许欢，苑婷媛
1. 研究背景
青藏高原的隆升产生了重大的气候和环境效应，奠定了中国现今的地貌、气候以及水系格局，如西高东低地势与三级阶梯、东亚季风、西北干旱化以及长江、黄河等东流水系等（图1A）。国内外一代又一代科学家前赴后继，围绕青藏高原的“前世今生”开展了孜孜不倦的研究，取得了一系列重大进展和成果。越来越多的证据表明，青藏高原的形成时间并不年轻，很可能在古近纪中-晚期高原就已基本定型（Ding et al., 2022）。地貌的巨大变革也导致了大气环流格局的重组，进而引发了东亚季风的盛行和西北荒漠的扩张。相比之下，在古近纪早期，青藏高原并未形成，当时我国还是东高西低、“一江春水向西去”的地貌格局；华南以及中国东部大部分地区也并不存在季风性气候，而是荒漠一片，受副热带高压带控制（图1B）。该时期的气候完全与世界接轨，呈纬向带状分布，具有典型的行星风系型气候特征（郭正堂，2017）。然而，目前对于高原隆升前的大气环流格局仍然知之甚少，其主要原因在于限定气候带的大多数代用指标很难直接反映古风带位置。而这一短板却能够被沙漠沉积的研究所弥补，因为沙漠中的沙丘沉积可以很好地记录盛行风信息，这对于重建古风带位置和大气环流格局具有重要作用。鉴于此，本研究选取青藏高原东南缘剑川盆地古近系宝相寺组风成沉积开展了详细的沉积学研究，恢复了古沙漠体系和大气环流格局，探讨了沙漠向季风的演变过程和控制因素。
图1 中国现今地貌-气候格局与古近纪（始新世）干旱带的分布（据郭正堂，2017修改，底图来源于中华人民共和国自然资源部网站https://www.mnr.gov.cn）
A-中国现今地貌-气候格局；B-中国古近纪（始新世）干旱带的分布
2. 研究方法
风成沉积作为风对地球表层沉积物剥蚀、搬运和堆积的产物，记录了丰富的古地理、古气候和古构造信息，是开展深时古气候环境研究的重要载体（许欢等，2023）。特别是风成沉积中的沙丘沉积，其交错层理前积纹层中保存了大量古风向信息，是当前少数能够用于重建大气环流的有效待用指标之一。需要指出的是，并非所有的风成交错层理前积纹层产状恢复得到的古风向都能够指示盛行风方向。在多数情况下它们代表的仅是次级风或改造风，无法用于古风带和大气环流的重建。目前，仅直脊横向沙丘沉积中颗粒流层（grainflow strata）的产状记录了绝对的主风向信息。因为作用于直脊横向沙丘的风为单向风，且在沙丘背风坡触发形成的颗粒流在沙丘走向上具有稳定的延伸，风向与颗粒流层倾向高度一致。相比之下，其他类型沙丘要么受多向风控制，要么交错层理前积纹层记录的风向与主风向斜交，或者存在平行与斜交的混生（如新月形沙丘等）。此外，地质记录中的风成沉积时常表现为复杂的交错层系堆叠，其内部被一系列风蚀界面所分隔，如沙丘间界面（interdune surface）、叠加面（superimposition surface）和再作用面（reactivation surface）（图2）。其中，叠加面的出现多代表复合或复杂型沙丘的存在，即母沙丘之上叠加有同类型或不同类型的子沙丘。这些子沙丘是在次级风作用下形成的产物。因此，只有母沙丘沉积（沙丘间界面之上的直脊横向沙丘沉积）才记录了真实的主风向和大气环流信息。
图2 风成沉积中风蚀界面的分类
a-c-风蚀界面模型（据Mountney, 2006修改）；d-风蚀界面野外露头解析（据许欢等，2023修改）
选取直脊横向沙丘沉积开展交错层理前积纹层中颗粒流层产状的测量。将获得的数据经地层和板块构造旋转校正之后得到的风向即为盛行风方向。已有研究表明，在北半球，N-SEE向风与西风带对应，W-SSE向风与东北信风带对应，SEE-SSE向风与副热带高压带对应，而N-W向风则为地貌改造所致（江新胜和潘忠习，2005；Hasegawa et al., 2012）（图3）。值得一提的是，对于少数露头上得到的古风向信息要慎重，即使获得了N-SEE向风或W-SSE向风也不一定是绝对的西风或东北信风，也有可能是山谷或地形的改造风。只有在区域地貌或古地理格局分析的基础上，从全盆地或更大区域尺度开展的古风向研究才能获得更为真实可靠的盛行风方向，进而判断大气环流格局。
图3 风向与风带关系示意图
3. 研究结果与认识
剑川盆地位于云南省西北部，青藏高原东南缘。盆地内保存了较为连续的始新世地层记录，从下向上可分为宝相寺组、金丝厂组、双河组、九子岩组和剑川组（图4）。其中，宝相寺组在盆地中分布范围最广，沉积厚度最大。宝相寺组主要由紫红色、砖红色砾岩和砂岩组成，多形成于冲积扇、沙漠和河流环境。这些岩石在大自然的鬼斧神工之下，形成了具有“顶平、坡陡、麓缓”的丹霞地貌景观，以千龟山地区最为典型。沙漠沉积出露于盆地北部和南部边缘，集中分布在宝相寺组下部，其上、下均与冲积扇和河流沉积接触。
图4 剑川盆地构造位置、地质特征和地层格架
A-青藏高原构造格架和新生代盆地分布；B-剑川盆地地质图；C-剑川盆地古近系岩石地层格架
沙漠沉积中主要发育两类沉积组合，包括沙丘沉积组合和沙丘间沉积组合，其中前者在露头中占绝对主导（90%以上）。沙丘沉积组合以中-大型交错层理砂岩为特征（图5A、B），单个层系内发育颗粒流层（grainflow strata）、条纹层（pinstripe laminae）和风成沙波层（wind-ripple strata）（相关风成沉积术语及解释见许欢等，2023）。颗粒流层在交错层系中所占比例最大，主要由细-中砂岩组成，碎屑颗粒分选、磨圆较好，内部显逆粒序或块状，整体呈楔状向层系下界面变薄或尖灭，厚3-5cm（图5C-E）。它们是沙丘背风坡因失稳导致沙体在重力作用下沿着一个活动的滑动面向下滑塌而形成的舌状堆积体。少数颗粒流层表面还发育具有峰粗谷细、高波痕指数（28）的风成波痕（图5F），指示了次级风在沙丘背风坡的作用。条纹层形似丝线夹于颗粒流层之间，由粉砂岩组成，碎屑颗粒分选、磨圆较差，固结程度高，相对于颗粒流层具有更强的抗风化能力，在露头上呈凸出截面的条纹（图5G、H），这也是其名字的由来。它们与空气中沉降的细粒物质沿着颗粒流沉积物孔隙的下渗有关。风成沙波层在交错层系中占比较小（10%），岩性主要为中-细砂岩，毫米级厚度，内部显逆粒序，在交错层系底部呈低角度向上尖灭，与颗粒流层呈指状交互（图5D）。交错层理中风成沙波层的出现多指示斜向风和次级风，在新月形沙丘、斜向沙丘、线性沙丘、星形沙丘以及复合或复杂型沙丘中较为常见（Kocurek, 1996）。上述风成地层组合形成的交错层系内部被再作用面、叠加面和沙丘间界面所分隔。相比之下，沙丘间沉积则主要由平行层状风成沙波层组成，其结构特征与沙丘沉积中的风成沙波层一致（图6）。
图5 剑川盆地宝相寺组风成沙丘沉积特征
A、B-红色厚层中砂岩，发育大型板状、楔状和槽状交错层理；C、D-红色中-厚层中砂岩，发育板状、楔状交错层理，层系内由颗粒流层（grainflow strata）和风成沙波层（wind-ripple strata）组成，二者呈指状交互；E-颗粒流层，厘米级厚度，内部显逆粒序；F-风成波痕，呈低起伏状，高波痕指数，波峰粗、波谷细特征；G、H-条纹层（pinstripe laminae），箭头所示，呈线状凸出于岩层截面，与颗粒流层互层。
图6 剑川盆地宝相寺组风成沙丘间沉积特征
A、B-风成沙丘沉积夹沙丘间沉积，二者被沙丘间界面所分隔，B为A中的局部放大；C、D-沙丘间沉积，红色中层细-中砂岩，平行层状，下伏为沙丘沉积交错层理砂岩，D为C中的局部放大，可见毫米级逆粒序。
在风成交错层理中，板状、楔状交错层理占主导，且主要由颗粒流层组成。在单个层系内，颗粒流层具有侧向平直且延伸稳定、产状高度一致、走向与下伏沙丘间界面相同的特点。上述特征与直脊横向沙丘沉积完全相符（Rubin, 1987; Kocurek, 1991）。此外，还存在新月形沙丘和斜向沙丘。综合风成地层、风蚀界面的类型、组合和产状分析，最终恢复得到剑川盆地宝相寺组原始沙丘类型主要为简单型和复合型横向沙丘；发现盆地北部和南部母沙丘呈对向迁移特征，母沙丘之上的子沙丘多为斜向迁移，受次级风控制（图7）。沙丘沉积主导、沙丘间沉积匮乏、丘间水成沉积缺失的结构单元组成与干旱型风成沉积体系特征高度一致，表明剑川盆地宝相寺组风成沉积形成于干旱气候条件下的沙丘域（erg）环境。
图7 剑川盆地宝相寺组干旱型风成沉积体系模型
A-简单型爬升沙丘域体系；B-复合型爬升巨型沙丘体系
针对重建的沙丘类型，选取沙丘间界面之上直脊横向沙丘沉积开展了古风向研究，共测得颗粒流层产状数据715组，提取出的主风向信息为盆地北部风向NE，南部风向SW（图8），分别对应于西风和东北信风，表明古近纪中-晚期剑川盆地正好处于哈德莱环流下沉支，受副热带高压带控制。上述重建的大气环流格局将前人通过多气候指标恢复的始新世干旱/半干旱气候带与湿润气候带界线向南扩展到了云南境内（图9）。
图8 剑川盆地宝相寺组风成沉积古风向
图9 始新世剑川盆地古气候分区位置和东亚大气环流格局
风成沉积之后，剑川盆地气候由干转湿，出现了泥炭沼泽和湖泊沉积。湖相灰岩以及腹足类化石的碳-氧同位素均显示出明显的季节性特征，指示了季风降水活动（Zheng et al., 2022），同时也表征了行星风系型气候向季风气候的转变。始新世晚期，冈底斯、唐古拉山的隆升、新特提斯洋的闭合以及副特提斯海的撤退改变了古地理格局，增强了海陆热力差的影响，驱动了亚热带季风向北的扩展（Wu et al., 2022）。
该成果于近期发表在国际知名地学期刊《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》上：Tingyuan Yuan, Huan Xu*, Gaozhegn Liu, Bihui Zhang, Hongbo Zheng. 2024. Eocene dry eolian system in the Jianchuan Basin, southeastern Tibetan Plateau: Implications for regional wind regime and paleoclimate. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 635: 111949. https://doi.org/10.1016/j.palaeo.2023.111949。
本文第一作者为云南大学博士研究生苑婷媛，通讯作者为云南大学许欢副教授。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱xh0816@ynu.edu.cn与本人联系。欲知更多详情，请参考文章全文和参考文献。
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