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中国科学家揭示青藏高原中央谷地形成及隆升历史

来源: 中国日报网
2022-02-11 10:22 
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中国日报2月10日电(记者 张之豪)2月10日,记者从中科院青藏高原所获悉,该所丁林院士领衔的碰撞隆升及影响团队通过构造地质演化、岩石圈深部动力学过程、古温度、古植被分析和古气候模拟等多领域、多手段综合研究,定量恢复了青藏高原中央谷地3800-2900万年前的隆升和消亡过程。揭示了中央谷地的隆升是青藏高原对地表圈层环境的巨大影响的开始。

该成果今日在线发表于国际顶级学术期刊《科学进展》(Science Advances),打通了圈层隔离和科学界线,在青藏高原各圈层时空演化研究方面迈出了坚实一步,对青藏高原地球系统科学研究具有重要示范作用。

该论文第一作者中科院青藏高原所熊中玉博士介绍,印度板块与欧亚板块碰撞后,在高大的冈底斯造山带和中央分水岭造山带之间曾发育一个与现今地貌完全不同的低海拔中央谷地,从西向东,它沿现在的日土-改则-尼玛-班戈-那曲-丁青一线展布。它何时隆升到现今高度?导致中央谷地隆升的深部地球动力学机制和高原地表圈层的内源驱动力又是什么?

自1997年起,丁林院士带领团队持续在位于中央谷地中部的伦坡拉盆开展野外考察,试图解开这个谜团。伦坡拉盆地隶属班戈县,面积约3600平方千米,海拔约4700米,年平均温约0℃,年降水量400-500毫米,属于典型的高寒季风性气候,是研究青藏高原隆升历史、机制及环境-生物效应的热点地区。研究团队在盆地内新生代地层中发现了9套火山灰。其中,下部牛堡组地层由一套紫红色含古土壤的砂-砾岩以及灰色泥页岩和灰岩组成;上部丁青组地层为一套灰色系泥岩、页岩、油页岩以及粉细砂岩组成;地层中还出露丰富的动植物化石。

研究团队利用锆石铀铅测年的方法,确定了火山灰的绝对年龄,建立了伦坡拉盆地5000-2000万年前沉积地层绝对年代框架。其中,下部牛堡组地层沉积年代为5000-2900万年前,上部丁青组地层沉积年代为2900-2000万年前。在此年代框架基础上,研究团队与英国布里斯托大学古气候模拟团队合作,在青藏高原首次利用古气候模拟的方法确定了青藏高原中央谷地的降雨模式为冬、夏两个季节的双峰式,结合降雨量、地表蒸散和土壤水分含量等,揭示了古土壤钙质结核的形成季节:牛堡组下部古土壤钙质结核的形成时间为3~6月,而牛堡组上部古土壤钙质结核的形成时间则限定在5~6月和9月两个阶段。研究团队还创造性地使用地表空气湿球温度和湿球气温直减率定量恢复了伦坡拉盆地地表高度变化历史。和通常我们所说的气温(即干球温度:接触球体表面空气的实际温度)不同,湿球温度是当前环境仅通过蒸发水分达到的饱和温度。湿球温度更符合气团运移过程中水分和路径变化而使得温度发生改变的实际情况,因此更适用于不同地区之间温度差异的比较。

研究结果表明,约5000-3800万年前,青藏高原呈现为“两山夹一盆”的地貌特征,冈底斯山脉海拔约4500米、中央分水岭山脉海拔约4000米,它们之间夹着海拔约1700米的中央谷地。中央谷地气候温暖湿润,降水由西风和季风共同主导,亚热带动植物繁盛,是高原内部的“香格里拉”。

约3800-2900万年前,以伦坡拉盆地为代表的中央谷地快速隆升为海拔超过4000米的高原,标志着青藏高原主体部分形成。伴随中央谷地隆升和全球气候变冷,高原中部温度显著下降,降水减少,并且南部季风作用相对增强。气候变化导致高原中部从温暖湿润的亚热带生态系统转变为寒冷干燥的高寒生态系统,主要地表植被为高山草甸。

该论文通讯作者丁林院士介绍,通过综合区域内古高度、构造活动、岩浆作用等证据,研究进一步认为,导致中央谷地隆升的深部地球动力学机制为俯冲的拉萨地幔拆沉、软流圈物质上涌及上部地壳缩短。由青藏高原深部圈层作用驱动的高原生长过程,是高原地表圈层(大气圈、冰冻圈/水圈、生物圈和人类圈)演化和链式响应的内源驱动力。

结合团队前期研究,该成果进一步指出,雅鲁藏布江缝合线以北,从造山带发展为高原主体的时间为晚始新世-早渐新世(3800-2900万年),而雅鲁藏布江缝合线以南的喜马拉雅山脉于中新世早期(2500-1500万年)才达到现在高度。

值得一提的是,该成果的核心数据——古土壤钙质结核团簇同位素,分析获取于筹建中的青藏高原地球系统与资源环境全国重点实验室。在青藏高原古高度重建过程中,缺乏对古土壤钙质结核形成温度的直接限定指标。团队实验技术人员经过四年技术攻关,自主研发碳酸盐团簇同位素测量方法,搭建了碳酸盐团簇同位素前处理实验装置,顺利解决了上述难题。

该成果获得基金委青藏高原地球系统基础科学中心(41988101)、第二次青藏高原综合科学考察研究(2019QZKK0708)、中国科学院“丝路环境”先导专项(XDA20070301)等项目的联合资助。

【责任编辑:富文佳】
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