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最先瞄准天然剖面

2019-10-25 马丽华 《青藏光芒》

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  “八五”攀登计划青藏项目实施中,地学领域各团队均由青藏队老将挂帅出征。其中天然剖面研究在黄河上游区、喜马拉雅中段和中昆仑北坡开辟战场,分别由兰州大学李吉均、南京大学王富葆、北京大学崔之久三位教授率队进行。

  伴随高原隆起,盆地沉降发育。相较周边高地,实为负地貌类型,皆因总体被抬升,才跟着水涨船高。充填于盆地的,是来自水系范围内造山带岩石经由风化、剥蚀、搬运并沉积的产物。沉积物质不仅能够反映盆地充填过程中的动力学性质,以及周边造山带岩石圈基本特征,更重要的是,能够提取到气候和环境变化信息。当河流锲而不舍地切穿盆地,过往地层显露,即是天然剖面。由于具有观察方便、采样较易,既可进行大范围横向对比,并且上可与地貌、下可与构造相结合进行综合研究——就因这诸多优势,历来被视为研究地质地貌和恢复古环境的重要方法。前提是需要仔细查找未经构造变动和未经风化侵蚀的、时间跨度长且连续性好的出露点,作为采样点。点位之选是否准确到位,是成功与否关键所在,在这方面,经验显得格外重要。恰好在喜马拉雅南缘有一个现成样板——西瓦利克群,可以向之看齐,边学边做。

  世界高极喜马拉雅,并非孤单单一线一脉,实为一大山族,少说也有四条可辨识的山带组合而成,跨了中国和南亚多国疆界,自北往南依次看去,分别称作柴斯克山—拉达克山,大喜马拉雅山,小喜马拉雅山,西瓦利克山。最南缘的西瓦利克并非一般构造运动中崛起的山,巨大体量的山麓相堆积物,是从喜马拉雅剥蚀而来的,再源源不断地随流水输送到孟加拉湾,像极了一个货场转运站。研究和解释西瓦利克成因的西方科学家,每每叹服大自然惊天之力,说恒河与布拉马普特拉河每年从这里输出的物质约有10亿吨之多,数千万年里已足足搬运了三座喜马拉雅山啊!已足足充填了孟加拉湾大洋扇上万米厚度啊!并且居然可以形成小规模“脱海成陆”现象,使得孟加拉国领土无中生有——说印巴次大陆是最后加盟亚洲的成员没错,但两块大陆相会时,现今孟加拉国所在地并不存在,全靠来自喜山的物质一点点充填起来,以至于当今该国科学家不无惊奇地发现,当全球变暖、海平面上升引发众多沿海国家焦虑时,自己的国家却相反:自1973年以来的卫星图像表明,已有上千平方公里的新土地浮出海平面,据称现在该国面积仍以每年20平方公里的速度自然扩张。

  西瓦利克山横亘南亚数千公里,西端起自巴基斯坦白沙瓦,向东延至缅甸掸邦高原,中经印度、尼泊尔,6000米巨厚沉积物质来自喜马拉雅,从中发掘出大量古生物化石,包括古猿化石,百万年前的旧石器遗存之类,在全世界名声响亮,不时被古生物学家和考古学家提及。山名“西瓦利克”也大有来头,源出古老梵语:“湿婆的发辫”——这位尊神的雕塑画像,每见众多小辫儿呈小蛇形状,是说印度教大神湿婆居于北部雪山冈底斯,而发辫披散于此,形象化对应西瓦利克山麓的纵向纹路。被称为“西瓦利克群”的研究也像堆积层,叠摞着西方科学家上百年几代人的成果和经验,起先依靠古生物化石标志物建立地层序列,但就如同经典冰期理论那样,只有先后顺序而无确切年代。后来有了古地磁定年,确认沉积年代始自1830万年前;有了全球变化命题和相应新手段,对于西瓦利克群的研究重整了旗鼓,更新升级,遂成国际经典剖面。

  “八五”攀登计划开局,结合课题需要,李吉均率队走出国门,沿喜马拉雅和喀喇昆仑境外地区考察:1994年与巴基斯坦合作,从伊斯兰堡出发,横穿波特瓦尔高原,一路走过西瓦利克群分布的典型地区,走过与黄河同时发育的杰卢姆河谷,发现印度河流域的古冰川曾延伸到海拔1000米谷地遗迹。次年应国际山地综合发展中心邀请,李先生再度率队考察尼泊尔境内西瓦利克群。青藏队的地理地貌学家老队员,差不多都去过,亲手采了样品带回来分析,学习与借鉴一步到位。

  崔之久教授选定的天然剖面地段,位居青藏腹地向柴达木盆地过渡的中昆仑—昆仑山垭口,青藏公路打从这里南北通过。与昆仑这一带结缘在20世纪70年代中期,为研究解决青藏铁路建设中的冻土问题,崔教授曾在此一住三年。那段时间里,他开创了一门新学问:冰缘地貌研究。所谓冰缘地貌,系冻土在地表呈现的特征。地下有没有冻土,别人或需要打个钻看看,崔先生不用,凭肉眼就见分晓。国外同行对这个新认定的微地貌好奇,先后有加拿大卡尔加里大学、日本北海道大学与北大合作,崔教授就陪同他们,多番来此考察冰缘地貌。总之中昆仑一带被崔之久走成轻车熟路,看得烂熟于心。这一回做天然剖面,硕、博、博士后一众弟子跟从,索性把帐篷扎在了20年前旧址上。惜乎今非昔比,当年登顶西昆仑主峰慕士塔格7600米高度,已成今生绝响,此次重返昆仑,发现自己只在海拔5000米还算可以,再往上,气与力均感难支啦!

  把几处沉积相地层按年代序列衔接起来,中昆仑地区500万年以来的演化层序所指向的,恰是360万年前至今,本次强烈隆升前后的重要时期。天然剖面的连续记录显示了隆升过程的间歇特点,构造事件与气候事件同步,渐变与突变交替,隆升与夷平相间。出露在青藏公路原62道班附近垭口盆地一套厚近700米的完整剖面,由下而上展示了直到70万年前,此地由低而高、环境由暖而凉的渐变过程,其间不时有红色古土壤层和孢粉组合出现。崔先生据此认为,这一现象既可说明此时沉积中断,沉积层由抬升转而为剥蚀层,又说明此时暖湿、海拔不过1500米的“半高原”环境气候特征,同时说明距今110万年到70万年之间,是一个间歇式缓慢抬升渐变过程,而主幕骤现在距今70万年到65万年之间。这在地质史上只是瞬间之事,其高度和环境已然迅速接近现代水平。本次构造事件也使整个青藏高原完成了更新世绝大部分的上升量,大部山地首次进入冰冻圈。鉴于该事件之突然,之重要,崔之久有心将其命名为“昆(仑山)垭(口)运动”,征询意见时,李吉均教授考虑到此次运动与先前命名的描述黄河发育的“黄河运动”基本同步,应为同一运动在不同地区之反映,建议统称为“昆仑—黄河运动”——“昆黄运动”由此得名。

  中昆仑一带荒无人烟,寸草不生,居然发现了几处新旧石器点,崔教授指导地层发掘,3000多年前此地竟为稀树草原,竟有人类用火痕迹,可算是意外收获。另一大收获,是换一个角度,比较系统地开创了青藏高原夷平面研究的先河。

  如果说天然剖面指向垂直观察,带有地域性,那么水平视野应当体现宏观大效果——指示高原地表大面积隆升的,还要看层状地貌,包括夷平面、剥蚀面、河流阶地。夷平与隆升相对,夷平面发育形成在地质相对稳定阶段,于强烈隆升时段大规模解体。相关理论和模拟结果推断,若使高地降低几百米,需费时几百万乃至上千万年,前提是在隆升动力弱化,侵蚀率高于抬升率的时期。对于青藏高原夷平面的研究实践说明,作为地貌长期发育的终极,夷平面形成时海拔低、起伏小、地面物质移动缓慢,形成各种类型的风化壳,为确定隆升时间和幅度提供了相对可靠的根据。正如崔之久教授所言,夷平面是青藏隆升的出发点和起跑线,它们的上升才真正指示了高原地表的大面积抬升。

  夷平面研究引入国内较晚,20世纪五六十年代方才开始,主要限于理论探讨;待到70年代青藏队大规模考察中予以关注,两级夷平面正是在那时发现的。攀登计划中列入议程,一度掀起一个小小热潮。作为高原隆升过程研究子课题中的一个方面,意在利用夷平面来评估高原历次隆升以前的原始高度,因此,对它的识别、原始高度和形成年代是这项研究的核心和重点。

  说到识别,夷平面好“看”又不太好“看”。容易看是指作为巨大存在,实地可察、肉眼可辨,还可借助卫星图像、航测地形地貌图宏观综览。不容易看到的也有,形成于2000万年前的最高一级老夷平面,主要集中在高原北部山群顶端,即平顶山的“山顶面”,其上面积较小,且无不覆盖冰雪,均为现代冰川载体和古冰帽发育中心——后文将要提到的冰芯钻取点,如祁连山敦德冰芯、西昆仑古里雅冰芯,皆是以平顶山为载体的冰帽。最老“山顶面”之下,是大约形成于700万~360万年前的主夷平面,分布比较广泛,通常所说高原面即是。崔之久、潘保田等合作研究发表的论文《夷平面、古岩溶与青藏高原隆升》(载《中国科学》D辑第26卷第4期,1996年8月),首次描述了高原中部纵切南北的夷平面分布格局。

  与中昆仑天然剖面同时进行,王富葆教授在珠峰地区的吉隆、定日连续三年出野外。自打1958年他挑着两箱银圆到定日,找宗本(县长)为登山科考队联系修路开始,30多年间来来往往十几次,珠峰及周边俨然王氏“根据地”。正像崔之久之于昆仑那样,王富葆也把珠峰一带走成轻车熟路,看得烂熟于心,自称“闭着眼睛也能说出身在何处”。年过六旬的人,带着几位博士生,翻山越岭找剖面采样品。年轻人眼见敬爱的老师多么享受野外生活,见他只要遇见野葱野韭菜,总是拔起来就吃;见他上山时走得不算快呀,但晃晃悠悠就超前了,无不钦佩他“持续发展能力强”。某天在吉隆的一条山沟里,见他正弯着腰采样呢,上方忽有巨石滚落,多亏闪避及时,房子大的石块边缘刚刚触及鞋尖,于是又得到“机警灵活”的赞辞。年轻人还恭维他有“特异功能”,摸黑走山路安然无恙:吉普车在加措拉地方陷进河里弄不出来,两位学生步行回县城求援,夜幕降临还不见回来。经过一天的水位观察,王教授认为水势稳定,小车不至于被冲走,心想我也回去吧。荒山野地根本无路,走了差不多一夜,居然摸回来了!这就是学生们恭维他的原因。那晚的夜路上,为提防与狼遭遇,起初口袋里塞满石头。走累了,一块一块丢掉,最后连手握的两块也精简了。及至县城招待所门前,看看天色尚早,不便打搅别人,索性席地而坐,抱了一只大黑狗取暖静待日出。

  这一次在吉隆—沃马盆地,1975年发掘三趾马化石之地,采集到与临夏、与中昆仑有所不同的另一类典型剖面。该盆地湖相沉积始于700多万年前,讫于160万年前。最早的底部段含有腕足类、介形虫等化石,三趾马生活时代为距今700万年前后,孢粉显示其时气候暖而偏干。古地磁显示,四五百万年前为吉尔伯特负极性世;再往前200万年,则为另一正负极性的过渡阶段。沃马盆地沉积基本结束在距今320万年前,喜马拉雅快速强烈隆升的同时,喜山北麓一系列断陷湖盆迅速萎缩。大约170万年前,湖相沉积之上发育了一套河流相沉积——吉隆河6级阶地,说明地势上升,河流切割。

  对于吉隆—沃马盆地的研究,这是个开端。后来又有多个研究团队介入,进行多学科交叉的精细化研究,从而进一步复原了此地环境演化的三个旋回细节,尤其是结合古生物化石证据,说明700万年前三趾马动物群生活年代,此地与华北平原的地理和气候环境相当,两地海拔高差不算太大;之后三趾马在此地消失,说明海拔渐高于华北,西高东低的中国大地貌很可能就此形成,东西部气候环境格局也从此分异。

  该说到兰州大学那一支了。这一次临夏盆地天然剖面的研究,为李吉均教授培养出5名博士生,现在已成各自领域领军人物的方小敏、潘保田就在其中。正因有了这一群,兰州大学地理专业成为当代中国高校最为兴旺的一景。李吉均本是四川人,南京大学地理系本科毕业,来到兰州大学继续学业,之后留校任教于兰大。大西北的风沙早已把他塑造为西北大汉,命运也早已系于再造一个大西北的蓝图之中。作为青藏研究事业的一支劲旅,李吉均及其弟子是性格鲜明的一群。“敲死它!”——每当面对一个研究对象,既心爱它,又需要像面对堡垒那样攻克它,李教授就会斩钉截铁这样说。学生们则立即响应:“敲死它!”形同誓师。一群追求卓越的人集合到一起,创建经典是必然的,临夏盆地即是一例。

  位于青藏高原东北边缘的临夏盆地,由起始于3000万年前、结束于360万年前的东乡毛沟剖面,1500万—180万年前的王家山剖面,以及相邻的东山顶剖面360万—170万年前的早更新世湖相地层,叠相续接,加上160万年以来的黄土沉积记录,由此,中国拥有了青藏高原东北部3000万年来连续而完整的一部演化史记录。

  说起临夏剖面的发现和采样过程,既下了蛮劲儿,也充满戏剧性。先是做了案头工作,多年前甘肃省区域调查大队在那里做过勘探,有地质资料可凭借。1993年初春,李教授带领一个小组:几位学生,还有他的夫人、也是同事的朱俊杰老师,一车人前往王家山踏勘。归途中,李教授说,走老路没意思,改道吧。于是走了东乡。在毛沟的山道上停下车,大家下来“方便”——正像常言所道“踏破铁鞋”后的不期而遇,就在下车这一刻,是什么迎面而来:山塬深谷,悬崖峭壁,层叠纹理毕现,自然天成的剖面,上下足有四五百米!随着老师的指点,大家都看到了——就它了,“敲死它!”老师说;“敲死它!”学生跟着说。

  这一敲真就下了蛮劲儿,从山顶到山底开挖一条1米深的探槽。古地磁采样通常间隔3~4米即可,李教授从严要求:间距缩小到1米以内,化学样品则仅隔10厘米。这一敲就是整整一年。本来用不了那么久,只因采自东山顶的样品,进了实验室才发现磁极全部为正,相当于同一地层像一袭斗篷那样披将下来。冰天雪地的11月份,方小敏带队再上东山顶,挖了两个30米的深井,方才遂愿而归。

  这一年“敲”出的如果不是世界上最棒的,至少为亚洲陆地剖面之最:它比著名的西瓦利克群早出1000多万年;它提供了中国最完整的新生代模式地层序列;提供了陆地环境气候变化最长、最连续、千年至万年尺度高分辨率气候变化曲线;提供了北方植物最连续的长期演化史,获得以绝对年龄控制的3000万年以来的孢粉谱;提供了青藏高原东北部3000万年以来的构造活动信息,360万年以来的“青藏运动”由此命名。

  青藏运动,连同此前的喜马拉雅运动、冈底斯运动,青藏高原三次隆升、两次夷平过程的框架模型,皆在本期项目实施中由一个群体完成,并公之于世。

  “八五”攀登计划中的环境变化课题成果丰硕,天然剖面研究旗开得胜,首席科学家孙鸿烈院士深表满意。不仅国内学术界给予高度评价,在国际学术界也有相当影响。1998年7月间,国际第四纪联合会古土壤委员会学术会议在兰州召开,中国之外有来自18个国家的38位外国专家出席。被誉为“全球变化里程碑人物”的美国科学家奥普达克,特为临夏群而来,被临夏群吸引而来,由衷感叹说,这是他一生中所看到的最漂亮的陆地上的磁性剖面。在他之前,还有一位著名科学家,北太平洋深海钻探负责人大卫·瑞也来过,撰文称赞临夏天然剖面揭示的高原隆升信息为“来自青藏北部的第一个声音”。

  来自青藏北部的第一个声音,不是最后的。临夏盆地的故事,其实刚开头。