白垩纪时期东亚大气环流格局初探

江新胜　潘忠习　付清平

摘要 从沙漠记录可知性出发, 测制了一条横穿白垩纪北半球中低纬度沙漠带的风向记录断面, 初步揭示了当时大气环流的格局. 结果表明, 青藏高原隆起前东亚确为行星环流控制--北为西风环流, 南为东北信风环流. 两者间的切变带曾作南北向漂变. 还讨论了古季风环流存在的可能性, 认为可能存在古季风的叠加作用.
关键词 青藏高原隆起前 白垩纪沙漠带 东亚大气环流格局

1 问题的提出

　　现代东亚大气环流格局具有显著的季节性和地域性. 其季节性表现为明显的冬季风和夏季风交替, 冬干夏湿的季节性转换. 其地域性则表现为季风作用比其他同纬度地区强烈, 副热带高压比其他地区偏北, 大气环流格局由西风、西北风、东南风和西南风构成, 与行星风系格局完全不同. 虽然对其成因尚有不同看法, 但关于青藏高原的存在是造成上述大气环流格局的主导因素却已达到共识. 很自然, 据逻辑推理可知, 若青藏高原不存在, 则上述环流格局也不会存在, 其大气环流格局应为理想的大气环流格局(图1). 也就是说, 青藏高原隆起前, 东亚应为行星风系控制. 支持这个逻辑推理的证据主要来自大气环流模拟和间接的地质记录^[1～10]. 大气环流模拟实际上也是一种逻辑推理方式, 其可靠性尚需地质记录来验证. 而间接的地质证据则来自各种气候代用指标(如红层, 蒸发盐、煤、生物、沙漠、黄土等)的纬度分带性, 也包含较大的逻辑推理成分, 并不能代表大气环流的直接证据. 人类对自然的认识离不开逻辑推理, 但逻辑推理成分越少, 证据越充分, 则认识就越准确. 因此, 本文试图通过大气环流的直接记录, 对青藏高原隆起前大气环流格局进行初步探讨, 以期得到更趋近客观事实的认识.

图1 地表行星风系格局(北半球)(据高国栋等, 1988)

2 青藏高原隆起前大气环流格局的地质记录

　　张林源^[10]曾据青藏高原隆升高度和不同隆升阶段的各种气候代用指标的演变, 将东亚大气环流发展阶段划分为行星风系阶段(无季风阶段)、古季风环流阶段和现代季风环流阶段. 并认为, 在早第三纪以前, 青藏高原海拔低于1000 m, 不足以成为大气环流的障碍, 因而应为行星风系. 刘东生等人^[11]也认为“白垩纪晚期和第三纪早期, 我国长期处于地壳稳定阶段, 地势低平, 广泛发育准平原, 地形对大气环流形式的影响较小, 加上新特提斯海和东部海洋对陆地气候的调节作用, 使得我国在早第三纪初期大气环流属于行星风系统”. 以上两个观点均强调了地形的影响作用, 认为高原未达到一定高度时, 理应是行星风系. 江新胜等人^[6～8]、董光荣等人^[12]和Cooke等人^[9]则通过白垩纪沙漠的纬带性分布、干旱气候成因等推断当时东亚存在一个副热高压带, 认为当时为行星风系控制, 但均未找到环流的直接证据. 确实, 早第三纪以前, 无论是有机界和无机界, 即生物古地理和岩相古地理均呈现出强烈的纬带性, 这只能说明当时纬带性气候明显. 当然, 地表气候是大气环流带对地表作用的结果, 根据纬带性气候推断出纬带性大气环流带的存在, 即行星风系的存在也是合理的. 但是, 若能找到行星风系的直接证据就更好了. 盛行风是沙漠形成的主要地质营力, 势必在沙漠中打下深深的烙印. 这个烙印在现代沙漠中主要体现在沙丘的运移方向上, 在古代沙漠中主要反映在沙丘前积层倾向上. 这在北非撒哈拉大沙漠中表现明显. 其西风、东北信风切变带非常清楚地被沙丘的排列、运移方向变化刻划出来. 在切变带以北, 由于盛行西风, 沙丘向东运移; 在切变带以南, 由于盛行东北信风, 沙丘向西南运移^[13]. 经笔者研究, 鄂尔多斯盆地、四川盆地和思茅盆地白垩纪沙漠风向玫瑰花图也显示了这一特点(图2). 为消除盆地的顺时针旋转所造成的偏差, 根据古地磁研究结果(表1), 分别对鄂尔多斯盆地、四川盆地白垩纪风向玫瑰花图作了15°逆时针旋转, 对思茅盆地风向玫瑰花图作了45°逆时针旋转. 古地磁研究表明(表1)上述盆地正好呈南北向依次排列, 构成了当时中低纬度大气环流记录的横剖面(图3).

表1 研究盆地参考点平均古地磁结果^a)

图2 鄂尔多斯盆地、四川盆地、思茅盆地白垩纪沙漠风向玫瑰花图
划分方案引自文献[15], 思茅盆地风向数据引自文献[16]

图3 研究盆地地理位置图

　　在应用风向玫瑰花图判别风向之前应先说明的是: 首先, 沙丘延伸并非直线, 沙丘前积层均为曲面, 因此不同部位的测量数据有一定的区别; 其次, 不同类型和级别的沙丘前积层的曲度和凹凸形态不同, 因此所测矢量发散角不同; 其三, 风向与沙丘运移方向有时可有小角度斜交; 其四, 一些小型沙丘所反映的风向并不可靠; 其五, 由于受科氏力影响程度不同或局部地形影响, 风向矢量本身也有一定的发散范围. 因此本文将北向与东南向矢量归为东向矢量组, 而将南南东向与西向矢量归为西南向矢量组. 从图2可见, 鄂尔多斯盆地洛河组上部及其上地层和四川盆地夹关组上部均落入东向矢量组, 说明该期沙丘均向东运移, 盛行西风; 而洛河组下部和夹关组下部风向矢量时而落入东向矢量组, 时而落入西南向矢量组, 说明该期沙丘时而向东运移, 时而向西南运移, 西风和东北风交替盛行. 思茅盆地扒沙河组风向矢量则几乎全落入西南向矢量组, 说明沙丘多数向西南运移, 盛行东北风. 按照行星风系模式(图1), 西风为西风带产物, 东北风为东北信风带产物, 因而说明上述风向模式与行星风系基本吻合. 同时还可见到, 处于最北部的鄂尔多斯盆地西风带作用最强烈, 居中的四川盆地西风带作用次之, 而处于最南部的思茅盆地基本不受西风带影响, 完全处于东北信风带作用范围. 这种变化趋势也完全符合行星风系的分布规律. 若将玫瑰花图逐层标出, 则可见鄂尔多斯盆地(图4)与四川盆地白垩纪沙漠(见文献[24]图9)早期均经历了一个西风/东北信风交替阶段, 晚期则全为西风控制. 早期的风向交替表明大气环流带曾作了南北向的短周期漂变, 晚期的风向转换说明大气环流带曾作了长周期的南向漂变^[24]. 由于鄂尔多斯盆地白垩纪沙漠始发时间早于四川盆地, 从沙漠迁移的角度也证明了上述西风带的南移. 而四川盆地白垩纪沙漠晚期沉积(夹关组上部)与思茅盆地白垩纪沙漠沉积(扒沙河组)为同期沉积^{[25, 26]}, 但北部的四川盆地白垩纪沙漠晚期表现了极为浓厚的西风带色彩, 而思茅盆地则始终表现出东北信风带的色彩. 说明南下的西风带止于四川盆地和思茅盆地之间, 在空间上构成了一个完整的中低纬度行星风系的大气环流格局. 应当提及的是, 洛河组沙漠沉积下部的风向玫瑰花图除西南向矢量组和东向矢量组发育外, 东南向矢量组异常突出, 可能存在北北西向气流, 这和行星风系格局不太吻合, 尚需作如下进一步的分析.

图4　鄂尔多斯盆地永宁剖面洛河组(K₁l)沙漠沉积单层风向玫瑰花柱状图
上覆地层为环河-华池组(K₁h)、下伏为安定组(J₂a)

3 古季风存在的可能性

　　季风是大气环流的组成部分^[27,28], 讨论大气环流格局必然涉及季风环流. 青藏高原隆起前有无季风环流, 或者说在行星风系控制期有无季风环流是一个有争论的问题. 有的学者根据早第三纪干燥少雨的特点而认为当时“无季风环流”^[10]; 而有些学者则认为季风环流是客观存在的, 只是由于高原尚未隆起, “纯海陆季风”垂直厚度很薄, 不足以使空气质点抬升到凝结高度, 无法形成“季风雨”, 并认为第三纪早期的季风就是这样一种无“季风雨”相伴的“纯海陆季风”. 直到晚第三纪高原隆起至海拔1000 m时, 方开始出现浅薄的高原季风, 使得原本存在的“纯海陆季风”(西南季风和东南季风)也开始有季风雨相伴, 成为现代意义的季风^[29]. 虽然白垩纪的海陆分布与早第三纪有所不同, 但同属行星环流控制期, 同属北半球中低纬度区, 同处于高原隆起前的时代, 因此白垩纪季风的存在与否将有助于解决上述分歧. 笔者拟从季风的概念、类别、记录的不完整性、对行星风系的影响和白垩纪季风记录可能性几方面来分析.
　　季风为大范围盛行的、风向或气压系统随季节有显著变化的风系^[27,28], 而且随着风向或气压系统的季节变换, 天气气候也发生了明显的变化^[28]. 可见季风的存在与否主要看盛行的风向和气压系统是否存在季节性转换. 至于产生什么样的气候和天气可以是多方面的, 因而有关的记录也是多种类的. 也就是说, 有无“季风雨”并非是判别季风存在的唯一标准. 而风向和气压系统的转换对古沙漠沉积而言是较易恢复的.
　　季风实际上可分为两类, 即海陆季风和行星季风. 海陆季风是由于海陆热力差异形成的季风环流. 其风向和海陆分布格局有关. 若西陆东海, 则风向将偏离行星风系风向(如东南季风), 若南海北陆, 其风向将和行星风系风向叠加(如西南季风). 前者易于分辨而后者不易分辨. 白垩纪时, 鄂尔多斯盆地、四川盆地和思茅盆地位于欧亚大陆的东南隅, 其东为古太平洋, 南临新特提斯洋, 恰为西陆东海、南海北陆的海陆分布格局(图5), 而古太平洋的表层环流特点可能与现今类似, 未发生重大变化^[30]. 行星季风是由于行星风带位置的季节移动形成的季风环流, 其风向与行星风系叠加, 只能从行星风带随季节作南北移动的记录来辨别.

图5　白垩纪中期(距今100±10 Ma)海陆分布^[30](据Windley, 1977)
→为洋流方向, ●为大型含油盆地, 为大有孔虫, □为煤, ×为蒸发岩, ○为碳酸盐;
■为研究盆地: 1. 鄂尔多斯盆地, 2. 四川盆地, 3. 思茅盆地

　　季风的地质记录是不完整的, 可以是选择性的, 甚至没有记录. 首先, 地质记录形成之后要经过各种改造过程, 将损失大量信息, 甚至完全损失. 其次, 地质记录的形成是有选择性的, 如夏季风盛行期古土壤和水系发育, 而冬季风盛行期则沙漠粉尘发育.
　　强烈的季风作用将破坏行星环流格局^[27]. 如现代北半球平均高压区出现在30°～35°N(1月份), 由于强烈的季风存在, 欧亚大陆的平均高压区位于50°～55°N之间. 这表明在极地东风带地区, 东亚大陆为西风带; 在正常的行星西风带地区, 东亚地区却为东风带.
　　根据上述分析, 东亚在高原隆起前可能存在着季风环流系统.
　　首先, 从鄂尔多斯盆地和四川盆地白垩纪沙漠所记录的风向变化特点(图4和文献[24]图9)上看, 西风/东北信风切变带发生了南北移动, 说明当时的风向与气压系统曾发生了周期性转换, 和上述行星季风现象吻合.
　　其次, 从风向玫瑰花图上看(图2), 西风矢量有偏东南、东北信风矢量有偏南趋向. 可能存在东南向和南北向海陆季风环流的干扰, 改变了行星风系的格局. 比较起来, 鄂尔多斯盆地季风显示最为明显, 可能是由于处于大陆内部, 与东南部赤道太平洋和南部新特提斯洋具有最大的热力差异造成的.
　　其三, 根据研究, 白垩纪沙漠层序中存在相对集中的湿丘间沉积甚至湖泊沉积^[7,8]. 说明存在几个降水集中期, 这可能和行星环流带北移, 强夏季风, 弱冬季风盛行期造成的季风雨有关, 并和第四纪记录相同. 笔者认为, 从目前的资料看, 第四纪季风模式是解释白垩纪干湿变化旋回的最好途径.
　　其四, 沙漠层序中存在大量超级和一级界面, 存在着大量侵蚀和改造, 损失了大量的信息, 也许所损失的正好是大量的季风的证据. 换句话说, 可能存在标准的海陆季风环流格局, 但其记录被后来强劲的行星风系所改造而消失.
　　综上所述, 青藏高原隆起前东亚地区以行星环流为主, 可能存在海陆和行星季风环流.

4 讨论

　　古风向及其强度研究有两类实用标志: 无向地质标志(scalar geological indicators)和有向地质标志(directional geological indicators). 前者包括层厚、粒度、分选和矿物组分, 后者包括沙丘类型、雅丹、风蚀谷、沙丘交错层、风吹树、风成沙波、粘滞波痕和风蚀沟槽^[31]. 严格地说, 前人在分析青藏高原隆起前的大气环流格局用的是无向地质标志. 本文采用了有向地质标志, 更直接地证实了青藏高原隆起前东亚地区行星风系的存在.
　　关于白垩纪季风环流存在与否还涉及当时是否具季节性气候的问题. 过去一般认为, 白垩纪是均一温暖的. 然而近来的研究却发现当时气候是多变的, 甚至有季节性的^[32]. 其证据主要来自澳大利亚的冰筏砾、季节性气候的植物群落与年轮. 可喜的是近年来东亚地区也发现了冰筏沉积^[33], 也说明东亚地区在高原隆起前, 尤其在地史最温暖的白垩纪时期, 是具有季节性气候的. 自然, 从古气候角度来说, 当时季风环流的存在是可能的.
　　季风存在与否还要看是否存在形成海-陆温差季节转换的地理条件. 从古地理上看, 当时东亚除尚不存在青藏高原外, 和现代地理条件相似, 东及东南为太平洋, 南为新特提斯洋. 因此, 由于太阳辐射的季节性差异, 应该存在东南-西北向和南北向的海陆温差和气压场的季节转换, 相应地存在东南季风和西南季风. 只是没有青藏高原地理因素叠加, 东南季风并不显著, 而西南季风可能与东北信风叠加而不易分辨而已. 所以, 从古地理角度来说, 当时季风环流的存在也是可能的.

致谢 本文的完成受益于刘宝?院士、潘桂棠、陈智梁研究员的鼓励和指导, 在此一并致以衷心的感谢.

国家自然科学基金资助项目(批准号: 49572113)
江新胜（成都地质矿产研究所, 成都 610082）
潘忠习（成都地质矿产研究所, 成都 610082）
付清平（成都地质矿产研究所, 成都 610082）

参 考 文 献
1，Manabe S, Terpstra T B. The effects of mountains on the general circulation of the atmosphere as identified by numerical experiments. J Atmos Sci, 1974, 31: 1~42
2，Ruddiman W F, Kutzbach J E. Forcing of late Cenozoic Northern Hemisphere climate by Plateau Uplift in Southern Asia and the American West. J of Geophysical Research, 1989, 94(D15): 18 409~18 427
3，王鸿祯. 中国古地理图集. 北京: 地图出版社, 1985
4，中国科学院《中国自然地理》编辑委员会. 中国自然地理(古地理上册). 北京: 科学出版社, 1984
5，中国科学院《中国自然地理》编辑委员会. 中国自然地理(气候). 北京: 科学出版社, 1985
6，江新胜, 陈乐尧, 李玉文. 西南区白垩-第三纪沙漠及沉积问题. 岩相古地理, 1992: (5): 1~66
7，Jiang Xinsheng, Li Yuwen, Fu Qingping. Temporal and spatial distribution of Cretaceous deserts in middle and eastern China and its climatic significance. Proc 30th International Congress. No 8. Netherlands: VSP International Publishers, 1997. 73~80
8，江新胜, 李玉文. 中国中东部白垩纪沙漠的时空分布及其气候意义. 岩相古地理, 1996, 16(2): 42~51
9，Cooke R,Warren A, Goudie A. Desert Geomorphology. London: UCL Press, 1993
10，张林源. 青藏高原形成过程与我国新生代气候演变阶段的划分. 见: 青藏高原形成演化、环境变迁与生态系统研究. 北京: 科学出版社, 1995. 267~281
11，刘东升, 张新时, 袁宝印. 高原隆起对周边地区的影响. 见: 孙鸿烈, 郑度主编. 青藏高原形成演化与发展. 广州: 广东科技出版社, 1998
12，董光荣, 王贵勇, 陈惠忠, 等. 中国沙漠形成、演化与青藏高原隆升的关系. 见: 青藏高原研究会编. 中国青藏高原研究论文集. 北京: 气象出版社, 1995. 13~29
13，Bigarella J J. Eolian environments: their characteristics, recognition, and importance. In: Recognition of Ancient Sedimentary Environment. Spec Publ Soc Econ Paleont Miner, Talsa, 1972, 16: 12~62
14，庄忠海. 四川盆地雅安至天全白垩系-下第三系古地磁研究. 物探与化探, 1988, 12(3): 224~228
15，Enkin R J, Chen Y, Courtillot V, et al. A Lower Cretaceous pole from South China and the Mesozoic hairpin turn of the Eurasian Apparent Polar Wander Path. J Geophys Res, 1991, (96): 4007~4028
16，Enkin R J,Courtillot V,Xing L,et al. The stationary Cretaceous paleomagnetic pole of Sichuan(South China Block). Tectonics, 1991(10): 547~559
17，周姚秀, 鲁连仲, 张秉铭. 攀枝花-西昌地区古地磁的初步研究. 见:中国攀西裂谷文集(3). 北京: 地质出版社, 1988. 212-230
18，庄忠海, 田端孝, 马醒华, 等. 四川盆地雅安地区白垩系至下第三系古地磁研究. 西南地质科技情报, 1986, (1): 5~14
19，Ouofuji Y, Inoue Y, Funahara S, et al. Paleomagnetic study of eastern Tibet-deformation of the Three Rivers region. Geophy J Int, 1990, 103: 85~94
20，程国良, 白云虹, 孙宇航. 鄂尔多斯地块构造演化的古地磁学研究. 地震地质, 1988, 10(2): 81~87
21，Zheng Z, Kono M, Tsunakawa H, et al. The apparent polar wander path for the North China Block since the Jurassic. Geophys J Int, 1991, 104: 29~40
22，马醒华, 邢历生, 杨振宇, 等. 鄂尔多斯盆地晚古生代以来古地磁研究. 北京: 地震出版社, 1992
23，梁其中, 尹济云. 云南两个古陆块的古地磁结果及滇西特提斯. 见: 中国西部特提斯构造演化及成矿作用论文集. 成都: 电子科技大学出版社, 1991. 356~358
24，江新胜, 潘忠习, 傅清平. 四川盆地白垩纪沙漠风向变化规律及其意义. 岩相古地理, 1999(1): 1~11
25，郝诒纯, 苏德英, 余静贤, 等. 中国的白垩系(中国地层12). 北京: 地质出版社, 1986
26，云南省地质矿产局, 成都地质矿产研究所, 成都地质学院. 云南思茅盐矿地质, 中华人民共和国地质矿产部地质专报(四), 矿床与矿产, 第1号. 北京: 地质出版社, 1986
27，高国栋, 陆渝蓉. 气候学. 北京: 气象出版社, 1988
28，中国大百科全书大气科学编辑委员会. 中国大百科全书(大气科学、海洋科学、水文科学卷). 北京-上海: 中国大百科全书出版社, 1987
29，汤懋苍. 青藏高原隆升引发气候突变的原因初析. 见: 青藏高原形成演化、环境变迁与生态系统研究. 北京: 科学出版社, 1995. 181~187
30，同济大学海洋地质系. 古海洋学概论. 上海: 同济大学出版社, 1989
31，Allen J R L. Palaeowind: geological criteria for direction and strength. In: Allen J R L, et al eds. Palaeocli-Mates and Their Modelling--with Special Reference to the Mesozoic Era. London: Chapman & Hall, 1994. 27~34
32，Frakes L A, Francis J E. Cretaceous Palaeoclimates. In: Ginsburg R N, Beaudoin B, eds. Cretaceous Resources, Events and Rhythms. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1990. 273~287
33，王东坡, 刘 立, Frakes L A. 白垩纪红尘冰筏沉积的古气候及古地理意义. 岩相古地理, 1996(4): 6~1