張鵬， 宋海斌*， 范文豪， 楊順， 劉夢(mèng)麗

1 同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200092 2 同濟(jì)大學(xué)海洋與地球科學(xué)學(xué)院， 上海 200092

0 引言

溫鹽階梯(Thermohaline staircases)是指海水溫度、鹽度隨深度增加呈現(xiàn)階梯狀變化的特殊溫鹽結(jié)構(gòu)(Merryfield, 2000)，在北大西洋副熱帶海域(Fer et al., 2010; Schmitt et al., 2005; Merryfield, 2005)、北冰洋(Neal et al., 1969; Shibley et al., 2020)、地中海第勒尼安海(Buffett et al., 2017)、加勒比海(Lambert and Sturges, 1977; Morell et al., 2006; Van der Boog et al., 2019a; Van der Boog et al., 2019b)等區(qū)域均有廣泛分布.通常認(rèn)為溫鹽階梯是因?yàn)闊崃颗c鹽分?jǐn)U散率不同導(dǎo)致的熱鹽雙擴(kuò)散作用的產(chǎn)物(Merryfield, 2000).雙擴(kuò)散指的是分子熱擴(kuò)散和分子鹽擴(kuò)散的聯(lián)合效應(yīng).發(fā)生雙擴(kuò)散現(xiàn)象的關(guān)鍵是，在層結(jié)穩(wěn)定的海洋中，只要溫度或鹽度之一具有“不穩(wěn)定”的鉛直分布，即鹽度隨著深度而降低，或者溫度隨著深度而升高，由于分子熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于分子鹽擴(kuò)散系數(shù)，分子熱擴(kuò)散與分子鹽擴(kuò)散具有不同的時(shí)間尺度，分子熱擴(kuò)散快于分子鹽擴(kuò)散，可引起自由對(duì)流，從而促進(jìn)海洋內(nèi)部混合.當(dāng)海洋中的湍流運(yùn)動(dòng)非常微弱時(shí)，海洋雙擴(kuò)散是形成海水精細(xì)結(jié)構(gòu)的重要現(xiàn)象之一(Steele et al., 2001).雙擴(kuò)散現(xiàn)象有兩種形式：當(dāng)高溫高鹽海水位于低溫低鹽海水之上時(shí)，會(huì)發(fā)生鹽指現(xiàn)象.當(dāng)?shù)蜏氐望}海水位于高溫高鹽海水之上時(shí)，會(huì)發(fā)生擴(kuò)散對(duì)流現(xiàn)象.而以上兩種基本形式的雙擴(kuò)散現(xiàn)象都會(huì)形成雙擴(kuò)散階梯，即溫鹽階梯(Ruddick and Gargett, 2003).

與湍流混合不同，雙擴(kuò)散引起的對(duì)流混合是另一種海洋內(nèi)部混合機(jī)制，海洋混合機(jī)制的研究是海洋學(xué)研究的前沿，因此溫鹽階梯和雙擴(kuò)散對(duì)流的研究在不斷地進(jìn)行中(Buffett et al., 2017;Van der Boog et al., 2019a; Van der Boog et al., 2019b).由雙擴(kuò)散對(duì)流形成的溫鹽階梯結(jié)構(gòu)主要分為兩個(gè)部分，一個(gè)是溫度鹽度變化較大的高梯度層(后簡(jiǎn)稱高梯度層)，一個(gè)是溫度和鹽度較為均勻的混合層(后簡(jiǎn)稱均勻混合層)(屈玲等，2015)(圖1)，一般來(lái)說(shuō)，均勻混合層的厚度遠(yuǎn)大于高梯度層的厚度(萬(wàn)偉等，2014).

圖1 典型的溫鹽階梯1 表示溫鹽變化較大的高梯度層，2 表示溫鹽均勻的均勻混合層.Fig.1 Typical thermohaline staircasesNumber 1 represent the layers with high temperature and salinity gradients, and number 2 represent the mixed layers with homogeneous temperature and salinity.

北大西洋副熱帶海域與加勒比海是溫鹽階梯發(fā)育的典型地區(qū)，已有大量關(guān)于溫鹽結(jié)構(gòu)的研究.早在1968年，溫鹽階梯就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)存在于北大西洋(Turner, 1968)，1968和1969年，Turner和Stern指出高溫高鹽的水團(tuán)和低溫低鹽的水團(tuán)相遇引起的雙擴(kuò)散對(duì)流和鹽指現(xiàn)象是產(chǎn)生溫鹽階梯的原因(Turner, 1968; Stern and Turner, 1969).Williams(1975)觀察到海洋中的鹽指現(xiàn)象，并證明它與溫鹽階梯中的高梯度層有關(guān).Morrison和Nowlin(1982)研究了東加勒比海主要的幾種水團(tuán)，并總結(jié)了其對(duì)應(yīng)的特征，對(duì)后續(xù)該地區(qū)雙擴(kuò)散現(xiàn)象的研究起到了重要的作用.該地區(qū)曾多次被發(fā)現(xiàn)存在溫鹽階梯(Lambert and Sturges, 1977； Morell et al., 2006).Lambert和Sturges(1977)在加勒比海也發(fā)現(xiàn)了相似的階梯層結(jié)構(gòu)，并將其與雙擴(kuò)散和鹽指現(xiàn)象聯(lián)系起來(lái).他們通過(guò)布置在東加勒比海的CTD(溫鹽深剖面儀)站位觀察到大規(guī)模的溫鹽階梯，并指出該現(xiàn)象是發(fā)生于南極中層水(Antarctic Intermediate Water, AAIW)核心之上與亞熱帶次表層水(Subtropical Underwater, STUW)的垂直混合區(qū)域內(nèi)(Lambert and Sturges, 1977).加勒比海有著豐富的反氣旋運(yùn)動(dòng)，渦旋從格林納達(dá)通道一直往西運(yùn)動(dòng)并增強(qiáng)(Andrade and Barton, 2000; Van der Boog et al., 2019a).Rudzin等(2017)和Van der Boog、de Jong等(2019a)分別對(duì)加勒比海的兩處渦旋進(jìn)行了研究，Van der Boog、de Jong等(2019a)在一條南北向的連續(xù)Argo浮標(biāo)站位中發(fā)現(xiàn)了溫鹽階梯，四個(gè)Argo浮標(biāo)的數(shù)據(jù)顯示，溫鹽階梯在此處是持久存在的，大多數(shù)溫鹽階梯結(jié)構(gòu)在幾星期甚至幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)保持不變(Van der Boog et al., 2019a).

相比于地震剖面，CTD斷面對(duì)溫鹽階梯的垂向結(jié)構(gòu)分辨率更高，但是由于站位稀疏，其橫向分辨率較低，不利于開展溫鹽階梯橫向分布，與渦旋的關(guān)系等方面的研究.2003年興起的地震海洋學(xué)方法具有較高的橫向分辨率(Holbrook et al., 2003; Ruddick et al., 2009; Song et al., 2021)，對(duì)溫鹽階梯與雙擴(kuò)散作用產(chǎn)生了新的認(rèn)識(shí)(Biescas et al., 2010; Fer et al., 2010; Buffett et al., 2017).Fer等(2010)將一段北大西洋副熱帶海域地震剖面上的密集反射層解釋為溫鹽階梯，并進(jìn)行了相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，然而Fer等(2010)的反射層區(qū)域較小，并且僅提供了一條含有階梯層的地震剖面，不利于對(duì)溫鹽階梯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行區(qū)域性的研究和總結(jié).本文在對(duì)加勒比海東南部地震測(cè)線進(jìn)行處理過(guò)后發(fā)現(xiàn)大量的密集強(qiáng)反射以及渦旋等結(jié)構(gòu)，通過(guò)與附近采集的歷史CTD數(shù)據(jù)對(duì)比，推斷密集強(qiáng)反射為溫鹽階梯，直觀地展現(xiàn)了溫鹽階梯的水平和垂向特征.加勒比海的溫鹽階梯分布范圍廣, 持續(xù)時(shí)間長(zhǎng), 在地震剖面上的反射特征明顯，結(jié)合測(cè)線附近的CTD進(jìn)行進(jìn)一步分析可得到更加充分的認(rèn)識(shí).

1 背景、數(shù)據(jù)和方法

1.1 海洋學(xué)背景

加勒比海(Caribbean Sea)是位于中美洲的一處半封閉海域(圖2)，面積為275.4萬(wàn)km2，平均水深2491 m,是世界上深度最大的陸間海.加勒比海主要有三片海域：西北部的開曼海，被中美洲包裹著的西南加勒比海，以及委內(nèi)瑞拉北部的東加勒比海.東加勒比海有著復(fù)雜的海底地形地貌，地形起伏較大，來(lái)自大西洋的洋流通過(guò)小安的列斯群島(Lesser Antilles)南北兩側(cè)的通道進(jìn)入到東加勒比海，并在此發(fā)生了大規(guī)模的物質(zhì)交換(Morrison and Nowlin, 1982; Van der Boog et al., 2019a).

圖2 東加勒比海部分水團(tuán)流向示意圖(深度從淺到深分別為STUW, SSW, TACW, AAIW)Fig.2 Flow direction of water masses in the Eastern Caribbean Sea. There are STUW(Subtropical Underwater), SSW(Sargasso Sea Water), TACW(Tropical Atlantic Central Water), and AAIW(Antarctic Intermediate Water) from the upper to the lower, respectively

Morrison和Nowlin(1982)總結(jié)了東南加勒比海與溫鹽階梯相關(guān)的四種水團(tuán).水團(tuán)路徑如圖2所示.最上層的是亞熱帶次表層水，它通過(guò)小安的列斯群島北部進(jìn)入加勒比海；下部的馬尾藻海水(Sargasso Sea Water, SSW)則通過(guò)位于波多黎各東側(cè)的Anegada-Jungfern通道進(jìn)入；再往下，熱帶大西洋中央水(Tropical Atlantic Central Water, TACW)和南極中層水通過(guò)小安的列斯群島南部進(jìn)入東加勒比海(水團(tuán)移動(dòng)路線如圖2所示).因此在東加勒比海域以及小安的列斯群島東岸馬尾藻海與大西洋交界處，觀察到存在有大規(guī)模的溫鹽階梯(Van der Boog et al., 2019a).溫鹽階梯作為一種重要的熱量輸送機(jī)制，向下輸運(yùn)海水中的熱量和鹽分(趙倩，2011).不同水團(tuán)有著不同的標(biāo)志性特征，亞熱帶次表層水核心部分特征是存在鹽度極大值，其鹽度有時(shí)會(huì)超過(guò)37 psu(psu：Practical salinity units實(shí)用鹽度單位)，深度一般為100～150 m(根據(jù)P=ρgH估算，深度單位m和壓強(qiáng)單位dbar在數(shù)值上近似相等，下同)；馬尾藻海水表現(xiàn)為輕微升高的氧氣濃度，變化幅度約為10 μmol·L-1，深度為300 m左右，靠近委內(nèi)瑞拉北岸升高為150 m；熱帶大西洋中央水核心深度約為500 m，存在氧耗導(dǎo)致的氧氣低值(小于120 μmol·L-1)，溫度9.3 ℃左右，鹽度35.2psu左右；南極中間水起源于南大洋，向北傳播到大西洋，存在有最小鹽度，約為35psu，溫度6.6 ℃左右，核心深度約為700 m(Morrison and Worth, 1982).結(jié)合各水團(tuán)的特點(diǎn)，通過(guò)分析CTD站位的溫鹽等屬性變化，可以清楚地得到水團(tuán)以及溫鹽階梯的分布范圍，并結(jié)合地震數(shù)據(jù)進(jìn)一步進(jìn)行分析.

1.2 數(shù)據(jù)與方法

本文主要利用地震海洋學(xué)與物理海洋相結(jié)合的方法研究加勒比海溫鹽階梯.地震數(shù)據(jù)來(lái)源于海洋地球科學(xué)數(shù)據(jù)系統(tǒng)(Marine Geoscience Date System, MGDS, http:∥www.marine-geo.org/)，是2004年的4—6月期間EW0404航次在加勒比—南美洲東北部弧—大陸碰撞帶采集的多道反射地震數(shù)據(jù).地震數(shù)據(jù)采集的主要目的是研究大陸生長(zhǎng)期間的殼幔相互作用和斜弧-大陸碰撞帶的高壓巖石剝露，東南加勒比邊緣和委內(nèi)瑞拉和安的列斯群島弧區(qū)的寬頻帶海陸地震調(diào)查.地震采集時(shí)使用了兩個(gè)BOLT氣槍，氣槍容量約為6947 cu in，額定工作壓力2000 psi；氣槍和拖纜放置深度為7 m，采樣間隔4 ms，采樣時(shí)長(zhǎng)14.336 s，480道采集，道間距12.5 m，炮間距50 m，最小偏移距179 m.經(jīng)過(guò)觀測(cè)系統(tǒng)定義、噪聲壓制、共中心點(diǎn)選排、速度分析、動(dòng)校正、疊加和疊后去噪、傾角濾波等地震處理步驟后得到了疊加剖面(范文豪等, 2021).

物理海洋數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)國(guó)家數(shù)據(jù)中心(National Oceanographic Data Center, NODC)的世界海洋數(shù)據(jù)庫(kù)(World Ocean Database)所收錄的加勒比海域所投放的232個(gè)CTD站位，CTD采樣時(shí)間主要在2002年6月至2005年9月之間，部分區(qū)域采樣時(shí)間為2012年4月.靠近EW0404測(cè)線的CTD溫鹽曲線表現(xiàn)出了較好的階梯層結(jié)構(gòu)，地震測(cè)線與CTD位置均已在圖3中標(biāo)出.

圖3 EW0404航次部分地震測(cè)線位置與CTD站位分布圖(CTD四個(gè)部分已分別圈出，白色線段為本文使用的地震測(cè)線)Fig.3 Location map of seismic lines of EW0404 cruise and legacy CTD casts The four parts of CTD casts have been circled, and the white lines are the seismic lines used in this paper. Numbers in white color and blue color indicate the seismic lines numbers and CTD numbers, respectively.

地震剖面在水平方向上的直觀性，有利于認(rèn)識(shí)溫鹽階梯的水平分布.但是垂向分辨率對(duì)溫鹽階梯研究來(lái)講也是一個(gè)十分重要的概念.根據(jù)Ricker準(zhǔn)則(Ricker, 1953)，地震垂向分辨率是地震主波長(zhǎng)的1/4.該海域聲速約為1500 m·s-1，聲波主頻約35 Hz，則主波長(zhǎng)約為43 m，即垂向分辨率約為11 m.受到垂向分辨率的限制，地震剖面無(wú)法對(duì)階梯層內(nèi)部的更精細(xì)結(jié)構(gòu)有很好的觀測(cè)，因此將地震剖面與CTD結(jié)合分析.

通過(guò)CTD站位的繪圖對(duì)比，我們發(fā)現(xiàn)存在相鄰CTD站位的溫鹽階梯結(jié)構(gòu)形態(tài)相似的例子，為了確認(rèn)這些CTD站位的水平一致性，我們采用了合成地震記錄的方法.在海水層中的合成地震記錄制作的流程是，由CTD測(cè)得的溫度、鹽度數(shù)據(jù)得到海水層的聲波速度和反射系數(shù)，將反射系數(shù)與主頻35 Hz(由實(shí)際水層地震數(shù)據(jù)頻譜分析獲得)的Ricker子波進(jìn)行褶積得到合成地震記錄.除了通過(guò)圖像和數(shù)據(jù)對(duì)比確定部分CTD站位的水平一致性，我們還可以通過(guò)大量的合成地震記錄得到階梯層的垂向分布范圍和較為精確的階梯層層厚，結(jié)合溫鹽深曲線以及地震記錄算得的層厚，總結(jié)出加勒比海溫鹽階梯的尺度特點(diǎn).

2 結(jié)果和分析

處理過(guò)程中為了壓制直達(dá)波會(huì)損失淺部反射信息，為了將合成地震記錄和實(shí)際地震數(shù)據(jù)對(duì)比，切除了雙程走時(shí)tTWT<0.2 s(Two-way travel time)以及海底的部分.經(jīng)過(guò)處理過(guò)后的地震剖面上出現(xiàn)了大量的密集強(qiáng)反射，其形態(tài)尺度以及分布深度與溫鹽階梯基本一致.在地震剖面中也發(fā)現(xiàn)了多處渦旋，深度和規(guī)模均有差異.

2.1 CTD數(shù)據(jù)中的溫鹽階梯

由于地震剖面的分辨率限制，無(wú)法清晰的分辨出階梯層中的高梯度帶的厚度，但可以借助CTD數(shù)據(jù)進(jìn)一步了解溫鹽階梯的具體結(jié)構(gòu).文中涉及的232個(gè)CTD位置如圖3中所示.根據(jù)CTD的分布區(qū)域可將這232個(gè)站位從西向東分為四個(gè)部分，其中第一部分(編號(hào)220-230的站位，采樣時(shí)間2012年4月)和第二部分(編號(hào)80-91站位，采樣時(shí)間2003年10月)位于東加勒比海委內(nèi)瑞拉沿岸一側(cè)，站位分布呈南北走向，80站位位于81站位東側(cè)，處于同一片水域，故放在第二部分一起討論；第三部分是位于格林納達(dá)海槽(Grenada Trough)中的CTD站位(采樣時(shí)間分別為2002年6月和2005年8—9月)；第四部分是位于格林納達(dá)通道外(Grenada Passage)，東西走向的編號(hào)135—146站位(采樣時(shí)間2004年7月).

在分析CTD數(shù)據(jù)時(shí)，在各區(qū)域內(nèi)均發(fā)現(xiàn)了大量包含溫鹽階梯特征的站點(diǎn)，在第一部分的11個(gè)站位中，有7個(gè)站位觀測(cè)到階梯層的存在，其中225和226號(hào)站位(圖4)存在明顯的階梯層.圖4a顯示225號(hào)站位的溫度和鹽度隨深度變化曲線，溫鹽階梯分布在深度200～400 m的范圍內(nèi)，而在200 m往上的淺部區(qū)域內(nèi)，高梯度層梯度較小，溫鹽曲線變化較緩，傳統(tǒng)的階梯狀形態(tài)不明顯.值得注意的是，該站位的溫鹽階梯在350 m以上高梯度層較厚，厚度達(dá)到了10～20 m，而350 m以下的溫鹽階梯中高梯度層的厚度不足5 m，最薄處只有約2 m，目前尚不清楚造成該變化的原因.226號(hào)站位(圖4b)與225號(hào)站位在340 m以下的溫鹽階梯結(jié)構(gòu)基本一致，但在200～340 m深度范圍內(nèi)226號(hào)站位無(wú)明顯階梯狀結(jié)構(gòu).226號(hào)站位溫鹽階梯的均勻?qū)雍穸然径荚?0 m左右.

圖4 第一部分編號(hào)225站位(a)和編號(hào)226站位(b)的溫鹽深曲線Fig.4 Temperature and salinity profiles in (a) station 225 and (b) station 226

在第二部分的CTD站位觀察到大量的溫鹽階梯，在11個(gè)站位中均觀測(cè)到階梯層結(jié)構(gòu)，階梯層的分布深度和出現(xiàn)概率均高于第一部分.圖5a是80號(hào)CTD站位的溫鹽深曲線，階梯狀結(jié)構(gòu)從150 m一直延伸到600 m左右的深度，其階梯層間隔較大，表現(xiàn)為厚度極大的均勻混合層(70～100 m，遠(yuǎn)大于之前觀測(cè)到的10 m)和厚度較小的高梯度層(10 m).在均勻混合層中有著大量厚度約5～10 m的小階梯.圖5b是第87號(hào)站位的溫鹽深曲線，階梯層分布于170～400 m的深度范圍，階梯層形態(tài)整體比較均一，與80號(hào)站點(diǎn)不同的是，其高梯度層與均勻混合層厚度相差較小，都在5～15 m范圍內(nèi).

在分析了不同CTD站位的大量溫鹽深曲線后發(fā)現(xiàn)，即使在同一海域相距僅有數(shù)十千米的情況下，不同站點(diǎn)中溫鹽階梯的形態(tài)和深度分布依然有著較大的差異.因此在橫向比較了許多站點(diǎn)的溫鹽深曲線后，我們認(rèn)為當(dāng)連續(xù)數(shù)個(gè)站點(diǎn)的溫鹽深曲線上出現(xiàn)相似結(jié)構(gòu)的溫鹽階梯時(shí)，可能對(duì)應(yīng)了一條延伸數(shù)十千米經(jīng)過(guò)多個(gè)站點(diǎn)的溫鹽階梯：圖5c和圖5d是80—82號(hào)連續(xù)三個(gè)站位的溫度和鹽度隨深度變化的曲線，為了更好的進(jìn)行對(duì)比，在橫軸上均進(jìn)行了一些偏移.由于81和82站位的CTD數(shù)據(jù)均只記錄到了400 m的深度，因此只能橫向?qū)Ρ?00 m以上的階梯結(jié)構(gòu).對(duì)比溫鹽深曲線分析認(rèn)為連續(xù)三個(gè)CTD站位的溫度曲線都極為類似：在180～350 m之間有著7～10個(gè)階梯，階梯的層厚均在10～20 m范圍內(nèi)，相同深度的階梯形態(tài)較為一致.由于CTD位置逐漸靠近上層高溫高鹽的水團(tuán)核心，82號(hào)站位的鹽度也隨之升高.圖6是提取80、81兩個(gè)站位的計(jì)算得到的反射系數(shù)和褶積正演得到的合成地震記錄.結(jié)果顯示剖面上深度100～400 m之間的階梯層反射二者較為相似，階梯層厚度均在10～15 m，與溫鹽深曲線上階梯層的厚度相符合.推斷此處三個(gè)連續(xù)的CTD站位的溫鹽階梯具有空間一致性，通過(guò)計(jì)算站位之間的距離估算這段溫鹽階梯大致的水平尺度，該處溫鹽階梯的水平延伸超過(guò)了100 km，其規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一般地震剖面中所觀測(cè)到的階梯層水平長(zhǎng)度，但Buffett等(2017)在第勒尼安海地震剖面上發(fā)現(xiàn)的水平延伸超過(guò)100 km的溫鹽階梯也證實(shí)了大型溫鹽階梯存在的可能.

圖5 第二部分的部分站位溫度鹽度曲線(a) 編號(hào)80站位的溫鹽深曲線； (b) 編號(hào)87站位的溫鹽深曲線； (c) 編號(hào)80-82站位的溫度橫向?qū)Ρ葓D，圖中以80號(hào)站位為基準(zhǔn)依次向左做了2 ℃的橫向偏移； (d) 編號(hào)80-82站位的鹽度橫向?qū)Ρ葓D，圖中以80號(hào)站位為基準(zhǔn)依次向左做了0.3 psu的橫向偏移.Fig.5 Temperature and salinity profiles in station (a) No.80 and (b)No.87，(c) Temperature profiles and (d) salinity profiles of station No.80-82

圖6 (a，b) 分別是80和81號(hào)站位的反射系數(shù); (c—e) 分別是80、81和87站位的合成地震記錄Fig.6 The reflection coefficients of station (a) 80 and (b) 81, respectively； Synthetic seismograms of station (c) 80, (d) 81 and (e) 87, respectively

第三部分的CTD站位大部分位于格林納達(dá)海槽南部.該處站位分布密集，因此選擇了50個(gè)CTD站位，這些站位構(gòu)成一處菱形(編號(hào)6—20，編號(hào)157—191，見圖3)覆蓋了海槽南部的大部分區(qū)域.在剔除數(shù)據(jù)異常的3個(gè)站位之后，剩下的47個(gè)站位有46個(gè)都出現(xiàn)了溫鹽階梯標(biāo)志性的階梯層結(jié)構(gòu)或者近似階梯層的結(jié)構(gòu).第三部分有著更多典型的階梯狀結(jié)構(gòu)，其中較有代表性的溫鹽階梯形態(tài)如圖7a所示，階梯層結(jié)構(gòu)主要分布在300～400 m深度，其中高梯度層層厚在5～10 m之間，均勻混合層厚度在15～20 m之間.

圖7 (a) 編號(hào)176站位溫鹽深曲線； (b—d) 分別為站位6-11的溫度、鹽度、氧氣濃度橫向?qū)Ρ葓D(溫鹽階梯的深度從右向左沿紅色直線不斷變大)Fig.7 (a) Temperature and salinity profiles in station 176； (b) Temperature； (c) salinity and (d) oxygen concentration profiles of stations 6-11, respectively. The depth of the thermohaline staircases increases from right to left along the red line

在第三部分的6—11號(hào)這六個(gè)連續(xù)站位的溫度和鹽度的橫向?qū)Ρ惹€上觀察到了溫鹽階梯隨深度的變化(圖7b—c).橫向?qū)Ρ仁峭ㄟ^(guò)對(duì)不同站位的溫度鹽度和含氧量進(jìn)行橫向偏移來(lái)實(shí)現(xiàn)(下同)：從站位8開始，階梯的數(shù)量與深度成正比.8號(hào)站位在深度328～348 m出現(xiàn)兩個(gè)階梯層，每個(gè)層厚(高梯度層和均勻混合層的總層厚，下同)約8 m；9號(hào)站位在深度380～450 m范圍內(nèi)有著4個(gè)層厚約10 m的同類型階梯層，同時(shí)還存在少量厚度2～5 m的小階梯；10號(hào)站位則是在340～480 m范圍內(nèi)出現(xiàn)大量的2～8 m的小階梯和6個(gè)厚度超過(guò)10 m的大階梯；11號(hào)站位在460～560 m范圍內(nèi)則是只存在五個(gè)厚度約20 m的大階梯.同樣也觀察到階梯層上方亞熱帶次表層水團(tuán)和馬尾藻海水團(tuán)保持著與階梯層同步上升這一現(xiàn)象，這從200～300 m處的鹽度極大值和含氧量的局部升高(圖7d)這兩個(gè)水團(tuán)核心的特征推斷水團(tuán)核心的深度變化得出.

經(jīng)過(guò)正演之后的合成地震記錄很好的驗(yàn)證了這一現(xiàn)象(圖8)，反射層從最初的300～360 m下降至460～560 m，這種形態(tài)的溫鹽階梯與EW0404測(cè)線的地震剖面上發(fā)現(xiàn)的傾斜的溫鹽階梯反射層有較好的對(duì)應(yīng)，將四個(gè)CTD站位觀測(cè)到的階梯層看作一處傾斜的溫鹽階梯，它的深度范圍300～560 m，水平延伸約17 km.

圖8 CTD編號(hào)8-11站位的合成地震記錄Fig.8 Synthetic seismograms of CTD station No.8-11 from the left to the right

第四部分的CTD站位(圖9)位于小安的列斯群島東側(cè)的大西洋中，低溫低鹽的海水從這里進(jìn)入加勒比海.發(fā)現(xiàn)一處與第三部分(圖7)相似的結(jié)構(gòu)，如圖9所示，紅線指示了溫鹽階梯上部的深度變化趨勢(shì)，認(rèn)為此處也是一處傾斜的溫鹽階梯層.該部分階梯層厚度較大，在10 m以上，136、137和138號(hào)站位均出現(xiàn)厚度超過(guò)20 m的階梯層.將136—139四個(gè)連續(xù)的站位看作一處連續(xù)的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析，溫鹽階梯的上層在靠近群島的一側(cè)深度為220 m，在靠近大西洋的一側(cè)深度增大為300 m左右，水平延伸達(dá)到了142 km.由于該處是南方低溫低鹽的冷水團(tuán)和赤道的高溫高鹽熱水團(tuán)交匯處，雙擴(kuò)散現(xiàn)象強(qiáng)，使得存在較大規(guī)模的溫鹽階梯成為可能.表1將每部分CTD中較為標(biāo)志性的溫鹽階梯結(jié)構(gòu)數(shù)值進(jìn)行了總結(jié)，較好的階梯層基本都分布在200～400 m的區(qū)間內(nèi)，分析認(rèn)為第三、第四部分的溫鹽階梯更加標(biāo)準(zhǔn)，其高梯度層更薄，梯度層溫度梯度(ΔT)更大，除去第二部分出現(xiàn)的極大厚度的均勻混合層，各部分的溫鹽階梯層厚基本一致.

圖9 編號(hào)136-142站位溫度、鹽度橫向?qū)Ρ葓D(溫鹽階梯的深度從右向左沿紅色直線不斷變大)Fig.9 Horizontal comparison of temperature and salinity at Station No.136-142 (The depth of the thermohaline staircases increases from right to left along the red line)

表1 CTD上的溫鹽階梯的部分特征Table 1 Characteristics of thermohaline staircases on CTD casts

2.2 地震剖面上的溫鹽階梯

在3號(hào)、7號(hào)、12號(hào)和13號(hào)測(cè)線上發(fā)現(xiàn)了明顯的密集強(qiáng)反射區(qū)域，對(duì)比上文第一部分靠近3號(hào)測(cè)線的溫鹽深曲線，地震剖面上的強(qiáng)反射區(qū)域與溫鹽深曲線中觀察到的溫鹽階梯都處于300 m以下的分布范圍內(nèi).且該密集強(qiáng)反射層形態(tài)與Fer等(2010)、Biescas等(2010)在地中海以及北大西洋地區(qū)發(fā)現(xiàn)的溫鹽階梯極其相似，判斷為溫鹽階梯發(fā)育區(qū)域，并對(duì)這四條測(cè)線中的強(qiáng)反射區(qū)域進(jìn)行分析(表2).

表2 四條地震剖面上溫鹽階梯的特征Table 2 The features of thermohaline staircases on the four seismic sections

(1)3號(hào)測(cè)線(圖10a)在深度150～550 m，水平0～70 km范圍內(nèi)有著明顯的密集強(qiáng)反射，它是由于階梯層中溫度鹽度的梯度分層所產(chǎn)生，其橫向連續(xù)性較好，水平延伸達(dá)到了57.5 km，階梯層的層厚經(jīng)計(jì)算約為18 m(海水層中聲波波速按1500 m·s-1計(jì)算).

圖10 EW0404航次中3、7、12、13號(hào)測(cè)線段的部分地震剖面(分別編號(hào)為a、b、c、d)，圖中黑色方框?yàn)闇佧}階梯強(qiáng)反射區(qū)，圖b中黑色曲線為渦旋下邊緣Fig.10 Seismic sections of lines (a) 3, (b) 7, (c) 12 and (d) 13 in EW0404 cruise. The black boxes are the strong reflection areas of thermohaline staircases, and the black curves in (b) is the lower edge of the eddy

(2)7號(hào)測(cè)線(圖10b)在圖像左側(cè)深度300～560 m，0～22 km范圍內(nèi)有一處倒三角形狀的密集強(qiáng)反射，為溫鹽階梯.在階梯層右側(cè)觀察到一處透鏡狀結(jié)構(gòu)，與Biescas等(2010)觀察到的一處渦旋非常相似.因此認(rèn)為該結(jié)構(gòu)為渦旋，渦旋核心部分深度約為600 m，水平范圍在10～80 km，深度在280～900 m之間.放大觀察階梯層垂向變化，臺(tái)階厚度隨著深度的增加有著明顯的增厚，層厚從14 m增加到了24 m.

(3)12號(hào)測(cè)線(圖10c)有兩處密集強(qiáng)反射，分別位于圖像中間和右側(cè)，中間部分溫鹽階梯水平范圍為35～65 km；深度為315～450 m.右側(cè)強(qiáng)反射區(qū)域階梯層深度從525 m上升到300 m，水平延伸達(dá)到35 km，該剖面上階梯層厚度較為均勻，約為20 m左右.

(4)與之相似的13號(hào)剖面(圖10d)也有著一處抬升明顯的階梯層，其深度從525 m上升到了近200 m.水平延伸約為40 km，階梯層厚度淺部薄深部厚，從14 m逐漸增加至24 m.本文給出的密集強(qiáng)反射(解釋為溫鹽階梯分布區(qū))的橫向展布22～57.5 km(表2)，與前人根據(jù)CTD斷面推斷溫鹽階梯的橫向展布超過(guò)100 km，乃至300～400 km(Schmitt et al.,1987; Schmitt, 1994)有所不同.地震剖面的橫向間隔小，給出的橫向展布范圍更為可靠.關(guān)于垂向尺度問(wèn)題，本文主要成果表2給出的層厚為18～24 m，根據(jù)1/4波長(zhǎng)的準(zhǔn)則，本文的地震數(shù)據(jù)是完全可以分辨的，但更薄的階梯層用常規(guī)地震處理分析方法無(wú)法分辨.

2.3 地震剖面上疑似溫鹽階梯的結(jié)構(gòu)

物理海洋數(shù)據(jù)顯示，在東加勒比海海域溫鹽階梯是一種普遍存在的現(xiàn)象，在超過(guò)90%以上的CTD站位都發(fā)現(xiàn)了近似階梯層的結(jié)構(gòu)，但是在同樣海域的地震剖面上，溫鹽階梯出現(xiàn)的頻率卻要遠(yuǎn)低于CTD數(shù)據(jù).在分析正演結(jié)果之后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)階梯之間出現(xiàn)溫度和鹽度的斷崖式下降(即高梯度層)，階梯層的反射非常強(qiáng).但是在階梯內(nèi)部溫度鹽度保持不變或者變化緩慢的區(qū)域(混合均勻?qū)?，反射信號(hào)較弱.而通過(guò)CTD數(shù)據(jù)得到的階梯結(jié)構(gòu)中有著大量的小階梯，階梯數(shù)量多但階梯之間的高梯度層梯度相對(duì)較小，這使得的小型溫鹽階梯在地震剖面上不易被識(shí)別(圖6e中87號(hào)站位在200～400 m范圍內(nèi)的溫鹽階梯在合成地震記錄中表現(xiàn)為弱反射).

通過(guò)充分了解東加勒比海一帶溫鹽階梯的主要形態(tài)和規(guī)模之后，與站位附近的地震剖面進(jìn)行對(duì)比來(lái)確定一些疑似溫鹽階梯的反射結(jié)構(gòu).在結(jié)合CTD數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，并結(jié)合前人對(duì)于溫鹽階梯的地震剖面后，我們總結(jié)了地震剖面上溫鹽階梯主要表現(xiàn)為兩種樣式.第一種是大面積的塊狀密集高強(qiáng)度反射體，F(xiàn)er等(2010)在北大西洋地震剖面上發(fā)現(xiàn)的溫鹽階梯就是這種形態(tài).它代表著一定深度范圍內(nèi)連續(xù)且密集的階梯層的存在，圖10中給出的溫鹽階梯大部分是這種樣式.這種溫鹽階梯的均勻混合層厚度大于高梯度層，但是一般不會(huì)超過(guò)30 m，在溫鹽深曲線上表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)的階梯狀結(jié)構(gòu).第二種溫鹽階梯在地震剖面上表現(xiàn)為水平延伸的條帶狀反射帶，例如Buffett 等(2017)在第勒尼安海的地震剖面上發(fā)現(xiàn)的溫鹽階梯基本都為這種類型.這種反射帶經(jīng)常在不同深度出現(xiàn)，反射帶之間有著數(shù)十米到上百米的弱反射，這種溫鹽階梯的均勻混合層厚度較大，能達(dá)到幾十米甚至上百米.高梯度層厚度一般為10～30 m，且高梯度層內(nèi)部往往存在著大量小型階梯狀結(jié)構(gòu)，厚度僅為2～5 m，此結(jié)構(gòu)無(wú)法在地震剖面上分辨出.

在12號(hào)測(cè)線的中部強(qiáng)反射區(qū)上方發(fā)現(xiàn)了兩條水平延伸的強(qiáng)反射條帶(圖10c左上黑色矩形框標(biāo)出)，其形態(tài)與Buffett等(2017)在第勒尼安海地震剖面上發(fā)現(xiàn)的溫鹽階梯條帶形態(tài)基本一致，該反射帶延伸較長(zhǎng)，達(dá)到了56.25 km，深度從300 m(5 km處)上升到了190 m(40～56 km)左右，在上升過(guò)程中發(fā)生了疑似階梯層的合并(這兩條間隔約30 m的反射條帶在上升到190 m，40 km的位置處合并為一條反射條帶).

在19號(hào)測(cè)線的地震剖面上(圖11a)，400 m深處有著一條水平延伸達(dá)80 km的條帶狀強(qiáng)反射.結(jié)合之前在19號(hào)測(cè)線附近CTD站位(圖6a)的溫鹽曲線的特征(極厚的均勻混合層)，且深度也與CTD的溫鹽深曲線相吻合的情況下，推測(cè)此處為溫鹽階梯.該階梯厚度約75 m，階梯內(nèi)部小階梯厚度無(wú)法分辨.圖11b和圖11c是30號(hào)測(cè)線的兩段地震剖面，圖11b在水平90 km至150 km，深度300～800 m之間觀察到一處渦旋，在渦旋邊緣出現(xiàn)了明顯的傾斜反射層.同樣地，在圖11c的600～1000 m深度，有一個(gè)規(guī)模較小的渦旋.在這條測(cè)線上我們?cè)跍u旋的內(nèi)部觀察到了一些條帶狀的反射，目前原因未知.圖11d是60號(hào)測(cè)線的一段地震剖面，該測(cè)線段靠近第一部分的CTD站點(diǎn).我們?cè)诜治龅谝徊糠諧TD站點(diǎn)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的階梯層分布區(qū)間較廣，從一百多米一直向下延伸到四五百米的深度，這與圖11d圖中右側(cè)區(qū)域的大面積強(qiáng)反射特征有些類似，推測(cè)可能存在溫鹽階梯.該處強(qiáng)反射從150 m深度一直向下延伸到約450 m深，再往下反射變?nèi)?，淺部反射區(qū)水平延伸約60 km，在400 m深處縮短至40 km.

圖11 (a) 19號(hào)測(cè)線； (b)，(c) 30號(hào)測(cè)線； (d) 60號(hào)測(cè)線上地震剖面片段Fig.11 Seismic sections of line (a) 19, (b—c) 30, and (d) 60

3 討論

溫鹽階梯作為雙擴(kuò)散作用的產(chǎn)物，需要穩(wěn)定的環(huán)境才能長(zhǎng)時(shí)間維持其形態(tài)(Merryfield, 2000).在圖10b的地震剖面上觀測(cè)到了渦旋與溫鹽階梯同時(shí)存在的現(xiàn)象.該渦旋位于溫鹽階梯的右側(cè)，核心深度約為600 m，水平尺度為70 km，厚度約為600 m.當(dāng)湍流混合能量較低且水團(tuán)密度比較低的時(shí)候，雙擴(kuò)散才會(huì)發(fā)生并產(chǎn)生溫鹽階梯(Merryfield, 2000)，這與地震剖面上觀察到階梯層強(qiáng)反射在渦旋大部分邊界處消失現(xiàn)象一致.在圖10b中，階梯層在與渦旋的交界處發(fā)生扭曲，其結(jié)構(gòu)被破壞，階梯層沿著渦旋的左上邊緣延伸了數(shù)十公里.加勒比海中的渦旋運(yùn)動(dòng)已被廣泛研究，大量渦旋沿著委內(nèi)瑞拉北岸進(jìn)行東西向的運(yùn)動(dòng)(Andrade and Barton, 2000)，即便如此，依然在加勒比海東南部發(fā)現(xiàn)了大量的溫鹽階梯，這些階梯狀結(jié)構(gòu)是如何在渦旋形成的不穩(wěn)定環(huán)境中保持其形態(tài)的呢？我們認(rèn)為在渦旋由東向西進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，渦旋周圍的部分溫鹽階梯會(huì)被渦旋帶動(dòng)一起向西運(yùn)動(dòng)，階梯層的形態(tài)在與渦旋交界處被破壞，但部分結(jié)構(gòu)仍能保持完整，這樣就產(chǎn)生了地震剖面上看到的渦旋與溫鹽階梯并存的現(xiàn)象，這種猜測(cè)依然有待驗(yàn)證.

同樣在圖10c和10d中觀察到一些傾斜的溫鹽階梯.為了方便更好的觀察海水層，我們對(duì)海山反射進(jìn)行切除.圖10d很好的展示了階梯層在遇到地形時(shí)的形態(tài)：階梯層向海山一側(cè)傾斜，深度逐漸變淺.同樣地，在圖10c的傾斜狀溫鹽階梯下方，水深從4500 m抬升到1700 m，階梯層向著海山一側(cè)抬高(圖12)，這是否表明海底地形對(duì)溫鹽階梯形態(tài)可能存在一定程度的影響？同樣地，我們?cè)趫D7的(b—d)中觀察到了亞熱帶次表層水團(tuán)和馬尾藻海水團(tuán)在連續(xù)數(shù)個(gè)站點(diǎn)中深度不斷增加這一現(xiàn)象，這與觀察到的對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的溫鹽階梯的傾斜下降相吻合.我們認(rèn)為可能是核心水團(tuán)深度的改變使得溫鹽階梯的深度發(fā)生了變化，形成了傾斜下降的形態(tài).

溫鹽階梯與熱鹽侵入是雙擴(kuò)散作用的產(chǎn)物，本文研究的溫鹽階梯主要分布在高溫高鹽的亞熱帶次表層水與低溫低鹽的南極中層水之間約200～400 m水深的過(guò)渡區(qū)域，為鹽指作用形成的階梯層.在C-SALT實(shí)驗(yàn)區(qū)-本研究區(qū)以東的北大西洋海域，熱鹽階梯是廣泛分布的，但加勒比海東部地震剖面上的密集反射區(qū)(本文解釋為溫鹽階梯區(qū))并不是廣泛連續(xù)分布的.一種可能是在大西洋形成的溫鹽階梯隨著大、中尺度海流進(jìn)入加勒比海后，在多尺度海洋動(dòng)力作用下，大部分溫鹽階梯受到破壞，因此我們?cè)趫D10中只能看到部分區(qū)域尚存在溫鹽階梯.

關(guān)于鹽指作用溫鹽階梯的形成與演變，目前主要有兩種假說(shuō).Merryfield(2000)提出了溫鹽階梯是由熱鹽侵入演變而來(lái)的定量假說(shuō).而Radko(2003)通過(guò)二維Navier-Stokes方程的直接數(shù)值模擬，研究了均勻溫度和鹽度梯度下鹽指成層動(dòng)力學(xué).結(jié)果表明，模型中階梯的形成與由熱鹽通量比不穩(wěn)定有關(guān).Morell等(2006) 觀測(cè)了加勒比海中部一個(gè)氣旋渦旋及相關(guān)的溫鹽階梯結(jié)構(gòu)，指出這些溫鹽階梯與Merryfield(2020)和Radko(2003)兩種溫鹽階梯形成機(jī)制都可能有關(guān).此外，Morell等(2006)認(rèn)為由于水平方向觀測(cè)站位間隔較大，溫鹽階梯與渦旋內(nèi)部存在的溫鹽橫向梯度和剪切的聯(lián)系并不能較好地確定.Van der Boog等(2019a)在2018年2月對(duì)一個(gè)加勒比海中部一個(gè)反氣旋進(jìn)行了水文和生物學(xué)聯(lián)合調(diào)查.研究發(fā)現(xiàn)，該反氣旋的半徑為90 km，是一個(gè)表層強(qiáng)化的渦旋，在在水柱上部150 m處有最大的速度0.72 m·s-1.在其下方觀測(cè)到了熱帶大西洋中央水層中的溫鹽階梯，階梯分布介于250～600 m之間.根據(jù)布放的Argo浮標(biāo)的軌跡，van der Boog等(2019a)研究表明溫鹽階梯在反氣旋核心和外圍區(qū)域沒(méi)有存在明顯差異，該溫鹽階梯沒(méi)有被反氣旋平流帶動(dòng)，認(rèn)為溫鹽階梯成因?yàn)闊釒Т笪餮笾醒胨碾p擴(kuò)散過(guò)程.

圖10b給出了密集強(qiáng)反射區(qū)與渦旋核心區(qū)同時(shí)分布的斷面，密集強(qiáng)反射區(qū)只出現(xiàn)在渦旋核心區(qū)的左上邊緣，渦旋的核心與邊界區(qū)基本不存在溫鹽階梯，這樣的渦旋與溫鹽階梯的關(guān)系與典型的地中海渦旋(Ruddick et al., 2010; Biescas et al., 2010)有較大不同，非常復(fù)雜.Morell等(2006)與Van der Boog等(2019a)初步研究了加勒比海渦旋與溫鹽階梯的相互關(guān)系，但他們研究的渦旋為淺表層渦旋.而圖10b給出了一個(gè)溫躍層內(nèi)部渦旋與附近溫鹽階梯的清晰的空間關(guān)系，與淺表層渦旋相比溫躍層渦旋與加勒比海區(qū)域溫鹽階梯的關(guān)系更為緊密.對(duì)圖10b的溫鹽階梯提出兩種初步解釋，1)溫鹽階梯可能是研究區(qū)以東熱帶北大西洋西部海域(如C-SALT區(qū)域)形成的，被大、中尺度海流帶入加勒比海東部，溫鹽階梯形成時(shí)的環(huán)境符合Radko(2003)機(jī)制；2)溫鹽階梯是溫躍層渦旋一起演變的，溫鹽階梯可能是熱鹽侵入逐漸發(fā)展起來(lái)的，與Merryfield(2000)機(jī)制一致.關(guān)于研究區(qū)溫鹽階梯的形成與演變，及其與渦旋、內(nèi)波、湍流的相互關(guān)系，及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制均有待進(jìn)一步研究.

4 結(jié)論

本文利用地震海洋學(xué)結(jié)合物理海洋數(shù)據(jù)的方法，對(duì)中美洲東加勒比海委內(nèi)瑞拉沿岸海域的溫鹽階梯尺度和規(guī)模進(jìn)行了研究.在EW0404測(cè)線的地震剖面上發(fā)現(xiàn)了溫鹽階梯現(xiàn)象，并結(jié)合CTD數(shù)據(jù)進(jìn)一步對(duì)比分析委內(nèi)瑞拉沿岸溫鹽階梯的形態(tài)尺度和分布范圍.結(jié)果表明，溫鹽階梯作為海洋中的一種細(xì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，廣泛存在于委內(nèi)瑞拉沿岸海域一帶.溫鹽階梯主要分布在高溫高鹽的亞熱帶次表層水與低溫低鹽的南極中層水之間約200～400 m水深的過(guò)渡區(qū)域，深度隨著地形、渦旋等影響因素有著小范圍變化.階梯層厚度在14～24 m之間，水平延伸一般在22～57.5 km，結(jié)合CTD的研究發(fā)現(xiàn)了多處傾斜形態(tài)的溫鹽階梯，可能受相關(guān)水團(tuán)核心深度的影響.

在地震剖面上觀察到的溫鹽階梯和CTD數(shù)據(jù)有較好的對(duì)應(yīng).在對(duì)比了大量數(shù)據(jù)后總結(jié)出來(lái)該海域的溫鹽階梯主要有兩種不同的形態(tài).第一種溫鹽階梯的高梯度層厚度一般在5～10 m之間，均勻混合層的厚度要大于高梯度層，但是一般不會(huì)超過(guò)30 m.這種類型的階梯層在一定深度范圍內(nèi)分布密集，其在地震剖面上表現(xiàn)為大面積的塊狀密集高強(qiáng)度反射，在加勒比海的地震剖面上觀察到的溫鹽階梯大多呈此形態(tài).第二種溫鹽階梯有著厚度極大的均勻混合層(50～100 m)，高梯度層厚度在20～30 m，高梯度層中間夾雜著大量無(wú)法在地震剖面上觀察到的小階梯(厚度小于10 m).這種溫鹽階梯在地震剖面上表現(xiàn)為水平延伸的條帶狀反射帶，形態(tài)與Buffett等(2017)在地中海區(qū)域發(fā)現(xiàn)的溫鹽階梯基本一致.