唐靈剛，韓喜彬，趙建如，許冬，邊葉萍，葛倩

(1.國家海洋局海底科學(xué)重點實驗室　杭州　310012； 2.國家海洋局第二海洋研究所　杭州　310012)

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南大洋古環(huán)流研究方法綜述

唐靈剛1，2，韓喜彬1，2，趙建如1，2，許冬1，2，邊葉萍1，2，葛倩1，2

(1.國家海洋局海底科學(xué)重點實驗室杭州310012； 2.國家海洋局第二海洋研究所杭州310012)

南大洋海洋環(huán)流系統(tǒng)由南極底層水AABW、南極繞極流ACC、南極表層水AASW、繞極深層水CDW組成，它們在全球氣候調(diào)節(jié)中扮演重要角色。隨著科考技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān)南大洋古環(huán)流研究越來越多，研究主要集中在溫度、鹽度、流向和影響作用等方面。研究側(cè)重內(nèi)容不同所采取的手段和方法也有差別，南大洋古環(huán)流研究方法包括古生物法、地球化學(xué)法、數(shù)值模擬、沉積法、實測資料等。本文就這些研究方法做一簡單綜述，以期強調(diào)南大洋在全球大洋歷史中的作用。

南大洋；古環(huán)流；古溫度；古生物；地球化學(xué)；數(shù)值模擬

1　引言

南大洋是由南太平洋、南大西洋、南印度洋及南極大陸周圍的威德爾海(Weddell Sea)、羅斯海(Ross Sea)、阿蒙森海(Amundsen Sea)、別林斯高晉海(Bellingshausen Sea)等邊緣海組成的一片環(huán)繞南極大陸的獨特水域。2000年，國際水文地理組織(International Hydrographic Organization，IHO)將60°S以南的全部海洋定義為南大洋。與其他大洋相比，南大洋有其特有的獨特性。南大洋是五大洋中唯一的環(huán)繞地球一周而未被任何大陸所隔斷的環(huán)形大洋，面積約3.8×1013m2。另外，南大洋擁有與其他大洋完全不同的海洋生物體系。獨特的海洋環(huán)境使得南大洋生物種類相比較其他大洋而言明顯偏少，但每種生物的數(shù)量非常龐大，以磷蝦—浮游生物—其他高等生物相對單一的食物鏈現(xiàn)象全球大洋中只有南大洋存在[1]。最后，南大洋表層海水在65°S的高鹽度“南極分流帶”向兩側(cè)分流，南極大陸邊緣浮冰冷卻海水下沉并從洋底向北流動，上層暖水南流下層冷水北流的熱量交換格局在全球氣候產(chǎn)生重大影響[2]。

南大洋環(huán)流豐富，主要包括南極繞極流(Antarctic Circumpolar，AAC)、南極表層水(Antarctic Surface Water，AASW)、繞極深層水(Circumpolar Deep Water，CDW)和南極底層水(Antarctic Bottom Water，AABW)。除此之外，北大西洋深層水(North Atlantic Deep Water，NADW)通過深層潛伏向南流到本區(qū)，在威德爾海海域與淺層海水匯合[3]。南大洋環(huán)流系統(tǒng)是全球大洋環(huán)流系統(tǒng)的重要組成部分，對全球氣候和環(huán)境的變化起著至關(guān)重要的作用[4-5]。

ACC是一支緯向連通無邊界的海流，環(huán)繞南極大陸在35°S—65°S海域范圍內(nèi)自西向東運動，流域長度達(dá)2.1×104km[6]。其流量約為130～140 Sv(1 Sv=106m3/s)，其近南極地區(qū)的流速為4 cm/s，向北可增至15 cm/s，可以說是全球大洋最強大的海流[7]。它將大西洋、太平洋和印度洋連接起來，成為三大洋熱量、鹽度和其他物質(zhì)運輸和交換的紐帶，因而對全球氣候有著重要影響[8]。

AASW按季節(jié)可分為南極冬季水(Antarctic Winter Water，WW)和南極夏季表層水(Antarctic Summer Surface Water，AASSW)[9]。WW是受冬季海水表面降溫、冷卻、結(jié)冰以及風(fēng)引起的強垂直混合作用，在表層到100～200 m左右的深度上形成的低溫、高鹽，垂向方向上均一的水體。而在夏季由于溫度升高海冰融化，表層鹽度降低，形成相對高溫、低鹽的AASSW，一般深度在50 m以淺。AASW具有明顯的年際變化特征，不同年份其占據(jù)深度隨緯度有明顯的變化[10-12]。

CDW是南大洋中分布最廣、規(guī)模最大的水團，占據(jù)南大洋水體總體積的55%以上[13]。按其溫度和鹽度可分為上下兩個核心：上層核心溫度為0.9℃～2.5℃，鹽度為34.60～34.75，深度為250～600 m；下層核心溫度為1.0℃～1.8℃，鹽度為34.70～34.75，深度為500～3 000 m[14]。

南極是大洋底層水重要的發(fā)源地之一。AABW產(chǎn)生于南極洲冰陸架，主要受季節(jié)性海冰形成的影響[15]，每年3-4月是南半球海冰快速產(chǎn)生的時期也是AABW向北搬運的最快時期。海冰在表層水中留下大量鹽分，使下伏冷水密度加大，水溫達(dá)到-0.4℃，鹽度為34.7時，便開始下沉，并向北擴散到各大洋的底部，擴散范圍可到太平洋的50°N，大西洋的45°N[16]，是世界大洋底層水的重要組成部分。形成和外輸AABW的最大源區(qū)是威德爾海，威德爾海的海冰變化不定，熱量和濕氣在垂向上的強勁流動則在威德爾環(huán)流和海冰之上形成寒冷的極地大氣，這使得威爾海環(huán)流形成AABW的一個主要源地[17]。此外，在冬季威德爾海海冰覆蓋區(qū)中央會出現(xiàn)開闊水域形成“冰間湖”[18]，增強海洋向大氣水汽輸送和熱量輸送[19]，上升的高溫水在海洋上層降溫，穩(wěn)定度減少，海水垂向混合加強，對AABW的形成會產(chǎn)生較大影響[20]。AABW另一個重要源區(qū)是羅斯海，分析表明，源于陸架上的底層水會形成鹽度較高和鹽度較低的AABW。鹽度較高的AABW受西羅斯海羅斯海陸架水(Ross Sea Shelf Water，RSSW)和CDW的混合影響；鹽度較低的AABW則是受東羅斯海陸架坡的CDW和冰架水(Ice Shelf Water，ISW)的混合影響[21]。

AABW與NADW相互作用形成了南北兩半球之間的溫鹽蹺蹺板[22]，共同調(diào)控著全球熱鹽環(huán)流強度[23]。ACC通過極強的垂向混合過程帶動太平洋、大西洋和印度洋之間的熱量、水分和能量交換[24-25]；低緯度地區(qū)的水團經(jīng)潛沉過程在ACC南面的上升流區(qū)上升，發(fā)生強烈的海氣交換[26]；AABW和ACC都是全球熱鹽環(huán)流運輸帶中的重要組成部分[2]。南大洋環(huán)流對資源礦產(chǎn)具有重大意義。AASW與磷蝦資源密切相關(guān)，南極冬季水?dāng)U展區(qū)常是磷蝦密集區(qū)域[27-28]；AABW水循環(huán)運動豐富輸送了豐富的鐵錳結(jié)核(殼)礦床的成礦物質(zhì)[29]。此外，南大洋的海-冰-氣耦合反饋過程復(fù)雜[30]，生物地球化學(xué)碳循環(huán)活躍[31]。由此可見，南大洋的海洋環(huán)流系統(tǒng)對南半球，甚至全球氣候起著重大調(diào)節(jié)作用。

近幾年，南大洋古環(huán)流系統(tǒng)已經(jīng)受到了海洋學(xué)家的廣泛關(guān)注和研究，但主要集中在南大洋某一海域或單支海流，沒有進(jìn)行全面、系統(tǒng)地研究。并且，對南大洋古環(huán)流的研究也缺少全面的研究方法總結(jié)?；诖耍谇叭搜芯康幕A(chǔ)上，從南大洋古海流的基本概況出發(fā)，分析了南大洋古海流的主要研究方法和手段，為我國南大洋古環(huán)流系統(tǒng)的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

2　主要的古環(huán)流研究手段

對南大洋環(huán)流的研究主要集中在溫度、鹽度、密度、氧化還原環(huán)境、流向、演變和影響作用，研究側(cè)重內(nèi)容不同所采取的手段和方法也有差別。

2.1古溫度

各洋流、水團間最大的區(qū)別主要在于溫度，利用微體古生物、穩(wěn)定同位素等方法求出古溫度在平面上的分布格局，可繪出相應(yīng)的古洋流圖。

2.1.1微體古生物法

微體古生物法主要是用浮游有孔蟲，包括浮游有孔蟲的種屬、分異度和相對豐度等方面的特征數(shù)據(jù)。

微體古生物的種屬判斷環(huán)流、水團。始新世的分界處(38 Ma前)，南極底層水及洋底“冷水圈”的首次形成，大洋水溫驟降約4℃～5℃，浮游有孔蟲都是簡單的抱球式；從漸新世至早中新世(17-15 Ma)氣候變暖，浮游有孔蟲又重新出現(xiàn)了圓輻蟲式，矛棘蟲式、圓球蟲式形態(tài)，構(gòu)成近代有孔蟲群落的基本面貌[32]。

浮游有孔蟲的分異度表現(xiàn)在殼體的形態(tài)、殼徑、殼面孔隙率、殼體旋向等形態(tài)結(jié)構(gòu)，這些形態(tài)結(jié)構(gòu)差異也往往受到環(huán)境條件的制約，具有一定的指溫、指緯意義。例如，Kennett[33]從分析了截錐圓輻蟲的形態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)截錐圓輻蟲個體平均寬度與高度比值在亞南極北部水團為1.40～1.52；而亞南極南部水團—南極水團北部為1.48～1.55。Malmgren和Kennett[34]通過對中央亞南極及熱帶輻合區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，泡抱球蟲的平均殼徑在寒冷期較大，在溫暖期較小。

浮游有孔蟲對溫度變化敏感，在適宜溫度內(nèi)呈現(xiàn)大量生存繁衍的現(xiàn)象，因此其相對豐度變化可以表征古溫度特征。涂霞等[35]分析南極普利茲灣柱狀樣有孔蟲得出，柱深40 cm以上暖水種群Globigerinoidessacculifer，G.ruber浮游有孔蟲含量占浮游有孔蟲總量的50%以上，表明全柱的表層水溫變化在柱深40 cm以上段表層水溫溫暖。

2.1.2穩(wěn)定同位素法

硅藻成因SiO2的氧同位素值反應(yīng)海水表面溫度記錄，再配以植物組分的資料，也能成為上升流的很敏感的標(biāo)志。多數(shù)人認(rèn)為在中中新世南極冰蓋形成以前的早新生代時期大陸上還不存在冰川，因此可用氧同位素資料直接解釋當(dāng)時大洋古溫度的變化[36]。Shackelton等[37]通過塔斯曼海區(qū)三口鉆井分析發(fā)現(xiàn)，始新世、漸新世之交，南極海冰大規(guī)模形成；中中新世，南極大陸冰蓋開始形成。Keigwin[38]進(jìn)一步利用氧同位素資料分析對比不同地區(qū)底層水溫度變化趨勢，發(fā)現(xiàn)亞南極站位上的浮游與底棲有孔蟲同位素具有協(xié)調(diào)一致的變化趨勢，并在界面處開始同時急劇變冷。

此外，有孔蟲的Mg/Ca比值，可以估算海水古溫度，這方法適用于低緯和高緯、表層和深層海水古溫度[39-42]。古森昌等[43]通過對柱狀樣元素組分的分析，發(fā)現(xiàn)沉積物中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、P、S、Corg等元素組分較好地記錄了由古氣候變化而引起的物源改變，這些元素組分在地層中的分布規(guī)律與古海洋沉積環(huán)境及古氣候變遷相一致；并發(fā)現(xiàn)自晚更新世末期以來的氣候大致可分為溫暖期、寒冷期、高溫期、轉(zhuǎn)冷期和轉(zhuǎn)暖期5個區(qū)段。

Tex86是古海水溫度重建指標(biāo)，基于由古菌的一個分支 Marine Crenarchaeota所產(chǎn)生的一組生物標(biāo)志物(GDGTs)的比值[54]。古菌Marine Crenarchaeota的細(xì)胞膜主要由甘油二烷基甘油四醚化合物(Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraethers，GDGTs)構(gòu)成。這類化合物具有良好的熱穩(wěn)定性，環(huán)境溫度升高其五元環(huán)的相對數(shù)量能夠增加[55-56]。依據(jù)這個原理Schouten等建立了海洋浮游型奇古菌GDGTs的四醚指數(shù)Tex86表征五元環(huán)相對數(shù)量，并發(fā)現(xiàn)海洋沉積物GDGTs的Tex86與SST具有很好的相關(guān)性。Jung等[57]在南印度洋海域通過Tex86探討50 ka 以來的SST變化，得出末次冰期南印度洋海域的平均SST在10℃，之后SST逐漸升溫，早全新世時該海域的SST升到19℃。并且該結(jié)論與硅藻成因的氧同位素得出的SST具有很好的一致性。Jenkyns等[58]在南極大陸架海域，Tex86顯示早白堊紀(jì)阿普第期至阿爾布期之間的SST在24℃～28℃，并且顯示在早阿爾布時期海水表面溫度呈現(xiàn)出上升的趨勢。Tex86是新興的古海水溫度重建指標(biāo)，在應(yīng)用過程中仍有一些不足之處。Tex86僅適用于成熟度較低的沉積物[59]，陸源有機質(zhì)輸入可能導(dǎo)致Tex86偏差[60]，Tex86與水體深度以及季節(jié)變化之間的關(guān)系還有待進(jìn)一步的探索[61]，這些原因限制了Tex86在SST重建。

2.2鹽度

鹽度分布體現(xiàn)了海洋的熱分布與運輸狀況，鹽度變化提供了整個水體的運動、輸送以及水體混合的信息。南大洋是全球中層和深層水形成的主要區(qū)域，它的鹽度變化將直接影響全球中、深層水特征，并且南大洋上層海水鹽度季節(jié)和年際變化過程控制著南極表層冬季水的形成和深度。南大洋表層海水鹽度的分布主要受季節(jié)性的海水升溫和融冰淡水混合的影響[62]。

2.2.1現(xiàn)場觀測

對南大洋環(huán)流鹽度的研究主要采取觀測的技術(shù)手段，包括全球海洋環(huán)流觀測(WOCE)和ARGO觀測計劃。WOCE和ARGO觀測獲得的數(shù)據(jù)能夠基本描述南大洋環(huán)流形態(tài)特征及其在全球大洋環(huán)流中的影響作用，但是由于鹽度觀測點分布稀疏，尚未能完好地分析南大洋鹽度變化過程。除此之外，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)可以分析獲取鹽度數(shù)據(jù)，許蘇清等[63]利用遙感鹽度數(shù)據(jù)經(jīng)過插值計算得出，南大洋表層水的鹽度呈不規(guī)則的鹽度值或高或低的空間塊狀分布。

根據(jù)航渡觀測資料顯示，南大洋海域鹽度在34.52～33.67之間，其中在南印度洋海域鹽度是34.10±0.47，南大西洋海域鹽度是34.52±0.27，德雷克海峽海域鹽度是34.37±0.33，南極海灣附近海域鹽度是33.48±0.09，南美洲近岸海域鹽度是33.67±0.64[64]。

2.2.2數(shù)值模擬法

為了克服鹽度實際觀測數(shù)據(jù)有限的障礙，科學(xué)研究工作者試圖通過歷史鹽度觀測數(shù)據(jù)重構(gòu)鹽度剖面。Woodcock等[65]最早提出利用溫度-鹽度的統(tǒng)計關(guān)系以及相對豐富的溫度剖面觀測來估計鹽度剖面；Donguy等[66]將表層鹽度觀測作為新的控制數(shù)據(jù)，在上混合層內(nèi)通過表層鹽度觀測插值計算混合以下的鹽度；Hansen等[67]通過建立垂向平均鹽度與其他觀測(溫度、海面鹽度等)之間的相關(guān)改進(jìn)了鹽度剖面反演結(jié)果，其反演的鹽度剖面能夠再現(xiàn)觀測到的鹽度障礙層；Vossepoel等[68]引入海面高度作為輔助信息來修正反演的鹽度剖面；Yan等[69]建立了基于三維變分的數(shù)據(jù)同化方法，利用垂向溫度-鹽度關(guān)系與海面動力高度觀測之間的相關(guān)關(guān)系重構(gòu)鹽度剖面。這些方法可以間接地獲得鹽度垂向剖面，但是要求研究海域已有較多的歷史溫度-鹽度剖面觀測，并且具有相對穩(wěn)定的溫度-鹽度關(guān)系，以便建立穩(wěn)定的溫度-鹽度之間的函數(shù)關(guān)系。

2.3流向

洋流的流向是指洋流的流去方向，其流向一般具有穩(wěn)定的性質(zhì)。南大洋古環(huán)流流向的研究方法有古生物法和地球化學(xué)法兩大類：古生物法利用放射蟲、有孔蟲、硅藻等微體海洋沉積生物；地球化學(xué)法利用水體氧化還原程度和δ13C、δ18O值。

2.3.1古生物法

習(xí)近平總書記這樣寄語當(dāng)代青年大學(xué)生:“現(xiàn)在在高校學(xué)習(xí)的大學(xué)生都是20歲左右,到2020年全面建成小康社會時,很多人還不到30歲;到本世紀(jì)中葉基本實現(xiàn)現(xiàn)代化時,很多人還不到60歲。也就是說,實現(xiàn)‘兩個一百年’奮斗目標(biāo),你們和千千萬萬青年將全過程參與?！盵13]可見,當(dāng)今青年一代學(xué)生,是同新時代共同前進(jìn)的一代人,在離開學(xué)校,走上社會之后,將會成為國家改革發(fā)展的生力軍,擔(dān)負(fù)起民族復(fù)興的重要責(zé)任,青年的素質(zhì)能力和精神面貌,將對我國宏偉藍(lán)圖的實現(xiàn)產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。當(dāng)代中國青年“生逢其時,責(zé)任重大”[14]。青年發(fā)展觀,正是習(xí)近平青年觀的理論核心。

古生物法是古環(huán)流最主要的研究手段。放射蟲、有孔蟲、硅藻等微體生物，主要受海水深度、溫度、鹽度、濁度、營養(yǎng)鹽以及水體運動等各種物理化學(xué)條件的控制。某一具體的環(huán)流具有相對穩(wěn)定的溫度鹽度等物理化學(xué)特征，并且隨環(huán)流的流動其物理化學(xué)性質(zhì)會發(fā)生細(xì)微變化。這些要素變化的信息便記錄在生物個體、生物組合、分異度等特征上，因此古生物是判斷古環(huán)流流向的靈敏標(biāo)志。此外，海流的路線往往與某些關(guān)鍵性地區(qū)如海峽通道的關(guān)放或封閉密切相關(guān)，因此可以通過比較海峽兩側(cè)的化石群，分析是否存在明顯的差異或者是否具有某些海流的標(biāo)志屬種，以判斷是當(dāng)時海流的可能途徑。

“將今論古”是放射蟲在古海洋環(huán)境和古水團重建研究的應(yīng)用基礎(chǔ)，而且不少研究證明現(xiàn)代海洋中活體放射蟲水深分布與某些水團緊密聯(lián)系，可以作為水團的追蹤和指示劑從而應(yīng)用到古海洋和古水團的重建[70-71]。Gupta等[72]通過Nassekkaria和Spumellaria兩種放射蟲的數(shù)量比值變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)了AABW活動的證據(jù)；常鳳鳴、Pudsey和Howe[73-75]利用Cycladophoradavisiana恢復(fù)了南極環(huán)流的演變歷史。某些水團具有特定的底棲生物標(biāo)志種或標(biāo)志性組合的分布，利用其特殊的標(biāo)志生物可加以判斷水團的動向。放射蟲的某些屬種和水團有著密切的關(guān)系，Ciesielski等[76]根據(jù)放射蟲石群的變化討論上新世南極輻合帶在西南大西洋的位置移動，再如亞極地分布在大洋表層的冷水種，當(dāng)相應(yīng)水團朝赤道方向潛入深部時，也隨著轉(zhuǎn)向深層水中，當(dāng)水團的布局發(fā)生季節(jié)性變化時，放射蟲組合的分布也隨之變更。但是僅靠一兩種放射蟲來重建古環(huán)流不足以強有力地說明問題，并且取樣時間的差異會導(dǎo)致研究結(jié)果可比性很差，還需要結(jié)合諸如沉積物粒度、有機質(zhì)等其他指標(biāo)，以增強其研究結(jié)果的對比性和準(zhǔn)確性。

底棲有孔蟲的種屬常作為水團的標(biāo)志。在早期研究中，普遍把底棲有孔蟲用于判斷古深度[77]；后來研究表明，底棲有孔蟲的深度分布很大程度上是水團與水深的關(guān)系[78]。不同深度處分布著不同的水團，被不同水團占據(jù)的海底生活著不同屬種組合的底棲有孔蟲。Espistominellaumbonifera指示AABW，Epistominellaexigua和Cibicidoideswuellerstorfi指示南大洋NADW[79]，Globigerinabulloides是現(xiàn)代上升流最重要的標(biāo)志種，分布于南印度洋、太平洋、大西洋海岸的上升流中。底棲有孔蟲殼體受埋藏作用影響，膠結(jié)殼的分解和鈣質(zhì)殼的溶解導(dǎo)致有孔蟲埋藏群、化石群差異變化。因此利用有孔蟲研究水團流向變化時，要考慮到埋藏的古環(huán)境。

硅藻對環(huán)境變化反應(yīng)敏感，其物種組成、數(shù)量變化和地理分布依賴于各種物化條件，蘊含豐富的生態(tài)與環(huán)境信息[80]。蘇聯(lián)學(xué)者[81]將現(xiàn)代硅藻劃分為7個組合，各自分布在不同緯度區(qū)代表不同的水文條件，這些組合的硅藻屬種可以用來追索水團位置。如南極組合的特征分子Eucampiabalaus-tium，Coscinodiscuslentiginosus和Thalassiosiragracilis等在沉積物中的分布可被用做南極底層水AABW在南太平洋薩摩亞群島以南分成兩支北上的證據(jù)之一；在大西洋和印度洋也可以用硅藻追蹤出南極底層水的流路[82]。值得注意的是，硅藻群落在經(jīng)海流遷移、沉積、埋藏的過程中，其攜帶的環(huán)境信息已經(jīng)發(fā)生了改變[83]，所以沉積硅藻的組合分布特征反映的是某段時期的平均狀況。

2.3.2地球化學(xué)法

氧化還原電位(Eh)是多種氧化物質(zhì)和還原物質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)的綜合結(jié)果，反映了體系中所有物質(zhì)表現(xiàn)出來的宏觀氧化-還原性。氧化還原作用對水體化學(xué)環(huán)境有很大影響，水體中各種有機質(zhì)、無機質(zhì)的存在和遷移現(xiàn)象，氧化還原反應(yīng)都起著關(guān)鍵性作用[84]。

Eh可以反映洋流的水道和流向。東太平洋海盆底層洋水的氧化程度呈現(xiàn)南北高、中部低、南西高于北東的分布勢態(tài)，這勢態(tài)所確定AABW的水道和流向與根據(jù)水溫而確定的AABW克拉里昂水道的流向基本相同[29]。此外，沉積物的Eh分析被用于海洋地球化學(xué)研究中，有學(xué)者對海底沉積物的分析以證明海水的流動方向[85]。

δ18O值也被用于研究水團來源與遷移，δ18O值的平面分布等值線可以反映出定常流流場特征，表征大尺度環(huán)流的路徑；δ18O值的斷面分布可以研究水體的垂向運動和垂直擴散過程[89]。在南大洋近南極半島海域，表層水的δ18O值在無冰的海域為負(fù)值0.40×10-3左右，但在近半島有浮冰出現(xiàn)或靠岸海域的冰融水影響時，δ18O值相應(yīng)變負(fù)0.55×10-3左右[90]。無冰海域和浮冰海域δ18O值差異表明南大洋南極半島海域表層水受海冰輸入影響：海冰融化大量淡水混入，輕同位素分子16O增加，使得重同位素18O相對貧化，即δ18O值隨之降低；并可依據(jù)其推論出海冰輸入路徑及環(huán)流運移路徑。

2.4變遷及效應(yīng)

2.4.1沉積識別

底層流可以直接對洋底沉積物的搬運與沉積發(fā)生作用，因此可以運用沉積學(xué)標(biāo)志，如沉積物的組成、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造以及沉積間斷等標(biāo)志加以識別。而在海岸上升流流區(qū)的地質(zhì)組分中，可以利用有機碳、磷灰石、硅藻等沉積信息識別上升流。深海巖心的冰載碎屑含量可以反應(yīng)南極冰蓋出現(xiàn)情況，并且根據(jù)洋底南極冰載物質(zhì)可搬運到40°S范圍也可推論出南大洋環(huán)流影響范圍。

距今3.5 Ma前，由于南極進(jìn)一步變冷，南極西部(基底位于還平面之下)冰蓋形成，促使AABW活動性明顯加強。AABW在途徑澳大利亞南部，流向新西蘭方向后即轉(zhuǎn)向塔斯馬尼亞及薩摩亞海盆北流，至北部海山處分成東西兩股底流，在全球范圍內(nèi)普遍出現(xiàn)強烈的深海侵蝕作用及沉積間斷[91]。Watkins等[92]在南大洋70°E—190°E地區(qū)，經(jīng)多年工作綜合繪制出表面沉積物平均年代的5次趨勢圖，顯示出2.5 Ma來南極底層水侵蝕沖刷，科爾蓋倫海臺、南塔斯曼盆地、西埃莫拉爾德盆地以及羅斯海區(qū)都是強底流侵蝕區(qū)。然而，沉積構(gòu)造(底床形態(tài))以研究AABW不一定適用[93]，這是由于AABW是屬于速度較快的溫鹽環(huán)流，往往活動于CCD之下，所處的洋底不一定能發(fā)現(xiàn)沙礫級的波痕及沙丘等形態(tài)，即使在湍急的深水谷地內(nèi)也不例外。

2.4.2模擬法

古大洋表層流通常不留下直接標(biāo)志，只能通過間接的途徑加以研究。數(shù)值模擬不僅能夠模擬氣候變化過程中不同驅(qū)動因子的相對重要性，而且可以輸出不同邊界條件下各氣候要素的空間分布，從而獲得對氣候變化機制的認(rèn)識[94]。憑借此優(yōu)勢，數(shù)值模擬在古氣候中發(fā)揮著重要作用，科學(xué)家們也將此手段用于南大洋古環(huán)流研究中。

Weaver等[95]等利用中等復(fù)雜的氣候模式UVic，向南大洋注入淡水通量，減弱AABW的生成，有力地證明了南北半球蹺蹺板的存在，證明了南極底層水的是全球運輸帶重要引擎的氣候效應(yīng)。Seidov[96-97]和Stouffer[98]用海-氣完全耦合模式，發(fā)現(xiàn)AABW生成受到表層淡水輸入的抑制作用。同時，數(shù)值模擬結(jié)合地質(zhì)歷史時期的大陸位置條件，推論環(huán)流體系。海洋環(huán)流模式(OGCM)模擬德雷克海峽開合和ACC形成方面，數(shù)值模式表明[26，99]30 Ma之前封閉的德雷克海峽在其緯度上構(gòu)建了緯向的壓力梯度產(chǎn)生經(jīng)向的地轉(zhuǎn)流，為南極帶來豐沛的暖水。之后德雷克海峽打開使得ACC形成，阻隔了副熱帶暖水和極地冷水之間的熱交換，南極氣候變得寒冷[100-101]。然而，平板海流(slab ocean)模式和冰蓋動力學(xué)模式耦合結(jié)果顯示，德雷克海峽開啟和ACC形成，并不足以使得南極從溫暖向嚴(yán)寒環(huán)境轉(zhuǎn)變[102]。由此可見，由于邊界條件難確定，古地形、海底地形難恢復(fù)，對模擬結(jié)果影響較大，數(shù)值模擬在南大洋古環(huán)流研究中的局限性和不確定性明顯。

3　討論

上述的研究方法中，以古生物和地球化學(xué)的方法為主；除模擬法和沉積法之外，其他方法的研究對象幾乎都以微體古生物的介殼為主。因此，鑒定和分析微體古生物的工作起著關(guān)鍵性的作用。洋流存在的必要條件是水溫梯度，眾多方法實際上就是判別古水溫的方法。所以，利用微體古生物準(zhǔn)確判別古水溫以區(qū)分洋流對南大洋古環(huán)流重建顯得格外重要。

4　展望

南大洋環(huán)流豐富變化復(fù)雜，各研究手段存在不足，可靠性和分辨率有待進(jìn)一步提高，加之南大洋遠(yuǎn)離人類居住環(huán)境惡劣，考察能力有限，眾多因素限制南大洋古環(huán)流研究發(fā)展。未來的研究還要注意多手段結(jié)合綜合分析，重點關(guān)注以下方面。

(1)古生物與地球化學(xué)方法多參數(shù)運用，與其他圈層如大氣圈、巖石圈、水圈、生物圈結(jié)合系統(tǒng)分析。

(2)發(fā)展新技術(shù)手段。受工作電極和參比電極最高使用溫度和壓力的限制，目前國際上有關(guān)Eh的測量主要是在常溫常壓下進(jìn)行。因此，亟須開展原位監(jiān)測的氧化還原電位測量工作。此外，還需建設(shè)極地海底觀測系統(tǒng)，建立更詳細(xì)參數(shù)的數(shù)值模擬模型。

(3)對溫度鹽度的調(diào)查主要是依靠單次調(diào)查結(jié)果，且調(diào)查的范圍有限，經(jīng)向跨度小。采用多航次、多剖面、跨經(jīng)度調(diào)查，以獲得更大區(qū)域范圍豐富的南大洋環(huán)流溫鹽資料。

(4)從能力建設(shè)方面著手加強極地科考能力，這對南大洋古環(huán)流研究有極大地促進(jìn)作用。

(5)這些研究技術(shù)成就都是在一系列大型國際合作計劃和長期穩(wěn)定資助下取得的，科學(xué)問題的前瞻性和研究經(jīng)費的合理運用成為取得這些成就的必要基礎(chǔ)。任何創(chuàng)新性成果的取得必須依賴于廣泛的跨學(xué)科、跨方向的合作。

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[33]-[103]略

On the Research Method of Ancient Circulation in the Southern Ocean

TANG Linggang1，2，HAN Xibin1，2，ZHAO Jianru1，2，XU Dong1，2，BIAN Yeping1，2，GE Qian1，2

(1.Key Laboratory of Submarine GeoSciences, SOA, Hangzhou 310012, China;2.Second Institute of Oceanography, SOA, Hangzhou 310012, China)

The circulation system of Southern Ocean is composed of the Antarctic Bottom Water(AABW), the Antarctic Circumpolar Current (AAC), the Antarctic Surface Water(AASW) and the Circumpolar Deep Water(CDW) an important role in global climate change. With the development of science and technology, there has been more and more interests in ancient circulation of the Southern Ocean and some researching methods appeared. Focusing on different research content, different research methods will be taken, including simulation method, paleobiogeography, paleo-temperature, sediment, fossil and geochemistry. In this paper, some researching methods of ancient circulation in the Southern Ocean were simply reviewed, in order to emphasize the importance of the Southern Ocean in the history of global ocean.

Ancient circulation，the Southern Ocean，Research methods，Paleo-temperature，Paleontology，Geochemistry，Numerical simulation

南北極環(huán)境綜合考察與評估專項(CHINARE2012-01-02,CHINARE2013-01-02，CHINARE2014-01-02，CHINARE2015-01-02，CHINARE2013-04-01，CHINARE2014-04-01，CHINARE2015-04-01)；“全球變化與海氣相互作用”專項“西太平洋古氣候研究”項目(GASI-04-01-02).

唐靈剛，碩士研究生，研究方向為海洋沉積學(xué)，電子信箱：1083980856@qq.com

韓喜彬,副研究員,碩士生導(dǎo)師,博士,研究方向為海洋沉積，電子信箱:hanxibin@sio.org.cn

P7

A

1005-9857(2016)02-0048-08