揭示边缘海的"生命史 - 同济大学海洋与地球科学学院

揭示边缘海的“生命史＂

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是南海形成的核心。迄今为止．南海洋盆扩张的再造几乎全部依据磁异常条带，认为南海形成于距今３２００万年至１６００万年前。而其主要依据来自３０年前美国的船测资料。由于受到技术等方面的限制，其结果相当模糊，在西南海盆尤盛。后来虽经法国、德国和我国海峡两岸学者等多种补充、修改，１９７０年代测得的基本格局至今未变。以致南海构造研究三十年来缺乏突破性进展。１９９９年南海大洋钻探取得了３３００万年来的沉积记录，应当涵盖了传统认识上的扩张历史，但是地层记录中最重大构造事件发生在２５００万年前后，对于扩

和淡水。它们的来源是地层里的流体，所谓“海底下的海洋”。这些流体不仅改变着海水的成分，而且支持着

地球上另一个生物圈——“暗能量生物圈”。在南海已

经有海底泉水发现，“可燃冰”的产地也发现了“冷泉”和冷泉生物群，台湾附近发现有热液活动与“ＣＯ：湖”，马尼拉海沟的俯冲带。也应当有“俯冲带工厂”的流体溢出。同时，深海水层和海底以下的微生物活动。是地球系统碳循环新发现的重要环节。海洋的生物量。９０％属于微生物；海底以下的原核生物，估计占地球上生物量的３０％。最近发现，病毒能杀死海底和海底以下８０％的单细胞生物，析出巨量有机碳，因而是海洋碳循环研究中的重大遗漏。南海盆地形成和沉积充填，发生在海水生物地球化学的背景下；而南海又以其有限的范围和丰富的深海沉积，为研究深部生命活动与碳循环提供了理想条件。海盆的演化直接影响海底流体和海底微生物的活动，既使深海碳循环发生变化，又是烃类资源形成的重要原因。其研究将为能源勘探方向的探索开辟新视角。

张的始末本身却缺乏明显反映。重新认识海底磁异常

资料，使之和沉积记录对应起来，是揭示南海张裂真实历史的捷径。

推测与南海扩张终结相关的重要的特征是沿残余洋中脊发育的火山链。可能是扩张结束时剩余岩浆活动的产物。火山活动未见于海底张裂之初、反而活跃于扩张停止之后，反映了该边缘海海盆演变的特殊性，有待对火山链的形成和机制作系统研究。扩张结束后另一重要过程是菲律宾海板块的旋转和南海洋壳的向东俯冲。由此造成的马尼拉海沟。是今天南海的构造运动最活跃的海区。而深海火山在俯冲过程中的阻挡，很可能成为地震能量积聚的机制。同时。扩张后发育的断层也可能与火山活动有关。探讨南海扩张开始和终结后的岩浆活动，以及后续的俯冲作用，将为边缘海演变史建立典范。

沉积响应

南海陆缘破裂和海底扩张的结果。在陆坡和陆架形成了约４０个盆地和盆地群，接受了来自陆地和岛屿的沉积物以及生物残骸，总共估计有１．４４×１０１６吨沉积物充填，其中包括丰富的油气盆地。对大西洋的研究已经证明，深层海流有多种沉积搬运机制，然而对于南海底层流和沉积搬运过程的认识，至今还是众说纷纭。南海的深水油藏和深海沉积体，有浊流、等深线流、河口深水扇沉积等种种解释．但是由于缺乏现代过程的观测，我国的深海沉积学还停留在袭用国外模式的阶段。然而大洋钻探和油气钻井已经揭示出海底过程的巨变：距今２５００万年前后南海北部大批沉积被冲刷、剥蚀，此前南海北部的陆源沉积速率最高。此后出现碳酸盐台地，很长期间南海北部和南沙海区一样以碳酸盐沉积为主；随着巴士海峡的形成．注人南海的太平洋深层水变为中层水。南海的深部海流和深海沉积过程，如何响应构造演变的历史，将构成一部边缘海的发育史，也将为深海油气勘探战略提供科学背景。

生物地球化学过程

近年来发现海底有各种流体溢出。包括热液、冷泉

“南海深海过程演变”研究计划，是从现代过程和

地质记录入手，解剖一个边缘海的发育史。计划由上述三大方面组成：从海底扩张到板块俯冲的构造演化作为生命史的“骨架”．以深海沉积过程和盆地充填作为生

命史的“肉”，以深海生物地球化学过程作为生命史的

“血”．在岩石圈、水圈和生物圈相互作用的层面再造南海的深海盆地发育过程。以及该过程的资源环境效应。

南海深海过程研究核心科学问题

南海深海过程演变的核心科学问题有三类：一是不同观点的争论，如海底扩张时间的分歧；二是不同记录的比较。如海底磁异常与大洋钻探岩芯记录之间的矛盾；三是大洋新发现在南海如何表现，如深海微生物在碳循环中作用的问题。具体说来，有以下八大问题。

海底扩张的年代与过程

南海海底扩张究竟是西南海盆在先，还是中央海盆在先？扩张的时间是否如最初所说在３２００万年到１６００万年前，还是早在３７００万年前已经开始，２０００万年前已经结束？扩张速率的变化，与本区哪些构造变动相对应？大洋钻探揭示的２５００万年前的最强烈构造运动，是对应扩张轴的跳跃。还是印支半岛的“挤出”？

海山链岩浆活动时间与原因

南海扩张终结的重要特征是沿残余中脊发育的火山链。为什么南海张裂时火山活动不明显，结束时反而形成火山？它是不是扩张结束时剩余岩浆活动的产物？火山链的形成何时开始、何时结束？现代海底还有没有这类活动的踪迹？在南海洋壳向东俯冲过程中，火山链

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晚中生代：追踪海相侏罗系的发现，确定晚中生代“古南海”与太平洋和特提斯洋的关系，展示边缘海形成前东亚与太平洋的相互作用，确定“特提斯东延”与太平洋连接的问题。

早新生代：追踪海相始新世，回答南海北部裂谷阶段是否已经有海相盆地、海底扩张是否在海盆里发生的问题。

（２）扩张过程

磁异常条带：采用现代技术近海底重新测定磁异常．同时采用拖网或浅钻采集洋壳的岩石，进行地球化学研究和测年，重新认识海底扩张的年代与过程，尤其要澄清西南海盆与中央海盆的关系。

火山链：对最终的残余中脊和火山链进行系统研究，包括高分辨率制图与浅钻取样，确定海底扩张的终结与火山链形成的关系，探索扩张终结的原因。

作用、浅水与深海相互作用，建立冰期旋回中边缘海的环境演变史。

（１）深层海流的演变

将地层记录与数值模拟相结合。揭示南海半封闭盆地的三维空间海流格局对冰期旋回的响应，通过地层记录探索大陆与大洋的影响在冰期旋回中的消长，建立边缘海环境响应冰期旋回的模式。

（２）沉积格局的演变

分析沉积物的源区地质与底层流的替代性标志。结合浅地层剖面和碳酸盐台地的沉积变化。再造若干时期的南海沉积分布与输运途径。

（３）生物地球化学的演变

深海地层中微生物的分布可以反映上层海水生产力的演变。通过沉积层中微生物以及生物标志物，研究海底下深海生物圈与表层浮游生物变化的关系，及其对深海碳循环的可能贡献。

现代观测中的深海过程（１００年尺度）

以上地质时间尺度上深海过程的变化，要求理解现代过程作为基础。为此，需要在三方面做相应的长期与短期观测。

（１）深层海水环流

针对南海的半封闭性质，在巴士海峡对南海深层水与太平洋水的交换（所谓吕宋“深水瀑布”）、在南海中北部对深层环流（“气旋式环流”）进行多年连续观测。认识其性质与季节变化。

（２）海底沉积运动

针对南海北部陆坡的底质搬运性质的争论，对沉

南海深部计划的构成

降颗粒位移与海底“雾状层”进行观测，并结合浅地层剖面。认识现代海底沉积地形的成因。

（３）海底生物地球化学过程

通过羽状流的探测．选择海底流体溢出口，研究近海底微生物的分布；并争取采用井下密封技术，实现深部生物圈及其生物地球化学作用的观测。

沉积响应：将磁异常条带得出的扩张速率，与大洋

钻探钻孔揭示的深海沉积速率比较。揭示渐新世扩张

初期的海盆性质、渐新世末构造事件和中新世早中期碳酸盐高值期出现的构造背景，确定南海北部深海含烃层系的沉积物源。

（３）扩张后

海盆关闭：根据海底和海岛资料，验证菲律宾海板块旋转、形成东部屏障使南海半封闭的模式；估算南海向东俯冲速率，以及海山俯冲对地震与火山活动的影响。

海流再造：根据大洋钻探岩芯黏土矿物的源区分析与同位素标志，再造南海深层海流演变历史，从而验

南海深海过程研究方案

由于南海深部、尤其是４０００米以深的中央海盆十分缺乏调查，具体的研究方案只能随计划进程逐步制定、及时调整。现在根据目前的资料，提出以下三阶段实施的方案。

第一是重点航次阶段（第１—２年）。以两次“南海

深部基金航次”为主体．开展以洋壳演化和现代深海过程为目标的突破性研究。这将是南海深水区（大于３５００米）有史以来第一次的专题探测，在原有工作积累基础上，选择重点的剖面和海区，采用深海新技术对磁异常条带、火山链和海底流体溢出进行探测；在深海

证深海盆演变模式，识别西太平洋洋流的整体变化，南

海深部海流随海盆形态而发生的区域变化。

海面变化中的深海过程（１伊年尺度）

以晚第四纪最近５０万年为主。利用南海半封闭海盆对冰期旋回中海平面变化的敏感性，研究海陆相互

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盆开展断面调查和布放锚定浮标，同时进行多学科海上工作。所取得突破性的结果将为后面大规模开展工作铺设路径。

取用井塞（ＣＯＲＫ）技术检测海底下的流体活动及其中的微生物。

第二是全面研究阶段（第３—５年）。在上述扩张年

代成果与选区深水过程基础上。结合大洋钻探和深水勘探资料，以及海底观测、海山钻探等，全面开展南海古、今深海过程的研究。同时组织有规模的国际合作。

南海深海过程研究预期结果及研究意义

深海研究属于迅速发展中的新兴领域，南海的深海研究需要国家级的投入。在本计划框架内达到的预期目标．是在理解深部过程的基础上建立边缘海“生命史”模式。具体包括：在最新技术基础上。重新测定深海盆扩张年龄与扩张速率变化：在地球物理与沉积记录结合的基础上，验证南海边缘海盆地的演变模式；将海底过程观测与地质调查相结合，在我国开创一系列的深海研究领域（深海沉积学、海底水文学等）；在南海海底流体和微生物研究的基础上。对深海碳循环过程得出具有突破性的新认识：确立我国在南海研究中的主导地位，形成我国具有国际竞争力的深海基础研究力量。

“南海深部计划”的实施，将是我国海洋领域第一个大型的基础研究计划．也是国内各系统的投入在海洋科学层面上的整合；在国际上，将有助于建立我国在南海科学研究中的主导作用。具体有三方面的意义。

一是实现科学研究和学科建设上的突破。本计划的实施，将是一个边缘海生命史完整的解剖。在西太平洋的大型边缘海中。南海是唯一能够提供环境演变高分辨率记录的海区。从深部研究南海“生命史”，不仅为边缘海解剖提供典范，促成我国深海学科的跨越式发展，而且还将因此而推动我国地球科学的整体进展。

二是为南海资源的进一步开发提供科学依据。洋盆发育和沉积充填历史的再认识，将在战略层面上为南海深水油气勘探提供新思路；南海现代深水过程的研究，又将为深海油气开发的工程安全提供基础信息。同时。深部过程的研究又为南海从天然气水合物到生物基因资源的新资源勘探开发提供学术基础。

三是从科学层面为捍卫南海主权做出贡献。我国在南海的主权面临挑战。我国传统海疆面积的７０％属于国际争议区，几乎包括了南海南部全部最有利的油气区。近年来世界各国的权益之争，往往用科学考察的形式出现。本计划的执行必然带动海峡两岸的合作和以我国为主的南海国际科研合作计划，势必在客观上增强我国在该海区的主导地位。

第三是深入与总结阶段（第６—８年）。在前五年基

础上整合、提高。一方面聚焦到少量理论问题深入探索，另一方面从全球视角得出边缘海深海过程的规律性认识。

采用的研究手段，除了深海常用的古海洋学方法和常规的地质地球物理、水文和生物学等方法外，还有以下几方面的新技术。

基底的地质、地球物理研究

洋壳的磁异常测量：使用深拖或水下机器人搭载磁力仪的方法，贴近海底（可距海底以上５米）作近底测量，精度可以提高两个数量级，揭示的细节可用于计算扩张速率。

残余中脊和火山链：采用深拖或用水下机器人搭载多波束测深，对特选的海区进行高分辨率地形制图；在海山上用硬岩钻井技术打浅钻采样。

沉积的地质与地球化学研究

深海沉积搬运：采用锚系和海底三脚架观测技术．进行深部海流的连续观测。研究底层海流在沉积搬运中的作用；结合高分辨率地震与浅地层剖面，解释现代海底沉积堆积体的形成机制。

源区与深层海流：根据不同流域碎屑物的矿物与钕同位素等标志，求取南海沉积格局的时空变化；利用钕、碳１３和底栖化石等分析等方法，结合沉积波分布等宏观特征．再造深层海流。

高分辨率沉积记录：通过Ｘ射线荧光光谱岩芯扫描（ＸＲＦ）和地层微电阻率扫描成像测井（ＦＭＳ），以及这两种新技术的结合，探测深海沉积结构与古环境的高分辨率变化。

水文与生物地球化学研究

长期水文观测：在１０００米以深的关键部位投放若干锚定深水浮标，对深部海流进行３—５年的连续观测，并伴以适量的生物化学和悬浮体观测。

微生物海洋学：对深海水体中微生物和溶解有机碳的分布进行动态观测，对微生物生态过程开展现场实验：与沉积物中指示不同生物的脂类标志化合物及其同位素的分析相结合，探索深海碳循环。

海底溢出流：采用物理和化学的方法（包括氡、镭同位素等）调查来自海底的羽状流；采用海底观测、争

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（此稿是集体成果，在“南海澡海过程演变研究”项目立项过程通过多次研讨形成，由汪品先执笔成稿。）

关键词：南海深海海盆深海过程口

ｉ科学ｌ２０１１年５月（６３卷３期Ｊ

揭示边缘海的"生命史"——南海深海过程演变研究

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

汪品先， Wang Pingzhi

同济大学海洋与地球科学学院,上海,200092科学（上海）SCIENCE 2011,63(3)

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