青藏高原東北部地貌演化與隆升*

鹿化煜 王先彥 VANDENBERGHE Jef

①教授，②副教授，南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023；③教授，荷蘭自由大學(xué)地球科學(xué)系，阿姆斯特丹1081 HV

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271001，41321062)，荷蘭皇家科學(xué)院-中國科學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生項(xiàng)目(05-PhD-10)資助

青藏高原東北部地貌演化與隆升*

鹿化煜①王先彥②VANDENBERGHE Jef③

①教授，②副教授，南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院，南京 210023；③教授，荷蘭自由大學(xué)地球科學(xué)系，阿姆斯特丹1081 HV

*國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271001，41321062)，荷蘭皇家科學(xué)院-中國科學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)博士生項(xiàng)目(05-PhD-10)資助

青藏高原東北部；山盆體系；河流地貌；高原隆升；湟水流域

揭示青藏高原生長過程和重建不同時(shí)期的古高度，是備受關(guān)注的科學(xué)問題。在青藏高原東北部，廣泛分布的高大山系和盆地，是高原地貌演化的結(jié)果，也成為認(rèn)識高原隆升過程的重要地質(zhì)記錄。對西寧盆地的沉積分析表明，這里的山盆體系在距今～50 Ma就開始發(fā)育，并相對穩(wěn)定地持續(xù)到了16～10 Ma，表明這段時(shí)間高原東北部已經(jīng)基本形成。在16～10 Ma，盆地河湖相沉積停止，遭受侵蝕、河流開始下切，指示這時(shí)有一次重要的構(gòu)造活動(dòng)和地面抬升。在～2.0 Ma以來，廣泛發(fā)育的河流階地序列(高度差達(dá)400 m以上)，指示了氣候變化和構(gòu)造活動(dòng)對地貌的影響；存在的數(shù)百米的河流階地高差、河流侵蝕速率近10倍的增加是地面構(gòu)造抬升控制河流下切的證據(jù)，指示青藏高原東北部在～2.0 Ma以來的抬升。西寧盆地及其周邊山系地貌發(fā)育過程，可能是高原東北部隆升對歐亞和印度板塊碰撞和擠壓響應(yīng)的體現(xiàn)。

從距今～50 Ma歐亞板塊和印度洋板塊碰撞和擠壓以來，形成了世界上海拔最高、面積最大和最年輕的青藏高原，其平均海拔4 000～5 000 m，現(xiàn)今還在活動(dòng)。由于這些特點(diǎn)，青藏高原地貌演化和隆升成為公眾和科學(xué)界關(guān)心的問題，吸引著地貌學(xué)家和地球構(gòu)造動(dòng)力學(xué)家努力探求其奧秘。由阿爾金山、祁連山、東昆侖山和柴達(dá)木盆地、西寧盆地等構(gòu)成的青藏高原東北部地區(qū)(圖1)，具有山體-盆地耦合分布的特點(diǎn)，是地表物質(zhì)快速侵蝕和堆積的地區(qū)。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，由于歐亞板塊與印度板塊的碰撞擠壓，物質(zhì)向東北方向逃逸，青藏高原南部的喜馬拉雅地區(qū)隆升較早，高原逐步向東北方向遷移生長，在阿爾金山和祁連山地區(qū)，只是到了距今5～2 Ma才達(dá)到現(xiàn)在的高度，而且直到現(xiàn)在高原還在發(fā)展[1-2]。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為，青藏高原東北部的山系在距今～50 Ma歐亞板塊和印度板塊開始碰撞的時(shí)候就已經(jīng)有響應(yīng)，這個(gè)地區(qū)的構(gòu)造地貌格局至少在～20 Ma以前就已經(jīng)形成[3-6]。另外，地貌證據(jù)和沉積記錄顯示，青藏高原東北部在16～10 Ma發(fā)生過重要的隆升事件，并且在近期還在隆升中[7-10]。顯而易見，關(guān)于青藏高原東北部地貌演化和地面抬升過程的認(rèn)識還不一致，這些不確定性也阻礙了我們對高原隆升過程動(dòng)力機(jī)制的理解。

1 沉積記錄與定年技術(shù)

自從中國科學(xué)家在希夏邦馬峰北坡海拔5 700～5 900 m的地層中發(fā)現(xiàn)高山櫟化石，并推測5～2 Ma以來該地區(qū)上升了～3 000 m[11-12]之后，關(guān)于高原隆升的研究工作在國內(nèi)外就廣泛開展[1,13-17]。研究人員可以從沉積物中的植物(化石)群落類比、穩(wěn)定同位素分餾、構(gòu)造活動(dòng)和斷層、沉積相變化和河流地貌演化等多個(gè)角度重建高原的抬升過程，因此，青藏高原的沉積物(圖2)就成為認(rèn)識高原隆升和生長的重要記錄。

圖2 青藏高原東北部的沉積和地層。(a)西寧盆地沉積與河流階地，(b)臨夏盆地沉積序列，(c)祁連山基巖山體，(d)民和盆地沉積與河流階地，(e)柴達(dá)木盆地沉積和雅丹地貌，(f)阿爾金山北麓的戈壁

一個(gè)容易理解的技術(shù)是，通過分析青藏高原沉積物中的植物化石(包括花粉)，重建過去的植被類型和氣候，進(jìn)而與現(xiàn)代的同類型的植被和氣候?qū)Ρ?，獲得沉積物堆積時(shí)的高度，再與現(xiàn)代在沉積物的高度相減計(jì)算地面的抬升量。近年來，穩(wěn)定同位素分餾技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到山體古高度估計(jì)之中。從海洋傳輸而來的水汽，隨著山體升高，較重的18O在降水過程中析出。山體越高，其水汽中的18O含量越低，這樣就可根據(jù)18O變化估計(jì)山體的古高度。另外，宇宙射線轟擊地表或接近地表巖石礦物中的原子核產(chǎn)生的一系列核素，可用來研究地表暴露時(shí)間和剝蝕速率；同時(shí)，宇宙射線穿過地表進(jìn)入巖石內(nèi)部發(fā)生核反應(yīng)和電離損耗，導(dǎo)致不同核素產(chǎn)生率隨深度呈指數(shù)減少，地表下礦物顆粒中所聚集的宇宙核素量就記錄了地表剝露的速率，進(jìn)而估算山體的抬升速率。同樣，建立礦物的冷卻歷史也可獲得巖石剝蝕速率(或山體抬升速率)的估計(jì)。通過對斷層年代的測定和其反應(yīng)的構(gòu)造活動(dòng)信息，可推測山體的抬升和構(gòu)造活動(dòng)時(shí)間。通過對山盆耦合體系中沉積物相變的年代和沉積動(dòng)力分析，也可獲得山體抬升的信息。但是，這些重建過去高度或者揭示過去地面抬升事件的方法，常常受到多種條件的限制，在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)帶來不確定性。

新生代青藏高原地面抬升是百萬年時(shí)間尺度的問題，對其定年的技術(shù)主要有哺乳動(dòng)物化石組合演化分析、磁性地層分析和Ar/Ar測年等。有些哺乳動(dòng)物比如嚙齒類演化/進(jìn)化速度較快，科學(xué)家已經(jīng)對不同時(shí)期的嚙齒類化石進(jìn)行了分類和年代確定，這樣，通過在地層中找到的嚙齒類化石分析，就可判斷沉積物形成的時(shí)代。磁性地層定年與此類似，在歐亞板塊和印度板塊碰撞以來的～50 Ma時(shí)間里，地球磁場發(fā)生過多次倒轉(zhuǎn)和強(qiáng)度變化，這些倒轉(zhuǎn)事件和磁場強(qiáng)度變化的時(shí)間已確定。野外采集帶有方向的沉積物樣品，在實(shí)驗(yàn)室測試過去磁場的方向和強(qiáng)度，通過對比標(biāo)準(zhǔn)磁性地層柱(地球磁場倒轉(zhuǎn)時(shí)間序列)，即可獲得沉積地層的年代控制。Ar/Ar測年技術(shù)應(yīng)用放射性元素衰變半衰期原理，比如每經(jīng)過12.48億年40K就衰變一半，生成40Ar，從而改變了當(dāng)時(shí)40Ar/39Ar的含量，通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算，可以獲得巖石形成時(shí)期的年齡。這些方法對于地質(zhì)樣品有不同的要求，自然界復(fù)雜多樣，很多時(shí)候難以找到適合測年的樣品，從而給測年帶來困難。

2 湟水流域的地貌演化與地面抬升

湟水位于青藏高原東北部(圖1)，是黃河上游重要支流，發(fā)源于青海省海晏縣，流經(jīng)青海省大通—達(dá)坂山與拉脊山之間。全長374 km，流域面積32 863 km2。湟水流域眾多的山盆耦合體、巨厚的松散沉積以及河流階地系列，為認(rèn)識青藏高原東北部隆升提供了得天獨(dú)厚的地質(zhì)記錄。我們對湟水流域的地貌和沉積進(jìn)行了調(diào)查，在湟水流域分布著多巴、西寧、樂都、平安和民和等多個(gè)中小型沉積盆地(圖1)，盆地的沉積至少從～50 Ma就開始，隨之周邊山體的剝蝕作用及沉積物堆積過程開始[4-5,13,18]。

較為典型的西寧盆地，為東西向的菱形，長60～70 km，寬10～20 km。～50 Ma以來的沉積物厚度近2 000 m，多為偏紅色的河湖相沉積，主要是粉砂質(zhì)，還有白色的厚層鹽類沉積。在這些河湖相地層之上，不整合地堆積著～11 Ma以來的風(fēng)成紅土堆積和～2 Ma以來的厚層黃土堆積，指示著沉積環(huán)境的變化。生物地層和磁性地層研究[7,9-10,13,16,18]表明，西寧盆地從～50 Ma開始一直處于一個(gè)相對穩(wěn)定的充填過程，從祁連山、拉脊上等剝蝕的物質(zhì)在盆地堆積，以粉砂、砂質(zhì)為主，含有少量的礫石。較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境，指示了山盆體系的穩(wěn)定性，同時(shí)，沉積相的一些次一級時(shí)間尺度的變化，可能揭示了局部的地貌抬升或者氣候變化，但未改變這種山盆耦合的格局。在16～10 Ma期間，這種穩(wěn)定的沉積格局被打破[7-10]，盆地由充填開始轉(zhuǎn)變?yōu)榍治g，河湖相堆積停止，河谷地貌發(fā)育。在距今50～16 Ma的這套紅色的河湖相沉積被風(fēng)成粉塵沉積所取代，兩者之間有明顯的不整合面，后期的風(fēng)成沉積堆積在剝蝕面(或稱為夷平面、準(zhǔn)平原型古地面)和河流階地面之上，表明這個(gè)時(shí)間點(diǎn)的一次明顯的地面構(gòu)造抬升或者環(huán)境轉(zhuǎn)型(圖3和圖4)。這些風(fēng)成粉塵堆積過程是階段性的，在12～7 Ma堆積，而在7～2 Ma 之間缺失；～2 Ma以來，又堆積了厚層的黃土堆積，其顆粒相對粗、堆積速率快，是在構(gòu)造活動(dòng)和氣候急劇變化的背景下形成的，表明了～2 Ma之后地面抬升速率不大而粉塵沉降通量大的特點(diǎn)。

圖3 西寧盆地地貌演化和沉積過程。(a) ～50 Ma構(gòu)造盆地形成；(b, i) ～16 Ma山脈遭受侵蝕，盆地接受充填，隨后(b, ii) 局部地區(qū)盆地充填物發(fā)生較弱侵蝕，最終發(fā)育形成準(zhǔn)平原面；(c) 16～10 Ma構(gòu)造抬升導(dǎo)致湟水河在準(zhǔn)平原型古地面上開始快速下切形成階地序列

圖4 西寧盆地的古地形面

圖5 西寧盆地的河流階地序列

湟水流域發(fā)育著典型的河流階地序列(圖5)，從多巴盆地、西寧盆地到樂都盆地、民和盆地，階地最多之處達(dá)到17級，拔河高度超過600 m(圖5)。通過對階地序列的沉積學(xué)和年代學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)這里的河流階地可分為兩類：一類是～2.0 Ma以來形成的，階地高差大、級數(shù)多、年代較準(zhǔn)確；另一類是第四紀(jì)以前形成的，保留河流階地級數(shù)少，并且年代跨度很大(最老的達(dá)上千萬年)，表明了這個(gè)地區(qū)的地面的階段性抬升過程。河流階地主體是以1.4～1.3 Ma 以來形成的為主，最多可達(dá)11級，表明氣候變化和構(gòu)造活動(dòng)對河流下切的影響。由于～2.0 Ma以來湟水的水準(zhǔn)面變化不大、階地高度的巨大高差、河流侵蝕速率近10倍的增加，難以用氣候旋回變化驅(qū)動(dòng)單一因素解釋，構(gòu)造抬升可能也起到了一定的作用，因而它們是構(gòu)造活動(dòng)的指示[7,10,19]。在2.0～1.4 Ma，河流階地沉積物揭示的河流流向和階地礫石層的巖性、粒度、磨圓度等發(fā)生了很大變化，指示了一次構(gòu)造(抬升)活動(dòng)。在此之前，河流階地是在11～7 Ma形成的，指示那時(shí)西寧盆地已經(jīng)開始了河流下切過程，可能也表明西寧盆地已經(jīng)處在一個(gè)較高的高度。

3 青藏高原東北地貌抬升時(shí)間和高度的不確定性

雖然在重建地質(zhì)時(shí)期地面高度和青藏高原生長過程方面獲得了不少新認(rèn)識，但是，在確定時(shí)間和高度方面，還有很多困難。從前面的論述可以看到，真正能夠指示地面高度的直接證據(jù)很少，因此，我們在討論這個(gè)問題時(shí)帶著很大的不確定性：盆地的形成、沉積環(huán)境的改變以及階地地貌發(fā)育，只能說明地面有抬升，但是，抬升了多少呢？是幾十米、幾百米還是上千米，這是現(xiàn)在不能準(zhǔn)確回答的問題。在青藏高原東北部，迄今沒有指示地面高度的直接證據(jù)，不少結(jié)論是猜測性質(zhì)的：在～50 Ma山-盆耦合系統(tǒng)是存在了，但是山-盆系統(tǒng)在多大的范圍存在？海拔高度是多少呢？西寧盆地在16～10 Ma和～2 Ma以來有抬升過程，但是，抬升了多少？根據(jù)花粉分析，西寧盆地在～38 Ma已經(jīng)達(dá)到了有意義的高度，地表溫度降低，表現(xiàn)為(寒冷環(huán)境下)針葉樹的擴(kuò)張[18]。這個(gè)單一的證據(jù)需要檢驗(yàn)。同樣，依據(jù)幾個(gè)沉積盆地充填停止而得出青藏高原東北部存在泛湖期(比如共和盆地、茶卡盆地和青海湖盆地等連通的推測)并解體的認(rèn)識[17,20]，也很難從沉積和地貌演化方面得到支持。因此，在1.0～0.5 Ma之前青藏高原東北部存在泛湖期及其以后的解體的結(jié)論也是值得商榷的。

另外一個(gè)困擾地貌演化研究的是確定年代的問題。測年技術(shù)對地質(zhì)樣品有很高的要求。在野外的考察中找到適合于測年的材料成為認(rèn)識地貌演化過程的關(guān)鍵。比如河流階地，它是地面抬升和河流下切的指示，但是由于河流的侵蝕作用，在最近～20 Ma的河流階地很少保存；即使發(fā)現(xiàn)了河流階地的沉積，常用的古地磁定年技術(shù)往往無用武之地，這是因?yàn)楹恿鞒练e是不連續(xù)的、片段的，粗顆粒的沉積物樣品也不適合于古地磁測試。這樣河流階地及其所反映的地貌過程的年代很難確定。同樣，在討論青藏高原東北部的地面抬升時(shí)，很多研究者是用估計(jì)的相對的年代或者是推測的年代，這對準(zhǔn)確認(rèn)識地貌演化過程是不夠的。

可喜的是，隨著最近開展的地貌、沉積、年代以及古氣候模擬的綜合研究，將揭示青藏高原東北部隆升和地貌演化過程的可能性大大增強(qiáng)。同時(shí)，中國北方和西北地區(qū)廣為分布的、相對連續(xù)的晚新生代厚層粉塵堆積，不僅為認(rèn)識東亞的氣候演變提供了很好的地質(zhì)記錄，由于其定年準(zhǔn)確、環(huán)境指示意義明確[21-23]，可為認(rèn)識青藏高原的地貌演化提供很好的約束。在今后的研究中，進(jìn)行空間上地貌演化過程的對比、加強(qiáng)沉積物分布特征分析、獲得精確的沉積物定年，以及結(jié)合古氣候數(shù)值模擬等，綜合判斷高原在不同時(shí)間的高度，可望取得有意義的結(jié)果。隨著研究工作的繼續(xù)，我們相信，獲得青藏高原生長過程和古高度的正確認(rèn)識是可期待的。

(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

(編輯：段艷芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.004