晚渐新世—早中新世青藏高原隆升与东亚季风演化

肖国桥 张春霞 郭正堂

①副教授，中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室，武汉 430074；②副研究员，③中国科学院院士，中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室，北京 100029

晚渐新世—早中新世青藏高原隆升与东亚季风演化

肖国桥①张春霞②郭正堂③

①副教授，中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室，武汉 430074；②副研究员，③中国科学院院士，中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境重点实验室，北京 100029

青藏高原；构造隆升；晚渐新世；东亚季风；古环境

晚渐新世—早中新世是东亚环境格局从行星风系气候格局向类似于现今的季风气候格局转变的关键时期。最新的地质证据表明，高原东北部在25～22 Ma发生了显著的构造抬升，与亚洲内陆荒漠和东亚季风系统起源的时间基本一致，支持气候模拟所揭示的东亚季风起源与青藏高原北部隆升的密切关系。

东亚地区现代季风降水呈现从东南向西北逐渐减少的趋势(图1(a))，这种格局不同于平行于纬度线的行星风系气候格局。我们不禁要问：为什么东亚地区不是行星风系气候格局？当前的这种季风气候格局是何时形成的？

事实上，对于这些问题，地质学家们基于新生代不同时期的气候干湿指示标志，发现类似于现今的季风气候格局形成于晚渐新世—早中新世期间(25～22 Ma)，而且在这之前，东亚气候格局的确是行星风系气候格局(图1(b)和1(c))[1-3]。那么，一个新的问题又出现了：是什么因素导致了晚渐新世之前行星风系气候格局向之后季风气候格局的转变？

青藏高原是新生代形成的地球上面积最大、海拔最高的高原，其平均海拔超过4 000 m，对亚洲气候和大气环流有着巨大的影响。一直以来，研究者们将青藏高原的隆升与东亚季风的演化联系在一起，并通过大气环流模型论证了这种联系[2,4-5]。但是，由于青藏高原范围巨大，构造演化历史复杂，对于高原隆升的阶段性、时空格局，以及何时达到引起东亚环境格局转变的临界高度等问题，学术界长期以来存在不同意见。近年来，随着古气候数值模拟的进展和新的地质证据的不断积累，越来越多的证据显示出晚渐新世—早中新世的青藏高原隆升与该时期东亚环境格局的转变相关。本文试图根据这些新证据对这两者之间的关系进行初步探讨。

1 数值模拟进展：高原北部隆升与东亚季风起源关系密切

青藏高原大地形的存在对亚洲区域大气环流有重要的动力和热力效应。一方面，高原的存在极大地改变了大气环流的格局，使西风带分支绕流，行星波发生弯曲，同时还阻挡了印度洋的暖湿气流向亚洲内陆输送，使喜马拉雅南侧极度湿润，而亚洲内陆常年干旱；另一方面，青藏高原的夏季热源、冬季冷源作用加大了海陆间热力差异，加强了亚洲冬、夏季风环流。青藏高原对亚洲季风的这些作用早在20世纪70年代就受到了气象学家们的关注[6]，并被随后的大气环流数值模拟研究所支持和深化[5]。结合大量青藏高原新生代隆升的地质证据，一个普遍的共识是高原隆升对亚洲季风(包括东亚季风和南亚季风)的形成有重要的影响。

图1 中国的降水分布特征以及古近纪和新近纪的气候空间格局(图1(a)据中国气象局资料修改，图1(b)和1(c)根据文献[2]修改)

近年来，随着模式的发展和计算机技术的进步，更高分辨率的大气环流模型、海-气耦合模型、地球系统模型等的应用进一步明确了青藏高原隆升与东亚季风(也称为东南季风)形成之间的关系。早期Kutzbach等[5]通过无山-半山-全山的模拟试验研究发现，高原隆升对南亚季风(也称为印度季风)有重要的影响。随后一些学者针对东亚季风演化与高原隆升的关系，结合青藏高原阶段性隆升的特征，以逐渐增长的高原规模为试验条件开展了一系列的数值模拟试验，发现当高原高度达到现今一半时就可产生明显的东亚季风环流[4,7]。值得注意的是，最近一些学者考虑到实际的青藏高原隆升可能存在强烈的空间和时间差异，高原主体和其南部的喜马拉雅山脉可能并非同时形成，因此模拟了青藏高原不同部位隆升对东亚和南亚季风的影响。Boos和Kuang[8]在模拟中去掉了青藏高原主体而只保留喜马拉雅山脉，发现只需存在喜马拉雅山脉就足以形成与现今类似的南亚夏季风，因此怀疑南亚季风的形成与青藏高原主体是否隆升关系不大。随后，Wu等[9]的模拟试验进一步揭示出海陆分布和高原主体的热力作用分别对东亚和南亚季风的影响存在差异。最近，刘晓东课题组[10-11]的气候模拟研究显示，喜马拉雅山脉的隆升可导致南亚夏季风显著增强，而青藏高原北部的隆升可造成东亚中纬度季风区降水量显著增加，同时也会造成亚洲内陆干旱区面积的明显扩大和粉尘含量的大幅增加。由此可见，对于东亚的粉尘堆积而言，高原北部的隆升既创造了源区条件，也为粉尘的搬运提供了风动力条件。

上述数值模拟的进展从机理上揭示出东亚季风起源与青藏高原隆升，尤其是与北部的隆升关系密切。但要进一步论证这两者之间的关系，一方面需寻求东亚季风起源的地质证据，另一方面也需寻找高原(尤其是高原北部)发生重大构造隆升的证据，并且这两者在时间上能够耦合。以下将根据近年来在这两方面获取的地质证据进行论述。

2 晚渐新世—早中新世东亚季风起源的证据

如前文所述，前人通过各种指示气候干湿的环境标志，对新生代不同时期的环境格局进行了重建，将行星风系环境格局向与现今类似的季风环境格局的转变时间锁定在古近纪/新近纪之交[1-3]，但难以给出这一转变发生的确切时间。

中国北方的风尘堆积是东亚季风环流的产物[4,12]，因为一方面粉尘物质的堆积离不开持续存在的、足够强劲的冬季风搬运，另一方面，序列中所包含的大量古土壤层的发育需要暖湿的夏季风携带水汽，因此，利用风尘堆积的底界年龄可追溯东亚季风系统的起源年代。近年来的研究发现，在中国黄土高原西部存在底界年代～22 Ma的连续风成红土堆积[12-13]。最近对这套风尘堆积的碎屑锆石物源研究[14]显示，其物质来源与第四纪黄土[15]极为类似，但明显不同于周边基岩，指示着中新世时期的干旱区分布和大气环流的宏观格局可能与第四纪基本类似。由此可见，西部黄土高原风尘堆积的底界年代指示着东亚季风环境系统的起源时间至少为～22 Ma，与上述东亚环境格局发生转变的年代一致。

但是，由于风尘沉积的底部极易受到堆积初期的地貌、侵蚀等因素的影响，可能会导致其底界年龄比风尘堆积真正开始的年代年轻。因此，处于粉尘源区下风方向能够接受粉尘堆积的一些负地貌单元有望能够保存更完整的但可能经过流水改造的风尘沉积记录。一般认为，北太平洋粉尘主要来源于亚洲内陆干旱区，其沉积通量的变化可反映亚洲内陆干旱化程度，因而与黄土高原风尘堆积的物源联系在一起。研究发现，北太平洋粉尘沉积通量在20 Ma前后发生了整体增加[16]，也表明东亚地区大气环流格局的重组和亚洲内陆干旱区的扩张[2]。值得注意的是，对位于黄土高原西部西宁盆地湖相沉积的磁性地层和岩石磁学的研究发现，该盆地的物源在25.3 Ma发生了变化，与上述季风环境格局出现以及北太平洋粉尘沉积通量大幅增加的时间接近[17]。对于这一物源变化，存在两种可能的解释[17]：①东亚冬季风起源之后携带亚洲内陆粉尘向黄土高原输送导致西宁盆地物源变化；②该时期西宁盆地周边新的山体隆升产生的剥蚀物与之前的物源有所不同。如果第一种解释成立，则能够精确确定东亚季风的起源年代，当然，这仍需要进一步的物源研究来验证。

除风尘堆积外，东亚地区的一些长序列的生态记录也被认为与早中新世以来的东亚季风演化相关。例如，临夏盆地的孢粉记录显示植被类型在～22 Ma由之前的疏林草原转变为森林，被认为与季风气候的出现相关[18]。南海的黑碳碳同位素记录揭示出早中新世以来存在多次C4植被扩张事件，也被认为与东亚季风的演化相关[19]。

总之，综合海陆资料来看，东亚季风系统的起源时代基本可确定在25～22 Ma。

3 高原北部25～22 Ma强烈构造活动的证据

从现有研究来看，青藏高原的隆升是一个多阶段(56～45 Ma、45～38 Ma、25～20 Ma、13～8 Ma、3.6 Ma以来)、非匀速、存在强烈空间差异的复杂过程[20-22]。尽管如此，最近越来越多的研究聚焦于25～20 Ma期间的高原隆升。张克信等[21]系统总结了青藏高原98个新生代盆地的沉积序列，发现25 Ma前后高原及周边地区普遍存在不整合面，指示着青藏高原该时期存在强烈的整体隆升。王二七[22]对青藏高原的大地构造演化进行了系统梳理，发现25 Ma前后的构造活动证据遍布整个高原(图2)，并提出高原现今的构造和地貌格架定型于该时期，随后的隆升与高原向外扩展有关。对于56～38 Ma期间的构造运动，学术界一般认为是印度板块向亚洲板块俯冲碰撞的高峰时期[20-22]，此时高原北部虽存在远程效应，但整体海拔可能仍不高[23]。基于前人的总结(详见张克信等[21]和王二七[22]的论文)并结合一些新的证据，下文着重对青藏高原北部25 Ma前后的构造活动及与之相关的证据进行概述。

青藏高原北部构造活动的直接表现包括山体抬升、断层活动、地层的褶皱变形等。山体抬升可导致基岩的剥露和矿物的冷却，进而被一些中、低温热年代学的研究所揭示。磷灰石和锆石的热年代学研究[22,24]表明，高原北部的祁连山、拉鸡山、鄂拉山以及塔里木盆地北缘的天山等均在25 Ma前后发生了快速的剥蚀冷却(图2)，同时，作为高原北部边界的阿尔金断裂也在30～25Ma发生了快速的左行走滑运动。横亘高原北部的昆仑山也在该时期发生了大规模的逆冲隆升。高分辨率的地震反射数据显示，位于塔里木盆地西南缘的西昆仑在23 Ma前后发生了大规模的脆性变形和逆冲隆升[25]，东昆仑的显著隆升发生在29～24 Ma期间，并可能将古近纪作为统一盆地的柴达木盆地和其南部的可可西里盆地一分为二[26]。

图2 青藏高原25 Ma前后构造活动的证据(据文献[22]修改)

25 Ma前后的构造活动也被高原北部的一系列新生代盆地所记录。这些盆地包括西宁盆地、兰州盆地、临夏盆地、贵德盆地、循化-化隆盆地、共和盆地、柴达木盆地、可可西里盆地等(图2)。研究表明，这些盆地在25～22 Ma均存在不整合面或沉积速率增加，代表高原北部一次显著的抬升[17,21-22]。

事实上，25～22 Ma的构造活动并不限于高原北部，纵观整个高原，构成高原主体的各个构造单元及高原周边均存在大量构造变形的证据(图2)。例如：30～25 Ma期间，高原东部的龙门山发生了快速隆升；21 Ma前后，高原中南部拉萨附近的曲水花岗岩发生了快速抬升；26～24 Ma期间，沿冈底斯南缘广泛堆积了厚层的磨拉石沉积(大竹卡砾岩)；25 Ma前后，喜马拉雅带发生了显著的构造活动等[21-22]。总之，这些证据指示着25～22 Ma是高原构造演化的一个非常重要的时期，相信随着今后对青藏高原古高程重建的研究，相关证据会越来越丰富。

4 小结

综上所述，越来越多的地质证据显示出25 Ma前后是高原构造演化的一个关键时期，这一时间与早期古环境格局重建所揭示的季风气候格局出现的时间，以及东亚粉尘起源揭示的大气环流格局的重组和亚洲内陆干旱化的时间具有一致性。虽然早期有研究认为晚新生代副特提斯海的逐渐退缩对亚洲内陆干旱化以及东亚季风的形成可能也有非常重要的影响[27]，但最近的地质证据表明副特提斯海的大范围退缩可能远早于25 Ma[28]。因此，上述时间上的一致性为长期以来气候模拟所揭示的高原隆升导致东亚季风起源的观点提供了依据，同时，也为近期气候模拟研究所提出的亚洲内陆干旱化、季风环流以及风尘堆积的出现与高原北部隆升的关系最为密切的结论提供了依据[10-11]。

(2014年5月22日收稿)■

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Initiation of East Asian monsoon system related to Tibetan Plateau uplift from the latest Oligocene to the earliest Miocene

XIAO Guo-qiao①, ZHANG Chun-xia②, GUO Zheng-tang③
①Associate Professor, State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China; ②Associate Professor, ③CAS Member, Key Laboratory of Cenozoic Geology and Environment, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China

The East Asian climate were transformed from a zonal pattern to a monsoon-dominated pattern from the latest Oligocene to the earliest Miocene (25～22 Ma). Recent geological evidence indicates significant uplift of the NE Tibetan Plateau during this interval, timely coupled with the initiation of East Asian monsoon system and onset of desertification in the Asian interior, thus supporting the modeling results that the initiation of East Asian monsoon system is mainly related to the uplift of northern Tibetan Plateau.

Tibetan Plateau, tectonic uplift, latest Oligocene, East Asian monsoon system, paleoenviroment

(编辑：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.002