地球第三極青藏高原如今平均海拔在4000米以上，被稱為“世界屋脊”。但在形成今日之“高大”面貌之前，青藏高原其實(shí)還發(fā)育了一個(gè)低海拔的溫?zé)岬?ldquo;谷地”。

從“谷地”到“世界屋脊”是如何演化的?其隆升過程又對(duì)今天的青藏高原環(huán)境有著怎樣的影響?這些都是關(guān)于青藏高原尚未解開的謎題。

歷時(shí)20余年，在第二次青藏科考的支持下，中科院院士、中科院青藏高原研究所(以下簡(jiǎn)稱青藏高原所)研究員丁林領(lǐng)銜的碰撞隆升及影響團(tuán)隊(duì)，通過構(gòu)造地質(zhì)演化、巖石圈深部結(jié)構(gòu)、古高度、古溫度、古植被分析和古氣候模擬等多領(lǐng)域多手段的綜合研究，刻畫了青藏高原隆升前低海拔“中央谷地”的面貌與歷史過程。相關(guān)研究近日發(fā)表于《科學(xué)進(jìn)展》。

高升前的“低谷”

青藏高原隆升過程復(fù)雜，且經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史時(shí)期，其隆升的地球動(dòng)力學(xué)過程仍存在爭(zhēng)議。

有觀點(diǎn)認(rèn)為，在距今5300萬年到3600萬年的始新世，高原南部最先成為海拔最高地區(qū)，隨后向北隆升;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，在始新世，高原中部是海拔最高的地區(qū)，形成青藏高原雛形，然后從中新世開始向南擴(kuò)展成喜馬拉雅山脈，向北擴(kuò)展到青藏高原北部的昆侖山以及祁連山地區(qū)。

論文第一作者、青藏高原所博士熊中玉介紹，印度板塊與歐亞板塊碰撞后，在高大的岡底斯造山帶和中央分水嶺造山帶之間，曾發(fā)育一個(gè)與現(xiàn)今地貌完全不同的“低海拔中央谷地”。它自西向東，沿現(xiàn)在的日土—改則—尼瑪—班戈—那曲—丁青一線展布。

“但它何時(shí)隆升到現(xiàn)今高度，導(dǎo)致中央谷地隆升的內(nèi)源驅(qū)動(dòng)力又是什么?我們還不清楚。”論文通訊作者丁林表示，準(zhǔn)確量化隆升過程及特征對(duì)于評(píng)估其對(duì)大氣和地表過程的影響至關(guān)重要。

自1997年起，丁林帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)在位于中央谷地中部的倫坡拉盆地開展野外考察，試圖解開這個(gè)謎團(tuán)。

倫坡拉盆地隸屬班戈縣，面積約3600平方千米，海拔約4700米，年平均溫度約0℃，年降水量400~500毫米，屬于典型的高寒季風(fēng)性氣候，是研究青藏高原隆升歷史、機(jī)制及環(huán)境—生物效應(yīng)的熱點(diǎn)地區(qū)。

火山灰中找“密碼”

“火山灰?guī)r層是盆地中沉積下來的古代火山噴發(fā)的火山灰，可用于準(zhǔn)確限定地層的形成時(shí)代和絕對(duì)年齡。地層的絕對(duì)年齡類似于一個(gè)‘標(biāo)尺’，只有在這個(gè)標(biāo)尺的基礎(chǔ)上，我們才能精確地重建地球各個(gè)圈層的演化過程。”熊中玉告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

研究團(tuán)隊(duì)在盆地內(nèi)共發(fā)現(xiàn)了9套火山灰，利用鋯石鈾鉛測(cè)年的方法，確定了火山灰的絕對(duì)年齡，建立了倫坡拉盆地5000萬~2000萬年前沉積地層的絕對(duì)年代框架。

研究表明，下部牛堡組地層沉積年代為5000萬~2900萬年前，上部丁青組地層沉積年代為2900萬~2000萬年前。

在此年代框架基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)與英國(guó)布里斯托大學(xué)古氣候模擬團(tuán)隊(duì)合作，首次在青藏高原上利用古氣候模擬的方法，確定了青藏高原中央谷地的降雨模式為冬、夏兩個(gè)季節(jié)的雙峰式。

同時(shí)，結(jié)合降雨量、地表蒸散和土壤水分含量等，他們揭示了古土壤鈣質(zhì)結(jié)核的形成季節(jié)：牛堡組下部古土壤鈣質(zhì)結(jié)核的形成時(shí)間為3~6月，而牛堡組上部古土壤鈣質(zhì)結(jié)核的形成時(shí)間則限定在5~6月和9月兩個(gè)階段。

深部圈層為“內(nèi)生動(dòng)力”

基于古土壤鈣質(zhì)結(jié)核團(tuán)簇同位素?cái)?shù)據(jù)確定的地表古溫度，研究團(tuán)隊(duì)還創(chuàng)造性地使用地表空氣濕球溫度和濕球氣溫直減率定量恢復(fù)了倫坡拉盆地地表高度變化歷史。

研究結(jié)果表明，約5000萬~3800萬年前，青藏高原呈現(xiàn)“兩山夾一盆”的地貌特征，岡底斯山脈海拔約4500米、中央分水嶺山脈海拔約4000米，它們之間夾著海拔約1700米的中央谷地。中央谷地氣候溫暖濕潤(rùn)，降水由西風(fēng)和季風(fēng)共同主導(dǎo)，亞熱帶動(dòng)植物繁盛，是高原內(nèi)部的“香格里拉”。

約3800萬~2900萬年前，以倫坡拉盆地為代表的中央谷地快速隆升為海拔超過4000米的高原，這也標(biāo)志著青藏高原主體部分形成。

伴隨中央谷地隆升和全球氣候變冷，高原中部溫度顯著下降，降水減少，并且南部季風(fēng)作用相對(duì)增強(qiáng)。氣候變化導(dǎo)致高原中部從溫暖濕潤(rùn)的亞熱帶生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楹涓稍锏母吆鷳B(tài)系統(tǒng)，主要地表植被為高山草甸。

結(jié)合前期研究，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步指出，雅魯藏布江縫合線以北，從造山帶發(fā)展為高原主體的時(shí)間為晚始新世—早漸新世(3800萬~2900萬年前)，而雅魯藏布江縫合線以南的喜馬拉雅山脈于中新世早期(2500萬~1500萬年前)才達(dá)到現(xiàn)在高度。

丁林介紹，導(dǎo)致中央谷地隆升的深部地球動(dòng)力學(xué)機(jī)制，是俯沖的拉薩地幔拆沉、軟流圈物質(zhì)上涌及上部地殼縮短。中央谷地的隆升是青藏高原對(duì)地表圈層環(huán)境的巨大影響的開始。該研究在青藏高原各圈層時(shí)空演化研究方面邁出了堅(jiān)實(shí)一步，對(duì)青藏高原地球系統(tǒng)科學(xué)研究具有重要示范作用。(記者 韓揚(yáng)眉)