深海沉积作用与过去全球变化研究

这是一个极其庞大的，又是非常重要的研究问题。问题提出的直接原因是地球环境的日趋恶化，对人类社会造成严重威胁。但要搞清产生的原因，采取有效对策，仅从地球的某一个方面去研究都不能解决问题，必须从地球环境这个整体上来寻求解决的方法，从而产生了地球系统科学的概念，也就是把大气圈、水圈、生物圈、岩石圈联系起来，作为一个整体来进行全球变化的研究。研究这些层圈和人类活动相互作用，相互影响的全过程，以解决人类面临重大环境和生态问题的实际需要。对地球科学来说从此要突破“固体地球”这个研究领地，参与各层圈间的作用研究，从而体现了地球科学本身发展的需要。
全球变化的研究已成为国际性的重大研究问题，是国际科学的前沿研究领域，已经实施了三个彼此独立又相互联系的重大国际研究计划：世界气候计划（WCRP），主要研究与全球气候有关的物理过程；国际地圈-生物圈计划（IGBP），主要研究全球环境变化有关的生物地球化学过程及其与物理过程的相互作用；全球环境变化的人类因素研究计划（HDP），主要研究人与环境的关系。
全球变化研究的发展趋势是：在地球系统基本概念的基础上，开展多学科的地球环境的集成研究，发展较为完整的包括地球系统各组成部分（气、水、土［石］、生）之间相互作用和物理、化学和生物过程相互作用的地球系统的模式；建成完整的全球监测系统；建立起具有预测能力的全球和区域的环境模式；对重大环境变化问题提出科学对策。
中国的全球变化研究已经在古环境、古气候研究，灾害事件的预测与防治，全球变化适应研究，驱动力研究，痕量气体监测和机理研究，极地研究等方面进行了大量工作。对于今后的研究方向，国际地圈-生物圈计划中国全国委员会主席陈宜瑜在最近召开的工作会议上提出了以下主要内容：全球变化与可持续发展适应研究；全球变化与国家安全研究；地球系统演化关键过程和机理研究，主要包括：过去1万年、2000年时间尺度上人与环境变化作用过程及关键事件成因研究，过去300年土地利用和土地覆盖变化过程和驱动力问题，大气中痕量气体的温室效应问题，气溶胶的“阳伞效应”，海洋中的物理过程和生物地球化学过程，生物在全球水循环中的作用；自然系统和社会系统相互作用研究；预测研究；数据收集和共享。
虽然在全球变化研究中优先研究的是现代几十年到几百年时间尺度内的主要相互作用和重要全球环境变化，但当代环境是过去环境演化的结果，有一个演变的客观规律及趋势，这正是可以被人类掌握并用以预测未来的钥匙。因此，对地学界来说，一方面与气象、生物、海洋等学科结合研究当前和近期发生在地表的环境问题，并对于表生的地质作用研究给以必要的加强外，同时要通过对冰心、深海沉积、湖泊沉积、岩溶沉积、黄土、古生物、典型地层剖面成分、同位素、古地磁等的研究，追溯1万年、10万年、20万年、200万年以及更古老的地质年代环境的地质记录，研究其演变的规律，并在此基础上预测未来，为政府决策提供科学依据。

近几年来，人类面对酸雨蔓延，暴雨、干旱、泥石流、雪崩、地震等灾难性气候和自然现象频繁发生，物种绝灭，厄尔尼诺现象加剧，越来越恶化的自然环境威胁着人类的生存和发展。早在1972年，世界科学家们就已经组织起来，向世界宣布保护我们赖以生存的地球环境；进入20世纪80年代以后，特别是80年代后期，世界灾难性天气经常发生，人类多种新的疾病蔓延，动、植物物种绝灭的加速，热带雨林的持续破坏，地球自然环境的保护日益突出。现在全球环境问题已经引起了全人类的关注。为了正确预报未来的全球环境变化，就必须准确的掌握全球环境的变化规律。
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方念乔

海洋约占地球表面积的71%，是地球上最大的沉积场所。海洋沉积物数量大、种类多。现代海域、大陆上绝大部分地区都分布有地史时期的海洋沉积物。研究海洋的地质作用、沉积过程和地层记录，对了解地球发展史、探讨表层系统演化和开发海底资源非常重要。

海洋分为浅海和深海两类基本环境，通常其界限标定为水下200m左右。浅海区通常分布于大陆及岛屿周边，分布范围视陆（岛）架延伸的幅度而定。该区通常接纳大量陆源剥蚀物质，水动力条件和生物发育条件非常复杂，区域构造、海底形貌乃至海平面变化均可能对沉积环境产生重大影响，使得浅海沉积作用和沉积物的类型呈多样化的态势。由于区域及地方因素对沉积记录的干扰过于随机和复杂，浅海区一般不是过去全球变化研究的理想场所。

本讲的内容以深海沉积作用为主。深海区位于陆（岛）缘坡折带（约为-200m）之下，通常又可进一步分为半深海区（bathyal zone，-200～-2000m）和深海区（abyssal zone，小于-2000m）。半深海区一般属于陆架向深海盆地（-4000～-5000m）的过渡带特别是上陆坡或边缘海盆的周边地带，那里发生的沉积作用是深海沉积作用的一部分。深海区在海底形貌特征上是一个更为广泛的“集合体”。它通常包括下陆坡、深海平原、深海丘陵、洋脊坡麓、深海槽、深海沟等，占据了海底最广阔的面积。水深大于6000m的地区多位于洋壳沉降特别强烈和发生俯冲的地带即海沟附近，有的科学家将其命名为海渊区（hyperabyssal zone）。那里的物理化学条件确实具有很大的特殊性，但沉积作用一般并不发育，而且强溶解条件还可极大地破坏沉积记录。因此，我们不将其从深海沉积作用的概念剥离另行讨论。

1 深海沉积物的基本特征和分布

深海沉积物分布于深海区的海底，主要包括陆源砂泥、火山灰、生物软泥、远洋粘土和自生矿物。它们数量大、类型丰富、分布广泛，是区域和全球地质过程信号的优质载体。陆源物质分布于大陆边缘的深海区、半深海区；火山灰及火山碎屑来源于海底和岛弧的火山活动，它们没有独立的分布区，但常作为夹层或混生物存在于活动大陆边缘、无震海岭和洋底高原及其周边地区的沉积序列之中；生物软泥（biogenic ooze）分为钙质软泥和硅质软泥。钙质软泥的主要组分为浮游有孔虫和颗石藻，其分布受CCD（碳酸盐补偿深度）的控制，见于大西洋、西印度洋和南太平洋的广大地区。硅质软泥的主要组分为放射虫和硅藻，由于海水中硅的严重不饱和，生物硅的沉积记录被视为海洋高生产力的典型代表。其中，硅藻软泥主要见于南大洋和北太平洋的高纬地带，放射虫软泥则分布于赤道东太平洋；远洋粘土（pelagic clay）又称红粘土，主要由风尘和宇宙尘所组成，沉积速率极低，不含生物碎屑，分布于北太平洋及印度洋、大西洋的局部地区；海底自生矿物沉积是一个相当普遍的现象，如海绿石、黄铁矿乃至重晶石、硬石膏等，常依环境的差异与其他类型的沉积物混生。能够形成规模且具有明显经济价值的，首推多金属铁锰结核和富钴结壳。前者分布于世界各大洋域，尤以东太平洋海盆最为发育，后者则主要见于西太平洋平顶海山群。在特殊的边缘海区或陆间海区，还有深海腐殖泥的出现。

2 深海沉积作用的基本类型

深海沉积作用包含5种基本类型，每种类型都具有特定的构造环境指示意义。但就稳定性和放大性而言，保存于大陆边缘、一定程度上与浊积作用和等深积作用相关的半远洋沉积记录可能最适用于高分辨率全球变化历史的研究。

2.1 浊积作用

浊流是一种靠重力沿海底斜坡呈席状向下流动的高密度非牛顿流体，具有极强大的搬运力。在海浪、潮流、海底地震、海退等因素诱发下，原先聚积在河口三角洲和大陆架外缘的砂泥质液化物沿陆坡和深海峡谷向下运移，通常抵达位于深水区的陆隆重新堆积，有时甚至可达深海平原。浊积作用是一种典型的“自旋回”营力，它所构建的沉积体呈扇形展布，扇轴与源区的岸线高角度相交。浊积作用通常是大陆边缘深水区最活跃的沉积因素，它的发育程度与构造活动、海平面升降等重大地史事件关系密切。

2.2等深积作用

等深积作用的动力源自等深流。等深流是一种符合牛顿流体基本特征的牵引流，与浊流存在本质上的不同。等深流是在温度、含盐度条件控制下沿等深线推进的大型水团，具有机械侵蚀作用和化学侵蚀作用，当流速下降时也可形成物质堆积。当代等深流最强劲的动力源区分别位于威德尔海（AABW）和挪威海（NADW），是全球温盐传输体系和水体垂向循环的重要环节。由于等深流的流向平行大陆岸线，与浊流营力矢量亦呈高角度相交的关系。

2.3 远洋/半远洋沉积作用（pelagic/hemi-pelagic sedimentation）

远洋/半远洋沉积作用的概念不体现“深度”的意义。这一点常常容易引起误解。

远洋沉积作用的基本特点是：①组分以生物颗粒或极细的粘土物质为主；②沉积速率通常低于2cm/ka；③沉积方式表现为物质“沿水柱垂直降落”。远洋沉积作用通常远离大陆剥蚀区，但并不意味必须发生于深水区：白垩纪北美大陆和西欧盆地的白垩沉积即是海泛条件下典型的浅海型远洋沉积。远洋沉积是一种非常稳定的沉积类型，适宜进行古海洋学研究，但缺点在于沉积速率过低，很难达到高分辨率的效果。半远洋沉积保持了远洋沉积“沿水柱垂直降落”的基本特色，沉积记录较少受到干扰破坏，但组分中陆源细粉砂质物质增多，生物碎屑和粘土物质比例下降，沉积速率也有明显提高。半远洋沉积作用通常与浊积作用、等深积作用关系密切，基本前提是后二者能量衰减后在水体中形成厚度达数百米乃至上千米的雾状层（nephloid layer），为沉积区提供了丰厚的物质来源。

2.4 海底自生矿物沉积作用

海水与沉积物间的元素交换和矿物结晶作用可在不同的海底环境中形成新的自生矿物，它们也代表某种特定的深海沉积作用。大洋盆地中的锰结核、海山上的富钴结壳、多种环境下的自生粘土矿物以及沉积物中常见的黄铁矿、重晶石、海绿石、磷灰石等，都是自生条件下的产物。

2.5 冰筏携运沉积作用（ice-rafted sedimentation）

由于冰的融化，造成负载物坠海所形成的沉积。在北冰洋和南极洲周围的海域中大量存在，距离其物源区常在数百千米以上。地史上冰消期内漂浮在海面上的海冰常将大量砂砾级的碎屑物质带入远洋，形成与生源软泥所代表的环境极不谐调的事件记录。

各类深海沉积记录均具有古海洋学研究意义，其中，半远洋记录因兼有稳定和沉积速率较高的特点，尤其适宜用做高分辨率研究的对象。

3 深海氧同位素记录及其揭示的环境变化

远洋/半远洋沉积记录中钙质生物（浮游有孔虫）壳体的¹⁸O/¹⁶O是海水物理分馏的产物，可以反映全球冰量及表层水温的变化。

标准化氧同位素曲线建立在各大洋（海）域δ¹⁸O曲线的对比之上，并且经过地轨参数调谐，是海洋过去全球变化研究的年代学基础。

4 国际海洋全球变化研究

国际海洋科学全球变化研究是国际全球变化研究的重要组成部分。它涉及自然科学和社会科学诸多领域，经过近20年的发展，已形成了以大型国际研究计划为框架，集成各类相关学科的复杂性科学。其研究的时空范围之广，动员人数之多，投资规模之大，在科学研究史上前无古人，加上跨学科、跨部门、国际化的研究特点，成为名副其实的大科学计划。

除享有盛名的IODP之外，以最近300ka历史为主要目标的“国际海洋全球变化研究（IMAGES）”也是全球变化领域内的著名计划。开发多项代用指标（proxies），重点开展海洋热传输、碳循环和海陆对比的研究，是IMAGES的主要任务。

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