秦岭:地球多圈层相互作用的热点

郭安林,张国伟,董云鹏,郭泱泱,姚安平

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069;2.中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710076)

当代地球科学家的注意力正从地球这颗行星的单一系统(板块构造)如何运行转变为所有的系统(圈层)如何运行、如何关联互动和如何操控行星地球的演变方面[1-3]。 其中，对地球宜居环境的形成、保护和可持续发展等科学问题的关注成为重中之重。 地球科学正将解答 “一个使人类能够进化的世界是怎样被创造出来的以及作为一个物种我们正如何重塑这个世界”这两个重大科学问题作为研究的目标[4],以致于任何地球科学问题,不论其研究的切入点是什么,落脚点多半会是多圈层相互作用或者对宜居地球成因的启示,才显得更富有科学意味。

因此,可以说21世纪正在和必将成为地球系统研究的世纪。这样的说法恰当地描述了地球科学发展的时代特征以及前沿态势。然而,这并不意味着板块构造过时了。恰恰相反,当进入以地球系统研究为主旋律的时代,更加需要注重板块构造在地球系统多圈层相互作用中牵一发而动全身的显要地位。

随着地球系统研究的深入,学者们愈来愈清楚地看到，地球演化进程中正是因为有了板块构造的就位，或者更严格地说，现代板块构造的出现[5]这样宏大的地质事件,才能够创造出生命蓬勃繁盛的世界，并使得生命进化到了人类如此高级的阶段。在地球系统诸圈层相互关联和相互作用中,固体地球在很大程度上自成体系。其原因在于，固体地球的物质和构造运动主要由内部放射性物质衰变产生的热驱动,其运行相对独立于其他表层系统。而固体地球的物质组成和构造运动在极大的程度上制约和影响着表层系统[4]。因此,作为固体地球主要的构造运动形式和物质传递的传送带，或者固体地球运营的操作系统的板块构造代表了地球系统中的第一驱动力[6],它将所有的地球圈层有机地连接在一起,驱动着地球的演化。

自从板块构造，特别是现代板块构造就位以来,以板块构造为牵引的多圈层耦合互动无时无刻不在发生并影响着地球宜居环境的塑造。在地球的内部和表层都可以观察到多圈层互动的现象和历史记录。其中,地质上的大陆造山带,代表了多圈层相互作用最活跃的地带,而不仅仅是传统观念中地球内动力地质作用的场所。

1 造山带的多圈层相互作用

在板块构造的驱动下,造山作用期间是以固体地球内部圈层之间的物质交换和能量传递为主要形式的多圈层相互作用，并在一定程度上卷入了地球的表层系统。造山作用完结之后,这一相互作用转化为以表层系统圈层的相互作用为主的多圈层耦合互动,其发生作用的基础即为造山作用期间形成的物质组成以及结构构造。

1.1 造山作用期间的多圈层相互作用

1) 造山作用过程中的岩浆作用将地球深部的物质带至地球表层,包括火山作用、岩浆侵入作用、底侵作用、流体作用、脱碳作用等,增进大陆生长、改变地壳物质组成和结构以及改变大气成分。同时,上述作用过程均将地球深部的热量输送至地球表层,引发地表升温。

2) 通过板块俯冲过程将地球表层的物质输送至深部，改变地幔物质成分和岩石矿物结构。这些物质包括洋壳、洋底沉积物、陆壳、含碳氧流体等。

3) 板块俯冲、陆陆碰撞过程引起地壳变形、加厚以及地壳抬升效应，包括大洋板片断离、拆沉以及大陆下地壳拆沉引发的地壳伸展、减薄、造山垮塌等变形效应[7]。这些深部过程造成表层多样化的地质构造样式。

4) 造山作用过程中,除固体地球圈层的相互作用外,也卷入了岩石圈与其他圈层的相互作用。例如:①在构造和地壳加厚等因素的作用下,山脉的隆升改变了既有区域的气候特征。 ②在洋壳俯冲过程中，将大洋沉积物、 海水中的碳、 氧、 磷和氮等元素带至地球深部, 造成上述生命构成和宜居地球创建相关元素的地质循环[3]。 特别是将碳带入地质循环过程, 有助于降低大洋碳库的碳容量， 并形成负反馈， 引起大气碳浓度的降低, 起到调节气候的作用。 ③通过火山喷发和岩浆侵入作用， 将深部物质包括流体带至浅部和地表, 给生命提供营养物质、 改变水圈及大气圈成分。 特别是岩浆流体中碳的释放， 起到了气候调节的作用。 ④造山过程引发的上述效应为生物的进化营造了多方面的宜居条件。

1.2 造山作用结束后的多圈层相互作用

造山作用之后,固体圈层间的相互作用为主的多圈层作用已经退居次位,转而以地理概念的山脉为场所、表层作用为主要形式的多圈层作用。

1) 在水和大气中碳的共同作用下,造山带中硅酸盐岩石的风化作用形成了较强的中和大气二氧化碳的负反馈效应。此外,Lovelock等注意到,植物的腐烂及其土壤环境创造了使岩石快速溶解的酸性条件,加速了大气二氧化碳的减少，并降低地球的气温[4]。

2) 山区绿色植物的发育及其所进行的光合作用是大气碳消耗的另一更为快捷的途径。一方面，植物吸纳大气碳产生氧。另一方面,从大气碳净减少的角度看,更为重要的是，碳参与下的光合作用产生的植物再生产。大规模植物死亡后的遗体加入了不同路径和不同时间尺度碳的循环,发挥着调节陆地、海洋和大气碳浓度的作用而影响气候。

3) 山体的物理、化学和生物的风化剥蚀牵涉了水圈、大气圈和生物圈的作用力。侵蚀作用的结果造成山体隆升和刻画地形地貌,而多样化的、复杂的地形地貌有利于生物的繁育和发展[8-10]。

4) 山脉作为一定区域的侵蚀流域盆地沉积物的源,能提供大量的剥蚀碎屑物,填充汇水流域低地。同时,这一沉积过程给盆地的有机物带来了巨量的营养物质,促进了生命的繁育。

中国大陆中央造山系秦岭造山带就是这样一个地球系统多圈层相互作用发生的典型地域。在前人秦岭研究成果的基础上,本文从众多的秦岭多圈层相互作用的例子中选取4个案例，并以东秦岭(陕西段)及其北坡为主要研究对象进行讨论。同时,在文中也尽可能地列出该领域未来研究的科学方向。

2 秦岭山脉的概况

秦岭山脉位于中国大陆中部,东起河南南阳盆地、西至青海共和盆地。由东向西延伸1 600 km,南北宽200～300 km(见图1)。

图1 秦岭山脉及周缘地区地貌图Fig.1 Geomorphological map of the Qinling Mountains and surrounding areas

地质上，秦岭属于多幕次的复合型大陆造山带，商丹和勉略两大缝合带将秦岭造山带由北而南将其划分为华北地块南缘沟-弧-盆系、南秦岭和扬子板块北缘[11-13]。其演化历史可以追索至中—新元古代[14]。其主要的造山期有中晚古生代加里东造山运动、早中生代印支运动以及中生代晚期的燕山运动。在印支运动中,扬子地块与华北地块沿勉略缝合带最终碰撞拼合,完成了统一的中国大陆基本构造格架的构建[11]。新元古代造山活动由残留的岩体和大量的大约1.0 Ga的碎屑锆石来表征,代表了消失的格林威尔造山运动[14]。而现今的秦岭山脉形成于中新生代[11,13]。

秦岭山脉以山峰、峡谷、盆地等地貌形态构成,平均海拔高度1 800～2 000 m,最高峰为陕西太白县境内的太白山(3 771 m)。秦岭高程地貌形态以中起伏的低中山—中山为主[15]。秦岭北坡较陡，南坡较缓,主脊偏北。

秦岭山脉是长江与黄河流域的分水岭,南坡水系属长江流域,北坡水系属黄河流域。秦岭又是中国南北方气候的分野,其北属于暖温带亚湿润大区,以南为北亚热带湿润大区。北部冬季温度在零度以下,南部高于零度。年降水量北部低于800 mm,而南部高于这个数量。秦岭山区年平均温度在8～14℃,低于秦岭周边城市年平均温度约5℃[16]。秦岭是重要的水源涵养区,其中陕西段的水资源量约占陕西省水资源总量的50%。秦岭北坡水资源量占渭河盆地地表水资源总量的51%,是浐河、灞河、沣河、黑河、潏河等河流的源区。

秦岭山脉良好的生态环境是生物多样性的天堂和“世界生物基因库”。秦岭陕西段森林覆盖率达72.95%,森林蓄积达2.26亿m3[17],森林面积达3.99×105km2,树种多以生长周期长的乔木为主,是碳汇的重要场地[16,18]。同时,秦岭是划分以北的落叶阔叶林带和以南为常绿阔叶林带的界限。

3 秦岭多圈层相互作用的实例

3.1 秦岭新生代的隆升与气候效应

3.1.1 秦岭新生代的隆升 《构造地貌学(TectonicGeomorphology)》一书中提出过如下问题：“是否晚新生代全球山脉加速隆升并驱使气候发生改变?”[19]答案是肯定的。新生代，特别是晚新生代是全球极为活跃的山脉隆升(成山)时期,其原因为新生代两大造山活动(环太平洋周边板块俯冲和印度—欧亚板块的碰撞全球性构造事件)以及引发的远程效应。

秦岭是一座年轻的山脉。它的隆升及其北侧渭河盆地的形成,是中国大陆自印支期造山运动以来，中新生代的重大地质事件。之所以重大是因为秦岭山脉的崛起带来了一系列的地质、地理和气候效应。例如,秦岭的隆升促成秦岭南北的气候变化;许多动植物群落随之兴亡;新生代晚期风成的红土和黄土沉积在其北侧,黄土高原出现了;黄河被拦阻在秦岭以北,形成中国大陆北方最大的水系。这一切改变了中国大陆中部的区域地质、地理以及生态环境。秦岭山脉本身最终演变为中国大陆南北地质、地理、气候、生物的分界线。

从目前的研究来看, 秦岭新生代强烈的隆升与古太平洋板块和现代太平洋板块向东亚大陆的俯冲、 中国大陆东部中生代晚期至新生代较长时间处于伸展环境的大背景密切相关[20-25]。 同时, 伸展环境多表现为正断层作用[20-21,26-28]。 在新生代两阶段裂谷作用中, Liu等[21]认为， 渭河地堑发育在第二阶段即晚新生代时期, 该阶段经历了近N—S向的伸展作用， 并形成了近E—W向的正断层和NNE的右旋走滑断层。 由于中生代晚期至新生代期间， 沿东亚大陆东缘俯冲的古太平洋板块的性质和机制发生变化, 主要表现为多次俯冲海沟的后退、 板块回滚以及洋中脊俯冲等， 并造成上述中国大陆东部陆内构造以及岩浆作用的响应[21-22,25,29]。

越来越多的研究表明,秦岭隆升的主期在新生代,且快速隆升出现在新生代晚期,甚至第四纪期间。从多个夷平面的存在可知，秦岭的隆升是以间歇式、多幕式为特点的[30-31]。从低温热年代学数据(主要为AFT测年数据)的统计来看,大约50 Ma是东秦岭北部隆升启动的时间,同时也是渭河盆地开始接受沉积的时间[27,32-37]。根据原地质部第三地质普查大队的钻孔资料,在渭河盆地地下五千多米处钻遇古近纪中始新统(50 Ma)红河组地层[32,38]，从盆地沉积角度证实了上述东秦岭隆升启动的年龄数据是有意义的。在更大动力学背景上,东秦岭隆升的动因来自东亚大陆东缘太平洋板块俯冲带的转型,大约50 Ma正值太平洋板块取代古太平洋板块(Izanagi板块)的交替过程。两者之间近于平行东亚大陆边缘的洋中脊的俯冲不仅引起了岩浆作用的空窗期,而且造成了中国大陆东部盆地沉积的不整合以及山脉的隆升现象[29]。Liu等将此解释为早新生代(55～45 Ma)洋脊俯冲引发的板片窗效应[39]。

东秦岭首次加速隆升出现在中新世晚期(大约10 Ma)[27,33-37,40-41],此时太平洋板块经历着俯冲海沟的后退[21,25],造成中国大陆东部持续的构造伸展以及新一轮的岩石圈减薄和相应的大陆玄武岩的喷发[22,25]。

东秦岭的隆升在第四纪期间也经历了加速过程,地质现象判读和测年数据较集中的时间节点为:大约1.2[32,42-43],0.8[31,44]，0.02[45]，0.01 Ma[31]。其中,薛祥熙等[46]利用动物群落的南北差异发生的时代,约束快速隆升时间,认为秦岭成为动物南北迁徙的屏障出现于早更新世末—中更新世,并根据古生物群落时代和多级洞穴高差推算出早更新世末—中更新世的隆升速率为0.11～0.16 mm/a。滕志宏等[31]则通过夷平面并结合河流阶地的发育以及沉积厚度推断出Q1、Q2、Q3和Q4的隆升速率，并判定Q1和Q4秦岭上升是加速的。

3.1.2 秦岭新生代的气候效应 秦岭的快速抬升与青藏高原的隆升均发生在新生代,后者对中国北方特别是西北地区造成的强大气候效应，在很大程度上掩盖了秦岭抬升的气候影响[47]。因此,从青藏高原的气候效应中甄别和提取秦岭的气候影响有一定的难度。此外,若考虑全球气候变化的区域影响,例如更新世的气候转型、全球气候多动力因子等[48],厘清秦岭隆升的气候效应将是更大的挑战。

尽管缺少定量分析秦岭影响大气环流的临界高度数据,但平均海拔高度1 800～2 000 m的秦岭山脉会对平流层下层(低层)施加较强的影响力是肯定的。平流层下层含有较多的水汽(雨云、雾)和沙尘物(例如黄土),冬季南下季风因为低温也会下压下层高度。因此，秦岭的存在对东亚季风的作用是明显的。 刘护军[32]认为，秦岭的隆升凸显了青藏高原隆升的气候效应,意味着强化了东亚季风的强度,特别是冬季风。它的最大效应是在夏季和冬季分别形成对季风的阻隔作用。前者拦截温暖湿润的夏季风的北上,后者则对干冷的冬季风南下形成屏障。现今,在全球变暖导致秦岭南北同步升温的背景下,秦岭山脉作为中国南部北亚热带和北部暖温带的界限而存在的意义依然是明显的[49]。在南部北亚热带北界，在海拔高度有抬升趋势的情况下,秦岭北部渭河盆地的城市日均气温≥1℃的天数已符合北亚热带的特征,但所有地区1月份的气温仍在0℃以下。因此,南北气候以秦岭为界仍符和郑景云等气候带的划分原则[50]。这充分说明，秦岭山脉的存在形成了对东亚季风的屏障作用。

秦岭的气候效应,直接或者间接地制约和改造着环境。最直观的例子是，秦岭作为气候带分界,其南北出现不同的气候特征和植物群落及其相应的生态环境[51]。第四纪以来，秦岭将冬季风搬运的、源自西北荒漠地区的风尘拦截在秦岭以北,沉积为世界上最大规模的黄土高原。而在秦岭之南,在相同的地质历史时期,却是红土的堆积[52]。在更为久远的中新世晚期至上新世(8～7 Ma BP),秦岭可能同样阻隔了季风携带的红黏土的南下,在鄂尔多斯地块上形成了黄土高原的前身——“红土高原”[53]。尽管如此，现在依然不清楚,秦岭新生代的崛起对其北方气候以及生态环境施加影响的时空限度和相应的强度。对于秦岭以南广大地区而言,秦岭隆升的气候效应拦截了夏季风的暖湿气流，并强化了秦岭以南广大地区夏季风的效应。

第四纪晚更新世(大约1.2 Ma BP)是秦岭隆升重要的时间点，自此，在第四纪早期，几乎占据整个渭河盆地的三门湖开始萎缩并逐渐消失。除去黄河于大约0.15 Ma BP切穿三门湖的原因外,湖体的逐渐消失不能排除秦岭抬升的气候效应。由于秦岭隆升对于夏季风及其携带水汽的拦阻,造成秦岭以北降雨的减少以及对三门湖供水的减少。

秦岭山脉腹地例如洛南盆地，黄土和古土壤的地球化学和矿物学研究表明,自0.880 Ma BP以来,随着东秦岭的阶梯式隆升,来自秦岭以北的东亚冬季风的强度减弱,而来自南部的东亚夏季风增强。因此,造成该区气候逐渐趋向温和湿润,并为古人类在此活动创造了宜居环境[54]。

秦岭的隆升以及气候环境效应的研究应当成为未来地球系统研究的主攻方向之一。需要在向国际前沿看齐的前提下,继续在下述问题上悉心钻研:秦岭隆升的深部动力学;秦岭隆升阶段的热年代学与大地构造事件的配套;隆升过程不同阶段的气候和环境效应;隆升过程中地表剥蚀作用的贡献。

3.2 秦岭:生物天然营养库

地球上，生命的孕育、诞生和演化以及生物圈的形成发展需要其他圈层的物质支持,其中重要的物质组分是陆地营养物质,包括碳、磷、钾、铁等营养元素[3,55-56]。在陆地供给的营养物质中,磷(P)和钾(K)被称作是关键的“生命构建营养元素”[54]。

地球表层的岩石组成中,花岗岩富含上述元素，特别是磷、钾,同时还含有其他一些生命繁育必要的金属元素和稀有元素,是最为理想的“生命构建营养元素”的源泉。大陆占地球表面的1/3,花岗岩构成了大陆地壳尤其是上地壳的主体。因此,花岗岩的地表分布极其广泛。中国大陆具有众多的造山带,是花岗岩非常发育的地域[57-58]。

秦岭造山带多幕次造山作用产出的花岗岩主要为早古生代加里东期(507～400 Ma)、早中生代印支期(252～185 Ma)和中生代晚期的燕山期花岗岩(158～100 Ma)[59]。

秦岭(陕西段)北坡出露大量的花岗岩岩体, 面积占整个北坡的40%以上(见图2)。 出露于秦岭北坡的花岗岩主要属于早古生代和晚中生代的花岗岩, 地质构造单元上属于北秦岭和华北地块南缘。 印支期花岗岩大多出露于秦岭南坡(分水岭以南)的南秦岭。 三期花岗岩尽管时代不同， 但多数为二长花岗岩、 花岗闪长岩和钾长花岗岩, 属于富钾钙碱性-钾玄岩系列。 花岗岩主微量元素含量基本相似, 关键营养元素钾(K)和磷(P)的质量分数分别为北秦岭花岗岩4.16%和0.12%; 华北地块南缘同类岩石为4.26%和0.13%[60]。

图2 东秦岭(陕西段)北坡花岗岩分布图(根据文献[61]修改)Fig.2 Granite distribution on the northern slope of East Qinling(Shaanxi section)

地质历史上,秦岭成为其北侧鄂尔多斯地区沉积物的“源”开始于晚古生代和早中生代时期,当时加里东造山运动已使秦岭隆起,又复叠加了印支期造山运动。早期的华北陆表海以及秦岭海槽的构造配置已经发生了反转,曾经的秦岭海槽已经是隆起的山脉,而陆表海已经成为内陆湖盆[62-64]。研究表明,三叠纪鄂尔多斯盆地与秦岭造山带中的山间盆地存在某种相连的通道,两者同时接受来自秦岭的同源碎屑物沉积[65]。于是通过这些通道,秦岭山地富钾、磷和其他微量元素的营养物质源源不断地供给盆地,滋养了丰富的有机物,为鄂尔多斯盆地上三叠统烃源岩的形成打下物质基础。白垩纪早期,由于鄂尔多斯盆地的构造隆起,秦岭造山带作为它的沉积物源地的历史,在早白垩世宣告结束,其沉积物的最后标志是分布在鄂尔多斯盆地南缘的下白垩统“宜君砾岩”[66]。

如前所述,随着秦岭在大约50 Ma前开始隆升和渭河盆地的下陷,大量来自秦岭北坡的剥蚀碎屑沉积在盆地中。秦岭大约10 Ma的快速隆升加剧了山与盆高程的反差,进一步强化了山体的风化剥蚀，有力地促进了剥蚀率的提高和碎屑物的通量[3, 56]。同时,由于燕山期强烈的花岗岩岩浆侵入作用,使得东秦岭北部的花岗岩大量增加。

根据Shi等得出的晚中新世(大约10 Ma)北秦岭的剥蚀速率(大约67.4～327 m·Ma-1)[36],可计算出秦岭北坡钾和磷的剥蚀量:钾每百万年为4 087×106～1 983×108t,磷为6 691×105～3 246×106t。平均每年钾和磷的剥蚀量分别为4 087～198 300 t和669～3 246 t。这些营养元素在三门湖向东打开之前的一千万年内基本沉积在渭河盆地中,赋存地层相当于灞河组及其上覆地层。此外,在古近纪中始新世晚期—晚始新世期间,渭河盆地已经开始接受主要来自秦岭的剥蚀碎屑,形成灞河组以下至红河组地层[32],只是在大约40 Ma期间,东秦岭的隆升速率低于中新世以后的速率。

这样的营养元素供给量已经持续了千百万年之久,造就了渭河谷地肥沃的土地,为农耕文明的开启、进而为中国古代最早“天府之国”的出现以及在此基础上形成的灿烂的中国古代文明奠定了基础。

3.3 秦岭:碳中和的基地

碳是构成生命最基本的物质。同时,碳又是调节气候、营造宜居环境不可缺少的关键元素。今天,人类已经进入了“碳的纪元”[67],控碳已经成为治理国家、保护宜居地球和世界正常秩序的重大国策。习近平主席2020年向世界庄严承诺,中国将在2030年实现碳达峰和2060年实现碳中和。

作为中国大陆的“众山之首”,秦岭山脉是岩石矿物的世界，生物多样化的天堂以及碳中和最理想的场所。碳被吸收和储集的场所,就是巨大的“碳汇”和“碳库”。多个碳的吸收储集方式一起产生着减少大气碳的负反馈效应。

首先,秦岭发育极其丰富的植被,其植被的密度超过南北两侧的盆地。因此,这些绿色植物的光合作用是可观的,在产出高浓度的负氧离子的同时,消耗着大气中巨量的二氧化碳,发挥着净化空气、调节气候、改善居住环境的效应。据研究,仅秦岭陕西段，森林年均固定CO2约4 000万t[68]。相对下述减碳方式,绿色植物的光合作用是最快捷的。因为它仅仅与日照有关,只随着昼夜和季节变化。另一方面，因为绿色植物需要进行有氧“呼吸作用”,从大气碳净减少角度来看，其效应是有限的,或者更严格地说，其减碳效应短时间尺度上存在起伏变化。但是,不能忽视在碳的参与下，光合作用产生的植物生产力总量的提升。因为,全球植被中的碳含量总和几乎等于大气中的总碳量[4]。随着植被体量规模的扩大,有机物所含的碳最终会包含在它们的遗体中加入到不同路径和不同时间尺度的碳循环,发挥着不可替代的，调节陆地、海洋和大气碳浓度的作用而影响气候,起到一个重要的负反馈效应。根据研究,如果碳随植物的遗体进入土壤，在那里停留的时间会是50年[3]。如果碳进入沉积物并被埋藏于陆内盆地形成沉积岩,再次遭受风化剥蚀的时间长短取决于暴露地表或者卷入板块构造循环的时间。

硅酸盐风化过程产生另一个有效的降低大气碳的负反馈(见图3)。秦岭山脉中出露大量的硅酸盐岩石,部分沉积岩也含有高比例的硅酸盐矿物。因此，在地表的化学风化作用中,水与大气中的碳参与硅酸盐岩石的风化作用,与其反应生成碳酸根离子及钙、镁、铁等离子,搬运至内陆盆地或者进入大洋,形成碳酸盐及其他沉积岩,加入地壳循环过程。进入大洋的碳会形成碳酸盐岩石，加入板块构造循环,随板片俯冲至地幔,成为深部碳,直至它们通过火山和侵入岩浆作用再度回到地表,在那里停留50～60 Ma[3，69]。

注：变化的太阳光度被视作施加的外力图3 硅酸盐风化作用的负反馈(引自文献[4])Fig.3 The silicate weathering negative feedback with changing solar luminosity shown as anexternal forcing

在秦岭造山带的演化历史中,风化作用始终存在于造山作用的过程中和造山结束后的构造平静期,尤其在造山后的构造平静期，外动力作用尤为强烈的情形下,风化作用更趋于剧烈。其详细的多圈层相互作用过程需要今后相当长的时间，从各个角度悉心研究。而现今，由于太阳亮度的增加和温室效应的加重(主要是大气碳浓度的增加)(见图3),这一作用过程比以往任何时候都要强烈[4]。但是雨水的减少,会抑制这一效应的发挥。从近年的降雨量来看,秦岭及秦岭北侧有“南雨北移”的现象,假如这一趋势能够持续下去,可能会使秦岭风化作用起到的碳中和强度更大。

今后研究重点任务之一是，较为精准地计算秦岭通过上述植物的光合作用和硅酸盐岩石风化等方式实现碳中和的量,为进一步发挥秦岭作为中国大陆中部碳中和基地的作用,扩大秦岭绿色植被的体量,为国家制定相关碳中和政策提供科学依据。

3.4 秦岭:早期人类和中华文明的摇篮

由于秦岭新生代的隆升,导致了中国大陆中部地质、地理，气候和生态环境出现了前所未有的新格局。除此之外,更有意义的是，新生代秦岭隆升事件和渭河盆地的出现,为中华文明的诞生和发展,举行了一个地质构造上的奠基礼。

3.4.1 蓝田人的摇篮 Zhu等[70]2.12 Ma旧石器时代古人类遗址的发现，将蓝田人出现的1.63 Ma[71]又向前推了0.5 Ma。按照此发现,蓝田人成为了东亚最古老的直立人,可能仅次于最早走出非洲的远古人类(于二百多万年前走出非洲的)[72]。这一新的发现对重新认识人类的起源演化和迁徙格局必然产生重大影响。

蓝田人栖居于陕西蓝田县玉山镇上陈村一带,属于铜人塬,位于秦岭山脉北麓,南距秦岭山脉约4 km。极有可能在两百多万年以前,蓝田人曾经活跃在秦岭北坡。秦岭强反差的地形地貌，多样化的动植物世界以及阴晴不定的气候条件，晴朗夜空的星汉灿烂,无疑锻炼了人类先祖的身体，促进了其心灵智慧的发展和成熟。秦岭复杂的地形地貌和丰富的食物资源,不仅养育了他们的身体,还培育了他们的心智。高山峻岭和茂密的植被有利于古人类骨骼肌肉的发育和主管躯体运动系统的大脑皮层部位的发达。阴晴多变的气候和夜晚灿烂的星空锻炼了他们的左右脑,促进了思维能力的发育[73]。

秦岭的宜居环境例证还可以在Fang的研究中看到[74]：随着更新世东秦岭的隆升,秦岭腹地中洛南一带的气候条件逐渐趋于温暖和潮润,甚至不受第四纪晚期冰期的影响。这样的宜居环境吸引了早期人类在此繁衍生息。他们是否与蓝田人有亲缘关系值得研究。秦岭山地新生代宜居环境孕育出众多的动物种类,包括现今的秦岭四宝(熊猫、金丝猴、羚牛和朱鹮)。但是，相对于这些动物,秦岭在其第四纪以来的演化过程中还养育了我们的祖先蓝田人,他的出现意义更为重大。对于我们的先祖蓝田人的成长和进化而言,秦岭功不可没。

随着秦岭山地宜居条件的变化和蓝田人的进化,蓝田人走出了大山迁徙到了秦岭北麓的黄土台塬地带。在这里他们左右逢源,一面是山地,一面是松软的黄土塬。山地继续为他们提供生活的必须品，而塬的广大和开阔,为他们寻求更为宜居的环境和向更高级阶段的进化铺平了道路。古土壤中夹杂着沉积的大小不一、形状各异的白色脉石英,据分析,这些石英岩很可能来源于秦岭北麓花岗岩侵入体中的石英脉,则为他们制造工具提供了石材。

渭河谷地多年来发现的旧石器时代古人类除蓝田人以外,还有大荔人(18～23万年)。后者已经完全生活在渭河河谷腹地,是蓝田人200万年之后的旧石器中晚期的古人类了。从蓝田人生存的地理位置来看,他们刚刚离开山地,才亦步亦趋地走向渭河谷地的纵深,还有非常漫长的路要走。

3.4.2 中华文明的发祥地 为何历史上西周、秦汉唐如此强盛?人们认为关中平原农业文明的发达奠定了建都的基础。再往深层探究,为什么这里的农业文明甚至商业贸易如此发展,可能的答案会是渭河的平原形成提供了天时地利、土地肥沃等农业发展的条件。但这依然是较为浮浅的答案。其实再深追一步,在渭河谷地发达起来的中国古代文明植根于地质构造之中。渭河谷地的地质构造环境为后来的早期人类演进和人文进步奠定了良好的地理环境基础。在此基础上,农耕文明得以高屋建瓴地发展。

英国著名历史学家菲利普费尔南多·阿梅斯托(Fermades Armesto)根据陆地海洋等地理单元划分了世界文明的类型,强调文明的强度取决于“地利”的优劣。中华文明被归为“冲积土文明”的范畴。他指出，中华文明与黄河文化密不可分,而黄河文化起源于上游的“小谷地”[75]。需要指出的是，他的著作中将“小谷地”的名字搞错了,实际上应当是渭河谷地。渭河谷地以高山峻岭与黄河做屏障,成为中国文明的摇篮。有西周、秦汉唐等历史上举足轻重的朝代在此建都。他特别提到了秦国依据天堑在此崛起,首次统一了中国。他很客观地认为,中国文明是世界文明的典范,“文明在世界其他地方兴衰无常,但中国文明却有惊人的连续性。现今中国所具有的文化,可以明显看出是大约4 000年前在黄河流域开始形成的文明流传下来的”。“在一条长条泥土地上开端的故事,结果传到了全世界。”

但是，需要指出的是,在评价文明的“地利”因素时,费尔南多·阿梅斯托忽略了不同地理单元的结合配置对于文明形成和发展的功效。对于中国的案例而言,他忽视了秦岭与渭河谷地之间的协同作用对于文明进化的推动效应。与渭河谷地在统一的地质构造背景下发育的秦岭山脉,从地球系统多圈层相互作用的角度，在以下几方面对渭河谷地起到了养育、庇护作用,强化了文明进步的“地利”因素,为中华文明大厦的建立奠定了物质和结构基础。

1) 来自秦岭富含营养物质的沉积物造成了渭河盆地的沃土千里,在一定意义上为后来农耕时代的发展提供了物质条件。

2) 秦岭是渭河盆地重要的水源涵养地。秦岭的水资源量约占陕西省水资源总量的50%，秦岭北坡的水资源量占关中地表水资源总量的51%。这些丰富的水资源从古至今灌溉着八百里秦川,促进农业的发展、推动着文明的进步。

3) 南有秦岭,北有北山,使得渭河盆地成为得天独厚的风调雨顺之地,少有自然灾害的发生。尽管青藏高原的隆起对中国大陆西北地区造成了荒漠化的影响，但渭河盆地却是地肥水美,保障了早期人类的繁衍生息和农耕时代人民安居乐业、社会稳定安宁。

4) 秦岭随同围绕渭河盆地周缘的山脉和黄河，对文明的发展形成了天然的安全屏障。古人对于渭河谷地的山川形胜多有议论,称其为“四塞之国”。对于何为“四塞”,战国时期的范睢给予了较为清晰的解释:秦国“四塞以为固,北有甘泉(今淳化甘泉山)、谷口(今泾河出北山之处),南带泾、渭,右陇、蜀(秦巴山地),左关(崤山函谷关)、阪(蒲津关,晋陕间的古渡口,在今大荔县东黄河边)”[76]，构成了渭河谷地南侧的天然屏障。除了“四塞”说法之外,渭河谷地又称作“关中平原”。所谓关中,就是在陕西境内，秦岭山脉由西而东的大散关、武关、潼关 (早期为函谷关)以及北面的萧关(今甘肃固原东南)。有了这“四塞”加“四关”的庇护,渭河谷地就能攻能守，固若金汤,国家无往而不胜。尤其在古代文明的发展初期,“得秦岭者得天下”[77],以秦岭为主的山川形胜从政治和军事上维护了国家的长治久安,保护了既有的文化,极大地促进了文明的顺利延续和发展。当然,吴宏岐指出，关中平原发达还有一个不能忽视的原因就是它在通往西域丝绸之路上的重要位置[76]。但说穿了,交通上的重要位置还是绕不开上述“地利”因素的作用。

以上诸多因素促成了渭河盆地成为中国最早的“天府之国”。在战国时期,渭河一带的秦国所在地就被称为“天府”和“天下之雄国也”。到了西汉，渭河盆地又有“金城千里,天府之国”的说法(《史记·留候世家》)。 因此,“天府之国”的称谓比成都平原获此殊荣要早出约600年。

正是秦岭山脉与渭河谷地的山盆的完美构造和空间搭配,将山岳的形胜与冲积平原的优势结合起来,最终形成的自然地理环境给人类社会带来了极强的人文效应,使得中华文明在这块土地上生根、开花、结果,并以万世不竭的强大生命力传承和延续,彰显出倔强、顽强、弹性和伟大的同化能力。而对比世界上单纯的冲击平原文明或者高地文明,前者如尼罗河、美索不达米亚和印度河文明,后者如安第斯山的印加文明[75],都统统消失在历史的烟尘中,难觅踪影。

在这里应当悉心考虑“一方水土养一方人”的微妙和深刻道理。如果说黄河、长江是中华民族的血脉,那么横亘中国大陆中央的秦岭山脉就是他的脊梁。千百万年的地质演化和多圈层互动的结果,秦岭山地的物质和构造已经通过形形色色的物理与化学的渠道渗透到了中华民族和文明的细胞之中,造就了这一屹立于世界东方的民族和所拥有的璀璨的中华文明。

在秦岭地质研究的基础上,开展秦岭山地、渭河盆地与早期人类演化的关系，以及中华文明在此诞生发展的地质、地理、气候和生态环境意义的研究前景是广阔的。

4 结语

地球系统研究已经成为21世纪地球科学研究的主旋律,而多圈层相互作用及其宜居地球的成因是研究的重中之重。大陆造山带代表了地球系统多圈层相互作用极为活跃的场所。造山作用期间,多圈层相互作用以固体地球圈层的关联互动为主,而在造山作用结束之后,地表作用上升为主要的多圈层相互作用的形式。

秦岭造山带是多幕次的复合型大陆造山带,无论是造山过程或者造山作用结束形成地理意义上的山脉,它始终都是中国大陆多圈层相互作用的舞台,而造山作用结束后的多圈层相互作用正是在前期造山作用提供的物质和形成的构造基础上展开的。

文中所选择的4项与秦岭多圈层作用有关实例的讨论,目的在于能够给学者以启发,认识到秦岭对于展开地球系统研究的难能可贵和秦岭多圈层相互作用研究天地的广阔,并努力构建一个秦岭构造-环境-生命-人文的地球系统研究生态链,从研究积累厚实的秦岭地质构造出发,通过多学科(包括人文学科)的携手融合,大力开展以构造为主的多圈层关联互动与中国大陆宜居环境成因，以及中国早期人类和中华文明在这块土地上发迹的相关研究,将地球科学水平推向新的高度。

致谢:中国地质大学(北京)的张博博士提供了最前沿构造文献，西北大学地质系周小虎老师提供了文中底图，池建强同学帮助绘制图件，在此深表谢忱。