柴达木盆地新生代地层记录的亚洲内陆干旱气候演化

【摘要】：新生代以来地球上发生了一系列的重大地质事件,导致全球气候和环境相应发生了一系列巨大改变:全球变冷,亚洲内陆干旱化,青藏高原隆升、亚洲季风形成演化等。其中,全球干旱化是对人类生存环境影响最为深刻和最为广泛的一个重大科学问题,其发生和发展过程倍受国际社会的关注。揭示亚洲内陆干旱化的起始时间、演化过程和发展规律,并探讨其原因和预测其发展趋势,是目前急需解决的问题。目前解决这个问题的关键在于获取目前严重缺乏的亚洲内陆长序列气候变化记录。柴达木盆地作为高原北部的一个巨型山间盆地,发育了连续、完整的巨厚新生代沉积。本文主要基于在柴达木盆地中央北部马海一带发现的一个约5000米的连续地层剖面和靠盆地中央的一个约700米的鸭湖辅助剖面,展开对上述问题的初步探讨。通过这些剖面的系统采样和色度、氯离子含量、碳酸钙含量、元素分析和总有机碳以及有机生物标志化合物分析,率先获取了亚洲内陆约54Ma以来的几乎完整的新生代气候变化的多指标连续记录,结合谱分析技术和沉积相演化,初步探讨了新生代柴达木盆地的气候演化特征及其与亚洲内陆干旱化、青藏高原隆升、特提斯海退却和全球变冷的可能联系,得出了以下几点初步结论: 1)柴达木新生代颜色红度记录与全球温度记录有很好的可比性,是灵敏的温度代用指标。 2)柴达木气候代用指标的变化,大致可以44.6Ma和9.7Ma为界分成三大阶段: 53.4～44.6Ma期间,剖面的碳酸钙、红度值和氯离子的含量都很高,红度还达到全剖面最大,且各个指标的波动都非常大,有机质含量相对较低。 44.6～9.7Ma期间研究剖面中的气候变化指标发生了较始新世早期很大的变化:氯离子含量、碳酸钙含量以及红度值都较之前明显降低,而有机质含量比第一段明显增加。同时指标变化存在以33.5Ma、26Ma和14—15Ma为界的几个次级阶段的变化。 9.7～1.83Ma,剖面的碳酸钙、氯离子含量和Sr/Ba比值总体比第二阶段急剧增加且一直呈增长趋势。红度的值也急剧减小,且一直呈减少趋势。有机质含量达到全剖面最低,且一直很稳定。而且从8Ma开始碳酸钙和氯离子含量增长趋势更加明显,相对应色度值也急剧降低。 本文将上述指标的变化特征解释为约54～44.6Ma盆地气候特征以干热为主,长期趋势和次级波动均表现为相对暖湿和冷干的水热同向搭配变化:44.6～9.7Ma盆地整体相对湿润并且有显著的长期干湿波动,长期变化和次级波动均表现为相对暖干和冷湿的水热反向搭配变化。其中大致又可以33.5Ma、26Ma和14～15Ma为界分成几个次级阶段,反映出相对长期的干湿波动变化;9.7Ma以来,整体呈现显著的持续、阶段性变干趋势,长期变化和次级波动均表现为相对暖湿和冷干的水热同向搭配变化,显著的次级阶段性干旱事件分别发生在约8Ma、3.6Ma和2.6Ma以来。 3)频谱分析揭示出柴达木盆地新生代气候变化受天文轨道变化的显著驱动,表现为受到2300kyr,1200kyr,400kyr等轨道偏心率和斜率长周期分量的控制,并且发现这些周期同时在在气候炎热干旱的新生代早期(53.4～44.6Ma)和中新世暖湿期(26～14Ma)分别达到最大化和次最大化,而在相对冷的时段(35～26Ma)渐新世南极大冰盖形成时期和15～14Ma中中新世大降温以来它们共同减小,而且从大约33.5Ma开始,几乎每次变冷事件都与1.2Ma周期的低幅段相对应。 4)通过对青藏高原隆起过程、特提斯海退却过程的讨论及与全球和周边气候变化记录的对比,探讨了柴达木新生代气候形成的原因,提出了一个概念模型,认为约54～44Ma时,柴达木比现在靠南,可能完全处于当时宽广的亚热带副高的控制之下,盆地中气候非常炎热,其降雨可能主要通过副高北侧的西风从大西洋和北特提斯海带来的少量水汽造成。因而相对高温对应海洋上的相对高蒸发和空气中的高水汽,最后是柴达木盆地的相对湿润,反之,则少。 从约44Ma开始,柴达木盆地可能在印度板块主碰撞期中开始向北明显移动。与此同时,全球温度从约50Ma开始一直下降,降温将导致赤—极温差变大,西风带将南移。两者可能共同导致柴达木盆地进入西风和亚热带副高的交汇地区及北特提斯海的东部方向。因而西风可将更多特提斯海水汽带到柴达木,且降温将使相对湿度增大,可能导致了此时柴达木盆地的明显湿润化,形成大湖。而天体轨道的周期性变化,则使西风和副高相应呈现周期性的南北移动,导致降温时西风南压,柴达木盆地变湿,升温则相反,副高北移,柴达木变干。 从约9.7Ma开始,青藏高原开始的大规模隆起和特提斯海的快速消亡,不仅导致了西风地带水汽显著减少,而且西风被迫绕流波动和分叉,形成高原北侧反气旋性质的高压脊和低空西伯利亚高压,向我国境内倾泻西北干冷气流,西北地区急剧干旱化。并且越冷,高压越强,西北越干旱。与此相伴,青藏高原的强烈隆起激发或强化的亚洲季风,其前锋可能到达柴达木,形成温度越高,夏季风越强,带到柴达木的雨水也越多,可能形成了9.7Ma后的冷干和暖湿的季风型水热搭配格局和长期变化趋势。 记录和模型表明,青藏高原的隆起、特提斯海的退却和全球气候变化均对柴达木盆地新生代气候变化产生了重要影响,但它们在各个时期的重要性不同。