杨守业

同济大学海洋与地球科学学院，海洋地质国家重点实验室，上海 200092

一沙一世界
——藏于海底的地球环境变迁史

杨守业†

同济大学海洋与地球科学学院，海洋地质国家重点实验室，上海 200092

世界一些大陆边缘沉积记录连续性好，堪称记录地球环境变迁和陆海相互作用历史的档案馆。河流系统作为联系陆与海的枢纽，是大陆边缘从源到汇系统中传递地球环境演变信息的关键。由于河流从源到汇系统中存在复杂的“缓冲区”和“中间过程”，最终入海河流沉积物的真实通量、组成与原始的源区特征存在显著差异，不同的河流系统具有截然不同的环境信息传递模式，需要慎重解读。东亚大陆边缘作为典型的“河控型”宽陆架边缘海，接收世界大河长江/黄河和台湾山溪性小河的巨量入海物质，是全球开展河流源汇过程和多时空尺度陆海相互作用研究的理想地区。要深入理解边缘海典型沉积体系的物源、成因和蕴含的古环境信息，需要以“从源到汇”和地球系统科学的思路，深化对“源”区组成时空变化的研究，更要加强研究源区信号从陆向海的传递并最终在边缘海保存的过程。

大陆边缘沉积；河流；从源到汇；环境变迁；陆海相互作用

1 大陆边缘——地球环境变迁的档案馆

全球大陆表面和大洋底面之间存在着一个广阔的过渡带，它是一个巨大而复杂的斜坡带，称为大陆边缘，包括海岸带、大陆架、大陆坡和大陆隆等海陆过渡带的地貌单元。大陆边缘约占海洋总面积的28 %。科学家通过大量的地球物理和地质综合调查资料揭示，大陆边缘按照活动性质可以分为活动大陆边缘和被动大陆边缘两类。前者以太平洋边缘为代表，具有地震活动强烈、火山活动活跃等特点；后者以大西洋边缘为代表，构造活动相对比较弱(图1)。

大陆边缘作为地球上最主要和最活跃的碎屑沉积区，接收大量来自陆地且携带地球环境变迁信息的沉积物；同时这里也是海洋生源物质生成、沉降与埋藏的主要场所。在地质运动、海平面升降、气候变化等要素影响下，大陆边缘形成了巨厚的沉积层序。这些地层层序大部分来自于陆地，同时又沉积于海洋，因此记录了地质历史时期陆地环境变化、海平面与气候变化、大洋环流、海洋生物生产力和生物地球化学循环等重要信息，同时这里也是地下水、烃类资源、各类矿产资源的主要储库。

大陆边缘沉积地层是沟通地球现在和过去历史的纽带，尤其重要的是沉积地层可完整地记录地球气候演变历史。大陆边缘沉积连续性好，所记录的地球环境历史完整，研究大陆边缘沉积特征，包括沉积物来源、成因和沉积地层的形成机制等，对于反演大陆和海洋古环境与古气候变化、揭示全球物质循环特征、探测资源分布等有重要科学意义和应用价值。对地球环境历史的了解有助于评价地球环境的现状和预测地球环境的未来。因此，大陆边缘沉积地层堪称记录地球环境变迁信息的档案馆。

图1 全球主动大陆边缘和被动大陆边缘分布[1]

2 河流在大陆边缘沉积系统中的关键角色

自然条件下地表风化侵蚀产生的颗粒物和溶解物质通过一系列相互连接的地貌环境单元，沉积或沉淀在冲积平原、海洋大陆架或深海平原上。这套相互连接的环境单元就构成了大陆边缘的从源到汇(source to sink)系统，该系统涵盖了陆源沉积物和溶解物质从形成之初(源)到最终沉积入海(汇)的整个过程。作为联系陆与海的纽带，全球河流每年向海输送巨量的淡水、沉积物和溶解质(包括营养盐及污染物)，是大陆边缘从源到汇系统和物质循环的核心。大量物质入海后改变了边缘海盆的沉积速率以及海洋的化学组成和生物地球化学循环，其中海洋生产力的提高可以吸收和埋藏更多的大气CO2于海底，而流域加速化学风化可以消耗更多大气中的CO2，这一度被认为是引发全球变冷的重要机制，也是今天全球碳封存(carbon sequestration)研究的热点。

最近一些年在全球变化和地球系统科学研究思路指导下，大陆边缘沉积学和海洋地质学研究的一个热点是揭示河流入海物质对边缘海的沉积体系形成、古环境演化以及全球海洋化学通量变化等的影响。这也是国际STRATAFORM研究计划、大陆边缘计划(NSF-MARGINS)的从源到汇科学子计划的核心科学研究目标(NSF MARGINS Program: Science Plan 2004. http://www.margins.wustl.edu)。国际综合大洋钻探/发现计划(IODP)也特别关注高原隆升在边缘海区的沉积响应，期望通过大陆边缘深钻来揭示气候—构造—海平面变化控制下的海陆作用和河流沉积物的从源到汇过程(http://www.iodp.org)。国际地圈-生物圈研究计划(IGBP-II)下的海岸带陆海相互作用计划LOICZ-II提出“流域盆地-海岸带相互作用研究”(LOICZ Basins and EuroCa, 2003)，也强调要从流域到海岸和陆架再到深海来系统研究生物地球化学循环过程。2007年发起的全球大洋微量元素循环计划(GeoTraces)也重点研究河流入海物质对边缘海和全球大洋的重要贡献(GEOTRACES Planning Group, 2006. http://www.geotraces.org)。

3 流域环境演化信息从陆向海传递过程的复杂性

目前，全球河流每年输送的150～190亿t悬浮沉积物中，可能仅10 %～20 %最终输入开阔大洋[2]。从河海相互作用的角度看，携带陆地环境信息的河流沉积物从源到汇系统中存在若干“缓冲区”和“中间过程”(图2)，包括风化剥蚀沉积物在源区的滞留和沉积旋回[3-4]、水动力分选[5-7]、河流下游及河口的“截留/捕获和过滤器效应”(trapping and filtering effects, RioMar 2004 workshop)、河漫滩风化[8-11]、河口边界反应(boundary exchange)[2]、海底风化(submarine/reverse weathering)[12]、跨陆架输运等。

由于河流从源到汇系统中存在这些复杂的“缓冲区”和“中间过程”，最终入海河流沉积物的真实通量、组成与原始的源区特征存在显著差异，从而导致海区沉积物源判别和环境解释的偏差，及在全球海洋化学通量与元素循环研究中出现不平衡问题。这也是MARGINS S2S、GEOTRACES和地球表生关键带观测(CZO)等国际计划特别关注的地球表生过程研究的热点和难点。

河流下游河漫滩作为重要“缓冲区”(transfer/buffering zone)，可以截留大量上游源区风化剥蚀沉积物(图2(c))，其携带的源区环境信息无法直接进入海洋沉积区。在极端事件如台风、洪水、地震或冰期旋回的河流剖面调整、构造事件等作用下，堆积在下游和河口的沉积物会向陆架搬运直至最终进入深海。因此，这些缓冲区既作为上游源区风化剥蚀物质的主要沉积“汇”，又是陆架和开阔海沉积物的“源”，在河流沉积物源汇系统中具有重要作用。最近研究揭示，缓冲区沉积物的再风化可能是世界大河流域风化剥蚀处于“非稳态”(non-steady state)的主要原因，进而影响流域风化消耗大气CO2量的估算[3,5,10,15]。

图2 (长江)大河和(台湾)山溪小河流的从源到汇过程与环境响应示意：(a)大河和山溪小河源汇体系可能具有不同的源区信号传递方式与保存机制(改绘自文献[13-14])；(b)不同的入海沉积物输运过程使其对环境响应也可能不同；(c)河流下游的“缓冲区”效应差异大

虽然在千年尺度上，所有源区风化剥蚀沉积物可能都搬运出流域盆地[16]，但不同河流体系的风化沉积物传输和在流域内滞留的时间是明显不同的，且不同计算方法(水文实测、宇生核素和U系同位素、DEM模型和大陆边缘碎屑沉积通量等)存在较大偏差。大河体系多在万年至十万年尺度，山溪性小河则要短且快得多[17-20]，这也是以前全球陆海相互作用、陆架碳循环和河流沉积物从源到汇研究中一个被忽视的环节(missing link)[2]。

受河流源汇系统中这些“关键带”和“中间过程”的影响，外部驱动信号(如自然气候变化)能否及如何通过风化沉积物从流域传递到河口及海区，一直是争议的热点(图2(a))[14]。一些学者认为，流域内轨道尺度的气候波动与风化沉积物的输运时间具有耦合关系，因此源区气候变化信号可以通过海区沉积记录来反演[13,21]。但另一些研究认为：由于存在“缓冲区”效应，大河流域对外部驱动的响应时间为十万至百万年，源区气候变化(轨道尺度)和风化剥蚀等信号强度会明显减弱，甚至平滑消失，而难以从海区碎屑沉积记录中提取和反演；只有山溪小河流域的快速剥蚀才能较可靠记录源区的外部环境变迁信号[14,22]。

4 东亚大陆边缘的沉积物源-汇过程

新生代喜马拉雅-青藏高原的隆升、太平洋板块俯冲和亚洲季风系统演化造就了众多大江大河，以及一些特色的岛屿、山溪、小河，这些河流携带流域风化剥蚀产生的大量陆源物质进入亚洲边缘海和开阔大洋，使得海陆之间发生强烈的物质与能量交换，也塑造亚洲大陆边缘特色的源汇系统。据估算，世界每年由河流搬运入海沉积物中70 %以上来自南亚及环太平洋与印度洋的河流(图3)[23]。而西太平洋地区，包括黄海、东海和南海北部陆架在内的广袤区域是中国陆地向边缘海的直接延伸部分，发育世界上罕见的宽广大陆架，又受到西边界流-黑潮的强烈影响，在地质历史时期尤其是晚第四纪，陆海相互作用强烈，大陆边缘发育巨厚沉积体系，蕴含丰富的地球表生环境演化信息，是开展古环境古气候重建研究的理想对象。

图3 全球河流入海悬浮沉积物通量示意[23]

中国黄、东海属于典型的河控型大陆边缘，在第四纪冰期和间冰期旋回尺度上，接纳了世界级大河黄河、长江携带的大量亚洲大陆风化剥蚀产物，形成多种沉积体系。台湾作为东海陆源碎屑物质的一个主要端元，具有独特的“山溪小河—瞬时大通量—极端气候事件影响—快速物质输运”源汇体系特征，而与长江/黄河代表的“大河—大三角洲—宽广陆架—强烈人类活动影响—复杂的沉积输运”源汇体系明显不同(图4)[24]。它们共同主导了晚第四纪东海陆架和冲绳海槽的陆源碎屑沉积体系发育。

图4 东海周边河流风化模式图(a)与河流纵剖面图(b)(改绘自文献[36])

长江流域跨域三级地貌单元，水文监测数据揭示上游是主要的沉积物源区，中下游湖泊和河漫滩发育，是重要的沉积汇和“缓冲区”。大通水文站在1950—2010年平均输沙量为3.9亿t，要高于全新世时期入海泥沙量(约2亿t/a)[25-27]；而三峡大坝建设后的2003—2015年大通站年均输沙仅1.39亿t，同期宜昌站年均输沙仅0.41亿t[28]。这不仅反映出人类活动对长江输沙的影响，也表明中下游的泥沙交换改变了进入河口的泥沙来源[29]，可能影响入海泥沙的源区与组成。

台湾流域由于其独特的构造地质背景、地形地貌特征与极端事件(台风、地震)影响，河流沉积物的风化剥蚀与输运速率显著高于长江等大河流域，以事件性输运为主[30-33]，导致陆源颗粒碳输运和海区埋藏效率明显高于世界大河[34]。由于风化剥蚀沉积物被快速从源区带到海区，没有经历河漫滩缓冲地带的截留和再风化，因此台湾河流沉积物的化学风化程度并不高[35-37]。

黄、东海在冰期海平面可以下降100多米，广阔的陆架或暴露成土，或为河湖与滨浅海环境，河流可能下切外延至陆架边缘，发育低位体系域的河床相、三角洲相、滨岸相沉积，以及更加活跃的深水浊流沉积等。冰消期海平面上升，陆架被迅速淹没，海岸线以及古河口迅速后退，河流沉积物受到潮流-波浪等作用的强烈改造和再搬运，形成现今陆架区广泛分布的砂质潮流砂脊体系；而淘洗的细颗粒沉积物可能搬运至大陆边缘的外陆架和大陆坡，也可能输运至内陆架，形成冰后期特色的泥质沉积体系。高海面时期随着现代陆架环流体系格局形成，大部分河流沉积物堆积在河口-陆架浅海区，形成若干面积巨大的泥质区[38]。已有研究表明，这些陆架泥质沉积体系大多在末次冰消期后期至早全新世开始发育，沉积速率高，沉积中心最大厚度可达几十米[25]，是开展晚第四纪较高分辨率海洋古环境研究的理想对象。要深入理解这些典型沉积体系的物源、成因和蕴含的古环境信息，需要以“从源到汇”的思路，不仅要深化对长江和台湾入海河流沉积物组成时空变化的研究(“源”特征)，更要加强研究源区信号(气候变化、风化剥蚀、人类活动影响等)如何从流域向河口传递(源汇过程)，并最终在边缘海保存(“汇”记录)。

5 未来研究展望

在过去几十年，围绕大陆边缘物质从源到汇过程和海陆相互作用进行了大量的研究，多数研究侧重在河口到陆架边缘海的晚第四纪沉积记录。对更长地质历史中如整个第四纪、新生代的源汇过程研究很少，缺乏将地层沉积记录与构造、气候、海平面变化与人类活动影响进行综合考虑、有机联系；对不同时空尺度的科学问题把握还不够准确，缺少原创性的研究方法。已有研究主要关注海区“汇”的工作，而缺乏对地质历史时期大陆和岛屿入海物质的“源”通量、组成特征及其变化的深入刻画，对于从源到汇的过程更是缺乏系统的综合研究。

因此，目前研究还难以从整体上把握大陆边缘的源汇过程特征，许多关键问题尚未解决，包括多种因素影响下的河流沉积物和溶解物从源到汇模型的建立。目前还没有一个模型能将海岸平原大型河流中沉积物的输送和储存与海洋中沉积物的输送和储存联系起来。该模型需要对大河体系沉积物源汇过程、沉积物搬运过程的动力学机制和定量化约束、人类活动对陆海物质交换的影响、极端气候条件下陆源物质输入通量与环境影响等问题进行解释。这一模型的建立需要对现代沉积过程的监测和地质历史时期的堆积速度进行对比分析，同时需要对从源到汇系统中的不同单元进行同步的监测。

鉴于亚洲大陆边缘的地学特色、独特的河流体系演化过程和边缘海沉积特征，当前应该聚焦关键的科学问题，整合力量，以地球系统科学的理念，深化亚洲大陆边缘沉积与物质循环研究，也推进全球大陆边缘地质研究进展。

(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，国家杰出青年科学基金获得者，研究方向：主要从事大陆边缘沉积学与环境演变研究。

E-mail:syyang@tongji.edu.cn

(编辑：沈美芳)