎn)生反饋?zhàn)饔茫?5－26］。關(guān)鍵的科學(xué)問題是:高原隆升如何導(dǎo)致剝蝕量與剝蝕速率的變化?風(fēng)化剝蝕究竟在多大程度上影響了全球碳循環(huán)與氣候變冷?如何建立高原隆升－大陸風(fēng)化剝蝕－全球變化的圈層耦合關(guān)系?

5)高原隆升如何影響亞洲腹地干旱化和季風(fēng)演化?

我們知道，現(xiàn)今中國(guó)氣候格局的空間特征表現(xiàn)為:中國(guó)東部及西南地區(qū)為季風(fēng)區(qū)，而西北內(nèi)陸盆地則為西風(fēng)氣候控制下的干旱區(qū)，這顯然不同于高原隆起前行星風(fēng)系控制下的緯向環(huán)流。高原的隆升無疑改變了大氣環(huán)流，關(guān)鍵的科學(xué)問題是:高原隆升如何影響亞洲腹地干旱化?亞洲季風(fēng)演化與高原隆升和全球變化存在怎樣的動(dòng)力學(xué)關(guān)聯(lián)?

6)如何更有效地利用數(shù)值模擬開展高原隆升環(huán)境效應(yīng)的研究?

青藏高原在不同隆升階段因其不同的高度必然對(duì)大氣環(huán)流的影響程度不一樣;此外，海陸分布格局、水汽通道、冰雪覆蓋等因素也會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生重要影響。而數(shù)值模擬是檢驗(yàn)高原隆升環(huán)境效應(yīng)的重要手段。關(guān)鍵的科學(xué)問題是:關(guān)鍵時(shí)段 (隆升前、中、后)高原古高度環(huán)境效應(yīng)的GCM模擬;海－氣耦合模式模擬特地斯海退卻的環(huán)境效應(yīng);高原隆升對(duì)內(nèi)陸干旱化和大氣粉塵輸送的數(shù)值模擬;如何評(píng)價(jià)高原隆升在全球氣候變化中的作用?

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