晚第三紀(jì)紅粘土研究進(jìn)展

1紅層研究的興起中國北方的黃土面積達(dá)到44萬公里，形成了一條壯觀的“洛杉磯高原”。這是世界上最大的黃棕色區(qū)域。黃土沉積以其厚層、連續(xù)的特點而成為重建古環(huán)境、恢復(fù)古氣候理想的信息載體。大量的研究結(jié)果表明,黃土和深海沉積及極地冰芯一起成為全球變化研究中古氣候?qū)Ρ鹊臉?biāo)準(zhǔn)和經(jīng)典。在這套黃土-古土壤沉積序列的底部是一套以富含”三趾馬”動物群(Hiparionsp.)為特征的紅色土狀堆積(或稱”紅層”),故又稱“三趾馬紅粘土”,是近年來古環(huán)境演化研究的熱點,并被認(rèn)為與其上覆的黃土-古土壤一樣同為風(fēng)成成因,因而包含了大量古環(huán)境信息,亞洲內(nèi)陸的干旱沙漠化構(gòu)成了它們共同的物質(zhì)來源。早在19世紀(jì)末期,奧地利人(LoczyLV)就對甘肅、青海一帶的第三紀(jì)紅色地層進(jìn)行過考察。Anderson于1923年對貴德、西寧等地區(qū)的紅層進(jìn)行考察,由于發(fā)現(xiàn)其中含有許多哺乳類化石和淡水魚類化石而認(rèn)為時代為新第三紀(jì)。20世紀(jì)30年代中期,楊鐘健對隴西黃土高原晚新生代地層作了詳細(xì)的劃分,其中涉及到了上新統(tǒng)紅層。謝家榮、孫健初、卞美年、葉連俊、關(guān)士聰、胡敏、路兆洽等也對隴西盆地作過調(diào)查,并各自提出了對第三系的劃分意見。新中國成立后,一大批科學(xué)工作者對紅層進(jìn)行了研究,但主要是集中在古生物地層學(xué)研究方面,沒有進(jìn)行更為詳細(xì)的研究。80年代末、90年代初紅層的研究開始受到關(guān)注,但當(dāng)時的研究也僅限于磁性地層與沉積學(xué)研究,但到了90年代中期,黃土-古土壤序列的研究思想、方法與手段被引入到紅層的研究中,其后,紅粘土研究逐漸成為晚新生代環(huán)境演化研究的熱點。2紅粘土研究的進(jìn)展盡管黃土高原的紅粘土沉積在20世紀(jì)30年代即已引起地質(zhì)學(xué)家的注意,然而長期以來幾乎無人做過系統(tǒng)的研究。雖然近年來不少學(xué)者作了大量的工作,但與其上覆的第四紀(jì)黃土-古土壤序列的研究程度相比,紅粘土的研究未免顯得相形見絀。然而令人振奮的是,由于較為成熟的黃土研究思想、方法與技術(shù)手段被不斷引入到紅粘土的研究中來,使得紅層的研究進(jìn)展突飛猛進(jìn)。近十幾年來,在紅粘土的成因、沉積時代劃分與古環(huán)境替代性指標(biāo)分析方面取得了長足的進(jìn)步。2.1國內(nèi)及古地理研究中國北方廣泛發(fā)育的這套紅色土狀堆積早先被認(rèn)為是淤積的洪積物,或者是湖泊沉積物氧化所成,也可能系殘余的紅色風(fēng)化殼。綜合起來看,關(guān)于紅粘土成因的解釋,主要的假說有“殘積說”、“水成說”與“風(fēng)成說”。安特生1923年就提出過紅粘土是巖石就地剝蝕、風(fēng)化堆積而成的紅色風(fēng)化殼,這是“殘積說”的觀點;“水成說”則根據(jù)野外的巖性及古生物等證據(jù),主張紅粘土是巖石風(fēng)化剝蝕后經(jīng)流水搬運(yùn)至低洼處或河湖兩岸堆積的河湖相或沖積相沉積物,即經(jīng)流水作用再沉積而成。“風(fēng)成說”則強(qiáng)調(diào)這套晚第三紀(jì)的紅粘土沉積與其上覆的第四紀(jì)黃土一樣都是風(fēng)塵沉積的產(chǎn)物。實際上,有關(guān)紅粘土風(fēng)成起因的提法早已有之,德日進(jìn)、楊鐘健及前蘇聯(lián)學(xué)者凱西等曾分別于20世紀(jì)30年代與50年代末指出該土狀沉積可能系風(fēng)成成因,但一直未受到重視,只是到了80年代劉秀銘等把磁化率各向異性的研究用于紅粘土的研究并提出它可能為風(fēng)成沉積時,才逐漸引起大家的關(guān)注并開始進(jìn)行詳細(xì)的研究。近十幾年來的綜合研究(沉積學(xué)、綜合地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、磁性地質(zhì)學(xué)等)結(jié)果似乎更傾向于紅粘土風(fēng)成的觀點,這也是目前最為流行的說法[22,23,24,25,26,27]。在揭示紅粘土成因的研究中,早期多集中在古生物與沉積特征的研究上,根據(jù)其中所賦存的動物化石及其所具有的沉積特征探討紅粘土的成因,但近十多年來,由于黃土研究的思想方法的引入以及技術(shù)手段的不斷進(jìn)步,利用粒度、地球化學(xué)、顆粒微結(jié)構(gòu)、環(huán)境磁學(xué)、生物化石及沉積學(xué)特征等的變化來揭示紅粘土成因的研究取得了可喜的成績。現(xiàn)今關(guān)于紅粘土成因的爭論,主要集中在“風(fēng)成”與“水成”上。雖然不少學(xué)者通過各種指標(biāo)分析,揭示了紅粘土風(fēng)積的可能成因,但水成成因的跡象仍然存在。因此,對紅粘土的成因還需要繼續(xù)作進(jìn)一步的系統(tǒng)研究。此外,在即便是風(fēng)成成因被認(rèn)可的基礎(chǔ)上,紅粘土風(fēng)塵沉積的驅(qū)動力-搬運(yùn)粉塵的動力到底是西風(fēng)還是近地面偏北氣流,仍未達(dá)成一致,這也是一個值得研究的問題,因為現(xiàn)在看來,問題的焦點更多的是把矛頭指向青藏高原的隆升及其環(huán)境效應(yīng)。換言之,即到底是何種驅(qū)動力導(dǎo)致了中國北方晚新生代以來大面積的紅層沉積,這不僅對認(rèn)識紅粘土的成因,而且對晚第三紀(jì)以來亞洲內(nèi)陸,以至全球大氣候環(huán)流的重構(gòu)、亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的演化與構(gòu)造演化都將有一個更新的認(rèn)識。2.2紅粘土古環(huán)境評價2.2.1紅粘土的成分沉積物顆粒的粒徑大小可以直接指示搬運(yùn)它的介質(zhì)的動力大小及特征,對于查明沉積物的來源與區(qū)分沉積環(huán)境有極其重要的意義。因而,粒度分析成為古氣候研究的重要手段并在第四紀(jì)環(huán)境演變研究中得到廣泛應(yīng)用[5,36,37,38,39,40,41]。大量研究表明,紅粘土的粒度總體要比黃土偏細(xì)很多,部分粒度指標(biāo),如中值粒徑在剖面上變化很小,粘土所占比重較大,這被認(rèn)為是上新世時氣候條件要比第四紀(jì)時溫暖濕潤得多,且變幅較小,成巖與成壤作用較強(qiáng)所致,并因此形成了由“紅色黃土”和“紅色古土壤”相間構(gòu)成的沉積序列,反映了第三系紅土堆積時在暖濕背景上暖濕與涼干交替的氣候特點。順便提及,現(xiàn)在許多有關(guān)紅粘土的論述均把紅粘土譯作“Loess”,筆者認(rèn)為,未免欠妥。Loess一詞原本來源于德語語系,最早,菜伊爾應(yīng)用“Loess”一詞來描述萊因盆地黃色松散的壚姆狀沉積物,并認(rèn)為是沖積成因。自此,Loess才被廣泛使用。李希霍芬通過對我國的地質(zhì)考察后對黃土(Loess)作了如下定義:淺灰黃色、鈣質(zhì)的壚姆,疏松多孔,厚層狀,無層理,含陸生軟體化石,具有垂直節(jié)理,常呈陡壁。劉東生先生明確提出“以風(fēng)力搬運(yùn)堆積未經(jīng)次生擾動的、無層理的、黃色粉質(zhì)富含碳酸鹽并具有大孔隙的土狀沉積物稱之為黃土,風(fēng)力搬運(yùn)堆積之外的其他成因的黃色,又常常具有層理和砂、礫石層的粉土狀沉積物稱之為黃土狀巖石”。典型的黃土形成還必需滿足一個條件,即原始沉積物質(zhì)經(jīng)過特殊的“黃土化”過程才能稱其為黃土。根據(jù)上述觀點,從現(xiàn)有紅粘土的研究來看,對紅粘土著述英文沿用“Loess”一詞應(yīng)該重新考慮,一方面可避免概念上的混亂,另一方面也可以更科學(xué)地反映紅粘土的特性,這對以后的研究工作是極其重要而有意義的?？臻g上,黃土沉積物自西北向東南逐漸由粗變細(xì)的特征是論證黃土風(fēng)成成因的主要證據(jù)之一。那么,黃土下伏的紅粘土的粒度變化是否也具有此種特征就成為探討紅粘土是否為風(fēng)成成因的重要證據(jù)。丁仲禮等的研究認(rèn)為:紅粘土的顆粒粗細(xì)并沒有明顯的南北向分異現(xiàn)象,這與粒度從北到南快速變細(xì)的黃土形成鮮明的對比。但苗曉東等對黃土高原由北到南6個地點的晚上新世紅粘土樣品進(jìn)行了常規(guī)粒度測量和化學(xué)提取的石英樣的粒度測量,結(jié)果顯示紅粘土全樣和石英樣品的平均粒徑由偏北到南逐漸變細(xì),粗顆粒含量也逐漸減少,這與其上覆的風(fēng)成黃土粒度的空間變化具有可比性,支持上新世紅粘土風(fēng)成的觀點,同時說明當(dāng)時粉塵的傳輸動力不可能是以高空西風(fēng)環(huán)流為主,而更可能是在第三紀(jì)晚期紅粘土堆積時主要的傳輸動力為偏北低空風(fēng)。看來,在風(fēng)成成因的前提下對當(dāng)時粉塵搬運(yùn)的風(fēng)動力(或大氣環(huán)流格局)存有不同認(rèn)識。而事實上,即便是典型的黃土堆積,其粗顆粒組分(>0.05mm,更可能反映了原始的物質(zhì)來源)也并非簡單的自北向南均勻地由大變小,巖性由粗變細(xì)。紅粘土粒度的這種差異到底是如何形成的呢?苗曉東等解釋為粒度前處理方法的不同和粒度代用指標(biāo)的不同是引起這種差異的原因。但這種解釋似乎有待考慮。誠然,不同的處理方法或不同的代用指標(biāo)的選取可能會造成一定的甚至是很大的差異,但就指標(biāo)所應(yīng)反映的古氣候意義而言,它們所反映的總趨勢,或者說所反映的環(huán)境變化事實應(yīng)該是一致的,否則,指標(biāo)的適用性就會受到質(zhì)疑。最近,曹軍驥等對巴家咀剖面紅粘土的粒度分布研究表明,是東亞冬季風(fēng)環(huán)流而非北半球西風(fēng)環(huán)流控制著紅粘土物質(zhì)的堆積過程。那么,究竟是何種大氣環(huán)流格局控制著紅粘土的沉積?這關(guān)系到紅粘土的成因及其物質(zhì)來源。在利用粒度指標(biāo)探討紅粘土的成因研究上鹿化煜等做了更為細(xì)致的工作,通過對洛川、西峰、平?jīng)觥⑽靼菜牡氐募t粘土粒度分析,針對各種粒度參數(shù)、粒度象特征、粒度指數(shù)特征和判別分析等對黃土、紅粘土與河流沉積物進(jìn)行對比,結(jié)果顯示紅粘土與黃土有極為相似的特征,從而指出紅粘土可能亦為風(fēng)成成因。從粒度這一替代性指標(biāo)的分析來看,大都認(rèn)為紅粘土的粒度特征與其上覆的黃土-古土壤序列是非常相似的,故紅粘土更可能是粉塵經(jīng)風(fēng)力搬運(yùn)再沉積,并經(jīng)受了后期強(qiáng)烈的風(fēng)化成壤作用而形成的。但是也應(yīng)指出,沉積物的粒度特性不僅受到源巖性質(zhì)的影響,還與后期一系列的物理、生物地球化學(xué)等因素的影響有關(guān),它們之間并非簡單的相似。因此,單靠粒度指標(biāo)來確認(rèn)紅粘土的成因是值得商榷的。2.2.2磁化率與成壤作用沉積物的磁性特征不僅與源區(qū)有密切關(guān)系,而且與其沉積以后的環(huán)境變化也密切相關(guān)。環(huán)境磁學(xué)方法在第四紀(jì)黃土研究中得以廣泛應(yīng)用,西峰與洛川剖面的磁化率已成為用于海陸對比的標(biāo)準(zhǔn)古氣候指標(biāo)序列,磁化率的變化良好地記錄了2.5MaBP以來古氣候變化的歷史[49,50,51,52,53,54,55,56]。因此,研究者也嘗試把環(huán)境磁學(xué)的方法借鑒到紅粘土的研究中,以了解晚第三紀(jì)紅粘土的磁學(xué)特征及其與環(huán)境變化之間的關(guān)系。對中國北方紅粘土的研究結(jié)果表明,紅粘土具有與黃土相似的磁性礦物學(xué)特性,紅粘土中所含的磁性礦物主要是磁鐵礦、磁赤鐵礦、赤鐵礦。磁化率的分析結(jié)果顯示紅粘土的磁化率與超順磁性顆粒的含量呈正相關(guān),確認(rèn)在濕潤氣候條件下成壤作用所形成的超順磁顆粒對磁化率的貢獻(xiàn)。但是,眾所周知,雖然磁化率在黃土研究中與古氣候建立了良好的對比關(guān)系,但磁化率僅與磁性礦物有關(guān),而與古氣候之間并沒有直接的聯(lián)系,對于磁化率變化的機(jī)理仍然存在爭議。那么,在黃土研究中得到廣泛應(yīng)用的磁化率到底能否適用于紅粘土的研究?它們的形成機(jī)制是否一致?這是一個疑問。安芷生等認(rèn)為紅黃土-古土壤與黃土-古土壤樣品在磁性礦物和磁學(xué)性質(zhì)方面并無本質(zhì)上的差別,磁化率可以作為反映夏季風(fēng)變遷的代用指標(biāo)。但丁仲禮等則認(rèn)為在紅粘土中磁化率的適用性存有問題,主要由于紅粘土受過較強(qiáng)的土壤潛育化作用,易將氧化鐵磁性顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槟z體氫氧化物,從而出現(xiàn)季風(fēng)降水大,磁化率反而降低的情況。但紅粘土序列總體的磁化率相對偏低而與成壤強(qiáng)度又不完全匹配,說明晚第三紀(jì)紅粘土的堆積環(huán)境同第四紀(jì)黃土-古土壤序列存有較大差異,兩者的磁化率可能指示了兩種不同沉積環(huán)境下夏季風(fēng)強(qiáng)度的相對變化,不可等量齊觀。強(qiáng)小科等、孫有斌等對其適用性做出解釋:雖然兩者的磁化率存有差異,但由于頻率磁化率與磁化率的各自對應(yīng)關(guān)系非常良好,在紅粘土的研究中磁化率仍可能指示了晚第三紀(jì)夏季風(fēng)的長期變遷。磁化率的適用性在同時也得到了反映成壤作用強(qiáng)度的獨立指標(biāo)Rb/Sr的確認(rèn),它們之間存有良好的正相關(guān)關(guān)系。雖然如此,紅粘土剖面的磁化率變化與野外地層觀察并非完全一致,因此,“土壤潛育化”的影響仍然有待研究;與磁化率相比,頻率磁化率可能是一個更為敏感的反映氣候變化的替代性指標(biāo);磁化率的研究仍然需要其他相關(guān)指標(biāo)的支持,不同的沉積環(huán)境,甚至是不同的物源、搬運(yùn)方式都可能導(dǎo)致紅粘土的磁化率表現(xiàn)出差異性的特點。綜上所述,雖然大部分學(xué)者贊同紅粘土磁化率變化與黃土中的古土壤一樣,經(jīng)歷了較強(qiáng)的風(fēng)化成壤作用,生物化學(xué)作用形成的超細(xì)鐵磁性礦物對紅粘土的磁化率增大有重要貢獻(xiàn),因而可以指示夏季風(fēng)的強(qiáng)弱變化,但黃土與紅粘土分別是在第四紀(jì)和晚第三紀(jì)兩種不同氣候環(huán)境下的產(chǎn)物,磁化率的古氣候意義是否等同,是值得懷疑與進(jìn)一步研究的。2.2.3紅粘土與黃土的物質(zhì)來源沉積物中化學(xué)元素的含量受控于源巖的性質(zhì)及其沉積后的一系列物理化學(xué)過程,它們的分布、賦存、演化等特征對于揭示表生系統(tǒng)物質(zhì)的來源及其演化規(guī)律具有鮮明的指示意義,紅粘土地球化學(xué)研究對于揭示紅粘土的生成環(huán)境具有重要價值。早在1995年,夏正楷等就對離石豐義剖面M/G界線附近的黃土、紅粘土及其間的混雜帶進(jìn)行過穩(wěn)定同位素研究,結(jié)果顯示在該界線處δ18O與δ13C發(fā)生了明顯的變化,可能預(yù)示著氣候由溫濕進(jìn)入干冷。最近,來自西峰巴家咀剖面的紅粘土稀土元素研究表明,晚第三紀(jì)紅粘土和典型的風(fēng)塵物質(zhì)-現(xiàn)代塵暴粉塵以及中國黃土有相似的物質(zhì)來源和形成過程;巴家咀晚新生代紅粘土與第四紀(jì)黃土有著相似的沙漠物源和形成機(jī)理,它是由東亞季風(fēng)環(huán)流而非西風(fēng)環(huán)流從北方沙漠源區(qū)搬運(yùn)的粉塵物質(zhì)堆積而成。對巴家咀紅粘土剖面的另一研究顯示紅粘土含有元素的均一性、稀土配分模式與黃土的相似性等特點,這可能暗示著紅粘土與黃土具有相同的物質(zhì)來源,CIA值和酸不溶物中的Na/K比及Rb/Sr參數(shù)一致地指示了黃土高原晚第三紀(jì)時的氣候條件要比黃土堆積時期相對潮濕,晚第三紀(jì)以來氣候由相對溫暖濕潤逐漸變?yōu)楦衫?。Guo等對秦安紅粘土的地球化學(xué)研究同樣顯示出紅粘土與上覆黃土具有極為相似的微量元素配分模式,暗示了兩者可能具有相同的物質(zhì)來源。在用微量元素示蹤方面,顧兆炎等研究了10Be的變化與氣候及環(huán)境變化之間的關(guān)系。在黃土高原的黃土-古土壤、紅粘土沉積序列中,可見有多層(靈臺紅粘土剖面有多達(dá)120層)的鈣質(zhì)結(jié)核層,并且不同時代鈣質(zhì)結(jié)核的分布與形態(tài)也不相同。紅粘土與結(jié)核層的這種相間分布被認(rèn)為是晚第三紀(jì)以來沉積環(huán)境與過程經(jīng)歷了不同程度的變化所致。郭正堂等對西峰趙家川紅粘土剖面的研究指出,該剖面紅土中部鈣積層的形成與地下水有密切關(guān)系。陳丹玲等早就基于紅粘土與黃土具有類似的母質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)以及相同的成因和形成方式,嘗試性地對紅粘土的鈣積層進(jìn)行了碳與氧的穩(wěn)定同位素測量,指出紅粘土形成時可能為半干旱氣候且經(jīng)歷了多次干-濕旋回。靈臺剖面紅粘土中鈣結(jié)核層氧化物的活動組分與惰性組分的比值及MgO/CaO在剖面上的變化反映出晚第三紀(jì)以來氣候逐漸向冷濕方向發(fā)展,而Sr/Ba與CaCO3含量的變化則可能指示了晚第三紀(jì)是一個以強(qiáng)降水與強(qiáng)蒸發(fā)相組合的氣候演化特征。楊石嶺等更是根據(jù)紅粘土沉積中鈣質(zhì)結(jié)核的δ18O與δ13C變化分析了C3與C4植被在黃土高原的演化情況,認(rèn)為本區(qū)在4.0Ma發(fā)生了C4植物的擴(kuò)張,比低緯地區(qū)晚了3.0Ma,對Cerling等“C4植被擴(kuò)張的全球性”模式提出質(zhì)疑。地球化學(xué)方法在晚新生代紅粘土的研究中還只是剛剛起步,其特有的研究思想將對紅粘土的研究作出重要貢獻(xiàn)。2.2.4年代學(xué)及地質(zhì)環(huán)境條件的研究由于沉積地層中的動物化石具有鮮明的環(huán)境指示意義,某些標(biāo)志性的動物化石也是地層時代判定的重要依據(jù)而在沉積學(xué)研究中得以廣泛運(yùn)用。但是,也由于動物化石具有穿時性的特點而受到局限。中國北方晚第三紀(jì)紅粘土因其中富含三趾馬動物群而被稱為”三趾馬紅粘土”,數(shù)量豐富、種類繁雜、分布廣泛。眾多學(xué)者對三趾馬動物群的分類、性質(zhì)、分布、時代等方面做了詳盡的研究。在三趾馬動物群具體時代歸屬問題上,由于缺乏絕對年代的精確控制,長期以來一直存有爭議,給地層的劃分與對比帶來了極大的困難。根據(jù)我國三趾馬化石的產(chǎn)出層位與時代的不同,邱占祥等認(rèn)為可以分為灞河、保德、靜樂與泥河灣等幾個層位的三趾馬。近年來,隨著黃土高原紅粘土磁性地層工作的不斷展開,紅粘土沉積可以前推到約8MaBP前,紅粘土的堆積時間也由早期的上新世擴(kuò)展到中新世晚期,甚至還要往前推。同時,三趾馬化石所表征的環(huán)境條件對紅粘土成因的研究也是一項重要的證據(jù)?；穆癫靥攸c與巖性的綜合研究表明不同的層位可能具有不同的沉積環(huán)境,具有冷暖干濕變化的旋回,而且可能由于古地貌的差異,現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的許多地點的三趾馬動物群化石埋藏點(如甘肅靈臺雷家河、甘肅武都龍家溝、陜西藍(lán)田泄湖鎮(zhèn)甚至青藏高原上的吉隆、布隆盆地等)多與古湖泊有密切關(guān)系,表明此時整個黃土高原與青藏高原地區(qū)河湖廣布,三趾馬動物繁盛,這對紅粘土的風(fēng)成成因提出了疑問。試設(shè)想,黃土高原的紅粘土沉積如果都是風(fēng)成沉積,則顯然與上述古生物化石的埋藏學(xué)研究相沖突。靈臺紅粘土剖面最新的三趾馬動物化石埋藏學(xué)特征研究就基本上排除了動物死亡后其遺體直接由風(fēng)積粉塵埋藏的可能,作者傾向于”水成說”的觀點,至少是否定了惟一風(fēng)成的觀點。2.3紅粘土的堆積沉積物時代的確認(rèn)不僅是區(qū)域?qū)Ρ鹊幕A(chǔ),而且也是區(qū)域乃至全球構(gòu)造演化、地貌發(fā)育、古氣候變化研究的基礎(chǔ)。尤其在當(dāng)前較為流行的紅粘土與黃土同為風(fēng)成沉積的背景下,對紅粘土發(fā)生時代的研究對于研究亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的起源與發(fā)展、內(nèi)陸干旱化及青藏高原的隆升時代都有其重要意義。中國北方紅粘土堆積的上限可以定在M/G界線附近(約為2.6MaBP),此界線以上為典型的黃土-古土壤序列,以下則為”紅色黃土”和”紅色古土壤”相間構(gòu)成的土狀堆積,即習(xí)稱的”紅粘土”,由此而被認(rèn)為在2.6MaBP前后黃土高原的古環(huán)流發(fā)生了重大轉(zhuǎn)型,并得到了世界上同一時期其他事件(北大西洋的冰漂碎屑事件、深海氧同位素曲線)的確認(rèn)。至于紅粘土堆積的下限,從現(xiàn)有研究成果來看,由于研究地點的不同,最后確定的時間是有差異的(圖1)?，F(xiàn)有紅粘土的研究主要集中在兩大塊,陜西北部的榆林一帶和緊靠六盤山的東西兩側(cè),其中以六盤山東部地區(qū)研究較為詳細(xì),紅粘土的堆積常上覆厚度不等的第四紀(jì)黃土,基底多與早第三紀(jì)河湖相地層或更老地層呈不整合接觸,底界年齡基本上維持在7～8MaBP左右,而在六盤山以西的隴中盆地研究相對較少,秦安縣郭嘉紅粘土剖面的最新底界年齡為22MaBP。六盤山東西兩側(cè)的差異是如此懸殊,很值得重視。一般推論,黃土高原的紅粘土堆積絕大部分地點的年齡維持在7～8MaBP左右,似乎指示8MaBP時,青藏高原有一次顯著的隆升,亞洲季風(fēng)系統(tǒng)已經(jīng)形成,亞洲內(nèi)陸已開始干旱化的歷程。但甘肅省秦安縣郭嘉紅粘土剖面則從約22MaBP開始,這似乎開始的更早,比前述研究提前了約14MaBP,并由此推論喜馬拉雅山及青藏高原在22MaBP的中新世早期已經(jīng)上升到相當(dāng)高的高度。英國學(xué)者Robert等對藏南古植物的研究也支持這一觀點。這對主張青藏高原隆升較晚的學(xué)者來說,無疑是重大的挑戰(zhàn)。3紅黏土研究中紅黏土研究的問題對黃土高原風(fēng)成黃土下伏的晚第三紀(jì)紅粘土近百年來尤其是最近十幾年來的研究,在其成因、巖性、時代劃分等方面已經(jīng)取得了豐碩的成果,但毋庸置疑,由于紅粘土研究起步相對較晚,許多問題仍處于討論之中,未取得一致意見。3.1紅粘土的沉積作用晚第三紀(jì)以來,特別是約7～8MaBP以來,亞洲內(nèi)陸不斷干旱化,青藏高原的抬升使得內(nèi)陸的粉塵由近地面的西北風(fēng)搬運(yùn)至黃土高原沉積下來。同時,推測可能當(dāng)時青藏高原隆升的高度并不大,亞洲內(nèi)陸比現(xiàn)代更濕潤,因而成壤作用明顯地要比第四紀(jì)強(qiáng)得多,再加上季風(fēng)的交替變化,以致于形成現(xiàn)今所見的條帶狀紅色黃土與紅色古土壤相間出現(xiàn)的沉積序列,這看來是大多數(shù)人的觀點。但正如前述,研究結(jié)果之間的差異仍然是存在的,也仍然有人對紅粘土的風(fēng)塵起因持懷疑態(tài)度。青藏高原隆起的時代及高度是解決這一問題的關(guān)鍵。這其中有一個假設(shè)條件當(dāng)然是紅粘土系風(fēng)成成因。一般推論,高原隆升到足夠的高度后,阻擋了南北氣流運(yùn)行,亞洲內(nèi)陸趨于干旱化,一方面產(chǎn)生了足夠多的地表粉塵,另一方面促使古季風(fēng)的出現(xiàn)并使其不斷加強(qiáng)而產(chǎn)生足以搬運(yùn)粉塵的動力。但不論是8MaBP還是22MaBP,青藏高原那時到底隆升到何種高度?秦安郭嘉鎮(zhèn)22～6.2MaBP期間沉積的風(fēng)成紅粘土不過251m,蘭州九洲臺1.5MaBP以來即沉積風(fēng)成黃土297m,而同期黃土在隴中盆地西部的靖遠(yuǎn)縣曹峴竟可厚達(dá)484m。因此,新第三紀(jì)風(fēng)成紅粘土和第四紀(jì)風(fēng)成黃土是在十分不同的環(huán)境和動力條件下沉積的。從黃土-古土壤沉積序列來看,在短短2.5MaBP的時間里可以堆積厚達(dá)幾百米的粉塵,而現(xiàn)有報道的紅粘土沉積厚度最大者也不過200m左右,可以想見,當(dāng)時的風(fēng)塵堆積速率要遠(yuǎn)低于黃土沉積時期,風(fēng)力也必然小得多,沒有必要設(shè)想有一個和現(xiàn)代相似的西伯利亞-蒙古高壓存在,作為冬季風(fēng)的策源地。與此相應(yīng),青藏高原也就不可能隆起很高,它對南北氣流的交換影響如何,亞洲內(nèi)陸的干旱化是否在早中新世就已開始受其影響當(dāng)然也就懸而未決了。實際上,即使我們認(rèn)同紅粘土是風(fēng)塵沉積,也并不意味著就是認(rèn)同季風(fēng)。大量的數(shù)值模擬顯示了高原高度對亞洲季風(fēng)系統(tǒng)的影響,最近劉曉東等根據(jù)COLA(CenterforOcean-Land-AtmosphereStudies)環(huán)流模型的研究揭示出高原隆升對亞洲冬季風(fēng)的演化所起的作用遠(yuǎn)比對夏季風(fēng)的影響大,僅當(dāng)高原達(dá)到其現(xiàn)有高度的一半時才使得東亞北部冬季風(fēng)得以建立并逐漸加強(qiáng),從而成為搬運(yùn)黃土的主要動力。根據(jù)Rea等的研究,北太平洋風(fēng)塵通量在整個新生代絕大部分時間都是很低的,只是在3.5MaBP之后突然增大許多,這一突變無疑與青藏高原的隆升有直接關(guān)系。至于晚第三紀(jì)紅粘土的搬運(yùn)動力,也許應(yīng)在季風(fēng)之外尋求解釋。郭正堂曾明確指出,只有3.4MaBP之后紅粘土才是典型的風(fēng)成沉積,6.2～3.4MaBP的紅粘土當(dāng)未排除流水作用,鈣積層也非成壤產(chǎn)物,與地下水活動有關(guān)。他還指出,亞洲干旱化不僅與青藏高原的隆升有關(guān),北半球冰蓋發(fā)育也有影響。看來,這是正確的思路。紅粘土的沉積學(xué)研究表明,不少的紅粘土剖面底部為典型的河湖相沉積,最近安芷生等指出,在紅粘土的沉積地層中經(jīng)?？梢钥吹胶雍嗟膴A層,有些還可見到洪水改造的水平層理及其中所含的少量沖積砂等物質(zhì)。趙家川剖面紅粘土的研究還認(rèn)為,在共厚56m的紅粘土剖面25～50.9m深度的碳酸鹽富積層與地下水作用密切,不是典型的成壤碳酸鹽,這與剖面上部(被認(rèn)為是典型的風(fēng)成沉積物)是不同的。眾所周知,碳酸鈣可以通過多種方式淀積,而灰?guī)r風(fēng)化殘積物、冰磧物、山麓和河流洪積物、黃土沉積物等也均可成為古土壤的形成母質(zhì),其來源也極為復(fù)雜。因此,僅依據(jù)表面的現(xiàn)象\_\_紅粘土的野外剖面與黃土-古土壤序列一樣具有成壤層與鈣積層就認(rèn)為同屬風(fēng)成沉積是不足取的。與沉積相關(guān)的古生物學(xué)證據(jù)可以從另一個側(cè)面進(jìn)行分析。三趾馬動物群的廣布,并非黃土高原所獨有,南亞西瓦利克、青藏高原內(nèi)部盆地,甚或歐洲(世界上第一個認(rèn)識到三趾馬特性的是德國古生物學(xué)家VonMeyerH)及北美大陸都有其蹤跡。計宏祥等依據(jù)青藏高原內(nèi)部布隆盆地的三趾馬動物群可以與西瓦利克群的慶吉組(Chinji)相當(dāng),指出在此以前,高原并未隆升到足以阻止南北動物群的交往,其高度不可能很高。青藏高原層狀地貌面與周邊沉積盆地的研究表明,在漸新世至中