海底CORK观测30年:发展、应用与展望

过去50年深海钻探计划(DSDP)、大洋钻探计划(ODP)及综合大洋钻探计划(IODP)等国际间综合深海钻探计划的实施,使我们对地球和海洋的认识取得了显著进步。海底井控观测装置(CORK)的研发和应用是上述深海钻探计划带给我们的最宝贵财富之一。目前地球科学和海洋科学已由过去的间断性观测模式升级为现在的连续性原位观测模式,海底CORK观测系统为地球科学、海洋科学与生命科学领域的科学家对海底洋壳复杂而又相互关联的深部过程进行数秒至数十年时间尺度的研究提供了新手段和新机遇。通过对海底CORK观测系统的发展演变、在ODP和IODP航次中的使用以及在此过程中获得的科学经验和教训进行总结,对CORK系统如何应用于我国洋壳地质学、水文学、微生物学及生物地球化学过程研究提出看法。     

自适应海洋观测

“自适应海洋观测”指固定或移动的海洋观测平台能够根据海洋环境和信号的变化,自主调节测量和运行参数,获取最关键的海洋信息.自主水下航行器运用自适应检测和采样技术,在研究上升流锋面等实验中显示出前所未有的观测准确度和效率.一个海洋观测系统的综合效能,取决于固定平台和移动平台的功能互补以及自适应观测能力的增强.     

全球实时海洋观测网(Argo)与上层海洋结构、变异及预测研究

围绕国家重点基础研究发展计划项目“基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究”,首先介绍Argo这一新型全球海洋观测网给海洋和大气科学带来的发展机遇以及我们面临的挑战,接着阐述项目重点研究区域西北太平洋和热带印度洋—太平洋的国内外进展,最后给出了项目的关键科学问题和主要研究内容。     

全球海洋再分析产品的研究现状

随着海洋观测资料的积累和日益丰富,以及海洋数值模式与数据同化方法的不断发展,利用同化系统将海洋数值模式和历史观测资料结合起来,对重构海洋过去的演变以形成再分析资料的作用和意义越来越显著。再分析产品为人们深入了解多时空尺度的海洋运动和探究海洋在气候变化中的作用提供了不可替代的资料基础。受海洋模式与数据同化方法的发展水平和庞大的计算资源需求等方面的限制,全球海洋再分析产品主要由海洋科技强国制作与发布。就当前国内外一些主要的全球海洋再分析计划及其产品进行分析,对各产品的特点及应用中存在的一些问题进行介绍,最后对全球海洋再分析产品未来的发展趋势进行了展望和讨论。     

新一代对地观测系统的发展

对地观测系统(EOS，Earth Observation System)是获取空间对地信息、促进地球系统科学和空间信息科学等学科发展的支柱。长期以来，人们就期望着对自己居住的地球有一个全面深刻的了解，研究这种从几十年到几百年时间尺度的全球变化，依赖于观测系统和观测技术的发展。因此有必要建立一个对地球整体的观测系统，利用空间优势，获取有关地球体系及其各个组成部分的详细数据或信息。 近50年来，世界对地观测技术得到了迅猛的发展。NASA针对全球变化研究对建立长期的数据采集系统的实际需求，于20世纪80年代初开始规划地球观测系统（EOS）计划，并于90年代初实施。它包括一系列卫星、自然科学知识组成和一个数据系统，支持一系列极地轨道和低倾角卫星对地球的陆地表面、生物圈、大气和海洋进行长期观测。地球观测卫星系列是EOS计划的最基本和最重要的环节。EOS卫星系列计划在今后的10年内陆续发射一系列的太阳轨道环境遥感卫星，构成连续15年的数据采集系统，其规模在地球观测卫星发展史上是空前的。在EOS计划的基础上NASA规划了ESE战略计划，将继续发展国际新一代对地观测系统。迄今为止，Terra、Aqua和Arua卫星已经发射成功，引起地球遥感科学界的瞩目，为地球科学研究提供重要的数据资源。     

北阿拉伯海的光纤海洋观测网络:成功、挑战和机遇

2005年夏,一个先进的海洋观测网络——包括实时的光纤海洋观测系统和内部存储的自动化观测系统——被投放在了阿曼海和北阿拉伯海并运行至今.在2010年初,其中的自动化观测系统被升级到了新的深水光纤观测系统.这个海洋观测网络是在阿曼农业和渔业部的资助下,由美国的Lighthouse R&D公司设计、开发、安装和维护的.这2个观测系统作为一个整体已经连续工作了7年多的时间.所采集数据包括海流、温度、盐度、压力、溶解氧和浊度等.该海区是一个多水团的汇合区,波斯湾的高盐水和阿拉伯海的低盐水在这里汇合并蔓延南下到印度洋.对采集的数据研究表明,这一观测网络对研究该区域的物理和生物过程具有重要价值.在此,将系统介绍整个观测网络,并简要阐述已经完成和接近完成的4个研究主题:①对阿拉伯海有记载以来最强热带气旋“古怒”的海洋响应的研究;②阿曼海北部的季节性缺氧现象的季节及年际变化和成因分析;③深海声散射层的时空演变;④阿曼海和北阿拉伯海的高温高盐现象的成因.该观测网络采集的长期、连续的时间序列对这一地区的海洋动力研究、水文的季节性变化,以及气候的长期变化等研究都有很大帮助.此外,如果观测网络可以完成25年的设定观测目标,这将对验证和改进海洋环流模式和海气耦合模式具有重要意义.     

IODP国际大洋发现计划,2013-2023

2013年10月起,综合大洋钻探计划将进入全新阶段,并改名为国际大洋发现计划,英文简称仍为IODP。与综合大洋钻探计划相比,新十年的IODP不局限于钻探一种手段,更加:强调科学新意、突出社会需求;新计划以探索深部了解整个地球系统为目标、以预测未来为己任,展示了海洋科学、乃至地球最前沿的诱人前景;在技术上发展新手段,不再以“钻探”为限,比如海底井下观测预警、海底微生物的检测培育、和钻穿地壳探索上地幔等新挑战。     

全球海洋观测系统展望

一、引言 海洋在全球变化中起着关键性的作用。为了弄清海洋的作用我们必须进行长期的全球资料收集,并由此进行全球性的海洋观测,这需要熟悉海洋以及海洋与大气、陆地耦合的基本知识,以及必须的技术与人力、物力来发展和负担长期的海洋观测活动。 全球海洋观测系统的主要任务是长期、系统地收集物理、化学及生物学的观测资料,从而提供全球海洋现时状况,这些资料也能提供全球气候耦合模式的初始条件。在1990年8月的一份报告中,Henry Stommel曾指出:希望在2000年能得到完善的海洋“动态”模型,以此用来预测海洋涡流事件、厄尔尼诺事件、深水和中间层水构造的异常现象以及污染物扩散等问题,同时也可提供气候模式边界条件。     

从海洋内部研究海洋

几百年来,人类总是从海洋外面——在船上或者岸上研究海洋。随着技术的最新发展,人类现在可以从海洋内部来研究海洋。简要讨论了海底观测系统和活动观测平台为各领域的海洋研究提供的空前机遇,并指出中国发展海洋科学必须对这一新趋势给予密切注意。     

海洋科学研究15年回顾与展望

1　海洋科学的研究对象和主要任务海洋科学是一门认识海洋的科学。海洋科学不仅研究巨大的海洋水体部分 ,也研究 :海岸带、河口和滨海湿地———通过这里淡水连续不断地进入海洋 ;海洋与大气界面———这里发生着海气间物质和能量的交换 ;海水和沉积物界面及海底岩石圈等。由于海洋的观测难度大且花费高 ,海洋学家始终致力于大力发展快速、高效和先进的观测仪器和技术 ,并且依托海洋科学调查船、卫星和自动观测系统 (如锚系浮标等 )实施海洋观测。海洋科学主要研究海洋中的物理过程、生物过程、化学过程和地质过程及其相互作用。其分支学科…     

中国南方海相生烃成藏研究的若干新进展(三) 南方四套区域性海相烃源岩的沉积相及发育的控制因素

南方研究区下寒武统、上奥陶统—下志留统、下二叠统、上二叠统四套区域性古生代海相烃源岩可划分为7种有利沉积相:即深水泥质陆棚相、深水热水陆棚相、深水碳酸盐岩陆棚相、深水硅磷质台凹相、海湾澙湖相、近海湖盆沼泽相、前三角洲相。四套海相烃源岩的沉积—生物相图反映出这些相都不同程度与大洋相通。从早寒武世到晚二叠世,烃源岩的相类型向多样化发展。受都匀、东吴运动影响,有利相带的分布范围由大到小出现两个旋回。南方海相烃源岩的发育受板块运动、板内活动、三大古隆起、四个转换期、沉积—生物相等五个因素的控制。南方海相优质烃源岩的形成模式可概括为深水陆棚—底栖藻席模式,其特点是底栖藻类发育,沉积表面氧化而埋藏环境还原,并以此区别于已有的三种形成模式。研究区北面的秦岭洋,南面的华南洋(Pz1)、八布洋(Pz2)伸入扬子克拉通内部形成的不同时期"海湾体系",是海相烃源岩发育的摇篮,可作为南方海相油气勘探的一个重要领域。     

Review and Prospect of Global Operational Ocean Forecasting

The marine environmental forecast plays an increasingly important role in economic growth and infrastructure development, and touches upon many fields and aspects, including marine security, energy resources development and protection, ocean shipping and fisheries. Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE) OceanView supports the national research groups providing them with coordination and technical support among the partners. Forecasting centers develop and establish global operational ocean forecast systems. The global operational ocean forecasting system uses the ocean dynamic numerical model as the dynamic framework, and the near real-time high-quality observation input field is integrated into the model by data assimilation to realize the future environmental forecasts of the marine conditions covering the multi-time scale. The products are routinely validated with observations in order to assess their quality. This paper briefly introduced and reviewed the development process and current situation of the global ocean forecasting system covered by GODAE OceanView, and outlined the future development of global ocean forecasting.     

世界首座海洋观测网体系——加拿大“海王星”海底观测技术

加拿大“海王星”是世界首座海洋观测网体系,它将覆盖整个东北太平洋区的胡安·德富卡板块,揭开了地球科学研究的新篇章.它通过主干动脉光电缆连接位于5个汇结端上的仪器设备,对海底进行长期实时观测,并通过强大的数据管理和存档系统,实时传输观测数据,供科学家和科学爱好者们免费使用.加拿大“海王星”海底观测技术主要应用于观测海底火...     

海底沉积物孔隙压力原位长期观测技术回顾和展望

海底沉积物孔隙压力对海底地质灾害过程反应敏感,是表征海床稳定性的一个重要指标,通过海底沉积物的孔隙压力观测可以判断海床的稳定状态,对于海底地质灾害预测预警具有重要意义。海底沉积物孔隙压力观测存在(1)超高背景压力下的高精度测量;(2)贯入过程传感器超量程破坏;(3)系统长期供电及传感器漂移;(4)深海海底布放和回收等技术难点。国际上海底孔隙压力观测技术从20世纪60年代开始发展,逐渐形成了系列核心监测技术和成熟的商业化设备产品。挪威岩土工程研究所NGI与美国伊利诺伊大学共同研发的NGI-Illinois压差式孔隙压力观测系统,是已知最早的海底沉积物孔隙压力观测设备。此后,美国地质调查局USGS、美国桑迪亚国家实验室、英国牛津大学等相继研发了不同结构的观测设备,覆盖浅海到深海。其中,英国海洋科学研究所研发成功的深海孔隙压力原位长期观测设备PUPPI是一个重要的历史节点,该设备能够在6 000 m水深的环境中连续运行一年,成为当时最成功的海底孔隙压力观测设备,其现代化的设备结构和设计理念被后续的观测设备广为借鉴。21世纪以来,得益于海洋科学技术的整体进步,国际孔隙压力观测技术发展呈现加速趋势。法国海洋开发研究院IFREMER研发的Piezometer系列孔隙压力观测探杆,代表了当今世界的先进水平,可能是目前应用次数最多的海底孔隙压力观测设备。我国在深海探测、观测技术领域起步较晚,在深海沉积物孔隙压力原位长期观测技术方面几乎空白,发展很不成熟。其中,中国海洋大学、自然资源部第一海洋研究所等单位进行了较多的探索性研发工作。近年来,以港珠澳大桥建设、南海天然气水合物试采等为标志的大批国家级海洋建设项目如火如荼,深海油气矿产资源开发、深海天然气水合物开采利用等海洋新兴产业快速起步,深海孔隙压力原位长期监测关键核心技术等“卡脖子”问题仍然突出,严重制约了我国海洋工程产业发展的步伐。因此,迫切需要发展具有自主知识产权和关键核心技术的国产深海沉积物孔隙压力原位长期监测技术。本文回顾了国际、国内海底孔隙压力观测技术的相关研究进展,旨在分析总结孔隙压力观测技术及其应用中涉及的一些核心技术和亟待解决的关键问题,以期为我国该项技术的发展和应用提供借鉴。     

我国海洋光学遥感应用科学研究的新进展

20世纪90年代以来,我国航天遥感事业的发展促进了海洋光学应用科学的发展,特别是通过近几年来,国家“863”高新技术计划的实施,在该方面有了新进展。文章将着重介绍光学遥感信息的大气校正、光学遥感海洋环境信息提取、光学遥感在赤潮与溢油监测等3个方面的应用科学新进展,并提出了在我国进一步深入开展海洋光学遥感应用科学技术研究的建议。     

热点作用背景下的洋中脊跃迁和扩展作用:印度洋盆地张开过程探讨

在《印度洋底大地构造图》的基础上,分析了印度洋盆构造格局和洋盆演化重大事件序列,并从印度洋盆初始裂解机制、扩张中心跃迁与热点作用、洋中脊扩展作用等方面讨论了印度洋盆的张开过程,提出以下几点认识:(1)现今印度洋洋中脊可分为两个系统:东南印度洋中脊-中印度洋中脊-卡斯伯格洋脊系统(东支)和西南印度洋中脊系统(西支),前者是太平洋洋中脊扩展作用的产物,后者是太平洋-东南印度洋中脊与大西洋中脊之间构造调节的产物;(2)印度洋盆最初裂解受地幔柱垂向挤压-水平伸展作用控制,沿前寒武造山带等地壳薄弱带发育;(3)印度洋盆经历两次扩张中心的跃迁,其趋向性跃迁方向与热点相对板块的运动方向具有一致性,显示两者存在内在联系。(4)大西洋和太平洋洋中脊在印度洋交汇,于古近纪连通,末端伴随陆块持续发生碎裂化、裂解化,可称为鱼尾构造模式,表明印度洋盆衔接和调节了三大洋盆的发育和演化过程,具有全球洋盆枢纽的关键意义。     

Consolidation of the American Cordilleras

The continental margin orogenic systems of the western Americas are enormous features that formed along the Pacific margins of the North and South American plates during late Mesozoic through Cenozoic time. There has been considerable debate concerning their origin, and they are often compared with intra-oceanic fringing arc-trench systems more typical of the Australasian margins of the Pacific Ocean, in that both involve the subduction of oceanic lithosphere, often with similar convergent relative motion vectors. The onset of orogenesis in the two Cordilleras, as shown in reversal of sedimentary polarity from sources generally on the continent to sources along the Pacific margin, seems to date from shortly after emplacement of the oldest oceanic crust in that part of the Atlantic Ocaen east of each continent — i.e., about 170 Ma, or Middle Jurassic, in the case of the Central Atlantic, and about 135 to 100 Ma, or Early to mid-Cretaceous, in the case of the South Atlantic. These ages also seem to mark the onset of westward motion of the two continents over the Pacific Ocean basin and subsequent crustal thickening and uplift, with development of thrust belts, foreland basins, and foredeeps. Prior to this prolonged westward drift, both margins had been convergent for at least several hundred million years, but no massive mountain building had taken place. Instead, the margins were tectonically “neutral”, with typically submarine fringing arc-trench systems or shallow marine to continental margin arcs which stood “outboard” of shallow marine platformal shelves or basins whose main sedimentary polarity was from the continent. Although accretion of “suspect” terranes, high rates of convergence, and age of subducting lithosphere all may have influenced particularly local tectonic response and/or phases of orogenic activity in the two chains, the absolute motion of the two continental margins over the Pacific Ocean basin is considered to have been the dominant factor in Cordilleran tectonic evolution.     

Development and propagation of a pollution gradient in the marine boundary layer during INDOEX (1999)

The development and propagation of a pollution gradient in the marine boundary layer over the Arabian Sea during the Intensive Field Phase of the Indian Ocean Experiment (1999) is investigated. A hypothesis for the generation of the pollution gradient is presented. Infrared satellite images show the formation of the pollution gradient as the leading edge of a polluted air mass in the marine boundary layer and also its propagation over the Arabian Sea and the northern Indian Ocean. Aerosol data measured from two research vessels over the Arabian Sea show a variation in the concentrations caused by the passage of this pollution gradient. Depth of the pollution gradient was found to be about 800 m. A numerical model was used to simulate the development of this gradient and its propagation over the ocean. Results show that its formation and structure are significantly influenced by the diurnal cycle of coastal sea-land breeze circulations along India’s west coast. Transport of aerosols and gases over the Arabian Sea in the lower troposphere from land sources appears to be through this mechanism with the other being the elevated land plume.     

深海温度变化对太阳活动的响应

通过太平洋、大西洋深海温度场谱分析发现,地球海洋温度变化广泛盛行着22年尺度的年代际周期性变化,这种22年变化周期在深层海洋中更为清楚。分析认为,这是地球海洋温度场对太阳磁场周期性变化的响应。世界海洋不同海域深海温度对于太阳磁场磁性22年周期响应的相位存在显著不同,南北大西洋海温变化相位相差115度,即变化趋势接近相反;南北太平洋海温变化相位相差19度,南太平洋变化超前。另外,太阳活动所激发的海温变化的振荡幅度在不同海域也有显著差异,北大西洋海温22年周期振幅为0.07℃,而南大西洋则高达018℃,是北大西洋的2.5倍之多!在太平洋中,北太平洋深海温度22年周期振幅最大,南太平洋次之,赤道中太平洋最小     

Bacterial hopanoids as tracers of organic carbon sources and processing across the western Arctic continental shelf

Tracing the inputs of bacterial organic carbon to marine systems has been constrained by the lack of distinguishing geochemical tracers and limited contribution in sediments compared to other sources of organic matter. Bacteriohopanepolyols (BHPs) provide a direct means to identify bacterial inputs which also reflect potential bacterial groups and their activities in aquatic systems. We applied recent analytical approaches to identify and quantify bacterial derived carbon contributions to surface sediments from the western Arctic Ocean using BHPs. The abundance and distribution of BHPs resemble trends of water column primary production and suggest active heterotrophic recycling of in situ production with some component of long term preservation. BHPs proposed as terrestrial derived signatures (i.e. adenosylhopanes) were also abundant in western Arctic sediments and reflect offshore trends of other terrigenous lipid signatures with a fraction representing their degradative products. Analysis of BHPs in organic rich peat and surface sediments from two Arctic rivers showed the highest inputs of adenosylhopanes, implying active bacterial recycling of recalcitrant terrigenous material. BHPs observed in western Arctic surface sediments reveal significant contributions of bacteria associated with organic carbon from multiple sources.