楊守業(yè)

同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

一沙一世界
——藏于海底的地球環(huán)境變遷史

楊守業(yè)?

同濟大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院，海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092

世界一些大陸邊緣沉積記錄連續(xù)性好，堪稱記錄地球環(huán)境變遷和陸海相互作用歷史的檔案館。河流系統(tǒng)作為聯(lián)系陸與海的樞紐，是大陸邊緣從源到匯系統(tǒng)中傳遞地球環(huán)境演變信息的關(guān)鍵。由于河流從源到匯系統(tǒng)中存在復(fù)雜的“緩沖區(qū)”和“中間過程”，最終入海河流沉積物的真實通量、組成與原始的源區(qū)特征存在顯著差異，不同的河流系統(tǒng)具有截然不同的環(huán)境信息傳遞模式，需要慎重解讀。東亞大陸邊緣作為典型的“河控型”寬陸架邊緣海，接收世界大河長江/黃河和臺灣山溪性小河的巨量入海物質(zhì)，是全球開展河流源匯過程和多時空尺度陸海相互作用研究的理想地區(qū)。要深入理解邊緣海典型沉積體系的物源、成因和蘊含的古環(huán)境信息，需要以“從源到匯”和地球系統(tǒng)科學(xué)的思路，深化對“源”區(qū)組成時空變化的研究，更要加強研究源區(qū)信號從陸向海的傳遞并最終在邊緣海保存的過程。

大陸邊緣沉積；河流；從源到匯；環(huán)境變遷；陸海相互作用

1 大陸邊緣——地球環(huán)境變遷的檔案館

全球大陸表面和大洋底面之間存在著一個廣闊的過渡帶，它是一個巨大而復(fù)雜的斜坡帶，稱為大陸邊緣，包括海岸帶、大陸架、大陸坡和大陸隆等海陸過渡帶的地貌單元。大陸邊緣約占海洋總面積的28 %?？茖W(xué)家通過大量的地球物理和地質(zhì)綜合調(diào)查資料揭示，大陸邊緣按照活動性質(zhì)可以分為活動大陸邊緣和被動大陸邊緣兩類。前者以太平洋邊緣為代表，具有地震活動強烈、火山活動活躍等特點；后者以大西洋邊緣為代表，構(gòu)造活動相對比較弱(圖1)。

大陸邊緣作為地球上最主要和最活躍的碎屑沉積區(qū)，接收大量來自陸地且攜帶地球環(huán)境變遷信息的沉積物；同時這里也是海洋生源物質(zhì)生成、沉降與埋藏的主要場所。在地質(zhì)運動、海平面升降、氣候變化等要素影響下，大陸邊緣形成了巨厚的沉積層序。這些地層層序大部分來自于陸地，同時又沉積于海洋，因此記錄了地質(zhì)歷史時期陸地環(huán)境變化、海平面與氣候變化、大洋環(huán)流、海洋生物生產(chǎn)力和生物地球化學(xué)循環(huán)等重要信息，同時這里也是地下水、烴類資源、各類礦產(chǎn)資源的主要儲庫。

大陸邊緣沉積地層是溝通地球現(xiàn)在和過去歷史的紐帶，尤其重要的是沉積地層可完整地記錄地球氣候演變歷史。大陸邊緣沉積連續(xù)性好，所記錄的地球環(huán)境歷史完整，研究大陸邊緣沉積特征，包括沉積物來源、成因和沉積地層的形成機制等，對于反演大陸和海洋古環(huán)境與古氣候變化、揭示全球物質(zhì)循環(huán)特征、探測資源分布等有重要科學(xué)意義和應(yīng)用價值。對地球環(huán)境歷史的了解有助于評價地球環(huán)境的現(xiàn)狀和預(yù)測地球環(huán)境的未來。因此，大陸邊緣沉積地層堪稱記錄地球環(huán)境變遷信息的檔案館。

圖1 全球主動大陸邊緣和被動大陸邊緣分布[1]

2 河流在大陸邊緣沉積系統(tǒng)中的關(guān)鍵角色

自然條件下地表風(fēng)化侵蝕產(chǎn)生的顆粒物和溶解物質(zhì)通過一系列相互連接的地貌環(huán)境單元，沉積或沉淀在沖積平原、海洋大陸架或深海平原上。這套相互連接的環(huán)境單元就構(gòu)成了大陸邊緣的從源到匯(source to sink)系統(tǒng)，該系統(tǒng)涵蓋了陸源沉積物和溶解物質(zhì)從形成之初(源)到最終沉積入海(匯)的整個過程。作為聯(lián)系陸與海的紐帶，全球河流每年向海輸送巨量的淡水、沉積物和溶解質(zhì)(包括營養(yǎng)鹽及污染物)，是大陸邊緣從源到匯系統(tǒng)和物質(zhì)循環(huán)的核心。大量物質(zhì)入海后改變了邊緣海盆的沉積速率以及海洋的化學(xué)組成和生物地球化學(xué)循環(huán)，其中海洋生產(chǎn)力的提高可以吸收和埋藏更多的大氣CO2于海底，而流域加速化學(xué)風(fēng)化可以消耗更多大氣中的CO2，這一度被認為是引發(fā)全球變冷的重要機制，也是今天全球碳封存(carbon sequestration)研究的熱點。

最近一些年在全球變化和地球系統(tǒng)科學(xué)研究思路指導(dǎo)下，大陸邊緣沉積學(xué)和海洋地質(zhì)學(xué)研究的一個熱點是揭示河流入海物質(zhì)對邊緣海的沉積體系形成、古環(huán)境演化以及全球海洋化學(xué)通量變化等的影響。這也是國際STRATAFORM研究計劃、大陸邊緣計劃(NSF-MARGINS)的從源到匯科學(xué)子計劃的核心科學(xué)研究目標(biāo)(NSF MARGINS Program: Science Plan 2004. http://www.margins.wustl.edu)。國際綜合大洋鉆探/發(fā)現(xiàn)計劃(IODP)也特別關(guān)注高原隆升在邊緣海區(qū)的沉積響應(yīng)，期望通過大陸邊緣深鉆來揭示氣候—構(gòu)造—海平面變化控制下的海陸作用和河流沉積物的從源到匯過程(http://www.iodp.org)。國際地圈-生物圈研究計劃(IGBP-II)下的海岸帶陸海相互作用計劃LOICZ-II提出“流域盆地-海岸帶相互作用研究”(LOICZ Basins and EuroCa, 2003)，也強調(diào)要從流域到海岸和陸架再到深海來系統(tǒng)研究生物地球化學(xué)循環(huán)過程。2007年發(fā)起的全球大洋微量元素循環(huán)計劃(GeoTraces)也重點研究河流入海物質(zhì)對邊緣海和全球大洋的重要貢獻(GEOTRACES Planning Group, 2006. http://www.geotraces.org)。

3 流域環(huán)境演化信息從陸向海傳遞過程的復(fù)雜性

目前，全球河流每年輸送的150～190億t懸浮沉積物中，可能僅10 %～20 %最終輸入開闊大洋[2]。從河海相互作用的角度看，攜帶陸地環(huán)境信息的河流沉積物從源到匯系統(tǒng)中存在若干“緩沖區(qū)”和“中間過程”(圖2)，包括風(fēng)化剝蝕沉積物在源區(qū)的滯留和沉積旋回[3-4]、水動力分選[5-7]、河流下游及河口的“截留/捕獲和過濾器效應(yīng)”(trapping and filtering effects, RioMar 2004 workshop)、河漫灘風(fēng)化[8-11]、河口邊界反應(yīng)(boundary exchange)[2]、海底風(fēng)化(submarine/reverse weathering)[12]、跨陸架輸運等。

由于河流從源到匯系統(tǒng)中存在這些復(fù)雜的“緩沖區(qū)”和“中間過程”，最終入海河流沉積物的真實通量、組成與原始的源區(qū)特征存在顯著差異，從而導(dǎo)致海區(qū)沉積物源判別和環(huán)境解釋的偏差，及在全球海洋化學(xué)通量與元素循環(huán)研究中出現(xiàn)不平衡問題。這也是MARGINS S2S、GEOTRACES和地球表生關(guān)鍵帶觀測(CZO)等國際計劃特別關(guān)注的地球表生過程研究的熱點和難點。

河流下游河漫灘作為重要“緩沖區(qū)”(transfer/buffering zone)，可以截留大量上游源區(qū)風(fēng)化剝蝕沉積物(圖2(c))，其攜帶的源區(qū)環(huán)境信息無法直接進入海洋沉積區(qū)。在極端事件如臺風(fēng)、洪水、地震或冰期旋回的河流剖面調(diào)整、構(gòu)造事件等作用下，堆積在下游和河口的沉積物會向陸架搬運直至最終進入深海。因此，這些緩沖區(qū)既作為上游源區(qū)風(fēng)化剝蝕物質(zhì)的主要沉積“匯”，又是陸架和開闊海沉積物的“源”，在河流沉積物源匯系統(tǒng)中具有重要作用。最近研究揭示，緩沖區(qū)沉積物的再風(fēng)化可能是世界大河流域風(fēng)化剝蝕處于“非穩(wěn)態(tài)”(non-steady state)的主要原因，進而影響流域風(fēng)化消耗大氣CO2量的估算[3,5,10,15]。

圖2 (長江)大河和(臺灣)山溪小河流的從源到匯過程與環(huán)境響應(yīng)示意：(a)大河和山溪小河源匯體系可能具有不同的源區(qū)信號傳遞方式與保存機制(改繪自文獻[13-14])；(b)不同的入海沉積物輸運過程使其對環(huán)境響應(yīng)也可能不同；(c)河流下游的“緩沖區(qū)”效應(yīng)差異大

雖然在千年尺度上，所有源區(qū)風(fēng)化剝蝕沉積物可能都搬運出流域盆地[16]，但不同河流體系的風(fēng)化沉積物傳輸和在流域內(nèi)滯留的時間是明顯不同的，且不同計算方法(水文實測、宇生核素和U系同位素、DEM模型和大陸邊緣碎屑沉積通量等)存在較大偏差。大河體系多在萬年至十萬年尺度，山溪性小河則要短且快得多[17-20]，這也是以前全球陸海相互作用、陸架碳循環(huán)和河流沉積物從源到匯研究中一個被忽視的環(huán)節(jié)(missing link)[2]。

受河流源匯系統(tǒng)中這些“關(guān)鍵帶”和“中間過程”的影響，外部驅(qū)動信號(如自然氣候變化)能否及如何通過風(fēng)化沉積物從流域傳遞到河口及海區(qū)，一直是爭議的熱點(圖2(a))[14]。一些學(xué)者認為，流域內(nèi)軌道尺度的氣候波動與風(fēng)化沉積物的輸運時間具有耦合關(guān)系，因此源區(qū)氣候變化信號可以通過海區(qū)沉積記錄來反演[13,21]。但另一些研究認為：由于存在“緩沖區(qū)”效應(yīng)，大河流域?qū)ν獠框?qū)動的響應(yīng)時間為十萬至百萬年，源區(qū)氣候變化(軌道尺度)和風(fēng)化剝蝕等信號強度會明顯減弱，甚至平滑消失，而難以從海區(qū)碎屑沉積記錄中提取和反演；只有山溪小河流域的快速剝蝕才能較可靠記錄源區(qū)的外部環(huán)境變遷信號[14,22]。

4 東亞大陸邊緣的沉積物源-匯過程

新生代喜馬拉雅-青藏高原的隆升、太平洋板塊俯沖和亞洲季風(fēng)系統(tǒng)演化造就了眾多大江大河，以及一些特色的島嶼、山溪、小河，這些河流攜帶流域風(fēng)化剝蝕產(chǎn)生的大量陸源物質(zhì)進入亞洲邊緣海和開闊大洋，使得海陸之間發(fā)生強烈的物質(zhì)與能量交換，也塑造亞洲大陸邊緣特色的源匯系統(tǒng)。據(jù)估算，世界每年由河流搬運入海沉積物中70 %以上來自南亞及環(huán)太平洋與印度洋的河流(圖3)[23]。而西太平洋地區(qū)，包括黃海、東海和南海北部陸架在內(nèi)的廣袤區(qū)域是中國陸地向邊緣海的直接延伸部分，發(fā)育世界上罕見的寬廣大陸架，又受到西邊界流-黑潮的強烈影響，在地質(zhì)歷史時期尤其是晚第四紀(jì)，陸海相互作用強烈，大陸邊緣發(fā)育巨厚沉積體系，蘊含豐富的地球表生環(huán)境演化信息，是開展古環(huán)境古氣候重建研究的理想對象。

圖3 全球河流入海懸浮沉積物通量示意[23]

中國黃、東海屬于典型的河控型大陸邊緣，在第四紀(jì)冰期和間冰期旋回尺度上，接納了世界級大河黃河、長江攜帶的大量亞洲大陸風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物，形成多種沉積體系。臺灣作為東海陸源碎屑物質(zhì)的一個主要端元，具有獨特的“山溪小河—瞬時大通量—極端氣候事件影響—快速物質(zhì)輸運”源匯體系特征，而與長江/黃河代表的“大河—大三角洲—寬廣陸架—強烈人類活動影響—復(fù)雜的沉積輸運”源匯體系明顯不同(圖4)[24]。它們共同主導(dǎo)了晚第四紀(jì)東海陸架和沖繩海槽的陸源碎屑沉積體系發(fā)育。

圖4 東海周邊河流風(fēng)化模式圖(a)與河流縱剖面圖(b)(改繪自文獻[36])

長江流域跨域三級地貌單元，水文監(jiān)測數(shù)據(jù)揭示上游是主要的沉積物源區(qū)，中下游湖泊和河漫灘發(fā)育，是重要的沉積匯和“緩沖區(qū)”。大通水文站在1950—2010年平均輸沙量為3.9億t，要高于全新世時期入海泥沙量(約2億t/a)[25-27]；而三峽大壩建設(shè)后的2003—2015年大通站年均輸沙僅1.39億t，同期宜昌站年均輸沙僅0.41億t[28]。這不僅反映出人類活動對長江輸沙的影響，也表明中下游的泥沙交換改變了進入河口的泥沙來源[29]，可能影響入海泥沙的源區(qū)與組成。

臺灣流域由于其獨特的構(gòu)造地質(zhì)背景、地形地貌特征與極端事件(臺風(fēng)、地震)影響，河流沉積物的風(fēng)化剝蝕與輸運速率顯著高于長江等大河流域，以事件性輸運為主[30-33]，導(dǎo)致陸源顆粒碳輸運和海區(qū)埋藏效率明顯高于世界大河[34]。由于風(fēng)化剝蝕沉積物被快速從源區(qū)帶到海區(qū)，沒有經(jīng)歷河漫灘緩沖地帶的截留和再風(fēng)化，因此臺灣河流沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度并不高[35-37]。

黃、東海在冰期海平面可以下降100多米，廣闊的陸架或暴露成土，或為河湖與濱淺海環(huán)境，河流可能下切外延至陸架邊緣，發(fā)育低位體系域的河床相、三角洲相、濱岸相沉積，以及更加活躍的深水濁流沉積等。冰消期海平面上升，陸架被迅速淹沒，海岸線以及古河口迅速后退，河流沉積物受到潮流-波浪等作用的強烈改造和再搬運，形成現(xiàn)今陸架區(qū)廣泛分布的砂質(zhì)潮流砂脊體系；而淘洗的細顆粒沉積物可能搬運至大陸邊緣的外陸架和大陸坡，也可能輸運至內(nèi)陸架，形成冰后期特色的泥質(zhì)沉積體系。高海面時期隨著現(xiàn)代陸架環(huán)流體系格局形成，大部分河流沉積物堆積在河口-陸架淺海區(qū)，形成若干面積巨大的泥質(zhì)區(qū)[38]。已有研究表明，這些陸架泥質(zhì)沉積體系大多在末次冰消期后期至早全新世開始發(fā)育，沉積速率高，沉積中心最大厚度可達幾十米[25]，是開展晚第四紀(jì)較高分辨率海洋古環(huán)境研究的理想對象。要深入理解這些典型沉積體系的物源、成因和蘊含的古環(huán)境信息，需要以“從源到匯”的思路，不僅要深化對長江和臺灣入海河流沉積物組成時空變化的研究(“源”特征)，更要加強研究源區(qū)信號(氣候變化、風(fēng)化剝蝕、人類活動影響等)如何從流域向河口傳遞(源匯過程)，并最終在邊緣海保存(“匯”記錄)。

5 未來研究展望

在過去幾十年，圍繞大陸邊緣物質(zhì)從源到匯過程和海陸相互作用進行了大量的研究，多數(shù)研究側(cè)重在河口到陸架邊緣海的晚第四紀(jì)沉積記錄。對更長地質(zhì)歷史中如整個第四紀(jì)、新生代的源匯過程研究很少，缺乏將地層沉積記錄與構(gòu)造、氣候、海平面變化與人類活動影響進行綜合考慮、有機聯(lián)系；對不同時空尺度的科學(xué)問題把握還不夠準(zhǔn)確，缺少原創(chuàng)性的研究方法。已有研究主要關(guān)注海區(qū)“匯”的工作，而缺乏對地質(zhì)歷史時期大陸和島嶼入海物質(zhì)的“源”通量、組成特征及其變化的深入刻畫，對于從源到匯的過程更是缺乏系統(tǒng)的綜合研究。

因此，目前研究還難以從整體上把握大陸邊緣的源匯過程特征，許多關(guān)鍵問題尚未解決，包括多種因素影響下的河流沉積物和溶解物從源到匯模型的建立。目前還沒有一個模型能將海岸平原大型河流中沉積物的輸送和儲存與海洋中沉積物的輸送和儲存聯(lián)系起來。該模型需要對大河體系沉積物源匯過程、沉積物搬運過程的動力學(xué)機制和定量化約束、人類活動對陸海物質(zhì)交換的影響、極端氣候條件下陸源物質(zhì)輸入通量與環(huán)境影響等問題進行解釋。這一模型的建立需要對現(xiàn)代沉積過程的監(jiān)測和地質(zhì)歷史時期的堆積速度進行對比分析，同時需要對從源到匯系統(tǒng)中的不同單元進行同步的監(jiān)測。

鑒于亞洲大陸邊緣的地學(xué)特色、獨特的河流體系演化過程和邊緣海沉積特征，當(dāng)前應(yīng)該聚焦關(guān)鍵的科學(xué)問題，整合力量，以地球系統(tǒng)科學(xué)的理念，深化亞洲大陸邊緣沉積與物質(zhì)循環(huán)研究，也推進全球大陸邊緣地質(zhì)研究進展。

(2017年6月23日收稿)■

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To see a world in a grain of sand: Environment changes recorded in global seafloor YANG Shouye

State Key Laboratory of Marine Geology, School of Ocean and Earth Science, Tongji University, Shanghai 200092, China

Some continental margins can be regarded as ideal archives for the studies of Earth’s environmental changes and land-sea interactions because they well preserve the continuous sedimentary strata. Rivers as the link between land and sea, play a key role in transferring the environmental evolution information from land (source) to sea (sink) in the continental margins. Due to the complex buffering zones and transfer processes in the sediment routing systems, the ultimate fl uxes and compositions of fl uvial sediments into the sea and ocean may differ signi fi cantly from those derived from the provenances. In addition, different rivers bear much variable ways of environmental signal propagation, which deserves more research attentions. East Asian continental margin is characterized by river-dominated shallow shelf seas, with receiving huge sediment inputs from the large rivers such as the Changjiang (Yangtze) and Huanghe (Yellow) Rivers and from those small mountainous rivers in Taiwan. Thus, the East Asian continental margin is regarded as one of the ideal natural laboratories for the investigations of river source-to-sink processes and land-sea interactions on multiple temporal and spatial scales. For the better understanding of sediment provenances, origins and paleoenvironmental changes recorded in continental margins, we should adopt the research concepts of “source-to-sink” and earth system science, and better reveal the temporal and spatial variations of provenance compositions, and the environmental signal propagations from land to sea.

continental margin sedimentology, river, source to sink, environmental change, land-sea interaction

10.3969/j.issn.0253-9608.2017.05.001

?通信作者，國家杰出青年科學(xué)基金獲得者，研究方向：主要從事大陸邊緣沉積學(xué)與環(huán)境演變研究。

E-mail:syyang@#edu.cn

(編輯：沈美芳)