分类：建筑论文 时间：2022-03-19 热度：646
摘要 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.
关键词 深海, 边缘海, 大洋钻探, 气候变化, 海底观测
1 引言
深海探索, 中国算得上是个“后起之秀”: 起步虽晚发展快, 突出的科学进展就在南海. 南海最大水深五千多米, 是中国岸外主要的深海盆. 经过二十多年的努力, 南海已经成为新世纪深海研究的国际热点.
油气勘探, 是探索海底最大的经济动力. 20世纪末期世界海洋经济的重心下移, 油气开发跃居海洋经济的首位, 现在世界30%的石油产自各大海区, 南海就是其中之一. 但是, 南海石油开采中中国不占优势. 截至 2012年底, 南海石油钻井将近五千口, 其中中国打的不足1/3.
原因也是起步晚. 最早开采南海石油的是远在西半球的欧洲人, 婆罗洲岛上的石油一百多年前已经发现; 而中国的海洋石油基本上是改革开放以后的事. 莺歌海的海上油苗, 尽管1957年就被海南岛渔民发现, 而开始钻探却要再等20年(中国地质调查局, 2000), 至于南海北部深水油气勘探的突破, 更是半世纪以后的事(朱伟林等, 2012).
地球物理调查是石油勘探的基础. 20世纪70年代, 美国基金委推行“国际大洋勘探十年”, 派船到包括南海在内的东亚海域进行地球物理调查, 为认识西太平洋边缘海深海地质奠定了基础, 而当时沉浸在“文革” 浩劫中的中国学术界, 对此毫无所闻. 至于深海科学随着板块学说传到中国, 那已经是70年代末期, 在大洋钻探开始十年之后. 当时中国的学术界, 虽然还在关起门来搞“大地构造学派争鸣”, 却已经开始听到海外的声音, 深海钻探带来地学革命的消息不胫而走.
1985年大洋钻探新阶段开始, 经过许靖华等华裔科学家的介绍, 中国地学界成立了大洋钻探委员会, 向领导建议以年付50万美金的代价加入国际大洋钻探计划. 但是处在改革开放初期的中国, 这笔外汇无异于天文数字, 根本缺乏可行性. 中国参加大洋钻探还要再等十来年, 那就是90年代的晚期(丁仲礼, 2018).
2 深海记录与气候演变
地球科学的发展要求拓宽视野. 中国地学前辈早在60年前就提出了“上天, 入地, 下海”的口号(尹赞勋, 1959), 而大洋钻探既“下海”又“入地”, 最有力地响应了这号召. 半个世纪来, 大洋钻探在世界各深海大洋钻井四千多口, 取芯四十多万米, 从根本上改变了人类对地球的认识, 扭转了地球科学发展的轨迹, 成为引领地球科学的旗舰、深海探索的航母(刘志飞等, 2018). 经过学术界的呼吁和领导的批准, 中国于1998 年正式加入国际大洋钻探计划. 二十年来南海深部探索的迅速发展, 很大程度上得力于大洋钻探.
世界上有二十多个国家参与大洋钻探, 各国的收获大不相同. 各国上船参加大洋钻探航次的人数, 取决于交付费用的多少. 当时中国作为参与成员国参加, 年付50万美金相当于承担其总预算的1/40, 每个航次可以派一位科学家上船. 但是派出个别科学家上船参加航次, 对于全国海洋界的影响相当有限; 只有在中国岸外实施大洋钻探, 才能产生影响学科发展的效果, 而到哪里进行钻探, 是根据各国科学家提交建议书, 由国际学术委员会投票择优选定的. 幸好在获准参加大洋钻探之前, 中国学术界已经开始递交航次建议书, 其中一份“东亚季风演变在南海的记录”的建议书, 在 1997年大洋钻探学术委员会的全球评比中以第一名胜出, 获得尽快实施的机会. 于是, 1999年2~4月, “决心号”大洋钻探船在南海进行ODP184航次, 实现了中国海大洋钻探零的突破, 标志着中国抢在20世纪落幕之前, 进入了深海地质的大门.
ODP184是由中国科学家为主提议和主持实施的航次, 两个月从南沙到东沙, 在6个深水站位取上岩芯 5500m(图1), 取得了3200多万年来的深海沉积纪录, 建立起西太平洋区最佳深海地层剖面, 并首次探讨了两千多万年以来气候周期性的演变; 发现大洋碳循环的长周期, 揭示了气候周期演变中热带驱动的作用, 提出低纬和高纬、水循环和碳循环相互结合、短周期和长周期相互叠加控制气候演变的新认识(Wang等, 2000; 汪品先等, 2003). 尤其是东亚古季风研究, 从地球化学、矿物、微体古生物和孢粉分析等不同角度, 涌现出一批季风和暖池演变的高分辨率深海记录(如 Jia等, 2003; Li等, 2004; Sun等, 2003; Jian等, 2006; Wan 等, 2006, 2007; Tian等, 2004, 2006; Wei等, 2006).
大洋钻探的成功, 将中国推上了国际古海洋学研究的前沿, 标志之一是2007年在上海举行的国际第9 届古海洋学大会, 这是以深海研究为基础的古海洋学全球大检阅, 第一次由发展中国家主持举办. 然而, 更为大量的古海洋学研究, 是用深海沉积柱状样分析晚第四纪的历史. 从1990~2018年间, 德国的“太阳号”和法国“Marion Dufresne”号调查船来南海执行15个航次, 取上200多个沉积柱状样(图1), 中国科学界承担了其中大部分的分析研究工作, 极大地丰富了南海古海洋学的认识(Wang等, 2014a).
回顾南海的古海洋学研究, 起步于微体古生物分析(Wang等, 1986). 三十多年前中国的实验室缺乏设备, 而只需要一台显微镜的微体化石分析, 就成了进军深海科学的切入点. 进入新世纪, 中国实验设备水平快速提升, 从高精度的同位素分析到岩芯的元素扫描, 已经是应有尽有. 经过多年的积累和国际合作, 中国的古海洋学逐渐显示出自己的特色, 集中表现在对于气候演变中低纬过程作用的新认识.
地球轨道几何形态的变化驱动冰期旋回, 是20世纪地球科学的重大发现, 也是地质历史研究定量化的突破. 其核心在于用65°N六月份的辐射量变化, 成功地解释了第四纪冰期旋回的周期性, 而冰盖变化又通过北大西洋深层水带动“大洋传送带”, 引领着全球的气候变化. 深海沉积中有孔虫化石的氧同位素δ 18O, 为冰期旋回10万年周期提供了最有力的证据(Imbrie等, 1993). 然而近二十年来发现季风区的洞穴石笋, 记录的气候变化主要是2万年的岁差周期, 并不是10万年的冰期旋回, 说明以季风为代表的水文循环, 直接受低纬太阳辐射驱动, 毋需等待冰盖的信息(Cheng等, 2016).
一项意外的发现, 是这类以2万年周期为主的曲线也在南海出现. 分析海洋沉积中浮游有孔虫和底栖有孔虫的壳体氧同位素, 可以分别获得表层和底层海水的δ 18O曲线. 两者的变化通常一致, 因此常被用作地层对比的依据. 但是在南海, 有趣地发现两者并不一致: 底层水δ 18O的变化和全球传统曲线一致(图2b), 而上层水δ 18O却显示出强烈的2万年信号, 反映东亚季风的岁差周期(图2a). 不仅南海, 其他季风影响下的低纬海区, 这类曲线也有出现, 只是分布范围尚不清楚(Wang等, 2016).
这种2万年为主的气候周期, 也在其他化学和微体古生物记录中出现, 反映热带化学风化和生产力的周期性(如Dang等, 2015; Beaufort等, 2001). 因此, 晚第四纪气候变化的轨道驱动有两类: 以10万年为主周期的一类反映冰盖变化为代表的高纬过程, 以2万年周期为主的一类反映全球季风变化为代表的低纬过程, 地球表层系统的气侯变化并不都是由冰盖决定(Wang 等, 2017).
其实, 地球历史上极地发育大冰盖的时期只是少数, 在冰盖形成之前的“暖室期”也有气候变化, 变化的驱动只能来自低纬, 表现在轨道尺度上就是2万年的岁差和10万、40万年的偏心率周期. 最好的例子是白垩纪晚期, 早在20多年前就发现从地中海到南大西洋, 碳酸盐地层的岩性就普遍显示岁差和偏心率周期(Herbert, 1997). 同位素标志δ 18O和δ 13C分别对应水循环和碳循环, 由于地球表层系统里水的循环比碳循环快得多, 碳在大洋里的滞留时间长达 13~14万年, 超越单个冰期旋回的长度, 因此δ 18O记录里岁差周期突出, 而δ 13C记录最突出的是40万年的偏心率长周期, 当它在南海发现时引起了广泛的注意 (Wang等, 2003).
ODP184航次的一大发现, 是近百万年来的δ 13C记录里, 有着50万年的长周期, 而周期起点的碳同位素重值事件(δ 13Cmax)之后, 就接着发生冰期旋回模式转换的重大事件, 100万年前δ 13Cmax-Ⅲ后是90万年前的“中更新世革命(MPR)”或“中更新世过渡(MPT)”, 50年前 δ 13Cmax-Ⅱ之后是40万年前的“中布容事件(MBE)“(图3). 全球资料的比较表明, 南海发现的长周期是世界各大洋浮游和底栖有孔虫记录的共同现象, 是全球规模的碳循环事件发生在冰盖周期的重大变化之前(Wang等, 2003, 2004).
进一步的分析, 发现海洋碳循环的40万年偏心率长周期, 贯穿着至少两亿年来的地质历史, 属于海洋碳储库变化的基本节奏, 被喻为地球表层系统的“心跳”(Pälike等, 2006). 纵观近五百万年来南海和各大洋的δ 13C记录, 不难看出上新世的40万年周期相当稳定, 每次δ 13Cmax对应偏心率最低值(图4的黄线). 而在最近 的160万年期间, δ 13Cmax的发生推迟到50万年, 与偏心率最低值脱钩, 但是每次都带来了冰盖的重大变化(图 4, Wang等, 2010, 2014b).
那么是什么机制造成大洋碳储库变化的长周期, 又是什么机制破坏、干扰了这种周期? 现在看来, 是全球季风驱动的低纬区水循环, 导致陆地向海洋输送营养元素的变化, 影响海洋微生物泵和生物泵的相对权重, 引起海洋颗粒有机碳和溶解有机碳的比例变化 (POC/DOC), 造成全大洋出现的δ 13C长周期, 称为碳储库的“溶解有机碳假说”(Wang等, 2014b; Ma等, 2014). 但是随着极地冰盖的发育, 距今160万年前南大洋深部的大洋碳储库最终形成, 从此洋流改组就能够改变大洋的δ 13C, 足以遏制碳储库的偏心率长周期. 而大洋碳储库的改变, 反过来又会影响北极冰盖消长的规模, 造成上述更新世δ 13Cmax和冰期旋回模式转换的关系. 类似的现象, 在中新世也曾出现. 虽然当时只有南极一个冰盖, 在冰盖急剧增长期间δ 13C的40万年长周期也被遏制(Tian等, 2014).
南海深海记录中, 无论是水循环的2万年岁差还是碳储库的40万年长周期, 都说明低纬过程具有全球影响. 19世纪和20世纪之交现代古气候学的产生, 是从阿尔卑斯冰期旋回开始的, 早期的研究又受方法的误导, 错以为冰期旋回中热带海洋的水温保持稳定(CLIMAP, 1976), 因而总以为气候变化的源头在高纬区, 低纬区的气候变化只是对高纬过程的响应.
基础. 地球上气候变化的能量主要来自太阳辐射, 而接受太阳辐射量的主要是低纬区. 水的三项转换是气候系统运行的载体, 高、低纬区的气候系统各有不稳定区, 高纬过程靠的是水和冰的转换, 低纬过程靠的是水和汽的转换, 而水的气/液态转换的能量是固/液态转换的7倍(图5), 因此一般情况下低纬过程才是气候系统的主角.
再者, 地质历史上没有冰盖的暖室期占2/3以上, 两极发育冰盖只是最近的二三百万年, 因此低纬驱动才是气候演变的主流. 有人形象地把气候变化比喻为 “CO2和水的双人舞, 而冰盖是位重要的客串演员”(Pierrehumbert, 2002). 当前的第四纪正是“客串演员”上场的一幕, 当我们在为客串演员喝彩的时候, 不应该忽略了双人舞的主角.
南海的深海研究提出了低纬驱动的命题, 只不过是在长征路上迈出了第一步. 不像高纬的冰盖, 低纬水文循环中的水汽不但肉眼看不见, 也难以进入地质记录, 至少现在还没有替代性标志, 更何况云物理在现代大气科学里也是待解之谜. 但是, 难点的所在正是科学创新的突破口, 正在召唤着有志之士更大的投入.
3 岩石基底与海盆成因
深海的海底探索分大类: 一类是研究沉积层, 取芯比较容易, 可以提供古环境、古气候的信息; 另一类研究岩石基底, 技术难度要大得多, 不但岩石硬而且深度大, 钻探很不容易, 但是只有钻探基底才能得到海盆演化的地质证据. 经过1999年大洋钻探洗礼的中国海洋地质界, 近年来向探索南海形成机理的地球动力学进军, 依靠的一项关键技术还是大洋钻探.
2014年2月, 大洋钻探进入了“国际大洋发现计划” 的新阶段, 首航仪式就在香港举行, “决心号”从这里起航, 执行IODP 349航次(图5; 表1), 目的是在水深四千米上下的深海盆, 第一次取上原位的洋壳确定南海形成的年龄. 原先根据海底磁异常调查, 在20世纪80年代初就得出南海洋壳形成于32~17Ma, 但这是东部次海盆的年龄, 对于西部次海盆年龄的估计却相差悬殊, 从27~16Ma(Briais等, 1993)到42~35Ma(姚伯初等, 1994)不等. 这次大洋钻探取得的洋壳玄武岩测年结果, 发现虽然东、西两个次海盆扩张结束的时间相似 (15~16Ma), 扩张开始却是东部在先: 东部次盆形成于渐新世初(34Ma), 西部次海盆在中新世初(23Ma)(Li等,2014, 2015).
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然而更大的挑战还在前头. 揭示南海的成因, 不但要获得海盆打开的年龄和速率, 更需要知道打开的机制: 为什么原先的大陆, 会裂开变成深海盆? 这就要到今天大陆地壳和大洋地壳的连接带去钻探, 取得当年大陆岩石圈张裂的证据. 于是在2017年南海连续4个月执行了两个大洋钻探航次: IODP 367和368(图6; 表 1). 其中最难打的是U1503井: 在水深将近3900m的深海底钻进1700m, 取回百余米玄武岩. 这口井从2014年以来的两个航次都曾经打过, 都因为技术事故半途而废. 2018年又组织了IODP 368X三个星期的航次, 终于成功, 成为南海大洋钻探最深的井, 钻具总长逾 5600m, 在大洋钻探半世纪的历史上排第五位(Childress等, 2019).
从1999年的184航次开始, 南海20年来实现了五个航次, 总共钻探17个站位, 其中11处水深超过3000米, 取回岩芯近万米, 有6处钻进了岩浆岩基底. 可贵的是这些航次, 都是在中国科学家的建议和主持下实施的, 通过钻探取得了南海形成演化历史的新认识, 使南海成为研究程度最好的边缘海盆地.
更为有趣的是大洋钻探的结果. IODP 367/368航次的主题就是“钻探南海裂谷边缘, 检验大陆破裂时岩石圈变薄的假说”(Sun等, 2016). 具体说, 就是在南海检验海盆张裂大西洋模式的普适性. 大陆张裂变海盆, 是地球科学顶级的大题目, 而大西洋被动大陆边缘就是研究的基地. 大洋钻探50年来, 用了22个航次进行探索, 成功地分辨出富岩浆和贫岩浆(或称火山型和非火山型)两大类大陆边缘, 西欧岸外的伊比利亚和北美的纽芬兰共轭边缘, 就是贫岩浆型被动大陆边缘破裂的典型, 不靠岩浆活动就能使大陆破裂, 关键的机制在于大陆岩石圈拉薄和地幔橄榄岩的蛇纹岩化(Huismans和Beaumont, 2011). 这种被动边缘的模型广泛用于世界各地, 然而经过大洋钻探证实的其实只有大西洋一例, 因此南海被选作验证的对象.
尽管位于太平洋活动边缘, 南海海底磁异常显示有共轭边缘(Taylor和Karner, 1983), 地震剖面中又缺乏火山型的特点, 因此20世纪90年代以来普遍被视为 “非火山型大陆边缘”的又一实例. 由于其时空尺度都要比大西洋小一个量级, 应当是检验大西洋模式的理想选择, 而检验的焦点在于蛇纹岩化的地幔岩. 但是出乎意料, 大洋钻探的结果并不支持原先的假说, 南海北部洋陆过渡带的基底并没有发现蛇纹岩化的地幔, 钻到的是洋中脊型的玄武岩(图7; Sun等, 2018; Larsen等, 2018). 既然检验没有通过, 南海的形成机制就需要另做考虑, 不能继续套用大西洋模式. 从多年来地球物理调查、石油地质勘探和大洋钻探的结果看, 南海深海盆的形成过程, 具有一系列不同于大西洋贫岩浆型大陆破裂的特征.
(1) 岩浆作用自始至终高度活跃, 大洋钻探揭示出玄武岩基底之上还有多层火山和火山碎屑岩, 中新世晚期形成大量海山链, 最近又在海山上发现有晚更新世的热液矿, 在地震剖面中还可以看出有大量的岩浆底侵作用, 可见南海的岩浆活动规模远远超出以前的想像(Sun等, 2019).
(2) 南海在大陆岩石圈破裂之初就有大量洋中脊型的玄武岩溢出, 说明破裂过程十分迅速, 完全不像大西洋伊比利亚边缘那样需要蛇纹岩化的长期削蚀过程(Larsen等, 2018).
(3) 岩浆作用始终活跃、大陆岩石圈容易破裂, 都反映出南海所在的西太平洋俯冲带的特色, 地球物理的模型试验表明: 板片俯冲就可以造成类似的岩浆上涌(Lin等, 2019).
以上特征明确地将南海与伊比利亚型区别开来, 一句话: “南海不是小大西洋”(Wang等, 2019). 与此相应, 南海的成因需要重新探讨. 流行多年的南海成因假说分两类: 构造逃逸说认为印度支那半岛沿红河断裂的逃逸, 导致南海张裂(Tapponnier等, 1982), 可见动力在西边(图8a); 板块俯冲说认为是南沙与婆罗洲之间的古南海, 靠着向婆罗洲-巴拉望的俯冲, 拉开了南海盆地(图8b; Hall, 1996). 但是, 大洋钻探和区域地质新资料, 却表明南海最大的可能是沿着原有的走滑断层, 南海从东边打开后扩张脊向西推进, 以致最晚形成的 西南次海盆成尖角状(图8c; Huang等, 2019), 与地球物理的推断一致(李家彪等, 2012), 而东边最早形成的洋壳已经沿马尼拉海沟俯冲消隐(Zhao等, 2019). 南海北部的大洋钻探, 还发现了始新世深海相地层的存在, 说明现在的南海打开之前就曾经有深海发育(Jian等, 2019). 尽管目前的证据尚嫌零星, 但很可能中生代晚期到新生代初期, 在现在南海北部的地方是否有过大型的古中国海, 向东连接现在东海的残留海盆, 向西与当时的特底斯洋连通.——论文作者：汪品先* , 翦知湣
文章名称：探索南海深部的回顾与展望
