深海沉积与地球系统

20世纪50年代以来深海沉积学的一系列突破性发展,打破了沉积学的长期静寂,也推动了地球系统演变中一系列相关学科。从几个方面回顾了国际深海沉积学的发展历程:从浊流到等深流,从深海风暴到沉积牵引体,从沉积捕集器到海底边界层的定点观测,从沉积过程的时间序列到海底联网观测系统,以至连接现代沉积过程和层序地层学的"从源到汇",和深海沉积过程在碳循环中作用的研究。由于这种种发展,深海沉积学成为地球系统科学的一个关键环节。回顾半个多世纪来的深海沉积学,其重大进展都是和海洋的现场观测紧密相连,都得益于与相关学科的结合,也都有大型国际计划作为依托,可惜这些计划几乎全在欧美海区。我国当前出现了发展深海沉积学的良机,建议除了增加投入和设备外,要尽快启动深海大型科研计划的实施,并对我国深海沉积学的研究方向提出了三点具体建议。     

南海北部末次间冰期早期的突然降温事件

南海北部陆坡ODP1144站96.49-137.6 mcd 1)井段的高分辨率浮游有孔虫定量分析与δ18O测定表明末次间冰期(MIS 5.5即5 e)内发生过一次表层海水突然降温的事 件, 冬季水温下降幅度可达7.5℃, 表层水δ18O值也下降1.2‰. 此次降温事件在西欧和北大西洋均已发现, 相互可以对比, 但南海记录的降温事件更加强烈. 此次事件推测由中低纬地区而非极地冰盖引起; 由于黑潮标志种Pulleniatina obliquiloculata对此次降温事件反映最为强烈, 有可能与西太平洋低纬度地区的古海洋学变化有关. 此次事件可认为属“新仙女木期”式的降温, 表明末次间冰期气候的变异性.     

微体化石在海侵研究中的应用与错用

微体古生物分析已经证明是沿海平原和陆架海侵研究的最重要手段之一。由于我国第四纪海侵研究大量工作是在海陆过渡相地层中进行,而对于过渡相化石群古生态和埋葬学方面复杂性认识不足,往往会导致微体化石的错用。河口微体化石的溯流搬运,海岸带低pH环境下钙质壳体的溶解作用,氯化钠型盐湖中有孔虫的产出以及河床摆动造成与海侵、海退相似的化石序列,都可能引起微体化石在海侵研究中错误解释和应用。本文通过澳大利亚和中国的实例进行论证,并提出今后研究工作的建议。     

南海北部末次冰消期及快速气候回返事件

对南海北部陆坡Ｖ３６－０６－３柱状样上部进行高分辨率地层学研究、浮游有孔虫和稳定同位素分析，并运用转换函数法和加权平均法求取约１５０００—７０００ａＢ．Ｐ．的末次冰消期中古环境参数的变化。结果发现约１０５００—７９００ａＢ．Ｐ．期间有一次强烈的古气候回返事件，与新仙女木期相对应，但持续时间较长。在此期间，冬季平均表层水温下降２．７℃，溶解氧与磷酸盐磷含量增高，古盐度与碳酸盐溶解度略有上升，黑潮水的影响大为降低，推测系海面上升过程中爪哇海海水进入南海所致。     

南海北部末次冰消期及快速气候回返事件

对南海北部陆坡Ｖ３６－０６－３柱状样上部进行高分辨率地层学研究、浮游有孔虫和稳定同位素分析，并运用转换函数法和加权平均法求取约１５０００—７０００ａＢ．Ｐ．的末次冰消期中古环境参数的变化。结果发现约１０５００—７９００ａＢ．Ｐ．期间有一次强烈的古气候回返事件，与新仙女木期相对应，但持续时间较长。在此期间，冬季平均表层水温下降２．７℃，溶解氧与磷酸盐磷含量增高，古盐度与碳酸盐溶解度略有上升，黑潮水的影响大为降低，推测系海面上升过程中爪哇海海水进入南海所致。     

南海西部晚更新世以来表层海水剩余氧同位素及盐度变化

根据南海西部越南岸外MD05-2901岩芯成对的有孔虫壳体氧同位素和U3k7′-SST计算出过去450ka以来南海西部表层海水氧同位素～δ¹⁸O_water和盐度S_water变化记录,二者的变化范围在冰期分别为0.2‰～0.6‰和34.2‰～35.1‰,间冰期分别为-0.6‰～0和32.4‰～33.7‰,表现为冰期高、间冰期低的特征。相反扣除冰盖影响后的剩余氧同位素～δ¹⁸O_resid和剩余盐度S_resid,呈现冰期低、间冰期高的特征,在冰期分别平均为-0.5‰和32.7‰,间冰期分别平均为-0.3‰和33.1‰。研究认为该现象主要与赤道太平洋海域冰期纵向的ITCZ平均位置偏南导致的降雨增加有关,同时冰期温度低蒸发弱,间冰期温度高蒸发强以及冰期海平面下降,南海地理格局的改变、河流输入增多等因素也有一定影响。     

从40万年长偏心率周期看米兰科维奇理论

新生代至前寒武纪海相和陆相沉积记录显示,405 ka长偏心率周期贯穿整个地质历史,从陆地季风降水到大洋碳循环都有表现,是地球表层系统中水循环和碳循环的基本节拍,不仅可用作基本的地质计时单位,还是低纬过程的重要特征之一.现有的地质记录表明405 ka长偏心率周期存在被隐匿或被破坏的现象,火山岩浆活动释放CO₂、生物圈重大变革和冰盖增大事件等都可以造成405 ka长偏心率周期的隐匿,这为揭示地球表层系统重大变化提供了一个新的切入点.通过研究405 ka长偏心率周期的演变特征和破坏机制,可望穿越暖室和冰室期,建立起完整的气候演变理论.最后对我国开展天文旋回研究力争走到世界前列提出了建议和展望.      

南海——我国深海研究的突破口

近两年来,海内外和海峡两岸的中国科学家围绕深海研究进行反复研讨,一致认为南海是我国深海研究的首选,并初步形成了“南海深部计划”的研究方案,提出以“构建边缘海的生命史”为主题,从洋壳深海盆的演化、深海沉积、生物地球化学过程三方面开展研究的建议方案。他们建议：利用现代技术重新测定南海磁异常条带,争取钻探大洋壳,系统研究火山链;观测现代深部海流和海底沉积过程,从深海沉积中提取边缘海盆演化的信息;认识海底溢出流体与井下流体的分布与影响,揭示微型生物在深海碳循环中的作用。争取在科学和技术全国性合作的基础上,在南海实现我国深海研究的突破。     

大洋"生物泵"--海洋浮游植物生物标志物

海洋浮游植物承担着目前地球上光合作用的一半任务,对大气CO2浓度和全球碳循环有重要的调控作用。从“铁假说”到“硅假说”,反映了大洋“生物泵”尤其是海洋中的不同浮游植物群对过去气候变化的响应和反馈。根据不同浮游植物产生的特定生物标志物可以定量再造海洋浮游植物群落组成,如岩藻黄素、CO2甾醇主要来自硅藻;而19’-己酰氧基岩藻黄素、C37—C39烯酮主要来自定鞭藻中的颗石藻。许多研究已成功利用现代环境中的色素和古代沉积物中的类脂物质,恢复水体中不同浮游植物的生物量和群落组成。虽然目前海洋浮游植物与生物标志物之间的关系还有待完善,但与其他方法相比仍不失为一种快速、有效的方法,在未来的海洋环境检测和古气候研究领域有重要的应用前景。     

探索南海深部的回顾与展望

中国深海的科学探索,起步晚、发展快,仅二十多年的努力,就使南海成为深海研究的国际前沿.深海科学钻探、长期观测系统和海底深潜,被喻为探索深海的"三深"技术,三者为南海深部探索提供了技术基础,取得了突破性的科学进展.南海五次国际大洋钻探航次,在三四千米的深海区取芯上万米,其中6处钻进了岩浆岩基底,揭示了南海成因的奥秘.通过南海深海沉积的研究,发现了低纬区水、碳循环直接响应地球轨道变化的证据,从而提出了低纬过程也能驱动全球气候变化的新认识,质疑北极冰盖决定一切的传统观点.通过洋陆过渡带基底的探索,发现作为西太平洋俯冲带产生的边缘海盆地,南海有着岩浆活动始终活跃、岩石圈破裂迅速等一系列特色,从而提出板缘张裂的新概念,质疑大西洋模式作为海盆成因机制的普适性,指出"南海不是小大西洋".通过深水锚系长期观测和深潜技术的应用,发现了南海深海环流的气旋式结构特征,实现了深海沉积的等深流和浊流搬运的现场观测,取得了微型生物碳泵和碳、氮耦合等生物地球化学方面的研究突破,发现了南海的锰结核、古热液口和深海冷水珊瑚林.南海的深海探索历来具有国际规模与重要影响,而近二十年来的研究进展主要是在中国科学家主持下取得,其中国家自然科学基金委员会为期八年的"南海深部过程演变"研究计划(2011～2018),在科学探索中起了核心作用.