来源：地质地球所  发布日期：2020-5-13

　　       黄土是一种风成沉积物，在全球广泛分布，是古气候的良好载体。其形成过程涉及粉尘源区的产生、大气环流的搬运、粉尘的干、湿沉降、堆积以后的成壤作用以及后期可能的侵蚀等诸多地质过程，涉及到地球各大圈层的相互作用及内在联系。关于黄土的形成过程，已有诸多研究。但是，全球气候变化和构造活动对形成风成沉积物的控制作用一直存在争论，最著名的就是中国黄土。亚洲中部地区的黄土形成于始新世晚期或始新世-渐新世（EO）转换期间，全球变冷、副特提斯海退缩、青藏高原的隆升等地质过程，曾被认为是黄土形成的诱因。目前，以黄土为代表的风成沉积物其形成机制仍需进一步探讨，这也涉及到对构造-气候相互关系这一重要科学主题的探讨。本文以美国黄土和中国黄土成因为例作简要介绍。

　　美国西部也存在一个黄土高原。前人已经报道过该区的上新世黄土，但是它的时空模式和具体成因还未确定。该区黄土曾被认为在EO转换期间初始形成于科罗拉多高原，上新世发育在落基山中部地区。有人将黄土东向年轻化仅仅归因为于全球变冷。然而，有证据显示北美科迪勒拉山脉在始新世晚期至渐新世期间，经历了构造活化并抬升，这种新生代中期的构造抬升可以造成雨影效应并导致区域干旱化，或对黄土形成有所影响。近期，德克萨斯大学阿灵顿分校的Majie Fan及其合作者们报道了美国西部高原的4个黄土剖面（图1），从地层学、古气候学、数值模拟角度分析了美国西部黄土的成因。结果表明，黄土形成时间比之前报道的更早，而且分布更加广泛。他们通过一系列气候模拟，验证了全球变冷、海平面下降、区域地形变化对黄土形成的影响，探讨了区域构造和全球气候变化对黄土成因的控制作用。

图1 美国西部4个黄土剖面简况（Fan et al., 2020）

　　Fan et al. 通过火山灰及碎屑岩的锆石U-Pb年龄以及生物地层年代学约束，揭示风成沉积始于始新世晚期至渐新世早期，自西向东分别为36.0 ± 0.3 Ma、35.3 ± 1.0 Ma、33.0 ± 0.4 Ma、以及31.6 ± 0.5 Ma（图1），递变年轻表明黄土形成的渐进式，始新世晚期在落基山中部率先形成，逐渐向东扩展到大平原地区。

　　他们利用ECHAM5大气环流模型，分别模拟了EO转换期间全球降温、美国西部地形变化这两个因素对风成沉积形成的影响。利用模拟的降水量减去蒸发量（precipitation minus evaporation，P-E）指标，观察风成沉积东向扩张的可能原因。EO转换期间，海平面下降约55米，全球CO2浓度下降，导致墨西哥湾海岸线向南退缩。由于始新世中期-渐新世期间，北美科迪勒拉山的隆升历史尚存争议，作者考虑了两种地形条件：（1）科迪勒拉山腹地高地形持续至始新世中期，随后降低；（2）科迪勒拉山南部在始新世晚期和渐新世期间活化抬升。两种地形条件得到了不同的大气环流和水量收支结果。科迪勒拉山南部海拔增加，阻挡了西风水汽，降低了科迪勒拉山腹地及其东部的P-E，加强了原北美季风，从而促使大平原西部和落基山中部的P-E增加（图2E）。这一过程，导致了科迪勒拉山腹地和中部前陆盆地的干旱化。这些干旱区或可成为风成物质的潜在源区，并产生了沉降空间，可用于解释科迪勒拉山前缘风成沉积率先形成。如果忽略地形影响，EO降温和海退会降低落基山中部和大平原的P-E（图2C和2F）。这一过程扩大了干旱化范围，促使北美季风退缩从而导致干旱化东移，或可解释风成沉积的东向扩展。

图2 两种不同地形条件下的古气候模拟结果。A-C.北美科迪勒拉山海拔降低情形下的结果；D-F.科迪勒拉山南部构造抬升情形下的结果；B、E.始新世晚期扣减始新世中期的平衡湿度结果；C、F.始新世晚期扣减渐新世早期的平衡湿度结果，此二图为叠加了EO降温、海退及山间盆地充填的结果；灰色箭头指示模拟的700 hPa风场对年均气候（A、D）和异常情形的响应（B、C、E、F）。彩色小圆点表示剖面所在地的P-E变化，红色代表干旱，蓝色代表湿润；红色粗箭头指示模拟区域主要水汽路径（Fan et al., 2020）

　　美国西部风成沉积物代表的地质过程反映了古近纪晚期由区域构造抬升和全球气候协同控制的大陆干旱化过程。同样，对于中国黄土而言，其形成之根本与中国西北内陆的构造活化密不可分。我们通常认为中国黄土高原的粉尘物质来源于中国北方的戈壁、沙漠（巴丹吉林、腾格里、毛乌素等），实际上这些地区仅是粉尘物质的“中转站”，粉尘原产地应在中亚造山带的阿尔泰山、杭爱山脉以及青藏高原东北缘的祁连山脉（Sun et al., 2018）。印度-欧亚板块碰撞的远程效应不仅影响了天山造山带的构造复活，同样导致了中亚内陆的戈壁阿尔泰山、杭爱山脉在晚新生代的构造复活和隆升。寒冻风化与冰川双重作用产生的巨量碎屑物质被搬至山前，形成一系列冲洪积扇，加以风力参与才形成了向下风方向展布的戈壁、沙漠、黄土的空间分带（图3）（Sun et al., 2018）。所以，中国黄土粉尘物质的初始产区应在上风向的高山地区。造山带隆升以及全球变冷导致的冰冻圈出现，最终造就了巨厚的中国黄土堆积（孙继敏, 2020）。

图3 高山过程与黄土堆积的动力学关联（Sun et al., 2018）

　　近日，地科院矿产资源研究所的Xiaocan Yu在Marine and Petroleum Geology杂志撰文，报道了江汉盆地上白垩统红花套组中的风成沉积（图4）。该组岩性主要为河流相和风成沉积交互出现，反映了古气候的干湿变化。物源和古流向分析表明黄陵穹隆、南秦岭、大别造山带为该组的主体碎屑源区。正是由于盆地周缘的造山作用和基岩物理风化，才为盆地中的古沙漠形成提供了丰富的砂源，晚白垩世江汉盆地的裂谷沉陷过程恰为风成物质提供了容纳空间（图5）。

　　以上三个示例表明，风成沉积物的形成并非孤立的地质过程，需要岩石圈的造山带隆升、冰冻圈的寒冻风化、大气环流的改变等诸多因素的配合。因此，应从地球系统科学的角度审视风成沉积物的形成过程，深入对地球圈层相互作用的理解。

图4 江汉盆地上白垩统红花套组含风成砂剖面的野外照片（Yu et al., 2020）

图5 江汉盆地上白垩统红花套组古地理和古气候演化示意图（Yu et al., 2020）

【致谢：感谢孙继敏研究员对本文提出的宝贵修改建议。】

主要参考文献

1. 孙继敏. 黄土沉积与地球圈层相互作用[J]. 第四纪研究, 2020, 40(1):1-7.（链接）

2. Fan M, Feng R, Geissman J W, et al. Late Paleogene emergence of a North American loess plateau[J]. Geology, 2020, 48: 273–277.（链接）

3. Sun J, Ding Z, Xia X, et al. Detrital zircon evidence for the ternary sources of the Chinese Loess Plateau[J]. Journal of Asian Earth Sciences, 2018, 155: 21-34.（链接）

4. Yu X, Liu C, Wang C, et al. Eolian deposits of the northern margin of the South China (Jianghan Basin): Reconstruction of the Late Cretaceous East Asian landscape in central China[J]. Marine and Petroleum Geology, 2020, 117: 104390.（链接）