青藏高原亞洲河流地球化學(xué)研究現(xiàn)狀與展望

青藏高原亞洲河流地球化學(xué)研究現(xiàn)狀與展望

國際陸地環(huán)境研究計劃（ssfmargins游）的“源轉(zhuǎn)移”科學(xué)計劃的中心研究目標是揭示世界陸地環(huán)境中碎屑物質(zhì)的總量，以及大陸架區(qū)域內(nèi)的分布、運輸和擴散模式。河流顯然是世界陸源碎屑物質(zhì)搬運入海的主要方式。最近,新的國際地圈生物圈計劃IGBP-II下的海岸帶陸海相互作用計劃LOICZ-II提出“流域盆地—海岸帶相互作用研究”,也強調(diào)要從流域到海岸和陸架再到深海來系統(tǒng)研究生物地球化學(xué)循環(huán)過程。發(fā)育于南亞及環(huán)太平洋與印度洋的河流輸沙總量約占世界入海河流泥沙總和的70%以上。新生代青藏高原的隆升形成了亞洲主要水系,這些河流攜帶高原快速隆升而風(fēng)化剝蝕的大量陸源物質(zhì)進入邊緣海,對邊緣海的沉積體系形成、古環(huán)境演化以及全球海洋化學(xué)通量變化等均具有顯著影響[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15]。最近幾年國際全球變化研究的一個熱點就是根據(jù)亞洲,尤其是東南亞和南亞的河流在河口和海區(qū)的沉積地球化學(xué)記錄來研究喜馬拉雅—青藏高原隆升過程以及亞洲季風(fēng)的形成和演化。本文將綜述亞洲主要河流地球化學(xué)的研究進展以及我國長江和黃河沉積地球化學(xué)研究現(xiàn)狀,展望未來可能的主要研究方向和熱點科學(xué)問題。1目前，對東南亞和東南亞河流地球化學(xué)的研究1.1能力障礙:化學(xué)風(fēng)化和氣候變化亞洲不同地區(qū)的河流具有明顯不同的流域化學(xué)風(fēng)化特點,流域構(gòu)造、氣候、植被、土壤及地層巖性等是主要的控制因素。隨流域年均溫度和降雨量增大,亞洲主要河流的離子濃度及離子侵蝕模數(shù)增高,而離子徑流量占入海物質(zhì)總通量的比卻減小,即反映出地帶性的氣候特征對流域化學(xué)風(fēng)化的強烈控制。不同規(guī)模的流域內(nèi)硅酸鹽的化學(xué)風(fēng)化和物理風(fēng)化有非常好的相關(guān)性,即物理剝蝕強的流域化學(xué)風(fēng)化也相應(yīng)地比較強。而長江與黃河的研究則顯示黃河流域物理侵蝕達到世界最高值,而硅酸鹽風(fēng)化卻相當(dāng)弱,明顯弱于長江流域;氣候不同是造成長江與黃河流域硅酸鹽風(fēng)化差異的主要因素,而巖性的控制較弱。流域盆地內(nèi)的風(fēng)化和侵蝕可以通過大氣CO2的消耗和顆粒有機碳在陸架地區(qū)的埋藏來影響海洋和大氣的長期CO2通量變化。自Raymo等在20世紀90年代初期提出新生代青藏高原隆升加強大陸化學(xué)風(fēng)化,消耗大氣CO2而顯著影響全球氣候變化以來,通過亞洲主要河流地球化學(xué)記錄來研究青藏高原隆升過程及其造成的全球環(huán)境變化一直是最近幾年國際全球變化研究的熱點。世界60條主要河流的懸浮物濃度與流域內(nèi)的Ca硅酸酸和Mg硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化引起的大氣CO2消耗之間存在非常好的正相關(guān)性,而且徑流深是控制流域硅酸鹽風(fēng)化以及大氣CO2消耗的主要因素,而溫度對風(fēng)化的影響并不顯著;尤其是大河流域的大玄武巖省包括印度德干(Deccan)、美國科羅拉多(Colorado)以及我國長江流域的峨眉山玄武巖省,它們的化學(xué)風(fēng)化占世界大陸硅酸鹽風(fēng)化消耗CO2總量的30%左右,對全球古氣候變化起重要的控制作用。實際上,這些大巖漿巖省(LIPs:LargeIgneousProvinces)對全球氣候變化具有2個截然相反的影響,即這些火山活動不僅充當(dāng)大氣CO2的源,也是它的匯。一方面這些LIPs形成時噴發(fā)的大量氣體導(dǎo)致全球氣溫升高,另外一方面它們化學(xué)風(fēng)化時消耗大氣CO2而使得全球變冷。然而,高原隆升、化學(xué)風(fēng)化和氣候變化之間的關(guān)系非常復(fù)雜。恒河和布拉馬普特拉河的水化學(xué)研究表明,由于流域內(nèi)Ca硅酸鹽和Mg硅酸鹽的分布面積并不廣,因此硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化對大氣CO2消耗的貢獻也有限。根據(jù)ODP116在孟加拉深海遠端扇的研究結(jié)果,France-Lanord等認為晚第三紀青藏高原隆升和風(fēng)化剝蝕對大氣碳循環(huán)的主要影響是增加沉積地層中有機碳的埋藏,而流域硅酸鹽風(fēng)化消耗大氣CO2量的增加并不顯著。我國的長江和珠江流域,除了玄武巖外,不同時期的花崗巖分布非常廣泛,目前對流域硅酸鹽和鋁硅酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化消耗大氣CO2量的研究非常薄弱。早在1981年Hu等以及隨后的科學(xué)家[24,25,26,27,28,29]都認識到我國河流的水化學(xué)組成主要受流域碳酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖控制,硅酸鹽風(fēng)化的貢獻較弱。雖然全球大氣CO2的消耗從長遠來看主要受硅酸鹽巖風(fēng)化控制,但是在我國大河流域分布非常廣泛的碳酸鹽巖的風(fēng)化也可能是大氣CO2的消耗的主要因素。最近,黃河水化學(xué)的研究揭示黃河流域碳酸鹽巖風(fēng)化消耗的大氣CO2量要明顯超過硅酸鹽風(fēng)化,CO2的消耗率要明顯低于南亞河流以及世界河流平均值。顯然,目前需要開展主要河流流域的系統(tǒng)研究,來深入認識我國主要流域碳酸鹽巖和硅酸鹽巖的化學(xué)風(fēng)化及其對與全球大氣CO2消耗的貢獻。1.2從古環(huán)境控制到古氣候控制的流域水環(huán)境古地理控制亞洲邊緣海盆地的沉積地層研究發(fā)現(xiàn)在大約2~4Ma陸源碎屑沉積速率突然顯著增加,在第四紀很多地區(qū)沉積速率達到最大,最主要的影響因素可能是晚第三紀以來的季風(fēng)氣候不穩(wěn)定性,而僅在局部地區(qū)沉積速率在15Ma左右呈現(xiàn)增加趨勢。根據(jù)東亞邊緣海的地震地層剖面研究,Clift等推測自~45Ma印度—亞洲板塊碰撞后這些邊緣海的沉積速率明顯增加,尤其在~33Ma和18Ma呈現(xiàn)2個明顯的峰值,同季風(fēng)強盛導(dǎo)致大陸風(fēng)化加強有關(guān);而在晚中新世(5~11Ma)除了湄公河河口外幾乎所有盆地的沉積速率都下降,到了晚上新世(<5Ma)由于全球氣候急劇變化沉積速率又迅速增加。恒河和印度河流域的晚第三紀形成的碎屑沉積物中淡水雙殼類化石的穩(wěn)定氧同位素研究表明,在10.7Ma前就存在強烈的亞洲季風(fēng),而大約7.5Ma亞洲大陸逐漸變干,C4草類植物分布面積顯著增大,相應(yīng)地孟加拉扇沉積速率在8Ma左右也明顯下降。最近根據(jù)喜馬拉雅地區(qū)河流流域古土壤層的穩(wěn)定碳同位素研究,Ghosh等認為8~4Ma期間亞洲大陸為C4植物為主的格局在晚上新世大約4Ma由于亞洲季風(fēng)加強,降雨增多,C3植物普遍發(fā)育,強烈的化學(xué)風(fēng)化增加了邊緣海的沉積速率。根據(jù)我國東部地區(qū)華北平原、黃河和長江三角洲地區(qū)3個深鉆孔的沉積地球化學(xué)、孢粉以及微體古生物學(xué)研究,Yang等也發(fā)現(xiàn)晚上新世長江與黃河流域化學(xué)風(fēng)化較強,而到了第四紀流域氣候逐漸變冷干,化學(xué)風(fēng)化減弱;晚新生代長江流域古氣候總體上比北方地區(qū)溫濕,反映出東亞季風(fēng)強度的區(qū)域性差異。恒河和布拉馬普特拉河的地球化學(xué)研究發(fā)現(xiàn)單一地運用河流溶解態(tài)和懸浮物的通量來估算喜馬拉雅—青藏高原地區(qū)的風(fēng)化速率并不可靠,而依據(jù)地球化學(xué)方法計算的整個喜馬拉雅地區(qū)的侵蝕量是河流實測懸浮物通量的2倍,而且喜馬拉雅東部地區(qū)的剝蝕速率(2.9mm/a)要高于西部(2.1mm/a);季風(fēng)強度是控制流域風(fēng)化剝蝕的最主要因素。恒河上游的10Be和26Al同位素組成揭示高喜馬拉雅地區(qū)的剝蝕速率最大,達到2.7±0.3mm/a,在青藏高原南側(cè)剝蝕速率下降到1.2±0.1mm/a,而到山體南邊坡腳處侵蝕速率只有0.8±0.3~<0.6mm/a,流域侵蝕速率的變化主要受不同的氣候和構(gòu)造背景控制。顯然,構(gòu)造—氣候—巖性對亞洲主要流域風(fēng)化作用的控制相當(dāng)復(fù)雜,在不同地質(zhì)、地理和氣候背景下的流域內(nèi)物理和化學(xué)風(fēng)化特點也不一樣。通過新生代形成的河流沉積物記錄來釋讀喜馬拉雅—青藏高原隆升過程、流域剝蝕速率及相應(yīng)的亞洲季風(fēng)氣候演化需要慎重,尋求合適而穩(wěn)定的古氣候和環(huán)境變化的替代指標顯得尤為迫切和重要。1.3海洋os同位素組成演化的控制因素不少研究認為晚新生代全球海洋的Sr同位素演化主要受喜馬拉雅—青藏高原的隆升和化學(xué)風(fēng)化控制,尤其是發(fā)源于青藏高原地區(qū)的幾條南亞和東南亞大河將流域具有不同Sr同位素組成的大量風(fēng)化產(chǎn)物搬運至大洋,導(dǎo)致了全球海洋的Sr同位素組成變化。同87Sr/86Sr同位素組成變化趨勢一樣,過去40Ma來全球海水的187Os/186Os同位素比值逐漸增高。然而,喜馬拉雅—青藏高原的隆升對全球海洋Os同位素組成演化的控制作用則比較復(fù)雜,不同的學(xué)者認識并不一致。一種觀點認為喜馬拉雅地區(qū)的強烈化學(xué)風(fēng)化將大量放射性成因的Os同位素搬運至海洋而導(dǎo)致過去16Ma來全球海洋187Os/186Os組成的顯著升高;而另外一些學(xué)者認為喜馬拉雅地區(qū)雖然具有大量放射性成因的Os同位素組成的基巖,但其化學(xué)風(fēng)化不足以導(dǎo)致晚新生代全球海洋Os同位素的顯著變化,而新生代全球大陸持續(xù)增強的化學(xué)風(fēng)化是主要原因。最近Singh等對恒河和布拉馬普特拉河河流沉積物的Re-Os同位素組成系統(tǒng)研究后認為,60%~90%的布拉馬普特拉河沉積物來自于喜馬拉雅組,其低的187Os/186Os比值對今天海洋的Os同位素組成影響甚小,而恒河因為其高放射性的Os同位素組成而對全球海水的Os同位素演化具有重要的控制作用。1.4巖石學(xué)和年代學(xué)根據(jù)世界25條主要河流河口地區(qū)的鋯石U-Pb和Lu-Hf同位素年齡譜系研究,Maruyama等推測大陸殼生長模式并不連續(xù),呈現(xiàn)2.7Ga、2.1Ga、1.8~1.1Ga和0.7Ga幾個幕式生長階段,以2.1Ga為主;元古代的生長大約占75%,太古代不到20%,而顯生宙僅占5%左右。印度河口三角洲地區(qū)的鋯石U-Pb同位素年齡譜系研究揭示HigherHimalaya是鋯石的主要物源區(qū),而Karakoram和LesserHimalaya的物源貢獻較弱;白云母、黑云母的Ar-Ar年齡以及磷灰石的裂變徑跡研究證實高原的快速隆升導(dǎo)致河源區(qū)的地形升高是控制大量陸源碎屑物侵蝕并搬運入海的主要因素。南亞若干條河流沉積物的碎屑鋯石和斜鋯石U-Pb和Lu-Hf年代學(xué)研究很好地約束了東南亞大陸的陸殼生長和循環(huán)模式,揭示出元古代5個主要的陸殼生長事件包括2.5Ga、2.3Ga、1.9Ga、1.1Ga和0.8Ga,以及加里東期、印支期和喜馬拉雅期巖漿事件,以印支期(250~200Ma)的巖漿活動最為顯著。這些河流沉積物中碎屑鉀長石顆粒的U-Th-Pb年代學(xué)研究發(fā)現(xiàn)在這些鉀長石顆粒中沒有保存前寒武紀的Pb同位素信息,東南亞大陸的碎屑沉積物主要來自顯生宙的造山帶。越南紅河流域正片麻巖中鋯石的SHRIMPU-Th-Pb的年代學(xué)研究揭示出2.84~2.91、2.36和1.96Ga3個年齡峰,對應(yīng)于鋯石的三期主要生長事件,其中~2.9Ga最老的鋯石核部年代可能是東南亞最古老的基底巖石年齡,而后兩個年輕的年齡組則可能代表了后期的高級構(gòu)造—變質(zhì)事件。最近,Clark等在長江上游的金沙江及其支流大渡河、安寧河和雅礱江的峽谷上開展了基巖樣品的磷灰石裂變徑跡和U-Th-He低溫年代學(xué)工作,認為青藏高原東南側(cè)這些深切的峽谷初始形成時間大約在9~13Ma,下切速率約為0.25~0.5mm/a;晚中新世青藏高原東側(cè)的強烈隆升及其帶來的豐富降雨導(dǎo)致了河流的迅速下切。然而,流域盆地內(nèi)鋯石的物源可能相當(dāng)復(fù)雜,尤其是在流域源巖類型多變、構(gòu)造—造山運動復(fù)雜的大河流域,運用鋯石的年齡譜系進行物源區(qū)識別、構(gòu)造演化研究和古地理重建工作必須謹慎。Cawood等對澳大利亞弗蘭克蘭(Frankland)河流沉積物中碎屑鋯石的U-Pb同位素年齡研究證實在古老的造山帶,很難將河流沉積物中的鋯石年齡與沉積物源區(qū)簡單對應(yīng),上游的一些源巖信息很可能被掩蓋。2我國河流地球化學(xué)示蹤研究現(xiàn)狀和展望過去10多年來國內(nèi)外學(xué)者對我國的幾條主要河流包括長江、黃河和珠江的沉積物地球化學(xué)組成開展了大量的基礎(chǔ)研究工作。研究主要集中在元素地球化學(xué)方面,即根據(jù)河流沉積物的元素組成特征研究流域的源巖組成、化學(xué)風(fēng)化和人類活動對元素組成的控制作用以及河口地區(qū)元素的地球化學(xué)行為等,進而揭示這些河流沉積物元素組成的獨特性,并確立流域的水體環(huán)境背景值和入海沉積物的地球化學(xué)示蹤標準等[47,48,49,50,51,52,53,54]。在我國的這幾條主要河流中,長江的沉積地球化學(xué)示蹤研究最深入,開展的工作也最多。最近幾年的若干研究均圍繞河流地球化學(xué)的示蹤運用和長江沉積物的從源到匯過程進行?，F(xiàn)代長江表層沉積物的元素地球化學(xué)組成可以示蹤長江流域風(fēng)化上陸殼的化學(xué)組成特征以及反映流域的化學(xué)風(fēng)化程度,尤其是稀土元素地球化學(xué)的研究揭示長江和黃河具有不同于南亞河流的稀土組成特點,更接近于世界平均上陸殼(UCC)和世界入海沉積物的平均組成。長江河流沉積物總體上經(jīng)歷了中等程度的化學(xué)風(fēng)化,Na、Ca硅酸鹽風(fēng)化程度明顯高于黃河流域,而弱于南亞河流;不同的地帶性氣候特點可能是控制這些流域硅酸鹽化學(xué)風(fēng)化程度的主要因素。相比南亞和東南亞的主要河流,我國河流沉積物的放射性同位素地球化學(xué)示蹤研究非常薄弱。Goldstein等報道了一個長江口表層沉積物的Nd同位素組成,認為它與長江流域一個寒武紀/前寒武紀界線處的沉積巖樣品具有相同的Nd同位素組成;孟憲偉等則較系統(tǒng)地采集了長江流域泛濫平原的細粒沉積物樣品,報道了Sr同位素組成,探討了流域地質(zhì)背景和化學(xué)風(fēng)化的制約作用,從而確立了示蹤長江入海端員物質(zhì)的Sr同位素標準。Clift等分析了金沙江上4個河流沉積物的Pb同位素組成,并和紅河以及南海沉積物的同位素組成進行了比較,研究了它們之間的物源關(guān)系。最近幾年,一些學(xué)者嘗試了我國河流沉積物的成因礦物學(xué)示蹤研究。根據(jù)長江與黃河沉積物中的磁鐵礦的元素組成特點,楊守業(yè)等研究了流域主要源巖類型對磁鐵礦元素組成的控制,指出了河流沉積物中Ti-Fe氧化物化學(xué)組成的對流域不同物源區(qū)的示蹤意義。長江三角洲地區(qū)PD-99鉆孔沉積物中碎屑獨居石的U-Th-Pb年代學(xué)研究發(fā)現(xiàn)晚上新世沉積物中未見<25Ma的年輕獨居石顆粒,而在其上部的第四紀沉積物中這些年輕獨居石顆粒廣泛分布,推測早更新世隨青藏高原強烈隆升,長江發(fā)育而貫通入海?？傮w而言,我國河流地球化學(xué)的示蹤研究雖然在元素地球化學(xué)方面取得了較好的工作基礎(chǔ),但是在研究思路和關(guān)鍵方法上還有待突破和深入。同位素地球化學(xué)和成因礦物學(xué)的示蹤研究迄今還沒有深入開展,研究程度要比南亞河流明顯薄弱;我國幾條主要河流各具不同的地質(zhì)、地理、水文和氣候背景,河流沉積物的從源到匯過程也不一樣,將來的河流地球化學(xué)示蹤研究需要從整個流域角度來考慮,而不能偏重在河口地區(qū),同時要注重比較不同流域的源匯過程差異,揭示出這些河流地球化學(xué)的示蹤特點以及在世界主要河流中的獨特性;另外,圍繞全球變化的熱點科學(xué)問題,我國的河流地球化學(xué)示蹤研究需要進一步凝練科學(xué)目標,充分利用大量的流域基礎(chǔ)研究資料,綜合不同學(xué)科的研究方法,來深入研究一些關(guān)鍵問題。3長江源到匯過程研究的關(guān)鍵問題我國的長江發(fā)源于青藏高原東北側(cè),流域主要位于揚子地塊上,跨越了不同的地貌和大地構(gòu)造單元,流域地質(zhì)構(gòu)造和源巖類型明顯比東南亞河流復(fù)雜。可以說,長江流域的水文地貌特征在世界主要河流中最為復(fù)雜。另外,長江流域的水系非常發(fā)育,流域盆地和湖泊也多于南亞流域,沉積物的從源到匯過程相當(dāng)復(fù)雜。長江流域受東亞季風(fēng)氣候影響顯著,表現(xiàn)在不同地區(qū)具有不同的氣候特征,因此流域風(fēng)化剝蝕具有明顯的區(qū)域性變化特點。雖然長江沉積物的從源到匯過程研究歷史比南亞河流都要久遠,早在上世紀初期便開展了大量工作。然而目前的研究進展卻明顯落后于南亞河流。從一定意義上講,我們應(yīng)該考慮將長江作為世界河流的一個典型,加強其流域沉積物從源到匯過程的系統(tǒng)研究,這對系統(tǒng)認識青藏高原隆升與東亞季風(fēng)演化、我國新生代地形的宏觀格局演化等均具有重要意義。長江作為一條完整的河流何時形成是理解長江沉積物從源到匯過程的關(guān)鍵問題,也是長江研究中爭論最多的熱點問題。長江的形成歷史研究可以追溯到上世紀初,國內(nèi)外著名學(xué)者Willis、Barbour、李四光、李春昱等便開始了探索;20世紀中后期以任美鍔、沈玉昌、李吉均和楊達源等為代表的眾多學(xué)者都相繼做過研究。長江形成時間的認識從老到白堊紀—第三紀[59,60,61,62,63,45],到年輕至晚第四紀(0.15~0.2Ma),更多的觀點則認為在早更新世中—晚期長江才真正東西貫通。國內(nèi)外不少研究認為長江三峽以上河段作為先成河,曾經(jīng)借助今天禮社江—元江(紅河)等水道而南流甚至入南海。Clark等根據(jù)長江上游地區(qū)的河流地形地貌研究推測在中新世隨著青藏高原東側(cè)地表抬升約2000m,導(dǎo)致向南流的古長江水系發(fā)生河流襲奪事件而轉(zhuǎn)向東流,形成今天的長江。Clift等根據(jù)鶯歌海盆(GulfofTonkin)的新生