从找矿勘探到地球系统——汪品先院士在华东六省一市首届青年地学科技论坛上的报告(摘要,蔡阿新、王汝建根据录音整理)

同志们: 我的题目是《从找矿勘探到地球系统》,讲一讲地球科学现代发展趋势。地球科学发展到今天,已经跟原来的含义有很大的不同,它以前主要是找矿。到现在,它还要考虑环境。原来打交道的是固体的地球,现在则是固体和流体的地球,也就是说地质科学本身在演变。

地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录(II):气候变化的热带驱动与碳循环

地球轨道变化驱动冰期旋回的理论是气候演变研究在20世纪的最大突破。然而以65°N太阳辐射量为准的传统轨道理论，忽视了低纬区和碳循环的作用。本项目以“西太平洋暖池”为重点，通过地质资料和气候数值模拟的结合，揭示了“西太平洋暖池”和东亚季风发育的阶段性，发现了暖池海区冰消期表层水升温超前于北半球冰盖的融化。在南沙海区发现了碳同位素有40—50万年长周期，经过全球对比和对意大利上新世地层的实测与分析，证明这是世界大洋碳储库对于地球运行轨道偏心率长周期的响应，并推测是通过浮游植物群改变有机碳在海洋碳沉积中的比例所致。研究表明热带驱动和碳循环在气候演变中重要性，其正确认识是预测气候长期演变趋势的前提。是“深海973”项目总结报道之后的续篇，对上述成果作专题讨论。

南海西北陆架的海相更新统下界

本文以生物事件的观点论述和探讨了上新统一更新统界线在南海北部的划分。南海北部陆架有跨越上新统一更新统界线的海相地层,其中莺歌海一琼东南盆地的海相第四系厚达2000m左右,是我国除台湾省外研究海相更新统下界的最佳地点。该盆地钻孔中的浮游有孔虫与钙质超微化石群的垂向序列,与意大利Vrica上新统一更新统界线国际层型剖面可以对比,得出1.64Ma的界线值,但在界线上下岩性和化石群均无明显变化,难以在实践中使用。相反,界线下的Globorotalia multicamerata sensu lato末现面上下,浮游有孔虫占有孔虫全群的比例和壳体保存状况发生剧变,地震剖面上亦显示下削上超的接触关系,代表着大约2.00—2.50Ma前一个重要的沉积间断面,此面还可追索到珠江口盆地和北部湾盆地。西太平洋等地海相地层中与此期相应也有明显的沉积环境变化。为此,建议以此面作为划分南海北部上新统一更新统的界线。

南沙海区晚第四纪的碳酸盐旋回

根据水深200～2 800m范围内的17个沉积柱状样分析结果,讨论南沙海区晚第四纪沉积中碳酸钙相对含量的垂向和横向变化。南沙海区的碳酸盐旋回普遍属于"大西洋型",冰期时含量低、间冰期含量高,反映出陆源物输入量的控制作用。在平面上,南沙海区的碳酸钙含量与纬度几乎呈线性关系,由北向南递减,冰期时趋势不变而梯度加大。南海南部陆坡由于集水盆地处于热带湿热条件而且有大河注入海区,使碳酸钙含量相对北部陆坡为低。

南沙海区盛冰期的气候问题

南沙海区属于西太平洋暖池区，其盛冰期的表层水温变化涉及暖池在冰期旋回中的稳定性，因而具有全球性意义、本文根据十几个沉积柱状样的氧同位素与微体古生物分析结果，指出南沙海区盛冰期时夏季温度与全新世差别微小，而冬季水温强烈降低，使季节性温差高达６℃，明显超过同纬度的西太平洋开放水域。推测冰期时的冬季风强化，是造成这些变化的主要原因，同时也为热带海区冰期海面温度高、岛屿山地温度低的矛盾提出了一种新的可能解释。

寻求高分辨率的古环境记录

古气候变化突然事件的发现和对未来环境变化的预测，提出了取得高分辨率古环境记录的要求。本文试图对国际以及国内文献作一综述，以介绍晚第四纪环境变迁高分辨率研究的最新进展，并以海洋部分作为重点。综述涉及千年、百年、十年和年际的不同时间尺度，但着重阐述“亚米兰科维奇”气候变化，包括Heinrich和Dansgaard／Oeschger事件。对于放射性碳测年数据换算为日历年进行专门讨论，因为这是为环境事件建立精确年代顺序的先决条件。最后，向我国同行提出三点建议：1）在对地层记录运用高分辨率研究方法时要经过精心选择，避免盲目性，并充分意识到此类研究的特殊要求；2）依靠我国所在区域的特殊自然条件，在高分辨率古环境研究中发展独立的学术思想；3）将高分辨率研究方法推广到前第四纪的沉积序列中去。

新生代亚洲形变与海陆相互作用

在现今各个大陆中 ,亚洲经历的新生代形变最强 .白垩纪到老第三纪时的亚洲大陆 ,不仅面积较今为小 ,而且形态偏“瘦” ;自从始新世印度与亚洲碰撞之后 ,亚洲的面积与高度急剧增大 .随着青藏高原隆升和边缘海的张裂 ,东亚原来西倾的地势发生倒转 ,形成了从大陆中央隆升区向周围辐射的亚洲大河流系 .亚洲隆升有可能是北极冰盖形成与发展的重要因素 ,因为隆升不仅改变大气环流、加剧风化作用 ,而且还使西伯利亚河系改向北流 ,通过注入北冰洋的淡水促使海水结冰、导致冰盖形成 .新生代亚洲形变 ,也使得亚洲季风系统在早中新世形成 ,又在约 8Ma与约 3Ma时强化 .同时 ,西太平洋边缘海系列的形成 ,也改变了亚洲大陆与太平洋之间的物质与能量的交换 .流经边缘海的太平洋西部边界流 ,对于洋面升降和构造运动极为敏感 ,在冰期低海面时边界流位于边缘海之外 ,使大洋输向大陆的热量和水分大为减少 .今天 ,亚洲与太平洋之间的能流与物流最为活跃 。

深海沉积与地球系统

20世纪50年代以来深海沉积学的一系列突破性发展,打破了沉积学的长期静寂,也推动了地球系统演变中一系列相关学科。从几个方面回顾了国际深海沉积学的发展历程:从浊流到等深流,从深海风暴到沉积牵引体,从沉积捕集器到海底边界层的定点观测,从沉积过程的时间序列到海底联网观测系统,以至连接现代沉积过程和层序地层学的"从源到汇",和深海沉积过程在碳循环中作用的研究。由于这种种发展,深海沉积学成为地球系统科学的一个关键环节。回顾半个多世纪来的深海沉积学,其重大进展都是和海洋的现场观测紧密相连,都得益于与相关学科的结合,也都有大型国际计划作为依托,可惜这些计划几乎全在欧美海区。我国当前出现了发展深海沉积学的良机,建议除了增加投入和设备外,要尽快启动深海大型科研计划的实施,并对我国深海沉积学的研究方向提出了三点具体建议。

低纬过程的轨道驱动

气候变化轨道驱动的发现,使古气候研究进入了定量探索变化机理的新阶段。然而经典版本的米兰科维奇学说只考虑北半球高纬区的辐射量变化,与新发现的地质记录和热带过程在现代气候中所起的作用相矛盾。文章简要地综述以贸易风与季风系统为主的低纬过程如何响应轨道变化,指出岁差与偏心率周期通过驱动热带过程影响全球气候的重要性,建议在古气候研究中发展新思路,重视区别高、低纬区不同过程的轨道周期,从高、低纬区相互作用的角度研究气候变化的机理。

南海——我国深海研究的突破口

近两年来,海内外和海峡两岸的中国科学家围绕深海研究进行反复研讨,一致认为南海是我国深海研究的首选,并初步形成了"南海深部计划"的研究方案,提出以"构建边缘海的生命史"为主题,从洋壳深海盆的演化、深海沉积、生物地球化学过程三方面开展研究的建议方案。他们建议:利用现代技术重新测定南海磁异常条带,争取钻探大洋壳,系统研究火山链;观测现代深部海流和海底沉积过程,从深海沉积中提取边缘海盆演化的信息;认识海底溢出流体与井下流体的分布与影响,揭示微型生物在深海碳循环中的作用。争取在科学和技术全国性合作的基础上,在南海实现我国深海研究的突破。

亚洲形变与全球变冷──—探索气候与构造的关系

亚洲是当代地球上唯一夹在两个汇聚大陆边缘的陆地，在亚洲与西太平洋之间由于地形和气压的巨大反差，形成最为强烈的能流和物流。这种反差，是亚洲在新生代晚期经受全球最大构造形变的产物。印度与亚洲碰撞，太平洋板块转向，边缘海张裂，中国地形倒转，大江东流，陆架和沿海平原形成，这一系列变化造成了区域性甚至全球性的严重气候后果。探索亚洲形变与新生代全球变冷的可能关系，从而揭示气候与构造的关系，是我国地学界责无旁贷的任务。

西太平洋边缘海的冰期碳酸盐旋回

碳酸盐旋回是更新世深海沉积最显著的特征。西太平洋边缘海沉积中碳酸盐含量的时空变化尤为强烈，所含深水化学、表层生产力和汇水盆地风化作用的信息也格外丰富。对鄂霍次克海、日本海、东海、南海和苏禄海等五个边缘海表层沉积中的碳酸盐分布和冰期碳酸盐旋回进行了比较。总的看来，较深水区（水深＞２００ｍ）的ＣａＣＯ３％在高纬海区甚低，而向较低纬海盆增多，显示出碳酸盐百分比与水温和水深的密切关系。西太平洋边缘海至少可区分出四类不同的碳酸盐旋回，即：西北太平洋型，日本海型，大西洋型和太平洋型，每个类型都蕴含着丰富的陆地和海洋环境信号。进一步的分析可以看出，碳酸盐旋回的不同类型取决于各个海盆深层水的来源和性质，而后者又决定于海盆的形态特征。较低纬度海区之所以存在两类不同的碳酸盐旋回，是由于控制碳酸盐相对含量的三项因素（碳酸盐生产力、深海溶解作用和非碳酸盐成分的稀释作用）在溶跃层上下的组合不同。从碳酸盐的保存和溶解指标看来，上述低纬边缘海的深海化学旋回仍属“太平洋型”，只是由于生产力和稀释作用的缘故才在溶跃层以上呈现像“大西洋型”的旋回。

地球圈层相互作用中的深海过程和深海记录(I):研究进展与成果

由五大系统11个实验室组成的项目组,2000—2005年开展了以“地球圈层相互作用”为主题的深海基础研究。项目以“热带碳循环”作为核心问题,依靠国际大洋钻探和国内“大洋专项”两大支柱,对西太平洋暖池和南海等海区进行深海过程和深海记录的研究,已圆满完成计划任务。一方面在南海大洋钻探的基础上,围绕热带海洋在地球系统中的作用向纵深发展,在“热带碳循环”研究中取得了原创性的成果;另一方面依托国内大洋专项和国内外合作航次,在深海研究和圈层相互作用上朝横向发展,取得了一系列国际性成果,在我国形成了与国际接轨的深海研究力量。对该项目的设计和进展做了简单而又全面的阐述,对于古环境研究中取得的突破性进展将另有续篇介绍。

地质计时的天文“钟摆”

地球系统科学的发展,对于地质过程的时间度量提出了新要求。迄今为止,地球轨道参数的变化是地质尺度上惟一可以精确定量计算的周期现象,可以用作地质计时的标尺。40万年的偏心率长周期,是地质历史上最为稳定的轨道参数,至少在新生代以来通过低纬过程驱动着大洋碳储库的周期变化,是普遍出现而且容易辨认的轨道周期,可望作为地球历史的天文“钟摆”用于地质计时。

气候演变中的冰和碳

地质历史上充满着冰盖消长 (“暖室期”和“冰室期” ,“冰期”和“间冰期”)与大气CO2 增减的周期性变化 ,而两者之间的关系并不清楚。由于冰盖变化的地质标志比大气CO2 变化的标志容易认识 ,长期以来古气候研究侧重“冰” ,而对“碳”即碳循环的研究不足 ,通常将碳循环的变化解释为冰盖变化的结果。近年来越来越多的发现表明 ,单纯用水循环的物理过程不能解释冰盖演变的许多现象 ,而且大气CO2 变化往往领先于冰盖。揭示碳循环变化对冰盖演变的影响 ,认识生物地球化学过程在冰期旋回中的作用 ,将不同纬区对地球轨道驱动全球气候的影响区分开来 ,才有可能正确预测未来气候的演变方向。

我国的地球系统科学研究向何处去

近15年来,全球变化与地球系统科学研究在中国广泛开展,我国科学家越来越积极地参加各项国际计划。当前,一些重大的国际计划正在进入其新阶段(如IGBP II,IODP),恰好我国也正在制定科技发展中长期规划,迫切需要回顾我国地球系统科学的现状并探讨其今后方向。尽管中国作者的国际论文数量在增长,我国地球系统科学落后于国际的差距仍有拉大的趋势:国际前沿的许多热点问题,在中国尚未提上日程;中国学者在国际计划中早期多有贡献,但在项目总结中却很少有份。为此,提出3点建议:(1)中国地球科学家应当扩大视野、立足本国、面向全球;(2)应当注意国际前沿动向,促进地学与生命科学在分子水平上的结合;(3)中国的地球科学,应当从以描述为主向探索机理的方向发展。我们不应当满足于向国际学术界输出"原料",而要积极参加地球系统科学中关键问题的理论探讨。

冰期时的中国海——研究现状与问题

沉积柱状样分析表明:末次冰期最盛时,东海缩剩冲绳海槽,南海变为袋状海湾,大河在陆坡入海,使南海北部陆坡与冲绳海槽海水浊度大增,沉积中碳酸盐含量被陆源物稀释,使剖面中CaCo_3旋回与大西洋相似、与太平洋相反。因极锋南移,亲潮可能影响冲绳海槽,太平洋温水可能进入巴士海峡,南海表层冬、夏双向海流变为环流,加上沿岸冲淡水影响,使南海北部陆坡冬季表层水温比间冰期低6—9℃,季节差达8—10℃,远超过太平洋同纬度区的数值。

从海底观察地球——地球系统的第三个观测平台

随着新世纪的到来,海洋科学界正着手建设海底观测系统的网络,以探测和理解大洋系统的物理、化学、生物和地质等过程。这是继地面/洋面和空间之后,观测地球系统的第三个平台。从海底进行连续的实时观测,将使得人类可以长期“呆”在海里,从而改变人类与海洋的关系。同时,这第三平台还将提供窗口,窥测地球的内部过程。

大洋钻探与中国的海洋地质

中国的大洋钻探开始于20年前南海的ODP184航次。20年来,中国在国际大洋发现计划(IODP)中的作用大幅度提升,最近5年里在南海实现了三个半IODP航次以探索其裂谷与扩张过程。积极参加国际大洋钻探合作为中国的海洋地质学科带来了深刻的变化,不但将研究区域从近岸扩大到深海,而且壮大了中国深海科学研究队伍。边缘海构造和气候变化低纬驱动两方面的研究进展,就是成功的例子。现在中国为了增强在大洋钻探国际合作的作用,制定了三步走的方针。作为第二步,中国将提供执行钻探航次的钻井平台,从而进入大洋钻探的核心层。与此同时,中国提出在2020年主办国际学术大会,准备制定2023年以后的国际大洋钻探科学计划。对于中国深海科学界来说,这些新任务都将是空前的挑战,是否能够成功将取决于我们在科学上的准备程度。

西太平洋边缘海对我国冰期干旱化影响的初步探讨

亚洲东部在冰期最为壮观的地理变化是边缘海大片浅海陆架的出露成陆。仅从我国到澳大利亚以北的三大浅海区，盛冰期成陆的面积便可达３．９×１０６ｋｍ２。边缘海中的半封闭海，在冰期时发生海流改组，可以导致表层水温下降的异常。海区面积的减小和海水温度的下降，均导致蒸发量的降低。仅南海的估计，盛冰期水汽供应量便可减少８００—１４００×１０９ｍ３／ａ，约相当现代我国年降水总量的１／８—１／４，是我国陆地冰期气候干旱化的重大因素。