我系在秦岭新生代构造、地貌、环境与生态系统协同演化研究方面取得新进展
2022-05-05 20:56:00李哲萱

秦岭造山带东连桐柏-大别山,西接祁连山和昆仑山,东西延伸2000多公里,横贯中国大陆腹地,不仅是中国南北大陆的地质和地理边界,也是中国南北不同的气候、环境、经济乃至文化的分界线(图1)。近期,澳门威斯尼斯人app下载安装“大陆构造”学科团队董云鹏教授及其团队成员基于深部地质过程-浅表构造地貌-气候环境变迁-生物多样性协同演化的科学理念(图2),研究秦岭新生代隆升过程的深部动力学与浅表构造地貌的耦合过程,探讨山脉隆升引起的气候环境变迁、生态系统演化和生物多样性,为理解中国乃至东亚地区自然环境变化与人类社会、经济、文化之间的协同演化关系等提供了新的视角。

图1 (a) 中国大陆构造简图及秦岭造山带位置(Dong et al., 2015);(b) 秦岭造山带构造及地质简图(Dong and Santosh, 2016);(c) 秦岭造山带构造剖面及构造单元区划图(Dong et al., 2021)。

图2 深部地质-构造地貌-气候环境-生态系统协同演化模型图

秦岭造山带形成于古生代-早中生代华北板块和华南板块沿商丹缝合带和勉略缝合带的俯冲-碰撞造山作用,以及中生代多期陆内造山作用的叠加改造(图3)。

新生代,在太平洋板块向西俯冲、印度板块向北碰撞、以及北侧西伯利亚板块向南抵挡的三面围限作用下,中国大陆中部的秦岭造山带发生了强烈的构造活动,深部的地质作用及其动力学驱动浅表构造地貌多阶段差异隆升和剥露过程。低温热年代学和地质多学科综合研究揭示秦岭新生代以来经历了强烈、复杂、多样的现代构造地貌过程,突出地表现为∼45−40 Ma至∼25 Ma和∼10 Ma以来的快速隆升剥露(图4),而其北侧渭河地堑则相应地发生强烈伸展断陷,沉积了>7 km 的巨厚沉积物(图5)。夷平面和河流阶地记录了秦岭新生代构造隆升的精细过程,揭示出秦岭北缘5级夷平面(图6),时代分别为:K2-E1(100-65 Ma)、E2-E3(40 Ma)、N1(24 Ma)、N2(5 Ma)、Q1(1.8 Ma)。同时,秦岭山前发育5级河流阶地,各级阶地形成年龄分别为2.6 Ma、1.2 Ma、0.9 Ma、0.65 Ma、0.15 Ma。早期夷平面的形成可能与晚白垩世至新生代早期秦岭造山带的剥蚀夷平有关(100-65和40 Ma),并由于新生代晚期强烈的构造作用而抬升到现在的高度。晚期夷平面和河流阶地的形成年龄与青藏高原周期性隆升的时间相吻合,反映出这些夷平面和河流阶地的形成与青藏高原的向外生长有关。

图3 秦岭造山带构造演化历史模式图(Dong et al., 2021)

图4 秦岭造山带新生代构造剥露历史

图5 渭河地堑与秦岭山脉耦合的构造模式图

图6 秦岭山脉古夷平面综合剖面图(滕志宏和王晓红, 1996)

构造地貌最突出地表现为山脉隆升,进而影响大气环流、季风、降水等气候和环境的变化。古生物化石记录的古地理和古气候信息表明,秦岭经历了始新世初始隆升、中新世强烈隆升、更新世至全新世快速隆升三个阶段,在晚更新世基本上升到现在的高度,海拔一般在2000-3000 m之间,对冬季风南移和夏季风北移起到了屏障作用(图7),使得冬季秦岭南北温差可达6-7℃,最高可达10℃以上,南秦岭年降水量一般接近1000 mm,北秦岭年降水量不足800 mm。因此,在秦岭以北形成了温带季风气候,而秦岭以南为亚热带季风气候。

图7 秦岭及南北两侧的三维可视图,显示了秦岭南北两侧的气候差异

气候和地形演化的相互作用导致了更高的物种形成率和独特的物种共存和维持机会,最终导致山区生物多样性超高。由于南北气候环境不同,秦岭以北形成了温带落叶阔叶林带,秦岭以南形成了亚热带常绿阔叶林带,而秦岭山区的植物出现由北向南的过渡性混合分布。由于海拔较高,秦岭山脉的植被呈现出明显的垂直分布格局(图8)。此外,秦岭有国家重点保护动物80种,包括金丝猴、大熊猫、朱鹮、羚牛等国家一级保护动物。丰富的生物资源构成了秦岭的生物多样性,在维护自然景观和生态平衡方面发挥着非常重要的作用。

图8 (a) 秦岭引起气团抬升,空气湿度发生变化,从而引起降水量的空间变化;此外,山脉地形也会影响温度的空间变化。(b) 秦岭山脉植被的垂直地带分布模式图。

综合上述多学科研究表明,新生代以来秦岭受控于青藏高原向外扩张和太平洋板块向西俯冲的动力学背景,强烈的深部动力学和地质作用驱动着浅表构造地貌响应,山脉经历了多阶段快速隆升,导致了华北、华南和秦岭山脉的不同气候类型和环境演变,进而形成了秦岭内部的生物多样性和中国南北生物差异性。因此,秦岭新生代深部地质、构造地貌、气候环境和生态系统经历了一个协同演化的过程。

该研究成果对“地球系统多圈层相互作用” 这一国际热门研究领域做出了重要贡献。 相关成果发表在国际期刊“Geosystems and Geoenvironment”上,我系董云鹏教授为文章第一作者及通讯作者。此项研究工作得到了国家自然科学基金项目(41930217,42042006,42022016,41902208)和陕西高校青年创新团队的资助。


文章信息:Dong, Y.P.*, Shi, X.H., Sun, S.S., Sun, J.P., Hui, B., He, D.F., Chong, F.B., Yang, Z., 2022. Co-evolution of the Cenozoic tectonics, geomorphology, environment and ecosystem in the Qinling Mountains and adjacent areas, Central China. Geosystems and Geoenvironment 1(2), 100032.

文章连接:https://doi.org/10.1016/j.geogeo.2022.100032