北极地区与全球变化

北极并不仅限于北极点,通常称北极地区,是指地球北极圈(北纬66°33')以北的广大区域,包括北冰洋的绝大部分水域、格陵兰岛、冰岛等岛屿以及欧亚大陆、北美大陆的北部地区.总面积约2 200万公里2,其中陆地面积约800万公里2,北冰洋面积约1 470万公里2.北冰洋是由环北极的欧洲、亚洲和北美洲的大陆所包围、近于封闭的冰冻海洋,为世界第4大洋,有许多边缘海,如挪威海、格陵兰海、巴伦支海、喀拉海、拉普捷夫海、东西伯利亚海、楚科奇海和波弗特海等.     

气候变化的不确定性

对于北极地区的气候变化研究,打乱了科学家预报气候的计划——科学家了解到的北极气候变化要比预想的快——因此不能期望计算机程序根据今天的气候条件来预报明天的气候变化.4月中旬,<自然>杂志刊登了有关这一挑战的评论,而在这一评论中的样本就是格陵兰岛.     

关于地幔柱大辩论

地质过程最终是地球热演化的结果.板块构造理论之所以能解释板块边缘所有地质现象,正是因为地幔冷却的缘故.例如,大洋板块在洋中脊形成,这些板块的运动和生长以及最终通过俯冲消减进入地幔是使地幔冷却降温的有效机理,从而导致大规模的地幔对流.地幔柱能解释如板内岩浆活动等另     

冰期气候突变的高低纬同步性

<正>一项最新发表在Science上的研究表明^[1],北极格陵兰岛冰芯记录的末次冰期中发生的气候突变事件与中低纬度的气候变化是同时发生的.由于积雪年复一年的堆积,地球两极的格陵兰岛和南极大陆形成了厚厚的冰盖.冰盖中不同冰层间的微小气泡,保留了当时大气的水分子和其他粒子,为我们了解地质历史时期的地球古气候和古环境提供了独一无二的记录载体.例如,气泡中的化学成分可以记录过去的温室气体(比如二氧化碳)的水平,而火山灰或沙尘则暗示着强大的火山喷发或显著的全球干旱.它们像古生物化石,     

全球岩石圈板块为什么会运移?

全球岩石圈板块运移的动力学机制,长期以来始终是一个议而不决的难题。地质演化历史的大量信息都埋藏在岩石圈内部,很少出露地表。然而,近2亿年来的地质信息出露比较多,资料也比较可靠,学者可对此问题进行探讨。根据全球中、新生代7次板块运动模式的变化,可以认为岩石圈板块的运动是由巨大的陨石撞击地球表层诱发的,而不是如流传很广的"地幔传送带模式"假说所认为的那样产生的。每隔3 300万年左右,地球都会随太阳系一起穿越一次星际物质较密集的银道面,引起引力场的巨变。引力场的改变使一些小行星改变其原来的运行轨道,从而导致地球表层受到来自陨石的不同角度的撞击,诱发地球岩石圈板块运动方向或模式的改变。     

岩石圈中部不连续面的成因及其动力学意义

地球物理和岩石地球化学研究揭示岩石圈地幔在物性和化学组成上极为不均一,保存了地球演化的大量记录.近20年来的地震学探测结果,指示大陆岩石圈中部广泛存在速度不连续面,大多表现为速度明显降低的梯度带,与各向异性和地幔浅部的高导层有较好的一致性,主要分布在60～120 km深度.但是,其成因目前尚未形成共识.在经典板块构造的框架内,基于已有的对岩石圈和岩石圈-软流圈边界的认识,我们追溯了岩石圈中部不连续面的地球物理探测历程及其主要结果,给出了地震学定义的岩石圈中部不连续面的矿物岩石学解释和大地电磁资料提供的电性约束信息.在梳理目前的主要解释模型后,重点介绍了岩石圈中部不连续面是"冻结的"大洋岩石圈-软流圈边界的观点,并进一步拓展为一种工作模型—动态演化的LAB模型,依此讨论了这一解释模型潜在的重要动力学意义.我们认为,对岩石圈中部不连续面开展多学科的综合研究,有可能为突破经典板块构造假说提供新的机会,中亚显生宙增生型岩石圈和华北板块岩石圈是研究这一问题极好的天然实验室.     

中国大陆岩石圈的形成、演化与特征

中国大陆岩石圈是由37个以上的小地块所组成的,各地块统一结晶基底的形成时期各不相同。它们从元古宙到新生代一直在运移、变位：古生代处在以离散为主的状态,都位于特提斯洋内;古生代晚期、中生代与新生代则为逐渐聚合的过程,最后就汇聚成现在的中国大陆岩石圈。在周边板块运动的影响下,中国中部与西北部形成基本正常的大陆岩石圈,东部在侏罗纪以来则形成具有陆壳洋幔型的、较薄的岩石圈,而西南部的青藏地区形成陆壳增厚型岩石圈。中国大陆岩石圈内部可以发生多圈层的滑脱作用,除岩石圈底面的滑脱作用之外,还可以在莫霍面与中地壳低速高导层等界面发生滑脱,使岩石圈的内部结构变得十分复杂,并由此派生出较强的构造变形、岩浆活动与内生成矿作用。针对中国大陆岩石圈的特殊性,深入研究岩石圈演化的具体特征,具有十分重大的理论意义与实用价值,也可进一步丰富和发展全球板块构造学说。     

论华北克拉通破坏的时限

华北克拉通破坏时限的确定是探讨克拉通破坏机制及其动力学控制因素的关键, 长期以来存在较大的分歧. 华北克拉通破坏的提出标志着其内涵已经不仅仅局限于岩石圈减薄, 还包括岩石圈物质成分、热状态和流变学性质以及相关的岩浆作用等方面的变化. 由于后几种变化不一定只与岩石圈伸展关联, 因此, 克拉通破坏时限不能光靠伸展构造来确定. 本文从岩浆生成和演化的基本原理出发, 厘定了与克拉通破坏有关的岩浆活动标志, 并结合该地区岩浆性质和盆地演化的特征, 对华北岩石圈破坏的时限进行了约束, 获得以下认识: (1) 华北岩石圈减薄作用可能始于晚石炭纪-晚三叠纪, 在晚侏罗纪-白垩纪达到高峰, 并一直持续到白垩纪末期-新生代早期, 因此华北岩石圈减薄是一个相对缓慢的过程; (2) 克拉通边缘和内部的岩石圈薄弱带在华北克拉通破坏中的作用显著, 造成了克拉通破坏的时空不均匀性; (3) 导致华北岩石圈破坏的构造控制因素可能是多元的. 晚石炭纪古亚洲洋的南向俯冲以及后续的碰撞作用和晚三叠纪华南-华北板块的碰撞作用对华北克拉通破坏起到了“唤醒”的作用. 太平洋板块的俯冲对华北岩石圈破坏的影响则是决定性的, 是导致这一地区现今盆地和主要构造线的走向, 岩浆作用性质的演变以及南北重力梯度带的形成的主因.     

俯冲带的塑性变形分析

大陆漂移与海底扩张的理论在板块构造的方案中被结合在一起,按照这个方案,刚性岩石圈(包括大陆和大洋地壳)的薄板片在上地幔中粘性较差的软流圈上移动,特别是大洋板块,由于地幔的对流或其它原因由海岭向两边扩张,在岛弧地区或活动大陆的边缘沉入地下,通过软流圈完成对流的循环。     

探索大洋碳储库的演变周期

南沙深海钻孔ODP1143井的5 Ma沉积记录, 揭示出碳同位素变化有0.4~0.5 Ma长周期, 并通过对比证明为全大洋所共有, 反映了大洋碳储库的低频变化. 此类周期性也见于碳酸盐和热带风尘沉积, 说明是由季风等低纬区过程所引起. 无论1143井或其他大洋的第四纪记录, 都表明碳同位素重值期(δ¹³C_max)所反映的大洋碳储库改组, 发生在冰盖大扩张和冰期旋回变型(如“中更新世革命”、“中布容事件”)之前, 证明了碳循环对于冰期变化的调控作用. 可见第四纪冰期旋回应当是高纬与低纬过程, 物理作用(冰盖)和生物地球化学作用(碳循环)相互结合下“双重驱动”的产物, 不能只靠北半球高纬区响应轨道驱动的物理因素来解释. 由于当前地球正处在又一次碳同位素重值期, 理解大洋碳储库的周期演变及其气候影响实属当务之急. 文中还对第四纪以前大洋碳、氧同位素的变化进行比较, 发现在0.4 Ma偏心率长周期上两者同步变化, 随着北极冰盖的发育才失去耦合关系.     

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.     

不同时空背景幔源物质对比与华北深部岩石圈破坏和增生置换过程

华北克拉通地幔破坏作用, 使之成为世界研究大陆形成演化的最理想地区之一. 但有关破坏机制、时限、范围及其动力学背景, 甚至破坏前岩石圈状况等相关联问题都存争议. 华北东部不同时代(如古生代、中生代和新生代)、位置(如地块内部与边缘、郯庐断裂带和重力梯度带)火山岩所携带捕虏体橄榄岩, 及其南侧苏鲁-大别造山带地质体橄榄岩等直接的岩石圈地幔物质对比表明: 华北古老岩石圈是不均一的、存在幔内薄弱带, 中生代、新生代岩石圈减薄作用包括地幔伸展、熔体-岩石作用、不均匀侵蚀减薄与小幅增生增厚, 从而实现难熔克拉通地幔被新生饱满岩石圈地幔置换作用等复杂过程. 早中生代时, 扬子大陆深俯冲碰撞引起华北岩石圈的完整性受影响甚至破坏、边缘受俯冲陆壳释放熔/流体交代改造、岩石圈地幔伸展和构造侵位以及受山根断离扰动软流圈物质上涌侵蚀等; 早白垩世-早第三纪时, 太平洋板块俯冲进一步扰动软流圈并强烈上涌侵蚀上覆岩石圈引起它的巨大减薄作用; 晚第三纪以来上涌软流圈的热沉降作用带来小幅度岩石圈增生增厚过程, 最终实现了已存岩石圈被新生地幔置换和岩石圈整体的减薄作用, 并由此构成了陆内造山和克拉通盆地形成耦合过程的深部驱动力. 郯庐等岩石圈深大断裂带是软流体物质上涌的良好通道, 同时由于在岩石圈内部起通道作用的幔内薄弱带是不规则的, 它们引导着软流圈物质侵蚀岩石圈和岩浆喷出地表的时间存在早、晚不一致现象. 喷发时代为100 Ma的玄武岩所捕获的橄榄岩主体是饱满的, 说明华北东部的一些地区在此之前(如125~100 Ma)曾有过地幔置换作用发生.     

穿行在时空边缘——东亚晚新生代哺乳动物形态功能演化与生态环境互动

正哺乳动物大规模适应辐射并占领地球陆地生态系统的主要空间,构成了新生代以来最重要的生物演化事件.哺乳动物演化事件序列促使哺乳动物自身面貌由古老向现代类群转变,同时也为新生代地质环境演变提供了完整的相对时间框架.在这一过程中,晚新生代是哺乳动物演化和发展的关键时期[1].晚新生代全球气候强烈波动,大趋势由暖湿转向干冷[2],也带动了人类崛起的宏大事件.研究晚新生代哺乳动物与环境的协同演化,对于探求全球气候变暖下人类的控制和应对策略,以及人类宜居环境构建等重大研究计划具有非常重要的指示性意义.     

大别-苏鲁造山带碰撞后的岩石圈拆离

应用地质、各市地球化学及地球物理3个方面已有的研究结果,探讨大别-苏鲁造山带碰撞后岩石圈撤拆离发生的可能性及发生时代,大别山超高压变质（UHPM）岩第1次快速冷却时代（226～219Ma）与秦岭-苏鲁地区同碰撞花岗岩年龄（220～205Ma）的一致性,说明UHPM岩石第1次快速抬升与俯冲板块断离有关,因此它们的第2次快速抬升（180～170Ma）需要碰撞后的岩石圈拆离,同时导致大别山170Ma左右的岩浆事件,此外,早白垩世（130～110Ma）大别山穹隆的迅速隆升及相对应的大规模岩浆事件也需要另外一次岩石圈拆离,碰撞后幔源镁铁-超镁铁岩侵入体的同位素年代学及相互关系的研究表明,大别-苏鲁造山带碰撞后的早白垩世大规模岩浆事件源于深部软流圈地幔上涌,辉石-辉长岩随MgO降低,SiO2也下降的分离结晶演化趋势,及典型的下地壳地球化学特征表明,这一幔源岩浆在侵入地壳之前曾经历过岩浆的板底垫托（underplating）过程及与下地壳相互作用,岩石圈拆离可能是引发造山带碰撞后地幔上涌及岩浆板底垫托事件的原因,大别-苏鲁造山带的地震层析结果显示,大别山南北两侧岩石圈均已显著减薄,除合肥盆地靠近郯庐断裂部分的岩石圈减薄可能与新生代玄武岩事件有关系外,因为大别山缺乏新生代玄武岩事件,大别山区的岩石圈减薄可能主要是岩石圈拆离造成的,此外,在40km处该带普遍存在一薄的低速层,以及该带白垩纪存在盆地 穹隆 盆地的耦合关系,均显示了该造山带两侧曾发生了岩石圈拆离和岩浆板底垫托作用。     

日本岛弧的滚卷趋势与亚洲大陆边缘的蠕散

亚洲东部与东南部边缘海沟-岛弧-弧后盆地系统是以大陆型地壳向大洋型地壳转化为主要趋势的一类过渡型地壳区。这一转化过程是由于大陆岩石圈向大洋岩石圈的仰冲及蠕散运动完成的。大洋岩石圈向大陆岩石圈下面的俯冲晚于大陆向大洋的仰冲,这种俯冲对沟弧盆系的最后定型起辅助作用。日本岛弧的滚卷是大陆岩石圈仰冲的一种特殊形式。     

太行山中南段早白垩世岩石圈地幔的水含量:对华北克拉通破坏的动力因素的制约

已有的研究表明,华北克拉通东部的岩石圈地幔在克拉通破坏峰期(早白垩世)时是高度富水的,水化造成的岩石圈强度的显著降低为克拉通破坏提供了前提.古生代以来华北克拉通经历的大洋板块南向、北向和西向的俯冲都可能造成其水化.为了查明造成水化的主导过程,本文对太行山中南段符山早白垩世高镁闪长岩中的橄榄岩包体进行了水含量的测定.数据显示,太行山早白垩世岩石圈地幔的含水量(~40 ppm)远低于华北东部同期的岩石圈地幔(1000ppm).这些结果直观地表明,华北东部早白垩世岩石圈地幔的高水含量主要是由西向俯冲的太平洋板块造成的.从这个角度来说,华北克拉通破坏的主要动力因素可能是太平洋板块俯冲.     

橄榄岩-熔体相互作用: 克拉通型岩石圈地幔能够被破坏之关键

对近年来华北克拉通不同时代地幔橄榄岩捕虏体和捕虏晶的研究结果进行了系统的归纳和总结, 旨在为华北克拉通破坏过程的进一步研究提供新的思路. Re-Os同位素研究结果证明华北岩石圈减薄前岩石圈地幔的确形成于太古代. 这种密度低、难熔程度高的古老岩石圈地幔能够被破坏和减薄的关键是由橄榄岩与多来源熔体的相互作用造成岩石圈地幔的组成和物理性质的改变引起的. 华北克拉通周边板块的俯冲-碰撞作用不仅提供了克拉通破坏的动力来源, 而且俯冲下去的大陆壳或大洋壳物质熔融还为岩石圈地幔组成的改变提供了源源不断的熔体. 120 Ma左右的区域性热异常的存在导致已经被改造的岩石圈地幔熔融, 此时或随后岩石圈的伸展作用以及软流圈上涌进一步加剧了地幔的熔融和岩石圈的减薄. 因此, 华北岩石圈的破坏和减薄是橄榄岩-熔体相互作用(加挥发分)、区域热异常的升高(增温)和岩石圈伸展(减压)联合作用的结果. 这一复杂的地质过程最终形成了华北中生代、新生代高度化学不均一的“混合”岩石圈地幔, 并导致了不同地区不同时代地幔橄榄岩捕虏体组成的巨大差异.     

青藏高原的新生代鱼化石及其古环境意义

新生代期间印度-亚洲板块碰撞引起青藏高原快速隆升,将青藏高原转变为与其周边较低地域相隔离的"生态岛".伴随着栖息地被迅速抬升到更高地区的鱼类,积累了适应环境变化的基因和形态特征,演变为新物种.一如加拉帕戈斯群岛之于达尔文,青藏高原同样为我们提供了一个研究"演化进行时"的巨大实验室.此外,由于内陆鱼类局限于内陆水域,其化石亦通常在原地埋藏,而且鱼类的分布严格受水系格局的限制,而水系格局又受地质事件的制约,其系统演化与隆升并进尤为明显.因此鱼化石研究可揭示诸如古气候、古水系格局、古高度等古环境方面的因素,进而协助重建高原隆升的历史.近年来我们在青藏高原发现了非常丰富且保存精良的新生代鱼化石,其中包括裂腹鱼亚科内罕见的全身长有粗骨头的伍氏献文鱼(Hsianwenia wui),它曾生活在含钙极高的特殊盐度的水域中,见证了柴达木盆地的干旱化过程.青藏高原新生代鱼化石的研究显示,有些现在已经相当高的地点,在渐新世、中新世和上新世时仍分别处于很低的地位,而另几个地点在上新世时就已经和现在高度大致相当.我们还推算出,从晚上新世到现代东昆仑的抬升幅度不会超过1000 m.这与目前氧、碳同位素的研究结果(即东昆仑同期曾抬升了2700±1600 m)很不相同,但我们认为化石证据或更可信些.     

北极格陵兰科学考察

第一次进入北极格陵兰地区考察,笔者密切关注全球气候变暖对北极格陵兰冰雪的影响,格陵兰西海岸和斯瓦尔巴德群岛自然环境的异同。考察研究表明,全球气候变暖对北极格陵兰冰盖西部影响很大：冰盖融化形成的天蓝色冰湖比比皆是,冰川退缩显著,在峡湾中的冰川退缩后形成了奇特的冰山群。这些现象警示我们,在全球变暖的大背景下,人类一定要自律,尽量减少排放各种温室气体,切忌火上浇油,尽可能地为人类应变气候灾变赢得时间。另外,北极格陵兰西海岸和北极斯瓦尔巴德群岛的自然环境相似,由于受海洋暖流的影响,在冰雪世界中镶嵌着色彩缤纷的绿洲。     

中国北极科学考察成绩斐然

2003年7月15日至9月26日,由中国国家海洋局组织进行了北极变化及其对我国气候环境的影响的中国第二次北极科学考察。这次北极科考标志着我国在极地组织实施大型国际合作综合考察的能力和总体实力已经跨入国际先进行列,大大提高了我国北极科学研究水平和中国北极考察的国际影响力,为国际北极科学研究做出了贡献。北极地区由于独特的自然条件和地理位置,与南极地区一样在全球变化的研究中占有举足轻重的位置。北极地区的气候环境过程直接影响我国的气候与环境变化,关系到我国经济资源与经济建设、自然环境变迁和未来的可持续发展。○我国地处…