兰州大学揭示黄土高原土从何来,详解黄土高原

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摘要:兰州大学揭示黄土高原土从何来 黄土高原的黄土从哪里来?黄土高原如何形成?“很难想象,黄土主要来自黄河,而非中亚沙漠。黄土高原储存了黄河从青藏高原东北部搬运来的细颗粒

兰州大学揭示黄土高原土从何来

黄土高原的黄土从哪里来?黄土高原如何形成?“很难想象,黄土主要来自黄河,而非中亚沙漠。黄土高原储存了黄河从青藏高原东北部搬运来的细颗粒物质。”兰州大学资源环境学院教授聂军胜说。该研究结果近日发表在《自然—通讯》。

巴丹吉林沙漠是我国第二大沙漠,拥有全世界最密集和最高大的沙丘群。前人对沙漠中高大沙丘的形成以及沙丘沉积记录的区域气候环境变化进行了一定的研究,但对沙漠沙源的研究较少,且多基于构造环境和粒度特征等推断。沙源是沙漠形成的物质基础,识别沙漠的物质来源有助于理解沙漠的形成和演化、各种地貌过程的相互作用以及对全球变化的响应,且对明确巴丹吉林沙漠是否可以作为黄土高原风尘沉积的物质来源也具有重要作用。

摘要: 2008年02月14日 09:37:11   【字号 大 中 小】 【留言】 【打印】 【关闭】 【Email推荐: 】 黄沙滚滚漫天飞舞,黄土高原在现代人眼中,是物产匮乏、土地贫瘠的代名词,然而在科学家眼里,黄土高原是一个无与..地球保存最完整天书?详解黄土高原3大疑问2008年02月14日 09:37:11   【字号 大 中 小】 【留言】 【打印】 【关闭】 黄沙滚滚漫天飞舞,黄土高原在现代人眼中,是物产匮乏、土地贫瘠的代名词,然而在科学家眼里,黄土高原是一个无与伦比的宝库。 黄土高原在历史上究竟是什么样的自然景观?是森林区?还是像现在这样光秃的荒草区?黄土高原是怎么形成的?高原上的黄土是土生土长,还是来自异国他乡?她又经历了怎样的变迁……中科院南京地质古生物研究所、中科院南京地理与湖泊研究所、兰州大学西部环境教育部重点实验室的专家唐领余、李春海、安成邦、汪卫国等人,利用植物“孢粉文字”破译出了黄土高原的历史变迁,还原出黄土高原4万年来的“变脸”过程。 种种疑问———疑问一:黄土高原曾是森林区? 黄土高原历史上究竟是什么自然景观?是森林区?还是像现在这样光秃的荒草区?有人认为黄土高原历史上就不是森林区,而属草原带。但大量事实证明:黄土高原历史上确是森林和森林草原地区,这是在黄土高原上进行过大量认真考察研究的科学家的共识。例如,我国古生物学家杨钟健于1929年到晋西陕北考察时,根据大量考证和调查材料断定当地原为森林地带,并对晋西陕北破坏森林后到处是荒山秃岭、沟壑纵横的情景很感慨地说:“这样摧残森林是可怕的。”1955年中国科学院黄河中游水土保持考察队在考察报告中明确指出:“从残存的原生植被来看,可以肯定,本区在农耕以前原始植被是属于森林和森林草原”。这一科学结论为大量历史资料所证实。 疑问二:高原上的黄土从何而来? 关于黄土的来源,长期以来,中外学者有过不同的争论。一种认为是这一地区盛行的偏北风把新疆、宁夏北部、内蒙古乃至远在中亚沙漠中的大量粉沙刮到黄土高原地区堆积下来,因为黄土高原与黄土底部的基岩成分不一样。黄土下部地貌形态多样,起伏比较大,但上部沉积黄土厚度大体相似,并有从东到西逐渐变薄的趋势,同黄土来源于西部的方向是一致的,这说明黄土是从别处搬过来的;但有不少科学家发现,黄土层的底部有一砾石层,而这浑圆的砾石层却是典型的河流沉积物,于是他们认为,黄土的原籍在黄河的上游,是河流把黄土冲刷下来形成的;还有一种观点认为黄土既不是风成的,也不是水成的,它是在原来的基础上不断风化形成的,是土生土长的;也有一种综合性观点,认为黄土高原既来自西北、中亚,由大风刮来,又有绵绵流动的河流携带而来,还有本地土生土长的基岩风化的,是在这三种力的共同作用下形成的。 1966—1999年间,发生在我国的持续两天以上的沙尘暴竟达60次。中科院刘东生院士认为,黄土高原应该说是沙尘暴的一个实验室,这个实验室积累了过去几百万年以来沙尘暴的记录。中国西北部沙漠和戈壁的风沙漫天漫地洒过来,每年都要在黄土高原上留下一层薄薄的黄土。 就像人们对黄土高坡吟唱不已一样,人们对黄土高原的来源也争论不休。 疑问三:黄土高原是地球保存最完整的“天书”? 地球上,历史痕迹的变化都或多或少可能通过地质现象来保存,但是这样的“天然记录”多是片断性的,不连续和不全面的,而黄土高原却是个“异类”。专家说,黄土高原的形成和青藏高原的隆升,加快了侵蚀和风化的速度,在高原周围的低洼地区堆积了大量卵石、沙子和更细的颗粒。每当大风骤起,在西部地区便形成飞沙走石、尘土弥漫的景象。被卷起的沙和尘土依次沉降,颗粒细小的粉尘最后降落到黄土高原区域,形成了一条荒凉地带。 印度板块向北移动与亚欧板块碰撞之后,印度大陆的地壳插入亚洲大陆的地壳之下,并把后者顶托起来。从而喜马拉雅地区的浅海消失了,喜马拉雅山开始形成并渐升渐高,青藏高原也被印度板块的挤压作用隆升起来。 然而东西走向的喜马拉雅山挡住了印度洋暖湿气团的向北移动,久而久之,中国的西北部地区越来越干旱,渐渐形成了大面积的沙漠和戈壁。这里就是堆积起了黄土高原的那些沙尘的发源地。体积巨大的青藏高原正好耸立在北半球的西风带中,240万年以来,它的高度不断增长着。青藏高原的宽度约占西风带的三分之一,把西风带的近地面层分为南北两支。南支沿喜马拉雅山南侧向东流动,北支从青藏高原的东北边缘开始向东流动,这支高空气流常年存在于3500—7000米的高空,成为搬运沙尘的主要动力。与此同时,由于青藏高原隆起,东亚季风也被加强了,从西北吹向东南的冬季风与西风急流一起,在中国北方制造了一个黄土高原。 专家说,从学术角度来讲,青藏高原隆升带来的干旱,使黄土高原成为地球上唯一一本保存完整的陆相沉积而成的“天书”。 谜底揭晓 植物孢粉推断:黄土高原最初并不姓“黄” 中科院南京地理与湖泊研究所的李春海副研究员告诉记者,古植物的孢子和花粉大量散布在黄土中。由于植物的孢粉外壁坚固,能够在地层中长时段埋藏而不腐烂,无论它飘落到哪里,就保存在哪里。李春海说,毫不夸张地说,孢粉的土壤保存年代可以达到上亿年。 李春海介绍,为了解黄土高原的“变脸”过程,专家们特意到黄土高原西部甘肃静宁县、秦安县、定西县等地采集黄土高原6个典型地质剖面的黄土标本,从中获得了700余块孢粉样本和209块表土孢粉样本,这近千份孢粉样本大约记录了公元前4.6万年至今黄土高原植被变迁过程。通过对碳14的测量,在6个典型剖面中共测得年代34个。经过分析,专家们发现,从黄土高原采集的20克样品中最多分离出孢粉颗粒达到1112粒左右,最少的则不足50粒,显示着4万多年来,环境和植被出现了巨大的变化过程。 李春海说,从孢粉的分析来看,发现了松、云杉、冷杉、铁杉、栎、菊科等数十种植物孢粉的记录,专家们认为黄土高原在最初的时候并不姓“黄”,在4.6万年的历史中,有一多半的时间,黄土高原是森林和草原的成分相互消长,在这段时间里,黄土高原经历过多次快速的“变脸”———历经过草原、森林草原、针叶林以及荒漠化草原和荒漠等多次转换。 -相关资料 黄土高原 黄土高原是中国四大高原之一,亦为世界著名的大面积黄土覆盖的高原,是中华民族古代文明的发祥地之一。高原横跨青、甘、宁、内蒙古、陕、晋、豫7省区大部或一部,面积约30万平方千米。高原由西北向东南倾斜,海拔多在1000—2000米。除许多石质山地外,大部分为厚层黄土覆盖。经流水长期强烈侵蚀,逐渐形成千沟万壑、地形支离破碎的特殊自然景观。黄土高原面积广阔,土层深厚,地貌复杂,水土流失严重,均为世所罕见。 高原上主要山脉太行山、吕梁山和六盘山把高原分隔成3部分:①山西高原。吕梁山以东至太行山西麓,有许多褶皱断块山岭和断陷盆地,山岭多呈北东走向,主峰海拔均超过2000米,山地下部多为黄土覆盖。②陕甘黄土高原。吕梁山和六盘山(陇山)之间黄土连续分布,厚度很大,其堆积顶面海拔一般在1000—1300米。地层出露完整,地貌形态多样,是中国黄土自然地理景观最典型的地区。③陇西高原。六盘山以西,高原海拔约2000米,黄土厚度逐渐增大,成为波状起伏的岭谷地形。 -相关链接 黄土高原是这样形成的 黄土高原在秦汉以前是森林和森林草原地带是确凿无疑的。但由于长期以来的人为破坏,使大面积的森林逐渐消失而成为今日的荒山秃岭。大规模破坏森林的方式包括战争破坏、营造宫殿、樵采、毁林开荒等。其中以毁林开荒对森林的破坏最为严重和彻底。 自秦汉以来黄土高原经历了三次滥伐滥垦高潮,第一次是秦汉时期的大规模“屯垦”(边防军有组织大垦荒)和“移民实边”开垦。这次大“屯垦”使晋北陕北的森林遭到大规模破坏。第二次是明王朝推行的大规模“屯垦”,使黄土高原北部的生态环境遭到空前浩劫。据考证,明初在黄土高原北部陕北(延安、绥德、榆林地区)和晋北大力推行“屯田”制,竟强行规定每位边防战士毁林开荒任务。从这里我们不难看出,明代推行“屯田”制对环境破坏之严重。第三次大垦荒是清代,清代曾推行奖励垦荒制度,垦荒范畴自陕北、晋北而北移至内蒙古南部,黄土高原北部和鄂尔多斯高原数以百万亩计的草原被开垦为农田,使大面积的土地沙化,水土流失加剧。 100多年来,许多科学家致力于这一问题的研究,提出了几十种假说。但近二三十年,更多的科学家赞同黄土风成学说。按照黄土风成学说的解释,黄土高原是这样形成的:在蒙古、中亚和我国西北一带的荒漠地区,气候干燥,温差很大,由于热胀冷缩的作用,使岩石、砂砾等被“加工粉碎”成细小的沙子和粉尘。强劲的西北风将以百万吨计的细沙和粉尘旋入天空,随风南下。于是粗粒的先沉降下来聚成沙漠,细粒的则被飘移至秦岭北麓。经过二三百万年的搬运堆积,终于形成了黄土高原。 科学在不断发展,近年来科学家发现许多现象是黄土风成学说无法解释的。譬如,黄土中粗粉沙含量由西北向东南递减,黏土的含量却从西北向东南递增,这种自西北向东南的有规律的排列呈叠瓦阶梯状的分布过渡,而不是平面模糊过渡。这种叠瓦阶梯状的分布过渡更像是洪水的杰作等等。(编辑: 郭小夏 来源:科技日报)

本报讯黄土高原的黄土从哪里来?黄土高原如何形成?“很难想象,黄土主要来自黄河,而非中亚沙漠。黄土高原储存了黄河从青藏高原东北部搬运来的细颗粒物质。”兰州大学资源环境学院教授聂军胜说。该研究结果近日发表在《自然—通讯》。

关于黄土高原上黄土的来源,科学家曾提出多种假设,其中,“风成说”得到广泛支持,即认为其黄土物质是从中亚、蒙古等地的荒漠、戈壁吹过来的。对于黄土与黄河的关系,学术界普遍认为黄土高原的侵蚀为中游黄河提供了泥沙。“但实验结果完全相反。”聂军胜说,结果表明黄河上游物质跟黄土高原物质的地球化学特征非常相似,与黄河中游的地球化学特征有显著差异。

中国科学院地质与地球物理研究所新生代地质与环境研究室博士生胡凡根和导师杨小平通过对巴丹吉林沙漠风成沙丘表沙、河湖相沉积物及其东北部苏宏图盆地红色沙丘表沙主量元素、微量元素和稀土元素特征的系统分析,探讨了巴丹吉林沙漠的物质来源及其对黄土高原风尘沉积物源的指示意义。

关于黄土高原上黄土的来源,科学家曾提出多种假设,其中,“风成说”得到广泛支持,即认为其黄土物质是从中亚、蒙古等地的荒漠、戈壁吹过来的。对于黄土与黄河的关系,学术界普遍认为黄土高原的侵蚀为中游黄河提供了泥沙。“但实验结果完全相反。”聂军胜说,结果表明黄河上游物质跟黄土高原物质的地球化学特征非常相似,与黄河中游的地球化学特征有显著差异。

聂军胜与兰州大学教授潘保田、南京大学教授鹿化煜及国外团队合作,比较了黄河、黄土、中亚沙漠沉积物的地球化学性质,发现黄河从青藏高原搬运来的物质大部分没有到达中游,反而沉积在银川—河套地区,并被冬季风搬运到了黄土高原和毛乌素沙漠。这一结果表明,青藏高原东北部剥蚀的物质并没有被黄河运输到海洋,而是储存在黄土高原和沙漠地区。

地球化学分析结果显示,巴丹吉林沙漠表沙和红色沙丘表沙具有不同的地球化学特征,说明巴丹吉林沙漠表沙和红色沙丘表沙具有不同的物质来源,具体表现为:红色沙丘表沙具有更大的Zr/Hf、LaN/YbN、GdN/ErN比值和较小的La/Th比值;红色沙丘的物源中可能含有更多的磷钇矿的存在,控制二者Eu的矿物不同以及它们的锆石来自于不同的源区;巴丹吉林表沙具有相对较高的Cr/V比值和较低的Y/Ni比值,超镁铁质组分含量更高。另外,巴丹吉林沙漠表沙和河湖相沉积物都具有Ce负异常,但河湖相沉积物Ce负异常更显著,说明巴丹吉林沙漠的物源与沙漠西部广泛存在的河湖相沉积物密切相关,沙漠表沙继承了河湖相沉积物Ce负异常的特征。

聂军胜与兰州大学教授潘保田、南京大学教授鹿化煜及国外团队合作,比较了黄河、黄土、中亚沙漠沉积物的地球化学性质,发现黄河从青藏高原搬运来的物质大部分没有到达中游,反而沉积在银川—河套地区,并被冬季风搬运到了黄土高原和毛乌素沙漠。这一结果表明,青藏高原东北部剥蚀的物质并没有被黄河运输到海洋,而是储存在黄土高原和沙漠地区。

此外,研究组还发现,黄河的出现可能跟360万年前东亚夏季风的增强有关,季风的增强和高原的隆升可能导致了青藏高原风化剥蚀加强,造成了大气中二氧化碳浓度降低,是北半球冰期开始的一个重要驱动力。

为了探讨巴丹吉林沙漠和红色沙丘的最终物源,他们对其地球化学特征与其潜在物源区岩石地球化学特征进行对比。根据对比结果,结合地貌、古气候背景和风况分析,他们认为巴丹吉林沙漠物源主要来自祁连山和蒙古戈壁-阿尔泰山风化碎屑物质的二元混合。一方面大量的祁连山风化碎屑物质可通过河流带到黑河冲积扇,这些冲积扇物质在风的作用下源源不断地对巴丹吉林沙漠进行补给;另一方面沙漠北部的阿尔泰山物质和蒙古戈壁广泛存在的河湖相沉积物通过河流和风蚀过程被带入额济纳盆地,最终在风力作用下搬运到巴丹吉林沙漠;然而,阿尔泰山-蒙古戈壁沉积物对巴丹吉林沙漠贡献较小,且越往南越小。

此外,研究组还发现,黄河的出现可能跟360万年前东亚夏季风的增强有关,季风的增强和高原的隆升可能导致了青藏高原风化剥蚀加强,造成了大气中二氧化碳浓度降低,是北半球冰期开始的一个重要驱动力。

此外,作者认为巴丹吉林沙漠物源主要来源于青藏高原北缘的祁连山说明:黄土高原黄土与柴达木盆地、毛乌素沙地、黄河沉积物(他们的最终物源区都为青藏高原)具有相似的锆石年龄谱特征并不能直接证明其物源直接来源于柴达木盆地、毛乌素沙地,也有可能是由西北风作用下从巴丹吉林沙漠带来。

威尼斯国际平台app ,《中国科学报》 (2015-10-15 第4版 综合)

该研究成果近期发表在国际地学期刊Quaternary Science Reviews(Hu et al. Geochemical and geomorphological evidence for the provenance of aeolian deposits in the Badain Jaran Desert, northwestern China. Quaternary Science Reviews, 2016, 131: 179-192)。

原文链接

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图1 巴丹吉林沙漠表沙样品采样点分布及周边气象站风况与输沙势

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图2 巴丹吉林沙漠物质来源和搬运方式、路径示意图

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