南海——全球最大的边缘海、我国最重要的深海区,浩瀚无际的海水之下,深藏了多少科学之谜?

历时8年,来自全国32个单位、700多人次科学家参与,我国海洋科学第一个大规模的基础研究计划——“南海深海过程演变”(简称“南海深部计划”),取得丰硕成果。14日在沪召开的“南海深部计划”成果汇报会上,“南海深部计划”指导专家组组长、同济大学汪品先院士揭开了诸多“南海之谜”的神秘面纱。

南海的形成:或将改写教科书

在地球漫长的历史岁月中,海洋与陆地“分久必合、合久必分”,南海是地球历史书上的一个精彩篇章。这个篇章的第一节,南海是怎样形成的,是困扰科学家的最大谜题。

“关于大陆裂开形成深海盆、由岩浆冷凝成玄武岩的大洋地壳,世界上的研究标准来自北大西洋。上个世纪八十年代以来,欧美学者一直认为南海的形成过程就是大西洋的翻版,只是规模小、年代短而已。”汪品先说,“但我们的研究结果却表明,南海不是小大西洋!”

按照大西洋模式,在大洋和大陆地壳的连接处要有长期削蚀的“地幔岩”。可是在“南海深部计划”执行过程中,我国科学家主导的大洋钻探367/368/368X三个航次,从南海洋壳和陆壳连接处的钻井,取上来的却是“玄武岩”。这以实物证据否定了原先的假说。

我国科学家还发现,早在南海的大陆岩石圈张裂之初,就有玄武岩涌出,很快就转到海底扩张,形成大洋地壳。而与此不同的是,大西洋是经过长期拉张,使得地幔岩变弱,才破裂出现玄武岩。

“我们研究发现这是两种不同的岩石圈:大西洋张裂的是超级大陆内部坚固的岩石圈,南海形成却是在太平洋板块俯冲带相对软弱的岩石圈。”汪品先说,“表面看来有所相似,其实这是两种根本不同的海盆形成机制,前者是‘板内裂谷’、后者是‘板缘裂谷’。”

专家们认为,我国关于南海形成之谜的研究,指出了国际文献和产业部门实践中将两者混淆的错误,提出西太平洋边缘海是“板缘裂谷”形成的系列,有待采用新视角、新技术加以重新认识,而这将改写教科书。

南海的年龄:3300万年前开始扩张

南海的形成,经历了海底扩张形成大洋壳、岩浆溢出造成火山链、板块俯冲消减等三个时期。海底扩张的最早年代,是南海的出生年龄。扩张停止板块俯冲之际,相当于南海的消亡开始。但很长一段时期以来,科学家们对南海的年龄究竟有多大,东西海盆谁的扩张在先等,众说纷纭难成定论。

这是因为南海的年龄难以从周边陆地剖面取得证据。而南海的海底,又覆盖了厚厚的沉积物,人们也很难从海底取样。世界各国科学家几乎全都依靠海盆扩张过程中、留在南海洋壳基底的“磁异常条带”,来间接推论南海的年龄。

2014年,我国科学家主导了大洋钻探349航次,在4000多米的深海盆三个站位,成功钻取到78米玄武岩。经过科学检测发现,东部海盆形成在先。东部海盆约在3300万年前、西部海盆约2300万年前开始形成,两者都在1500-1600万年前停止扩张。

科学家根据深部地球物理推测,南海玄武岩的海底,已经有一大片向东俯冲在菲律宾群岛下面。“可见南海的形成是从东往西推进,一千多万年前的南海比现在几乎大一倍。”汪品先说。

南海的海底:海流复杂,生机勃勃

现代南海深层水的唯一来源是太平洋。位于吕宋岛和台湾岛之间的巴士海峡,是南海与太平洋之间的唯一通道。太平洋水越过2600米深的海槛进入南海,形成“深水瀑布”,混合后再从中层深度返回太平洋。

在“南海深部计划”中,我国科学家在南海布放了数以百计的深海观测潜标,经过长达八年的海下实测,证明南海深海存在逆时针方向的西部深边界流,整个南海的海水呈三层结构。通过用放射性碳测量2000米深处的海水,发现海水的滞留时间不过百余年。

此外,我国科学家从南海提出的微生物碳泵,已成为全球大洋碳循环研究的热点之一；碳、氮循环相互关系的研究成果,取得了重要国际影响。

在巨厚的海水下方,一片漆黑的南海海底是个怎样的世界呢?

在“南海深部计划”中,我国科学家通过多次深潜,在南海的西沙深处和深水海山上,发现了大片茂密丰美的冷水珊瑚林,这在东南亚海域尚属首次；在南海的深海海山上,还看到成片的锰结核；残余的洋脊上,还有古热液矿,这说明南海海底曾有热液活动。

汪品先说:“结合近年来海底高分辨率地形制图揭示的泥火山、麻坑、海沟等复杂地形,展现在我们面前的南海深部,是一派生机勃勃的活跃景象:在这漆黑的深海底,既有自上而下、又有自下而上的物质和能量流,既有沉积矿物、又有生命活动的相互作用。”

南海在气候演变中的新发现:低纬驱动

地球运行轨道的微小变化,就能造成冰期旋回,是二十世纪地球科学的重大发现。

这一理论的核心在于:用北半球高纬度地区接收到的太阳辐射量变化,可以成功解释近百万年来冰盖涨缩的周期性；然后冰盖变化又通过北大西洋深层水的形成,引领着全球的气候变化。由此产生的海洋沉积氧同位素曲线,已成为全大洋地层年龄对比的标准。

然而,1999年,由汪品先院士设计主持的大洋钻探184航次,在南海沉积速率最高的一口钻井,却发现氧同位素曲线偏离了全球的“标准”。

“按传统观点,那就是地层记录不全。但我们经过多项测试的精确分析,并与其它钻孔进行反复比较,发现这种偏离是季风区域的共同特点,地层并不缺失。”汪品先说,“这种季风区气候周期的特色,其实在陆地石笋、冰芯记录中早已发现,反映了太阳辐射量在低纬地区的周期变化。”

通过对南海深入研究,我国科学家提出了气候演变“低纬驱动”的观点,认为高纬区冰盖大小的变化和低纬区季风降雨的变化,驱动力的周期性有所不同。也就是说,低纬降水周期的变化,并不就是由高纬冰盖决定。

“其实,太阳辐射量集中在低纬区,低纬过程是气候干湿、旱涝灾害的源头,但长期以来不受重视,大部分科学家注意力集中在北半球的高纬冰盖上。”汪品先说。

我国科学家的研究进一步表明:低纬海区更大的变化不在表层、而在于次表层水；轨道周期不但有万年等级的冰期旋回,还有40万年季风气候的长周期；当前的地球就处在低谷期,在全球气候变化的长期预测中,应予以足够重视。

我国科学家取得南海研究主导权

“南海深部计划”执行以来,极大地点燃了我国科学家研究南海的热情,一系列新发现表明:我国科学家在南海深部重大科学问题上,取得了南海深部研究的科学主导权。同时也向世界表明:中国的深海科学已经进入国际前沿,南海正成为世界深海研究程度最高的边缘海。

“长期以来,世界上的深海研究以欧美为主,南海也不例外。南海深部计划基于大量的实地观测和原位探索,从源头上追溯了一些‘普适性’认识的出处；根据西太平洋和低纬海域的特色,提出了不同于前人的新认识。但随着科学研究的深入,又带来了许多新的科学问题。”汪品先说。

例如,南海深海盆地张裂机制的新假说,引出了西太平洋边缘海系列的共同成因问题；南海深部构造探索的深入,揭示出深海盆四周边缘的多样性,每个都可以成为被动边缘剖析的典型；低纬过程驱动全球气候的研究,提出了水文循环和碳循环一整套新课题,进一步的研究方兴未艾。

又如,巴士海峡是南海与大洋唯一的深水通道,加上深海底部崎岖不平的地形,为深层海水运动机理提供了试验场；已有的观测和研究基础,又为大洋和大陆相互作用下,生物泵和微生物泵的结合、碳循环和氮循环的结合,提供了深入研究的基地。

他表示,由于“南海深部计划”八年来的工作,主要集中在南海北部,南部的研究尚待开展。只有南北结合,才能取得南海深部完整的图景。期待我国今后组织更强的队伍、以更大的投入,推进南海深部的研究；同时,加强与南海周边的国家合作,争取使南海深部成为国际海洋科学的天然实验室!

编辑：谢梓淇