研究内容

南海已经成为国际海洋研究和我国资源开发的重点，在陆架、陆坡区积累了巨量的资料；然而解决关键科学问题的钥匙却在深海盆。因此，本计划的科学目标是：采用一系列新技术探测深海盆，揭示南海的深海过程及其演变，再造边缘海的“生命史”，从而为边缘海的演变树立起系统研究的典范。具体包括：

1、通过重新测量南海洋壳磁异常、研究深海火山链，重新认识南海海底扩张及其前后的演变史；

2、通过现代深海过程观测和深海沉积的分析，揭示南海底层流的变迁，验证海盆演化历史，以及对海平面变化的响应；

3、通过海底水文观测与各项分析，认识南海深部的生物地球化学过程及其演变；

4、在以上研究基础上，指出南海深海过程演变的资源与环境效应。

本计划的实施，还将为我国深海技术装备建设提供应用或试用的平台，并促进我国深海科学研究队伍的壮大和成长。

研究内容将以南海北部作为重点，在三个不同时间尺度上，研究南海的深海过程：

 

1、海盆形成中的深海过程（~10⁶ 年尺度） 

是本计划的主体，包括三个时段，其中又以“扩张过程”为重点：

（1）扩张前：

——晚中生代：追踪海相侏罗系的发现，确定晚中生代“古南海”与太平洋和特底斯洋的关系，展示边缘海形成前东亚与太平洋的相互作用，确定“特底斯东延”与太平洋连接的问题；

——早新生代：追踪海相始新世，回答南海北部裂谷阶段是否已经有海相盆地、海底扩张是否在海盆里发生的问题。

（2）扩张过程

——磁异常条带：采用现代技术近海底重新测定磁异常，同时采用拖网或浅钻采集洋壳的岩石，进行地球化学研究和测年，重新认识海底扩张的年代与过程，尤其要澄清西南海盆与中央海盆的关系；

——火山链：对最终的残余中脊和火山链进行系统研究，包括高分辨率制图与浅钻取样，确定海底扩张的终结与火山链形成的关系，探索扩张终结的原因；

——沉积响应：将磁异常条带得出的扩张速率，与大洋钻探钻孔揭示的深海沉积速率比较，揭示渐新世扩张初期的海盆性质、渐新世末构造事件、和中新世早中期碳酸盐高值期出现的构造背景，确定南海北部深海含烃层系的沉积物源。

（3）扩张后

——海盆关闭：根据海底和海岛资料，验证菲律宾海板块旋转、形成东部屏障、使南海半封闭的模式；估算南海向东俯冲速率、以及海山俯冲对地震与火山活动的影响。

——海流再造：根据大洋钻探岩芯粘土矿物的源区分析与同位素标志，再造南海深层海流演变历史，从而验证深海盆演变模式，识别西太平洋洋流的整体变化，和南海深部海流随海盆形态而发生的区域变化。

 

2、海面变化中的深海过程（~10⁴ 年尺度）

以晚第四纪最近50万年为主，利用南海半封闭海盆对冰期旋回中海平面变化的敏感性，研究海陆相互作用、浅水与深海相互作用，建立冰期旋回中边缘海的环境演变史。

（1）深层海流的演变

将地层记录与数值模拟相结合，揭示南海半封闭盆地的三维空间海流格局对冰期旋回的响应，通过地层记录探索大陆与大洋的影响在冰期旋回中的消长，建立边缘海环境响应冰期旋回的模式；

（2）沉积格局的演变

分析沉积物的源区地质与底层流的替代性标志，结合浅地层剖面剖面和碳酸盐台地的沉积变化，再造若干时期的南海沉积分布与输运途径；

（3）生物地球化学的演变

深海地层中微生物的分布可以反映上层海水生产力的演变^[33]。 通过沉积层中微生物以及生物标志物，研究海底下深海生物圈与表层浮游生物变化的关系，及其对深海碳循环的可能贡献。

 

3、现代观测中的深海过程（~10⁰年尺度）

以上地质时间尺度上深海过程的变化，要求理解现代过程作为基础。为此，需要在三方面做相应的长期与短期观测。

（1）深层海水环流

针对南海的半封闭性质，在巴士海峡对南海深层水与太平洋水的交换（所谓吕宋“深水瀑布”）^[34]、在南海中北部对深层环流（“气旋式环流”）进行多年连续观测，认识其性质与季节变化

（2）海底沉积运动

针对南海北部陆坡的底质搬运性质的争论，对沉降颗粒位移与海底“雾状层”进行观测，并结合浅地层剖面，认识现在海底沉积地形的成因

（3）海底生物地球化学过程

   通过羽状流的探测，选择海底流体溢出口，研究近海底微生物的分布；并争取采用井下密封技术，实现深部生物圈及其生物地球化学作用的观测。

 

核心科学问题

南海深海过程演变的核心科学问题有三类：一是不同观点的争论，如海底扩张时间的分歧；二是不同记录的比较，如海底磁异常与大洋钻探岩芯记录之间的矛盾；三是大洋新发现在南海如何表现，如深海微生物在碳循环中作用的问题。具体说来，有以下八大问题：

1、海底扩张的年代与过程

南海海底扩张，究竟是西南海盆在先^[14,21]，还是中央海盆在先？扩张的时间是否如最初所说在3200万到1600万年前^[11]，还是早在3700万年前已经开始^[15]，2000万年前已经结束^[13]？扩张速率的变化，与本区哪些构造变动相对应？大洋钻探揭示的~2500万年前的最强烈构造运动，是对应扩张轴的跳跃，还是印支半岛的“挤出”？

2、海山链岩浆活动时间与原因

南海扩张终结的重要特征是沿残余中脊发育的火山链。为什么南海张裂是火山活动不明显，结束时反而形成火山？它是不是扩张结束时剩余岩浆活动的产物^[19]？火山链的形成何时开始、何时结束？现代海底还有没有这类活动的踪迹？在南海洋壳向东俯冲过程中，火山链的阻挡是不是菲律宾一带地震能量积聚的原因？

3、深海沉积过程对海盆演变的响应

南海大洋钻探结果表明在“扩张”之初，就有深海沉积^[16]，那么南海的深海盆何时开始？当时陆地沉积速率如此之高，源区在哪里？南海~2500万年前，陆源沉积减少、碳酸盐台地发育的变化^[7]，究竟发生在什么时候，是什么原因？哪些阶段和海区，有利于深水富烃盆地的发育？

4、底层海流与沉积搬运机制的变化

对于南海深海的海流，目前只有推测。现在南海的深层海流，确是逆时针方向运行的吗？滞留时间是否真的只有30年左右^[34]？在菲律宾海板块旋转、碰撞，和巴士海峡海槛出现之前，太平洋深层水是否进入南海？现在南海北部的深水堆积体，是浊流还是等深线流的产物？南海历史上浊流发育和物源改变期，是不是与海底扩张作用的变化对应？

5、碳酸盐台地的发育过程和影响

约二千多万年前，南海开始发育珊瑚礁，逐渐形成今天岛礁林立的碳酸盐台地。我国多年来的南海海岛调查，已经积累了丰富的资料。现在需要将它们作为深海区的碳酸盐台地，将岛礁和深海坡连接起来，将珊瑚和深海碳酸盐结合起来，研究南海碳酸盐沉积的演变机制。要回答：为什么珊瑚礁在二千万年前开始形成？作为碳酸盐台地，珊瑚礁区对南海的碳循环，有哪些贡献？热带太平洋的南海诸岛，和亚热带大西洋的巴哈马，两种碳酸盐台地有哪些异同？

6、海底溢出流与井下流体的分布与影响

南海北陆坡已经发现冷泉溢出口及其形成的碳酸盐^[28]（图3），台湾附近也早已发现热液与“CO₂湖”^[29]。在现代俯冲带、残留扩张脊和火山链海底，是否有更多的海底溢出流分布？这些溢出的和海底以下的流体活动，对于“深部生物圈”和深海碳循环，都有哪些影响？

7、深海碳循环以及微生物的作用

深海有机碳和微生物，是海洋碳循环研究中的重大遗漏^[32]。从南沙海区发现的大洋碳储库长周期^[7]，其成因有可能就是与深海碳循环有关。可以从分析水柱到沉积的微型生物和溶解有机碳入手，研究深海海水和海底以下微生物数量分布如何？溶解有机碳的分布如何变化？进而探索南海的深海微生物，在碳循环中有何作用？

 

8、深海能源形成的生物地球化学背景

南海北部已经发现“可燃冰”和大型深海油气藏，而海底微生物与它们的生成直接相关。从微型生物入手需要回答：微生物活动在现代甲烷等烃类的生成、氧化及演变中，起何作用？既然微生物及其替代性指标可以在地层里保存，在地质时期深水油气的形成和破坏中，微生物是否有同样的作用？

 

上述问题牵涉的学科多、要求的工作量大，并非一个基金重大计划所能全面解决；不同问题的研究积累和成熟程度又相差悬殊，不可能同样要求。大体上要求前五个问题得出明确的答案，后三个问题取得突破性的进展，就足以建立南海生命史的模式，实现边缘海研究的跨越式发展。本此原则，提出相应研究内容和实施途径。