探索气圈与水圈变化过程的地质科学.pdf

1、地 球 科 学 进 展 ,探 索 气 圈 与 水 圈 变 化 过 程 的 地 质 科 学汪 品 先同 济 大 学 海 洋 地 质 系 上 海提 要 地 质 科 学 的 任 务 正 从 资 源 勘 探 扩 展 到 环 境 预 测 , 从 面 向 过 去 变 为 也 要 面 向 未 来 。与 此 相 应 , 除 地 球 的 固 态 圈 层 外 , 气 圈 和 水 圈 的 历 史 演 变 也 成 为 其 直 接 的 研 究 对 象 。 古 海 洋学 、 古 湖 泊 学 、 古 水 文 学 、 古 大 气 化 学 和 古 气 象 学 等 新 学 科 应 运 而 生 。 新 的 研 究 领 域 要 求

2、改革 研 究 方 法 , , 应 用 严 格 的 数 据 采 集 和 处 理 技 术 、 经 过 模 式 的 建 立 和 检 验 过 程 的 定 量 研 究 , 其结 果 必 将 推 动 整 个 地 质 科 学 的 现 代 化 。 最 后 对 我 国 开 展 相 应 研 究 提 出 了 若 干 建 议 。关 键 词 环 境 预 浏 古 水 圈 古 气 圈 全 球 变 化 模 式 建 立一 、 地 质 科 学 的 新 领 域长 期 以 来 , 地 质 科 学 主 要 为 矿 产 资 源 服 务 , 研 究 重 点 在 于 固 态 圈 层 , 生 物 圈 的 演 化 是 作为 地 质 时 代 的

3、标 志 、 气 圈 和 水 圈 的 演 化 是 作 为 矿 产 形 成 条 件 来 加 以 研 究 的 。 当 人 类 把 注 意 力投 向 未 来 生 存 环 境 的 预 测 和 保 护 时 , 气 圈 和 水 圈 的 历 史 演 变 就 成 为 直 接 的 研 究 对 象 。 近 年 来 ,古 海 洋 学 、 古 湖 泊 学 、 古 水 文 学 、 古 大 气 化 学 、 研 究 大 气 环 流 的 古 气 候 学 、 古 气 象 学 和 研 究古 潮 汐 等 问 题 的 古 地 球 物 理 学 蓬 勃 发 展 表 一 。 它 们 不 仅 是 新 开 拓 的 研 究 领 域 , 而 且 要

4、 求 新型 研 究 方 法 、 技 术 , 对 整 个 地 球 科 学 的 方 法 学 提 出 了 挑 战 。本 来 , 沉 积 矿 产 的 形 成 条 件 和 许 多 地 质 历 史 上 的 重 大 事 件 , 很 难 直 接 靠 固 态 圈 层 的 变 化得 到 解 释 。 不 了 解 海 岸 上 升 流 的 地 质 意 义 , 就 难 以 理 解 大 片 海 相 生 油 层 系 的 成 因 , 不 认 识 湖水 中 营 养 元 素 富 集 引 起 的 藻 类 勃 发 , 也 无 从 说 明 某 些 陆 相 油 页 岩 的 形 成 幻 。 至 于 环 境 变 化 趋 势的 推 测 , 更

5、离 不 开 地 表 流 态 圈 层 演 变 历 史 的 研 究 。 在 宏 观 上 , 要 研 究 固 态 圈 层 的 构 造 运 动 如何 引 起 大 洋 和 大 气 环 流 的 改 组 , 从 而 造 成 气 候 、 生 物 和 沉 积 的 变 化 。 例 如 印 度 板 块 与 欧 亚 板块 碰 撞 , 导 致 东 亚 季 风 的 形 成 , 使 我 国 早 第 三 纪 晚 期 发 生 气 候 带 格 局 的 根 本 改 变 , 巴 拿 马 海道 关 闭 , 导 致 墨 西 哥 湾 流 的 形 成 , 使 上 新 世 晚 期 北 极 冰 盖 产 生 们 。 在 微 观 上 , 要 研 究

6、 海 、 陆 、气 之 间 微 粒 物 质 的 交 换 , 对 生 物 群 和 沉 积 物 可 以 产 生 的 各 种 影 响 。 例 如 在 大 气 微 尘 搬 运 过 程中 , 气 溶 胶 中 的 铁 离 子 可 能 对 大 洋 初 始 生 产 力 有 重 要 影 响 而 海 浪 溅 沫 中 的 气 溶 胶 , 也 可 以影 响 陆 地 的 生 态 系 。 目 前 , 对 气 圈 和 水 圈 的 研 究 已 经 使 地 球 科 学 深 入 到 新 的 层 次 , 探 索 的 古环 境 参 数 已 不 再 限 于 温 度 、 盐 度 、 深 度 一 类 传 统 项 目 , 古 云 量 、 古

7、 风 速 、 古 生 产 力 、 古 潮 差 、收 稿 日 期 一 一汪 品 先 探 索 气 圈 与 水 圈 变 化 过 程 的 地 质 科 学 ,古 海 洋 底 层 水 更 新 的 速 度 、 古 大 气 中 微 量 元 素 的 含 量 等 等 , 都 已 经 提 上 日 程 。表 几 个 有 关 学 科 的 国 际 会 议 或 计 划学学 科科 会 议议 时 间 与 地 点点古古 海 洋 学学 国 际 古 海 洋 学 大 会会 第 一 届届 瑞 士 苏 黎 世世第第第第 二 届届 美 国 伍 兹 霍 尔尔第第第第 三 届届 英 国 剑 桥桥第第第第 四 届届 德 国 基 尔尔古古 湖 泊

8、学学 国 际 古 湖 泊 学 学 术 讨 论 会会 第 一 届届第第第第 二 届届 波 兰第第第第 三 届届 芬 兰第第第第 四 届届 奥 地 利 比比第第第第 五 届届 英 国国古古 水 文 学学 国 际 地 质 对 比 计 划 一 项 一“ 万 年 来 温 带 的 古 水 文 学 ”古 河 流流、 占 湖 沼沼古古 气 候 学学 “ 古 气 候 学 与 占 气 象 学 美 国国古古 气 象 学学 全 球 大 气 搬 运 的 古 今 格 局 ”气 圈 和 水 圈 演 变 的 地 质 研 究 , 是 年 代 “ 全 球 变 化 ” 研 究 的 需 要 。 理 由 十 分 明 显 “ 全球 变

9、化 ” 本 身 无 法 实 验 , 只 能 用 地 质 历 史 的 实 例 来 检 验 “ 全 球 变 化 ” 的 模 式 同 时 , 近 二 十年 来 科 学 技 术 的 进 展 , 已 使 气 圈 、 水 圈 演 变 的 地 质 研 究 成 为 可 能 。 计 算 机 、 遥 感 等 新 技 术 的突 飞 猛 进 , 为 大 气 和 海 洋 科 学 的 高 速 发 展 准 备 了 条 件 同 样 , 新 的 采 样 技 术 如 深 海 底 液 压取 芯 设 备 、 浮 泥 的 干 冰 采 样 设 备 、 测 年 技 术 如 加 速 器 弋 法 、 分 析 技 术 如 微 量 样 品 的 稳

10、定 同 位 素 分 析 和 数 据 处 理 技 术 如 古 生 态 转 换 函 数 法 的 产 生 , 也 为 古 大 气 和 古 大 洋 的 定量 研 究 创 造 了 前 提 。 人 们 推 测 世 纪 自 然 历 史 研 究 的 突 破 在 于 生 物 界 的 演 化 理 论 , 世 纪后 半 叶 的 突 破 在 于 地 球 固 态 圈 层 运 动 的 理 论 , 世 纪 末 、 世 纪 初 的 突 破 , 很 可 能 将 是 大 气和 大 洋 系 统 的 演 化 理 论 。 地 质 学 在 陆 地 与 大 洋 的 工 作 相 结 合 , 揭 示 了 构 造 运 动 的 机 理 和 规 律

11、 。现 在 , 地 表 固 态 圈 层 的 研 究 与 流 态 圈 层 相 结 合 , 加 上 天 文 因 素 和 生 物 圈 的 考 虑 , 可 望 能 揭 示地 质 历 史 上 “ 世 ” 、 “ 纪 ” 、 “ 代 ” 、 “ 改 朝 换 代 ” 的 原 因 , 找 出 地 史 上 的 周 期 与 事 件 , 使 地 史 学从 描 述 性 变 为 探 求 规 律 的 科 学 。二 、 地 质 科 学 的 新 任 务在 矿 产 资 源 的 勘 探 中 , 地 质 科 学 主 要 是 “ 面 向 过 去 ” 在 “ 全 球 变 化 ” 或 “ 地 球 过 程 与 全球 变 化 ” 范 围 内

12、 为 预 测 环 境 演 变 的 地 质 科 学 , 却 需 要 “ 面 向 未 来 ” 表 二 , 其 着 眼 点首 先 在 于 近 几 万 年 来 较 短 时 期 的 地 质 过 程 , 实 际 是 地 质 、 历 史 与 现 代 过 程 的 交 接 带 。 此 类 研地 球 科 学 进 展 ,究 , 至 少 在 下 列 四 方 面 要 求 改 进 方 法表 地 质 科 学 两 种 方 向 的 比 较主主 要 目 标标 矿 产 资 源 勘 探探 环 境 预 测 、 保 护护主主 要 对 象象 固 态 圈 层层 流 态 与 固 态 圈 层层预预 测 任 务务 空 间 预 测测 时 间 预 测

13、测特特 点点 面 向 过 去去 面 向 未 来来、 进 行 确 实 定 量 的 研 究 。 不 定 量 的 预 测 缺 乏 实 际 意 义 , 而 且 可 以 导 致 谬 误 。 “ 气 温 上 升会 使 海 面 升 高 ” 的 论 断 就 需 要 定 量 , 因 为 少 量 的 升 温 反 而 可 以 增 加 降 雪 量 、 扩 大 冰 盖 体 积 而使 洋 面 下 降 的 。 为 取 得 确 实 定 量 的 结 论 , 必 需 在 研 究 过 程 中 每 个 环 节 都 坚 持 定 量 的 标 准 , 而 且有 精 确 度 、 可 信 度 的 估 算 。 年 代 初 在 美 国 创 立 的

14、 “ 古 生 态 转 换 函 数 法 ” , 利 用 微 体 化 石 的 定量 数 据 求 取 古 温 度 , 我 国 近 年 来 对 南 海 晚 第 四 纪 冬 、 夏 表 层 水 温 的 计 算 和 对 西 太 平 洋 上 新世 古 水 温 的 计 算 的 , 均 属 成 功 的 实 例 。 如 果 以 为 用 计 算 机 处 理 过 的 都 叫 “ 定 量 研 究 ” , 甚 至 以为 在 小 数 点 以 后 增 加 位 数 就 可 以 提 高 “ 精 度 ” , 那 实 在 是 对 “ 定 量 ” 的 误 解 。、 通 过 模 式 的 检 验 论 证 结 论 。 根 据 现 有 的 认

15、 识 和 资 料 提 出 模 式 , 按 照 模 式 的 推 论 选 出 关键 地 点 和 关 键 层 段 进 行 调 查 和 分 析 , 对 模 式 进 行 检 验 和 改 进 , 这 应 当 是 研 究 地 质 演 化 历史 的 正 常 方 法 。 由 于 地 球 表 面 的 流 态 圈 层 比 固 态 圈 层 具 有 更 大 的 流 动 性 和 易 变 性 , 即 使 现 代大 气 和 大 洋 的 实 测 结 果 也 必 须 用 模 式 加 以 归 纳 , 研 究 古 大 气 、 古 大 洋 时 更 是 如 此 。 当 然 , 其中 也 有 概 念 模 式 和 数 值 模 式 之 分 ,

16、 模 式 的 复 杂 程 度 也 十 分 悬 殊 。 例 如 , 南 海 冰 期 间 冰 期 表 层海 水 温 差 的 异 常 , 可 以 根 据 南 海 冰 期 时 半 封 闭 条 件 下 海 流 格 局 的 变 化 模 式 , 用 柱 状 样 实 际 数据 加 以 检 验 南 海 陆 坡 晚 第 四 纪 曲 线 与 太 平 洋 相 反 、 与 大 西 洋 一 致 的 原 因 , 也 可 以 通过 溶 解 与 稀 释 两 种 不 同 模 式 的 检 验 , 得 出 是 陆 源 物 质 “ 稀 释 作 用 ” 控 制 的 结 论 , 。 事 实 上 , 地质 科 学 迫 切 需 要 向 实 证

17、 科 学 逼 近 以 提 高 精 密 程 度 , 而 地 质 科 学 在 研 究 时 间 上 的 变 化 过 程 时 , 往往 比 研 究 空 间 变 化 时 更 加 缺 乏 精 确 性 。 在 进 行 “ 再 造 ” 和 “ 复 原 ” 时 , 有 时 甚 至 还 有 待 划 清科 学 与 艺 术 的 界 限 。、 充 分 估 计 环 境 因 素 相 互 作 用 的 复 杂 性 。 流 态 圈 层 的 变 化 过 程 中 , 往 往 有 诸 多 的 因 素 同时 在 起 作 用 。 米 兰 柯 维 奇 理 论 用 地 球 运 行 的 轨 道 周 期 解 释 冰 期 间 冰 期 的 交 替 ,

18、 但 末 次 冰 消 期的 加 速 变 化 , 尤 其 像 “ 新 仙 女 木 期 ” 那 样 的 突 然 事 件 , 不 可 能 单 纯 用 轨 道 周 期 来 解 释 。 , 其中 都 有 非 线 性 的 反 馈 作 用 。 海 面 上 升 可 以 淹 没 陆 地 、 使 岸 线 后 退 , 但 冰 后 期 海 面 上 升 时 有 些河 口 岸 线 并 未 后 退 , 海 区 携 来 沉 积 物 的 堆 积 可 以 抵 销 海 面 上 涨 的 效 果 , 这 里 有 河 口 沉 积 速 率与 海 面 上 升 速 率 的 关 系 问 题 。 这 种 “ 意 料 不 到 ” 的 联 系 , 在

19、 流 态 圈 层 的 研 究 中 比 固 态 圈 层 更多 。 同 样 , 当 研 究 古 水 体 的 化 学 变 化 时 , 用 某 一 类 元 素 建 立 起 来 的 古 海 水 化 学 变 化 模 式 , 如果 不 适 用 于 另 一 类 元 素 , 便 不 能 成 立 。 当 发 现 两 种 现 象 相 关 时 , 并 不 能 因 此 认 为 它 们 之 间 有因 果 关 系 。 要 避 免 简 单 化 , 要 识 别 复 杂 的 相 互 关 系 , 必 须 进 行 不 同 学 科 、 不 同 工 种 的 共 同 研究 。、 正 确 使 用 替 代 性 标 志 。 由 于 流 态 圈

20、层 的 直 接 地 质 记 录 很 少 , 必 须 大 量 使 用 替 代 性 标 志而 有 效 的 替 代 性 标 志 和 医 药 一 样 , 必 定 有 其 适 用 范 围 和 忌 用 场 合 。 例 如 生 物 壳 体 的 同 位 素 数汪 品 先 探 索 气 圈 与 水 圈 变 化 过 程 的 地 质 科 学 ,据 , 只 是 在 生 物 与 其 水 体 保 持 同 位 素 平 衡 、 死 后 又 无 同 位 素 变 化 的 前 提 下 方 才 有 用 。 重 要 的任 务 是 寻 找 适 合 我 国 使 用 的 标 志 , 比 如 是 否 可 以 莱 用 反 映 粉 尘 搬 运 和

21、水 份 搬 运 的 地 质 标 志 , 来探 测 冬 、 夏 季 风 强 度 的 演 变 , 等 等 。总 之 , 有 严 格 的 数 据 采 集 和 处 理 , 模 式 的 论 证 和 检 验 , 过 程 的 定 量 研 究 , 是 探 索 古 大 气和 大 洋 系 统 的 基 本 途 径 。 这 种 研 究 方 法 不 同 于 “ 材 料 分 析 , 结 论 ” 的 习 惯 程 序 , 更 不 同 于凭 直 觉 推 论 的 作 法 。 推 行 新 型 的 研 究 方 法 , 将 不 仅 为 “ 全 球 变 化 ” 提 供 不 可 替 代 的 重 要 手 段 ,而 且 也 将 对 整 个 地

22、 球 科 学 的 现 代 化 , 起 重 要 的 推 动 作 用 。三 、 几 ,点 建 议对 于 这 种 新 型 的 研 究 方 法 , 我 国 研 究 地 质 历 史 的 学 术 界 还 不 习 惯 , 也 不 够 熟 悉 。 为 此 , 特提 出 如 下 建 议、 在 预 测 今 后 几 十 、 几 百 年 环 境 变 化 趋 势 时 , 对 于 近 十 五 万 年 来 、 特 别 是 末 次 冰 期 以 来的 演 变 , 尤 其 是 历 时 数 百 年 的 “ 突 然 事 件 ” , 具 有 特 殊 的 意 义 。 因 此 , 针 对 “ 环 境 ” 研 究 的 需要 , 有 必 要

23、重 新 考 虑 我 国 地 质 科 学 研 究 力 量 的 布 局 , 动 员 一 部 分 从 事 较 老 地 层 “ 资 源 ” 研 究的 力 量 转 入 较 新 地 层 “ 环 境 ” 研 究 中 来 。、 探 索 气 圈 与 水 圈 变 化 过 程 的 地 质 研 究 范 围 十 分 广 阔 , 我 国 不 可 能 “ 全 面 出 击 ” , 必 须结 合 我 国 特 有 的 条 件 , 针 对 “ 全 球 变 化 ” 中 的 关 键 间 题 , 争 取 重 点 突 破 。 我 国 疆 域 辽 阔 、 环境 多 杜 , 无 论 是 高 山 冰 川 、 风 尘 堆 积 , 还 是 长 江

24、大 河 、 广 阔 陆 架 , 都 居 世 界 前 列 , 各 时 代 地质 记 录 齐 全 , 又 具 有 东 亚 季 风 、 青 藏 高 原 、 黄 土 剖 面 、 黑 潮 海 流 等 独 特 的 现 象 和 材 料 , 应 当加 强 用 地 质 手 段 针 对 水 圈 和 气 圈 中 的 特 殊 问 题 开 展 研 究 。、 要 促 进 研 究 方 法 的 改 进 。 当 前 应 当 通 过 研 究 经 费 拨 款 的 杠 杆 , 促 成 一 个 或 数 个 有 严 格定 量 基 础 的 古 大 气 、 古 大 洋 的 多 学 科 协 作 研 究 项 目 , 对 内 作 为 地 质 科

25、学 方 法 改 进 的 试 点 , 对外 追 踪 国 际 学 术 研 究 的 前 沿 应 当 组 织 若 干 次 探 讨 研 究 方 向 和 方 法 的 小 型 跨 学 科 专 题 讨 论 会 ,学 习 柏 林 “ 达 伦 会 议 ” 的 模 式 , 事 先 交 流 材 料 、 开 会 不 作 报 告 , 而 是 专题 讨 论 今 后 研 究 的 课 题 与 方 法 鼓 励 思 路 开 阔 而 以 严 格 实 际 材 料 为 基 础 的 理 论 性 探 讨 , 争 取不 仅 向 国 际 学 术 界 提 供 研 究 材 料 , 而 是 力 争 进 入 理 论 探 索 的 前 沿 。、 及 时 组

26、 织 一 批 新 颖 的 综 述 性 书 籍 , 组 织 相 应 的 学 术 会 议 或 学 习 班 , 推 广 上 述 新 方 向 、新 方 法 。 对 于 大 学 生 、 特 别 是 研 究 生 的 培 养 计 划 , 应 作 相 应 的 修 改 、 补 充 , 以 适 应 地 质 学 面临 的 研 究 内 容 和 方 法 上 的 重 大 改 进 。参 考 文 献 , , , , , 。, , , , , 恤 轰口, , 肠 , , 一 。同 济 大 学 海 洋 地 质 系 , 古 海 洋 学 概 论 。 同 济 大 学 出 版 社 , 。地 球 科 学 进 展 , 一 , 八 , 主 脚

27、 时 沙 , 外 , 匕 一 , 一 罗 , ,一任 美 愕 , 全 球 气 候 变 化 与 海 平 面 七 升 间 题 。 科 学 , 年 第 卷 , 第 期 , 一 页 。汪 品 先 , 冰 期 时 的 中 国 海 研 究 现 状 与 问 题 。 第 四 纪 研 究 , 年 第 期 , 一 页 。王 律 江 、 汪 品 先 , 用 转 换 函 数 法 推 算 南 海 古 温 度 的 尝 试 。 科 学 通 报 , 年 第 卷 , 第 期 , 一 页 。王 律 江 , 晚 第 三 纪 海 水 表 层 温 度 历 史 一 种 转 换 函 数 新 方 法 的 试 验 。 同 济 大 学 博 士 学 位 论 文 , 。, , , , 一 。少 阴 己 办 巩 就 夕 ,孕, , , ,一 , , , , , , 琳 , ,