中国科学家揭示青藏高原中央谷地隆升历史

3800万年前，青藏高原的中央谷地海拔不足2000米，这里气候温暖湿润，亚热带动植物繁盛，是高原内部的“香格里拉”。它是何时隆升到如今4000多米的高度？中央谷地隆升的深部地球动力学机制又是什么？

中科院青藏高原所丁林院士领衔的碰撞隆升及影响团队及合作者通过构造地质演化、岩石圈深部结构、古高度、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3800万年前至2900万年前的隆升过程，揭示了中央谷地的隆升是青藏高原对地表圈层环境产生巨大影响的开始（图1）。相关研究成果2月10日在线发表于《科学进展》（Science Advances）。

“这项研究打通了圈层隔离和学科界线，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。”论文通讯作者丁林院士介绍。

图1. 青藏高原中央谷地3800-2900万年前隆升和消亡过程

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（图2）完全不同的低海拔中央谷地，从西向东，沿现在的日土-改则-尼玛-班戈-那曲-丁青一线展布。

图2. 青藏高原中央谷地范围（白色阴影区）及地表高度变化剖面，五角星代表研究地点伦坡拉盆地位置

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地开展野外考察（图3），试图解开青藏高原中央谷地隆升的谜团。

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。

图3.丁林院士带领团队在伦坡拉盆地进行野外考察

研究团队在盆地内发现了9套火山灰，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（图1、图4）。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（图1、图4）。

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（图1），主要地表植被转变为高山草甸。

图4. 青藏高原中央谷地、冈底斯山脉和中央分水岭山脉古高度历史重建图

该论文通讯作者丁林院士介绍，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（图1）。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）才达到现今高度。

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，分析获取于建设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。四年技术攻关，团队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（图5），顺利解决了上述难题。

图5. 碳酸盐团簇同位素分析系统

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。

原文链接：https://science.org/doi/10.1126/sciadv.abj0944 转自：中科院青藏高原研究所