一、项目名称

青藏高原多圈层相互作用及其资源环境效应

二、执行时间

2012年9月—2017年8月

三、项目类型

中国科学院战略性先导科技专项（B类）

四、承担单位

1、专项首席科学家：姚檀栋、吴福元

2、项目负责人：丁林、孙继敏、朱立平

3、依托单位：中国科学院青藏高原研究所、地质与地球物理研究所

4、参加单位：中国科学院广州地球化学研究所、地理科学与资源研究所、地球环境研究所、寒区旱区环境与工程研究所、大气物理研究所、南京地质古生物研究所、遥感与数字地球研究所、昆明植物研究所、成都山地灾害与环境研究所、西北高原生物研究所、北京大学、南京大学、兰州大学、西北大学、中国地质大学、中国石油大学、南京师范大学、云南师范大学、中国地震局地质研究所、西藏地质勘查局区调队

五、研究目标

从地球系统科学角度出发，分三个层面开展青藏高原多层圈相互作用及其资源环境效应的研究。在岩石圈深部圈层相互作用研究方面，重点查明青藏高原特提斯洋形成与消亡和印度-欧亚大陆碰撞的造山过程, 揭示俯冲-碰撞过程中壳幔相互作用及其对金属成矿和高原隆升的制约, 实现青藏高原深部圈层相互作用理论研究的原创性突破。在深部-浅部相互作用与远程效应方面，重点探讨高原隆升的远程效应对高原北缘地貌演化以及大型水系调整的影响，揭示高原隆升如何影响剥蚀风化速率、亚洲腹地干旱历史以及东亚季风环流，并开展高原不同隆升阶段环境效应的数值模拟与交叉检验。在现代高原的地表各圈层相互作用方面，重点研究青藏高原大气环流、水分循环、生态环境和生物多样性地理分布格局变化之间的相互联系，揭示全球变化条件下青藏高原环境变化的幅度与趋势，为全球变暖条件下青藏高原人类活动的适应策略提出科学依据。

具体目标包括：

（1）精细重建青藏高原新特提斯发生和消亡这两大关键节点前后的古生物地理变迁。

（2）理清特提斯洋的扩张过程，查明缝合带中地幔橄榄岩的属性以及与铬铁矿的成矿关系，为区内铬铁矿找矿提供理论依据。

（3）查明冈底斯弧岩浆-构造-成矿特征，建立不同阶段的斑岩成矿理论，为进一步开展冈底斯弧的找矿工作提供理论支持。

（4）通过古地磁学研究，重建印度与亚洲大陆的古地理位置，厘定其碰撞方式和过程。

（5）通过碰撞带不同类型盆地研究，揭示印度大陆边缘盆地向雅鲁藏布江前陆盆地转换的时间，查明两大陆块物源交换、特提斯俯冲与大陆碰撞过程。

（6）通过研究高原边界的构造、沉积、地貌和热作用厘定高原的生长过程与机制，重点揭示发生在新生代中期的高原生长的构造转化作用，最终确定高原的生长机制。

（7）以青藏高原新生代岩浆岩及深源包体为主要研究对象，查明岩石圈的物质组成、热状态及演化历史，为高原隆升机制研究提供深部约束。

（8）拟跨越青藏高原北部羌塘地块核心区，实施“走廊”域综合地球物理探测，具体包括人工源宽角反射/折射地震探测、宽频带流动地震台阵探测和重力/地磁剖面测量；通过对所获探测数据的系列深化处理与解释，重建该区壳幔内部地震波速度结构、密度结构、磁性结构以及主要间断面形态、各向异性特征等，实现多尺度、多属性壳幔精细结构重建，为青藏高原不同圈层系统相互作用研究提供深部地球物理学依据。

（9）通过宽频带密集流动地震台阵观测，获得伊朗高原典型廊带地壳-上地幔高分辨率地震结构图像和壳幔变形信息，通过伊朗高原与青藏高原的对比，探讨高原隆升的深部机制。

（10）重建不同时期青藏高原古高度，有助于揭示高原的隆起时间、过程与机制，这也是目前国际上青藏高原研究的热点和难点问题。

（11）获得青藏高原北缘帕米尔西构造结和东北缘的构造变形历史，有助于了解印度－欧亚板块碰撞的远程效应以及不同时期阿尔金走滑断裂的活动时间。

（12）确定长江、黄河东流入海的时间，探讨青藏高原隆升对亚洲宏观地貌格局以及中国西高东低地貌格局形成的影响。

（13）探讨青藏高原隆升对大陆剥蚀风化和CO2消耗的影响程度，这是解决国际上热点且有争议的问题“新生代高原隆升导致的硅酸盐风化加剧加速了全球变冷”假说的关键。

（14）论证亚洲腹地干旱化的起始时间、亚洲季风强度的演化历史以及中国东西分异气候格局的奠定历史，对于了解长尺度古气候变迁以及季风的形成与演化究竟是青藏高原隆升还是全球变冷驱动具有重要的科学意义。

（15）通过设计更加符合实际的高原分区域分阶段隆升方案，评估高原隆升对于亚洲季风-干旱环境的不同作用和影响机制，同时兼顾副特提斯海退缩的耦合效应及气候系统内部的各项反馈机制，最终对新生代青藏高原隆升的环境效应有更加全面合理的认识。

（16）结合多种沉积记录与方法，揭示青藏高原不同历史时期气候环境变化历史及空间变化格局。

（17）阐明青藏高原多圈层系统水的多相态分布特征与转换过程，预测与评估气候变化对青藏高原水资源变化特别是江河径流变化的影响。

（18）研发国际先进水平、体现高原多圈层相互作用特点的地表环境综合模拟系统。这个模型对冰雪消融、湖泊水量平衡、冻融循环、土壤侵蚀、动态植被、河流径流和泥沙等具有较强的综合模拟能力。

（19）揭示高原地表关键要素对气候变暖的敏感性并辨识人类活动对高原生态系统变化的影响程度。

（20）量化青藏高原在全球气候变化条件下，土地利用／覆被变化及原因，特别是人类活动与自然活动的各自贡献，阐明其生态服务功能，为国家在青藏高原实施的生态工程布局提供咨询建议。

六、研究内容

1、厘定特提斯域地幔橄榄岩的构造地球化学属性及其变质过程

根据岩石中Os同位素组成与特提斯洋地幔的值较为一致的特点，分析岩石中Re-Os同位素的特征分布，区分其来源及其在成矿作用中的贡献；基于实验模拟和野外调查，研究Cr和Ni在古大陆岩石圈地幔中预富集的特点，通过分析岩石中的Cr和Ni的分异程度，研究岩体形成过程的核－幔分异影响及其代表的不同的地球化学行为；通过对国内外铬铁矿中均发现的高Mg橄榄石、辉石以及含Cr石榴石等包体矿物的分析，研究地幔橄榄岩的变质过程和铬铁矿的成矿关系。

2、印度与欧亚大陆初始碰撞时限和封闭过程

印度与欧亚大陆的碰撞是青藏高原最基础最重大的科学问题，大陆初始碰撞及封闭过程提供了青藏高原是全球海陆格局大转换的起点，是正确认识高原古高程变化的前提，是研究大陆岩石圈变形过程及机制的先决条件，是正确开展高原气候环境影响研究的首要因素，是评价和寻找大陆俯冲成矿及碰撞成矿的基础。在印度与亚洲大陆的碰撞过程中，碰撞带两侧块体的精细时空分布是了解碰撞过程与方式的基础。这种过程的重建依赖于不同时期精细视极移曲线和碰撞带前陆盆地的建立，要求达到5Ma甚至是2Ma的时间分辨率。

3、青藏高原在新生代中期生长的构造转换作用

青藏高原与周边山脉生长呈现互为消长关系，而这种构造转换作用可能包含了高原生长的机制解。通过多学科和多种手段在高原边缘的构造、沉积和年代记录中提取更多、更确切的有关构造转换事件的信息，特别是利用微晶矿物、铀-钍/氦技术进行构造和沉积的精确定年，通过数值和物理模拟建立新的高原生长模式。

4、下地壳是干的还是湿的，深部地幔是冷的还是热的

主要通过对新生代岩浆岩及其地壳包体进行深入细致的岩石学矿物学、地球化学以及Sr-Nd-Hf-O同位素研究，讨论岩浆及地壳变质包体产生的条件，从而限制“下地壳是干的还是湿的”。主要通过对幔源岩浆及地幔包体进行深入细致的岩石学矿物学、地球化学以及Re-Os同位素研究, 讨论幔源岩浆产生条件，地幔橄榄岩包体所蕴含的物理、化学条件，从而“深部地幔是冷的还是热的？”

5、青藏高原北部Sn波不发育区的岩石圈结构

青藏高原北部羌塘地块存在大面积Sn波不发育区，该成果陆续得到了Pn层析成像、SKS横波分裂和大地电磁测深等综合地球物理研究结果的支持。该区除Sn波不发育外，还表现为Pn速度低、衰减强、电阻率低和横波分裂时差大的特点，即意味着该区上地幔顶部可能存在大规模“流体库”。该“流体库”的空间展布、物理属性与形成机制等对于研究印度-亚洲大陆碰撞的深部过程、壳幔相互作用及其浅表响应具有重要的科学意义。

6、伊朗高原与青藏高原形貌异同的岩石圈深部制约机制

阿拉伯板块-欧亚板块碰撞产生的伊朗高原与印度板块-欧亚大陆碰撞产生的青藏高原在深部结构和物性状态特征有何异同？其碰撞方式、形态、边界位置和动力学机制及其形成的浅表地质特征变化如何。回答这些问题的关键是获得伊朗高原壳幔精细结构信息，并开展与青藏高原深部结构的综合分析对比，包括：通过壳内结构和厚度的横向变化，定量约束地壳加厚对高原地形的可能贡献；通过壳幔过渡带和上地幔顶部精细结构，分析壳幔耦合关系和相互作用；通过岩石圈和上地幔结构和变形特征，判断岩石圈物性状态横向变化和地幔流动形态，约束地幔动力学过程对高原隆升的贡献。

7、不同时期古高度的定量估算

利用（1）动植物大化石（主要是利用地层中保存的哺乳动物化石和植物叶子等，参考其在现代背景下分布的环境及其对应的海拔高度，估算化石埋藏地点的古高度）、（2）孢粉组合（利用现代表土花粉与海拔的关系，或者利用孢粉分析中的最大共存法，确定地层中孢粉组合对应的海拔高度）、（3）正构烷烃稳定同位素（根据不同海拔剖面中有机质正构烷烃的稳定同位素组成特征，通过分析地层中的有机质正构烷烃的稳定同位素获得地质时期的古高度），开展上述指标在不同海拔和水热条件地区的大量的现代过程研究，进行合理的地质时期的水热条件校正获得准确的古高度计算方法。

8、高原北缘新生代陆内变形过程与远程效应

通过对山脉低温热年代学（磷灰石裂变径迹、锆石U-Th-He年龄）以及前陆盆地沉积物构造变形历史的研究，回答高原隆升的远程效应何时传递到高原东北缘。选择沿阿尔金大型走滑断裂带发育的最典型的拉分盆地，对其构造地貌特征与新生代充填沉积物的沉积特征、沉积相进行野外观察与分析，并采集沉积物年代测定样品（FT、14C、10Be、26Al）和新生代沉积岩的磁性地层学和古生物年代样品。在这些年代样品基础上，确定阿尔金走滑断裂的速率以及相关的构造地貌响应。

9、高原隆升与大型水系演化历史

青藏高原隆升的最直接结果是亚洲地区现代地貌格局的形成，以及大江大河的发育和重组。对中国而言，最关键的科学问题是青藏高原隆升何时形成了现代长江、黄河水系的格局，亦即长江、黄河何时东流入海？主要研究方法是，利用长江与黄河中下游的天然剖面以及长岩芯钻孔，利用河流地貌演化与阶地沉积物定年、山体的磷灰石裂变径迹与锆石U-Th-He低温热年代学、相关盆地与边缘海三角洲沉积的物源示踪分析，重建长江与黄河水系的发育历史并确定其最终东流入海的时间。

10、高原隆升与风化剥蚀及其气候效应

通过区域尺度青藏高原化学风化记录、有机碳埋藏记录与盆地沉积物记录，探讨重大气候和构造事件时期，譬如P/E高温期、E/O界限降温期、中中新世适宜期、14Ma大降温期和晚上新世、第四纪以来的全球冰川来临时期以及高原隆升重大事件时期（如古新世印欧板块碰撞初期、始新世-渐新世地壳主变形和加厚时期、中新世初期扩展变形时期、晚中新世和上新世以来大规模隆升时期），大陆剥蚀风化与高原隆升、全球变化之间的关系。选择青藏高原不同气候区域新生代地层，在年代学基础上，结合有机碳含量、细粒硅酸盐风化指数、87Sr/86Sr、7Li/6Li和粘土矿物等的系统分析，获取详细的新生代高分辨率的流域岩石化学风化记录和无机碳消耗通量，揭示不同气候区不同构造演化阶段代表性盆地所经历的硅酸盐化学风化速率、风化通量及其对全球碳循环和气候的反馈机制。

11、高原隆升对亚洲腹地干旱化和季风演化的影响

通过在西北内陆盆地获得覆盖整个新生代的沉积记录，用多种手段提取古气候变化的信息，包括蒸发盐类沉积、孢粉学、稳定同位素等分析手段，确定干旱事件的发生时限，回答中亚腹地的干旱化究竟始于何时？干旱事件的发生与高原隆升和全球变冷的时间关系。同时，对中国南方的江汉平原、湖北、湖南、江西等地的中新生代沉积开展年代学和古气候学研究，查明东亚季风的起源；结合对季风区的黄土高原长序列记录获得季风强度变化的信息，阐述新生代以来季风的强弱变化及其与青藏高原隆升的联系。

12、高原隆升环境效应的数值模拟与交叉检验

利用青藏高原阶段性扩展的各类直接及间接证据，建立更加符合历史的分区域的高原形成与生长的方案，利用数值模式对高原不同区域生长的直接气候效应进行评估，进一步分析古特提斯海退缩和青藏高原阶段性生长的耦合环境效应，区分二者对于亚洲古季风和内陆干旱演化的相对贡献；分析陆地植被覆盖变化，高纬高海拔冰盖变化，全球碳收支及大气二氧化碳浓度，与内陆干旱化相关的大气粉尘循环等因素变化与高原隆升的关系，进而探索高原生长及反馈在新生代气候演化和突变过程中的可能作用，揭示高原不同区域变化对亚洲季风-干旱环境的不同影响。

13、青藏高原历史时期气候与环境的关系如，特别是季风与西风环流驱动的气候变化对环境（水与生态环境）的影响

（1）利用冰芯重建过去环境变化：在羌塘高原（羌塘1号冰川、慕孜塔格冰川）、西部的阿里地区冰川（纳木那尼冰川、德普昌达克冰川）、藏东南然乌地区选取适宜冰川钻取深孔冰芯，分析冰芯中的氢氧同位素数据提取过去气温变化信息，从冰川积累量获取过去数百年来的降水量变化的信息，以东西向气候环境变化差异研究为基础，结合南北向冰芯历史气候记录，明确青藏高原历史时期气候环境变化（特别是气温与降水）的空间格局，解释小冰期时气候波动的空间变化特征。（2）利用湖芯重建过去环境变化：开展青藏高原东部（冬给错那、托素湖、然乌湖流域）—中部（当惹雍错、令戈错）—西部（班公错、郭扎错、松希错）的湖芯研究环境序列研究、利用有机碳氮、孢粉、介形、生物标志化合物、元素等环境指标，结合南北向湖芯研究成果，揭示末次冰升期以来高原不同地区气候与环境变化的幅度，分析季风与西风带环流的时空影响。（3）在青藏高原边缘地区开展树轮研究：通过树轮宽度和同位素数据，分析过去几百年至千年尺度的气候变化信息。开展藏东南冰碛物树轮生长与冰碛形成时间的对比研究，揭示冰川变化与树木生长之间的关系。（4）开展青藏高原地区东西断面的古冰川变化研究：东起横断山脉的稻城，经念青唐古拉山东段的巴松错和古乡、念青唐古拉山西段、唐古拉山垭口、普若岗日、藏色岗日、西昆仑山、喀喇昆仑山到慕士塔格峰，分析受季风降水影响的东部和受西风降水影响的西部的古冰川变化。

14、青藏高原现代气候变化对环境的持续影响及未来趋势，特别是对于水的相态转化过程以及可能的水资源变化的影响

针对不同的地区特点，开发有针对性的地表过程模型。依靠观测的数据，模拟不同的地表过程。开发的模型包括冰川消融模型（帕隆藏布4号冰川、扎当冰川、小冬克玛底冰川和慕士塔格冰川）、复杂地形的积雪消融模型、湖泊蒸发和水量平衡模型(高原中部闭合流域冰川-地表-湖泊的相互作用)、土壤冻融模型（以那曲、冬克玛底、苏里、安多）、高寒区水文模拟（苏里、冬克玛底，青海省气象局河南生态气象站和海北牧业气象试验站，甘肃省玛曲生态气象站）、高寒融冻土壤水力侵蚀模型（藏东南林芝县的马崩弄流域开展水文、泥沙与土壤冻融过程的野外观测与场地）。开发青藏高原地表环境综合模拟系统。基于地表过程建模环境，集成发展的各参数化方案（包括冰川、积雪、冻土、湖泊、动态植被、水力侵蚀）和模块以及分布式水文模型。为对比新方案，拟集成基于经验的度日因子模型。此外，考虑对太阳辐射的地形校正算法，解决小尺度均匀下垫面（水面、草地等）和非均匀下垫面（冰川、不同坡向植被）与分布式水文模型和陆面过程模型的尺度匹配问题，最终形成能模拟高寒地区地表环境的模拟系统。

15、高海拔的气候变幅对全球变暖的响应程度以及量化气候变化与人类活动对生态系统变化的相对影响

依托青藏高原地区的野外台站，在高原的几个典型气候区内选择不同海拔地带，监测地表过程的关键要素（冰川、湖泊、大气气温、降水、土壤温湿度等）与海拔和水汽输送的关系及其时间变化过程，分析不同海拔地带对气候变暖的敏感性程度及其环境影响；在不同海拔梯度的植被带，通过对围栏内、外定位观测样地以及进一步开展的模拟增温和降水变化的野外控制实验等，测定和比较不同气候带和不同海拔地区典型生态系统结构和功能的动态变化特征及其与气候变化的关系，检测影响生态系统变化的主要气候因子及其变化阈值，据此提出气候变暖下高海拔生态系统的敏感性和脆弱性评价指标，并以遥感反演技术拓展站点研究结果，基于校验的生态系统模型预测近30-50年高原生态系统的变化趋势。

16、全球变暖和人类活动对西藏高原生态安全屏障作用的影响，科学评价西藏生态安全屏障工程建设实施的效应，并提出优化建议方案

利用调查、监测与遥感的方法研究土地利用／土地覆被变化的驱动机制，总结其分异规律、甄别对气候变化敏感与关键的区域；通过观测与对比研究，分析土地利用/覆被变化对生态系统生物多样性、生产力、水源涵养和高原气候系统的影响以及由此产生的高原生态系统服务功能时空格局变化。

七、组织形式

专项设立专项领导小组、专家委员会、首席科学家和专项管理办公室，严格按照《中国科学院战略性先导科技专项管理办法》与《中国科学院战略性先导科技专项经费管理办法》进行管理。

（1）专项领导小组，由主管院领导、专业局领导和首席科学家组成，主要任务是决定专项的总体科学目标以及围绕该目标需要解决的重要科学问题、研究方案的总体布局、经费以及所需的支撑条件、资源共享机制等。

（2）专项专家委员会，由国内知名的地质学、地球物理、自然地理、全球变化、生态与自然灾害等领域专家组成，并邀请国外专家参与，主要任务是对专项研究的重大科学技术问题提出建议，对实施中存在的问题提供参考解决方案，对阶段性成果、进展以及进一步开展的工作做出客观评价，并对专项的验收总结工作提出建议。

（3）专项首席科学家，由中国科学院在青藏高原研究领域的知名科学家担任，主要职责是贯彻专项领导小组的意见，凝炼专项的重要研究目标，把握专项的主要研究思路和重要的科学问题以及关键的研究方案，决定专项的研究内容设置、研究团队选择以及经费分配，保证专项的预期成果。

（4）专项管理办公室，由各项目负责人、相关管理人员、财务专家等组成，设在中国科学院青藏高原研究所，主要职责是负责落实专项领导小组和首席科学家的各项决定。

（5）专项下设3个项目，分别是：固体内部圈层相互作用、深部-浅部相互作用与远程效应、现代高原地表圈层相互作用。专项共设19个课题。专项实行项目负责人和课题负责人制度。项目负责人具体负责各课题的组织实施；课题负责人按要求执行课题的研究内容、经费使用、成果汇交等。