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研究方案


(一) 学术思路

    通过研究现代高原剥蚀风化过程,揭示构造-气候控制下的大陆剥蚀和风化作用规律;从不同时间尺度地质档案记录研究高原隆升过程中的剥蚀风化速率变化,揭示隆升历史过程中构造-气候控制大陆风化和平衡大气CO2 的机理;基于高原现代和高原隆升过程中剥蚀风化过程的研究,通过与全球碳循环模型结合,建立风化剥蚀以及有机质埋藏现代和地质时期的大气二氧化碳消耗评估模型,揭示高原隆升‐大陆风化‐全球变化之间的相互关系,为国家碳循环谈判和西部的生态环境建设与保护,提供地表自然过程和机理以及历史时期全球增暖自我调节机制。

(二)技术路线

    根据项目的总体学术思路和主要研究内容,拟采取现代过程与过去记录相结合,地质理论分析与数值模拟相结合的总体研究途径,充分利用中科院青藏高原综合观测研究平台(TORP)和我国西部水文气象观测网络,以及我国西部青藏高原周边盆地新生代地层巨厚、基本连续完整、出露完全,石油勘探地震剖面系统,可以进行精细盆地分析的优势,结合现在最先进的分析测试手段和设备,对我国西部最具代表的两个气候区(季风区和西风区)同时开展可对比分析的不同时间尺度大陆剥蚀和风化过程与高原隆升和全球变化研究,具体技术路线如下:

    1. 充分利用中科院青藏高原综合观测研究台站网络,结合我国西部水文观测网络,实施我国西部长期、连续的大江大河和代表性小流域封闭湖泊的河湖水系统采样分析以及部分湖泊的浅钻采芯分析,系统开展季风区和西风区近代和现代全球变暖背景下大陆剥蚀和风化作用强度特征及其与气候变化的关系研究利用中科院青藏高原的 18 个综合观测台站,结合部分我国西部水文气象观测网站,选取印度季风区、东亚季风区和西风区三个关键区中的主要大江大河(雅鲁藏布江、澜沧江、金沙江、黄河和塔里木河、伊犁河)和不同温度、植被、岩性(无碳酸盐岩分布区)和地貌下的代表性小流域封闭湖泊(季风区亚热带暖湿气候-中低海拔贵州洪枫湖-中高海拔山地寒温带冷湿气候-西藏然乌湖-中高海拔温带半干旱区-青海湖;季风-西风过渡区祁连山温带干旱区-黑河尾闾湖;西风带冷湿气候-慕士塔格冰川末端湖),开展连续的季节性河水和雨水、表层沉积物采样,分析其化学组成和河水中悬浮沉积物总量;结合网站观测的气候、水文和泥沙资料,定量评估各个流域不同季节的现代硅酸盐风化速率、有机碳埋藏通量及两者对大气CO2的消耗量;通过近百年湖泊、水库沉积物组成的分析,获取近代增暖过程中流域剥蚀沉积速率、硅酸盐风化速率、有机碳埋藏通量及两者对大气CO2 的消耗量的变化;分析剥蚀风化与气候(温度、降水)、植被、地貌和岩性的关系。

    2. 充分利用我国西部大型盆地发育巨厚新生代地层的优势,在详细的高精度地层年代学基础上,开展高分辨率的剥蚀风化与气候变化记录研究,估算不同时期盆地剥蚀-风化速率和通量及其对全球碳循环的贡献我国西部青藏高原及其周边发育一系列大型内陆盆地,其中接受了来自青藏高原和周边山地剥蚀下来的巨厚新生代沉积物,并且几乎被盆地边缘的冲断褶皱所完全暴露,是我国开展新生代剥蚀风化和气候变化研究的绝好机会和优势。项目拟以这些天然剖面为主,结合部分盆地项目组已经获得的深钻岩心,获取完整的新生代地层序列。计划在印度季风区选取兰坪-思茅盆地新近高速公路建设开挖出来的连续天然剖面和钾盐研究中我们已经钻取的1200 米深钻岩心以及丽江盆地鹤庆环境深钻岩心、东亚季风区黄土高原天然剖面和红粘土深钻、西风干旱区柴达木盆地天然剖面和2000 米深钻以及塔里木盆地天然剖面,获取这些地区几乎连续完整的新生代地层序列;通过高密度古地磁采样分析,结合哺乳动物化石年代,建立新生代地层的高精度古地磁年代序列,计算新生代以来不同盆地沉积物沉积通量;通过硅酸岩粘粒的化学组成和粘土矿物分析及生物壳体(介形、螺壳等)C、O、Li和Sr 同位素的分析,以及孢粉、有机质组成和碳氢同位素、盐类离子和碳酸盐碳氧同位素等各种气候代用指标的综合分析,获取这些区域新生代大陆风化与气候变化记录;估算不同时期盆地风化速率和通量,进而根据有机碳、无机碳含量以及生物壳体丰度统计,估算不同气候区不同时期生物产率以和碳埋藏通量及硅酸盐风化所消耗的CO2 通量。

    3. 充分利用我国西部新生代盆地系统石油地震勘探的优势,结合系列山地热年代学和盆山耦合构造研究,建立青藏高原边缘季风和西风区新生代重大变形隆升事件序列,估算变形隆升幅度,对比和模拟分析高原隆升、剥蚀风化和全球变化之间的相互作用关系,提出高原隆升与全球碳循环和气候变化关系新模型盆山结合处的冲断褶皱体系的形成演化是盆山耦合揭示的青藏高原变形隆升的关键构造证据和实体地貌表达,而剥蚀变化是盆山耦合关系的沉积学逻辑表达。以新生代盆地大量石油地震勘探剖面、钻探以及上述新生代地层高精度测年为基础,通过系列山地热年代学(Ar-Ar,FT 和U-Th/He)和山前冲断褶皱形成演化和平衡剖面分析,揭示这些地区青藏高原的变形隆升过程,并半定量估算其变形隆升幅度。以上述所有研究为基础,详细对比青藏高原变形隆升过程、新生代全球变化过程和我国西部大陆剥蚀风化过程与碳通量变化,厘定和提出新的关系和观测参数基础上的地质碳循环数值模型与模拟,揭示大陆剥蚀风化与全球变化的关系,青藏高原隆升对剥蚀风化和全球变化的影响过程与机制。

(三)创新点与特色

    本项目具有以下明显的创新和学科前沿的特色:

    1.本项目是我国首次系统进行不同时间尺度大陆剥蚀风化与全球变化研究,弥补全球变化中一级碳循环研究在地质演化研究上的不足。

    2. 国际上首次对青藏高原驱动全球变化假说的核心区域青藏高原东部和北部,开展系统精细的剥蚀风化和季风与西风气候研究,是第一次直接将在青藏高原核心区获取的整个新生代高分辨率连续大陆风化记录,与同一个地区有高精度年代控制的剥蚀记录和变形隆升幅度记录进行直接对比,从而实现了对上述假说在核心区的直接证据检验,有望寻找出新的关系或在观测分析得出的新的参数基础上提出高原隆升‐全球变化新理论。

    3. 是我国第一次把现代、近代过程与过去地质记录,理论分析与数值模型结合起来,并利用当代最先进的技术手段和仪器设备,以精确年代控制和高分辨率多种相互核对的指标记录体系,开展系统的新生代剥蚀风化研究。基于现代和近代观测分析基础上的数据和证据,不仅可以加深对新生代剥蚀风化记录的理解,而且可以从不同的时间尺度上考察剥蚀、风化与碳循环和气候变化之间的关系和物理、化学机理及其影响因素,从而为理解和改进已有全球地质碳循环模型中的参数,使之更适合青藏高原地区的实际模拟,或提出新的模型奠定坚实基础。

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