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.     

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.     

南海深海相渐新统孢粉记录

大洋钻探184航次从南海取得了距今32.8 Ma以来的深海沉积记录, 其中的渐新世(32.8~23.8 Ma)沉积包含丰富的孢粉化石. 1148站孢粉分析建立了中国首例深海相渐新统孢粉组合序列. 孢粉组合以山地针叶树花粉为优势组分, 阔叶树花粉含量较低. 二者均以热带、亚热带植物分子为主, 但也含山地喜凉、干植物分子. 南海深海相渐新统孢粉组合序列在距今32.0 Ma显示明显的变化, 反映了南海地区渐新世气候的一次重大转折. 孢粉植物群特征表明32.0 Ma以前南海邻近陆地的植被以热带山地雨林和低地雨林为主, 南海地区具热而湿润的气候条件; 32.0 Ma以后的渐新世孢粉植物群中温带高山针叶树和山地喜温干落叶阔叶树增多, 表明此后南海地区的气候变得较为凉干.     

12~1.6 Ma BP南海南部深海沉积物孢粉记录及其对全球变化的响应

通过南海南部ODP1143孔512~76 m层段深海沉积物的孢粉数量统计, 讨论了南海南部周边岛屿及大陆架上12~1.6 Ma BP时段孢粉组合和植被演替序列. 研究表明, 8.15 Ma前, 各类型孢粉沉积率很低; 8.15 Ma后, 孢粉沉积率急剧升高. 一方面, 是由于此时南海南部周边地区发生构造运动, 岛屿急剧上升, 导致了沉积物和孢粉沉积率升高; 另一方面, 在构造运动变化的大背景下, 孢粉沉积率的升高也与此时气候变冷, 季风增强有关. 2.63 Ma BP是另一个明显的界限, 在这之后, 花粉及蕨类孢子沉积率均明显增加, 主要与此时全球气候变冷有关. 孢粉沉积率变化的频谱分析表明, 12~3.0 Ma BP时段发现了2, 0.67和0.19~0.17 Ma的准周期; 3.0~1.6 Ma BP时段存在0.1 Ma和46.9 ka的地球轨道周期.     

南海第二次国际大洋钻探获得完整深海岩芯记录

<正>由中国科学家设计、建议、并主持的国际综合大洋发现计划(2013~2023)的第一个航次——IODP349航次,于2014年1月28日从香港起航,在南海进行了两个多月的科学钻探后,至3月30日在基隆靠港,顺利完成5个站位的取芯和2个站位的地球物理测井,钻探深度共4317 m,沉积岩取芯1503 m、基底玄武岩取芯近100 m,最大井深1008 m.航次首次获取了南海深海盆的岩芯记录,来自11个不同国家和地区的32位科学家同舟共济,初步完成大量的地质、     

末次冰期以来南海北部孢粉记录的植被演化及千年尺度气候事件

对南海北部大洋钻探ODP1144站(20°3.18′N, 117°25.14′E, 水深 2037 m)上部(0~31 m, 27~0 kaBP)共 180个孢粉样品进行了分析研究, 时间分辨率为150年/样. 孢粉谱的主要特征是全新世时松属花粉占优势, 末次冰期时草本植物花粉占优势, 但仍然有一定数量的热带亚热带植物花粉; 18kaBP前后热带亚热带植物花粉沉积率开始升高, 草本植物沉积率以及百分含量都开始迅速降低, 意味着此时气候开始变暖变湿润, 导致大陆甚至出露的大陆架上开始生长更多的热带亚热带植被以及温带植被, 而原来大陆架上广为发育的草地范围相应缩小, 表明冰期时南海北部出露的大陆架上除了占优势的草地, 仍然可能生长热带亚热带以及温带落叶植被. 这也进一步深化了我们之前对冰期时南海北部出露的大陆架上生长的植被的认识. 详细的对比表明, 孢粉组合的变化要早于氧同位素记录指示的海平面的变化, 表明中低纬度地区气候变暖早于高纬度极地冰盖的后退. 还讨论了孢粉组合反映的植被变化所记录的千年尺度的气候事件.     

南海20万年来的碳同位素记录

根据南海8个站位浮游有孔虫δ¹³C的汇总, 得出近20万年来的综合曲线, 经过对比发现其变化与太平洋和大西洋的浮游有孔虫δ¹³C变化的规律一致, 均显示出偏心率长周期和岁差周期的变化, 而三次δ¹³C最低值均发生在冰消期. 可见大洋碳储库在冰期旋回中的变化, 不仅是对于冰盖消长的响应, 同时又直接受低纬过程(如季风)的驱动.     

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.     

南海大洋二次钻探获多项新发现

正由中国科学家建议、设计并主持的"国际大洋发现计划"349航次(IODP349航次)日前画上句号。这是新十年(2013~2023)"国际大洋发现计划"的首航,也是中国第二次在南海实施大洋钻探。中国科学家上一次赴南海钻探,还是1999年。IODP349航次由美国深海钻探船"决心"号执行,2014年1月28日从中国香港起航,3月30日在中国台湾基隆港靠岸,历时62天。同济大学海洋地质国家重点实验室教授李春峰、美国伍兹霍尔海洋研究所研究员林间联合担任该航次首席科学家,共有13名中国科学家上船参与科考。     

南海第四纪冰期旋回中的碳酸钙泵

碳酸钙的保存与溶解(即碳酸钙泵)通过其缓冲器效应控制着世界大洋的酸碱度, 进而可能对全球大气CO₂浓度的变化起着重要作用. 南海大洋钻探ODP 1143站2 Ma以来的碳酸钙分析, 提供探讨第四纪冰期旋回中碳酸钙泵作用的高分辨率记录. 统计研究结果表明, 南海第四纪冰期至间冰期过渡期, 碳酸钙堆积速率的最高值领先于δ ¹⁸O最轻值约3.6 ka; 而间冰期至冰期过渡期, 碳酸钙溶解程度最高值滞后于δ ¹⁸O最轻值约5.6 ka. 碳酸钙泵在冰期至间冰期过渡期向大气释放CO₂, 而在间冰期至冰期过渡期将大气CO ₂泵入深海. 碳酸钙泵的这种海水CO₃^2-浓度的调节功能, 直接控制全球大气CO₂的部分变化, 从而影响第四纪全球碳循环系统.     

南海南部1.2 MaBP以来古生态环境变化事件的放射虫记录

研究了南海南部ODP184航次1143站约1.2MaBP以来岩芯中的放射虫化石，通过分析其变化趋势得出以下沉积分布特征：1.2MaBP以来该海区放射虫动物群的丰度水平经历了由0.9MaBP以前的析低水平，到0.9～0.6MaBP的小幅度升高，以及0.65Ma之后大幅显著回升的变化过程，丰度值在整个过程中呈阶段性逐步上升趋势，并存在规律性周期波动，分析认为，0.65MaBP以后放射虫丰度的显著升高指示0.65MaBP以后该海区属典型的上升流区，推测其原因为东亚季风的逐步强化，频谱分析发现，放射虫指标的变化在0.9MaBP之后存在约0.20Ma的旋回周期，同本海区其他古海洋学指标的周期分析结果有良好对应，这一结果可能指示本海区特殊的古生态环境周期演变特征，同时，对0.1Ma和23ka的轨道周期也有所响应，此外，放射虫的多项指标综合显示了大约0.47MaBP存在的明显变化界线，在此年代之后放射虫动物群开始显现显著的群落结构稳定，丰富值保持较高水平波动的状况，指示了0.47MaBP前后一次海洋生态环境突变事件。     

南海北部深海沉积元素记录的氧同位素3期以来千年尺度快速气候波动

对南海北部MD05-2903岩芯进行的高分辨率元素含量测试发现,K/Ti值可较完整、细致地揭示出氧同位素3期(MIS 3)以来的千年尺度快速气候变化,应是目前从南海深海沉积中获得的该时期分辨率最高、千年尺度气候变化信号最强的古气候记录.与高纬极地冰芯及北半球中-低纬石笋氧同位素记录的对比发现,MD05-2903岩芯K/Ti值具有类似锯齿状的气候变化特征.粒度分析发现,K/Ti值与细端元粒度组分含量同步变化;矿物成分测试表明,富K的伊利石含量在K/Ti峰值处明显比低值处增高,含Ti重矿物的含量变化则相反.因此认为,在千年尺度上,K/Ti值反映了以伊利石为主的富K细粒风化矿物和含Ti重矿物在冰阶和间冰阶对南海北部的输入及沉积变化,而这受到了东亚季风变迁带来的降雨变化,以及随之引起的陆地母岩风化产物剥蚀程度及河流搬运能力变化的控制.     

砗磲记录的南海西沙晚全新世温暖期的高海温特征

IPCC第四次报告中利用长尺度综合法获得的全球平均温度表明北半球20世纪后半叶的温度很可能是过去1300年来最高的50年,并且20世纪最后10年很可能是过去1300年中最温暖的10年.但是,此结论仍然存在争议,其中一个争论的焦点就是最近半个世纪的温度是否高于中世纪气候异常期(Medieval Climate Anomaly,MCA,AD 800~1300)和罗马暖期(Roman Warm Period,RWP,BC 200~AD 400)这两个距今最近的晚全新世自然温暖期.本研究从南海北部西沙群岛采集了两个库式砗磲,定年结果显示这两个砗磲的存活时代分别位于MCA期间(AD990±40)和RWP期间(AD 50±40).对这两个砗磲进行高分辨率?18O和Sr/Ca比值测试,结合前期现代砗磲的研究结果,定量重建了MCA期间(AD 990±40)和RWP期间(AD 50±40)两个时间段的高分辨率海表面温度(sea surface temperatures,SSTs).结果表明AD 990±40和AD 50±40附近的平均SST分别为28.1和28.7℃,比AD 1994~2005的平均SST分别高出了0.8和1.4℃.根据本研究中砗磲的高分辨率高精度定量重建结果,结合中国东部和西北地区其他树轮、湖泊沉积物、文献记录等重建结果,认为在中国西北到南海北部的广大区域,最近几十年的温度很可能并没有超过MCA时期的自然变化范围.     

南海ODP 1143站第四纪高分辨率的蛋白石记录及其古生产力意义

南海南部ODP 1143站位第四纪以来的蛋白石含量及其堆积速率与底栖有孔虫氧同位素记录的对比显示, 900 ka以来蛋白石含量及其堆积速率在间冰期明显增加, 而冰期降低, 反映了间冰期高的表层生产力, 可能是由于间冰期夏季风的加强, 从而导致了上升流的增强和营养提供的增加. 底栖有孔虫氧同位素记录与蛋白石含量及其堆积速率的时间序列频谱分析结果表明, 900 ka以来南海南部表层生产力变化主要受地球轨道周期的驱动.     

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%.     

南海北部地区百万年以来的天然火与气候:ODP1144孔深海沉积中的炭屑记录

通过南海北部陆坡ODP1144孔沉积柱状样的炭屑数量统计, 结合花粉资料讨论了南海北部大陆及大陆架上1 Ma以来天然火的历史及其与气候的关系. 研究表明, 炭屑的数量及大小与搬运距离有关; 搬运距离越短, 炭屑数量越多, 而粗粒炭屑与细粒炭屑的相对比值也越大. 冰期时(氧同位素偶数期)炭屑沉积率均很高, 粗粒炭屑与细粒炭屑比值较大; 间冰期时(氧同位素奇数期)炭屑沉积率相对较低, 粗粒炭屑与细粒炭屑比值较小. 这表明冰期时炭屑主要来源于出露的大陆架, 炭屑源区与沉积地点距离缩短; 间冰期时大陆架被淹没, 炭屑只能来源于南海北部周边大陆, 炭屑搬运距离增长. 整个钻孔剖面碳屑沉积速率变化规律表明在0.9, 0.47和0.13 Ma前后, 天然火发生强度都有明显增强, 表明这些时段气候发生明显变化, 可能与青藏高原的阶段性隆起有关. 频谱分析表明, 1 Ma以来碳屑沉积速率变化明存在99.1, 41 ka的轨道周期以及10 ka(12~8 ka)的半岁差周期. 半岁差周期的存在也反应了热带低纬过程对气候变化的影响.     

南海珊瑚灰度记录中反映人类引起的气候变化信息

分析了南海西北部珊瑚生长带的长期趋势变化. 珊瑚生长带资料提供了综合的气候环境变化信息. 研究表明, 近两个世纪南海西北部珊瑚年平均密度的变化趋势与全球大气CO2浓度的变化相吻合. 在19世纪末之前, 二者长期变化趋势都很微弱; 之后二者的趋势变化非常显著, 尤其是从20世纪60年代到90年代(该珊瑚记录的结束日期). 从19世纪末期到20世纪末, 珊瑚密度表现出稳定的下降趋势. 因此, 南海北部珊瑚密度的年变化趋势能够揭示出人类引起的气候变化的历史, 这一结果与其他地区器测以及其他代用气候记录的结果一致. 提出了一个简单的基于珊瑚生长带的代用指标来重构过去两个世纪人类引起的气候变化资料.     

3.15～0.67Ma时段南海北部深海沉积物孢粉记录的植被演化及其对全球变化的响应

为了研究3Ma以来南海北部周边地区植被演化及其对全球气候变化的响应,本文选取南海北部ODP1145站深海沉积物进行研究,共分析213.62～91.9m层段(3.12～0.67Ma)608个孢粉样品.取样间隔为20cm,时间分辨率约为4.0ka.研究结果表明,1145站3.15～0.67Ma时段孢粉沉积率在2.58Ma和2.0～1.8Ma时的两次明显升高,与此时全球气候变冷,冬季风增强有关.2.58Ma以前,南海北部周边地区热带亚热带植物占优势,其中常绿栎属和阿丁枫属较多,热带山地针叶林相对发育,蕨类植物也相对较多;2.58Ma以后,温带植物增多,反映气候变冷,冬季风加强.对气候变化的周期性研究表明,热带亚热带植物更多的受低纬地区20ka岁差周期的影响,可能指示了夏季风的增减;花粉沉积率的变化反映了海平面变化的影响,与高纬度地区的"冰盖响应"有关,可能较多地反映了冬季风的强弱变化.     

新十年科学大洋钻探——照亮地球的过去、现在和未来

新十年国际大洋发现计划(2013-2023)以探索深部了解整个地球系统为目标,围绕气候与海洋环境、深部生物圈、地球内部与表层连接、灾害与观测等四大科学主题,预测未来,预警灾害,提出了14个前沿科学问题。继板块构造学说掀起地球科学领域的一场革命之后,科学大洋钻探将触发地球科学领域新的革命。     

南海西部陆源沉积粒度组成的控制动力及其反映的东亚季风演化

通过对南海西部越南岸外MD05-2901孔的有孔虫氧同位素测定, 建立了450 ka以来高分辨率的年代地层. 结合沉积物的密度、孔隙率和陆源碎屑含量, 计算了陆源碎屑的堆积速率, 结果显示在间冰期时堆积速率的平均值为4.9~6.0 g/(cm²·ka), 高于冰期的1.9~5.0 g/(cm²·ka), 与发表过的南海南、北部冰期高于间冰期的特点明显不同. 对陆源沉积物的粒度分布进行主成分因子分析, 获得了两个主控因子F1和F2, 它们控制了陆源沉积近80%的粒度变化特征. 对F1敏感的1.26~2.66 μm%¹⁾和10.8~14.3 μm%呈现高频的波动, 和北半球低纬夏季太阳辐射量吻合很好, 显示23 ka的岁差周期和13 ka的半岁差周期. 对F2敏感的4.24~7.42 μm%和30.1~43.7 μm%, 则显示强烈的100 ka的偏心率周期. 本区的陆源沉积物来源于南海西南和北部2个地区, 在动力上则分别由夏季风和冬季风驱动的不同方向的洋流搬运. 研究认为, 晚第四纪以来东亚夏季风受控于低纬区的夏季日射量的变化, 而冬季风主要受高纬冰盖变化驱动, 呈冰期/间冰期旋回尺度的波动, 这反映了东亚季风演化的双重驱动机制.