中国西部壳幔结构与动力学过程及其对资源环境的制约:"羚羊计划"研究进展

为系统、深入地研究中国西部盆(盆地)、山(山脉)、原(高原)的壳幔结构与深部动力学过程,2003年我们提出并领导实施了“羚羊计划”(ANTILOPE-Array Network of Tibetan International Lithospheric Observation and Probe Experiments),在青藏高原先后完成了羚羊-I(ANTILOPE-I)到羚羊-IV(ANTILOPE-IV)4条二维宽频带台阵剖面,而在青藏高原东西构造结则实施了羚羊-V和羚羊-VI两个三维宽频带台阵探测。另外,我们将前期在准噶尔盆地、天山造山带、塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地开展的九条综合地球物理观测剖面也纳入羚羊计划的总体框架中来。 通过“羚羊计划”的实施,我们在中国西部(包括西北部的环青藏高原盆山体系以及西南部的青藏高原)取得了大量的、高质量的、综合的第一手观测数据,获得了中国西部盆、山、原精细的壳幔结构,系统地揭示了中国西部盆山原的深部地球动力学过程。主要结论总结如下:确定了准噶尔盆地基底的结构与属性,优化了盆地的基底构造格架;建立了天山造山带“层间插入削减”新的陆内造山模式,揭示了印欧碰撞在天山岩石圈缩短44%的去向以及由洋-陆俯冲到陆-陆碰撞俯冲的转换机制;揭示了塔里木盆地、阿尔金造山带和柴达木盆地的盆山接触关系;获得了塔里木盆地顺时针旋转的深部几何学、运动学和动力学证据;确定了青藏高原之下印度板块与欧亚板块的碰撞边界;发现目前的青藏高原由南部的印度板块、北部的欧亚板块和夹持于二者之间的巨型破碎区——西藏“板块”构成,首次确定了各自的岩石圈底边界;修正了高原变形的两个端员模型;建立了深部构造对地表地形的制约关系;系统地揭示了印度板块沿喜马拉雅造山带俯冲的水平距离与俯冲角度的变化规律与控制因素。 “羚羊计划”以其巨大的观测网络与综合地球物理探测技术,采用地球物理学、地质学、地球化学等不同学科相结合的分析方法,揭示了印度板块俯冲、西藏巨型破碎区发育、塔里木板块顺时针旋转、西部水汽通道提前关闭、中国西北部干旱、沙漠化提前这一深部结构、动力学过程及其对地表地形、油气资源和环境变化的制约关系,推动了青藏高原地球系统科学理论的发展。     

西藏色林错12ka以来的湖泊退缩过程——基于古湖岸线的OSL测年

青藏高原内陆封闭湖泊的水体演化是古气候变化的良好地质载体,其中湖泊古湖岸线变迁蕴含了丰富的地质信息,对其识别和研究是认识导致湖泊退缩的气候或构造变化的关键。色林错是青藏高原第二大内陆湖泊,保存了一系列古湖岸线。我们对色林错东北岸保存完好的古湖岸线进行了研究。对这些古湖岸线样品中的石英颗粒使用单片再生法(Singlealiquot regeneration)进行OSL测年,测定年龄分别为12.2±0.8 ka、6.3±0.4 ka和2.3±0.2 ka。表明色林错在约12.2 ka、6.3 ka和2.3 ka±至少出现了3次阶段性湖泊收缩过程。     

风成沉积物4~16 mm石英氧同位素记录及其物质来源意义

通过对灵台剖面7.0 MaBP以来的黄土-红粘土堆积以及黄土高原和北京6个马兰黄土剖面的石英氧同位素分析, 发现石英氧同位素比值受沉积后作用的影响不明显, 同一粒径颗粒的石英氧同位素比值比较能够较好地反映源区变化特征; 灵台剖面红粘土的氧同位素比值的变化范围以及波动特征和第四纪黄土-古土壤相似, 表明红粘土和其上的黄土有类似的沉积物源系统; 此外, 整个剖面上的石英氧同位素比值的波动可能仅反映了物源区域的变化.     

汾渭地堑的河流阶地对第四纪时期印度-欧亚板块碰撞带的构造响应

秦岭造山带前缘的汾渭地堑是新构造运动非常活跃的地区,地堑内发育了一系列第四纪河流阶地。通过对河流阶地及其沉积物的沉积学、土壤地层学、年代学及形成机制的研究,得到以下认识:渭河地堑发育了5级河流阶地,这些阶地均由底部的河床相和其上的第四纪风成沉积组成,这5级阶地最底部的黄土地层分别是L33,L15,L9,L6和L2。在磁性地层学和气候地层学基础上,通过与深海氧同位素记录的对比,上述黄土层分别对应于深海氧同位素阶段104,36,22,16 和6;阶地年龄分别为2.60Ma,1.20Ma,0.90Ma,0.65Ma和 0.15Ma。新构造作用在渭河地堑的5级河流阶地的形成中起了决定性的作用,汾渭地堑及上述由正断层控制的河流阶地的形成与华北板块内部的NW-SE向地壳拉张密切相关,而后者与印度板块向北俯冲导致扬子板块与华北板块沿秦岭走滑断层的相对运动有直接联系,所以上述阶地的形成时期也正是第四纪时期印度板块向北阶段性俯冲加剧的时期。     

磷灰石裂变径迹年龄“拐点”的地质意义

磷灰石裂变径迹年代学已经被广泛地应用于山体隆升、限定潜在物源区、沉积盆地后期的抬升时间等方面的研究。通常情况下,无论是基岩隆升,还是碎屑沉积地层的后期抬升,磷灰石裂变径迹年龄出现的“拐点”都具有重要的地质意义。本文从磷灰石裂变径迹的年龄形成机制、径迹封闭温度、径迹退火基本概念入手,总结了碎屑和基岩磷灰石裂变径迹年龄出现的拐点的基本意义,并针对每个具体的应用给出了研究实例。在碎屑磷灰石中,未发生强烈退火的径迹年龄形成的两阶段和单阶段移动峰,可限定物源变化的时间以及约束潜在物源区。完全退火后,新形成的径迹年龄拐点,可限定地层的变形时间。岩体经历快速隆升,在一定高程范围内的径迹年龄彼此接近,与部分退火带相接的部位会出现拐点。

     

联系沙漠-黄土演变过程中耦合关系的沉积学指标

从沙漠 黄土过渡带的榆林到黄土高原的南缘渭南 ,在这南北向的断面中 ,对 9个黄土剖面进行了系统的采样和粒度分析 .通过观察晚更新世不同时期黄土沉积中砂粒 ( >6 3μm)百分含量的空间变化后发现 ,沙漠的进退变化是控制黄土沉积中颗粒变化 ,尤其是砂粒含量变化的一个重要因素 .由此提出用沙漠 黄土过渡带风成沉积中砂粒百分含量变化作为指示沙漠进退的一个代用指标 ,从而将黄土研究与沙漠研究结合起来 .在此基础上 ,对黄土高原西部的两个剖面 (李家塬、姬塬 )进行了高分辨率的粒度分析 ,发现在末次冰期时 ,沙漠环境存在着千年数量级的不稳定变化 .     

GEOCHEMICAL RECORDS OF PALAEOCLIMATIC CHANGES IN WEINANSECTION SINCE THE LAST INTERGLACIAL

ChineselOeSSischaracterizedbythegreatthicknessandgabscontinuity.ItrererdsQuaternalyclimaticoscillations(Liu,1985).Inrecentyears,scientistshavetriedtOusephysicalorchemicalparameterstOrecostructthepastclimaticchanges.FOrinstance,theparticlesizeisUSedasproxyindicatorforthewintermo~intensity(Liu,1993),stableoxygenisotopicrecordofCarbenatenodulesisusedtoreflectthetemperaturevallationsOfsoilformation(Han,1995),andrnsgneticsuSCeptibilityandCarhanatecontentareughasproxyparametersforsuxnmermourn…     

晚更新世季风-沙漠系统千年尺度的不规则变化及其机制问题

会宁李家塬晚更新世黄土高分辨率的磁化率、粒度分析结果初步表明:北半球高纬地区的Dansgaard-OeschSer(D-O)旋回在中国黄土中亦有记录,意味着在格陵兰冰芯中发现的气候不稳定性同时存在于中、低纬度地区.黄土的颗粒变化进一步表明:中、低纬地区的不稳定性是叠加在全球冰量总体变化之上的,这点与格陵兰冰芯记录不同。     

榆林剖面的热释光测年及其对这一地区干旱事件的讨论

用热释光测年方法对陕西榆林地区蔡家沟和石峁剖面的风成砂－黄土－古土壤序列进行了系统的测年，结果表明末次冰期的风成沉积中夹有三层古风成砂，由此反映了末次冰期中有三次沙漠扩大的气候干旱时期。根据年代测定结果最末一次干旱事件出现在１２～＜２７ｋａＢ．Ｐ．之间，基本上与末次冰期极盛期相当，可以与深海氧同位素阶段２对应。第二次干旱期出现在４８ｋａＢ．Ｐ．左右，大致与氧同位素阶段３的中期相当。最早的干旱期出现在５５～＜７５ｋａＢ．Ｐ．之间，与阶段４对应。令人感兴趣的是虽然与阶段２、阶段４对应的干旱期在世界上其它地区同样有记录，但是大致相当于阶段３中期的这期干旱事件却以榆林剖面反映最好，表现为末次冰期的间冰段期间，毛乌素沙漠也曾经大规模扩大，这从一个侧面说明了中国的沙漠－黄土边界带对气候变化的敏感性。此外，热释光测年结果还表明了末次冰期的沉积由风成砂与黄土迭覆而成，而末次间冰期则由古土壤与黄土迭覆而成，因此，无论是冰期还是间冰期，气候条件都不是以持续的干冷或温暖为特点，而是叠加了更次一级的气候变化。毛乌素沙漠在第四纪时期并非持续存在，而是在气候的调节下经历了沙漠出现与固定的多次转变     

洛川黄土地层的再划分及其L9、L15古环境意义的新解释

洛川剖面的午城黄土是可以在野外进行细分的,洛川的午城黄土含有18层古土壤和18层黄土。其中,S₁₅～S₂₃的土壤组合与前人划分的WS1相当,L₂₄与WL₁相当,S_{24～S28与WS2相当,L29与WL2相当,S29～S32与WS3相当,L33与WL3相当。黄土高原的两个粉砂层L9和L15,虽然形成于第四纪的冷期,但并非代表了第四纪时期最为干冷的气候条件。笔者的解释是:其形成与这两个时期青藏高原及其周边山体的快速隆升导致的沙漠和黄土物源的快速增加有关。特别是1.1MaB.P.前后(L15)的隆起,使中国黄土记录对全球变化的响应显著增强,也正是在这次运动之后,中国黄土古气候记录可以与深海氧同位素很好对比,而此前的午城黄土与深海对比困难}