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一江春水向西流-华夏山水跷跷板 精选

已有 3697 次阅读 2019-5-24 11:46 |个人分类:全球山脉|系统分类:论文交流| 青藏高原, 长江成因, 古气候, 中国地形

一江春水向西流-华夏山水跷跷板

梁光河

中国科学院

lgh@mail.iggcas.ac.cn

一、问题的提出

“大河向东流啊,天上的星星参北斗啊”一曲唱响大江南北,全国人民都知道。自有人类记录以来,我国境内的三大河流,无论长江、黄河还是珠江都是自西向东流,这和当前的地形地势密切相关。从西向东,喜马拉雅山高耸超过8000米,通过三个阶梯逐步降低,到达东海海拔接近0米(图1)。由此造就了所有主要河流的流向只能是向东流。

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1 中国地形地势图

古生物学家和古气候学家通过研究发现,古华夏大地却是“一江春水向西流” (汪品先, 2005),这是真的吗?

二、大陆漂移造喜马拉雅山

“水往低处流”是最基本的物理原理,大河往哪个方向流动,主要取决于地势的高低。我们的古华夏大地历史上曾经发生翻天覆地的变化,像一个跷跷板一样,东部曾经是高耸的大山,西部是低缓的盆地甚至直通大海。为什么会这样,这和大西洋的裂解造成的欧亚大陆向东漂移以及新生代印度板块的向北漂移密切相关。也就是说大陆漂移和由其产生的造山运动是决定大河流向的主控因素。图2是印度板块北漂并与欧亚板块碰撞动画示意图,该图虽然在东亚和东南亚细节上有问题,但宏观上对青藏高原的隆升过程与欧亚东缘的地形地势变迁描述是正确的,能够得到多个方面地质证据的支持。

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2 印度北漂与欧亚碰撞动画示意图(据Christopher Scotese

如果上面这个动画太快了,看不清楚,那么我们取出4500万年的状态(图3),这个时期印度板块与欧亚板块刚刚发生硬碰撞,陆地开始接触,印度板块前缘局部区域开始隆升。而华南和华北板块总体仍然是东高西低,因此这个时候的华夏大地主要河流一定是一江春水向西流。

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3印度与欧亚45Ma碰撞状态图(据Christopher Scotese

那么什么时候华夏大地开始东高西低呢?这在华夏大地持续了多长时间?

三、一亿年前开始一江春水向西流

从全球古板块和古沉积相恢复图(图4)可以看出,随着早白垩纪大西洋北部的裂解,北美洲与格陵兰岛分离,格陵兰岛和欧亚大陆一起向东漂移,在欧亚大陆东缘形成一条巨型的山脉,这条山脉北起西伯利亚东北部,南至东南亚东南部,长度超过15000公里,这条山脉类似今天贯穿北美的落基山脉和南美的安第斯山脉。

事实上,我国著名大地构造专家很早就有研究结论,任纪舜(1999)的研究说明,在晚白垩晚期和白垩纪初期,在亚洲大陆东部存在一个“宏伟的中生代高原山脉系统”,其范围位于贝加尔湖-鄂尔多斯盆地-四川盆地以东的亚洲东部。王清晨(2009)的研究说明,中亚地区在中生代到新近纪存在一个准平原,而中国东部则存在一个高原。这些都说明,中国东部高于西部持续的时间超过1亿年,也就是说古华夏大地“一江春水向西流”这个现象持续时间超过1亿年。

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4 白垩纪(145-120Ma)欧亚沉积相图 (据李江海等,2013

为什么欧亚大陆板块向东漂移就会在其东缘形成山脉?这可以通过大陆漂移模型得到解释。大陆漂移说认为,大陆板块在漂移过程中,前部受到大洋板块的阻力,产生挤压力,从而引起前缘褶皱隆升形成造山带,也就是山脉。但大陆板块为什么会漂移呢?这个在新生代初期还存在的长达15000公里的高原山脉为什么现在看不到了?它是怎么消失的呢?

四、大陆为什么会漂移?

大陆会漂移听起来有点奇怪?动力机制是什么?传统上认为是地幔对流造成的海底扩张形成的,地幔对流好像永动机,但一直没有找到确凿证据证明地幔在对流,而且大洋中和洋中脊发现不少古大陆残片是传统海底扩张模式难以解释的(任纪舜等,2015)。

其实还有一个模式产生的推力可以使大陆板块产生滑移。这个过程可以用伸展构造的形成机制和过程来解释。其推动力来自一个个连续自发的伸展构造形成过程。一个伸展构造系统主要包括下面热上涌形成的变质核杂岩和两侧地块滑移产生的盆地,以及低角度拆离断层带和其上的糜棱岩带。当地幔上涌推动两侧地块向两边移动,处于中心的地幔上涌区域因上升最高首先冷却凝固,因为重力势能加上拆离断层面上的流体(热液或岩浆)润滑,使得隆升两侧地块向下滑动,虽然这个拆离断层倾角很小甚至近水平,但在流体的润滑作用下地块一样可以滑动(5a)。形象比喻,人走在洒水的地板上,倾滑摔倒而向前滑移,流体最重要。之后,已经移动的地块必然会在后面腾出空间(图5b),产生低压诱发下面地幔进一步上涌,上涌的地幔再进一步推动地块移动,这是一个连锁反应过程(图5c)。也就是说滑移后面不断热隆升,使得地块产生连续滑移漂移。为了说明成因机制,该图夸大了图中的虚脱空间,实际上只要出现一点点虚脱空间就会引起下面热隆升,这相当于一个连续微积分过程。最后造成的结果就相当于大陆板块在大洋板块上面连续漂移(图6),这个成因机制也得到了实测证据的支持,在全球无论大洋中脊还是大洋中间都发现了大量大洋核杂岩和相关的拆离断层(余星等,2013)。

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5 大陆板块滑脱漂移过程示意图


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6 新大陆漂移模式图(梁光河,2018

这个大陆漂移模式合理地解释了从早白垩纪开始欧亚板块的向东漂移,在其东缘产生了南北长达15000公里的造山带和高原山脉。中国在这个时期总体地形地貌是东高西低,一江春水向西流。

但大河什么时间又开始向东流了呢?准确的时间能否厘定?这就牵扯到长江的形成问题。

五、长江是什么时间形成的?

关于长江的形成和演化,已经有大量科学家进行过研究(郑洪波等,2017),现在已经基本上弄清了其形成和演化过程。汪品先( 2005)的研究表明, 在青藏高原隆起以前的古近纪, 中国的地势总体上东高西低, 加之当时南方干旱的环境, 造就了“江南却是黄沙起, 大江涛涛向西流”的景观。正是青藏高原的隆升不仅导致现代季风和内陆荒漠的形成, 而且使我国地形倒转, 造就了总体西高东低的地势, 使长江、黄河等涛涛东流(郭正堂,2017)。

通过青藏高原的隆升过程中的一个时间片段(图7),我们也可以大致看出,在2500万年时候,华南和华北东西两侧高度已经大致一致,到2000万年时候,华南和华北总体上东部已经明显变低了,这个时期长江应该已经开始向东流了。

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7 青藏高原隆升的两个时间点

但是否能够确定长江的形成就发生在古近纪和新近纪之交的2400万年前?需要更准确的标志点证据。这里分别从三个方面论证,(1)古青藏高原的高度变化。(2)古华东高度的变化。(3)长江中游江汉盆地的约束。

1)在青藏高原隆升高度上,传统上主要采用古动植物化石与稳定同位素来重建古高度,但它们往往产生巨大差异,由此也加剧了青藏高原古高度的纷争。Svetlana Botsyu等(2019)结合前人研究成果,在不同海拔的记录的交叉检验和地质约束下,得出的结论是:青藏高原在始新世(34Ma)的海拔高度不超过3000米。

Meng J等(2017)通过古地磁和古沉积及古生物的研究表明:发生在26Ma的青藏高原挤压-伸展构造属性的转变标志着青藏高原变形的动力学机制发生了根本转变。在26Ma青藏高原中部平均海拔达到4000米以上。

2)在古华东高度的估计上,陈丕基(19791997)分别从古生物、古地理以及古沉积相估算出,中国东部中生代中晚期曾存在一个高原,这个高原在海平面之上4000米。杨健等(2002)对山东临朐县山旺地区的古植物群分析表明,中新世(15.5-17Ma)山旺地区为亚热带山地气候,山旺古湖的海拔为 800-1500米,而当前该地区海拔高度为250米。说明新生代晚期中国东部在持续下降中,这个下降既有大地构造运动的因素,也有剥蚀风化的因素。大地构造运动主要指新生代以来欧亚东缘发生了大规模裂解以及微陆块漂移,包括日本和朝鲜在新生代初期还位于中国东部,后期发生裂解漂移到达当前位置。它们的裂解漂移使中国东部地区产生了南北方向和东西方向的拉伸力,造成地幔上涌和陆壳沉降以及新生代拉分裂谷盆地的形成,当然这个过程中也不断存在古高原山脉的剥蚀,充填中国东部和近海的新生代盆地。

古地形的改变也使古气候发生了重大转折。孙湘君和汪品先(2005)汇总了中国大陆125个地点所获得的古植物和岩性资料,发现新生代中国大陆经历了两种完全不同的气候分带模式:早第三纪宽阔的干旱带由西向东横跨中国大陆,而晚第三纪至今的干旱带仅局限在中国西北部(图8)。中国东部裂谷盆地早第三纪发育大量含蒸发岩盆地,如在江西地区古近纪石膏岩盐层里发现了旱地才有的植物麻黄的花粉,充分说明现在降雨充沛的江西地区曾经一度非常干旱。这说明和当时的古季风以及古地势有关。事实上也是古地形地势决定了古气候如果没有古近纪中国东部沿海的高山峻岭阻挡太平洋上形成的湿空气入侵内陆,当时的中国东部应该不会出现干旱的环境。推测当时中国东部沿海地区的南北向高山海拔高度在2000-4000米。

从盐类矿产资源的形成和分布也能证明,在白垩纪到古近纪,中国华南中东部属于干旱炎热气候。例如从湖北省到湖南,再到江西省,分布有一系列的中生代新生代盆地,如江汉盆地、洞庭盆地、清江与吉泰盆地等,可以称之为裂谷盆地群。这些湖盆在白垩纪-古近纪时期,大多已演化为盐湖,并沉积了巨量石盐等盐类矿产(刘成林等,2016)。

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8古近纪及新近纪中国干旱带的分布(郭正堂,2017改绘自Wang1990

3)长江中游江汉盆地的约束

郑洪波等(2017)的研究说明:江汉盆地自晚白垩纪开始发育断陷型盆地,在古近纪时期沉积了数千米的蒸发岩,这些蒸发岩与玄武岩互层,因此提供了可靠的年龄约束。大规模蒸发岩的沉积表明当时江汉盆地属于内陆咸化盆地,不可能存在大型的贯穿型河流。古近纪末期,江汉盆地的构造类型发生了根本性转换,从原来的断陷型转变为凹陷型。 在盆地凹陷阶段,也就是新近纪时期,沉积相以大型河流砂砾为主并呈盖层状分布,覆盖整个江汉-苏北盆地,这进一步表明长江中下游盆地在新近纪被大河流系联通,这便是贯通东流的现代长江水系。对南京地区的“长江砾石层”开展的年代学与细颗粒沉积物物源分析也进一步说明上述的推论。由于“雨花台组”砾石层常常被玄武岩覆盖,或者含有玄武岩夹层,为约束砾石层的沉积时代提供了重要的机遇。对玄武岩开展40Ar/39Ar测年,确定其沉积时代为早中新世甚至更老。 对其中的碎屑锆石开展基于U-Pb年龄谱的物源分析, 并与现代长江沉积尤其是上游特征锆石年龄谱进行对比,发现在渐新世或者最晚在渐新世/中新世之交,长江上游的沉积物就已经到达南京地区。 换句话说,贯通东流的长江水系在这个时期已经建立,这与上游金沙江改道东流的时间相吻合,也与江汉盆地的沉积记录一致。这些证据都支持,长江诞生于2400万年前后,并开始大河向东流。

由此我们梳理出来一个中国东西部地形变化-跷跷板式运动的动态变化过程图(图9),在新生代初期65Ma,中国东部海拔接近4000米,日本和朝鲜还拼贴在中国东部,属于中国东部高原的一部分,中国西部还是低平原,大河向西流,汇入古特提斯洋。45Ma左右随着印度欧亚碰撞,青藏高原急剧隆升,在24Ma左右,中国西部青藏高原隆升到大约4000米,而此时中国东部已经发生了大规模微陆块裂解和漂移,产生的构造拉伸和地幔上涌,伴随着风化剥蚀,使得中国东部高原整体下降,此时的中国东部海拔高度不高于2000米,由此产生了长江并向东流入东海。随着新近纪后期青藏高原的进一步隆升到现在,中国东部进一步沉降,产生了中国地形地貌的三个明显阶梯,造就了长江,也形成了人们心目中的“大河向东流”。

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9 中国新生代东西方向跷跷板式运动变化过程图

六、结论

1)     由于大西洋的裂解,使得欧亚大陆板块向东漂移,其结果是,从1.45-1.2亿年开始在亚洲大陆东缘形成高原山脉,中国东部相对西部在长达1亿年时间里东高西低,一直是一江春水向西流”。

2)     直到印度板块与欧亚板块碰撞后,青藏高原在2400万年隆升到4000米左右,中国地形产生了大反转。西高东低的地形地貌形成,大河开始向东流,长江诞生。这个过程中,中国东部发生了惊天动地的微陆块裂解漂移,使得原来位于中国东部的日本朝鲜等高原山脉裂离搬家了。因为裂离后的日本和朝鲜半岛属于海洋环境,降雨量显著高于中国东部一倍以上,因此剥蚀速率相对更高。

3)     在青藏高原隆升带动整个中国西部整体隆升的同时,中国东部发生了伸展构造运动,地壳整体下降,外加风化剥蚀,使得中国东西地形地势产生了跷跷板式的运动模式。

参考文献:

1)   Botsyun S, Sepulchre P, Donnadieu Y, et al. Revised paleoaltimetry data show low Tibetan Plateau elevation during the Eocene[J]. Science, 2019, 363(6430): eaaq1436.

2)   Meng, J., Coe, R., Wang C., Gilder S., Zhao X., Liu H., Li Y., Ma P., Shi K., Li S. 2017, Reduced convergence within the Tibetan Plateau by 26 Ma?, Geophys. Res. Lett., 44, doi:10.1002/2017GL074219

3)   陈丕基.1979.中国侏罗、白垩纪古地理轮廓-兼论长江起源.北京大学学报(自然科学版)[J],3:90-109.

4)   陈丕基.1997.晚白垩世中国东南沿岸山系与中南地区的沙漠和盐湖化.地层学杂志[J],21(3):203-213.

5)   郭正堂.2017.黄土高原见证季风和荒漠的由来.中国科学: 地球科学[J], 47(4): 421–437.

6)   李江海,杨静懿,马丽亚,王洪浩.2013,显生宙烃源岩分布的古板块再造研究.中国地质[J], 40(6):1684-1698.

7)   梁光河. 2018. 新大陆漂移模型与地震成因关系研究[J]. 科学技术与工程, 18(28):47-57.

8)   刘成林,余小灿,赵艳军,王九一,王立成,徐海明,李坚,王春连.2016.华南陆块液体钾、锂资源的区域成矿背景与成矿作用初探.矿床地质[J],35(6):1119-1143.

9)   任纪舜,王作勋,陈炳蔚.1999.从全球看大地构造-中国及邻区大地构造图简要说明.北京:地质出版社.1-50.

10)  任纪舜,徐芹芹,赵磊等.2015.寻找消失的大陆[J].地质论评, 61(5):969-989.

11)  孙湘君,汪品先.2005.从中国古植被记录看东亚季风的年龄.同济大学学报(自然科学版)[J],33(9):1137-1143.

12)  王清晨.2009.中亚地区中生代以来的地貌巨变与岩石圈动力学.地质科学[J],44(3):791-810.

13)  余星,初凤友,董彦辉,李小虎,唐立梅.2013.拆离断层与大洋核杂岩:一种新的海底扩张模式[J],地球科学-中国地质大学学报[J],38(5):995-1004.

14)  郑洪波, 魏晓椿,王平,何梦颖,罗超,杨青.2017.长江的前世今生.中国科学: 地球科学[J],47(4):385-393. 

15)  汪品先.2005.新生代亚洲形变与海陆相互作用.地球科学[J],30:1-18.




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