青藏高原东北部地貌演化与隆升*

鹿化煜 王先彦 VANDENBERGHE Jef

①教授，②副教授，南京大学地理与海洋科学学院，南京 210023；③教授，荷兰自由大学地球科学系，阿姆斯特丹1081 HV

*国家自然科学基金项目(41271001，41321062)，荷兰皇家科学院-中国科学院联合培养博士生项目(05-PhD-10)资助

青藏高原东北部地貌演化与隆升*

鹿化煜①王先彦②VANDENBERGHE Jef③

①教授，②副教授，南京大学地理与海洋科学学院，南京 210023；③教授，荷兰自由大学地球科学系，阿姆斯特丹1081 HV

*国家自然科学基金项目(41271001，41321062)，荷兰皇家科学院-中国科学院联合培养博士生项目(05-PhD-10)资助

青藏高原东北部；山盆体系；河流地貌；高原隆升；湟水流域

揭示青藏高原生长过程和重建不同时期的古高度，是备受关注的科学问题。在青藏高原东北部，广泛分布的高大山系和盆地，是高原地貌演化的结果，也成为认识高原隆升过程的重要地质记录。对西宁盆地的沉积分析表明，这里的山盆体系在距今～50 Ma就开始发育，并相对稳定地持续到了16～10 Ma，表明这段时间高原东北部已经基本形成。在16～10 Ma，盆地河湖相沉积停止，遭受侵蚀、河流开始下切，指示这时有一次重要的构造活动和地面抬升。在～2.0 Ma以来，广泛发育的河流阶地序列(高度差达400 m以上)，指示了气候变化和构造活动对地貌的影响；存在的数百米的河流阶地高差、河流侵蚀速率近10倍的增加是地面构造抬升控制河流下切的证据，指示青藏高原东北部在～2.0 Ma以来的抬升。西宁盆地及其周边山系地貌发育过程，可能是高原东北部隆升对欧亚和印度板块碰撞和挤压响应的体现。

从距今～50 Ma欧亚板块和印度洋板块碰撞和挤压以来，形成了世界上海拔最高、面积最大和最年轻的青藏高原，其平均海拔4 000～5 000 m，现今还在活动。由于这些特点，青藏高原地貌演化和隆升成为公众和科学界关心的问题，吸引着地貌学家和地球构造动力学家努力探求其奥秘。由阿尔金山、祁连山、东昆仑山和柴达木盆地、西宁盆地等构成的青藏高原东北部地区(图1)，具有山体-盆地耦合分布的特点，是地表物质快速侵蚀和堆积的地区。一种观点认为，由于欧亚板块与印度板块的碰撞挤压，物质向东北方向逃逸，青藏高原南部的喜马拉雅地区隆升较早，高原逐步向东北方向迁移生长，在阿尔金山和祁连山地区，只是到了距今5～2 Ma才达到现在的高度，而且直到现在高原还在发展[1-2]。另一种观点认为，青藏高原东北部的山系在距今～50 Ma欧亚板块和印度板块开始碰撞的时候就已经有响应，这个地区的构造地貌格局至少在～20 Ma以前就已经形成[3-6]。另外，地貌证据和沉积记录显示，青藏高原东北部在16～10 Ma发生过重要的隆升事件，并且在近期还在隆升中[7-10]。显而易见，关于青藏高原东北部地貌演化和地面抬升过程的认识还不一致，这些不确定性也阻碍了我们对高原隆升过程动力机制的理解。

1 沉积记录与定年技术

自从中国科学家在希夏邦马峰北坡海拔5 700～5 900 m的地层中发现高山栎化石，并推测5～2 Ma以来该地区上升了～3 000 m[11-12]之后，关于高原隆升的研究工作在国内外就广泛开展[1,13-17]。研究人员可以从沉积物中的植物(化石)群落类比、稳定同位素分馏、构造活动和断层、沉积相变化和河流地貌演化等多个角度重建高原的抬升过程，因此，青藏高原的沉积物(图2)就成为认识高原隆升和生长的重要记录。

图2 青藏高原东北部的沉积和地层。(a)西宁盆地沉积与河流阶地，(b)临夏盆地沉积序列，(c)祁连山基岩山体，(d)民和盆地沉积与河流阶地，(e)柴达木盆地沉积和雅丹地貌，(f)阿尔金山北麓的戈壁

一个容易理解的技术是，通过分析青藏高原沉积物中的植物化石(包括花粉)，重建过去的植被类型和气候，进而与现代的同类型的植被和气候对比，获得沉积物堆积时的高度，再与现代在沉积物的高度相减计算地面的抬升量。近年来，稳定同位素分馏技术被广泛地应用到山体古高度估计之中。从海洋传输而来的水汽，随着山体升高，较重的18O在降水过程中析出。山体越高，其水汽中的18O含量越低，这样就可根据18O变化估计山体的古高度。另外，宇宙射线轰击地表或接近地表岩石矿物中的原子核产生的一系列核素，可用来研究地表暴露时间和剥蚀速率；同时，宇宙射线穿过地表进入岩石内部发生核反应和电离损耗，导致不同核素产生率随深度呈指数减少，地表下矿物颗粒中所聚集的宇宙核素量就记录了地表剥露的速率，进而估算山体的抬升速率。同样，建立矿物的冷却历史也可获得岩石剥蚀速率(或山体抬升速率)的估计。通过对断层年代的测定和其反应的构造活动信息，可推测山体的抬升和构造活动时间。通过对山盆耦合体系中沉积物相变的年代和沉积动力分析，也可获得山体抬升的信息。但是，这些重建过去高度或者揭示过去地面抬升事件的方法，常常受到多种条件的限制，在实际的应用中会带来不确定性。

新生代青藏高原地面抬升是百万年时间尺度的问题，对其定年的技术主要有哺乳动物化石组合演化分析、磁性地层分析和Ar/Ar测年等。有些哺乳动物比如啮齿类演化/进化速度较快，科学家已经对不同时期的啮齿类化石进行了分类和年代确定，这样，通过在地层中找到的啮齿类化石分析，就可判断沉积物形成的时代。磁性地层定年与此类似，在欧亚板块和印度板块碰撞以来的～50 Ma时间里，地球磁场发生过多次倒转和强度变化，这些倒转事件和磁场强度变化的时间已确定。野外采集带有方向的沉积物样品，在实验室测试过去磁场的方向和强度，通过对比标准磁性地层柱(地球磁场倒转时间序列)，即可获得沉积地层的年代控制。Ar/Ar测年技术应用放射性元素衰变半衰期原理，比如每经过12.48亿年40K就衰变一半，生成40Ar，从而改变了当时40Ar/39Ar的含量，通过统计计算，可以获得岩石形成时期的年龄。这些方法对于地质样品有不同的要求，自然界复杂多样，很多时候难以找到适合测年的样品，从而给测年带来困难。

2 湟水流域的地貌演化与地面抬升

湟水位于青藏高原东北部(图1)，是黄河上游重要支流，发源于青海省海晏县，流经青海省大通—达坂山与拉脊山之间。全长374 km，流域面积32 863 km2。湟水流域众多的山盆耦合体、巨厚的松散沉积以及河流阶地系列，为认识青藏高原东北部隆升提供了得天独厚的地质记录。我们对湟水流域的地貌和沉积进行了调查，在湟水流域分布着多巴、西宁、乐都、平安和民和等多个中小型沉积盆地(图1)，盆地的沉积至少从～50 Ma就开始，随之周边山体的剥蚀作用及沉积物堆积过程开始[4-5,13,18]。

较为典型的西宁盆地，为东西向的菱形，长60～70 km，宽10～20 km。～50 Ma以来的沉积物厚度近2 000 m，多为偏红色的河湖相沉积，主要是粉砂质，还有白色的厚层盐类沉积。在这些河湖相地层之上，不整合地堆积着～11 Ma以来的风成红土堆积和～2 Ma以来的厚层黄土堆积，指示着沉积环境的变化。生物地层和磁性地层研究[7,9-10,13,16,18]表明，西宁盆地从～50 Ma开始一直处于一个相对稳定的充填过程，从祁连山、拉脊上等剥蚀的物质在盆地堆积，以粉砂、砂质为主，含有少量的砾石。较为稳定的沉积环境，指示了山盆体系的稳定性，同时，沉积相的一些次一级时间尺度的变化，可能揭示了局部的地貌抬升或者气候变化，但未改变这种山盆耦合的格局。在16～10 Ma期间，这种稳定的沉积格局被打破[7-10]，盆地由充填开始转变为侵蚀，河湖相堆积停止，河谷地貌发育。在距今50～16 Ma的这套红色的河湖相沉积被风成粉尘沉积所取代，两者之间有明显的不整合面，后期的风成沉积堆积在剥蚀面(或称为夷平面、准平原型古地面)和河流阶地面之上，表明这个时间点的一次明显的地面构造抬升或者环境转型(图3和图4)。这些风成粉尘堆积过程是阶段性的，在12～7 Ma堆积，而在7～2 Ma 之间缺失；～2 Ma以来，又堆积了厚层的黄土堆积，其颗粒相对粗、堆积速率快，是在构造活动和气候急剧变化的背景下形成的，表明了～2 Ma之后地面抬升速率不大而粉尘沉降通量大的特点。

图3 西宁盆地地貌演化和沉积过程。(a) ～50 Ma构造盆地形成；(b, i) ～16 Ma山脉遭受侵蚀，盆地接受充填，随后(b, ii) 局部地区盆地充填物发生较弱侵蚀，最终发育形成准平原面；(c) 16～10 Ma构造抬升导致湟水河在准平原型古地面上开始快速下切形成阶地序列

图4 西宁盆地的古地形面

图5 西宁盆地的河流阶地序列

湟水流域发育着典型的河流阶地序列(图5)，从多巴盆地、西宁盆地到乐都盆地、民和盆地，阶地最多之处达到17级，拔河高度超过600 m(图5)。通过对阶地序列的沉积学和年代学研究，发现这里的河流阶地可分为两类：一类是～2.0 Ma以来形成的，阶地高差大、级数多、年代较准确；另一类是第四纪以前形成的，保留河流阶地级数少，并且年代跨度很大(最老的达上千万年)，表明了这个地区的地面的阶段性抬升过程。河流阶地主体是以1.4～1.3 Ma 以来形成的为主，最多可达11级，表明气候变化和构造活动对河流下切的影响。由于～2.0 Ma以来湟水的水准面变化不大、阶地高度的巨大高差、河流侵蚀速率近10倍的增加，难以用气候旋回变化驱动单一因素解释，构造抬升可能也起到了一定的作用，因而它们是构造活动的指示[7,10,19]。在2.0～1.4 Ma，河流阶地沉积物揭示的河流流向和阶地砾石层的岩性、粒度、磨圆度等发生了很大变化，指示了一次构造(抬升)活动。在此之前，河流阶地是在11～7 Ma形成的，指示那时西宁盆地已经开始了河流下切过程，可能也表明西宁盆地已经处在一个较高的高度。

3 青藏高原东北地貌抬升时间和高度的不确定性

虽然在重建地质时期地面高度和青藏高原生长过程方面获得了不少新认识，但是，在确定时间和高度方面，还有很多困难。从前面的论述可以看到，真正能够指示地面高度的直接证据很少，因此，我们在讨论这个问题时带着很大的不确定性：盆地的形成、沉积环境的改变以及阶地地貌发育，只能说明地面有抬升，但是，抬升了多少呢？是几十米、几百米还是上千米，这是现在不能准确回答的问题。在青藏高原东北部，迄今没有指示地面高度的直接证据，不少结论是猜测性质的：在～50 Ma山-盆耦合系统是存在了，但是山-盆系统在多大的范围存在？海拔高度是多少呢？西宁盆地在16～10 Ma和～2 Ma以来有抬升过程，但是，抬升了多少？根据花粉分析，西宁盆地在～38 Ma已经达到了有意义的高度，地表温度降低，表现为(寒冷环境下)针叶树的扩张[18]。这个单一的证据需要检验。同样，依据几个沉积盆地充填停止而得出青藏高原东北部存在泛湖期(比如共和盆地、茶卡盆地和青海湖盆地等连通的推测)并解体的认识[17,20]，也很难从沉积和地貌演化方面得到支持。因此，在1.0～0.5 Ma之前青藏高原东北部存在泛湖期及其以后的解体的结论也是值得商榷的。

另外一个困扰地貌演化研究的是确定年代的问题。测年技术对地质样品有很高的要求。在野外的考察中找到适合于测年的材料成为认识地貌演化过程的关键。比如河流阶地，它是地面抬升和河流下切的指示，但是由于河流的侵蚀作用，在最近～20 Ma的河流阶地很少保存；即使发现了河流阶地的沉积，常用的古地磁定年技术往往无用武之地，这是因为河流沉积是不连续的、片段的，粗颗粒的沉积物样品也不适合于古地磁测试。这样河流阶地及其所反映的地貌过程的年代很难确定。同样，在讨论青藏高原东北部的地面抬升时，很多研究者是用估计的相对的年代或者是推测的年代，这对准确认识地貌演化过程是不够的。

可喜的是，随着最近开展的地貌、沉积、年代以及古气候模拟的综合研究，将揭示青藏高原东北部隆升和地貌演化过程的可能性大大增强。同时，中国北方和西北地区广为分布的、相对连续的晚新生代厚层粉尘堆积，不仅为认识东亚的气候演变提供了很好的地质记录，由于其定年准确、环境指示意义明确[21-23]，可为认识青藏高原的地貌演化提供很好的约束。在今后的研究中，进行空间上地貌演化过程的对比、加强沉积物分布特征分析、获得精确的沉积物定年，以及结合古气候数值模拟等，综合判断高原在不同时间的高度，可望取得有意义的结果。随着研究工作的继续，我们相信，获得青藏高原生长过程和古高度的正确认识是可期待的。

(2014年5月16日收稿)■

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Landform evolution and the uplift of northeastern Tibetan Plateau

LU Hua-yu①, WANG Xian-yan②, VANDENBERGHE Jef③
①Professor, ②Associate Professor, School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China;③Professor, Department Earth Science, VU University, Amsterdam, 10821 HV, The Netherlands

Growth and the uplift process of Qinghai-Tibetan Plateau is a long-time and widely interested in scientific issue. Coupling of the high mountain belts and the synorogenic basins distributed in northeastern Qinghai-Tibetan Plateau is a result of plateau growth; this coupled system is a very important geological archive of the plateau uplift during the Cenozoic era. Our investigations on sedimentary and landform evolution in the region of Xining Basin show that this mountain-basin system was formed since at least～ 50 Ma (million years) ago, the relatively stable fluvial-lacustrine deposition shows that this landform was persisted for a long time to 16～10 Ma. The depositional environment in this Basin was changed to incision at around 16～10 Ma ago reveals an significant tectonic movement and/or climate shift occurred during this time; the widely developed river terraces which are 400 meters in height difference, and 10 times increased in incision rate in this basin together reveal the important tectonic uplifts and climate shifts occurred ～2.0 Ma ago. This case study of Xining Basin may indicate growth of northeastern Qinghai-Tibetan Plateau has responded to collision between Eurasia and Indian plates since the early Cenozoic era, ～50 Ma ago.

northeastern Qinghai-Tibetan Plateau, mountains and synorogenic basins, fluvial landform, surface uplift, Huangshui River

(编辑：段艳芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.004