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故事从临夏盆地开讲

2019-10-25 马丽华 《青藏光芒》

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  当年被视为“最漂亮的陆地磁性剖面”,20年后,稳居精彩之最,且越发精准精致;当年“来自青藏北部的第一个声音”,如今可说是多声部、是交响乐了——2004年,临夏盆地记录的高原隆升和气候变化被GeoTime杂志点评为当年“全球盆地研究亮点”;2011年,“晚中新世以来青藏高原东北部隆升与环境变化”荣膺国家自然科学二等奖,青藏高原东北部大大小小一众盆地从寂寂无名到蜚声海内外,一举而为当下国际研究热点地区,也将主持研究者推向国际舞台,成为构造—气候关系研究方面的知名学者。

  1963年出生的方小敏可谓生逢其时:16岁考入兰州大学地质地理系,地质专业学士,留校任教,在职读研再读博,正赶上兰州大学与英国莱斯特大学地理系合作联培,所学专业正是“环境演变”。1992年结束学业,一步迈进临夏盆地天然实验场,从构造学到沉积学,正好学以致用,建功立业。1998年秋天我第一次采访他,正值国际第四纪研究联合会古土壤委员会的学术会议在兰州召开后不久,临夏盆地最初绽放,访谈中留下深刻印象的,不全是专业成果,反倒是另外有两点,令我感慨至今:一是作为同窗兼同事的方小敏和潘保田,均在三十四五岁年纪当了博导,那么年轻啊!二是这位小方老师对于人文生态的观察。临夏回族自治州及其周邻,多民族聚居,他注意到河谷低地有汉族农民耕作,山坡高地是藏族的牧场,之间回民则以商贸流通为主业……已属人类学范畴了。

  那时他还是李吉均院士的主要助手,之后做了历次国家大项的盆地研究首席。单单一个临夏盆地,一做就是20年,还会持续做下去。研究者和研究对象之间的关系微妙,看似主动与被动,实则平等:投入心力的多寡,往往决定着回报的丰歉,成就从来是相互的成就。临夏盆地天然具备了优良的研究条件,不过再漂亮的地层也需要慧眼识珠,并且悉心经营。这个盆地位于青藏高原东北隅,大半为山地环护,紧邻甘南高原、西秦岭,以及祁连山东延余脉的雷积山、马衔山,西北方有黄河流过,只有东侧,连接陇西盆地。从地貌看,周边山地不算高,3000~4000米;盆地海拔仅在2000~2400米,可是沉积层巨厚,最厚的地方1600米!可以在长达数千万年的时间里,承接四面八方物质沉降,集合了高原构造隆升的信息、气候及生态环境变化的信息,未曾间断过,皆因位置优越,面积够大。若是小型盆地,恐怕早已超载,沉积中断,转而为剥蚀之地了。

  还有一点也很不错,是起初没想到,当它被国际公认为经典案例后追加的,那就是距离兰州市区不过百公里,相当于家门口,方便研究,尤其方便外来专家观摩:露天可见地层剖面,室内可见几千万年以来的动物化石,以及古环境的情景再现——21世纪初,由国家投以巨资,在临夏的和政县兴建起两座大型古动物化石博物馆,复原了的古环境直观呈现,形形色色的古生物也让古地层生动起来。

  所以临夏盆地值得投入,反复去做。做什么?主要有三个方面的内容。

  一是建立高精度地层年代序列。前文已说到,“八五”攀登计划课题成果,初步建起临夏盆地3000万年以来的地层年代序列,连续的天然剖面由东乡毛沟剖面(3000万~360万年)、王家山剖面(1500万~180万年),以及相邻的东山顶剖面(360万~170万年),以及黄河、大夏河的7级阶地160万年以来的黄土沉积,叠相续接而成。方小敏团队后续的工作则是精益求精——采样地点增多,剖面在盆地中央且被黄河切穿的,露天采,未被切穿的边缘地带,未被古湖覆盖的地带,动用了钻机;采样密度加大,从先前间隔20~50厘米,加密到10厘米。与土壤剖面研究并驾齐驱的,是这期间古生物化石的巨量发现,从而为精确定年提供了依据。从前临夏盆地的第三纪红层被笼统地称为临夏组,现在呢,细化为12个组,从渐新世到晚更新世的地层年代序列,跨度之长、记录之完整,比之南亚西瓦利克群经典剖面,岂止不逊色。

  又有更老地层重见了天日,临夏盆地形成年代,现在可以上推4000多万年了。

  精准而连续,就为第二项工作——构造隆升研究奠定了基础。

  自从中国科学家原创性提出青藏高原在地质史晚近时期大规模强烈隆升的观点,这一议题纳入国际地学视野,由此开启了一个新方向兼新热点。20世纪90年代中期前后,较早一批成果问世,其中多位研究者注意到800万年前后构造隆升迹象,在高原中部、南部多个地点的体现,包括地层的变化和环境的变化:巴基斯坦北部地区森林植被急剧演变为草本植被、拉萨羊八井地堑盆地边缘出现正断层、东喜马拉雅发生构造热事件……另有学者综合多方证据,以模型推演出此时存在隆升运动——认为800万年前大高原就已达现代高度的观点,即与这批成果有关。

  方小敏同样盯住了这一重要时间节点,借助构造学领域新近发展起来的前陆盆地和生长地层的知识,在精细化描绘了从临夏盆地到高原东北部诸盆地晚新生代构造变形隆升序列之后,确认本次隆升始自800万年前,历经缓慢隆升的超长序幕,方才进入360万年前的“青藏运动”主幕,隆升提速,越来越高。历数其间主要构造变形隆升事件,主要发生在距今约800万年、360万年、260万年、180万~170万年、120万~80万年和15万年前。

  说起如何识别隆升或不隆升,方老师说方法有多种,从地质到地貌都有迹可循。外行人听来有意思的是,隆升的效应不限于向高处生长,还导致了盆地旋转——测得临夏盆地600万年前后的地层,从38°倾角迅速转至18°,影响所及,带动整个盆地沿顺时针方向快速旋转了10°!

  识别强烈隆升和缓慢隆升的方法也多,表现在盆地沉积物颗粒,诸如量的多寡、粒度粗细,皆成依据;观察地层是否错断或错而不断也很重要——隆升速率大小,直接影响到原有沉积层。从术语讲,前者形成的称“角度不整合”,即削掉了先前层面顶部;后者为“生长地层”,只会扰动成波形曲线。方小敏团队绘制了一幅“临夏盆地地貌地层演化揭示的青藏高原东北部变形隆升过程”彩图,有时间,有高度,有地形地貌变化,很能说明问题,而且说明的不仅是临夏一地,亦可视为广及高原东北部几乎所有盆地的缩影。对于高原中部南部盆地是否适用?方教授说,高原隆升由南及北,南部要早一些。

  围绕这幅图示,方老师耐下心来解说原理,外行人依旧似懂非懂,单单一个整合不整合,就足以让我这个采访者“晕菜”,再次体会到专家与大众的区别,倒不如直言结果来得明白:该图所揭示的“变形记”若干阶段,是在约800万年以前的渐新世到中新世的漫长时期里,高原受到长期风化剥蚀和夷平,导致高原和周边盆地形成高差不大的准平原景观;从距今约800万~700万年开始,高原东北部开始明显隆升,临夏盆地作为一个挤压坳陷盆地,断层向盆内扩展,形成生长地层;至约360万年,高原开始大规模强烈隆升,地层由此强烈变形,并迅速被隆起的高原上奔涌而下的厚层巨砾岩所覆盖;至约260万年,该区再经历一次明显隆升,盆地局部断陷成新的湖盆;至约180万~170万年,高原再次强烈隆升,黄河溯源侵入盆地,早期湖泊消失,黄河诞生;随后高原阶段性隆升和气候变化,形成了黄河系列阶地,逐步接近今天的地貌格局。

  临夏盆地所做工作的第三个内容,是紧随变形隆升序列其后,建立起高分辨率环境变化序列。其中基本连续的孢粉记录,提示了3000万年以来的古气候环境变化:整个地区相对暖湿的环境持续到800万年前,那之后,伴随隆升进程,干旱化降临,逐渐加剧,森林缩小,草地扩大,到360万年前,越发寒凉干旱,疏林草原变而为干草原……与此相呼应的是,临夏盆地俨如一个生物演化大舞台,在古动物学家所建新生代哺乳动物地层框架中,3000万年里陆续走过活跃在森林地带的巨犀动物群、铲齿象动物群,到800万年前,已为稀树草原上的三趾马动物群所取代,之后便是干草原上的真马动物群了。

  涉及古气候变化,还有对于“冷黄土”的发现。高原东北部连接黄土高原,中国大地最高一级阶梯在这里向次一级阶梯过渡。举步走向临夏盆地之初,方小敏接触黄土的契机,来自施雅风先生布置的任务。综合多方资料,施先生推断青藏高原进入冰冻圈,似应在80万年前,遂委托方小敏从沉积物中寻找证据。果不其然,年轻人从采自甘孜的黄土中找到了冰川遗迹石英颗粒,证实进入冰冻圈的时间不迟于80万年前。从此这位有心人开始注目于高原边缘黄土层,促成了他个人及其团队较早一批成果问世:发现以昆仑山—布青山—阿尼玛卿山—秦岭为界,以北为来自亚洲内陆干旱地区的热黄土,以南为冷黄土——高原是一个重要的粉尘新源地,物质主要来自高原本身,大致形成于约120万~80万年前,与高原冰冻圈和西风尘暴活动密切相关。举一反三,方小敏提出高原中更新世隆升—冰冻圈—大气环流—全球降温模型,同时发现末次冰期旋回中,东亚夏季风千年尺度不稳定性变化及其与北半球高纬气候的联系。论文发表,世界知道了,中国黄土的构成,有少部分来自青藏高原。

  反演古环境,涉及一个国际社会都在关注、备感困扰的重大科学问题:干旱化何来?何时发生?事关青藏高原,方小敏设定的具体提问还有,高原隆升和全球变冷对干旱化进程的影响,孰轻孰重,孰先孰后,孰因孰果?

  晚新生代数千万年里,我们的地球经历了一系列重大地质事件,导致气候和环境一变再变,计有全球变冷、北美和亚洲内陆干旱化、亚洲季风形成等等,其中干旱化问题深刻影响到人类生存环境,因为干旱化后面紧跟着荒漠化。尤其中国西北部,干旱化还在加剧,而且越来越多的证据将亚洲内陆干旱化成因指向青藏高原的急剧隆起和全球变冷两大因素。以此作为盆地研究的一个重点,是因这项研究具有基础研究和应用研究双重价值和意义——通过对亚洲内陆干旱化过程的科学认识,一方面可以反演高原隆升和全球变冷的演化史,另一方面,有助于为正确决策提供科学依据,确保干旱地区环境资源的合理利用、保护和经济的可持续发展——回望,是为前瞻。

  仅有临夏一地的证据显然不够,沉积年代、构造隆升、环境变化,同一答卷应当在更大范围得到印证。自1999年“973”项目第一期起,方小敏团队就将研究区扩展到兰州盆地,祁连山南北的柴达木盆地和酒泉盆地,拉脊山南北的贵德盆地和西宁盆地,等等。而李吉均院士带领兰州大学一支,则转战于西秦岭和天水盆地。这样一来,研究范围涵括了南起东昆仑、阿尼玛卿山,东接西秦岭、六盘山,西迄阿尔金,中经祁连山的整个青藏高原东北部。由于现成地套用临夏经验和范式,动作够快,仅仅10多年工夫,就在群山环抱、多条支脉余脉分隔的各盆地中,相继完成了高精度磁性地层序列,获取了与变形隆升和环境变化相关的信息——果然一个临夏故事的放大版,比预期效果还要棒!

  首先是沉积年代更早。兰州盆地、西宁和贵德盆地,直到柴达木盆地,诸盆地的生成年代均突破了5000万年。那是在印度板块和欧亚板块碰撞之初,青藏大地形成不久,当持续的碰撞变形自南方传递而来,遥远的北方响应,山地隆起了,盆地陷落了,开始接纳沉积物。盆地中要数柴达木面积最大,以至于沉积层厚度可观,最厚的地方足有上万米。

  沉积层越厚,记录的信息越翔实。方小敏团队为柴达木盆地建档,一部新生代地层的精细年代学和变形缩短史,伴随着三次隆升两次夷平的轮回,见证了高原之所以成为高原的沧桑演化。从量化得出的各种数据,判读出每一轮造山运动的大致时间和幅度,就隆升问题提出一个新模式:碰撞—挤出—碰撞框架下的同步异幅变形隆升过程。

  至于干旱化证据,尤其典型。西宁盆地膏盐沉积200多米厚度,有芒硝有石膏有盐,显见曾为盐湖中心,显见经历了漫长的干旱时期,显见盆地面积曾经广大。的确如此。同一时段形成的膏盐层,西宁以南渐薄,100多米;隔了一座拉脊山,到贵德盆地,膏盐层只余几米厚了。原来,拉脊山是历次构造活动的产物,早在几千万年前,贵德和西宁同属一古湖盆地,周边古河向心流淌,汇聚于今天的西宁。当拉脊山最初轻微隆起时,河流一度改向;剥蚀夷平了,盆地重新连接。然而800万年前开始的本次隆升,拉脊山又做了分水岭,从此南北分流,盆地隔断,地貌改观——黄河及其支流湟水分别从贵德和西宁盆地流过,切穿整个新生代地层,袒露出绝佳天然剖面。

  大同小异,甚至一模一样,高原东北部诸盆地经历了共同命运。此前不仅贵德和西宁的盆地一体相连,它们其实是偌大陇中盆地的一个组成部分。地跨甘、青,天水—临夏—兰州,化隆—循化—共和,概莫能外地归属于这个盆地大一统。共同的命运有共同的指向,同临夏一起复述着同一个地质演化史壮丽篇章,从起初的“一个声音”,变而为多声部合唱。

  盆地研究成长起一代又一代人。十几年前在兰大初见,还是风华正茂的年纪,现在正当盛年,依然激情满满;当年跟从导师做骨干,现在带团队,骨干30多人,来自青藏所、兰州大学和南京师范大学。方小敏教授现任中科院青藏所副所长兼环境变化与地表过程重点实验室主任,最近这次采访,就是在青藏所北京部他的办公室里进行的。方教授站在三维立体的青藏高原挂图前讲解,语速很快,山脉盆地,抬升剥蚀,多少万年,多少个百万年,皆在倏忽之间。采访者也在恍惚中,感觉那人那图远在现实世界之外,融入浩瀚时空。