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    “南海深海过程演变”重大研究计划成功再造南海“生命史” 树立全球边缘海研究典范

    日期 2021-02-23   来源:地球科学部 科学传播与成果转化中心   作者:汪品先 翦知湣 刘志飞 谢昕  【 】   【打印】   【关闭

    图1:南海深海盆地形图

      南海最深5500 m,是我国岸外最重要的深海区。然而南海深海的研究, 是在1970-1980年代由欧美船只开始的,南海成因等的基本认识, 也主要是由欧美学者提出。这种情况最近发生了变化:由国家自然科学基金委员会(以下简称自然科学基金委)资助的重大研究计划的胜利完成,为我国夺回了南海深海研究的科学主导权。

      2011年,自然科学基金委启动了“南海深海过程演变”重大研究计划(以下简称“南海深部计划”),经过十年的努力,圆满完成,在2020年底的结束评估会议上获评“优秀”。专家们认为,该项目“实现了南海深海研究的里程碑式突破”,“标志着我国海洋科学在国际竞争中的重要进步”。 

      一、超额完成原定计划,再造南海“生命史”

      “南海深部计划”有全国32个单位700多人次参加研究,完成63个研究项目,累计共获自然科学基金委2.05亿元资助,是我国深海领域迄今规模最大的基础研究计划。大计划启动的翌年,“十八大”提出了“建设海洋强国”的国策,因此各部委对深海科技的支持空前加强。“南海深部计划”正是乘着这股东风,通过各系统、各学科同行的通力合作,超额完成了预期目标,在较短时间内实现了深海研究水平的跃升,成为我国海洋研究由近岸浅水向深海大洋转型的一项标志。

      南海的资源开发集中在陆架和陆坡,然而理解南海的钥匙却在水深超过3500 m的深海盆(图1)。“南海深部计划”以“构建边缘海的生命史”为主题,从现代过程和地质记录入手,解剖一个边缘海的发育史,从深海盆演化、深海沉积、生物地球化学过程三大方面开展研究,分别相当于解剖一只麻雀的骨、肉和血。深海科学钻探、长期观测系统和海底深潜构成的“三深”(深钻、深网、深潜)技术,是当代探索深海的主力,“南海深部计划”的成功,就在于抓住了“三深”技术的运用,为科学目标服务。在十年里,先后完成了三个半国际大洋钻探航次、四个载人深潜航次,投放了约200台次海底地震仪,实施深拖地磁测线1200余公里,主导构建了国际上最大规模的区域海洋潜标观测网,建成了全球先进的深海沉积动力过程综合观测系统。

      新颖的手段支撑新颖的认识,也为大计划超额完成原定目标提供了基础。以深海盆成因的研究为例,原订计划是探索“海底扩张的年代与过程”,由于大洋钻探在深海底取芯,拓展到了追溯大陆岩石圈的破裂过程,从“确定年龄”变为“探索原因”,触及“大陆破裂”的根本问题。再如海底过程,正因为有了深潜航次,才会有海山上锰结核和深海冷水珊瑚林的首次发现。经过反复的集成,最后得出了南海三千余万年以来的“生命史”,包括骨、肉和血三方面。

      二、 深海盆的演化和“板缘张裂”假说

      “生命史”的第一项就是“骨”, 也就是追溯南海的深海盆如何形成,具体讲是要揭示几千米海水底下,至少几千米厚地壳的成因。这类探索只有两种办法:地球物理的间接测量,和地质地球化学的直接取样,后者只有大洋钻探才能做到,而全世界大洋钻探只有一家。“南海深部计划”经过种种努力,在短短的5年里为南海争取到三个半航次,使得南海历史的一系列环节真相大白。

      南海有东西两个深海盆,谁老谁新,长期争论不下,现在大洋钻探取得的洋壳玄武岩给出了年龄:先是东部海盆在渐新世初(3300-3400万年前)打开,然后向西南推进,在中新世初(2300万年前)打开西部海盆,到1500-1600万年前,东西两个海盆的海底扩张均告结束,南海的洋壳也已开始向东俯冲在马尼拉海沟之下。所以海底扩张历史只有一千多万年,在地质学上属于“英年早逝”。但当时南海深海盆的面积很大,可能相当于现在的两倍,可惜东半部的大洋壳已经俯冲消失。

      研究海盆形成的难点,其实不在扩张、而在破裂。大陆如何变成海洋,这是地球科学的基本问题之一,而其中的关键在于大陆岩石圈的张裂,张裂之后才会有岩浆形成大洋地壳。标准答案来自大西洋:大洋钻探在几十年里花了22个钻探航次,建立起被动大陆边缘的演变模型,发现有两种类型:火山型靠岩浆上涌张裂,非火山型比较复杂,先要上地幔岩石长期风化变成蛇纹岩,然后岩浆才能上涌。1980年代以来西方学者提出:南海的形成机制和大西洋一样,属于非火山型大陆边缘,也应该是先经过风化产生蛇纹岩,然后才出来岩浆岩。针对这种主流观点,国际大洋钻探在南海执行了两个半航次,来验证大西洋模式的普适性。

      可是出人意料,钻探结果居然是否定的:钻到的是玄武岩,没有蛇纹岩。各方面的证据表明:南海的岩浆作用自始至终高度活跃,大陆岩石圈的破裂过程十分迅速。不但在基岩之上还有多个玄武岩层,海底扩张结束之后还在形成海山链。在总结各方面资料的基础上,“南海深部计划”的团队提出了沿走滑断层从东边打开的新假说,认为大西洋模式在此并不适用,“南海不是小大西洋”。进一步他们又发现:南海和大西洋虽然都有共轭边缘,在形态上有所相似,却有着本质上的不同,因为两者产生于不同性质的大陆岩石圈。大西洋的张裂发生在超级大陆内部,岩石圈特别坚固,需要有几千万年的风化才能破裂,但是一旦破裂,直到一亿多年之后海底还在扩张。南海不同,张裂发生在超级大陆边缘的板块俯冲带,这里的大陆岩石圈早已破坏变弱,因此破裂开始容易、结束也容易,由于大背景是挤压环境,岩浆作用可以保持活跃,扩张作用却难以坚持。

      这就是“南海深部计划”的“板缘张裂”新假说:海盆的产生有两种模式,大西洋是“板内张裂”,南海属于“板缘张裂”,不是一个类型。不光南海,西太平洋一系列边缘海,都是“板缘张裂”的产物,从而对流行观点提出了挑战:并非全世界海盆的产生都要遵守大西洋的模式。

      三、沉积记录和气候演变的“热带驱动”

      南海几千万年的深海沉积,为南海海水和气候演变提供了历史档案,构成了“生命史”里的“肉”。大洋钻探和油气勘探取上的沉积岩芯,提供了南海的历史档案。现在知道:早在4000多万年前,现在南海的水域已经有深海出现,而距今一、二千万年前的中新世中期,南海出现珊瑚生长茂盛期,珊瑚礁的面积比今天大好几倍,大约一千多万年前,华南构造运动活跃,现代的珠江水系发育,有大量的陆源沉积注入南海,迫使珊瑚礁凋零萎缩,陆坡上出现砂层,深海盆也出现大量的浊流沉积。

      也许更有普遍意义的是深海沉积中的古气候信息。气候演变的驱动机制,是地球科学又一个基本问题。米兰科维奇学说发现地球运行轨道几何形态的周期变化造成冰期旋回,是20世纪和板块学说并列的重大突破。经过几十年的发展,形成了北半球高纬过程决定全球气候演变的理论假说,而反映冰期气候的深海有孔虫氧同位素曲线,也成为全球第四纪地层对比的标准。

      南海的深海沉积,提供了西太平洋最好的气候演变记录,但是其浮游有孔虫的氧同位素曲线,却显示出与“全球标准”曲线不同的轨道周期特征,证明气候变化存在着高、低纬区两种类型的驱动机制(图2)。同时,又发现世界大洋的碳储库变化有着40万年的偏心率长周期,只是近百万年来由于极地冰盖发育,深海碳储库的变化遏制了这种长周期。

    图2:气候演变的低纬驱动

      于是,“南海深部计划”提出了气候演变“低纬驱动”的新认识,认为太阳辐射集中在低纬区,以季风降水为代表的低纬过程带动水循环和碳循环,构成了地球历史上表层系统运作的基本模式,而在当前的第四纪,地球两极发育冰盖,是六亿年来绝无仅有的特殊现象,以至于大洋碳循环的长周期遭受干扰。因此需要放眼前第四纪的长期历史,通过高、低纬相互作用的全面分析,气候演变机制才能得到正确的理解。

      和海盆成因的构造学说一样,气候演变的主流认识源自欧洲。当前米兰科维奇学说的流行版本认为北极冰盖的消长,通过北大西洋深层水的生产驱动“大洋传送带”,带动着全球的气候演变。近年来,这种“高纬决定论”的假设不但含有不能解答的“难题”,更与新世纪的新发现发生矛盾。在新发现的基础上,南海产生的“热带驱动”假说对传统理论提出了挑战,但是科学的验证是个长期过程,有待进一步的深入研究向前推进。

      四、 深层环流和边缘海“洋陆相互作用”

      大约距今650万年前,台湾岛隆起,岛南的巴士海峡形成了2500 米水深的海槛,成为现代南海联接太平洋的唯一深水通道,从此出现了南海盆地的封闭性,和深部水文的特殊性,这就是南海生命史里“血”的部分。巴士海峡陡峻的通道和深部海山粗糙的地形,驱动着举世闻名的内潮、内波等过程,决定了南海的“强混合”特征,并且驱动了独具特色的南海深层环流系统。“南海深部计划”开展了空前规模的深部连续观测,通过多年的长期观测,揭示了太平洋深层水跨越海槛南下的走向,验证了深层西部边界流的存在,提出了巴士海峡“深水瀑布”的变化规律,形成了南海的三层水平环流、垂向混合和水体物质交换等的动力理论框架(图3)。

    图3:南海洋陆相互作用的深海环流

      深层海流带动着沉积颗粒和化学成分。十年来,在南海东北部对深水沉积过程开展了长期现场观测,这是继40年前大西洋深水试验之后的又一次盛举。研究团队根据等深流、中尺度涡和浊流等沉积动力过程的长期原位观测,结合从河流到海盆的底质分析,揭示了深海陆源沉积的搬运机制,勾勒出南海粘土矿物分布与来源的全面图景,并且发现了粘土矿物对有机物的选择性搬运,标志着我国深海沉积学已经进入国际前沿。

      在海水生物地球化学方面,突出的是碳循环和碳氮耦合的新认识,使得南海成为碳通量研究最为系统的边缘海之一,也催生出若干具有全球意义的科学假说。“南海深部计划”在长期观测、实验和模拟的基础上,从浮游生物到微生物,对南海生物泵进行系统的定量研究,揭示了深海微生物在碳循环中的作用。

      学术界早已指出南海具有大洋与河水“混合器”的作用,然而只有现在才对这种混合作用取得了三维空间的定量概念。由于巴士海峡地形陡峻,深水海底海山林立,南海深层混合的强度要比太平洋高出1–2个数量级。不仅输入的太平洋水驱动着南海的深层环流,南海深部混合后重返大洋的水,也直接影响北太平洋中层水的性质。这种深水型边缘海所特有的过程,涉及深水过程三维空间的交换,应当称为“洋陆相互作用”,以区别于通常所说的海陆相互作用,因为那是河口海岸上层海水两维空间的交换。

      洋陆之间的混合作用,对于南海碳平衡的影响格外显著,因为正是大洋水携入的碳,使得南海可以局部成为弱的碳源,显示出大洋主控性的特征。同样,来自陆地的沉积物也会截留在海盆内,很少输入大洋,因此尽管东南亚属于世界河流泥沙输出最强的区域,大陆岸外并没有其他大洋常见的深海沉积扇。

      此外,深海盆的洋陆交换同样也影响生命过程,比如来自太平洋的惰性溶解有机物,可以为南海的细菌所降解,刺激硝化速率而提高生产力,但是类似的研究迄今很少进行。洋陆相互作用是南海深海研究提出的新概念,属于深水型边缘海所特有,在西太平洋水域具有特殊意义。至于洋陆相互作用的全球意义,至今仍是研究中的薄弱环节,应是今后深海研究的重要内容。    

      回顾“南海深部计划”的十年,取得了我国深海研究里程碑式的进展。现在,南海的国际维权任务显得越益繁重,科学界在南海维权中发挥作用的潜力也获得空前提升。为此,在大计划的结束评估会上,专家们提出,对南海深海的研究应当“给以新一轮的高强度支持,在加强学科交叉和国际合作的基础上再接再厉,为海洋强国目标的早日实现做出更大贡献”。