新疆古塔里木盆地與古塔克拉瑪干沙漠的形成

新疆古塔里木盆地與古塔克拉瑪干沙漠的形成

1新疆從國外地表地區(qū)、從國內(nèi)、外域三大要素中變化的地質(zhì)及地質(zhì)意義中國的沙漠主要分布在北部降雨小于400毫米的地區(qū)（圖1）。三個特點是深、中、山區(qū)和高原，穿過各種生物氣候帶，以及新疆西北部的最常見分布。從地域上看,中國主要有8大沙漠和4大沙地,其中有三個沙漠位于西北新疆,分別是塔克拉瑪干、古爾班通古特和庫姆塔格沙漠(圖1)。已有的第四紀(jì)古地理、古氣候?qū)W以及風(fēng)沙地貌學(xué)和風(fēng)沙物理學(xué)研究證明,沙漠是在干旱氣候和豐富沙物質(zhì)來源等自然條件下長期發(fā)展演變而形成,其形成和演變受物源、氣候(風(fēng)力、干旱度、大氣邊界層厚度與層結(jié)穩(wěn)定性等)以及下墊面條件(如地表植被覆蓋率、地形等)三大要素的直接控制,因此理解沙漠地貌景觀的形成與演變,對認識地球系統(tǒng)中地表各圈層相互作用規(guī)律具有重要意義。新疆沙漠處于青藏高原的北緣;晚新生代以來,青藏高原的隆升和亞洲內(nèi)陸干旱氣候的形成,被國際學(xué)術(shù)界認作為新生代氣候惡化的重要標(biāo)志。新疆沙漠特殊的地理位置使其本身就是高原隆升和亞洲內(nèi)陸干旱化事件的良好記錄體。因此,新疆沙漠的形成與演化研究涉及到青藏高原的隆升及其環(huán)境效應(yīng)、西部干旱化機制等問題,因而受到廣泛關(guān)注。目前,已有長期的研究工作和東西方文獻獲取并記錄了人們對新疆沙漠地貌景觀形成的認識,但看法很不一致,有必要進行系統(tǒng)總結(jié)。本文試圖從古環(huán)境證據(jù)角度,基于已有的中西方文獻,對新疆沙漠的形成演化做一些歸納和總結(jié)。2氣候變化作用新疆位于中國西北部的亞洲內(nèi)陸腹地,四面距海均超過2000km,海陸距離大。氣候上常年受到西風(fēng)帶的控制,冬季受到蒙古—西伯利亞高壓帶的影響,大陸性干旱氣候明顯。南疆、東疆大部為暖溫帶氣候,北疆大部為溫帶氣候。全區(qū)22%的面積分布沙漠、戈壁荒漠,高山區(qū)域有永久積雪和冰川。沙漠主要分布在南北兩個盆地的中心,分別為中國面積第一大(塔克拉瑪干)和第二大(古爾班通古特)沙漠;在新疆東部還分布著庫姆塔格沙漠(圖1);此外,吐魯番盆地、焉耆盆地、伊犁河谷及東疆等地還零星分布有沙丘地。塔里木盆地中央的塔克拉瑪干沙漠(33.7萬km2)是世界第二大流動沙漠,可稱為世界“旱極”。塔里木盆地三面環(huán)山,南、西、北分別為海拔3000m以上的昆侖山、帕米爾高原、天山所包圍;地勢由西南向東北傾斜,發(fā)育冰雪融水補給的塔里木河、阿克蘇河、和田河和克里雅河等內(nèi)陸水系。沙漠周圍山體的基巖主要由前寒武紀(jì)至第四紀(jì)年齡的沉積巖及元古代至白堊紀(jì)年齡的花崗質(zhì)巖所組成,大多數(shù)前寒武紀(jì)巖石已發(fā)生變質(zhì)作用。由于帕米爾高原和天山的阻擋,當(dāng)來自大西洋的西風(fēng)氣流較弱時,無論是西風(fēng)的北支和南支氣流都無法翻越帕米爾高原和天山,只能繞天山東部(東灌)或通過一些山口從西部(西灌)進入盆地;當(dāng)西風(fēng)氣流強大時,無論是西風(fēng)的北支和南支,不但有繞流后的東灌氣流,而且還有越山氣流(中灌),這些進入盆地的氣流影響著沙漠風(fēng)積地貌的類型。由于距離太平洋遙遠,東亞夏季風(fēng)不能深入,北部天山阻礙了北冰洋濕潤氣流的進入,南部巨大的青藏高原、喜馬拉雅山、昆侖山則阻擋了來自印度洋的暖濕氣流。盆地年降雨量大部分地區(qū)介于25~40mm,東部地區(qū)15mm以下,年潛在蒸發(fā)能力2100~3400mm之間;年平均氣溫11oC。盆地內(nèi)地貌景觀呈環(huán)狀分布特征,邊緣為山地,次之為山前洪積-沖積扇戈壁,中心為沙漠,沙丘類型復(fù)雜多樣(圖2)。綠洲分布在沙漠與戈壁之間,或位于河流沿岸等地,是重要的農(nóng)業(yè)地區(qū)。塔克拉瑪干沙漠流動沙丘廣泛分布,約占沙漠面積85%,沙丘移動方向在大部分區(qū)域是由東北向西南移動。盡管以流動沙丘為主,但沙漠內(nèi)部河流沿岸、沙漠邊緣河流兩岸及洪積-沖積扇前緣等地帶分布綠色植被帶,由于間歇性洪水的補給,沖積地層中有著豐富的淡水資源,成為沙漠中唯一的人類活動的場所。古爾班通古特沙漠(4.88萬km2)位于北疆準(zhǔn)噶爾盆地中央(圖3),固定、半固定沙丘面積占整個沙漠的97%,是中國最大的固定、半固定沙漠。已有沙漠學(xué)者最近將之定義為沙地。準(zhǔn)噶爾盆地是介于天山山脈、準(zhǔn)噶爾界山和阿爾泰山之間的大型山間盆地;在構(gòu)造上,盆地地勢東高西低,由東向西、向西北緩傾;發(fā)育伊犁、準(zhǔn)噶爾(內(nèi)流區(qū))和額爾齊斯(外流區(qū))三大水系。盆地周圍山地封閉不嚴(yán)謹,西部和西北部山口可以使?jié)駶櫟奈黠L(fēng)氣流長驅(qū)而入。與暖溫帶的塔里木盆地相比,溫帶范圍內(nèi)的準(zhǔn)噶爾盆地由于受西風(fēng)環(huán)流的濕潤作用,沙漠內(nèi)固定—半固定沙丘占絕對比例。降水不像塔里木盆地那樣稀少,年降水量可達70~150mm,主要為冬雪型降水;沙漠內(nèi)部植被生長較好,梭梭、紅柳和胡楊分布較多。影響沙丘地貌建造的營力主要是西風(fēng)環(huán)流體系和蒙古高壓風(fēng)系(偏東風(fēng))。但就對整個盆地影響而論,后者(蒙古高壓風(fēng)系)居于次要地位,具有季節(jié)性和區(qū)域局限性,僅在冬春季對古爾班通古特沙漠中部和東北部地區(qū)有較大的意義。盆地內(nèi)全年主要盛行西風(fēng)環(huán)流風(fēng)系的北支(西北風(fēng)),因此沙丘具有自西北向東南移動的特征。庫姆塔格沙漠(2.29萬km2)分布在新疆東部,羅布泊以南,阿爾金山北麓(圖4),為中國第六大沙漠。青藏高原新構(gòu)造運動的強烈隆升,構(gòu)筑了庫姆塔格沙漠南高北低的盆山格局。區(qū)域氣候極端干旱,年降水量30mm以下,植被稀疏,沙丘全部是流動型沙丘,除覆蓋在海波1250~2000m高度的石質(zhì)山地斜坡上外,還覆蓋在古代洪積—沖積或河湖相平原上;沙漠處于東北、西北兩種風(fēng)向交匯處;沙丘類型復(fù)雜,羽毛狀沙壟面積占沙漠面積1/5(圖4),獨有的羽毛狀沙丘著稱世界。沙漠地貌主要表現(xiàn)為風(fēng)蝕形態(tài)和風(fēng)積形態(tài),風(fēng)蝕作用與風(fēng)積作用地區(qū)分布明顯。3關(guān)于新疆從塔克拉瑪干等土地資源區(qū)的性質(zhì)研究最近研究已表明,區(qū)域尺度上出現(xiàn)或形成沙漠,沙源的可供性比其他任何條件都更為重要,因此,識別大范圍風(fēng)成沉積物的物源是理解沙漠和沙丘地形成與演化的首要條件?？茖W(xué)的判斷亞洲中部尤其是新疆地區(qū)沙漠沙物源尤為關(guān)鍵,這不僅能理解這些沙漠的形成,也能促進對過去和現(xiàn)在全球尺度氣候系統(tǒng)的理解。因為研究已證明,中亞腹地的塔克拉瑪干等沙漠是全球粉塵物質(zhì)的一個大源區(qū),是理解全球粉塵—氣溶膠過程和氣候環(huán)境效應(yīng)的基礎(chǔ)。近時期以來和末次冰期時沉積在格陵蘭島的礦物粉塵,都被認為主要來自于中國的塔克拉瑪干沙漠和內(nèi)蒙古沙漠。來自亞洲內(nèi)陸的風(fēng)成粉塵還被認為是西太平洋中遠洋沉積物和北太平洋中部沉積物重要組分的一個主要物源,這些粉塵還顯著影響了西太平洋海水的化學(xué)組成。已有研究發(fā)現(xiàn),亞洲附近區(qū)域的西太平海水的稀土元素(REE)模式同中國沙漠粉塵和黃土有著密切關(guān)系。因此,對新疆沙漠沙物源的認識具有全球意義。綜合來看,歷史上關(guān)于新疆沙漠沙物質(zhì)來源的看法有很多,如有觀點認為新疆沙漠的沙是從中亞細亞吹來的,有認為來自于東邊羅布古湖沉積物;而某些沙丘地貌與沉積學(xué)研究則認為新疆各沙漠因為具備了“就地起沙”的自然特征而最終形成,因為發(fā)現(xiàn)沙漠沙的礦物成分及顆粒大小只因沙丘下伏地質(zhì)地貌類型不同而顯示出差別,與風(fēng)向(長距離)無明顯關(guān)系。3.1沙物質(zhì)來源與運輸歷史塔里木盆地第三紀(jì)和第四紀(jì)新構(gòu)造運動造成的由西南向東北降低的盆地地勢和四周環(huán)山的地形,制約了整個盆地的水系分布和沉積物的性質(zhì)。鉆探資料揭示,在沙漠西南部,地表以下100~200m深度內(nèi)全部為細粉砂沙層,300m深度內(nèi)為沖積相沙層及粉砂土層;北部塔里木河平原上第四紀(jì)疏松沙質(zhì)沉積物厚度在400~500m以上;沙丘沙的礦物成分、粒度與下覆沉積物密切相關(guān)。在沙漠西南部,由于昆侖山山體主要以元古代、太古代等古老的片麻巖、片巖和千枚巖等變質(zhì)巖系為主,發(fā)育于昆侖山的各河沖積物上的風(fēng)成沙礦物組成都具有一定數(shù)量的石榴子石等變質(zhì)礦物。沙漠北部天山山體以相對年輕的古生代和中生代火山巖為主,塔里木河沖積平原的沙物質(zhì)礦物組成中,石榴子石含量明顯比沙漠南部低,而云母卻成為主要成分,其次為綠簾石,其礦物組成與塔里木河沖積物大體一致。對主要來自盆地內(nèi)部和外圍第四紀(jì)沖洪積物的機械和礦物組成研究后,朱震達等認為,河流沉積物是塔克拉瑪干沙漠沙的主要物源,并基于風(fēng)成沙重礦物、粒度組成認為沙漠不同區(qū)域的沙丘沙是當(dāng)?shù)仄鹪吹?。然?早期最先涉足此區(qū)域的國外學(xué)者持有顯著不同的觀點,多為單一來源的觀點。如斯文赫定等認為“塔克拉瑪干大沙漠的沙物質(zhì)是從羅布泊洼地吹來的”,舒莫夫.BB等認為塔克拉瑪干沙漠沙來源于海相沉積物,那琳.E和西尼村.B等和諏訪兼位等認為塔克拉瑪干沙漠沙來源于古湖相沉積物。近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究趨于多元化,如錢亦兵基于風(fēng)成沙礦物學(xué)和氧同位素分析認為塔克拉瑪干沙漠邊緣區(qū)來源以就地起沙為主,腹地則接受了異地產(chǎn)物并均一化。穆桂金等推測塔克拉瑪干沙漠風(fēng)成沙物源與周圍各大水系密切相關(guān),是各種結(jié)構(gòu)特征都較穩(wěn)定的沉積物。陳渭南認為塔克拉瑪干沙漠中部沙丘沙有較高的成熟度,沙漠沙是由中部向外圍擴展的?；谖髂喜可城鹕车闹髁吭睾偷V物組成以及粒度分布,Honda和Shimizu認為同大多數(shù)沙漠沙相比,塔克拉瑪干沙漠沙有著較高的Q/F(石英/長石)比值和C/Q(方解石/石英)比值,較細的顆粒粒徑,較小的磨圓度;這與早期學(xué)者的研究是一致的。然而,關(guān)于這些沙漠沙的來源和搬運歷史的看法卻被分成了兩種:一種認為塔克拉瑪干沙漠不同區(qū)域的沙丘沙有著不同的物源,因為它們的重礦物組合是不同的;另一種認為整個塔克拉瑪干沙漠的沙具有均質(zhì)性,因為沙的全巖樣具有一致的主量元素和同位素特征。近年來,隨著研究對象的系統(tǒng)性、同位素方法和手段的應(yīng)用,多數(shù)學(xué)者認為塔克拉瑪干沙漠沙的母源是不同源的,具有異質(zhì)性。根據(jù)分布在塔克拉瑪干沙漠周圍山地中的冰磧的Sr、Nd同位素組成差異較大這一事實,Chang等認為以這些冰磧物為重要起始母源的塔克拉瑪干沙漠沙是不會同源的;此外,昆侖山北側(cè)的冰川被約束在單個山谷里,起始源區(qū)的沉積物在東—西向的混合也是極其不可能的;另外,并非所有的沙物質(zhì)都來源于冰磧,因為強烈的河流侵蝕和物理風(fēng)化過程,也會產(chǎn)生大量的沖—洪積相、河—湖相松散物質(zhì),從而增加了源區(qū)沉積物的異質(zhì)性。沉積學(xué)研究表明塔克拉瑪干沙漠的沙丘仍然處在沙丘發(fā)育的早期階段,因為它們的粒度組成中仍然有過多的細顆粒沉積物,并由于河流沉積物的輸入而使沙漠沙變得更為年輕。細顆粒組分的大量存在支持塔克拉瑪干沙漠沙異質(zhì)性的觀點,但可能經(jīng)歷較高程度的混合和搬運過程,因為大的沉積物體積減少了混合過程的潛在能力和風(fēng)蝕的效應(yīng)。與中國北方其他沙漠沙和風(fēng)成沉積物相比,塔克拉瑪干沙漠沙粗、細顆粒組分都具有較低的化學(xué)風(fēng)化指數(shù)值(CIA=50~55)和較高的可溶鹽含量,接近于未風(fēng)化的上陸殼UCC平均值(CIA=50)且處于大陸風(fēng)化的早期階段,都指示了塔克拉瑪干沙漠沙的源區(qū)只經(jīng)歷了相對較低的化學(xué)風(fēng)化過程,這在部分程度上與持續(xù)干旱的氣候以及沙物質(zhì)有限的暴露時間和年齡有關(guān)?；赗EE和主量元素證據(jù),Yang等發(fā)現(xiàn)塔克拉瑪干沙漠風(fēng)成沙的粗、細粒級組分之間在微量元素豐度和REE特征上都有顯著差異,表明沙漠內(nèi)各區(qū)域之間的粗粒級沙物質(zhì)來源不同,并非均質(zhì)化;而細粒級組分的沙物質(zhì)可能經(jīng)歷了較高程度的有效混合過程而趨于均質(zhì);粗粒級組分沙物質(zhì)的區(qū)域差異與盆地中的河流和風(fēng)營力系統(tǒng)一致,表明沙漠北部和南部沙之間通常是混合的,但沿著東—西方向很少混合。3.2古爾班通古特沙漠沙沙物質(zhì)來源的多源性就沙漠沙來源而論,古爾班通古特沙漠的現(xiàn)代沉積物遠不及古代沉積物重要。因為盆地內(nèi)廣泛而巨厚的沉積層與盆地目前的水網(wǎng)分布不相適應(yīng),現(xiàn)代河流的流程和水量都不足以在短期內(nèi)攜帶大規(guī)模的河流沉積物進入盆地,而應(yīng)當(dāng)是第四紀(jì)濕潤期時發(fā)育的河流所致。因此古爾班通古特沙漠沙的來源的主體應(yīng)是古代的河流沉積物。錢亦兵等通過礦物學(xué)分析,認為古爾班通古特沙漠沙來源具有多源性。從整體來看,在準(zhǔn)噶爾盆地的整個搬運—沉積過程中,來自周圍山系的各類碎屑是該盆地沉積層形成的主要物源,盆地內(nèi)臺原高地的基巖風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物也有重要貢獻;沙漠各區(qū)域之間的沙物質(zhì)礦物組成特征因地而異,但同一區(qū)域內(nèi)不同類型的沙如沙丘沙和丘間地沙物質(zhì)組成之間卻較為相似,證實了朱震達等“就地起沙”形成沙丘的主流成因,即沙丘沙主要來源于下伏沙;但沙丘沙和下伏沙二者之間的重礦物組合特征、礦物成分分散度和石英/長石比值等參數(shù)存在一定差異,表明在下伏沙向沙丘沙的演化過程中存在著風(fēng)營力的“摻雜”改造作用;此外,氣候、植被及其他地理條件對這種作用有明顯的影響,因此沙丘沙比下伏沙具有更為廣泛的物源。3.3物質(zhì)組成特征庫姆塔格沙漠東西最長達350km,南北最寬約120km,總面積約2000km2,這樣大的范圍內(nèi),沙漠附近下伏沉積物有較大的差異,因此沙物質(zhì)的來源受下伏沉積物的影響,來源也應(yīng)是多種多樣的。庫姆塔格沙漠沙的多數(shù)沙粒徑集中在0.5mm以下,特別是0.25~0.1mm和0.1mm以下,以細粒級沙為主體;從沙粒的磨圓度來看,南部高大沙丘沙的磨圓度達0.7左右,北部剛形成的低矮沙丘沙磨圓度一般在0.3左右,沙漠總體的沙粒磨圓度都較低,表明沙粒被風(fēng)力加工的時間較短,搬運距離較近。沙漠沙石英顆粒的表面形態(tài)和微結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為麻面、蝶形凹坑、翻卷薄片、槽溝和斷裂等結(jié)構(gòu),表明沙顆粒受到顯著的風(fēng)力作用;礦物組成以石英(70%~80%)、長石為主;重礦物組成中,磁鐵礦、綠簾石、石榴子石和角閃石四種礦物的總和超過50%;重礦物組合與附近下伏沉積物有著相似的特點。因此,沙漠沙的物質(zhì)組成特征表明,庫姆塔格沙漠沙大部分是附近下伏沉積物經(jīng)風(fēng)力吹揚和堆積,“就地起沙”形成的。根據(jù)沙漠不同區(qū)域沙物質(zhì)組成特征,夏訓(xùn)誠推測羅布泊地區(qū)廣大的湖河相沉積平原、沙漠北緣大面積出露的由第四紀(jì)湖相沉積物組成的雅丹地層,均由細沙和粘土構(gòu)成,在北風(fēng)作用下,是庫姆塔格沙漠沙的主要來源;沙漠東部疏勒河曾經(jīng)流經(jīng)的區(qū)域,河流相沉積物顯著分布,成為庫姆塔格沙漠東部沙物質(zhì)的主要來源;克孜勒塔格山南麓及三垅沙以北大面積分布的洪積物可能為沙漠東北部一帶提供了不少沙源;阿奇克谷地第三紀(jì)及更古老巖系組成的低山丘陵主要為泥巖及砂巖組成,受強烈剝蝕和機械風(fēng)化作用產(chǎn)生大量基巖風(fēng)化的殘積、坡積物,也是沙漠的重要沙源之一。3.4關(guān)于風(fēng)成沉積相關(guān)、形成機制的研究總體上,新疆沙漠沙的物質(zhì)來源在我們的認知上經(jīng)歷了從單源(樸素的觀點)到異源(多源)的變化,以及從定性描述到定量識別的過程。目前,新疆沙漠沙異源的看法由于其更為精細化而被更多人接受。放射性同位素與穩(wěn)定同位素、地質(zhì)年代學(xué)和地球化學(xué)以及空間信息系統(tǒng)與模擬等新技術(shù)手段和研究方法的出現(xiàn)與應(yīng)用,促進了人們對沙物源邏輯認識的系統(tǒng)性。然而,依然有很多問題沒有清楚的答案。例如,(1)新疆沙漠沙經(jīng)歷了怎樣的風(fēng)營力搬運過程,搬運途徑和方式、風(fēng)作用強度與時間、再循環(huán)程度如何等;(2)水營力(河流、湖泊、冰川等)過程對風(fēng)成沉積及其物源有怎樣的影響作用,水成沉積物與風(fēng)成沉積物在沉積學(xué)、物源上的關(guān)系如何;(3)風(fēng)成沉積物物源的年代學(xué)構(gòu)成、沉積歷史等;(4)局地地貌因素和大尺度環(huán)境地質(zhì)因素對風(fēng)成沙物源具有怎樣的控制作用;(5)源區(qū)具有怎樣的構(gòu)造環(huán)境(被動大陸邊緣、活動大陸或島弧等)和氣候環(huán)境背景(降水、溫度梯度、環(huán)流),如何識別;(6)碎屑沉積物與母源物質(zhì)之間經(jīng)歷了怎樣的改變,改變程度如何,繼承了母源多少信息,受何種因素影響,如何確立有效的識別指標(biāo);(7)母源沉積后的改造程度是否響應(yīng)并記錄了區(qū)域或其他尺度水文、氣候、地質(zhì)背景變化等。顯然,要清楚認識新疆沙漠沙的異源性以及要回答以上問題,還需要開展進一步的研究工作。從構(gòu)造和風(fēng)場環(huán)流背景看,新疆的南、北兩個盆地都具有地形傾斜方向與風(fēng)場合成方向大致相反的特征。如塔里木盆地地形由西南向東北傾斜,主導(dǎo)風(fēng)向卻為北風(fēng)、東北風(fēng);準(zhǔn)噶爾盆地地形由東南向西北傾斜,全年主導(dǎo)風(fēng)向卻為西北風(fēng)。由于地形傾斜的構(gòu)造特征決定了盆地內(nèi)河流水系的流向,也就是河流沉積物的輸送方向,而風(fēng)場的合成方向決定了沙丘移動的方向,也就是風(fēng)成沉積物的搬運方向。因此,新疆盆地中的這種特殊構(gòu)造成因和大氣環(huán)流模式?jīng)Q定了盆地內(nèi)部必然存在一個碎屑物質(zhì)輸送的地質(zhì)大循環(huán)過程。它在很大程度上應(yīng)加大了沙漠內(nèi)部物質(zhì)的循環(huán)、混合、新老交替過程和物質(zhì)來源上的復(fù)雜性、多源性。盡管目前我們可以基于下覆地貌特征和沙漠沙成分將新疆沙漠地區(qū)的沙源類型概括地歸納為:(1)古河流的沖積物,(2)現(xiàn)代河流沖積物,(3)洪積-沖積物,(4)沖積-湖積物,(5)基巖風(fēng)化的殘積-坡積物,(6)近代湖泊沼澤地沉積物等;但目前來看,這些判斷都是定性或半定量的,還需要精細化的地球化學(xué)、同位素證據(jù)來進一步約束。4地質(zhì)時期新疆沙漠的形成和發(fā)展4.1區(qū)域地質(zhì)背景世界上的多數(shù)沙漠分布在受副熱帶高壓環(huán)流控制的南、北半球低緯度地帶或受極地高壓環(huán)流控制的北半球高偉地帶,被稱為地帶性沙漠,或熱帶沙漠和冷沙漠。與它們相比,新疆沙漠位于北半球中緯地區(qū),其高空氣流終年受北半球西風(fēng)帶而不是副熱帶高壓影響,近地面氣流在冬、春季節(jié)主要受東亞冬季風(fēng)影響,是典型的非地帶性沙漠或“溫帶沙漠”。全球第四紀(jì)冰期—間冰期氣候交替所導(dǎo)致的地表水熱條件的變遷,直接影響了中國北方沙漠的生、消、擴、縮,并在沙漠的邊緣地帶反映得最為明顯。中國西北部晚新生代的氣候狀況逐漸由濕變干,主要歸因于青藏高原隆升等構(gòu)造活動引起的大氣環(huán)流的改變。研究證明,7~5Ma以來是中亞造山帶發(fā)生構(gòu)造復(fù)活的重要時期,塔里木、準(zhǔn)噶爾盆地同期開始了類似現(xiàn)今的干旱環(huán)境,在圈層耦合的角度上響應(yīng)了新生代巖石圈構(gòu)造變動的環(huán)境效應(yīng)。青藏高原的平均海拔高度在海平面4000m以上,使起源于印度洋和太平洋的水汽難以到達亞洲中部的內(nèi)陸盆地。因此,對亞洲中部地質(zhì)與地貌景觀的科學(xué)研究,從20世紀(jì)初期就在相當(dāng)程度上集中于與青藏高原構(gòu)造歷史有關(guān)的持續(xù)增長的干旱化過程上。對于深處亞洲內(nèi)陸盆地沙漠形成演變歷史的研究,有助于了解新生代全球氣候變冷及青藏高原隆升所導(dǎo)致的環(huán)境效應(yīng)。新疆廣泛分布的沙漠,是在海陸對比差異顯著、周邊地體差異性隆升加劇雨影區(qū)的氣候干旱、盆-山系統(tǒng)中的構(gòu)造剝蝕、水系變遷與河流侵蝕、物質(zhì)循環(huán)等自然條件作用下,長期發(fā)展演變而形成;歷史時期尤其是近百年來沙漠的擴展和一些區(qū)域零星沙丘的形成,在一定程度上則受到人為因素的影響。4.2中新世以來的短海濕地早期的研究多數(shù)根據(jù)古地理資料來判斷,認為中國西北地區(qū)的干旱氣候早在中生代白堊紀(jì)(135~70Ma)到新生代早第三紀(jì)(70~25Ma)時即已初步形成;中、晚侏羅紀(jì)時,新疆的盆地就屬于半干旱—干旱亞熱帶紅層盆地;在準(zhǔn)噶爾盆地將軍戈壁的古新世-漸新世地層中找到了已經(jīng)沙漠漆殼化、屬于晚白堊世的標(biāo)準(zhǔn)化石屠螺和維氏楔蚌;中新世以后,塔里木盆地腹部沙漠開始形成,統(tǒng)一的中亞內(nèi)陸干旱盆地—塔里木盆地就此產(chǎn)生;晚第三紀(jì)上新世,塔里木盆地廣大面積為沙漠所占據(jù)。然而,近來基于新生代古環(huán)境證據(jù)的分布模擬研究認為,中國內(nèi)陸氣候系統(tǒng)由行星主控型向季風(fēng)主控型轉(zhuǎn)變開始于早第三紀(jì)的漸新世—中新世邊界,此時的副特提斯海(古地中海的一部分)才從中亞退卻,海洋環(huán)境(濕潤)向陸地環(huán)境轉(zhuǎn)換,并與喜馬拉雅—青藏高原地塊隆起以及南海擴張事件共同主導(dǎo)了新生代中國內(nèi)陸的季風(fēng)(東部)—干旱(西北)—高寒(青藏高原)氣候配型。顯然,這種觀點不支持中生代白堊紀(jì)(135~70Ma)時西北地區(qū)的干旱化。此外,基于黃土高原黃土-紅粘土古粉塵沉積序列的古環(huán)境研究認為亞洲內(nèi)陸的沙漠化最早出現(xiàn)于早中新世的22Ma時,遠遠晚于白堊紀(jì)時期。4.3中國北方沙丘—黃土對新疆沙漠形成演化的指示意義沙漠及其周邊新生代地層中的古風(fēng)成沙及其孿生的風(fēng)成粉塵沉積物,是反映沙漠形成、演化的直接和間接證據(jù)。中國黃土是沙漠產(chǎn)生后的相伴產(chǎn)物。中國北方和西北地區(qū)的第四紀(jì)沙漠形成演化在時間和空間都與黃土有關(guān)。黃土可能連續(xù)完整的記錄了沙漠形成和演化的過程,同時還記錄了搬運粉塵的載體—風(fēng)和環(huán)流—的演化過程,因為風(fēng)塵黃土沉積可以直接指示其物質(zhì)來源區(qū)的干早化過程及風(fēng)力搬運的動力學(xué)機制。中國北方沙漠粉塵搬運與沉積的大氣環(huán)流過程一直是黃土古氣候研究的重要問題之一。最先引起人們注意的是西風(fēng)環(huán)流在黃土搬運與沉積中的作用,黃土—古土壤序列形成的古季風(fēng)理論強調(diào)了東亞冬季風(fēng)在中國中部黃土高原黃土形成中的主導(dǎo)作用。黃土高原黃土的粒度特征表明,冰期時西風(fēng)環(huán)流加強,同時西風(fēng)急流南移至約N35度,間冰期西風(fēng)環(huán)流減弱且急流北移至約北緯37度。近來,有關(guān)中亞粉塵起源與搬運機制的研究表明沙漠和黃土沉積序列之間的因果關(guān)系似乎具有多樣性,當(dāng)前迫切需要研究中國沙漠氣候變率的頻率和幅度是否與北非撒哈拉沙漠相似。中國黃土總面積的17.35%分布在西部新疆干燥內(nèi)陸盆地沙漠及其周圍的山地,在塔里木盆地和準(zhǔn)噶爾盆地黃土分布的總面積分別為3.44萬km2和1.58萬km2。大氣環(huán)流數(shù)值模擬實驗顯示,隨著青藏高原的隆升,亞洲內(nèi)陸將持續(xù)變干,環(huán)流的強度和波動性將增大,干旱化和沙漠?dāng)U張所造成的粉塵將被季風(fēng)和西風(fēng)環(huán)流帶到沙漠邊緣或外圍地區(qū),如昆侖山北坡、天山北坡、黃土高原,甚至中國東部、北太平洋乃至北極地區(qū),成為全球?！憽獨馊玉詈献兓械年P(guān)鍵性聯(lián)結(jié)紐帶。4.4形成時代年齡由于地處西風(fēng)帶的塔里木盆地在中新世還是北支地中海(古特提斯海)的一部分,因此西風(fēng)氣候控制下的盆地的干旱化演變與古海洋、古行星風(fēng)系和古東亞季風(fēng)變遷、青藏高原隆升、古河流地貌的關(guān)系,即古環(huán)流格局、古地理與構(gòu)造-侵蝕活動的響應(yīng),已成為研究塔克拉瑪干沙漠形成、演化的重要科學(xué)基礎(chǔ)。長期以來,基于以上研究獲得對于塔克拉瑪干沙漠形成時代的認識分歧較大,導(dǎo)致對其干旱成因、初始形成、演化過程的認識也有所不同。僅在塔克拉瑪干沙漠的形成年代(年齡)上,目前就有眾多看法。如來自風(fēng)成沉積的研究結(jié)果,就有如7.0Ma前的中新世晚期,5.3Ma前的上新世初期,3.6Ma前的上新世中期、早更新世(百萬年)、中更新世(數(shù)十萬年)等,而腹地或局部沙丘地甚至形成于晚更新世(數(shù)萬年)和全新世(數(shù)千年)。有來自沙漠邊緣河流地貌的研究則認為,塔克拉瑪干沙漠的廣泛形成和發(fā)育是第四紀(jì)中更新世以來的地質(zhì)事件,其根據(jù)是發(fā)源于昆侖山的河流于中更新世才開始下切,昆侖山北坡4000m高度以下黃土狀亞砂土沉積為中更新世時的風(fēng)成沉積。此外,來自沙漠東緣羅布泊古湖相沉積證據(jù)的研究則認為,塔里木盆地的干旱是在中新世—上新世邊界(5.6~5.1Ma時)開始的,預(yù)示此時沙漠的出現(xiàn)。對于以上研究來說,無論是古風(fēng)成沉積、古湖相沉積證據(jù)還是河流地貌證據(jù),這些認識存在差異的焦點本質(zhì)上在于沙漠形成的規(guī)模和地域上;問題之一是早期的塔克拉瑪干沙漠范圍是否和晚期乃至現(xiàn)今規(guī)模的塔克拉瑪干沙漠一樣,期間沙丘地經(jīng)歷了怎樣的變化過程和賦存狀態(tài)等,顯然問題的答案目前還不清楚,沒有統(tǒng)一的認識,因而導(dǎo)致由于研究對象和時段的不同結(jié)論也不一致。然而,這些在荒漠地帶開展的古環(huán)境研究殊為不易,有限的年代學(xué)和古環(huán)境重建證據(jù)為進一步約束塔克拉瑪干沙漠形成提供了目前最寶貴的信息庫,也是開展進一步系統(tǒng)研究的契機,值得總結(jié)和借鑒。4.4.1風(fēng)成粉砂的出現(xiàn)與干克拉瑪干沙漠的關(guān)系塔里木盆地南緣上新世至早更新世阿圖什組和西域組中的粉砂巖夾層沉積,年代學(xué)研究顯示其形成年代為3.6Ma并系風(fēng)成成因,Zheng等因此推斷塔里木盆地南緣風(fēng)成沉積(黃土)至少開始于上新世早期(3.6Ma),盆地與現(xiàn)代相似的氣候格局也在這時開始建立,盆地中的塔克拉瑪干沙漠開始形成。Zheng等認為這些盆地南緣風(fēng)成沉積的形成是對青藏高原隆升引起的全球氣候環(huán)境變化,尤其是亞洲內(nèi)陸干旱化的響應(yīng)。而在盆地南緣不同地點,Sun和Liu對昆侖山北麓Sanju區(qū)域出露的新生代西域組-阿圖什組沉積序列中的古風(fēng)成粉砂巖也進行了系統(tǒng)考察,獲得了沙漠形成年代(~5.3Ma)的間接證據(jù);由于在近地面風(fēng)(北風(fēng))的作用下,來自塔克拉瑪干沙漠的粉塵無法搬運出盆地,而是沉積在下風(fēng)向的盆地南緣昆侖山北坡,因而風(fēng)成粉塵的出現(xiàn)與沙漠的形成密切相關(guān)。剖面上巨厚的風(fēng)成粉砂沉積出現(xiàn)在5.3Ma年前,表明塔克拉瑪干沙漠的沙丘至少在5.3Ma年前就已出現(xiàn)。Sun和Liu對此風(fēng)成沉積的出現(xiàn)提出了兩種可能的解釋:一是距今5.3~5.6Ma前發(fā)生的地中海鹽度危機(MissinianSalinityCrisis),這一事件必然影響到海洋環(huán)流進而影響到中亞西風(fēng)氣候;其次,青藏高原的多期次構(gòu)造隆升過程導(dǎo)致其不同時期的隆升高度必定會對大氣環(huán)流有不同程度的影響,5.3Ma前塔克拉瑪干沙漠的出現(xiàn)也可能與此期高原隆升對大氣環(huán)流的影響有關(guān)。如果說堆積在下風(fēng)向的風(fēng)成粉砂巖只是沙漠形成的間接證據(jù),那么在塔克拉瑪干沙漠腹地麻扎塔格—北民豐隆起區(qū)域的古風(fēng)成沙丘巖則為認識沙漠的形成提供了更為直接的地質(zhì)證據(jù)。Sun等用高分辨率古地磁年代學(xué)結(jié)合古生物地層學(xué)方法,證明了這些古風(fēng)成沙丘巖的形成年代約為7.0Ma,由此將塔克拉瑪干沙漠腹地出現(xiàn)風(fēng)沙環(huán)境的時代延伸到了7.0Ma前;并指出,7Ma前塔克拉瑪干沙漠的形成可能是對該時期以來全球氣候惡化的響應(yīng),也可能與這一時期青藏高原北緣的構(gòu)造隆升所導(dǎo)致的“雨影”效應(yīng)的加強有關(guān)。在塔克拉瑪干沙漠邊緣中新生代地層中存在較多的古風(fēng)成砂和石膏楔,被認為是表征沙漠和氣候干旱的直接證據(jù);基于這些古風(fēng)成沉積物的年代學(xué)指標(biāo),董光榮認為塔里木盆地區(qū)域的氣候和沙漠演化可分為兩大時期:一是白堊紀(jì)、第三紀(jì)在內(nèi)的前第四紀(jì)時期,存在固定、半固定沙丘占相當(dāng)比重的紅色沙漠;二是第四紀(jì)時期的黃色沙漠。以上涉及到的古風(fēng)成沉積物及其年代學(xué)證據(jù),都指示了塔里木盆地邊緣或腹地在第三紀(jì)時即已存在干旱性的氣候和地表的風(fēng)營力過程。但由于這些沉積物/巖曾受到長期的侵蝕作用,遺留下來的已是局地性的風(fēng)成沉積,在沉積規(guī)模和連續(xù)性上,它們的存在是否能代表著大范圍沙丘地乃至古塔克拉瑪干沙漠的出現(xiàn),以及其后是否持續(xù)、擴大或消亡,或是否與現(xiàn)今規(guī)模的塔克拉瑪干沙漠有繼承關(guān)系,物源區(qū)和粉塵搬運機制是否相同等,都需要進一步的研究來解釋。近來的研究表明,中國北方干旱區(qū)具有地質(zhì)與環(huán)境多樣性的背景,同一區(qū)域內(nèi)沙漠與湖泊景觀能快速出現(xiàn)和轉(zhuǎn)化,表明中國的干旱區(qū)景觀是非常敏感的短時性地貌系統(tǒng),并不會像人們先前所想象的那樣會持續(xù)很長時間而不發(fā)生變化。4.4.2從古地理和古氣候時代來研究昆侖山北坡海拔4000~2500m區(qū)域廣泛分布的風(fēng)成黃土狀亞砂土,是迄今發(fā)現(xiàn)的中國內(nèi)陸極端干旱區(qū)最厚的黃土,是其母源地塔克拉瑪干沙漠受風(fēng)場環(huán)流作用的有力證據(jù)。它的堆積年代及其與塔克拉瑪干沙漠形成演化的關(guān)系早在20世紀(jì)50-70年代就已引起人們的注意,這時期研究工作多屬于普查性質(zhì),推斷昆侖山黃土屬于塔克拉瑪干沙漠的同期近源風(fēng)成沉積,形成于干旱環(huán)境下,時代大約為中更新世或晚更新世,但與早更新世沙漠的大規(guī)模發(fā)展有關(guān)。Fang等對昆侖山北坡出山口河流最高階地(于田縣阿羌縣大坂蘇克河右岸最高階地黃土地層剖面)80多米厚的黃土進行了古地磁和古氣候記錄研究,認為該剖面黃土形成于距今約880ka前(中更新世),推測塔里木盆地現(xiàn)代形式的環(huán)流格局約形成于88萬年前,昆侖山黃土和極端干旱氣候、塔克拉瑪干沙漠雛形大致也在此時出現(xiàn);青藏高原、帕米爾高原和天山山脈的隆起,是導(dǎo)致盆地極端干旱氣候條件和沙漠形成的根本原因。4.4.3基因組織及沉積特征依據(jù)第四紀(jì)期間,中國沙漠有兩次大規(guī)模的擴張,一次是中更新世全球最大冰期時,另一次是末次冰期最盛期(LGM),第二次尤為顯著。末次冰期是東亞氣候在整個第四紀(jì)時波動最為劇烈、最不穩(wěn)定的時期,這一認識已被各界學(xué)者所認同,它們在中國北方和新疆沙漠、黃土地層中的記錄也已被大量研究所發(fā)現(xiàn)。塔里木盆地和柴達木盆地邊緣廣泛存在的殘留冰凍楔和冰磧物沉積,表明這些地區(qū)的末次冰期最冷期出現(xiàn)在約30~25kaBP時期。但在總體寒冷的氣候條件下,不同的沉積學(xué)和古環(huán)境證據(jù)顯示塔克拉瑪干沙漠不同區(qū)域在末次冰期經(jīng)歷了不同的干濕波動過程。來自沙漠邊緣的風(fēng)成沉積證據(jù):塔克拉瑪干沙漠南緣克里雅河上游普魯剖面是晚更新世沙山地層的代表。該地風(fēng)成沙堆積的起始年代為66.7±3.3kaBP,與末次冰期開始的年代(70ka)較吻合;該剖面沉積物化學(xué)元素和碳酸鹽含量變小、風(fēng)化淋溶作用微弱,表明區(qū)域在末次冰期后與現(xiàn)代一樣,都是極端干旱的荒漠環(huán)境;末次冰期以來氣候持續(xù)干旱,其中偏濕期的記錄不明顯,風(fēng)況變化也不大。沙漠腹地的證據(jù):在沙漠腹地的克里雅河下游干三角洲、塔中及其附近的風(fēng)沙地貌區(qū),Yang、Yang等發(fā)現(xiàn)了廣泛存在的末次冰期時的河湖相亞粘土沉積和古風(fēng)成砂(或河流、風(fēng)成沙混合相)互層沉積,表明沙漠腹地在末次冰期時氣候經(jīng)歷了幾次顯著的干濕變化(冷干或冷濕)。這與沙漠邊緣持續(xù)干旱的氣候明顯不同。但在沙漠腹地,即使在河流與湖泊存在的時期,也已有風(fēng)蝕和風(fēng)積地貌的發(fā)育,而風(fēng)成沉積物可再次為河湖相沉積物所覆蓋。這些腹地和南部邊緣風(fēng)成和湖相沉積地層的光釋光年代學(xué)數(shù)據(jù)表明,沙漠腹地的氣候濕度在末次冰期的40ka以來發(fā)生了顯著的變化;湖相沉積地層表明在約2ka(全新世)和30ka(末次冰期)前的兩個時期,塔克拉瑪干沙漠中部比現(xiàn)在的氣候條件濕潤得多。在塔里木盆地南緣海拔1800m區(qū)域常出現(xiàn)系冰水沉積的沙楔,有沙楔的測年結(jié)果為40kaBP和18kaBP,指示沙漠南緣在末次冰盛期時有兩次顯著的降溫過程,且降溫幅度可能較大。Yang等推測全球西風(fēng)帶和可移動的極地高壓的變化,引發(fā)了塔克拉瑪干沙漠南緣和腹地降水的波動;但沙漠溫度的變化受冬季風(fēng)強度所控制。來自不同流域的沉積學(xué)證據(jù):在塔克拉瑪干沙漠南部克里雅河流域中游地區(qū),普遍保存了三級河流階地,每級階地上都有沙丘發(fā)育。14C測年結(jié)果表明,較低的兩極階地是全新世時形成的;高階地的河流沉積物上部1m形成了碳酸鈣結(jié)核,它的14C年齡約28.7ka±1.5kaBP,表明塔克拉瑪干沙漠在大約30ka時氣候比現(xiàn)代濕潤,其后都較為干旱。Feng等通過對塔里木河流域12kaBP以來地層沉積相研究,認為12kaBP以來塔里木河流域在全球氣候波動的影響下疊加了內(nèi)陸干旱盆地的環(huán)境效應(yīng),在總體干旱氣候條件下具有暖干與冷干交替變化的規(guī)律。這兩個不同流域的沉積學(xué)證據(jù)差異,表明塔克拉瑪干沙漠南部與北部地區(qū)在晚更新世以來似乎也經(jīng)歷了略有差異的氣候變化。塔里木盆地東部羅布泊地區(qū)和塔里木河下游河段之間的庫魯克庫姆沙漠(通常被作為塔克拉瑪干沙漠的一部分),它的形成與羅布泊的發(fā)展有關(guān);夏訓(xùn)誠根據(jù)沙漠中普遍發(fā)育風(fēng)蝕地貌雅丹地形推測其時代屬于中更新世;到全新世時,隨著塔里木河無法進入,區(qū)域水系開始消亡,廣泛形成沙漠。4.5古爾班通古特沙漠的起源和發(fā)展4.5.1中更新世中國南半島地區(qū)早期對古爾班通古特沙漠形成演化的認識多來自于古地理資料,多為定性分析和推斷,缺少年代學(xué)證據(jù)的支持。古地理學(xué)者認為,準(zhǔn)噶爾盆地中部在早更新世時氣候已經(jīng)變得相當(dāng)干旱,并形成了古爾班通古特沙漠;中更新世,準(zhǔn)噶爾盆地平原上沖積和風(fēng)積兩種作用交替進行;晚更新世的準(zhǔn)噶爾盆地,冬季受蒙古高壓的影響,以東北風(fēng)為主,在平原上以南北向排列的縱向沙垅占優(yōu)勢;而在沙漠南緣,偏北風(fēng)氣流受阻于天山,發(fā)展為橫向類型沙丘。全新世以來,天山北麓河流變化的趨勢也是流程縮短,平原地區(qū)河流改道頻繁,湖泊面積也趨于縮小,而沙漠面積則相應(yīng)擴大。全新世大西洋期雨量略多,大部分沙丘上盛長灌叢和草本植物,并逐漸趨向固定。自全新世早期以來,天山北麓東段沙漠不斷向南擴展,并迫近潛水溢出帶;至全新世中期的后期,滿營湖、旱臺子以北也沙漠化,全新世晚期沙漠繼續(xù)南擴。4.5.2準(zhǔn)噶爾盆地晚漸新世以來風(fēng)成沉積物的時間序列在準(zhǔn)噶爾盆地腹地的頂山鹽池和鐵爾斯哈巴河區(qū)域,分布著保存較好的第三紀(jì)風(fēng)成紅粘土,是早期風(fēng)沙活動乃至沙丘地存在的證據(jù)。針對這些第三紀(jì)沉積序列,Sun等在系統(tǒng)的磁性地層學(xué)和生物地層學(xué)基礎(chǔ)上建立了準(zhǔn)噶爾盆地腹地這些晚漸新世以來風(fēng)成沉積物的時間序列;并在沉積學(xué)、微量元素地球化學(xué)、同位素地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上,認為準(zhǔn)噶爾盆地最早的風(fēng)成沉積和中亞干旱化至少起始于24Ma前。Sun等據(jù)此推測,準(zhǔn)噶爾盆地的第三紀(jì)風(fēng)成粉塵可能由西風(fēng)環(huán)流從哈薩克斯坦搬運而來;這些粉塵與由冬季風(fēng)從蒙古和中國北方荒漠搬運并沉積在中國中部黃土高原上的黃土不同,從而指出中亞地區(qū)與現(xiàn)今相似的干旱氣候模式可能早在晚漸新世即已盛行。4.5.3清水河出基改造準(zhǔn)噶爾盆地南緣天山北坡河流階地上的黃土,也被人們廣泛認為是來自古爾班通古特沙漠粉塵堆積形成的,并且該黃土開始沉積的時代被認為代表了沙漠主體最遲形成的時代和顯著干旱化的開始。Fang等考察了天山北坡海拔2400~700m高度地貌面上廣泛存在的風(fēng)成黃土,認為它們是古爾班通古特沙漠的同源異相沉積。天山黃土在沙灣和石河子一帶最厚,其中沙灣清水河出山口河流最高階地上黃土剖面厚約71m,發(fā)育9層淺褐色古土壤。Fang等基于古地磁測定結(jié)果推測底部年齡約800ka前,認為準(zhǔn)噶爾盆地極端干旱氣候和現(xiàn)代古爾班通古特沙漠雛形最遲大致在這時形成;但在距今約650ka和500ka前有兩次顯著的干旱化增強和沙漠?dāng)U大過程,然后逐步干旱最終形成現(xiàn)代的環(huán)境格局。由于這些干旱化和沙漠?dāng)U大事件與中更新世全球氣候的顯著變化基本同步,Fang等認為亞洲內(nèi)陸大范圍的沙漠化和干旱化所導(dǎo)致的巨大環(huán)境效應(yīng),可能是全球氣候變化和中更新世系列氣候事件發(fā)生的重要驅(qū)動力?；谕坏貐^(qū)的黃土沉積,史正濤等通過古地磁、光釋光和14C年代學(xué)以及>63μm砂含量變化的研究,認為古爾班通古特沙漠大規(guī)模發(fā)育是從約1.2Ma開始的,最遲在0.8Ma前已經(jīng)存在;0.8Ma以來沙漠發(fā)育經(jīng)歷了基本穩(wěn)定期(0.8~0.4Ma)、強烈波動擴展期(0.4~0.13Ma)和收縮穩(wěn)定期(0.13~0Ma)三個階段;在成因機制上,認為昆—黃運動使青藏高原及亞洲山地隆升到3000m后其熱力、動力作用引起了大氣環(huán)流形勢的改變及印度季風(fēng)強度減弱,是準(zhǔn)噶爾盆地古爾班通古特沙漠廣泛形成主要原因。4.5.4古爾班通古特沙漠形成演變的年代學(xué)意義和機制與塔克拉瑪干沙漠內(nèi)部零星分布的古河湖相沉積物不同,準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)存在廣泛而巨厚的第四紀(jì)沖洪積物。吳正認為這些沉積層的形成與盆地目前水系網(wǎng)的分布狀況不相適應(yīng)。因為目前盆地內(nèi)僅有瑪納斯河、奎屯河等較大河流有較長流程和比較豐富的水量,其他河流大都在洪積扇邊緣地帶就已經(jīng)消失,因此吳正推斷巨厚沉積層的形成代表著第四紀(jì)時有過至少一個濕潤時期,當(dāng)時水系網(wǎng)比較稠密,同時有豐沛的水量。野外考察和航攝相片可看出無數(shù)的干河床伸向沙漠中心。來自古爾班通古特沙漠南緣丘間地的一個35m深鉆孔的沉積特征研究表明,準(zhǔn)噶爾盆地在晚更新世主要表現(xiàn)為相對冷濕的環(huán)境,剖面物質(zhì)以弱膠結(jié)沙為主,其中夾有兩層含鈣結(jié)核的粘土層,OSL年齡分別是62kaBP和28kaBP,可以認為這兩個時期氣候的濕潤性更為突出。以上所述的古風(fēng)成沉積和沖洪積及其年代學(xué)證據(jù),都指示了古爾班通古特沙漠至少在中更新世以來就已存在。但也如同塔克拉瑪干沙漠一樣,目前已報道的研究成果,由于研究區(qū)和研究對象、研究手段以及方法的不同,在關(guān)于古爾班通古特沙漠形成演化的時間、過程和影響機制方面,學(xué)術(shù)界也存在著認識上的差異。需要開展進一步系統(tǒng)的古環(huán)境研究和高分辨率的年代學(xué)證據(jù)來推進這種認識上的統(tǒng)一。4.6中更新世物權(quán)實驗組織庫姆塔格沙漠是中國研究相對較晚的沙漠,腹地廣泛出露含古風(fēng)成砂的第四紀(jì)地層剖面。在地質(zhì)構(gòu)造上,庫姆塔格沙漠與塔克拉瑪干沙漠有許多相似之處。第三紀(jì)末青藏高原的隆升奠定了庫姆塔格沙漠地區(qū)現(xiàn)今的構(gòu)造地貌景觀。古地理證據(jù):早期學(xué)者根據(jù)古地理環(huán)境資料,認為庫姆塔格沙漠應(yīng)在塔里木盆地干旱氣候形成以后的一段時間形成,也就是在早更新世以后;在一范圍不大的區(qū)域,一般說來形成年齡越老沙丘越高大,形態(tài)也越復(fù)雜;庫姆塔格沙漠一般南部高北部低,南部沙丘高可達70~80m,而北部沙丘一般高在10m左右,具有從南向北階梯狀降低的特點,反映了沙漠發(fā)展過程是由南向北不斷發(fā)展擴大的。沙漠北部有些下伏沉積物出露地表,沉積物為礫石夾淺紅色、淺灰色砂巖互層;對比羅布泊地區(qū)第四紀(jì)地層,應(yīng)劃分為中更新世;沙漠大部分覆蓋在中更新世地層上,表明該沙漠的形成是在中更新世。古風(fēng)成沙證據(jù):唐進年等根據(jù)古風(fēng)成砂地層剖面的年代學(xué)分析結(jié)果,對比已有的周邊區(qū)域地質(zhì)資料,認為庫姆塔格沙漠的形成至少始于早更新世初,到中更新世晚期286±43kaBP時沙漠已大面積擴展形成,奠定了現(xiàn)代沙漠環(huán)境格局;并且認為沙漠最初從西南部開始形成,之后向北和東北擴展。同時,依據(jù)梭梭溝地層剖面的研究,唐進年等認為庫姆塔格沙漠在第四紀(jì)演化過程中至少經(jīng)歷了19個沙漠正、逆過程旋回;新構(gòu)造運動對沙漠的形成演化和地貌的形成發(fā)育具有重要作用:構(gòu)造性山間斷陷活動使庫姆塔格地區(qū)逐漸向封閉的干旱盆地演化,形成沙漠。夏訓(xùn)誠根據(jù)沙漠下伏沉積物、第四紀(jì)古地理、沙丘形態(tài)和14C年代學(xué)測定等資料,推測巨厚的湖相沉積物為庫姆塔格沙漠的形成提供了豐富的沙源,沙漠在中更新世以后開始出現(xiàn),晚更新世以后進一步發(fā)展擴大,形成今天的規(guī)模;它的發(fā)展過程最初在南部,然后在北部,由南向北逐漸向阿奇克谷地擴展。在沙漠形成時代和空間演化上,這與唐進年等的研究結(jié)果相似。因此,可以認為目前學(xué)術(shù)界在庫姆塔格沙漠形成時代的問題上獲得了統(tǒng)一性的認識。此外,關(guān)于庫姆塔格沙漠獨特的羽毛狀沙丘的形成,由于研究角度的不同,目前有些不同的認識。夏訓(xùn)誠根據(jù)埋在沙丘中枯死的檉柳、沙拐棗群叢的14C測年數(shù)據(jù),地質(zhì)時代為4.6±0.1ka,推測庫姆塔格沙漠北部羽毛狀沙壟是4600年以后才發(fā)展起來的;沙漠中的沙壟是由新月形沙丘和新月形沙壟逐漸演變而成,又由于沙源豐富,在沙壟兩側(cè)或壟間發(fā)育了數(shù)道平行的小沙埂,垂直于沙壟,形成了特殊的羽毛狀沙壟形態(tài)。Dong等則認為羽毛狀沙丘的形成可能事實上與組成塞弗(Seif)沙丘的假羽毛狀沙丘的地面光譜反照率有關(guān),而后者與組成沙丘的顆粒粒徑和輕重礦物的顏色有關(guān)。4.7地質(zhì)時期新疆沙漠的形成由于氣候是沙漠形成的動力條件,因此沙漠的演化模式通常受控于區(qū)域氣候的演化模式而與之對應(yīng)。4.7.1氣候變化模式第四紀(jì)時期以來,新疆地區(qū)的氣候變化特征可大致概括為:在中亞內(nèi)陸持續(xù)干旱的宏觀背景下,疊加著局域尺度的氣候不穩(wěn)定性,水熱條件的配置有別于中國東部季風(fēng)區(qū)。以北疆地區(qū)為主,包括昆侖山北緣的部分地區(qū),晚更新世以來氣候演變的模式是冷—濕、暖—干為主的西風(fēng)主控型模式(水熱不同期),它與中國東部暖—濕(夏季風(fēng))、冷—干(冬季風(fēng))的東亞季風(fēng)主控型模式(水熱同期)相區(qū)別,這一特征廣泛為新疆各種地質(zhì)記錄所記載[68,70,77,78,79,80,81,82,83,84]。例如,通過對古絲綢之路興衰的研究,李江風(fēng)證明新冰期和小冰期恰好為古絲綢之路的發(fā)達時期(漢代2~3kaBP);由于沙漠中人類居住地的存亡主要取決于水,故反推冷對應(yīng)于濕,而暖對應(yīng)于干。李吉均從湖泊沉積研究認為新疆地區(qū)晚更新世以來的環(huán)境變化服從西風(fēng)帶的一般規(guī)律,冰期與雨期同步,冰期為冷濕期,間冰期為暖干期。中國內(nèi)陸干旱區(qū)最大淡水湖博斯騰湖的鉆孔巖芯的高分辨率記錄表明,南疆地區(qū)近千年來在百年尺度上的氣候變化組合以暖干和冷濕為主,是西風(fēng)影響區(qū)濕潤小冰期氣候的典型代表。不僅如此,亞洲內(nèi)陸冰芯、湖泊、河流、沙漠等沉積地層均記錄了西風(fēng)環(huán)流顯著影響區(qū)較為濕潤的小冰期氣候,出現(xiàn)明顯的冷濕氣候組合。此外,中國干旱、半干旱地區(qū)的湖泊還高分辨率地記錄了近15kaBP以來中國東、西部區(qū)域的氣候變化差異,主要體現(xiàn)在高湖面的兩種波動形式上。一種是以中國東、中部地區(qū)的岱海、呼倫湖、達里湖和班公湖為代表的中國季風(fēng)區(qū)高湖面的變化,另一種則是新疆巴里坤湖、西昆侖湖泊、博斯騰湖、烏倫古湖等西風(fēng)區(qū)為代表的另一種演變形式。西風(fēng)區(qū)高湖面的出現(xiàn)大都與氣候的寒冷期對應(yīng),而季風(fēng)區(qū)此時的湖面是下降的,高湖面則都出現(xiàn)于各暖期之中;但在全新世適宜期二者則是同步的,都表現(xiàn)為一次顯著的湖侵。高湖面是入湖水量增多的體現(xiàn),一定程度上反映了降水增多的濕潤氣候,表明晚更新世的各次冰期中新疆地區(qū)是相對濕潤的,這種氣候變化模式相同于歐洲、北美等受西風(fēng)帶氣候控制的地區(qū)。在全新世氣候適宜期,新疆地區(qū)總體上是以暖濕為特征的,反映了全球宏觀背景條件下區(qū)域一致性的特征。西風(fēng)型演變模式是新疆地區(qū)第四紀(jì)氣候變化的重要特征,該模式的建立是新疆地區(qū)第四紀(jì)氣候研究最重大的進展之一,使得新疆成為中國第四紀(jì)古環(huán)境演變研究領(lǐng)域極富特色的區(qū)域。4.7.2沙區(qū)氣候環(huán)境格局的動式發(fā)育模式西風(fēng)主控型的氣候演化模式導(dǎo)致新疆沙漠的演變有別于中國北方中、東部的沙漠,它們的區(qū)別可概述為:(1)中國東部和東北部沙區(qū)(以渾善達克沙地為代表),同時受到東亞冬、夏季風(fēng)的顯著影響,第四紀(jì)沙漠變遷主要表現(xiàn)為沙丘正、逆過程交替出現(xiàn)的波動式發(fā)育模式,即流沙出現(xiàn)、擴大與縮小、生草成壤過程相間,是“草原型”或“季風(fēng)型”沙漠,以旋回波動式演化模式為特征;(2)中國中部沙區(qū)(以巴丹吉林沙漠為代表),受西風(fēng)型氣候的影響,同時受到東亞冬季風(fēng)的強烈影響和東亞夏季風(fēng)的次級影響,沙漠的演化模式主要表現(xiàn)為松散風(fēng)成沙與鈣質(zhì)膠結(jié)層或湖相層迭覆出現(xiàn)、以松散風(fēng)成沙為主的高大沙山,是“西風(fēng)-季風(fēng)型”沙漠,以非線性(或偏性)沙丘波動式演化模式為特征;(3)中國西部新疆地處中亞內(nèi)陸,其構(gòu)造地貌特征使兩大盆地區(qū)域受行星系西風(fēng)、海陸季風(fēng)或地形山谷風(fēng)等的焚風(fēng)效應(yīng)的影響,第四紀(jì)以來的氣候環(huán)境格局總體表現(xiàn)為持續(xù)的干旱化過程并伴隨次級小規(guī)模的波動過程;因此新疆沙漠的演化模式主要表現(xiàn)為流沙不斷擴大的直線式發(fā)展過程,是“荒漠型”、“雨影型”或“焚風(fēng)型”沙漠。5歷史時期新疆沙漠的變遷5.1歷史時期的土地沙漠化歷史時期新疆經(jīng)歷了快速的沙漠化過程。廣大學(xué)者認為歷史時期新疆沙漠的擴展是由人為因素造成的。因為全新世以來的地質(zhì)記錄顯示:千年尺度的氣候變化在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)是較為溫暖的,而現(xiàn)在的氣候條件表明自然因素是不會促進沙漠如此快速的發(fā)展的。歷代封建王朝迫于人口壓力,一方面濫墾、濫伐式的掠奪生存資源,具有重要生態(tài)意義和固沙作用的沙丘植被大量破壞,致使綠洲邊緣流沙蔓延,沙漠?dāng)U展,形成“沙進人退”格局;如新疆北部精河、艾比湖一帶及其附近區(qū)域,南疆洛浦、莎車、喀什綠洲等;另一方面,人口壓力的增大使人為綠洲被迫向河流上游擴展,灌溉作業(yè)等人為用水量的加劇使得流向下游的水量逐漸減少,河流下游斷流或河流改道,遺留的沙質(zhì)干河床受風(fēng)力吹揚作用,就地起沙形成沙丘,并逐漸成片,形成流動沙丘群。然而,歷史時期新疆南、北部沙漠經(jīng)歷了并不相同的沙漠化過程。研究表明:兩千多年來,準(zhǔn)噶爾盆地中的古爾班通古特沙漠環(huán)境基本穩(wěn)定,但在東南緣及西南緣存在著固定、半固定沙丘向流動沙丘轉(zhuǎn)化的沙丘活化現(xiàn)象。而歷史時期的塔克拉瑪干沙漠,在沿沙漠河流下游干三角洲分布的一些古代綠洲,由于水系變遷、戰(zhàn)爭等原因淪為沙漠化土地;河流中上游及洪積、沖積平原雖然也有風(fēng)沙化的古城廢