在南海追尋地球演化的奧秘

□文/張建松

一位海洋學(xué)家曾經(jīng)說：“在海底深處，流落著塵世的詩篇?！边@是因?yàn)?，深海沉積是地球表層系統(tǒng)演化的重要信息載體，讀懂這些信息密碼，就能讀懂地球演化的奧秘。同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院的研究人員15年來在南海執(zhí)著追尋“塵世的詩篇”，他們詳細(xì)調(diào)查了匯入南海的180多條河流的沉積物，并在南海海底采集表層沉積物，獲得超過1 500個樣品，涉及9個國家和地區(qū)，建成了全球先進(jìn)的深海觀測系統(tǒng)。

深海陸源物質(zhì)的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)

南海是西太平洋地區(qū)最大的邊緣海，瀕臨亞洲大陸，是全球接收陸源碎屑沉積物最多的半封閉海盆。同時(shí)，南海還具有豐富的表層和深水洋流系統(tǒng)，擁有保存完好的半深海沉積物質(zhì)，是開展深海過程和深海沉積研究的“天然實(shí)驗(yàn)室”。

2011年，國家自然科學(xué)基金委正式啟動了“南海深海過程演變”重大研究計(jì)劃，對南海展開三大方面系統(tǒng)研究：以海底擴(kuò)張到板塊俯沖的構(gòu)造演化作為“骨”，以深海沉積過程和盆地充填作為“肉”，以深海生物地球化學(xué)過程作為“血”，在巖石圈、水圈和生物圈相互作用的層面解讀南海，構(gòu)建邊緣海的“生命史”。

洋流系統(tǒng)及其沉積動力學(xué)過程，是陸源碎屑物質(zhì)從近岸到深海搬運(yùn)和沉積作用的主要控制因素。以往的研究多認(rèn)為，南海表層洋流是搬運(yùn)陸源碎屑物質(zhì)的主導(dǎo)因素。這種認(rèn)識上的局限，是因?yàn)榍捌趯５壮练e的調(diào)查不足以及缺乏對深層海流的直接觀測。研究人員通過采集遍布南海海底1 100余個站位表層樣品，分析黏土礦物學(xué)和同位素地球化學(xué)組成，發(fā)現(xiàn)除了表層洋流搬運(yùn)作用，南海深海洋流對陸源碎屑物質(zhì)的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)起到更為重要的作用。

通過在南海北部建成的深海沉積動力過程錨系觀測系統(tǒng)，研究人員還獲得了深海洋流搬運(yùn)過程的原位觀測直接證據(jù)。流速在垂向上呈現(xiàn)“隧道狀”結(jié)構(gòu)，對深海碎屑物質(zhì)具有強(qiáng)勁的側(cè)向搬運(yùn)能力。該觀測錨系還發(fā)現(xiàn)了海洋表層生成的中尺度渦，能夠穿透數(shù)千米水層，兩次中尺度渦引起的西南向沉積物搬運(yùn)總量可達(dá)百萬噸量級，與等深流共同對南海深海沉積物的遠(yuǎn)距離搬運(yùn)起到關(guān)鍵作用。

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東亞季風(fēng)是重要的驅(qū)動因素

河流表層沉積物是陸地化學(xué)風(fēng)化和機(jī)械剝蝕的最典型風(fēng)化產(chǎn)物，代表流域盆地近百年來形成碎屑物質(zhì)的平均效應(yīng)。

研究人員通過采集南海周邊國家和地區(qū)幾乎全部河流近400個位置表層樣品，分析其黏土礦物學(xué)、全巖和黏土粒級元素地球化學(xué)成分。最終發(fā)現(xiàn)，南海北部河流以伊利石和綠泥石為主，構(gòu)造活躍，呈現(xiàn)中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用；而同處亞熱帶東亞季風(fēng)氣候區(qū)的華南珠江等河流，則以高嶺石為主，構(gòu)造穩(wěn)定，呈現(xiàn)中等偏強(qiáng)程度的化學(xué)風(fēng)化作用。南海西部中南半島的紅河和湄公河，由于流經(jīng)構(gòu)造活躍的青藏高原東南部，黏土礦物以伊利石和綠泥石為主，呈現(xiàn)中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用；但泰國和越南中部河流盡管巖石背景不同，普遍受熱帶季風(fēng)影響，以高嶺石和蒙脫石為主，呈現(xiàn)強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用。

南海海域取樣點(diǎn)

南海南部馬來半島、蘇門答臘島和婆羅洲西部的構(gòu)造和巖石背景盡管截然不同，但共同受到熱帶季風(fēng)的影響，以高嶺石為主，呈現(xiàn)出南海周邊地區(qū)最強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用；而婆羅洲北部的構(gòu)造活動異常活躍，形成以伊利石和綠泥石為主的黏土礦物組合，其化學(xué)風(fēng)化作用仍然是強(qiáng)烈程度。南海東部呂宋和巴拉望島，受到巖石性質(zhì)和構(gòu)造活動影響，黏土礦物以蒙脫石為主，呈現(xiàn)中等偏弱程度化學(xué)風(fēng)化作用。研究人員通過對南海周邊陸地和島嶼化學(xué)風(fēng)化過程的集成研究，提出東亞季風(fēng)溫暖潮濕的氣候條件是控制南海區(qū)域地表化學(xué)風(fēng)化作用的一級驅(qū)動因素。構(gòu)造活動由于會加快地表巖石機(jī)械剝蝕、減少化學(xué)風(fēng)化作用時(shí)間，成為次級驅(qū)動因素。而巖石性質(zhì)特別是中基性火山巖，在季風(fēng)氣候影響減弱時(shí)，對巖石風(fēng)化過程起到重要作用。

南海海域監(jiān)測點(diǎn)

我國臺灣是最重要的物源區(qū)

物源區(qū)供給陸源碎屑物質(zhì)的定量恢復(fù)，是研究地質(zhì)歷史時(shí)期從源到匯搬運(yùn)過程的核心環(huán)節(jié)。珠江作為世界級大型河流，以往的研究都推斷是南海北部深海陸源碎屑的主要物源區(qū)，但缺乏可靠的證據(jù)。

研究人員通過詳細(xì)調(diào)查南海北部海底及周邊潛在物源區(qū)河流的大量表層樣品，提出黏土礦物及其釹同位素是識別南海北部物源區(qū)的最有效指標(biāo)；發(fā)現(xiàn)我國臺灣、呂宋和我國華南，是南海北部接近理想狀態(tài)的物源區(qū)端元，從而使南海成為開展從源到匯定量研究的典型地區(qū)。

南海北部近百年尺度的陸源碎屑源匯搬運(yùn)過程顯示，我國臺灣僅提供伊利石和綠泥石，通過等深流沿深海陸坡向西南搬運(yùn)；呂宋僅提供蒙脫石，通過表層洋流由呂宋海峽向西搬運(yùn)；而我國華南主要提供高嶺石，在沿岸流和表層洋流的作用下主要西向搬運(yùn)?？紤]到南海區(qū)域地質(zhì)、海陸格局和氣候條件，在晚第四紀(jì)以來沒有發(fā)生大的變化，從而推斷南海北部這3個端元物源區(qū)，在晚第四紀(jì)以來保持不變。

研究人員進(jìn)而通過高分辨率分析深海巖芯的黏土礦物組合，定量恢復(fù)物源區(qū)供給的時(shí)間序列變化，發(fā)現(xiàn)晚第四紀(jì)2萬多年以來，我國臺灣給南海深海供給沉積物維持在40%~60%，呂宋供給沉積物在20%~40%，而我國華南供給沉積物主要在15%~25%。這顯示我國臺灣是南海北部深海陸源碎屑物質(zhì)最重要的物源區(qū)。