来源：地质地球所  发布日期：2023-5-30

　　　　摘要：该工作围绕南亚季风演化，通过青藏高原尼玛盆地晚渐新世沉积物的综合研究，约束了研究区构造及轨道时间尺度的干湿环境变化历史，揭示了南亚季风北上高原腹地的时间及机制，为探究高原隆升与不同时间尺度亚洲季风演化的关系提供了来自高原内部的新数据。

　　构造-气候的相互关系，是地质学研究的热点主题。印度-亚欧板块碰撞导致的青藏高原隆升是新生代以来地球上最显著的地质事件之一。青藏高原现今平均海拔超过4500米，作为世界上最大的高原，它的隆升显著改变了北半球的大气环流，导致了亚洲季风强化以及亚洲内陆干旱化。目前，关于亚洲季风早期演化的记录主要来自青藏高原周边地区，尚缺少高原腹地轨道尺度的古季风记录。因此，仍不清楚季风何时到达高原腹地，在一定程度上阻碍了对亚洲季风系统演变的精确解读。揭示南亚季风北上高原的时间，有助于解析季风的驱动机制。同时，过往研究经常强调高原隆升影响了季风演化，但是高原隆升与季风演化之间的耦合关系仍需进一步厘定。

　　解决上述问题的关键在于获得青藏高原内部古季风变化的地质记录。随着高原古高度、副特提斯海退、古气候模拟等研究的推进，高原腹地尼玛盆地晚古近纪地层的古气候记录为综合探讨高原自身对季风的响应及其与区域构造演化之间的关系提供了契机。中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境院重点实验室（沉积与地球环境学科组）靳春胜、孙继敏及其合作者们，以青藏高原班怒缝合带尼玛盆地达则错剖面晚渐新世丁青组河湖相沉积物为研究对象（图1，图2），开展了详细的磁性地层学、环境磁学及旋回地层学研究，深入探讨了该时期区域古气候的变化特征及其动力学过程，首次获取了高原腹地轨道长、短偏心率及岁差尺度的晚渐新世南亚季风记录，揭示了季风北上高原腹地的时间并探讨了相关的驱动机制。

图1 尼玛盆地地质概况及剖面位置。（B中红点为ODSN重建的26 Ma时尼玛盆地的古位置，绿点为前人古地磁重建的25.1-22.3 Ma期间盆地古位置，红线为前人模拟的ITCZ；C图右侧粗蓝线指示达则错剖面所在；D为剖面上部照片，显示21个绿层）

　　达则错剖面厚约1018米，主体为河湖交互相沉积。底部地层主体岩性为紫红色泥岩与粉砂-细砂岩互层，剖面底部起400米以上的岩性为灰绿色泥岩-粉砂质泥岩层（共21层）与紫红色泥岩-粉砂-细砂岩互层（图2，图3）。为了厘定它们的形成时间及其周期性，他们采集了565块古地磁定向样品用于磁性地层学研究。结合剖面所夹的火山灰层提供的同位素年代学约束，最终的磁性地层结果显示达则错剖面的年代为27.4-22.9 Ma。他们在该剖面采得了2129块古气候散样（平均间隔1.9 kyr），通过多种代用指标建立了剖面的古气候序列。利用Acycle软件进行天文轨道调谐，最终赋予古气候序列的调谐年代为27.32-23.24 Ma（图3）。

图2 尼玛盆地达则错剖面概况。（A中两段粗黄线为采样路径，D1、D3、D4为火山灰层所在；C为剖面上部侧视图；D-M为红绿层岩性照片）

图3 达则错剖面环境磁学指标以及磁性地层、天文年代学模式。（A为岩性柱，含21层灰绿色层，以G1-G21标识；B-F为环境磁学参数；G为B-E曲线的第一主成分；H为G的代表长偏心率的深度滤波；I-J为磁性地层对比方案；K-L为理论偏心率及其405-kyr滤波；M-O为天文调谐后的尼玛气候序列及磁性地层）

　　岩石磁学结果表明，剖面红层的磁性矿物以硬磁性矿物赤铁矿为主，绿层以软磁性矿物为主，赤铁矿较少。剖面的磁性矿物成岩转化机制为：红层发育时，气候干旱，湖水较浅，富氧环境导致赤铁矿积淀；绿层发育时，气候湿润，湖水较深，形成还原环境导致赤铁矿溶解。磁学序列反映了不同湖水深度氧化-还原条件下磁性矿物的非稳态保留-溶解过程，类似于地中海腐泥层的磁学特征，只是尼玛剖面的还原环境尚未达到地中海腐泥层的硫还原环境。地中海腐泥研究程度较高，对于揭示非洲季风演化具有重要意义。达则错剖面用于揭示南亚季风演化，可称为地中海腐泥的“相似型”。 环境磁学序列表明剖面记录的古气候变化具有明显的干-湿旋回特征（图3）。剖面400米以上的岩性红-绿层相间，反映干旱和湿润气候期的交替出现，具有准10万年的地球轨道短偏心率周期（图4，图5）。红层代表低湖面的相对干旱期，对应于短偏心率低值期；绿层代表降水更为丰沛的高湖面湿润期，对应于短偏心率高值期。剖面400米以下的岩性砂-泥岩相间，反映相对偏干的干-湿环境变化，具有显著的2万年岁差周期（图4）。

图4 达则错剖面古气候及其它地质记录、理论曲线的小波分析。（A, B, F, G 为尼玛盆地PCA-F1经希尔伯特-黄变换HHT提取的成分C2~8，A和F基于405-kyr谐调年代，B和G基于磁性地层线性内插年代；C、Ｈ为江汉盆地伽马序列，代表东亚季风；D, I为深海氧同位素；E为理论偏心率；J为北纬30度夏季太阳辐射；F-I为去掉40-kyr以上周期的小波图，以突显岁差信号）

图5 达则错剖面晚渐新世的古气候重建及其与全球气候对比。（A为海表温度；B为深海氧同位素曲线，蓝色阴影代表南极冰量重建；C中橙线为尼玛盆地古气候序列的第一主成分，黑线为希尔伯特-黄变换HHT提取的趋势线。G1-G21标示灰绿色层，g1-g5标示10万短偏心率尺度潜在缺失的灰绿色层；D中橙色粗线和灰色细线分别为C中橙线的405-kyr和100-kyr滤波；E中粗、细线分别为理论偏心率的405-kyr和100-kyr滤波结果；F为理论偏心率及太阳辐射量；1-6数字标示6条灰色竖阴影，指示40万年尺度的综合对比，潜在缺失或弱发育的灰绿色层发生于长偏心率低值和冰盖收缩期）

　　他们认为剖面的磁性矿物变化受湖水深浅控制，湖水深浅受降水影响（排除构造作用之后），因此磁学序列揭示的干湿旋回反映了区域古降水变化，且响应地球轨道周期。前人研究表明晚渐新世高原中部的水汽来源主要是印度洋而非西风水汽，因此，他们认为这些降水是由南亚季风携带而来，绿层的出现可视为南亚季风强化的标志。地球轨道偏心率及岁差通过驱动南亚季风导致了尼玛盆地的周期性古降水变化，这一现象起始于至少27.3 Ma，表明季风降水此时已经到达了尼玛盆地（32oN）。达则错剖面第一绿层的发育时间为25.8 Ma，指示南亚季风于此时开始强化。

　　关于驱动机制，在构造时间尺度上，他们认为晚渐新世的全球升温可能是促使季风降水于27.3 Ma到达尼玛盆地的重要因素，因为地球升温可通过“热赤道”及ITCZ北移而导致降水带北移。而25.8 Ma开始的季风降水强化恐与该时期青藏高原的隆升密切相关，在时间上大致对应于高原区域普遍存在的晚渐新世构造活动或隆升。此次隆升的热效应是导致该时期季风强化的主控因素，并得到了数值模拟的支撑（图6）。

　　图6 模拟的亚洲气候对青藏高原演化的响应。（A-D为早渐新世，E-H为早中新世的结果；A-C、E-G为考虑相应的边界条件，仅改变青藏高原海拔高度所得到的降水量差值：A、E为2000减1000米；B、F为3000减1000米；C、G为3000减2000米；D、H基于2000米的原高原，考虑了适当北移；未减结果及具体实验参数请见原文Fig.S18-22 及 Table S4）

　　在轨道时间尺度上，达则错剖面偏心率、岁差周期信号的存在意味着尼玛盆地季风降水对地球轨道参数的响应，受低纬过程驱动。他们认为季风降水与受偏心率调控的北半球太阳辐射有关，它们调控岁差尺度的海陆热力和气压差，引起南亚季风的周期性强弱变化，并通过ITCZ和Hadley环流的经向移动及印度洋水汽负荷进而调控盆地古降水的周期性波动。尼玛降水强弱与南极冰盖缩胀在40万年长偏心率尺度上同步，在10万年短偏心率尺度上不同步（图5B-图5C）。10万年不同步，大概率可以排除晚渐新世冰盖变化对尼玛降水短偏心率周期的主控作用。40万年同步，也很难说是冰盖驱动了尼玛降水的长偏心率周期性，因为40万年周期常在，而冰盖不常在，比如始新世、古新世；当然也难尽排冰盖的影响，因为潜在缺失或弱发育的灰绿色层常发生于40万年尺度的偏心率低值和冰盖收缩期。高纬冰盖和低纬过程二者间的相互作用关系实在纠缠不清，有可能都是地外因素生的“蛋”，蛋与蛋可以碰撞（通过大洋环流、碳循环等过程），但是蛋难以直接生蛋。无论是南极冰盖还是热带过程主导了尼玛盆地的古气候变化，它们均需通过调配低纬水文循环以影响尼玛降水。

　　该研究揭示了晚渐新世构造作用和地球轨道参数共同驱动的热带季风北移过程。高原隆升作为地内因素，影响着大尺度的季风环流，是构造时间尺度上季风增强的主控因子。太阳辐射作为地外因素，是偏心率和岁差尺度季风水循环的主控因子。构造和地球轨道在不同时间尺度上同时影响着晚渐新世南亚季风的演化。

　　研究结果发表于国际学术期刊PNAS（靳春胜*，徐德克，李明松，胡鹏翔，姜兆霞，刘建兴，苗运法，吴福莉，梁文天，张强，苏柏，刘青松，张冉*，孙继敏*. 2023. Tectonic and orbital forcing of the South Asian monsoon in central Tibet during the late Oligocene[J]. PNAS, 120(15): e2214558120. DOI: 10.1073/pnas.2214558120.）。研究受到基础科学中心项目（41888101）、国家重点研发计划（2022YFF0800800）、中科院先导专项（XDA20070202, XDB26000000）、二次青藏科考（2019QZKK0700）、国家自然科学基金（42177434, 41877452, 41772181及42071103）的联合资助。