在南海追寻地球演化的奥秘

张建松

一位海洋学家曾经说：“在海底深处，流落着尘世的诗篇。”这是因为，深海沉积是地球表层系统演化的重要信息载体，读懂这些信息密码，就能读懂地球演化的奥秘。同济大学海洋与地球科学学院的研究人员15年来在南海执着追寻“尘世的诗篇”，他们详细调查了汇入南海的180多条河流的沉积物，并在南海海底采集表层沉积物，获得超过1500个样品，涉及9个国家和地区，建成了全球先进的深海观0111系统。

深海陆源物质的远距离搬运

南海是西太平洋地区最大的边缘海，濒临亚洲大陆，是全球接收陆源碎屑沉积物最多的半封闭海盆。同时，南海还具有丰富的表层和深水洋流系统，拥有保存完好的半深海沉积物质，是开展深海过程和深海沉积研究的“天然实验室”。

2011年，国家自然科学基金委正式启动了“南海深海过程演变”重大研究计划，对南海展开三大方面系统研究：以海底扩张到板块俯冲的构造演化作为“骨”，以深海沉积过程和盆地充填作为“肉”，以深海生物地球化学过程作为“血”，在岩石圈、水圈和生物圈相互作用的层面解读南海，构建边缘海的“生命史”。

洋流系统及其沉积动力学过程，是陆源碎屑物质从近岸到深海搬运和沉积作用的主要控制因素。以往的研究多认为，南海表层洋流是搬运陆源碎屑物质的主导因素。这种认识上的局限，是因为前期对海底沉积的调查不足以及缺乏对深层海流的直接观测。研究人员通过采集遍布南海海底1100余个站位表层样品，分析黏土矿物学和同位素地球化学组成，发现除了表层洋流搬运作用，南海深海洋流对陆源碎屑物质的远距离搬运起到更为重要的作用。

通过在南海北部建成的深海沉积动力过程锚系观测系统，研究人员还获得了深海洋流搬运过程的原位观测直接证据。流速在垂向上呈现“隧道状”结构，对深海碎屑物质具有强劲的侧向搬运能力。该观测锚系还发现了海洋表层生成的中尺度涡，能够穿透数干米水层，两次中尺度涡引起的西南向沉积物搬运总量可达百万吨量级，与等深流共同对南海深海沉积物的远距离搬运起到关键作用。

“决心”号科考船抵达南海目标海域，进行大洋钻探

东亚季风是重要的驱动因素

河流表层沉积物是陆地化学风化和机械剥蚀的最典型风化产物，代表流域盆地近百年来形成碎屑物质的平均效应。

研究人员通过采集南海周边国家和地区几乎全部河流近400个位置表层样品，分析其m土矿物学、全岩和黏土粒级元素地球化学成分。最终发现，南海北部河流以伊利石和绿泥石为主，构造活跃，呈现中等程度的化学风化作用;而同处亚热带东亚季风气候区的华南珠江等河流，则以高岭石为主，构造稳定，呈现中等偏强程度的化学风化作用。南海西部中南半岛的红河和湄公河，由于流经构造活跃的青藏高原东南部，黏土矿物以伊利石和绿泥石为主，呈

南海海域取样点现中等程度的化学风化作用;但泰国和越南中部河流尽管岩石背景不同，普遍受热带季风影响，以高岭石和蒙脱石为主，呈现强烈的化学风化作用。

南海南部马来半岛、苏门答腊岛和婆罗洲西部的构造和岩石背景尽管截然不同，但共同受到热带季风的影响，以高岭石为主，呈现出南海周边地区最强烈的化学风化作用;而婆罗洲北部的构造活动异常活跃，形成以伊利石和绿泥石为主的黏土矿物组合，其化学风化作用仍然是强烈程度。南海东部吕宋和巴拉望岛，受到岩石性质和构造活动影响，黏土矿物以蒙脱石为主，呈现中等偏弱程度化学风化作用。研究人员通过对南海周边陆地和岛屿化学风化过程的集成研究，提出东亚季风温暖潮湿的气候条件是控制南海区域地表化学风化作用的一级驱动因素。构造活动由于会加快地表岩石机械剥蚀、减少化学风化作用时间，成为次级驱动因素。而岩石性质特别是中基性火山岩，在季风气候影响减弱时，对岩石风化过程起到重要作用。

南海海域监测点

我国台湾是最重要的物源区

物源区供给陆源碎屑物质的定量恢复，是研究地质历史时期从源到汇搬运过程的核心环节。珠江作为世界级大型河流，以往的研究都推断是南海北部深海陆源碎屑的主要物源区，但缺乏可靠的证据。

研究人员通过详细调查南海北部海底及周边潜在物源区河流的大量表层样品，提出黏土矿物及其钕同位素是识别南海北部物源区的最有效指标;发现我国台湾、吕宋和我国华南，是南海北部接近理想状态的物源区端元，从而使南海成为开展从源到汇定量研究的典型地区。

南海北部近百年尺度的陆源碎屑源汇搬运过程显示，我国台湾仅提供伊利石和绿泥石，通过等深流沿深海陆坡向西南搬运;吕宋仅提供蒙脱石，通过表层洋流由吕宋海峡向西搬运;而我国华南主要提供高岭石，在沿岸流和表層洋流的作用下主要西向搬运。考虑到南海区域地质、海陆格局和气候条件，在晚第四纪以来没有发生大的变化，从而推断南海北部这3个端元物源区，在晚第四纪以来保持不变。

研究人员进而通过高分辨率分析深海岩芯的黏土矿物组合，定量恢复物源区供给的时间序列变化，发现晚第四纪2万多年以来，我国台湾给南海深海供给沉积物维持在40%～60%，吕宋供给沉积物在20%～40%，而我国华南供给沉积物主要在15%～25%。这显示我国台湾是南海北部深海陆源碎屑物质最重要的物源区。

文章来源：“世界科学”微信公众号

（责任编辑：吴宇）