李林
1. 碳酸盐同位素古高度计
碳酸盐同位素古高度计可以分为两类：稳定同位素古高度计（stable isotope-based paleoaltimeter）和团簇同位素古高度计（clumped isotope-based paleoaltimeter）。
稳定同位素古高度计的原理是大气降水的氧同位素值（d18Op）随海拔升高而降低（图1）。这是因为水汽在凝结形成降水的过程中，相较于轻的同位素（如16O），重的同位素（如18O）会优先进入液相的水滴，从而使得剩余水汽以及后续降水中的18O变少（氧同位素值变小）。
团簇同位素古高度计的理论依据是空气温度随海拔升高而降低（图1）。碳酸盐矿物如果记录了古降水的氧同位素值以及形成时的环境温度，可以用做定量恢复古高度的指标。碳酸盐矿物的团簇同位素值反映的是矿物中重同位素健的含量，如18O-13C。因为重同位素健具有较低的震动势能和频率，使得其在低温下更稳定，因此相比高温时含量更高。这一特性使得团簇同位素可以用来直接恢复矿物形成时的古温度。
图1 稳定和团簇同位素古高度计应用原理。引用自Poage and Chamberlain (2006)
2. 如何重建大陆内部复杂水汽区域古高度？
对于稳定同位素古高度计，其应用需要满足两个基本条件：1）单一水汽来源；2）在降水过程中，同位素变化遵循瑞利分馏定律（Rayleigh distillation）。已有研究表明，在喜马拉雅山和青藏高原南部（如冈底斯山），降水符合上述要求（Bershaw et al., 2012）。但是，该古高度计在青藏高原中北部的应用却产生较大的误差，且不同研究者之间得到的结论也相差甚大。我们利用青藏高原地区现今地表河水同位素的空间变化来研究产生这一现象的原因（图2）。结合水汽来源分析以及同位素变化模拟，我们的结果表明，在青藏高原中部存在两个不同来源的水汽（印度季风水汽和西风带水汽），而且该地区的干旱气候条件导致发生地表水再循环以及云下蒸发等非瑞利分馏过程（Li and Garzione, 2017）。
基于此，我们认为，传统稳定同位素古高度计方法不能直接用于青藏高原中北部地区的古高度重建。对于这一难题，我们进行了创新性的改进：针对西风带和印度季风水汽来源，我们采用不同的公式，对二者分别进行评估，然后将其在目标区域进行混合（Li et al., 2019）。基于改进后的评估方案，我们计算得到青藏高原中东部囊谦盆地在晚始新世的海拔高度约为3 km。
图2 青藏高原地区地表河水氧和氢同位素空间变化（A和B，每一个点代表一个地表水样），以及相对应的等值线图（C和D）。引用自Li and Garzione (2017)
3. 稳定同位素古高度计能否有效揭示青藏高原中部班公湖缝合带的古高度？
近些年，在青藏高原中部，尤其是伦坡拉盆地，随着不断增多的定量古高度学研究，一个普遍的观点是班公湖缝合带区域在古近纪时是一个海拔较低的山谷，夹在海拔较高的南侧冈底斯山和北侧唐古拉山之间（Ding et al., 2014）。这一结论促使一些研究者提出“幽灵高原（Phantom Plateau）”假说（Spicer et al., 2020）。该假说认为，由于冈底斯山高海拔的阻挡，印度水汽越过其后进入北侧较低的班公缝合带，形成的降水的氧同位素值反映冈底斯山的高度，而非缝合带谷地的高度。如果这一猜测是正确的，则我们将不能够通过稳定同位素古高度计获取班公湖缝合带的古高度。
“幽灵高原”假说成立的前提是，印度水汽需要翻越冈底斯山才能进入北侧的班公缝合带谷地。然而实际上，印度水汽可能通过一个宽阔的低海拔通道进入。一个类似的例子是现今的雅鲁藏布江谷地，谷地内的水汽不是印度水汽翻越高耸的喜马拉雅山从南侧进入，而是通过宽阔的雅鲁藏布江大峡谷从东侧进入。雅鲁藏布江谷地内现今地表水氧同位素值的东西向变化清晰反映了这一水汽运移特征（图3，白色箭头）。对于古近纪时期的班公缝合带，很可能存在类似的谷地和大峡谷，但海拔自东向西递减（图3）。因此，我们认为，班公缝合带盆地内的碳酸盐矿物的稳定同位素仍能够记录盆地的海拔：或者盆地基底海拔，或者汇水流域的平均海拔（Li et al. 2022）。
图3 青藏高原地貌图
其中标出了班公缝合带内三个盆地（伦坡拉，尼玛，和改则）在始新世时的可能海拔高度。在雅鲁藏布江谷地，现今地表水氧同位素值自东向西逐渐变低，表明谷地内水汽主要顺河谷由东（低海拔）向西（高海拔）输送，而非直接跨越喜马拉雅山。引用自Li et al. (2022)
4. 如何去除湖水蒸发作用对古高度计算的影响？
湖相碳酸盐矿物和古土壤碳酸盐矿物的稳定氧同位素都可以用来恢复古高度。在青藏高原地区，极度干旱的气候条件抑制了土壤碳酸盐矿物的形成；而大量内流水系的发育沉积了丰富的湖相碳酸盐矿物。湖水，尤其在干旱区的封闭湖盆内，易受蒸发作用影响而丢失较轻的同位素。因此，湖相碳酸盐矿物的氧同位素值一般偏正，利用其得到的古高度值偏低。那么，如何去除湖水蒸发作用对古高度计算的影响呢？一种手段是通过三氧同位素（triple oxygen）（Passey et al.，2019）；另一种手段可以通过如图4左下小图所示的方法：局地蒸发曲线（LEL）与局地降水曲线（LMWL）的交汇代表的是未受蒸发作用影响的湖水同位素值（Li et al., 2022）。
这种方法的难点是如何恢复古局地蒸发曲线，我们需要获取氧和氢两个端元的信息（图4）。碳酸盐矿物的氧同位素值可以作为一个端元。而对于氢同位素端元，前人试图利用湖相沉积物中有机质（lipid biomarker）的氢同位素。然而，湖相有机物虽然有在湖水中生成的，但主要来源是土壤生成并被水流搬运到湖泊中的，尤其是长链正构烷烃（n-alkane）。因此有机质的氢同位素并不是一个理想指标，而是土壤水和湖泊水的一个混合信号。在伦坡拉盆地，存在若干湖相凝灰岩层，这些凝灰岩中的火山玻璃在落入湖水中沉积时发生水化作用，从而记录湖水的氢同位素值。我们通过湖相碳酸盐矿物的氧同位素值以及凝灰岩中火山玻璃的的氢同位素值建立伦坡拉盆地早中新世湖水的局地蒸发曲线，从而反向推导得到未受蒸发影响的降水值，最终得到早中新世伦坡拉盆地的汇水盆地的海拔在4.2–4.9 km（Li et al., 2022）。
图4 稳定同位素古高度计常见同位素指标。LMWL，局地降水曲线；LEL，局地蒸发曲线。引用自Li et al. (2022)
5. 如何利用湖相碳酸盐矿物的团簇同位素温度计恢复古高度？
对于湖相碳酸盐矿物，除了稳定同位素古高度计，我们还可以利用其团簇同位素温度计来定量恢复古高度。除了地质历史时期的古温度梯度不好准确限定外，湖相碳酸盐矿物团簇同位素古温标的另一个难点是如何将碳酸盐矿物的形成温度转换为空气温度。这里涉及到湖相碳酸盐矿物的团簇同位素温度代表水体的什么温度：表层湖水温度亦或底层湖水温度？夏季湖水温度亦或全年平均湖水温度？这些问题的确定与湖相碳酸盐矿物的形成机制密切相关。然而目前为止还没有可靠且有效的方法可以准确识别湖相泥晶碳酸盐矿物的具体形成机制。我们的解决方法是比较同一盆地不同时代的相同类型湖相碳酸盐矿物的团簇同位素温度。通过比较相对温度差异来推测海拔变化。利用这种方法，我们得出青藏高原中北部可可西里盆地在19Ma至12Ma湖水温度降低了7.6±3.5 ℃，扣除因全球气候变冷造成的～2.5 ℃的温差，剩余的5.1±3.5 ℃的温度降低最有可能代表海拔升高了1.0±0.7 km（图5A）（Li and Garzione, 2023）。通过这项研究，并结合前人研究成果，我们得到可可西里盆地的古高度演化历史（图5B）：在80–50Ma，海拔不超过2km，随后一直缓慢生长到中中新世，在12 Ma达到现今的高度。
图5 可可西里盆地中新世湖相碳酸盐矿物团簇同位素温度变化（A）以及推测的80 Ma以来的古高度演化历史（B）。引用自Li and Garzione (2023)
6. 青藏高原可可西里盆地的构造-隆升历史
结合可可西里盆地的构造演化历史（前陆盆地转换为内陆盆地；Li et al., 2018）和古高度变化历史（图5B）（Li and Garzione, 2023），我们得到如下的青藏高原中北部可可西里地区的构造-隆升历史（图6）：
在晚白垩纪到始新世早期，可可西里盆地受控于南部的唐古拉山断裂带向北的逆冲，形成一个前陆盆地，接受巨厚的风火山群沉积，以冲积扇相和河流相沉积为主。此时前陆盆地的海拔不超过2 km（图6A）。
从始新世中期到渐新世晚期，可可西里盆地由前陆盆地转变为内地盆地，盆地内部的三叠纪以及风火山群地层发生挤压缩短和地壳增厚，盆地海拔也随之升高到约3 km（图6B）。
进入中新世，区域挤压应力场消失，整个地区进入构造平静期，沉积五道梁群湖相碳酸盐岩。我们的图簇同位素古温度数据表明，五道梁群沉积时，地表发生超过1.0 ± 0.7 km的隆升。这一时期，上地壳缩短已然停止，因此造成地表隆升的机制只可能来自于岩石圈下部。我们认为造成可可西里盆地中新世地表隆升的可能深部过程包括：1）来自于海拔较高的唐古拉山地区的中下地壳流（middle-lower crustal flow）；2）来自于底侵岩浆岩造成的地壳增厚（magmatic inflation）；3）可可西里板块以及北羌塘板块岩石圈底部的对流拆除（convective removal）（图6C）（Li and Garzione, 2023）。
图6 可可西里盆地构造-隆升演化模式图。引用自Li and Garzione (2023)
7. 小结
碳酸盐稳定同位素古高度计在定量恢复造山带以及高原的古海拔方面发挥了重要作用， 然而在青藏高原中北部的应用受到一些制约和挑战。针对此，我们利用现今地表河水同位素的空间变化研究其控制因素。基于对同位素变化的进一步理解，我们改进了传统稳定同位素古高度计的计算方法，引入两种水汽混合模型。针对湖相碳酸盐矿物普遍受蒸发作用影响而造成古高度计算偏低的现象，我们提出利用重建古局地蒸发线的方法去除蒸发作用的影响。通过改进的稳定同位素古高度学，并结合团簇同位素古高度学，我们恢复青藏高原中部伦坡拉盆地以及可可西里盆地的古高度。我们的结果显示，这两个区域在古近纪晚期时仍低于现今高度，在中新世时经历了最终的地表隆升。
通过对比青藏高原地区的伦坡拉盆地、可可西里盆地，以及南美安第斯山Altiplano高原的生长过程，我们认为大型造山型高原（orogenic plateau）的形成起始于挤压缩短变形，但是岩石圈下部的地球动力学过程，如中下地壳流以及岩石圈底部对流拆除，在高原生长的后期起到重要作用（如造成地表隆升以及降低地表起伏），最终塑造高海拔、低起伏的高原地貌特征（Li and Garzione, 2023）。
本文作者李林现为亚利桑那大学研究员。自2024年8月起，任北卡罗来纳大学-夏洛特分校助理教授。欢迎对青藏高原地质，尤其盆地分析以及碳酸盐同位素方向，感兴趣的同学申报博士生以及博士后（2025年秋季入学/入职）。联系方式li.lin@charlotte.edu。
参考文献：
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