青藏高原古高程重建研究現(xiàn)狀

馮偉,楊淑芬，黃若寒，姚麗潔，馮盈

蘭州大學 地質(zhì)科學與礦產(chǎn)資源學院，蘭州 730000

0 引言

新特提斯洋在晚白堊世—古新世向北俯沖、消減和最終的閉合，以及隨后發(fā)生的印度與歐亞板塊的碰撞造就了世界上面積最大、海拔最高的“世界屋脊”—青藏高原[1--2]。青藏高原的研究是地球科學領(lǐng)域的一個重要焦點，而高原的隆升歷史和隆升機制又是其中的關(guān)鍵[3]。古高程研究不僅可以反映地表抬升、反演地球深部動力學，而且對于探討亞洲季風氣候形成乃至全球氣候變化均具有重要意義[4--6]。

青藏高原古高程恢復研究最早由中國植物學家徐仁等在20世紀70年代提出，徐仁等依據(jù)在喜馬拉雅地區(qū)希夏邦馬峰海拔在5 700～5 900 m處上新世地層中發(fā)現(xiàn)的高山櫟化石推測,上新世以來該地區(qū)的海拔上升了3 000 m ±[7]。此后，以李吉均和劉東生等為代表的中國研究者從盆地沉積記錄、黃土、氣候及夷平面等方面對青藏高原，尤其是高原北部地區(qū)的隆升過程進行了詳細的研究，認為高原北部的地貌格局形成于8 Ma以來，特別是自3.6 Ma以來通過“青藏運動”、“昆黃運動”和“共和運動”才使青藏高原北部地區(qū)達到現(xiàn)今海拔高度[8]。而Harrison和Coleman等人將藏南地區(qū)廣泛出露的南北向張性構(gòu)造視為高原達到最大高度的標志，并依據(jù)其年代認為青藏高原在14～8 Ma達到最大高度[9--10]。

自Garzione和Rowley等將氧同位素古高程計應(yīng)用到青藏高原的研究中以來，對青藏高原古海拔的測定逐漸由定性轉(zhuǎn)為定量，通過各種指標獲得了大量高原古高度數(shù)據(jù)(圖1、表1)。其中，穩(wěn)定同位素古高程計是應(yīng)用最為廣泛的方法[5--6,12--20],動植物化石[21--25]、Δ47古溫度--古高程計[18,26]等方法也應(yīng)用到青藏高原的古高程測定上。

古高程數(shù)據(jù)對于理解青藏高原的隆升歷史和隆升機制起著非常重要的作用，Wang et al.依據(jù)古高程數(shù)據(jù)和其他地質(zhì)資料提出“原西藏高原”的概念[27]；Ding Lin et al.依據(jù)古高程數(shù)據(jù)認為青藏高原在始新世存在“兩山夾一盆”的地貌格局[6]；Deng Tao以及劉曉惠等通過古高程數(shù)據(jù)認為青藏高原各地體隆升過程存在差異[3,28]。特別近20年來國內(nèi)外有關(guān)青藏高原定量古高程研究較多、涉及廣泛，但是隨著青藏高原古高程數(shù)據(jù)的積累，發(fā)現(xiàn)其中存在一些問題，最為明顯的是采用不同古高程指標對同一地區(qū)測得的古海拔相差可達1 000 m以上[12,22--23]，采用相同指標對同一地區(qū)測得的古海拔也不同[29--30]。盡管已經(jīng)有文章對各古高程計原理和其在青藏高原的應(yīng)用做過綜述[3,28,31]，但是并未詳細討論各古高程指標的影響因素以及不同指標結(jié)論間的差異。因此，筆者通過總結(jié)國內(nèi)外有關(guān)青藏高原古高程研究(表1)，對其研究方法進行歸納，并結(jié)合其研究中存在的問題進行討論，為今后相關(guān)研究提供參考。

IYSZ：雅魯藏布江縫合帶；BNSZ：班公—怒江縫合帶；JSSZ：金沙江縫合帶。圖1 青藏高原定量古高程研究分布圖(斷層參考文獻[11])Fig.1 Topographic map of Tibetan Plateau showing distribution of quatitative paleoelevation reconstruction data

研究地點方法年代古高程/m資料來源備注喜馬拉雅地區(qū)扎達盆地殼類化石氧同位素～9.2Ma5600±300文獻[32]殼類化石氧同位素～4Ma4000±300文獻[33]三指馬化石4.6Ma～4000文獻[34]動物牙齒化石4.2～3.1Ma>2500文獻[35]孢粉4.8～3.6Ma<3600文獻[36]Δ47古溫度--古高程計9Ma5400±500文獻[26]塔口拉地塹古土壤氧同位素～7Ma4500～6300文獻[12]古土壤氧同位素～7Ma5700(+1410/-730)文獻[5]古土壤氧同位素～11Ma3800～5900文獻[12]古土壤氧同位素～11Ma6240(+1410/-870)文獻[5]吉隆盆地化石氧同位素8～2Ma5850(+1410/-730)文獻[5]動物牙齒化石7Ma<2900～3400文獻[37]動物牙齒化石穩(wěn)定同位素7Ma6700文獻[38]希夏邦馬峰高山櫟植物化石上新世以來隆升2200～3400m文獻[39]珠穆朗瑪峰新生云母氫同位素～17Ma5100～5400文獻[40]柳曲葉相多變量分析程序56Ma～900±900文獻[25]恰布林葉相多變量分析程序21～19Ma2300±900文獻[25]湖相碳酸鹽氧同位素24～21Ma2080(+641/-810)文獻[16]古土壤氧同位素21～19Ma4057(+530/-640)文獻[16]岡底斯地區(qū)卡拉斯盆地古土壤氧同位素～24Ma4700～6700文獻[41]殼類化石氧同位素20～19Ma4863(+877/-980)文獻[16]南木林—烏郁盆地葉相多變量分析程序15Ma4689±895/4638±847文獻[21]古土壤氧同位素15Ma5200(+1370/-605)文獻[42]高山櫟植物化石15Ma以來隆升至少1300m文獻[39]葉相多變量分析程序15Ma5400±728文獻[43]碳酸鹽氧同位素31Ma4100(+1200/-1600)文獻[18]正構(gòu)烷烴氫同位素15Ma5100(+1300/-1900)文獻[18]63～50Ma5600(+1500/-2100)文獻[19]Δ47古溫度--古高程計31～29Ma4100(+1300/-1600)文獻[19]29～15Ma4500(+1500/-1700)文獻[19]林周盆地古土壤氧同位素60～50Ma4500±450文獻[6]Δ47古溫度--古高程計56.5～53.0Ma4400(+1300/-1700)文獻[19]Δ47古溫度--古高程計50Ma4100(+1200/-1600)文獻[19]

續(xù)表1

研究地點方法年代古高程/m資料來源備注拉薩地塊北部尼瑪盆地古土壤氧同位素26Ma4500～4700文獻[44]魚化石晚漸新世低海拔環(huán)境文獻[45]魚化石26Ma～1000文獻[24]植物有機質(zhì)分析28～23Ma893±549文獻[20]正構(gòu)烷烴碳同位素28～23Ma2800±629文獻[20]正構(gòu)烷烴氫同位素28～23Ma4546±340文獻[20]倫坡拉盆地古土壤氧同位素40～30Ma>4000文獻[13]湖相碳酸鹽氧同位素中新世4260(+475/-575)文獻[13]①正構(gòu)烷烴氫同位素40～35Ma3600～4100文獻[29]哺乳動物化石18～16Ma3000文獻[22]孢粉23Ma3000～3200文獻[23]正構(gòu)烷烴氫同位素26～23Ma2770±530文獻[30]改則盆地湖相碳酸鹽氧同位素39～36Ma50±600文獻[46]有孔蟲化石39～36Ma稍高于海平面文獻[46]當惹雍錯氧同位素46Ma2590(+730/-910)文獻[47]羌塘地塊中部黑虎嶺古土壤氧同位素50～28Ma5200±600文獻[15]可可西里地區(qū)沱沱河盆地湖相碳酸鹽氧同位素39～36Ma2040(+1460/-1130)文獻[48]正構(gòu)烷烴氫同位素55～35Ma2000～2600文獻[29]湖相碳酸鹽氧同位素55～35Ma～4000文獻[14]孢粉～35Ma2000文獻[49]五道梁湖相碳酸鹽氧同位素中新世早中期～3500文獻[50]正構(gòu)烷烴氫同位素～23Ma4000～4200文獻[29]植物化石共存分析～19Ma1300～2900文獻[51]昆侖山—柴達木地區(qū)昆侖山埡口湖相碳酸鹽氧同位素中新世早中期～3500文獻[50]動物化石2～3Ma到現(xiàn)今隆升～2700±1600文獻[52]動物牙齒化石穩(wěn)定同位素2.5～2Ma4331(+737/-1578)文獻[38]柴達木盆地湖相碳酸鹽氧同位素中新世早中期～2500文獻[50]正構(gòu)烷烴氫同位素10.4Ma隆升2100m到達現(xiàn)今高度文獻[53]青藏高原東南緣黎明盆地古土壤氧同位素始新世2650±300文獻[17]芒康盆地湖相碳酸鹽氧同位素～23～16Ma3837(+1108/-1574)文獻[54]②小龍?zhí)杜璧睾嗵妓猁}氧同位素12.7～10Ma1645(+525/-747)文獻[54]貢覺盆地碳酸鹽氧同位素>43.2Ma>2100文獻[55]劍川盆地古土壤氧同位素～37Ma3300±500文獻[17]湖相碳酸鹽氧同位素26～13Ma2601(+802/-1140)文獻[54]③碳酸鹽氧同位素～35.9±0.9Ma1200±1200文獻[56]④Δ47古溫度--古高程計>35.9±0.9Ma2500±700文獻[57]⑤Δ47古溫度--古高程計～35.9±0.9Ma2900±600文獻[57]⑤孢粉～35.9±0.9Ma1300～2600文獻[57]

注: ①據(jù)文獻[58]，年齡為23.5±0.2 Ma；②據(jù)文獻[28]，年齡為～37 Ma；③據(jù)文獻[56]，劍川盆地雙河組地層年齡為35.9±0.9 Ma；

④未經(jīng)大陸效應(yīng)矯正前的海拔為2 800±1 000 m；⑤經(jīng)過海平面矯正后其海拔分別為500(+800/-500)m和900(+700/-700)m。

1 古高程計方法

1.1 穩(wěn)定同位素古高程計

氧同位素古高程計的原理是降水中氧同位素組成(以δ18O表示)隨著從水汽團中凝聚出來的水滴的程度而發(fā)生變化。隨著雨滴的形成，水汽團中的δ18O值減少，從而造成剩余的水汽團和以后的降水中δ18O值的降低。當水汽團沿山上升時，水蒸氣冷卻和凝聚，從而形成“山形雨”。這個過程使得降水和相關(guān)地表水中δ18O值隨海拔升高而降低[59](圖2)。而古地表水成分可以保存在一些地質(zhì)記錄中，例如古土壤碳酸鹽巖、湖相碳酸鹽巖等[14]。氫同位素古高程計的原理與氧同位素一樣，保留氫同位素記錄的介質(zhì)是植物葉片中的脂類物質(zhì)[29]。通過將相關(guān)介質(zhì)中保存的氧同位素提取出來(δ18Oc)，利用方解石--水分餾公式轉(zhuǎn)化為降水中的氧同位素值(δ18Ow)，代入經(jīng)驗的氧同位素與海拔之間關(guān)系式或基于瑞利分餾建立的熱動力學模型中，從而得到研究地區(qū)相應(yīng)地質(zhì)時代的古高程(圖3)。

圖2 穩(wěn)定同位素古高程計原理示意圖[59]Fig.2 Map of principle of stable isotope paleoelevation

圖3 氧同位素測高流程圖Fig.3 Flowchart of oxygen isotope paleoelevation

1.2 動植物化石古高程計

動植物化石蘊含著豐富的古環(huán)境信息，是恢復古高程的有效手段[7,21--25]。利用動植物化石恢復古海拔主要有兩種方法：①最接近現(xiàn)代類群法NLRs(Nearest Living Relatives)，又稱為共存分析法CoA(The Co--Existence Approach)，即主要依據(jù)化石群落生長的古環(huán)境與其最相近現(xiàn)生類群的生長環(huán)境類似，根據(jù)現(xiàn)今生物群落生長的海拔高度，再通過氣溫矯正后推測古高度[22--23,39,60]。②葉相分析法(Leaf Physiognomic Approach)建立在植物葉片具體形態(tài)特征與氣候參數(shù)之間的關(guān)系基礎(chǔ)之上,不同種屬的植物在相似的氣候條件下?lián)碛蓄愃频娜~相特征，因此利用古植物葉相來估算熱焓值(與氣溫和濕度相關(guān)的函數(shù)),結(jié)合氣候多變量分析程序(Climate--Leaf Analysis Multivariate Program, CLAMP)獲得古高度[21,25,28]。

1.3 Δ47古溫度--古高程計

在氧同位素古高程計中，將碳酸鹽巖中的氧同位素轉(zhuǎn)化為大氣降水中的氧同位素值需要利用方解石--水分餾公式，這需要對古溫度進行估計，這是造成該方法較大誤差的原因之一，而Δ47古溫度--古高程計則避免了這一點。在礦物晶格中，13C-18O鍵并不是隨機分布的，而是隨溫度降低其豐度逐漸增加，通過13C-18O鍵豐度計算碳酸鹽巖形成時的溫度，進而通過經(jīng)驗的或理論的氧同位素-海拔關(guān)系式得到古海拔[19,26,61]。

1.4 玄武巖氣孔古氣壓和宇宙核素古高程計

玄武巖氣孔古高程計是依據(jù)熔巖流頂部和底部標準氣孔體積比計算古氣壓，從而利用古氣壓推算古高程的[62--63]。計算古氣壓公式為:

(1)

式中：Vt和Vb分別代表熔巖固結(jié)后頂部和底部的標準氣孔體積；ρ是熔巖流密度；g是重力常數(shù)；H是熔巖流厚度；p代表熔巖侵位時的大氣壓[62]。在具體應(yīng)用時，Vt、Vb、ρ和H均可以測量出，從而可以利用公式計算出巖漿侵位時的大氣壓p。多數(shù)學者認為海平面大氣壓在新生代沒有顯著變化，因此可以利用大氣壓/海拔關(guān)系式推算古海拔[63]。

宇宙核素古高程計基于原地生成宇宙成因核素生成速率與大氣壓之間的關(guān)系[64--66]。宇宙射線粒子與大氣層中的氮、氧等原子核反應(yīng)生成大量次級粒子，部分次級粒子能夠穿透大氣層與地表巖石中的O、Fe等原子反應(yīng)形成原地生成宇宙成因核素[66]。原地生成宇宙成因核素生成速率隨大氣壓降低而升高，而大氣壓與海拔之間存在對應(yīng)關(guān)系，大氣壓隨海拔升高降低，因此可以將宇宙成因核素生成速率與海拔聯(lián)系起來[64,66]。

2 古高程計影響因素

2.1 穩(wěn)定同位素古高程計影響因素

2.1.1 穩(wěn)定同位素--海拔關(guān)系式

經(jīng)驗性的氧同位素--海拔關(guān)系式是基于現(xiàn)代大氣降水中的氧同位素與海拔之間的關(guān)系建立的[11,67]，其存在兩個明顯問題：①空間問題；②時間問題。空間問題指以某一地區(qū)建立的氧同位素--高度梯度可能并不適用于其他地區(qū)。由于各地氣候的差異性，不同地區(qū)氧同位素隨高度變化差別很大，全球現(xiàn)代δ18OSMOW的高度梯度變化為-1.1×10-3/100 m～0.1×10-3/100 m，平均值為-0.28×10-3/100 m[67]。具體到青藏高原，丁林等將青藏高原以中央分水嶺為界分為藏南和藏北，研究表明，藏南和藏北δ18O/海拔梯度不一致，分別為-0.24×10-3/100 m和-0.15×10-3/100 m。時間問題指氧同位素--海拔關(guān)系式是在現(xiàn)代氣候環(huán)境下建立的，地質(zhì)歷史時期的氣候環(huán)境與現(xiàn)今是否相同仍不清楚，尤其是在青藏高原，而氣候因素，比如大氣循環(huán)方式、水汽來源和降水的季節(jié)性等可能會對降水中的同位素值造成影響[68]，因此若完全按照“將今論古”的地質(zhì)學思想得出的結(jié)論可能與事實相悖。

Rowley等基于瑞利分餾建立的熱動力學模型主要有3個影響因素：①水汽來源，其包括水汽來源是否單一和水汽從哪里來。熱動力學模型中有3個參數(shù)至關(guān)重要：起始處水汽團的溫度、相對濕度和同位素值。對于起始水汽團的溫度和相對濕度，Rowley等認為低緯度(南北緯35°之間)水汽團的溫度和相對濕度變化有限，所引起的古海拔誤差也是非常有限的，這一點導致熱動力學模型目前僅適用于南北緯35°范圍內(nèi)地區(qū)。對于低海拔地區(qū)水汽團同位素值，熱動力學模型以相對同位素值(Δδ18O)代替絕對同位素值，建立的氧同位素--海拔關(guān)系式是高海拔地區(qū)與低海拔地區(qū)δ18O值之差(Δδ18O)與海拔(h)的關(guān)系，這一點要求在應(yīng)用熱動力學模型時水汽團來源的單一性。此外，還要求在應(yīng)用到具體高海拔地區(qū)某地質(zhì)時代時，必須對相應(yīng)低海拔地區(qū)同時代的同位素值做出估計，這也是該模型誤差的來源之一。②該模型未考慮伴隨降水發(fā)生的蒸發(fā)作用和交換作用，也未考慮云團上升過程中的湍流和混合作用。③可能不適用于高海拔地區(qū)。Hou et al.在將Rowley熱動力學模型與其他模型(具體可參考文獻[68])比較之后，指出Rowley熱動力學模型可能不適用于高海拔地區(qū)，會明顯造成過高估計海拔。

2.1.2 載體

影響載體的因素包括4個方面：載體所在地層年齡、載體所代表海拔、后期成巖作用和蒸發(fā)作用。對穩(wěn)定同位素古高程計而言，載體一般選擇古土壤碳酸鹽、湖相碳酸鹽等(氧同位素)[6,13]或植物葉片脂類物質(zhì)(氫同位素)[29--30]，保存這些載體的地層年齡對于古高程測定至關(guān)重要，這里以Li等在青藏高原東南緣劍川盆地利用湖相碳酸鹽氧同位素測定的古高程來說明這一點。Li等認為采集的樣品所在地層(雙河組)的年齡為中新世，從而在利用熱動力學模型計算古高程時根據(jù)中新世相應(yīng)溫度將碳酸鹽巖中的氧同位素值轉(zhuǎn)化為大氣降水中的氧同位素值，并且采用西瓦利克地區(qū)中新世古土壤中的氧同位素值做為低海拔地區(qū)的氧同位素值，大陸效應(yīng)的矯正量也是依據(jù)中新世這一年代進行的矯正，得出劍川盆地在中新世的海拔為2 601(+802/-1 140)m。而Gourbet等的研究發(fā)現(xiàn)劍川盆地雙河組地層年齡為35.9±0.9 Ma,屬于晚始新世，因此，Li等計算出來的古高程可能存在問題。Gourbet等利用晚始新世的相應(yīng)參數(shù)計算出來劍川盆地此時的海拔為2 800±1 000 m，在經(jīng)過晚始新世相應(yīng)的大陸效應(yīng)矯正后為1 200±1 200 m。此外，Rowley和Currie計算倫坡拉盆地古高程時將丁青組的年齡視為中新世—上新世，而之后的研究發(fā)現(xiàn)丁青組的年齡為晚漸新世—中新世[23,58]。

載體所代表的海拔，從兩個方面考慮：①土壤碳酸鹽巖氧同位素反映的可能是局部古高程，湖相碳酸鹽巖應(yīng)該是來自更高海拔流域[14,61]；②由于“雨影效應(yīng)”，利用穩(wěn)定同位素測得的古高程可能并非是盆地本身的高度，而是水汽團運移過程中所遇到的高大屏障的高度[20]，Deng和Jia利用3種不同古高程指標對尼瑪盆地所測得的高度數(shù)據(jù)表明不同古高程指標可能具有不同的高度指示意義。

圖4 碳酸鹽巖受后期成巖作用改造[57]Fig.4 Carbonates suffering from extensive diagenesis

后期成巖作用會改變載體中的同位素值，因此必須對樣品進行成巖作用檢測，只有未受到后期成巖作用改造的樣品才能用來進行古高度測定[6,44,48]。目前采用的檢測方法主要有3種：①測定與碳酸鹽巖共存的生物化石。一些微體生物化石殼體中的同位素能夠記錄季節(jié)變化，通過檢測與碳酸鹽巖共存的這些化石殼體是否保存季節(jié)信息判斷樣品是否受到后期作用改造[6,32,48]。②巖相學觀察。通過鏡下觀察樣品是否發(fā)生重結(jié)晶從而判斷其是否受到后期成巖作用影響[57](圖4)。③礫石同位素測試法[14,44]。Deecelles等在研究尼瑪盆地古高程時，測定了與古近紀碳酸鹽巖同時形成的礫巖中保留的白堊紀灰?guī)r中的δ18O值，發(fā)現(xiàn)該值與白堊紀灰?guī)r中的δ18O值一致，從而證明所采集樣品未受到后期成巖作用影響。

蒸發(fā)作用的影響。蒸發(fā)作用會使湖水中δ18O值增高，造成對古高度的低估[61]。Talbot根據(jù)δ18O與δ13C的相關(guān)系數(shù)將湖盆分為開放湖盆(相關(guān)系數(shù)r<0.7)和封閉湖盆(r≥0.7)[69]，因此，通常依據(jù)樣品中δ18O與δ13C的相關(guān)系數(shù)(r)來判定樣品是否受到蒸發(fā)作用的影響[55,61]。此外，Ca/Mg值也可以用來判斷蒸發(fā)作用的影響[48]。對于利用植物葉片脂類物質(zhì)中的氫同位素恢復古高程的方法，除蒸發(fā)作用外，還需要考慮植物蒸騰作用、生物合成作用以及植被類型等[29,31]。

2.1.3 溫度

從野外采集的碳酸鹽巖樣品中的氧同位素值需要用方解石--水分餾公式轉(zhuǎn)換為降水的同位素值。方解石--水分餾系數(shù)關(guān)系[70]:

1000ln(αc-w)=18.03(103T-1)-32.42

(2)

從上述公式可以看出，在轉(zhuǎn)換過程中必須估計成巖溫度T(Δ47古溫度--古高程計可以不用考慮這一步，這也是Δ47古溫度--古高程計優(yōu)于單純的穩(wěn)定同位素的原因)，研究表明土壤碳酸鹽巖的形成溫度比年平均地表溫度高出(15.8±2.8)℃[14]。在具體應(yīng)用過程中，對研究區(qū)相應(yīng)地質(zhì)年代年平均地表溫度的估計是一件非常困難的工作，這也是穩(wěn)定同位素古高程計主要的誤差來源之一。

2.1.4 大陸效應(yīng)、緯度效應(yīng)、季節(jié)性效應(yīng)和降水量效應(yīng)

大陸效應(yīng)指降水中的氫氧同位素組成隨遠離海岸線而逐步降低[71]。緯度效應(yīng)指當從低緯度海洋表面蒸發(fā)形成的水蒸氣在向高緯度地區(qū)漂移的過程中不斷降水，剩余的水蒸氣中會越來越虧損δD和δ18O，相應(yīng)降水中的δD和δ18O值也越低[71]。季節(jié)性效應(yīng)指地球上任何一個地區(qū)大氣降水的同位素組成都存在季節(jié)性變化[71]。降水量效應(yīng)指大氣降水的平均同位素組成是空氣濕度的函數(shù)，降水的平均同位素組成與當?shù)亟邓看嬖谀撤N相關(guān)關(guān)系[72]。在已發(fā)表的用穩(wěn)定同位素古高程計研究青藏高原古海拔的文章中，或是沒有考慮這些因素[5]，或是僅考慮部分因素[6,54]。

從上面關(guān)于穩(wěn)定同位素影響因素的詳細討論，可以看出影響該方法結(jié)果準確性的因素比較多，利用這一方法得出的高度數(shù)值誤差一般在1 000 m±或更高(表1)，其中溫度和低海拔地區(qū)氧同位素值是誤差的主要來源，而后期成巖作用和蒸發(fā)作用盡管影響非常大，但是一般可以通過檢測方法進行排除。大陸效應(yīng)和緯度效應(yīng)等可以根據(jù)研究地區(qū)的相關(guān)研究成果進行矯正。季節(jié)性效應(yīng)和降水量效應(yīng)可以用多年的平均值盡可能消除。

2.2 動植物化石古高程計影響因素

動植物化石古高程計是依據(jù)化石種屬與現(xiàn)今生物的相似性估計古高程的，因此利用動植物化石定量研究古高度最大的困難在于現(xiàn)今氣候與地質(zhì)歷史時期氣候之間的差異。例如，在未進行氣候矯正的情況下，Sun等對孢粉利用CoA方法得到倫坡拉盆地在早中新世時海拔為2 400～2 600 m，當將氣候變化因素考慮進去后，產(chǎn)生了690 m的矯正量，從而得到倫坡拉盆地在早中新世時海拔為3 090～3 290 m[22]。鄧濤等在利用犀科肱骨遠端化石研究倫坡拉盆地古高程時，倘若直接將其與現(xiàn)生生物生活環(huán)境對比，則表明倫坡拉盆地在18～16 Ma時海拔<2 000 m，但是考慮到這一時期溫度比現(xiàn)今溫度高4℃，經(jīng)過矯正后其海拔接近3 000 m[21]。此外，無論是CLAMP還是CoA方法，都是以化石植物對氣候的耐性沒有變化為前提的[39]。對于動物化石而言，其活動范圍也是需要考慮的因素。例如：許強等對羌塘北部和可可西里地區(qū)藏羚羊牙齒琺瑯質(zhì)δ18O的古高度測定結(jié)果表明其平均海拔應(yīng)該在(3 987±609)m，明顯低于實際采樣高度(4 906±269)m，他們將其歸因于藏羚羊的活動性[38]。

2.3 玄武巖氣孔古氣壓古高程計影響因素

根據(jù)玄武巖氣孔古氣壓古高程計算公式(1)，熔巖流厚度H、熔巖固結(jié)后頂部和底部氣孔體積Vt和Vb是影響最終結(jié)果的關(guān)鍵因素。為了精確測量這3個參數(shù)，要求分析樣品需滿足以下條件[73--74]：①所測樣品應(yīng)來自單一熔巖流，具有簡單的噴發(fā)、流動、冷凝和定位歷史。即要求熔巖流中的氣體保持封閉體系，在熔巖流動過程中，不存在外部氣體大量“注入”和氣體“逸出”現(xiàn)象，也未與其他熔巖流發(fā)生混合。②熔巖流規(guī)模中等。從理論上講，熔巖流厚度介于1～5 m之間最為合適，太薄或太厚的熔巖流均會對結(jié)果造成較大影響。③一般選擇玄武質(zhì)熔巖流。原因為玄武質(zhì)熔巖流黏度小、流動性大、厚度穩(wěn)定、強度相對較小，因此氣泡對大氣壓強反應(yīng)敏感。在具體測量參數(shù)H時，由于熔巖流最頂和最底面在冷凝過程中的變形和收縮，因此最理想的采樣位置是距最頂面和最底面1～3 cm范圍內(nèi)，參數(shù)H即為頂?shù)撞蓸游恢弥g的距離[73]。目前測量氣泡體積最精確的方法是三維CT掃描法。該方法目前的誤差在400 m±[62,73]。

玄武巖氣孔古氣壓古高程計對熔巖流樣品的要求非常高。此外，該方法最重要的問題是沒有考慮后期地質(zhì)作用的影響，尤其是埋藏作用對氣孔體積的影響[75--76]。例如，熔巖形成后，在淺埋階段和/或抬升剝蝕階段遭受風化淋濾作用產(chǎn)生大量溶蝕孔、洞[75]；在深埋階段，由于壓實作用、膠結(jié)作用和溶解作用等均會對原生氣孔的形態(tài)和體積進行明顯改造[76]。由于以上原因，目前，該方法還未在青藏高原應(yīng)用。

2.4 宇宙核素古高程計影響因素

原地生成宇宙成因核素古高程計最重要的影響因素是相關(guān)核素的產(chǎn)生速率，其不僅與海拔有關(guān)，還受到侵蝕作用、埋藏作用、暴露時間、宇宙射線流量和樣品埋深等的影響[77,78]。Riihimaki和Libarkin針對不同的侵蝕--沉積--埋藏--抬升歷史分別提出了不同的古高程計算公式(具體公式可參考文獻[77])，這些公式的應(yīng)用均要求研究地區(qū)的侵蝕和埋藏歷史是已知的。為了計算出古高程，大氣密度必須是已知的。然而，相關(guān)研究表明，因極地和赤道地區(qū)大氣密度的不同對宇宙成因核素的產(chǎn)生速率也會有影響[79]。此外，在地質(zhì)歷史時期，氣候條件的改變、大地構(gòu)造活動和高大山脈對大氣環(huán)流的影響等因素對大氣壓的影響是很難進行評估的。同時，次級宇宙射線流量的變化也是難以測定的。在實際的應(yīng)用中，通常假定大氣密度和產(chǎn)生相關(guān)核素的次級宇宙射線流量是恒定的[78]。關(guān)于該古高程計的誤差，根據(jù)相關(guān)研究，樣品0.5 m的深度誤差可以導致樣品1 000 m的海拔高度誤差；10%的核素濃度誤差同樣可能導致1 000 m的海拔高度誤差[78]。在使用宇宙成因核素進行測量前還需要保證以下幾點:①樣品核素量必須能夠滿足應(yīng)用質(zhì)譜分析；②背景核素量相對于宇宙成因核素量較小；③現(xiàn)代核素量相對于地質(zhì)歷史時期核素量小；④樣品暴露年齡能夠使用40Ar/39Ar或類似技術(shù)測定[78]。

從上述簡短分析中可以看出該方法對樣品的要求非常高，應(yīng)用條件也非常苛刻，Brook等根據(jù)宇宙成因核素含量與地表抬升速率間的關(guān)系證明南極洲山脈干谷(Dry Valleys)地區(qū)在約3 Ma時已經(jīng)處于現(xiàn)今海拔[65]。目前，在青藏高原地區(qū)，有利用宇宙核素計算地表暴露年齡和侵蝕速率的，這也是宇宙成因核素目前最主要的應(yīng)用方向之一，例如：Kong等利用宇宙成因26Al-10Be對西昆侖和可可西里北部地表基巖的剝蝕速率進行了測定，結(jié)果顯示西昆侖平均剝蝕速率為12 m/Ma，可可西里北部平均剝蝕速率是15 m/Ma[80]。目前還未見有利用該古高程方法在青藏高原進行定量古海拔測定的報道。

3 不同古高程指標結(jié)論的不一致性

隨著青藏高原古高程數(shù)據(jù)的積累，發(fā)現(xiàn)對同一地區(qū)利用不同指標或同種指標得到的高度相差較大(1 000 m以上)[3]。關(guān)于這個問題，現(xiàn)在還沒有很好的解釋，現(xiàn)以拉薩地塊南部岡底斯地區(qū)、拉薩地塊北部和可可西里地區(qū)的古高程數(shù)據(jù)為例說明該問題。

根據(jù)不同指標古高程數(shù)據(jù)(表1)，拉薩地塊南部岡底斯地區(qū)在15 Ma前已經(jīng)達到現(xiàn)今高度[18,21,42--43]，這個時間可以提前到早始新世[6,19]，但存在少數(shù)不同意見[39,60]。對于拉薩地塊北部地區(qū)，古高程數(shù)據(jù)分歧非常大(表1、圖5)，利用穩(wěn)定同位素古高程計得到的古海拔[13,29,44]比利用動植物化石古高程計得到的古海拔[22--23]要高1 000 m以上，并且同種方法所測得的古海拔也不同[22,35--36]，例如在倫坡拉盆地，同種方法正構(gòu)烷烴氫同位素得到的古高程相差1 000 m±[29--30]。在可可西里地區(qū)，古高程數(shù)據(jù)差別同樣非常大(表1)，利用湖相碳酸鹽氧同位素，Cyr和Quade等測得的該地區(qū)始新世期間的古高程相差達到2 000 m±，而正構(gòu)烷烴氫同位素和孢粉的結(jié)論與Cyr等的結(jié)論一致[29,49]。而對于該地區(qū)早--中中新世的高程，利用植物化石共存分析[51]、湖相碳酸鹽氧同位素[50]和正構(gòu)烷烴氫同位素[29]得出的高度依次增加(表1)。

圖5 拉薩地塊北部新生代古高度(數(shù)據(jù)來源見表1)Fig.5 Paleoelevation of northern Lhasa terrane in Cenozoic

Rowley等建立的熱動力學古高程模型只適用于南北緯35°范圍內(nèi)，并且要求水汽來源的單一性，而可可西里地區(qū)可能并不滿足這兩個重要的前提條件[81--82]，因此將熱動力學古高程計應(yīng)用到可可西里地區(qū)可能并不合適，其結(jié)論有待討論。拉薩地塊北部沿班公—怒江縫合帶分布的倫坡拉盆地和尼瑪盆地是研究的熱點地區(qū)(圖1)，相關(guān)古高程結(jié)論的主要分歧在于該地區(qū)在晚漸新世—早中新世的海拔。將這些數(shù)據(jù)分為3個高度梯度(圖5)，梯度1：拉薩地塊北部在晚漸新世—早中新世海拔已經(jīng)達到該地區(qū)現(xiàn)今高度，此后未發(fā)生變化[13,29,44]；梯度2：拉薩地塊北部在晚漸新世—早中新世海拔在3 000 m±[22--23,30]；梯度3：拉薩地塊南部在晚漸新世—早中新世處于低海拔環(huán)境，應(yīng)該不超過1 000 m[24,45]。

值得注意的是各個梯度所采用的古高程指標：梯度1采用穩(wěn)定同位素，梯度2采用哺乳動物化石、孢粉和氫同位素，梯度3采用魚化石。魚化石反映的應(yīng)該是湖面本身大致的海拔，而哺乳動物的活動范圍較大[20,38]，其反映的可能是研究地區(qū)大致的海拔。對于孢粉指標而言，孢粉化石可能經(jīng)過長距離的搬運，很難代表化石產(chǎn)地真實的植被情況[23,39,60]，其反映的有可能是盆地附近山地的海拔(比盆地本身海拔要高)[23]，也有可能是由風攜帶至盆地，反映的是低海拔地區(qū)的高度(比盆地本身海拔要低)[60]。因此，孢粉指標所反映的古高程可能包括盆地本身及周邊地區(qū)的高度。此外，確認孢粉最接近現(xiàn)代種的精確度存在困難[39,60]，這也給利用孢粉指標測量古高度增加了不確定性。穩(wěn)定同位素得出的古高程要比其他指標得出的高程要高(圖5)，若拉薩地塊南部岡底斯地區(qū)在早始新世已經(jīng)到達現(xiàn)今高度，從原理上考慮，穩(wěn)定同位素古高程計所反映的可能并非是盆地本身的海拔，而是水汽團運移過程中遇到的高大屏障的海拔，例如拉薩地塊南部在早始新世已經(jīng)隆起的岡底斯山脈[20]。岡底斯山脈的存在，造成背風坡降水中同位素值明顯降低，盡管背風坡地區(qū)可能并不具有與同位素值相匹配的海拔高度[20]，這也解釋了為什么在拉薩地塊北部穩(wěn)定同位素古高程計的結(jié)論明顯高于其他古高程計的結(jié)論。對于同樣是利用氫同位素測量倫坡拉盆地古高程但結(jié)果卻不一致的現(xiàn)象[29--30]，兩者最大的差異在于實驗得到的δDwater不同，Jia等得出的值是-77±11‰，而Polissar等的平均值是-126‰，原因尚不清楚，更負的δDwater當然會產(chǎn)生更高的海拔估計。

若這些古高程數(shù)據(jù)是合適的，則它們之間的差異可能反映不同古高程指標表征的高度屬性不同，動植物化石指示的可能是盆地高度，且由于其活動范圍較大，因此所反映的高度具有較大的波動范圍，而氫氧同位素指示的可能是研究區(qū)周圍高大山脈的海拔(圖6)。這暗示拉薩地塊在晚漸新世—早中新世可能具有大的地形起伏(圖6)，明顯不同于現(xiàn)今的地貌特征。但是也應(yīng)注意到影響各古高程數(shù)據(jù)的因素比較多，尤其是穩(wěn)定同位素古高程計，其誤差往往在1 000 m±。

圖6 拉薩地塊晚漸新世—早中新世可能地貌示意圖(數(shù)據(jù)來源見表1)Fig.6 Possible topography of Lhasa terrane during Late Oligocene--Early Miocene

4 結(jié)語

定量古高程數(shù)據(jù)對于理解青藏高原的隆升歷史和隆升機制至關(guān)重要，然而現(xiàn)今已發(fā)表的相關(guān)古高程文章所得結(jié)論之間存在較大爭議，尤其是晚漸新世—早中新世拉薩地塊北部的海拔。以現(xiàn)今已發(fā)表的古高程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對各古高程指標原理及影響因素的深入探討，認為地形因素可能是這種差異一個合理的解釋。在今后的相關(guān)工作中，一方面要優(yōu)化現(xiàn)有古高程指標，尤其對各古高程指標影響因素和機理進一步深入研究；另一方面，尋找新的古高程替代指標。同時，現(xiàn)有古高程研究集中在藏南地區(qū)，廣闊的藏北地區(qū)缺少古高程數(shù)據(jù)，這也是今后需要完善的地方。