用火山岩制约南海的形成演化:初步认识与研究设想

同其他边缘海相比,南海海山众多,且分布广泛,记录了南海演化以及相关深部过程的重要信息.南海及邻区的火山作用可分成3期:南海张开之前(pre-spreading,>32Ma),张开期间(syn-spreading,32～16Ma)和张开期后(post-spreading,<16Ma).南海张开之前的岩浆活动(64～35Ma)主要局限在南海北缘和华南沿海一带,以双峰式火山岩为基本特征.南海扩张期岩浆活动在南海周边的分布非常少见,而主要分布于南海海盆,但由于海盆中沉积物非常厚,至今未获得该期岩浆的样品.南海扩张期后的岩浆活动广泛分布于中央海盆、西南次海盆、海南岛、雷州半岛、泰国、越南等地,以碱性玄武岩为主,少数为拉斑玄武岩,具有OIB地球化学特征,源于DM-EM2之间的混合地幔源,显示DUPAL同位素异常;火山岩中橄榄石斑晶的Fo含量达90.7%,表明火山岩可能是海南地幔柱活动的产物.南海及邻区新生代火山岩的时空分布可能与南海扩张过程中洋中脊对地幔柱的抽吸作用(ridge suction)有关,如是,南海海盆火山岩可能不是典型的MORB.但令人费解的是,华南大陆边缘-南海海盆的过渡带不具备火山裂解边缘(volcanic rifted margin)的特点.显然,地幔柱活动与南海张开之间的关系尚需进一步的研究.在南海重大研究计划的实施过程中,只有有效规划和组织海底火山岩样品的采集,并加强火山岩成因和深部动力学研究的联系,才能阐明深部过程与南海张裂演化之间的联系.     

南海的形成与演变

南海是东亚陆缘最大的边缘海，构造类型多样，油气资源丰富。然而，科学家们对于南海如何发育演化成今天的局面、深部的驱动机制以及影响因素尚存在诸多争议。为解决上述问题，科学家在南海开展了大量的地球物理调查以及三轮五次的国际大洋钻探，取得重要进展。文章综合多年来的研究和认识，对南海的成因归属和发育演化历史进行了总结。在此基础上提出尚存在的三个前沿科学问题，包括南海主-被动陆缘转换的机制、南海陆缘破裂方式、南海存在大量岩浆活动的机制等，希望能通过更多深探测手段和更多的大洋钻探去揭示这些问题，从而服务南海的资源开发和灾害预警。     

南海的形成与演变

南海是东亚陆缘最大的边缘海，构造类型多样，油气资源丰富。然而，科学家们对于南海如何发育演化成今天的局面、深部的驱动机制以及影响因素尚存在诸多争议。为解决上述问题，科学家在南海开展了大量的地球物理调查以及三轮五次的国际大洋钻探，取得重要进展。文章综合多年来的研究和认识，对南海的成因归属和发育演化历史进行了总结。在此基础上提出尚存在的三个前沿科学问题，包括南海主-被动陆缘转换的机制、南海陆缘破裂方式、南海存在大量岩浆活动的机制等，希望能通过更多深探测手段和更多的大洋钻探去揭示这些问题，从而服务南海的资源开发和灾害预警。     

末次冰盛期西太平洋深层水团的影响急剧增强

现代大洋的深层水主要在大西洋形成,向太平洋输送;而冰期时有可能反过来在太平洋形成,向大西洋输送.但冰期时太平洋真能生成“北太平洋深层水”,还是只能生成“中层水”,这是有待实际材料来回答的争论问题,而南海正是提供这种答案的海区之一.作为边缘海,南海以其广泛的碳酸盐沉积为再造深层水历史提供材料,又以其海槛深度为约2500m的巴士海峡与太平洋水体交换,为追溯西太平洋深部水团的变迁创造条件,从而可以弥补太平洋深水古海洋学研究的不足.     

南海演变与季风历史的深海证据

用深海记录中的地球化学、微体古生物和孢子花粉等多项指标, 获得了东亚季风演变历史, 揭示出近8, 3.2, 2.2和0.4 Ma等事件, 证明东亚和南亚季风的演变有十分相似的阶段性, 主要区别在于冬季风信号的强盛; 而南海南部季风变化的频谱, 显示出低纬海区的特色. 大洋钻探184航次还取得了南海演变的沉积证据, 发现深海相渐新统, 证明海盆扩张初期已经有深海存在; 渐新世晚期地层有4次间断, 并经历明显的成岩作用, 说明是该区最强烈的构造运动; 通过沉积类型和速率的对比, 发现今天南海南北沉积环境的强烈差异, 要到300多万年前方才出现.     

大洋钻探计划(ODP)的最新报道

本刊讯　据王品先院士4月7来电:大洋钻探计划(ＯＤＰ)184航次的研究人员在位于我国南海北部较低陆坡(1884°Ｎ,11657°Ｅ;水深约3300ｍ)的1148井位刚刚打完钻孔海底700ｍ深处的钻孔底部到达早渐新世,而且孔内岩芯都是深海沉积他们已获得我国南海32Ｍａ的历史记录据地球物理学家讲,我国南海深海盆地在32～16Ｍａ前是由于海底扩张而形成的1148Ａ井位的沉积序列涉及了全部时间段,肯定已记录了海底扩张的过程的确,研究人员已获得渐新世剖面的很高沉积速率在中新世,大陆侵蚀引起相当长一段时间物源减少,沉积速率从2～3Ｍａ前再次升高在渐新世中新…     

遨游南中国海,追寻海流方向

<正>长期以来,众多海洋科学家对南海的研究投入了大量的时间和精力.过去对南海的研究多局限于季风驱动的封闭和半封闭海盆,南海通过吕宋海峡与太平洋存在密切的水交换,但对环流形态的认知仍表现为半封闭边缘海海盆环流特征.南海仅仅被动接受外部水体的影响吗?在沟通热带太平洋和印度洋环流过程中,南海是否占有一席之地?王东晓、方国洪等人的获奖成果"南海与邻近热带区域的海洋联系及动力机制"将南海在沟通邻近海域的重要性提升     

“蛟龙”号载人深海潜水器今夏挑战7000米深海

"蛟龙"号——我国自主研发的首个7000米载人深海潜水器,经过不断海试,证实具备深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海生物考察等功能。今夏,"蛟龙"号即将挑战潜海7000米的更高目标。这一目标一旦达成,就标志着中国的载人深潜器将可到达全球99.8%的大洋深底。根据初步计划,今年3月份"蛟龙"号将到南海做一些科考,7-8月将挑战7000米潜海能力。目前正在做大量的准备工作,包括提升保存样品     

揭示边缘海的"生命史"——南海深海过程演变研究

深海是地球表层最晚认识的部分,人类对于深海的知识绝大部分来自最近半个多世纪.1968年开始的深海钻探计划(DSDP),证明洋底在不断扩张;1978年开始的高能底部边界层计划(HEBBLE),证明几千米海底还有"深海风暴";1970年代末发现大洋中脊喷出热液,支持着非光合作用的"黑暗食物链";1990年代又发现海底以下的地壳深处还有"深部生物圈",可能占据地球总生物量的30%.     

中国第四纪深海孢粉研究进展

简述了中国深海孢粉学研究自20世纪90年代开端至今短短十几年中的研究进展, 在这10余年中深海孢粉学成果主要出自南海和东海. 中国所申请和主持的大洋钻探(ODP)184航次为南海深海孢粉研究提供了绝佳的材料. 到目前为止已有数个三四万年至百万年不等的孢粉成果, 东海的冲绳海槽也有一二万年的记录. 深海沉积有较好的连续性, 沉积速率高, 加以比较详细的同位素测年, 因此这些孢粉记录都有很好的分辨率, 为孢粉源区(中国大陆南部及日本等地)提供时间分辨率为百年至千余年不等的万年至百万年的植被、环境及季风演化的历史. 频谱分析发现植被演化也具有地球轨道尺度(100, 41, 23和±10 ka)及亚轨道尺度(Heinrich及Dansgaard/Oscheger事件)的周期变化. 交叉频谱分析还发现百万年以来南海北部植被演化的主要框架是受北半球冰量变化控制的. 冲绳海槽近20 ka以来孢粉记录显示海洋环境变化滞后于周边陆地植被, 其原因可能是大洋中温盐环流传送时间差引起的. 由此可以看到深海孢粉研究在海陆对比中的桥梁作用.     

冰期旋回中热带西太平洋碳源汇过程、机理与效应

冰期旋回是第四纪地球气候变化最显著的特征,热带西太平洋通过水文循环控制全球气候演化,这是“气候演变低纬驱动”理论的核心内容.由于现代热带西太平洋CO₂总体上处于海-气平衡,因此基于“将今论古”的思想,长期以来学术界认为热带西太平洋相对于南大洋等高纬海区在大气CO₂分压(pCO₂)冰期旋回中的作用并没那么重要,从而低估了热带西太平洋通过碳源汇演替调控全球气候的作用.在综合分析上新世以来冰期旋回中热带西太平洋碳源汇过程与机制的基础上,总结出了其气候效应模式,发现冰期时海平面降低导致更多的河流营养物进入海洋,致使近海表层有机碳生产和海底有机碳埋藏加强;同时,远洋为了“补偿”陆架珊瑚礁等钙质生物碳酸盐生产的减少,引起其深部[CO₃^2-]和碱度增加,致使远洋深部碳库增强;另外,开放洋区大型硅藻勃发等有机碳生产演化事件在大洋深部形成呼吸碳库,进一步“放大”了上述增强的深部碳库.这些碳循环过程表明冰期热带西太平洋扮演碳汇角色.间冰期时上述碳循环过程发生的方向或强度与冰期相反,但目前还没有证据...     

台湾新生代层序:反映南海张裂,层序和古海洋变化机制

ODP1148站位记录南海32Ma以来深海层序、沉积、古气候和古海洋变化记录.由于板块聚合,台湾新生代造山带出露原来沉积在南海北坡浅海的层序,提供南海浅海地质记录,以进行和ODP1148深海记录比较.地震反射及微体古生物研究表明台湾造山带古近系是在断陷盆地内沉积的同张裂层序,并为晚渐新世-新近纪后张裂层序不整合覆盖.两者间破裂不整合面缺失晚始新世-早渐新世的地层记录,可对比珠江口盆地T7不整合面,推论南海海洋地壳开始形成时间可能在33～39Ma间.西部麓山带并未发现如ODP1148深海岩心于渐新世/中新世界面附近记录的地层缺失或沉积崩滑现象,显示此沉积事件可能仅影响南海的深海区,而不及浅海陆棚区.南海在中中新世发生的古海洋重组,在台湾浅海区层序则显示在沉积及化石组合的改变.在沉积方面自中中新世上陆坡相沉积改变为晚中新世海滨-沼泽相沉积.在化石组合方面底栖有孔虫丰度自15Ma迅速减少,台湾原生特征种底栖有孔虫在14～13Ma绝灭,12.9～10.2Ma间完全缺乏海相化石,一直到10.2Ma出现现代黑潮陆棚生物组合.此化石组合改变推论可能因12～8Ma时澳大利亚大陆与印度尼西亚火山岛弧俯冲-碰撞,关闭了太平洋-印度洋穿越流路径,强化了北太平洋西边界流.自中中新世南海海洋岩石圈向东俯冲于菲律宾海板块之下,形成增生楔与火山岛弧,台湾造山带增生楔-岛弧的造山演化直接控制南海与西太平洋水团的交换及南海半封闭下古海洋底栖有孔虫氧碳同位素值的变化记录,尤其在下列构造演化事件特别明显:15～8Ma时增生楔形成及火山岛弧喷发活动;6.5Ma时增生楔开始出露;北吕宋火山岛弧3个火山岛间闸口于3.5,～1,及0Ma关闭.这些事件发生时南海深海底栖有孔虫碳同位素值呈明显负偏移.     

南海海盆残留扩张中心地壳速度结构对比及构造意义

南海西北、西南和东部3个次海盆停止扩张之后都存在岩浆活动,扩张中心有多个海山.为了研究海山和扩张中心的地壳结构特征,本文使用穿越南海西北次海盆扩张中心的广角地震剖面(测线OBS 2006-p1),针对海盆区域,通过P波二维地震射线追踪正演,获得了西北次海盆垂直扩张方向的深部速度结构,讨论了西北次海盆及其扩张中心深部地壳结构特征;并结合南海东部次海盆和西南次海盆横穿扩张中心的海底地震仪(ocean bottom seismograph,OBS)剖面,对不同海盆的地壳结构进行了对比研究,获得了扩张后期岩浆活动对洋壳改造的新认识:(1)发现西北次海盆地壳具有明显的洋壳性质,莫霍(Moho)面埋深为11~12 km(从海平面起算),地壳厚度为6~8km,速度为5.7~7.0 km/s.扩张中心轴部双峰海山为西北次海盆扩张之后岩浆活动的产物;(2)西北次海盆、东部次海盆、西南次海盆东北部沿垂直扩张脊方向地壳速度结构均有明显的横向变化,在扩张中心处都表现为洋壳厚度增大约1 km,莫霍面埋深增大,表明后期岩浆活动对地壳结构有较大的改造作用.     

中国大洋钻探二十年

正1998年,经国务院批准,我国正式加入国际大洋钻探计划,即现在的国际大洋发现计划.20年来,我国通过参加这个计划,取得了一系列重大科学成果,特别要指出的是,在南海深海探索上,我国科学家所取得的成果尤为国内外同行所瞩目.大洋钻探是迄今为止深海研究领域乃至整个地球科学研究历史上,规模最大、历时最久的国际合作项目.从1968年美国钻探船在墨西哥湾进行深海钻探开始,50年来大洋钻探的规模和水平节节攀升.到现在为止,在全球各大洋已钻井3700余口,取芯40多万米,开辟了探索地球深部的有效途径,推动了地球科学的     

浊流成因海底沉积波形成机理及其数值模拟

近些年来, 随着深水油气勘探的不断深入, 对于深水沉积过程的研究也越来越受到关注. 虽然目前关于海底沉积波的形成机理还存在很多争议, 但已有现代沉积实例证明至少浊流是可以形成海底沉积波的. 通过数值模拟的方法来研究海底沉积波的浊积形成机理, 不但可以阐明海底沉积波的形成过程, 而且对于海底工程、深水沉积动力学及深水油气储层预测都具有重要意义. 通过流体动力学模拟, 计算了流体区域的基于时间平均连续性方程和雷诺平均N-S方程, 研究了地形对浊流的影响, 阐明了海底沉积波的形成机理. 模拟结果表明: (1) 首先在坡的下游方向开始沉积是由于流体的减速, 导致密度增大, 浊流携带固体颗粒物的能力(流体容量)降低和较长时间的流体经过所造成的; (2) 在一个隆起的上坡处密度增大是由于隆起峰部流体的局部堵塞, 导致上坡处流体速度降低和压力升高所造成的; (3) 沉积首先从距浊流源头较远的地方开始, 随着迭代次数的增加, 即个体浊流事件的增多, 沉积波向上游迁移; (4) 随着颗粒粒径的减小, 沉积越来越慢, 但粒径并不影响地形对沉积的控制及沉积体的几何形态和沉积顺序.     

菲律宾海钱洲深海峡谷沉积作用与发育演化

根据高分辨率多波束探测和载人深潜器Shinkai6500直接观察, 钱洲深海峡谷表层沉积过程有与其他大型深海峡谷相同的特征. 钱洲海槽上段遭受剥蚀或见有少量沉积, 中、下段则以浊流和碎屑流沉积为特征. 在斜坡下部发现涌水低温动物群、活动断裂和流体活动. 钱洲海槽垂向沉积层序的变化包括四国盆地扩张后的4个沉积层序, 其中上部层序A和B是浊流沉积. 然而, 深海峡谷的演化则与构造极为密切. 上段深切谷与南北向的剪切断裂有关, 东西向扇道则与东西向剪切断裂有关. 而海槽轴向水道发育则与盆地中央的沉降有关.     

中科院院士、同济大学海洋地质国家重点实验室汪品先撰文谈地球系统的第三个观测平台——从海底观察地球

随着新世纪的到来,海洋科学界正在着手建设海底观测系统网络,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,将使得人类可长期"呆"在海里,从而改变人类和海洋的关系.     

汪品先院士专访:《中国科学》《科学通报》70周年之际的回忆与期望

<正>汪品先院士出生于1936年,1991年当选中国科学院院士,现任同济大学教授.近年来,汪品先主持国家自然科学基金重大研究计划"南海深部计划",并大力推广"地球系统"概念.2018年,82岁高龄的汪品先院士还3次随"深海勇士"号深潜器潜入深海,圆梦大洋探索.在2020年"两刊"(《中国科学》《科学通报》)创刊70周年之际,《中国科学》杂志社专访汪品先院士,回顾他与"两刊"20多年的情谊,也探讨中国学术期刊的发展方向.     

南海西南海盆的渐进式扩张

在总结渐进式扩张基本特征的基础上,通过对南海西南海盆的高分辨率多波束构造地貌分析及其与多道地震剖面的综合对比研究,结合磁条带异常的识别,建立了西南海盆渐进式扩张的构造演化动力模式.这种渐进式扩张从北东向西南逐步推进,在构造机制上表现为从稳态的海底扩张,到非稳态的初始海底扩张,再向陆缘张裂的逐步转化.西南海盆的扩张属构造主导型的海底扩张,存在一系列非均匀的构造、沉积作用现象.     

陆相断陷湖盆中滑塌浊积扇的识别

近30年来,人们重视了盆地边缘斜坡三角洲与盆地深海(湖)平原浊积扇之间的成因关系研究,并认识到与三角洲有关的浊积扇在湖盆中要比海盆中更加发育.后来,Heller提出了三角洲-海底扇体系的沉积模式,把海底扇进一步划分成近源斜坡扇和远源斜坡扇两个次级