Geology：古近紀晚期北美黃土的成因

2020-08-11 中科院地質地球所

Geology：古近紀晚期北美黃土的成因

黃土是一種風成沉積物，在全球廣泛分布，是古氣候的良好載體。其形成過程涉及粉塵源區的產生、大氣環流的搬運、粉塵的幹、溼沉降、堆積以後的成壤作用以及後期可能的侵蝕等諸多地質過程，涉及到地球各大圈層的相互作用及內在聯繫。關於黃土的形成過程，已有諸多研究。但是，全球氣候變化和構造活動對形成風成沉積物的控制作用一直存在爭論，最著名的就是中國黃土。亞洲中部地區的黃土形成於始新世晚期或始新世-漸新世（EO）轉換期間，全球變冷、副特提斯海退縮、青藏高原的隆升等地質過程，曾被認為是黃土形成的誘因。目前，以黃土為代表的風成沉積物其形成機制仍需進一步探討，這也涉及到對構造-氣候相互關係這一重要科學主題的探討。本文以美國黃土和中國黃土成因為例作簡要介紹。

美國西部也存在一個黃土高原。前人已經報導過該區的上新世黃土，但是它的時空模式和具體成因還未確定。該區黃土曾被認為在EO轉換期間初始形成於科羅拉多高原，上新世發育在落基山中部地區。有人將黃土東向年輕化僅僅歸因為於全球變冷。然而，有證據顯示北美科迪勒拉山脈在始新世晚期至漸新世期間，經歷了構造活化並抬升，這種新生代中期的構造抬升可以造成雨影效應並導致區域乾旱化，或對黃土形成有所影響。近期，德克薩斯大學阿靈頓分校的Majie Fan及其合作者們報導了美國西部高原的4個黃土剖面（圖1），從地層學、古氣候學、數值模擬角度分析了美國西部黃土的成因。結果表明，黃土形成時間比之前報導的更早，而且分布更加廣泛。他們通過一系列氣候模擬，驗證了全球變冷、海平面下降、區域地形變化對黃土形成的影響，探討了區域構造和全球氣候變化對黃土成因的控制作用。

圖1 美國西部4個黃土剖面簡況（Fan et al., 2020）

Fan et al.通過火山灰及碎屑巖的鋯石U-Pb年齡以及生物地層年代學約束，揭示風成沉積始於始新世晚期至漸新世早期，自西向東分別為36.0±0.3Ma、35.3±1.0Ma、33.0±0.4Ma以及31.6±0.5Ma（圖1），遞變年輕表明黃土形成的漸進式，始新世晚期在落基山中部率先形成，逐漸向東擴展到大平原地區。

他們利用ECHAM5大氣環流模型，分別模擬了EO轉換期間全球降溫、美國西部地形變化這兩個因素對風成沉積形成的影響。利用模擬的降水量減去蒸發量（precipitation minus evaporation，P-E）指標，觀察風成沉積東向擴張的可能原因。EO轉換期間，海平面下降約55米，全球CO2濃度下降，導致墨西哥灣海岸線向南退縮。由於始新世中期-漸新世期間，北美科迪勒拉山的隆升歷史尚存爭議，作者考慮了兩種地形條件：（1）科迪勒拉山腹地高地形持續至始新世中期，隨後降低；（2）科迪勒拉山南部在始新世晚期和漸新世期間活化抬升。兩種地形條件得到了不同的大氣環流和水量收支結果。科迪勒拉山南部海拔增加，阻擋了西風水汽，降低了科迪勒拉山腹地及其東部的P-E，加強了原北美季風，從而促使大平原西部和落基山中部的P-E增加（圖2E）。這一過程，導致了科迪勒拉山腹地和中部前陸盆地的乾旱化。這些乾旱區或可成為風成物質的潛在源區，並產生了沉降空間，可用於解釋科迪勒拉山前緣風成沉積率先形成。如果忽略地形影響，EO降溫和海退會降低落基山中部和大平原的P-E（圖2C和2F）。這一過程擴大了乾旱化範圍，促使北美季風退縮從而導致乾旱化東移，或可解釋風成沉積的東向擴展。

圖2 兩種不同地形條件下的古氣候模擬結果。A-C.北美科迪勒拉山海拔降低情形下的結果；D-F.科迪勒拉山南部構造抬升情形下的結果；B、E.始新世晚期扣減始新世中期的平衡溼度結果；C、F.始新世晚期扣減漸新世早期的平衡溼度結果，此二圖為疊加了EO降溫、海退及山間盆地充填的結果；灰色箭頭指示模擬的700hPa風場對年均氣候（A、D）和異常情形的響應（B、C、E、F）。彩色小圓點表示剖面所在地的P-E變化，紅色代表乾旱，藍色代表溼潤；紅色粗箭頭指示模擬區域主要水汽路徑（Fan etal., 2020）

美國西部風成沉積物代表的地質過程反映了古近紀晚期由區域構造抬升和全球氣候協同控制的大陸乾旱化過程。同樣，對於中國黃土而言，其形成之根本與中國西北內陸的構造活化密不可分。我們通常認為中國黃土高原的粉塵物質來源於中國北方的戈壁、沙漠（巴丹吉林、騰格里、毛烏素等），實際上這些地區僅是粉塵物質的「中轉站」，粉塵原產地應在中亞造山帶的阿爾泰山、杭愛山脈以及青藏高原東北緣的祁連山脈（Sun et al., 2018）。印度-歐亞板塊碰撞的遠程效應不僅影響了天山造山帶的構造復活，同樣導致了中亞內陸的戈壁阿爾泰山、杭愛山脈在晚新生代的構造復活和隆升。寒凍風化與冰川雙重作用產生的巨量碎屑物質被搬至山前，形成一系列衝洪積扇，加以風力參與才形成了向下風方向展布的戈壁、沙漠、黃土的空間分帶（圖3）（Sun et al., 2018）。所以，中國黃土粉塵物質的初始產區應在上風向的高山地區。造山帶隆升以及全球變冷導致的冰凍圈出現，最終造就了巨厚的中國黃土堆積（孫繼敏, 2020）。

圖3 高山過程與黃土堆積的動力學關聯（Sun et al., 2018）

近日，地科院礦產資源研究所的Xiaocan Yu在Marine and Petroleum Geology雜誌撰文，報導了江漢盆地上白堊統紅花套組中的風成沉積（圖4）。該組巖性主要為河流相和風成沉積交互出現，反映了古氣候的乾濕變化。物源和古流向分析表明黃陵穹隆、南秦嶺、大別造山帶為該組的主體碎屑源區。正是由於盆地周緣的造山作用和基巖物理風化，才為盆地中的古沙漠形成提供了豐富的砂源，晚白堊世江漢盆地的裂谷沉陷過程恰為風成物質提供了容納空間（圖5）。

以上三個示例表明，風成沉積物的形成並非孤立的地質過程，需要巖石圈的造山帶隆升、冰凍圈的寒凍風化、大氣環流的改變等諸多因素的配合。因此，應從地球系統科學的角度審視風成沉積物的形成過程，深入對地球圈層相互作用的理解。

圖4 江漢盆地上白堊統紅花套組含風成砂剖面的野外照片（Yu et al., 2020）

圖5 江漢盆地上白堊統紅花套組古地理和古氣候演化示意圖（Yu et al., 2020）

【致謝：感謝孫繼敏研究員對本文提出的寶貴修改建議。】

主要參考文獻

孫繼敏. 黃土沉積與地球圈層相互作用[J]. 第四紀研究, 2020, 40(1):1-7.

Fan M, Feng R, Geissman J W, et al. LatePaleogene emergence of a North American loess plateau[J]. Geology, 2020, 48:273–277.

Sun J, Ding Z, Xia X, et al. Detrital zirconevidence for the ternary sources of the Chinese Loess Plateau[J]. Journal ofAsian Earth Sciences, 2018, 155: 21-34.

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: 10439.

（撰稿：佚名/新生代室）

校對：張騰飛

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