曲天泉, 李素萍, 刘惟庆, 陈璐琦. (2024). 基于孢粉数据的白垩纪中国东部地貌解读* [J]. 古地理学报, 26(2): 354-372.
QU Tianquan, LI Suping, LIU Weiqing, CHEN Luqi. (2024). Interpretation of the Cretaceous geomorphology in eastern China based on palynological data[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(2): 354-372.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.06.081
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基于孢粉数据的白垩纪中国东部地貌解读*
曲天泉1,2, 李素萍1, 刘惟庆3, 陈璐琦3
1 自然资源部地层与古生物重点实验室,中国地质科学院地质研究所,北京 100037
2 中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家重点实验室,湖北武汉 430074
3 河南理工大学资源环境学院,河南焦作 454003
通讯作者简介 李素萍,女,1983年生,中国地质科学院地质研究所副研究员,硕士研究生导师,主要从事孢粉学、古生物学、地层学等方面的研究。E-mail: lisuping@cags.ac.cn。

第一作者简介 曲天泉,男,1998年生,中国地质大学(武汉)硕士研究生,主要从事孢粉学等研究。E-mail: qtq@cug.edu.cn。

收稿日期:2023-01-13 修回日期:2023-07-14
基金资助:*中国地质调查项目(编号: DD20221646)和国家自然科学基金项目(编号: 42072027)联合资助
摘要

晚中生代一系列的构造运动使中国东部的地形、地貌发生了巨大的改变,形成了“东高西低”的地貌格局。关于白垩纪中国东部是否存在高原或山脉仍存在争议,故对高原或山脉的演化过程、古高程以及其延伸范围等方面仍需进一步的研究。笔者收集了白垩纪中国各地的双气囊花粉和喜干植物花粉的孢粉数据,通过它们百分含量的变化来分析中国东部的古植被演替和古气候演变,为白垩纪中国东部地形地貌的解读提供证据。孢粉分析表明,白垩纪中国大致分为 3个气候区: 东北地区为温暖湿润的亚热带—暖温带气候区; 北方地区为半干旱的热带—亚热带气候过渡区; 南方和西藏、新疆地区为炎热干旱的热带—亚热带气候区。在古气候分析的基础上,根据孢粉数据对白垩纪中国东部地貌进行解读,结果显示: 早白垩世早期中国东北地区存在 1个高海拔地貌区; 早白垩世东部沿海地区可能存在 1个较高海拔的山脉,范围大致在闽浙地区; 晚白垩世早期,中国东部海岸山脉范围达到最大; 晚白垩世最晚期至古新世最早期,中国东部山脉逐步垮塌。推测至古新世早期,中国东部山脉基本已经消失。

关键词: 白垩纪; 中国东部; 孢粉数据; 古气候; 古地貌
中图分类号:Q913.84,P531 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)02-0354-19
Interpretation of the Cretaceous geomorphology in eastern China based on palynological data
QU Tianquan1,2, LI Suping1, LIU Weiqing3, CHEN Luqi3
1 Key Laboratory of Stratigraphy and Paleontology of the Ministry of Natural Resources,Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100037, China
2 State Key Laboratory of Biogeology and Environmental Geology,China University of Geosciences(Wuhan),Wuhan 430074, China
3 School of Resources and Environment,Henan Polytechnic University,Henan Jiaozuo 454003, China
About the corresponding author LI Suping,born in 1983,is an associate professor in Institute of Geology,Chinese Academy of Geological Sciences. She mainly focuses on the aspects of palynology,palaeontology and biostratigraphy. E-mail: lisuping@cags.ac.cn.

About the first author QU Tianquan,born in 1998,is a postgraduate student of China University of Geosciences(Wuhan). He is mainly engaged in researches of palynology. E-mail: qtq@cug.edu.cn.

Fund:Co-funded by the program of China Geological Survey(No. DD20221646)and the National Natural Science Foundation of China(No.42072027)
Abstract

A series of tectonic movements during the Late Mesozoic greatly changed the topography and landform in eastern China,forming a geomorphic pattern of “high in the east and low in the west”. There is still a controversial issue on the existence of plateaus or mountains in eastern China during the Cretaceous,and thus the evolutionary processes,paleoaltitude and the extensional range of plateaus or mountains need further studies. In this paper,we collected the palynological data of xerophyte and disaccate pollen from vorious localities of China during the Cretaceous,and further discussed the paleovegetation succession and palaeoclimate evolution,which provides paleontological evidence for the interpretation of the geomorphology in eastern China at that time. The result shows that there were three climate zones in China during the Cretaceous: (i)the northeastern region was a warm and humid subtropical-warm climate zone;(ii)the northern region was a semi-arid tropical-subtropical transitional climate zone;(iii)the Tibet,Xinjiang and southern China were a hot and tropical-subtropical climate zone. The interpretation of the geomorphology shows that there was a high-altitude landform in northeast China during the early Early Cretaceous. Additionally,it is likely that coastal mountains existed in the Fujian and Zhejiang regions during the Early Cretaceous. In early Late Cretaceous,the range of coastal mountains in eastern China reached its maximum. From the late Late Cretaceous to Early Paleocene,the mountains in eastern China gradually collapsed,and by the Early Paleocene,the mountains were probably disappeared.

Key words: Cretaceous; eastern China; palynological data; palaeoclimate; geomorphology
1 概述

中国东部在中生代曾发生过强烈的构造运动, 翁文灏先生将其命名为“ 燕山运动” (翁文灏, 1927), 这是华北地区乃至中国东部至关重要的一次构造活动。地形、地貌特征常是构造事件的直观反映, 中生代这一复杂的构造运动使中国及邻近海陆的地貌格局在中— 新生代发生了巨大的转变, 表现为中国东部地区褶皱成山, 形成高山峻岭, 东南沿海的海侵也逐渐退去(Hu et al., 2012; Li et al., 2020), 而中国西部地区则以低山和河湖盆地为主。因此, 中生代晚期中国地貌的总体特征是“ 东高西低” , 与现今截然相反(陈丕基, 1979; 汪品先等, 2005; 董树文等, 2009; 索艳慧等, 2017)。白垩纪末— 古近纪初, 中国及邻区大陆的地形、地貌又发生了一次大的变革, 即由于新特提斯洋盆的闭合, 继之以印度板块与欧亚大陆的碰撞, 喜马拉雅山系形成(Zhu et al., 2008; Hu et al., 2016), 另一方面, 燕山造山带的坍塌在晚白垩世达到全盛(吴根耀等, 2002; 吴根耀, 2006), 因此地貌格局开始向“ 西高东低” 转换。

中国东部及邻区在晚中生代经历了重大的构造体制转换, 形成了当时“ 东高西低” 的地貌格局。这一转化过程何时开始、又是如何演化发展的, 在现有的地学证据下尚未有定论。白垩纪是中国东部地形地貌转折的关键时期, 自20世纪初以来, 国内的地质学家针对白垩纪是否存在东部高原或海岸山脉的假说展开了一系列的学术探讨。任纪舜(1999)指出, 在晚侏罗世— 早白垩世, 中国东部存在一个“ 宏伟的中生代高原山脉系统” , 此后陆续有许多学者从不同的方面进行印证。构造演化、岩石学等方面的研究结果表明, 早白垩世中国东部可能存在一个高原(徐宝亮, 2007; 张旗等, 2008; 温常贵等, 2017), 最高海拔可达5000 m(夏国清等, 2012), 且该高原由北向南扩展, 共经历了7个演化阶段, 并在125 Ma以来逐渐垮塌(张旗等, 2008)。陈丕基(1997)则指出, 中国东南地区在晚白垩世存在一条巨大的沿岸山脉, 高度在3500~4000 m之间, 宽度约500 km。近年来也有研究表明, 可能是由于古太平洋板块俯冲或鄂霍次克陆块的碰撞(Yang, 2013; Song et al., 2015), 中国东部在晚白垩世形成了大量的海岸山脉, 其海拔高于2000 m(Zhang et al., 2016; Zhang et al., 2021a), 范围大致为亚洲大陆东缘20° ~40° N之间(Zhang et al., 2016), 包括江汉盆地、南阳盆地和衡阳盆地以东及松辽盆地以南(Tan et al., 2020)。另外, 低温热年代学研究认为, 白垩纪中期东南地区存在古高地(Wang et al., 2020), 裂变径迹分析显示华南地区在晚白垩世经历了高速率的剥蚀和古海拔的连续下降(Li and Zou, 2017; Ding et al., 2019)。

综上所述, 多数观点支持白垩纪中国东部存在一个海岸山脉, 但具体隆起和消亡时间仍然有分歧, 且白垩纪中国东部构造格局的演化仍然需要更多的证据和线索来解读。高原的形成或山脉的抬升必然会对其本身及周边地区的古地理、古气候、古植被产生直接的影响, 而孢粉作为古植被和古气候重建的重要代用指标, 因其数量巨大、分布广泛且易于保存, 故在晚古生代以后的断代地层中均可发现, 并在古气候、古地理应用方面具有优越性。白垩纪全球气温处于极端温室状态, 气温比现今高3~10℃(Jenkyns et al., 1994; Huber et al., 1995, 2002; Clarke et al., 1999; Stoll et al., 2000; Wilson et al., 2002), 黑色页岩和大洋红层发育(王成善和胡修棉, 2005)。该时期中国大部分地区的气候受副热带高压带控制, 形成了东西向的干旱带, 因此, 干旱炎热是中国白垩纪大陆气候的主要特征。白垩纪常见的喜干孢粉属种主要包括希指蕨孢Schizaeoisporites、麻黄粉Ephedripites、克拉梭粉Classopollis和双手粉Dicheiropollis。希指蕨孢是繁盛于白垩纪的一种典型的耐干旱的蕨类植物孢子, 近年来的研究认为其应当归入裸子植物麻黄科, 而非蕨类植物孢子(Han et al., 2016)。麻黄当前主要分布在中亚、印度、南北美洲等地区的沙漠、干旱草原或湖滨盐碱地, 中国西北荒漠地区亦有大量的麻黄分布, 因此麻黄的大量出现一般指示气候较为干旱(王大宁等, 2016; 白培荣等, 2021)。克拉梭粉的母体植物可能为掌鳞杉科, 是一种生长于干旱气候下的针叶松柏类植物, 克拉梭粉大量出现的气候条件一般与盐类沉积物的形成条件一致(Vakhrameev, 1991), 因此克拉梭粉一般指示干热的气候环境(李素萍等, 2021; 李晨等, 2022)。双手粉具有重要的地层时代指示意义, 一般出现于早白垩世北冈瓦纳大陆和特提斯洋周边地区, 是典型的喜干旱植物属种(Li and Batten, 2004)。上述喜干植物花粉在地层中出现的百分含量高低, 可以作为反映气候干旱程度的代用指标。

母体植物基本生长于山地环境的松科Pinaceae、罗汉松科Podocarpaceae等针叶类花粉, 绝大部分在本体两侧偏远极有2个气囊, 故又将它们称为“ 双气囊花粉” 。双气囊花粉具有极强的传播能力, 现代孢粉研究表明, 其在孢粉组合中的百分含量超过30%时, 可以认为研究区有针叶林存在, 反之, 则认为是远距离传播而来的外来花粉(吴玉书和孙湘君, 1987; 李文漪和姚祖驹, 1990)。因此, 当某一地区双气囊花粉含量增加并且达到一定数量时, 可以反映研究区附近曾有山地, 其上生长了山地针叶林, 且双气囊花粉的百分含量会随着山地面积扩大、海拔升高而逐渐增多, 在地壳下降和剥蚀夷平的过程中则减少(周山富, 1994, 2000; 陶明华等, 2004)。因此, 可以利用双气囊花粉含量的多少和变化来推测研究区山地的存在与演化。

本研究收集了白垩纪中国各地的双气囊花粉和喜干植物花粉数据, 通过它们的含量变化及分布范围分析当时中国东部的古植被演替和古气候演变, 为古地貌格局的演化研究提供了古生物学方面的解读。

2 白垩纪孢粉数据来源及数据处理方法

对白垩纪已经发表的、可以获取孢粉百分含量数据的文献和书籍进行了系统的梳理和汇总(含个人未发表研究数据)(表 1), 提取出白垩纪孢粉植物群的产地、地层、关键属种的百分含量等信息, 采用ArcMap 10.3将收集的孢粉数据形成孢粉相对丰度空间分布图(图 1; 图 2)并投射在古地理图上。古地理图重建使用GPlate 2.3.0软件完成, 古地理图底图参考Matthews等(2016)和Cao等(2017)。

表 1 中国白垩纪孢粉植物群产地和地层时代 Table1 Localities and stratigraphic age of the Cretaceous palynofloras collected in China

图 1 早白垩世喜干植物花粉与双气囊花粉相对丰度空间分布
A— 早白垩世早期喜干植物花粉相对丰度空间分布; B— 早白垩世早期双气囊花粉相对丰度空间分布; C— 早白垩世晚期喜干植物花粉相对丰度空间分布; D— 早白垩世晚期双气囊花粉相对丰度空间分布。古地理图底图参考Matthews等(2016)和Cao等(2017)Fig.1 Relative abundance spatial distribution of xerophyte and disaccate pollen in the Early Cretaceous

图 2 晚白垩世喜干植物花粉与双气囊花粉孢粉相对丰度空间分布
A— 晚白垩世早期喜干植物花粉相对丰度空间分布; B— 晚白垩世早期双气囊花粉相对丰度空间分布; C— 晚白垩世晚期喜干植物花粉相对丰度空间分布; D— 晚白垩世晚期双气囊花粉相对丰度空间分布。古地理图底图参考Matthews等(2016)和Cao等(2017)Fig.2 Relative abundance spatial distribution of xerophyte and disaccate pollen in the Late Cretaceous

文中主要收集了耐干旱的孢粉类群以及双气囊花粉在白垩纪不同时段的分布变化数据。早白垩世, 被子植物尚未出现或百分含量极低, 不具有较好的古气候指示意义, 而晚白垩世, 部分被子植物的亲缘关系尚不明确, 因此, 笔者未选用被子植物花粉指标。

3 白垩纪孢粉植物群分布特征

文中共计汇总白垩纪孢粉文献/专著资料79篇(表 1), 收集孢粉数据156组, 其中早白垩世早期(Berriasian— Barremian期)孢粉数据54组、早白垩世晚期(Aptian— Albian期)47组、晚白垩世早期(Cenomanian— Santonian期)20组、晚白垩世晚期(Campanian— Maastrichtian期)35组。依据所有孢粉数据形成中国白垩纪喜干植物和双气囊孢粉相对丰度空间分布图 8张, 包括早白垩世(图 1)和晚白垩世(图 2)分布图各4张。

3.1 早白垩世早期(图 1-A, 1-B)

早白垩世早期, 喜干植物花粉在中国东、西部地区均有分布。中国西部主要分布在塔里木盆地、甘肃、四川北部以及西藏等地区, 喜干植物花粉含量大部分大于60%, 部分地区接近100%。东北地区喜干植物花粉含量整体较低, 均不超过20%。北京大灰厂地区喜干植物花粉含量可达91.2%。山东、河南、河北、安徽等地喜干植物花粉类群分布相对较分散且含量偏低, 在20%~30%之间。浙江、江西、福建等地区喜干植物花粉分布较集中且含量较高, 平均含量约为54%, 在福建永安盆地含量最高, 可达81%。福建永安盆地以南, 几乎没有喜干植物花粉分布。

早白垩世早期, 双气囊花粉主要分布在东北地区, 表现为双气囊花粉分布较为密集且含量较高, 均超过20%, 其中海拉尔盆地可达70%以上, 吉林安图县明月镇含量最高, 可达92%。内蒙古银额盆地、甘肃玉门等地区双气囊花粉分布较少, 含量都在10%左右。西藏、新疆等地的双气囊花粉则同样分布较少且含量较低, 均未超过20%。山东、河北邱县、河南确山等地双气囊花粉较为发育, 含量超过30%。江西、浙江、福建等地双气囊花粉分布广泛, 但含量极少, 均不超过10%。

3.2 早白垩世晚期(图 1-C, 1-D)

相较于早白垩世早期, 早白垩世晚期喜干植物主要在分布在中国东部。东北地区除了吉林延边智新盆地喜干植物花粉含量达77.6%之外, 其他地区含量均不超过20%且分布较为稀疏。内蒙古银额盆地喜干植物花粉含量可达52%。从山东、江苏、安徽等地到福建永安盆地, 喜干植物花粉分布较为广泛, 含量较高, 平均可达43%。福建、浙江等地区的喜干植物花粉分布更为密集、含量更高, 平均可达63%。广东、海南、台湾等地区的喜干植物花粉含量有所下降, 但广东三水盆地和台湾地区含量也超过50%。

早白垩世晚期双气囊花粉尽管分布广泛, 但含量明显减少, 大部分地区低于10%。东北地区双气囊花粉含量较早白垩世早期显著下降, 仅嘉荫盆地和海拉尔盆地含量超过30%, 其他地区平均含量仅有12%。甘肃张掖地区双气囊花粉含量可达46%。中国东部从山东一直到广东, 双气囊花粉分布广泛, 但含量均不超过10%。海南地区3个地点的双气囊花粉含量较高, 可达26.2%, 其余2个地点的数据均低于10%。

3.3 晚白垩世早期(图 2-A, 2-B)

晚白垩世早期, 喜干植物主要分布在中国东部地区, 但与早白垩世相比它们的分布更为集中, 且分布区域有向南迁移的趋势。青海和川西高原2个地区的喜干植物花粉含量很高, 接近100%。西藏加措及尼玛2个地区也有喜干植物花粉分布, 但含量较低。东北地区喜干类群分布依然较少, 除了在松辽盆地含量可达40%以外, 其余地区均不超过30%。从山东一直到广东, 喜干植物花粉分布都较为密集, 除了湖北荆门、安徽宣州、福建龙安盆地等个别地区之外, 大部分地区含量均超过50%, 最高在江苏淮安, 可达87%。海南岛乐东盆地也有喜干植物花粉分布, 但含量仅有1.5%。

晚白垩世早期, 双气囊花粉分布较早白垩世晚期进一步减少。东北地区仅在松辽盆地和汤原断陷零星分布, 含量均未超过10%。中国东部地区双气囊花粉分布较为广泛, 但含量很低, 均小于10%。仅在西藏尼玛地区, 双气囊花粉含量可以达到37%。

3.4 晚白垩世晚期(图 2-C, 2-D)

晚白垩世晚期, 喜干植物主要分布在中国东部和新疆地区, 相较于晚白垩世早期, 整体含量明显降低。东北地区喜干类群分布仍然较少, 仅在松辽盆地含量较高, 最高可达50%, 其余地区含量不超过30%。从山东地区到广东三水盆地, 喜干类群分布较为密集, 但整体含量下降, 平均约43%, 最高在三水盆地, 可达67%。新疆莎车、喀什等地区喜干植物花粉含量较高, 均超过40%, 最高可达64.5%。

晚白垩世晚期, 双气囊花粉含量较晚白垩世早期有所增加, 主要分布在中国东部以及新疆地区。东北地区双气囊花粉仅在松辽盆地、三江盆地等地区分布, 含量均不超过20%。从山东到广东地区, 双气囊花粉分布较为广泛, 但除了福建梅口盆地含量高达52%之外, 其余地区含量均未超过10%。新疆准噶尔盆地双气囊花粉含量较高, 可达50%, 其余地区如莎车、喀什等含量较低, 均未超过10%。

4 中国白垩纪植被演替和气候演变

白垩纪喜干植物类群在中国除东北之外的地区广泛分布, 且在植被组成中占绝对优势(图 1; 图 2)。依据孢粉组合特征和干旱类群以及双气囊类群的分布, 将该时期的中国大致分为3个大的气候区: 东北地区为温暖湿润的亚热带— 暖温带气候区; 南方及西藏、新疆等地区为炎热干旱的热带— 亚热带气候区; 北方区则为过渡区, 为半干旱的热带— 亚热带气候区。

早白垩世早期, 东北地区针叶林发育, 喜干类群零星可见, 气候温暖湿润。该气候区主要包括中国东北及内蒙古东部地区, 孢粉植物群以双气囊花粉占优势为特征, 其余蕨类植物孢子如中桫椤孢Cyathidites、紫萁孢Osmundacidites、无突肋纹孢Cicatricosisporites出现较为频繁。白垩纪全球气温处于极端温室状态(Clarke et al., 1999; Huber et al., 2002; Wilson et al., 2002), 如果不考虑海拔因素, 则该时期应当喜热植物类群广布, 而针叶林分布较为局限。大兴安岭地区早白垩世孢粉组合中既有典型的喜热植物, 包括多生长于低海拔地区的桫椤科、海金沙科植物, 同时生长有大量的山地针叶类植物(丁秋红等, 2018), 这种迥然不同的植被类群可以认为有植物垂直分带的存在, 而垂直分带的存在可以作为山地的重要标志。因此, 早白垩世早期东北地区应当存在山地环境, 山上生长有温带、暖温带针叶林, 低洼地区则以喜热的蕨类植物为主, 气候类型为温暖湿润的亚热带— 暖温带气候。干旱区主要包括秦岭以南的中国中部、南部的大部分地区及中国的西北地区, 在该气候区的大部分地区针叶类花粉仅零星可见, 喜干植物极为繁盛, 部分地区含量高达100%, 指示了炎热干旱的热带— 亚热带气候。喜干植物在闽浙地区多以希指蕨孢Schizaeoisporites为主, 植被类型为旱生疏林灌丛, 在西藏、云南地区则以双手粉Dicheiropollis为主。值得注意的是, 该时期广东韶关地区喜干类群含量不到10%, 优势类群为喜温暖湿润的南美杉粉。因此, 早白垩世早期中国福建以南地区应当为温暖湿润的热带— 亚热带气候。过渡区主要包括中国的华北地区, 在这个区域内的大部分地区, 喜干属种的含量为30%左右, 个别地区含量更高, 而双气囊花粉含量低于温暖湿润的东北地区却显著高于南方以及西北干旱区, 且个别地区含量也可达到30%以上, 因此该气候区为半干旱的热带— 亚热带气候。

早白垩世晚期, 暖湿气候区范围缩小, 仅东北地区仍然温暖湿润, 双气囊花粉含量相比早白垩世早期显著减少, 仅在个别地区较高。无气囊松柏类发育, 蕨类植物也较为繁盛, 被子植物开始出现, 但含量仍然偏低。自这一时期开始, 暖温气候区地势可能开始变得较为平坦, 山地不发育。早白垩世晚期, 干旱区范围扩大, 大部分地区喜干类群发育, 双气囊花粉零星可见, 福建以南的广东、海南、台湾等地区相比早白垩世早期气候变干, 但与干旱气候区的其他地区相比干旱程度仍然较低。广大的西部地区虽然缺少孢粉记录, 但大量的前人研究成果表明, 该时期西藏和新疆等地广泛分布着陆相红层和指示干旱气候的特殊沉积(曹珂等, 2006; 向芳等, 2009)。过渡区主要包括内蒙东部、华北地区大部分地区。

晚白垩世早期, 可以获取孢粉数据的地点较少。东北地区双气囊花粉含量继续呈下降趋势, 仅零星出现, 喜干类群含量增高。南方干旱区的喜干植物类群百分含量较上一个时期有所增加, 西藏地区气候也极为干旱, 其他地区尽管缺少孢粉数据, 但前人研究表明, 晚白垩世早期新疆西北部, 甘肃西北部、内蒙古南部等地区大量分布着指示干旱气候的石膏、岩盐等特殊沉积(郑绵平等, 1998; 徐磊等, 2008; 宋见春, 2011)。综上, 该时期与早白垩世晚期相比, 中国整体干旱程度加剧。

晚白垩世晚期, 亚热带— 暖温带温暖湿润气候区范围较晚白垩世早期扩大, 主要包括东北、内蒙古以及新疆准噶尔盆地等地区, 其喜干类群含量较低, 双气囊花粉较之前有所增加。 山东及其以南大部分地区喜干类群仍然较为发育, 气候炎热干旱。云南、贵州、广西等地缺少相关的孢粉记录, 但根据前人研究, 这些地区出现了大量含铜沉积和钙质沉积(宋见春, 2011), 指示半干旱气候(陈根文等, 2002; 向芳等, 2009), 干旱程度较之前有所降低。值得注意的是, 中国东南地区(李哲, 1978; 王开发等, 1982; 周山富等, 2009; 杜圣贤等; 2013; Wang et al., 2022)晚白垩世马斯特里赫特期气候存在一个较为显著的变化, 即马斯特里赫特早期气候仍然以希指蕨繁盛的干旱炎热气候为主, 至马斯特里赫特晚期, 喜干类群显著减少, 喜温暖湿润的阔叶林开始发育, 气候呈显著的变湿趋势。综上, 较晚白垩世早期而言, 晚白垩世晚期整体气候有变凉变湿的趋势, 至晚白垩世最晚期, 气候变得更加凉爽湿润。

侏罗纪晚期, 超级季风解体, 到白垩纪, 中国气候主要受副热带高压带控制, 盛行行星风, 在中国形成纬向的干旱带(江新胜等, 2000; 宋见春, 2011; Boucot et al., 2013; Fang et al., 2016)。白垩纪中国大部分地区处于干旱带, 气候整体炎热干旱, 且早白垩世晚期和晚白垩世早期气候干旱程度较高, 这与白垩纪中期温室气候加剧的气候背景(Friedrich et al., 2012; Wang et al., 2014; Lei et al., 2018; 范庆超和徐兆凯, 2020)相对应, 至晚白垩世晚期气候有变凉变湿的趋势。东北地区的气候则不同于其他地区, 白垩纪大部分时期较为温暖湿润。

5 基于孢粉数据的白垩纪中国东部地貌解读

作为重要的古气候、古环境代用指标, 孢粉在古地貌解读、古海拔重建方面也有重要的应用价值。Miao等(2022)基于中新世孢粉数据, 重点选取了与海拔密切相关的4个山地针叶林类型进行分析, 量化了高原局部隆升对区域气候变干和高原生物多样性形成的作用, 为探索青藏高原隆升过程提供了重要的依据, 也为古海拔重建提供了新的研究思路和方法。文中基于白垩纪的孢粉数据, 尝试以白垩纪针叶类花粉的分布和百分含量变化为依据, 为解决颇具争议的中国东部高原问题提供新的思路和探讨。

5.1 中国东北地区白垩纪是否存在高山?

针叶林的分布一般与海拔密切相关。白垩纪针叶类花粉的相对丰度空间分布(图1; 图2)显示:早白垩世早期针叶类双气囊花粉在东北地区分布广泛且具有较高的百分含量, 在吉林安图地区含量甚至高达92%; 至早白垩世晚期, 仅嘉荫盆地含量超过30%; 至晚白垩世, 双气囊花粉含量很低, 均未超过20%。前文述及, 双气囊花粉在孢粉组合中含量超过30%时才可以认为研究区有针叶林分布, 而东北地区代表针叶类植物的双气囊花粉仅在早白垩世早期广泛分布, 因此, 早白垩世早期东北地区必然有较大范围的针叶林生长。早白垩世孢粉组合中, 不乏有部分热带、亚热带地区常见的孢粉属种, 如桫椤科的桫椤孢、三角孢及海金沙科的无突肋纹孢等。研究表明, 中国现今分布的桫椤科植物中绝大部分属种分布在海拔较低的区域(何琴琴等, 2022)。综上, 笔者认为研究区存在植被垂直分带现象, 山底生长有喜温暖湿润的桫椤、海金沙科等植物, 山上生长有罗汉松属、松属、云冷杉等针叶林。根据孢粉分布结果, 笔者推测东北地区早白垩世早期存在一定海拔的山体, 其在早白垩世晚期开始逐渐垮塌。

中国东北及邻区位于欧亚板块东北部, 构造复杂, 晚中生代经历了规模宏大的陆内变形, 一直是地质工作者研究的焦点。燕山运动是晚中生代一次重要的构造活动, 表现为东亚周缘板块汇聚导致的数次挤压和伸展。董树文等(2007)将燕山运动分为3个时期: 主幕强挤压陆内造山期(165± 5-136 Ma)、主伸展垮塌与岩石圈减薄期(135-100 Ma)、晚幕弱挤压变形期(100-83 Ma)。构造运动可以诱发大陆岩石圈结构构造和表层系统变化(朱日祥和徐义刚, 2019), 东北地区早白垩世早期山体的存在可能与燕山期主幕的造山运动有关, 至135-100 Ma的伸展期, 东北地区的山地开始垮塌。前人的多项研究结果也显示在早白垩世东北地区可能存在较高的区域地貌, 比如基于爬行动物牙齿和骨骼的氧同位素等方法认为辽西地区早白垩世年平均温度约为10 ℃(Amiot et al., 2011), 这与同时期较温暖的海相温度(25~35℃)形成了鲜明的对比(O’ Brien et al., 2017)。Zhang等(2021a)利用古土壤中碳酸盐结核的团簇同位素重建了早白垩世辽西地区年均温度, 结果与现今东北地区类似, 约为6℃, 反映辽西地区可能具有较高的古海拔, 且根据高度-温度梯度重建出的古海拔约为3~4 km。张旗等(2008)在华北克拉通特别是华北北缘发现了大量的具埃达克岩特征的中生代中酸性火山岩和侵入岩, 其被认为是加厚地壳(> 50 km)的产物, 而按照地壳均衡理论, 晚侏罗世— 早白垩世的冀北、辽西一带应具有高海拔地貌。文中孢粉数据也指示了同样的研究结论, 即早白垩世早期东北地区可能存在一定海拔高度的山体, 至晚白垩世早期, 山体开始逐步垮塌。

5.2 白垩纪的中国东部高原/山脉

白垩纪, 中国气候主要受副热带高压带控制, 盛行行星风, 在中国形成纬向的干旱带(江新胜等, 2000; 宋见春, 2011; Boucot et al., 2013; Fang et al., 2016)。最近研究指出, 41 Ma(中始新世)之前, 季风气候主要分布在北纬20° ~22° 以南, 其以北的亚洲大陆广大地区主要受副热带高压影响, 气候炎热干旱(Wu et al., 2022), 直至青藏高原的隆起, 改变了大气环流系统, 中国才开始由行星风转变为季风。

根据白垩纪喜干植物花粉的分布, 中国除东北地区外的大部分地区白垩纪期间受副热带高压控制, 气候炎热干旱; 在中国东部沿海地区, 喜干类群极为发育。至早古新世, 中国大部分地区仍处于副热带高压带的控制之下, 中国广大地区红层仍然发育(郑家坚等, 1999; 王元青等, 2021), 气候较为干旱; 但中国东部沿海地区喜干植物不发育, 阔叶林繁盛, 气候温暖湿润(李经荣等, 1992; 彭超, 2019)。白垩纪和古新世期间, 中国大部分地区均受副热带高压控制, 其中白垩纪, 中国东部沿海地区并未受到太平洋暖湿气流影响, 气候仍然干旱, 而早古新世, 中国东部沿海地区则比内陆地区要湿润的多, 气候发生了转变。笔者推测这种气候转变可能与前人提出的白垩纪中国东部海岸山脉的存在有关。

孢粉相对丰度空间分布(图1; 图2)结果显示, 早白垩世早期中国东部地区喜干类群主要集中在浙闽一带, 华北除个别地区外, 喜干类群含量高于东北地区, 但低于闽浙地区。笔者推测, 早白垩世早期, 浙闽一带可能存在一个海岸山脉, 这个海岸山脉阻挡了太平洋的暖湿气流, 使得原本应当较为湿润的沿海地区气候变干。浙闽地区双气囊花粉含量极低, 而现代孢粉研究表明, 双气囊花粉含量不超过30%, 则可以认为研究区没有针叶林发育(吴玉书和孙湘君, 1987; 李文漪和姚祖驹, 1990), 因此, 笔者认为浙闽地区早白垩世尽管存在山脉, 但针叶植物的匮乏可能反映研究区处于山脉西侧干旱的雨影区, 不适宜针叶类植物的生长。在晚白垩世早期, 中国东部沿岸地区干旱程度达到最高, 且干旱范围扩大, 推测此时海岸山脉范围扩大, 继续向南推进到广东地区, 向北推进至山东沿海地区。

根据山东、江苏地区白垩纪孢粉研究结果显示, 晚白垩世最晚期气候有较大的转变(王开发等, 1982; 周山富等, 2009; 杜圣贤等; 2013)。晚白垩世气候整体较为干旱, 在孢粉相对丰度空间分布(图1; 图2)中也可看到这个时期喜干类群百分含量存在波动, 山东和江苏地区晚白垩世最晚期气候由之前的炎热干旱开始变得湿润, 这种情况一直延续至早古新世。前人研究结果表明, 早古新世中国东部沿海地区阔叶林发育, 喜干类群急剧减少(李经荣等, 1992; 彭超, 2019), 故这种气候的转变可能与中国东部山脉的垮塌有关。董树文等(2000)认为东亚大陆地势由东高西低向西高东低的转变, 大致与印度板块与亚洲大陆碰撞及特提斯洋关闭的时间相一致, 最近的研究表明其年代始于65 Ma前后(Ding et al., 2017; Yuan et al., 2022)。综上, 笔者认为中国东部海岸山脉在晚白垩世早期开始垮塌, 至晚白垩世最晚期海岸山脉的海拔高度不再影响太平洋暖湿气流的输入, 中国整体“ 东高西低” 的地貌格局就此开始改变, 但该结论仍然需要更多的古近纪, 尤其早古近纪的孢粉数据的支持。

本研究依靠孢粉学证据讨论了中国东部海岸山脉的抬升和消亡过程, 证据略为单薄, 仍然需要其他的证据对该结论加以辅证。但笔者旨在为晚中生代古地貌演化提供一个新的尝试和思路, 目前仍然存在很多的不足, 比如: 数据量仍需要补充, 部分文献资料发表时间较早, 很多地区没有更新的孢粉数据; 地层时代划分精度不够; 仍然需要补充古近纪早期孢粉数据等。在后续研究中, 将会进一步补充完善相关证据。

6 结论

通过对白垩纪中国各地孢粉植物群数据进行系统的汇总, 绘制了孢粉相对丰度空间分布图, 比较直观地体现了中国白垩纪各时期喜干植物花粉和双气囊花粉的分布特征。基于孢粉数据, 对中国白垩纪植被演替和气候演变进行了分析, 将白垩纪中国大致分为3个大的气候区: 东北地区为温暖湿润的亚热带— 暖温带气候区; 北方区为半干旱的热带— 亚热带气候过渡区; 南方和西藏、新疆等地区为炎热干旱的热带— 亚热带气候区。

在此基础上, 对白垩纪中国东部的地貌演变进行了解读, 所得结果支持前人提出的中国东部存在海岸山脉等假说, 并得出如下结论: 早白垩世早期中国东北地区存在一个高海拔地貌; 早白垩世中国东部沿海地区可能存在海岸山脉, 范围大致在闽浙地区。晚白垩世早期, 中国东部海岸山脉的范围达到最大, 向南推进至广东地区, 向北可达山东地区, 之后开始逐步垮塌。晚白垩世最晚期是一个重要的转折期, 中国东部海岸山脉海拔已经降低至不再阻碍暖湿气候的输入, 晚中生代中国“ 东高西低” 的地貌格局开始发生改变。

(责任编辑 张西娟; 英文审校 陈吉涛)

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