小时候看《红河谷》，影片最后牦牛奔腾，老阿妈述说着珠穆朗玛女神初生时只是海里的一枚小贝壳，经历了漫长的岁月，最终成长为美丽的女神。这或许是我对喜马拉雅隆升最初的印象。后来，我又从一些科普书中得知喜马拉雅历尽沧海桑田，最终从大洋里拔地而起，成为这世界上最宏伟、最壮丽的山脉之一。

   

图1 珠穆朗玛峰

我们如何窥探到喜马拉雅隆升的秘密呢？最直接的证据就是高程重建，然而，迄今为止，青藏高原上获得的最准确的高程只有两个，一个是直接测得的高原现在的高程，另一个是海相地层沉积时期的高程——也就是海平面。除此之外，从零海拔到现在的高程，喜马拉雅和青藏高原的古高程是如何变化的，重建这一过程困难重重。科学家已经尝试了多种定量或半定量的古高程重建方法。定量的方法主要通过稳定同位素、植物化石、玄武岩气孔以及宇宙核素等来反演古高程；半定量替代指标则主要包括南北向正断层开始活动的时间、上地壳的变形历史、钾质熔岩喷发的时间、海相沉积结束的时间、区域性冷却事件发生的时间、河流水系快速下切的时间、沉积盆地对高原隆升的沉积响应时间、高原及周边环境转变的时间、高原及周边动植物特有种形成或分化的时间等。

古土壤中的方解石，河流相和湖相碳酸盐，动物化石、古土壤、风化壳和火山岩碎屑中的蒙脱石、高岭石，植物长链烷烃化合物，以及伸展剪切带中的白云母和热液脉中的流体包裹体中的稳定同位素都被用来定量计算古高程。它的基本原理是降水中的氢、氧同位素随海拔增加而发生分馏现象。当潮湿气团遇到地形阻挡，气流被迫上升，由于绝热降温导致水蒸气冷凝形成地形雨。在这个过程中¹⁸O和²H (D)等重元素首先发生沉降，因此随着海拔增高降水中的重元素就越来越少。上述自生矿物或化合物同位素的含量则记录了地质时期降水的氢、氧同位素含量。通常，研究者们应用热动力模型或区域经验公式来定量重建古高程。                                

                                                                                              图2 卓奥友峰

热力学模型假设过去大气运动的物理学和热动力学规律与现代相同，通过模拟现代大气爬升过程，得到气团冷凝过程中影响降水氢、氧同位素分馏的相关参数，推导高程随地形改变与同位素变化值的近似关系，然后将此关系应用到地史时期，将沉积物中次生矿物或化合物中的同位素记录转换为古降水中的同位素值，从而实现古高程的重建。事实上，青藏高原地表水中的氧同位素值不仅随海拔变化而改变，而且随纬度呈现一定的变化规律。研究者进一步引入了研究点与喜马拉雅山脉纬度的差值、青藏高原古纬度以及新生代全球温度变化对氧同位素组成变化影响的校正值。

区域经验公式就是建立研究区现代降水或地表水中氧同位素或氢同位素以及植物叶蜡脂质化合物中氢同位素含量变化与海拔之间的经验公式，并将沉积物中自生矿物或化合物的同位素组成应用该经验公式恢复古高程。通过对现代河流水样进行δ¹⁸O测定，对其与海拔的关系进行二次多项式拟合，并用新德里地区降水数据对曲线进行修正，得到青藏高原首个氧同位素古高程经验公式。并将这个经验公式应用于喜马拉雅北坡木斯塘地堑的古高程重建工作，研究表明该区域在晚中新世就已经隆升至与现在相似的海拔高度。

此外，还有一种使用团簇同位素来重建古高程的方法，简称为Δ47。首先通过碳酸盐晶格中¹³C-¹⁸O键丰度计算碳酸盐形成时的古温度，再结合区域气温直减率进行古高程重建。该方法已经在喜马拉雅山脉西部的札达盆地应用，对盆地沉积物腹足动物壳体Δ47研究认为晚中新世-上新世期间札达盆地平均海拔达5400±500米，由于晚新生代以来青藏高原南部东西向伸展变形，该地区海拔在上新世以后又降低了至少1000米。珠穆朗玛峰地区变质岩中含水矿物δD指示该地区在早中新世晚期海拔就已经超过5000米，产生强大的“雨影效应”。                     

                                                          图3 同位素重建古高程原理(引自Mulch, 2016)

虽然上述与同位素有关的古高程重建方法常被用来恢复古高程，但是仍存在一些缺陷。比如，热动力学模型和经验公式都是理想状态下得出的模拟结果，易受到区域气候条件差异、同位素反高程效应、后期成岩作用和蒸发作用的影响，还存在很多误差。同时，中高纬地区同位素直减率变化复杂，热力学模型仅适用于纬度较低的地区。并且降水过程中的蒸发和交换、云团上升时的湍流和混合也可导致模型产生误差，而目前的模型忽略了这些误差。

植物化石也常用来讨论喜马拉雅的古高程。自1964年中国科学院西藏科学考察队首次在希夏邦马峰北坡海拔5700–5900米野博康加勒组砂岩中发现高山栎化石以来，中国学者率先将植物大化石以及微体化石应用于古高程的研究中。经过近年来的不断发展，利用植物化石恢复古高程也发展出一系列新的研究方法：如最近亲缘法、叶缘分析法、叶相分析法和气候-叶相多变量分析程序、气孔参数分析法等。

最近亲缘法的基本原理是化石植物群生长时的古环境与其最近亲缘的现生种环境相似，通过对现生物种的环境分析就可以反推化石植物群生活的古环境。早在1080年，中国北宋杰出的科学家沈括就已经用该方法来推测古环境，但不幸的是他将已经灭绝的楔叶纲新芦木属(Neocalamites)化石错误地鉴定为竹子。在此基础上发展起来的共存分析法将植物群中所有分子的气候因子分布范围叠加在一起取交集(即共存区间)，并认为该共存区间即为该植物群生活时的古气候环境。叶缘分析法的基本原理就是年均温度与双子叶植物中全缘叶所占比例高度相关，得到世界各地区现代植物叶片与气候关系研究的支持，同时被广泛应用于古环境的重建工作中。叶相分析法是根据植物叶片的各种形态特征来定量研究新生代古气候和古环境的重要方法。叶相是植物叶片上各种形态和结构的总称，包括叶面积大小、叶缘类型、滴水叶尖的有无、叶形、叶脉类型、叶脉密度、叶片质地等。基于叶相分析，研究者开发出气候与叶相多变量分析程序，使得古环境重建结果更加精准。上述方法均可通过重建古温度，再结合地质时期全球温度变化以及气温直减率估算沉积物形成时的古高程。热力学原理分析方法的基本原理是热焓随纬度和海拔递减，但不随经度变化或变化较小，而湿静态能随纬度增高略微降低，但不随经度和海拔变化，因此若化石点同纬度或经度海平面的热焓或湿静态能已知，便可以估算化石点的古高程。热焓和湿静能可分别通过气候-叶相多变量分析程序和古气候模拟得到。另外，因为大气CO₂分压随海拔增高而减少，限制了植物的光合作用，为了适应环境，植物通过改变气孔密度和气孔指数来增强光合作用。气孔参数法就利用化石植物群叶片的气孔参数估算地质时期大气CO₂浓度，再应用CO₂分压随海拔递减的原理来估算古高程。                            

                                                                                图4 希夏邦马峰

在1964年施雅风和刘东生两位先生所著的《希夏邦马峰地区科学考察初步报告》中，对野博康加勒群的高山栎化石进行了初步的研究，依据现生高山栎分布的海拔推测喜马拉雅山脉在上新世以来剧烈隆升了3000多米。随后徐仁先生对这些高山栎化石开展了进一步研究，认为这些高山栎化石的最近现生亲缘种是黄背栎(Quercus pannosa)和灰背栎(Q. senescens)，目前，这两种植物都分布在横断山区海拔2500米的区域，也推测希夏邦马峰区域在上新世以来的二三百万年里上升了3000多米。后来周浙昆研究员重新考察了这些化石，认为化石的最近现生亲缘类群分布的海拔在2500–3500米之间，推测希夏邦马峰在上新世的古高程应该在2500–3500米之间，随后继续隆升了2200–3400米达到现今的高程。而在南木林植物群开展的一项古高程重建工作则使用了植物群的叶相组合特征，Spicer教授通过南木林植物群叶相组合特征重建的古高程结果认为南木林在中中新世就已经达到现今高程，认为在其南部的喜马拉雅山脉在此期间也已经隆升至足够高的海拔。

喜马拉雅和青藏高原的形成和演化影响亚洲地区哺乳动物组成和分布的差异，同时也直接影响动物对环境适应性的调整，根据地史时期动物形态和生活环境的研究可用来推测该动物生活时高原的古高程。               

                                     图5 喜马拉雅山脉北部札达盆地上新世古环境重建(引自Wang et al., 2015)

三趾马(Hipparion)是马科分异度非常高的一个属，各个种的生态环境相差甚远。目前在喜马拉雅造山带研究过的三趾马化石地点有札达、吉隆沃玛和聂拉木达涕湖盆，这些生活在高原上的三趾马动物群与华北地区的三趾马动物群相似，推测自晚中新世以来喜马拉雅山脉上升了2500–3000米。近年来，通过三趾马化石形态以及牙齿同位素研究，札达盆地所产的上新世札达三趾马(H. zandaense)则生活于高山草原环境，推测海拔在4000米左右；吉隆沃玛和聂拉木达涕湖盆所产的晚中新世三趾马化石同属福氏三趾马(H. forstenae)，其生活环境中存在大量C₄植物，可能为疏林环境，海拔在2400–2900米左右。

外界物理环境可能是造成环境恶劣地区生物物种形成和多样性增加的主要因素，平均海拔超过4500米的青藏高原内部环境极端恶劣，气温低、降水少、大气稀薄、紫外线辐射强烈，导致青藏高原地区众多特有种的形成，同时在青藏高原动物化石形态上留有烙印。通过对已灭绝的上新世披毛犀(Coelodonta thibetana)的研究，邓涛研究员提出“走出西藏”理论，认为青藏高原在晚新生代就已经上升到足够高度进入冰冻圈，成为第四纪冰期动物忍耐寒冷环境的“训练场”。在随后的研究中发现不仅Coelodonta thibetana最早出现在青藏高原地区，食肉动物Chasmaporthetes gangsriensis、Sinicuon cf. Sinicuon dubius、Panthera blytheae、Vulpes qiuzhudingi，食草动物Pseudois、Qurliqnoria、Ochotona、Aepyosciurus、Tsaidamotherium hedini和T. brevirostrum等适应高海拔寒冷生境的动物均在晚中新世-上新世期间出现在青藏高原地区，暗示在此期间高原已经获得较高海拔。               

                                          图6 裂腹鱼亚科3个等级鱼类的不同特征(引自张弥曼和Miao, 2016)

从20世纪30年代开始，中国鱼类学家就不遗余力地对青藏高原及周边地区现生鱼类进行研究，对该区特有的裂腹鱼亚科鱼类分类、演化、地理分布及其与构造活动之间的关系进行了综合论述。对青藏高原及周边地区现代鱼类资料的综合研究发现，原始等级、特化等级与高度特化等级的裂腹鱼亚科鱼类分布海拔各不相同，这为通过鱼类化石恢复古高程研究提供了理论基础。近年来，由于古鱼类学家的不懈努力，青藏高原新生代鱼类化石产地也逐渐丰富起来。上新世早期札达盆地裂腹鱼亚科鱼类化石高度特化，表明札达盆地在上新世就已经达到3750–4750米。

对比高原南北不同时期的动物群组成也可定性估计高原的隆升幅度。晚渐新世高原东北缘临夏盆地、兰州盆地，高原北部柴达木盆地、党河盆地以及新疆等地广泛分布着与高原南部印巴次大陆西瓦里克地区相同的巨犀动物群，表明晚渐新世青藏高原海拔不高，不足以成为巨犀、巨獠犀、爪兽等大型哺乳动物在青藏高原南、北自由迁徙的障碍；中中新世广泛分布于高原北部的铲齿象动物群却并没有在高原南部出现，表明中中新世时青藏高原已经成为南、北动物群交流的障碍；晚中新世时三趾马动物群不仅在青藏高原上的札达盆地、吉隆盆地、沃马盆地等地被发现，同时也广泛分布于高原周边的武都地区、临夏盆地、兰州盆地、天水盆地以及柴达木盆地，中国华北地区晚中新世动物群也以三趾马等为典型分子，甚至云南小河古猿动物群和禄丰动物群中都出现了三趾马，此时高原南部晚中新世地层也分布着三趾马动物群，时间几乎与三趾马从北美跨越白令陆桥扩散到欧亚大陆的时间相同，同时在中亚、欧洲等地区也发现三趾马动物群，三趾马动物群广泛分布且组成一致是由于中新世以来的夷平作用导致亚洲地貌以低山、丘陵为主，动物群之间可以互相交流，不存在大的环境、地貌隔离。不过，也有研究认为晚中新世青藏高原对动物迁徙可能有明显的阻碍作用，印巴次大陆的三趾马应该是从青藏高原西部绕行进入的。同样对比哺乳动物群与现代动物群之间的分类单元和分异度也能定性估计古高程。例如邓涛研究员发现临夏盆地早更新世大型哺乳动物就与珠穆朗玛峰地区现代动物类群高度相似，推测临夏盆地在早更新世达到相当海拔，形成这个高山或高原动物群，与动物群组成分子反映的生态特征相同。

玄武质熔岩流中的气泡保存着熔岩流侵位时的古大气压信息，可以用来确定玄武岩喷发时的古海拔。熔岩流侵位时，由于熔岩上覆重量不同，熔岩流底部与上部含有相同摩尔数气体的气孔体积不同。在野外测量熔岩流的厚度，在实验室应用X射线法测定熔岩流底部与顶部气泡的体积，即可推导出古大气压。假定新生代以来海平面大气压强与气温直减率没有发生大的改变，即可通过古大气压与海拔的关系推算古高程。该方法要求熔岩流侵位历史简单，原位固结且不发生明显的膨胀或收缩现象，同时熔岩中的气泡都来自熔岩内部，不存在外来水汽或植物燃烧产生的气孔。该方法的优点是原理简单，材料普遍(广布青藏高原的钾质熔岩中就不乏玄武岩)，此外所测熔岩大多可采用放射性元素精确定年，而且海拔越高恢复古高程的精度也越高。

初级宇宙射线与大气原子核作用时产生二次宇宙射线，其与地表岩石发生作用即会在岩石中产生宇宙核素。地表宇宙核素产量与海拔关系密切，确定一个区域的宇宙核素产量历史，就可以恢复该地区的古高程。在古高程重建过程中应考虑采样点是否遭到过侵蚀、埋藏历史、非宇宙核素成因的核素产量、岩体暴露前的核素浓度等，精确测定这些参数才可以减少误差。                      

           图7 最早详细绘制的花粉图片，菊科植物花粉Fritzsche (1837) “Über den Pollen”(引自Halbritter等, 2018)

我的专业是古生物，具体来说是微体古生物里面的孢粉学，是研究植物孢子和花粉的学科。孢粉是孢子和花粉的总称。蕨类和苔藓植物产生孢子，有花植物则产生花粉。在中亚地区，早在3000年前，先民们就注意到海枣需要进行人工授粉才能增减产量。在我国，公元6世纪出版的《齐民要术》中就详细说明了雌雄异株植物传粉与结实之间的联系。然而，真正观察到孢粉还得等到显微镜发明之后。

         

图8 喜马拉雅山脉南坡北坡环境对比，上图为南坡森林，下图为北坡干旱植被

不同科属植物产生的孢粉形态和纹饰各异，我们可以根据这些差异将其与母体植物建立联系。孢粉非常微小，绝大多数都在20–40微米左右，因此在野外无法用肉眼看到，需要将沉积岩带回实验室进行孢粉的浓缩和提纯。但是什么岩石有孢粉呢？我们通常选择颗粒较细、有机质含量较高的岩石，如泥岩、粉砂质泥岩、煤层等，其颜色一般为灰白色、青灰色或黑色。相反，我们很少去选择石灰岩、变质岩、火成岩以及风化程度很高的岩石。孢粉有坚硬的外壁，主要由一种耐酸又耐碱的复合高分子化合物——孢粉素组成。在实验室，我们使用盐酸、氢氧化钠、氢氟酸等试剂对沉积岩石进行处理，去除其中的碳酸盐、有机质和硅酸盐。然后，用孔径5–7微米左右的筛布过滤杂质，将富集的孢粉化石收集起来。最后，使用生物显微镜放大400倍以上进行鉴定，有也使用扫描电镜观察更细微的外壁结构。鉴定和统计每个样品中每个孢粉类群的百分含量，进一步将其与植被建立联系。特定的植被分布在特定的环境中，根据孢粉组合重建的古植被和古气候就可以用来重建古高程。比如，札达盆地的孢粉学研究表明该区域喜马拉雅山脉上新世早期分布以云杉和冷杉为主的亚高山针叶林，海拔不超过3600米；晚中新世吉隆盆地孢粉组合指示环境温暖湿润，表明盆地的海拔并不高；希夏邦马峰以及加不拉等地区植物化石和孢粉研究表明在上新世晚期该地区海拔才2500米左右；普兰盆地上新世孢粉组合最近亲缘种分析表明植被面貌存在明显的地带性，海拔在1000–3000米之间。此外，喜马拉雅高耸在青藏高原的南端，阻挡了南来的水汽长驱直入进入高原腹地，导致喜马拉雅南坡气候湿润，除高海拔地区之外森林密布，而山脉北麓则形成强烈的雨影效应，气候干旱，发育以荒漠灌丛为主的植被类型。孢粉重建喜马拉雅北坡古植被和古环境演化历史，进一步了解什么时期出现干旱环境，从而推测喜马拉雅的古高程。

综上所述，尽管冈底斯山在晚白垩纪就已经屹立在高原南部，但喜马拉雅一带仍旧是接近海平面的热带、亚热带环境。随着印度板块的不断挤压，喜马拉雅从大洋中崛起，最终在中中新世之后形成如今的世界之巅。需要指出的是，尽管研究者尝试了多种古高程重建方法，但每种方法都有其利弊，所得结果仅是根据各自研究方向提出的可能的猜测，都是值得商榷的。探究喜马拉雅隆升的秘密，仍旧任重道远。