新生代构造抬升对地表化学风化和全球气候变化的影响

地学前缘EARTH SCIENCE FRONTIERS2000　Vol.7　No.2　P.517-525

新生代构造抬升对地表化学风化和全球气候变化的影响

秦建华　潘桂棠　杜谷

摘　要：全球新生代构造抬升，特别是南亚喜马拉雅青藏高原和南美安底斯山脉和Altiplano高原在新生代的抬升对地表化学风化和全球气候变化产生了重要影响。它对地表化学风化的影响主要表现为引起造山带地区化学风化能力的提高；而它对全球气候变化的影响则主要表现在两个方面，一是直接的物理影响，即通过对大气和海洋循环的影响来对大气变化产生作用；一是通过对地表硅酸盐岩石的化学风化造成大气CO₂变化和全球温度的改变，从而对气候变化产生间接的生物化学效应。目前看来，新生代构造抬升造成的大气CO₂浓度减少是造成全球新生代气候变冷的重要原因。这已得到了近10年来计算机大气环流模型(GCMs)数值模拟和野外实验研究的支持，但在关于地表化学风化的主要控制因素，以及海洋Sr同位素是否可作为反映地表化学风化速率变化的替代性标志和气候变化反馈机制等方面，还需要作进一步研究。
关键词：新生代构造抬升；地表化学风化；全球气候变化
中图分类号：P546；P512.1⁺2　文献标识码：A　文章编号：1005－2321(2000)0205－17－09

THE EFFECTS OF CENOZOIC TECTONIC UPLIFT ON EARTH SURFACE CHEMICAL WEATHERING AND GLOBAL CLIMATE CHANGE

QIN Jian-hua　DU Gu
（Geological Survey Center of Southwestern China, China Geological Survey Bureau,Chengdu 610082,China）
PAN Gui-tang
（Chengdu Institute of Geology and Mineral Resource,Chengdu 610082,China）

Abstract:The global Cenozoic tectonic uplift, especially the uplift of Himalayan mountain beltTibet plateau in southern Asia,Andean mountain and Altiplano plateau in southern America, have the strong effects on the Earth surface chemical weathering and global climate change. The Cenozoic uplift might cause to increase the chemical weathering ability in orogenic belts. And the two basic categories of uplift effects on global climate change have been already recognized: (1) direct physical impacts on climate by means of changes in the circulation of the atmosphere and ocean; and (2) indirect biochemical effects on climate via changes in atmospheric CO₂ and global temperature caused by chemical weathering of silicate rocks. The decreasing of atmospheric CO₂ level caused by Cenozoic uplift was the main reason for the global Cenozoic cooling. Although it has already got supports from the computer GCMs simulation and the field research,the ongoing issues include, what the major controlling variation on the chemical weathering is, and that development (or validation) of the marine Sr isotope as the proxies of the average continental chemical weathering is another obvious first-order need, and what the climatic feedback mechanism is,and so on.
Key words:Cenozoic tectonic uplift;Earth surface chemical weathering;global climate change

　　在全球新生代构造演化中，一个重要的现象就是在全球许多地区，发生了山脉和高原的构造隆升。在欧洲和南亚地区，出现了阿尔卑斯喜马拉雅造山带，形成了喜马拉雅山地西藏高原，在美洲西部出现了科迪勒拉山系，特别是在南美西部形成了安底斯山脉和Altiplano高原^［1，2］。与此同时，人们通过对深海底栖有孔虫δ¹⁸O的测定，表明自55　Ma以来，深海δ¹⁸O在逐渐增高，全球气候自始新世以来在逐渐变冷。在早始新世时，海水深水温度可能比现在高出12　℃^［3］。为解释这种现象，人们作出了不懈的努力，提出了各种假说和理论。其中，在20世纪80年代末90年代初，Raymo和Ruddiman等学者在研究中将新生代全球构造抬升与地表化学风化、全球气候变化相联系（图1），认为新生代构造抬升对造山带地区地表化学风化和全球气候变化产生了直接而重要的影响，并特别强调南亚喜马拉雅青藏高原和南美安底斯山脉和Altiplano高原在新生代的抬升所引起的化学风化速率提高对全球气候变化的影响。目前，它已成为国际上比较流行的“抬升侵蚀（气候）”理论的基础。在经过近10年的计算机大气环流模型(GCMs)数值模拟和野外研究后，该理论，特别是在新生代构造抬升对地表化学风化和全球气候变化影响方面已取得了许多新的进展。

1　新生代构造抬升对地表化学风化的影响

　　新生代构造抬升对地表化学风化的影响主要表现在于它提高了造山带地区的化学风化能力。事实上，早在1个世纪前，Chamberlin就提出了构造抬升促进了造山带地区地表化学风化的提高这一假说，但由于它涉及到许多方面，内容又比较复杂，一些推测部分后来经证实又是错误的，因而以后逐渐为人们所忽视^［5］。直到20世纪80年代末，Raymo和Ruddiman等人才又独立地提出了类似的理论假说即抬升风化模型。在经过近10年的野外实验研究后，它又得到了进一步的完善和发展，并已开始得到人们的普遍认同。

图1　构造抬升、地表化学风化和气候变化关系示意图^［4］
Fig.1　Schematic diagram showing the relationship
among the tectonic uplift，Earth surface chemical
weathering and global climate change

　　造山带地区发生的强烈化学风化的关键证据主要来自于对亚马逊河的研究。这是因为，源于安底斯山脉的亚马逊河中的溶质载荷占据了流入大西洋中的70%～80%，而由亚马逊低地化学风化供应的溶质载荷则是相对较小^［5］。另外，源于喜马拉雅山地和青藏高原地区的8条大河，虽然其流域面积仅占全球的5%左右，但是由它们所供应的溶质载荷在全球海洋中却占到了25%（表1）^［6］。这充分说明了在构造隆升地区发生的强烈化学风化作用。
　　新生代山脉和高原隆升能够提高地表化学风化，是与山脉和高原地区存在的几种作用密切相关的^［5，6］。体现在①在造山带山脉地区发育着丰富的由被动边缘沉积形成的易风化的25%和4.2%。的陆源碎屑岩石。②在抬升的高原和山脉地区边缘形成的强烈季风雨季和其它的山岳降雨。而水对于岩石溶解作用和水解反应来说都是最基本的要素。③抬升的高原和山脉边缘斜坡坡度较陡，有利于将机械风化和化学风化产物及时带走，从而使新鲜岩石不断地暴露于地表接受风化。岩石新鲜面的不断暴露对于化学风化能力的提高已得到实验和野外研究的证实。Blum指出在岩石刚暴露时化学风化速率非常迅速，然后就呈指数衰减并在初始暴露10⁵a后其化学风化速率就已进行得非常缓慢了^［7］。因此，构造活动及其所造成的地形起伏将新鲜岩石不断暴露于地表，这对于提高地表化学风化速率就显得十分重要。Bluth和Kump对冰岛和夏威夷地区玄武岩化学风化所进行的比较研究，也强调了岩石暴露在提高化学风化作用中的重要性^［8］。

表1　源于喜马拉雅—青藏高原地区河流溶质通量^［6］
Table 1　The dissolved mass flux of the rivers rising
in Himalayan mountain rangeTibet plateau

河流名称	溶质载荷 /(10⁶ t^.a^-1)	流域面积 /（10⁶ km²）
恒河/布拉马普特拉河	323.5	1.669
长　江	166	1.827
Si kiang	132	0.464
伊洛瓦底江(Irrawaddi)	91	0.414
印度河	62	0.916
湄公河	60	0.849
黄　河	33.5	0.814

　　　　表中河流的总溶质载荷及总流域面积分别占全球的25%和4.2%。

2　新生代构造抬升对全球气候变化的影响

2.1　全球气候变化的控制因素
　　地球气候变化主要受两个因素控制，一是山脉和高原幕式抬升（episodic uplift）；一是由地球轨道变化引起的太阳辐射季节分布的变化^［9］。利用GCMs进行的计算机模拟可以识别由上述两种因素分别引起的区域和全球气候变化^{［10，11］}。Kutzbach 和Prell^［9，4］曾对由地球轨道变化（米兰科维奇）引起的周期性气候变化和由此形成的旋回沉积利用GCMs模型进行了数字模拟。近来，他们又对由山脉和高原隆升与由地球轨道变化引起的太阳辐射变化的联合作用对气候变化产生的影响进行了计算机模拟^［9］。在模式中，对由米兰科维奇驱动力和西藏喜马拉雅隆升对南亚、巴基斯坦—阿富汗地区和非洲东北部气候产生的联合影响，包括地表表面温度、降雨和地表径流等进行了模拟，并将其与其它研究结果进行了对比，取得了比较好的效果。
2.2　新生代构造抬升对全球气候变化的影响
　　据研究^［4］，高原和山脉隆升对气候的影响主要表现在两个方面，一方面是直接的物理影响，即通过对大气和海洋循环的影响来对气候变化产生作用（图2）；另一方面是通过对地表硅酸盐岩石的化学风化造成大气CO₂变化和全球温度的改变，从而对气候变化产生间接的生物化学效应（indirect biochemical effects）（图1）。
　　新生代构造抬升对气候的影响，近年Ruddiman和 Kutzbach又利用GCMs模型进行了计算机模拟来进行证实^［12］。在他们的模式中，分别设计了地形变化（有山无山模式）、大气CO₂和地形CO₂联合变化3种模型来对北半球气候进行模拟。结果表明，CO₂对高纬度地区的温度有重要影响，地形对中纬度广大地区有强烈影响。而地形与CO₂变化的联合效应经模拟证实，可导致北半球陆地气候变冷，温度下降可达7～9　℃。而同时由构造抬升引起的气候变化还造成了高纬度地区生物群落的向南迁移。
2.2.1　物理效应
　　据现代计算机气候模拟研究和现代气候观察，新生代山地高原隆升对气候变化所产生的物理效应,主要表现在以下几个方面^［5，13］：①受温度递减率（海拔每升高1　km，温度下降6.5　℃）的影响，构造隆升造成了抬升的高原比周围低地气温低得多。在冬季，由于受地表反射温度反馈的影响，冰雪覆盖又进一步加强了这种效应。②在中纬度下部，促进了西风大气环流曲度（meandering）的强化。③提高了山岳降雨湿度.在山岳迎风面降雨进一步增加,背风面进一步变干。④季风循环形成和加强了季节反向，特别是对强烈的南亚季风的影响更为明显。⑤构造抬升还造成了中纬度地区内陆大规模的区域变干。此外，据研究，亚洲季风系统的稳定出现就是与青藏高原的形成密切相关，特别是东亚季风的形成和演化更是与青藏高原第四纪快速上升有着密切的内在联系^{［14，15］}。
2.2.2　生物化学效应
　　新生代构造抬升对全球气候变化产生间接的生物化学效应的理论基础是大气中的痕量元素浓度变化可以引起全球气候的改变^［6］。
　　阿尼乌斯（Arrhenius）最先对大气CO₂对全球气温在行星尺度上的“温室”效应进行了评估，并将全球新生代长期变冷归因于大气CO₂浓度的缓慢下降。而新生代全球大气CO₂浓度的逐渐减少，已得到南极和北极冰川在逐渐扩大和宜寒极地植物发育这些事实的支持^［5］。对全球最后一个冰期间冰期旋回Vostok冰芯记录的研究，亦揭示出了大气温度与CO₂浓度变化存在着直接的内在联系^［16］。目前看来，大气CO₂温室气体效应强烈地影响着全球气候变化，大气CO₂浓度下降应是导致全球新生代气候变冷的主要因素^{［5，6，17，18］}。

图2　高原和山地抬升对气候的大尺度影响^［5］
Fig.2　Large-scale effects of plateau and mountain uplift on climate

　　围绕着地质历史中的大气CO₂浓度和全球气候变化，据研究^{［1～3,5,6，19，20］}，全球大气CO₂水平在地质构造时间尺度上（百万年或更长）是与全球碳循环密切相关的，并主要受两个因素控制（图3）：一是大气CO₂的输入速度，主要与俯冲带和洋中脊发生的火山作用和变质作用有关；一是大气CO₂的输出速率，它主要由陆地表面硅酸盐岩石发生的化学风化速率控制。
　　上述两个过程所涉及的化学反应，可简化为

式中，CaSiO₃是泛指地表硅酸盐岩石。若以地表铝硅酸盐钠长石的化学风化为例，其化学反应式为^［22］

7NaAlSi₃O₈+6H₂CO₃+20H₂O6Na⁺+6HCO^-₃+10Si(OH)₄+
3Na_0.33Al_2.33Si_3.67O₁₀(OH)₂(蒙脱石)
6Na_0.33Al_2.33Si_3.67O₁₀(OH)₂+2H₂CO₃+23H₂O2Na⁺+
2HCO^-₃+6Al₂Si₂O₅(OH)₄（高岭石）
Al₂Si₂O₅(OH)₄+10H₂O2Al(OH)₃（三水铝石）+2Si(OH)₄

　　事实上，这一系列的化学反应代表了在地下高温不平衡条件下由淬火作用形成的火成岩和变质岩暴露在地表条件下为达到热力平衡而发生的化学风化过程和由此造成的大气CO₂消耗。
　　从上述反映过程出发，围绕大气CO₂浓度和气候变化，人们主要提出了两种模型，一是最早由Walker等提出，后又为BLAG发展完善的“构造输入”模型（BLAG为Berner, Lasaga和Garrels三位作者姓名首写字母的缩写）；一是Raymo等提出的“抬升气候”模型。在BLAG“构造—输入”模型（tectonic-input model）中，强调大气CO₂输入速度是决定大气CO₂浓度的主要因素并由此决定了气候变化。他们认为沿着俯冲带和洋中脊发生的火山作用和变质作用释放的CO₂是大气CO₂水平的主要驱动机制，并受到全球平均海底扩张和俯冲速度的控制，释放的CO₂通量与海底扩张与俯冲速率成线性相关。并同时认为大气CO₂的输出通量（即消耗）与地表化学风化可获得的陆地面积和气候（主要是温度）有关。通过计算机模拟，BLAG成功地模拟出了白垩纪时全球较高的温度，但是却未能正确推算出全球新生代气候发生变冷的时间^{［5，6,19］}。换言之，与海底扩张速度和地幔柱火山作用有关的CO₂输入模式尚不能正确地解释过去30～40　Ma全球发生的气候变冷。

图3　当代全球长期稳定状态的碳循环^［21］
Fig.3　The global long-term present-day steady-state C cycle
图中数字为通量

　　与此相反，Raymo等人提出的抬升气候模型则是强调由地表硅酸盐岩石的化学风化所造成的大气CO₂消耗才是引起全球大气CO₂水平下降的主要因素。认为正在抬升的高原和造山带地区，由于发生了岩石的不断暴露和降雨的增加，促进了这些地区化学风化速率的提高，引起了大气CO₂浓度的下降并最终导致全球新生代气候变冷^{［5,6,17,19］}。在90年代，人们利用GCMs模型进行了大量的计算机模拟，并同时进行了许多野外实验研究，从而使该模型得到了进一步的完善和发展，并开始得到了人们的普遍承认。实际上，在BLAG模型近年的发展中，也逐渐开始接受了这一观点^［5，23］。另外，该学说还得到了地质演化事实的支持，因为在地质历史中，曾于700～600　Ma前出现的泛非事件形成的泛大陆和320～240　Ma形成的Pangea联合古陆，均曾有过大规模的大陆碰撞和广泛的高原山脉抬升，而这期间又无一例外的同时伴有大规模的冰川发育^［5］。

3　需要进一步研究的问题

　　Ruddiman等^［5］认为，当前在构造抬升对地表化学风化和气候变化影响研究上，需要进一步研究的问题主要是：
　　(1)关于地表化学风化的主要控制因素
　　如上所述，Raymo等人认为构造抬升和地形起伏是控制地表化学风化的主要因素。新生代抬升促进了造山带地区化学风化速率的提高。由于河流水化学溶质载荷直接揭示了流域盆地地表化学风化的过程和性质。Edmond等通过对现今地表在不同纬度带流经基岩地带未经人类污染的大河流及其主要支流水化学溶质载荷的比较研究后，认为气候（主要指温度/径流）在构造稳定地区对铝硅酸盐的风化影响较弱。同时，通过对美洲西部大陆弧在15°S～70°N范围中的大河流及其主要支流（如热带安底斯山脉的亚马逊河和奥里诺科河；诺基山脉中的Mackenzie，Frazer河和北极亚北极地区发育的育空河)进行对比研究后，发现铝硅酸盐岩的风化也主要是受岩性和地形变化控制，而受气候影响很小^［20］。另外，Summerfield等也认为地表化学剥蚀主要是受地形起伏的影响，而不是气候^［24］。但是，White和Blum^［25］在通过对现今地表小河流域盆地（流域面积在0.1～10　km²，下伏岩石主要为硅酸盐岩）河流水化学研究后认为，气候中的温度和降雨因素比地形和机械侵蚀对化学风化速率的影响更强烈。另外，实验室研究也表明硅酸盐矿物的溶解速度是与温度呈强烈正相关的，即温度高，溶解速度快^［26］。
　　总之，目前在有关地表化学风化速率（主要指硅酸盐岩化学风化）的控制变量上，还存在着较大的争论，尚需要进一步研究。
　　(2)关于海水Sr同位素是否可作为反映全球地表平均化学风化速率替代性标志问题
　　关于海水Sr同位素是否可作为反映全球地表平均化学风化速率替代性标志问题，目前也存在争论。Raymo等^［6］曾将海洋N(⁸⁷Sr)/N(⁸⁶Sr)自40　Ma以来的迅速提高（现为0.709　1）归因于全球地表化学风化在新生代的构造隆升，并认为海洋碳酸盐中的N(⁸⁷Sr)/N(⁸⁶Sr)同位素比率变化可作为全球地表硅酸盐化学风化的替代性标志。但是，Edmond和Huh则通过全球当代主要河流及其主要支流Sr同位素和冲积地球化学研究，认为不存在全球平均地壳风化这种说法，并认为晚新生代海洋N(⁸⁷Sr)/N(⁸⁶Sr)同位素变化是与印度板块与欧亚板块发生碰撞印度板块基底发生变质活化这种特殊构造事件有关，否定了将海洋Sr同位素记录作为全球地表化学风化变化的替代性指示^{［7，27,28］}。
　　(3)关于在造山带中化学风化何处更为强烈的问题
　　在造山带中，高海拔地带是斜坡坡度最大的地方，岩石块体坡移（mass wasting）和机械风化较强烈，致使岩石不断暴露和破碎；而在中低斜坡地带，降雨又比较集中；在下斜坡，其它因素如较高的气温和土壤中的碳酸盐等则有利于化学风化的进行。而在低地洪泛平原和三角洲地区，溢岸洪水、河道迁移引起的沉积物改造和海平面变化都将引起未风化沉积物的暴露和再暴露。因此，关于在具体的造山带地区，化学风化发生最大的位置则可能是与其具体的因素有关。
　　(4)关于气候变化的反馈机制
　　由构造抬升造成大气CO₂减少而引发的全球新生代气候变化所引起的气候正反馈变化和负反馈效应，也需要作进一步研究。
　　由构造抬升风化模型引起的气候正反馈认为，在活动造山带地球表面发生的真实抬升通过加速化学风化造成大气CO₂减少引起了气候变化，并由此引起已有的山脉地区发生活化侵蚀并将新鲜岩石不断暴露于地表，从而加速了CO₂消耗并进一步引起气候变冷、冰川作用和侵蚀发生。而地壳重力均衡回跳则可将未侵蚀的山峰又抬升到较高的海拨高度，从而产生更为强烈的风化^［5］。这个正反馈机制成功地解释了莫纳等关于山脉地区晚新生代抬升与全球气候变化鸡与蛋关系的问题^［29］。
　　然而，目前关于气候变化的负反馈机制，则存在较大争论，我们知道，在地球上自太古宙以来就开始有了生命的演化，全球平均气温可能大致在5～40　℃范围摆动。那么，相应于大气CO₂减少造成的气候变冷，就需要有一种负反馈机制来调节，以避免造成大气CO₂耗尽，出现极端的气候变化。目前在关于气候负反馈机制方面，主要存在两种观点：一是最早由Walker等人提出的气候“恒温器”模式^［18］。温度风化作用关系是其理论基础。它得到了BLAG模式的支持^{［19，23］}。该模式认为大气温度对地表化学风化有控制作用，当大气CO₂浓度下降引起了气候变冷，那么反过来，气候变冷又减缓了地表硅酸盐风化，减少了大气CO₂消耗速率，从而使大气CO₂维持在一个适宜人类生存的水平。而另一种观点是由Raymo等人提出的^［6］。Raymo等在明确拒绝了上述温度风化负反馈机制（temperature-weathering feedback）后，提出了3种负反馈机制来调节大气CO₂浓度和气候，即有机碳亚循环变化、深海硅酸盐矿物沉淀和海底洋壳玄武岩风化作用。
　　目前国际上在研究新生代构造抬升对地表化学风化和全球气候变化影响方面，都很重视喜马拉雅山地青藏高原隆升所产生的影响。而对地表化学风化的研究则是解决这一问题的主要关键之一。我国应该不失时机地加强对源于喜马拉雅—青藏高原河流，特别是世界级大河长江、黄河和恒河布拉马普特拉河（在我国境内称为雅鲁藏布江）在我国境内的研究，揭示这些流域盆地中正在发生的地表化学风化作用和它对全球地表化学风化和气候的影响。

基金项目：国土资源部1999年科技资助项目“青藏高原东部河流水化学和沉积地球化学”
作者简介：秦建华(1964—　)，男，副研究员，主要从事沉积学和沉积地球化学研究。
秦建华（中国地质调查局西南地调中心，四川成都 610082）
潘桂棠（成都地质矿产研究所，四川成都 610082）
杜谷（中国地质调查局西南地调中心，四川成都 610082）

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收稿日期：1999-10-01；修订日期：2000-01-13