第二次青藏科考之藏西風化剝蝕考察

  科學指導:金章東
  
  滿江紅 千仞高原

  千仞高原,穿蒼穹,雄鷹峻霸。旖旎處,羚羊疾飛,寒山蕭殺。秋意微涼念烈日,暮色云天影西霞。蘭草漾、湖光粼驚鳥,風飛沙。

  牧人苒,度晴夏。山巒絕,盡足下。馬背馳遼闊,嘯逢仰恰。長路崎嶇向阿里,一曲一措皆羅加。瀚途間,風霜沒乾坤,雪域颯。

   

  千仞高原  絕頂一覽眾山小

  引言  青藏高原剝蝕風化作用的重要性

      在大陸剝蝕風化過程中,地表物質從陸地向湖泊/海洋的遷移,調節全球營養鹽循環和生命演替,最重要的是硅酸鹽巖風化通過消耗大氣CO2調控長時間尺度的碳循環和氣候變化,從而深刻影響著地球的宜居性(Walker et al., 1981;Berner et al., 1983;Hilton and West, 2020;Tang et al., 2021)。

        作為新生代以來全球最重要的碰撞造山帶,青藏高原地區新生代以來構造活動極為頻繁,一直以來是研究構造運動、大陸剝蝕風化與氣候變化之間科學關系的關鍵和熱點區域。
Galy和France-Lanord(2001)指出發源于青藏高原南緣的河流(Ganges-Brahmaputra River)相比全球平均值而言,具有更高的侵蝕風化速率,有力地支持了Raymo和Ruddiman(1992)提出的青藏高原隆升引起風化剝蝕加速進而導致的新生代變冷的假說。
       此后,West et al.(2005)研究認為,物理侵蝕達到臨界值后,受限于化學風化動力學限制,化學風化不再隨物理侵蝕升高而增加,即搬運限制vs.風化限制。然而,最近的研究卻發現,化學風化在極端高剝蝕區似乎確實隨著物理剝蝕的增強而持續增加(Larsen et al., 2014),這對經典風化動力學提出了新的挑戰。因此,有必要在極端高剝蝕條件下直接探索物理侵蝕與化學風化之間的關系,證實/證偽以上假說。這也是第二次青藏高原綜合科學考察研究所設置專題“高原風化剝蝕歷史及氣候環境效應”的核心任務之一。在第二次青藏科考的契機下,全面適時開啟高原周邊和內部剝蝕風化的基礎研究,2021年我們進軍的目的地號稱“天上阿里”的藏西無人區。
  
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  一、 天上阿里 中緯極地

     阿里地區位于中國西南邊陲、西藏自治區西部、青藏高原北部。其行政區橫跨羌塘高原腹地、西喜馬拉雅及岡底斯等地質構造區,地處青藏高原北部-羌塘高原核心地帶。東起唐古拉山脈以西的雜美山,與那曲地區相連;西及西南部抵喜瑪拉雅山西段,與印度、尼泊爾及克什米爾地區毗鄰;南連岡底斯山中段,臨日喀則地區仲巴縣、薩嘎縣;北倚昆侖山脈南麓,與中國的新疆維吾爾自治區相鄰。其介于東經78°24′--86°20′,北緯29°41′--35°52′之間,東西跨度742千米,南北跨度688千米,面積約34.5萬平方公里。境內分布有多條高大山脈,平均海拔4500米以上,號稱“世界屋脊之屋脊”,因此被稱為天上阿里。

   

  阿里地區地理位置圖

  總體上西部眾山匯集、地勢高亢,現代冰川雪被發育;東部羌塘高原區,地形相對開闊平坦,山脈起伏不大,山間湖盆廣布。

  縱觀阿里全區,西北部受昆侖緯向構造帶和喀喇昆侖弧形構造帶的控制,聳立起了與構造形跡同向的呈弧形展布的昆侖山脈與喀喇昆侖山脈,其間形成了一系列弧形斷陷谷地,西南部及中部大面積的羌塘高原區,受北東向、北西向兩組構造的穿插切割,山脈不連續,起伏大,山間形成了眾多高海拔湖盆。削高填低的剝蝕風化作用,塑造出了千差萬別的地貌形態。

  阿里地區基本屬于高原季風氣候,夏季一般為青藏高壓控制,印度洋季風可沿河谷進入,造成降水,但其影響遠不及高原東部。冬春主要受西風環流影響,造成大風和強降溫。

  在地理位置、海拔高度、太陽輻射、地形和大氣環流的綜合影響下,全區形成了不同氣候區,即南部普蘭、札達一帶為高原溫帶季風半干旱氣候;中部噶爾和日、革吉、改則的南部以及措勤為高原亞寒帶季風干旱氣候;北部羌塘高原為寒帶季風干旱氣候,具有高寒缺氧、氣壓低、多雷暴、多冰雹、降水少、蒸發量大、日照時間長、大風盛行的特點。氣候條件十分惡劣,被稱之為中緯極地。

   

  達繞措

  在藍色星球上平均海拔最高的條件下,阿里地區物理剝蝕極其強烈,其作用包括凍融冰劈、行星風劈、重力坍塌等,沿219、317、318國道到處可見雜亂的物理剝蝕堆積物。然而,本區平均海拔在4663 m左右,飛鳥絕跡,是西藏三大無人區之一,有關風化、剝蝕的研究幾近空白。

  本次科考選擇阿里地區作為科考目的地之一,考察在極端高物理剝蝕條件下,化學風化對高原隆升和氣候變化的響應,或為解決上述物理剝蝕與化學風化之間關系的爭議提供新的視角和證據。

   

  青藏高原風化剝蝕科學考察隊

   

  藏羚羊

  二、 地熱廣布

  阿里地區蘊藏著豐富的地熱能,有獅泉河—雅魯藏布江地熱帶,昆侖山—可可西里地熱帶,岡底斯山—念青唐古拉山地熱帶。

  阿里地熱顯示具有數量多,形式多樣,水溫高和活動強度大的特點。地熱活動類型有溫泉(25℃~60℃)、熱泉(60℃~95℃)、沸泉(>95℃)、噴氣孔,冒氣地面,熱水湖等。

  阿里現已查明28處地熱泉,其他熱水活動區21處,阿里地區所轄7個縣,每個縣都有地熱泉分布,且呈現出一定的規律,地熱泉的密集程度從北往南由疏到密,泉水溫度也由低到高(廖光宇等,2005)。在碳中和的背景下,合理利用地熱資源將變的尤具前景。

  溫度從來都被認為是化學風化的重要控制要素之一,這也是地質空調假說的核心論據。

  然而,以往對化學風化的研究中,溫度要素都只能從眾多因素中間接獲取。地熱為研究化學風化過程中,溫度的作用提供了絕無僅有的直接視角。因此,直接在阿里無人區地熱廣布處開展溫度梯度對化學風化的影響及化學風化對溫度的響應將引領新的風化研究潮流。部分成果可以對太陽系內行星風化研究起到借鑒作用。

   

  陷入沼澤的防水鞋

 

  三、科考收獲

  本次科考的路線極其艱辛,藏西羌塘無人區相間幾百公里才能碰到居民聚居點,早晨需要摸黑起床趕路,否則晚上趕不到下一個居民點是非常危險的事情。藏區的旅店提供的早餐都要等到9點才供應(時差~1.5小時),這時候外面也沒有餐廳開門,因此我們只能帶一些餅干、干糧行路。中午在牧區考察連信號都沒有,更不用提午飯。偶爾遇到牧民,會提供一些純天然酥油茶,就著面包會是特別幸福的一天。

  有艱苦卓越付出就有如涌泉般豐厚的回報,本次科考到目前為止,已經采集到了一批特別珍貴的樣品,包括海拔6800米的雪山雪、受地下高壓作用超過110度的沸泉水、地熱區受梯度溫度控制的化學風化(蝕變)樣品、無人區的自然風化剝蝕樣品等。這些樣品在現代大型儀器的測量下,將向科研工作者傾訴阿里地區風化剝蝕史、碳中和史及其效應等科學問題的答案。這些樣品來之不易,歡迎有新的科學想法、想的科學問題的老師、同學們共同研究這些樣品。

   

  青藏高原科考前輩

   

  四、致謝

  藏區牧民提供非金錢所能丈量之幫助;感謝前赴后繼的科考隊員們不畏艱險,用青春熱血筑起研究自然的最前線,一厘一寸拓展人類的認知邊界,尤其感謝第一次青藏科考的前輩科學家的求索精神,指引著我們前行。

  

參考文獻:
廖光宇 等,青藏高原古近紀-新近紀地層分區與序列及其對隆升的響應[J]. 中國科學:地球科學, 2010(12):1632-1654.
Berner, R.A. (1993) Paleozoic atmospheric CO2: Importance of solar radiation and plant evolution. Science 261, 68-70.
Galy, A. and France-Lanord, C. (1999) Weathering processes in the Ganges-Brahmaputra basin and the riverine alkalinity budget. Chemical Geology 159, 31-60.
Hilton, R.G. and West, A.J. (2020) Mountains, erosion and the carbon cycle. Nature Reviews Earth & Environment 1, 284-299.
Larsen, I.J., Almond, P.C., Eger, A., Stone, J.O., Montgomery, D.R. and Malcolm, B. (2014) Rapid soil production and weathering in the southern Alps, New Zealand. Science 343, 637-640.
Raymo, M.E. and Ruddiman, W.F. (1992) Tectonic forcing of late Cenozoic climate. Nature 359, 117-122.
Tang, M., Chu, X., Hao, J. and Shen, B. (2021) Orogenic quiescence in Earth’s middle age. Science 371, 728-731.
Walker, J.C.G., Hays, P.B. and Kasting, J.F. (1981) A negative feedback mechanism for the long-term stabilization of Earth's surface temperature. Journal of Geophysical Research: Oceans 86, 9776-9782.

 

  

  

West, A.J., Galy, A. and Bickle, M. (2005) Tectonic and climatic controls on silicate weathering. Earth and Planetary Science Letters 235, 211-228.

 

  

  

 

  


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