打通圈層隔離和科學界線 重建由造山帶到高原形成的歷史
印度板塊與歐亞板塊碰撞后，在早期形成的高大的岡底斯山造山帶和中央分水嶺造山帶之間發育了一個廣闊的中央谷地，該谷地隆起消失即標志統一高原（Tibet）的形成。2月10日，中國科學院青藏高原研究所丁林院士領銜的碰撞隆升及影響團隊以“青藏高原中央谷地古近紀隆升和消亡過程”（The rise and demise of the Paleogene Central Tibetan Valley）為題，在國際頂級學術期刊Science Advances上發表相關研究成果。
由青藏高原深部圈層作用驅動的高原生長過程，是高原地表圈層（大氣圈、冰凍圈/水圈、生物圈和人類圈）演化和鏈式響應的內源驅動力。該團隊通過開展構造地質演化、巖石圈深部動力學過程、古溫度、古植被分析和古氣候模擬等多領域、多手段的綜合研究，打通圈層隔離和科學界線，定量恢復了青藏高原中央谷地3800-2900萬年前的隆升和消亡過程，揭示了中央谷地的隆升和統一高原的形成歷史是青藏高原對地表圈層環境巨大影響的肇始（圖1）。結合團隊前期研究，該成果進一步表明，雅魯藏布江縫合線以北從造山帶到統一高原的誕生主要發生在晚始新世-早漸新世（3800-2900萬年），早于喜馬拉雅山（Himalaya）的形成時間，雅魯藏布江縫合線以南喜馬拉雅山脈于中新世早期（2500-1500萬年）才達到現在高度。該成果在打通高原各圈層演化的時空隧道方面邁出了堅實一步，對青藏高原地球系統科學研究將具有重要的引領示范作用。
圖1. 青藏高原中央谷地3800-2900萬年前隆升和消亡過程。A. 5000-3800萬年前：青藏高原呈現為“兩山夾一盆”的地貌特征，即高海拔的岡底斯山脈和中央分水嶺山脈之間夾著低海拔的中央谷地。中央谷地氣候溫暖濕潤，降水由西風和季風共同主導，亞熱帶動植物繁盛，是高原內部的“香格里拉”。B. 3800-2900萬年前：中央谷地快速隆升為大于4000 m的高原，地表溫度下降，降水減少，且降水主要受季風控制，高山草甸為主要地表植被。
青藏高原中央谷地（圖2）位于高原核心腹地，夾持于南部岡底斯山脈和北部中央分水嶺山脈之間，西起班公湖，東至丁青縣，東西長1500公里，南北寬20-100公里，平均海拔約4600米，是考證統一高原形成的關鍵靶區。該成果研究地點位于中央谷地中部的倫坡拉盆地，隸屬班戈縣，面積約3600平方千米，現今海拔約4700米，年均溫約0℃，年降水量400-500毫米，屬典型的高寒氣候。盆地內沉積有牛堡組和丁青組兩套新生界地層，牛堡組由一套河流相的紫紅色古土壤、砂礫巖、以及湖相灰色泥頁巖和灰巖組成，丁青組為一套灰色系泥巖、頁巖、油頁巖以及粉細砂巖組成。牛堡組和丁青組出露豐富的動植物化石，自本世紀以來一直是研究青藏高原隆升歷史、機制及環境-生物效應的熱點地區。
圖2. 青藏高原中央谷地范圍（白色陰影區）及地表高度變化剖面，五角星代表研究地點倫坡拉盆地位置
自1997年，丁林院士帶領團隊持續在倫坡拉盆地進行野外考察，采集了大量年代學和團簇同位素樣品（圖3）。科研人員在牛堡組和丁青組地層中發現了9套火山灰，利用鋯石U-Pb年代學方法確定了這些火山灰的絕對年齡，建立了倫坡拉盆地5000-2000萬年前沉積地層絕對年代框架。其中，牛堡組沉積時代在5000-2900萬年前，丁青組沉積時代在2900-2000萬年前。在此年代框架的基礎上，研究團隊與英國布里斯托大學古氣候模擬團隊合作，在青藏高原首次利用古氣候模擬確定了青藏高原中央谷地的降雨模式為冬、夏兩個季節的雙峰式，結合降雨量、地表蒸散和土壤水分含量等，揭示了古土壤鈣質結核的形成季節。模擬結果顯示牛堡組下部古土壤鈣質結核的形成時間為3～6月，而牛堡組上部古土壤鈣質結核的形成時間則限定在5～6月和9月兩個階段。結合古土壤鈣質結核團簇同位素重建的地表溫度、模擬得到的海平面濕球溫度以及地表氣溫直減率，定量恢復了倫坡拉盆地地表高度變化歷史（圖4）。結果表明，青藏高原中央谷地在5000-3800萬年前處于1700米的相對低海拔位置，處于亞熱帶森林環境，是青藏高原內部的“香格里拉”（Su et al., 2021）；在3800-2900萬年前，以倫坡拉盆地為代表的中央谷地快速隆升到海拔超過4000米的高原（圖4）。此外，降水氧同位素模擬得到的上述兩階段古降水同位素的差值與使用耦合同位素恢復的牛堡組下部和上部古地表土壤水的差值一致，進一步驗證了古高度結果的可靠性。伴隨中央谷地的隆升和全球氣候變冷，高原中部地區溫度顯著下降，降水減少，并且季風作用增強。氣候變化進一步導致高原中部地區從溫暖濕潤的亞熱帶生態系統轉變為寒冷干燥的高寒生態系統（圖1）。綜合區域內古高度、構造活動、巖漿作用（Ding et al., 2007）等證據，研究認為，中央谷地地表隆升的深部地球動力學機制為俯沖的拉薩地幔拆沉、軟流圈物質上涌及上部地殼縮短（圖1）。
圖3. 丁林院士帶領團隊在倫坡拉盆地進行野外考察
圖4. 青藏高原中央谷地、岡底斯山脈、中央分水嶺山脈和喜馬拉雅山脈古高度歷史重建圖
作為此項研究的核心數據，古土壤鈣質結核團簇同位素在青藏高原地球系統與資源環境國家重點實驗室分析獲取。古高度重建過程中，限定古土壤鈣質結核形成的溫度非常關鍵，團隊實驗技術人員經過四年技術攻關，自主研發碳酸鹽團簇同位素測量方法，搭建碳酸鹽團簇同位素前處理實驗裝置（圖5），順利解決了上述難題。實驗技術人員高效純化從古土壤鈣質結核中提取的二氧化碳，通過設置不同低溫-條件下的恒溫色譜柱和冷阱，去除二氧化碳中可能含有的雜質氣體，再在高精度穩定同位素質譜儀253Plus上對經過前處理裝置提取和純化的二氧化碳進行團簇同位素的測量。該質譜儀專門配備了質量數為47.5的法拉第杯，用于監測二氧化碳團簇同位素測量的背景干擾。
圖5. 碳酸鹽團簇同位素分析系統
該研究成果獲得第二次青藏高原綜合科學考察研究（2019QZKK0708）等項目資助。中科院青藏高原研究所丁林院士為該文章的通訊作者，熊中玉博士和劉曉惠博士為共同第一作者，共同作者還包括英國開放大學Robert Spicer教授、布里斯托大學Alex Farnsworth博士和Paul Valdes教授、中科院西雙版納熱帶植物園蘇濤研究員等。
論文信息：Xiong, Z.Y, Liu, X.H, Ding, L.*, Farnsworth A., Spicer, A., Xu, Q., Valdes P., He, S., Zeng, D., Wang, C., Li, Z., Guo, X., Su T., Zhao, C., Wang H., Yue Y. The rise and demise of the Paleogene Central Tibetan Valley. Science Advances, 8, eabj0944 (2022).
原文鏈接：https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0944