1、1地球北极地质学研究综述Yuanzi16本文作者的话本文是根据中国科普博览（网）的地球故事频道的北极（博物馆）栏目中的文献资料以及其它有关资料编写的。它是本文作者编写的地球北极资源综述（连载）一文的姊妹篇。这两篇文章加在一起，能够帮助读者更加全面、深入地了解地球北极的地质学和资源研究成果。希望能够得到读者朋友的关注和喜欢！本文目录一、地球海陆格局研究二、北冰洋构造地质演化史三、北极地质学主要研究方向四、北极地貌学研究五、北极岩石可能保留着最古老地球遗迹六、北极固体地球物理学研究七、北极日地空间物理研究八、北极冰川学研究九、北冰洋概述十、北极海洋学研究十一、南极与北极的差异十二、当代北极环境问题
2、下面是正文一、地球海陆格局研究目前，各国北极考察站及其附近地区不同尺度的基础地质调查已经或正在完成。北极各个地区的大比例尺区域地质图，也随着地质调查不断深入而经常修正和更新。1969年，前苏联南北极委员会，首次编辑出版了北极地区地质及构造全图，后于1975年和1976年进行了两次修改。但是，北极恶劣的自然环境，使各国的地质调查活动不得不在极端困难的条件下缓慢进行。所以目前，国2际地质科学界对北冰洋洋底地质构造及大地构造特征，仍然不十分清楚。1、罗迪尼亚泛大陆在进行基础地质调查的同时，地质学家还在考虑地质理论方面的重大前沿问题。例如，地质学家的研究结果表明：在距今1013亿年前，地球上只有唯一的
3、一个大陆，叫做罗迪尼亚泛大陆。这个大陆存在的时代，比魏格纳1912年提出的、潘加联合古陆的概念，提早了大约710亿年。罗迪尼亚泛大陆是由许多很古老的陆块漂移、拼合在一起的。它的形成过程被称为格林维尔事件。2、冈瓦纳古陆与劳亚古陆后来，罗迪尼亚泛大陆又开始分裂，分裂成的各个陆块四散漂移。到了距今大约5.75.5亿年前，先后从罗迪尼亚泛大陆漂离出来、并散布在南半球的陆块，又陆续聚合成另一个大陆，叫做冈瓦纳古陆。它是由现在的南极大陆、非洲、南美洲、印度次大陆等陆块单元构成的。冈瓦纳古陆的形成过程称为泛非事件。罗迪尼亚泛大陆的其余部分则叫做劳亚古陆。它是由加拿大地盾、格陵兰地盾、波罗的地盾（包括科拉半
4、岛）和西伯利亚地台（俄罗斯地台）组成的。巨大的冈瓦纳古陆当时大约位于南极点到南纬30度之间。到距今1.5亿年前，冈瓦纳古陆又分裂瓦解。其中的印度板块甚至远渡重洋，碰撞在古欧亚大陆上，形成喜马拉雅山脉和青藏高原。3、北极的加拿大海盆与欧亚海盆今天北冰洋的加拿大海盆，是在距今0.8亿年前的白垩纪末期，由于板块扩张而开始形成的。而欧亚海盆更年轻，才刚刚0.53亿岁。4、地球海陆格局的思考那么，罗迪尼亚泛大陆和后来的冈瓦纳古陆为什么会裂解？冈瓦纳古陆在其5亿年演化历史中，是否在距今23亿年前，曾与劳亚古陆又一次聚合成潘加联合古陆？它们是怎样一步步分裂、漂移，又聚合，并最终形成现今地球的海陆格局？地质学
5、家甚至进一步追索更早的联合古陆是怎样形成的，联合古陆以前的几十亿年历史中，地球又是个什么样子。他们的思索进而一直延伸到地球的形成，天体的演化，甚至宇宙的本质。二、北冰洋构造地质演化史据认为，北极地质调查最困难的部分是中央北冰洋洋底的大地构造特征。1、北冰洋洋中脊及其扩张目前，在北冰洋里唯一活动的大洋扩张轴北冰洋洋中脊，实际上是大西洋洋中脊向北延伸的部分。只是，北冰洋洋中脊在冰岛一带，被一系列转换断层显著错开了而已。它具有明显的中央裂谷、磁异常条带和横向转换断层带。现今，它仍以每年0.51cm的速度继续扩张。正是由于北冰洋洋中脊的扩张，从而造就了宽阔的欧亚海盆，即今天的北冰洋主体。在这些新形成的
6、大洋型地壳外侧，与原有老地壳交界的地方，尚未形成俯3冲消减带，因而没有明显的地震活动带；而距离最近的、与洋中脊活动有关的活火山，只是在杨马延岛才有。2、劳亚古陆与泛塔拉萨洋湾科学家指出，要想了解比较完整的北冰洋发育历史，则必须追溯得更久远一些，至少要从劳亚古陆说起。劳亚古陆也像其它巨大的大陆一样并非铁板一块。自从罗迪尼亚泛大陆裂解、冈瓦纳古陆形成以后，劳亚古陆也同样经历了复杂的分裂与聚合过程，只不过规模相对小些而已。到距今2.35亿年前，欧亚大陆与北美洲之间又发生分裂，形成一个宽阔的洋湾泛塔拉萨洋湾。以后，随着库拉板块的漂移，奥莫隆、楚科特卡和科拉微陆块相继与欧亚陆块碰合，泛塔拉萨洋湾闭合消失
7、。3、阿尔法海岭与加拿大海盆直到距今大约8000万年前，即在地质年代表中的白垩纪末期，欧美古陆再度分裂，分裂的中轴就是阿尔法海岭。与此同时，伴随着数千公里隆隆的火山喷发与大地震的摇撼，一阵阵灼热的岩浆沿阿尔法海岭的中央裂谷汹涌而出，又在海水中迅速冷凝，形成新的玄武质大洋型地壳，并将较早凝成的“老”地壳不断向两侧推挤。这样的洋底扩张作用造就了加拿大海盆。这一过程持续了大约几千万年。后来，阿尔法海岭的岩浆喷发和地震活动渐渐平息下来，成为今天寂静的无震海岭；加拿大海盆也随之停止增长。因此可以说，阿尔法海岭是已经“死去”的、相对较古老的大洋中脊的遗迹。4、北冰洋洋中脊扩张活动与海岭和海盆的形成在阿尔法
8、海岭停止活动之后，北冰洋洋中脊才开始扩张活动。它使欧亚陆块的北缘再次分裂，欧亚海盆形成，罗蒙诺索夫海岭渐渐被推向北冰洋中心地带。所以说，罗蒙诺索夫海岭属于古老欧亚大陆边缘（巴伦支科拉陆块）的一部分，是在欧亚海盆扩张时从大陆边缘分离出来的。它的几何形状、岩石种类、岩石年龄等，都证实了这种见解。在中央北冰洋各个海岭及洋中脊之间，分布着大大小小的深海盆。但是，令人奇怪的是，在这些深海盆中，至今还没有发现由地幔热柱形成的、类似于夏威夷群岛那样的大洋岛，而这类大洋岛在世界其它大洋盆地中却很常见。5、北冰洋深海盆沉积作用研究随着自然科学向大科学时代过渡，北极地质考察亦被纳入全球大规模地质研究计划中，如全球
9、岩石圈断面计划等。在目前“全球变化”的国际地圈生物圈计划研究中，国际北极科学委员会中的各国地质学家们，在北极地区岩石圈构造演化研究基础上，逐渐将注意力集中于解决重大地质事件对环境背景的制约作用，以及新生代古环境记录的获取与分析对比上。除了地质、海底采样或钻探、固体地球物理探测、航空航天遥感以外，他们还力图运用新构造、沉积、地貌、冰芯等综合手段，开展各种时间尺度的地球历史环境演变的研究。北极地质学家迄今已经在北冰洋海底完成了1000多个取样点，在斯瓦尔巴群岛以北进行了深海钻探。他们发现，北冰洋深海盆中心区海底沉积物的沉积速度是每千年0.11厘米，向周边地区逐渐增加到每千年3厘米，松散沉积物的厚度
10、介于10003500米之间。换算一下便可以知道，这些松散沉积物是在大约140万年期间形成的。这些沉积物之下，就是更老的沉积岩和含有沉积物质的放射性硅质岩。6、北冰洋永久性海冰的形成通过对沉积岩和沉积物的分析，可以判断出北冰洋的永久性海冰是在距今300400万年前才开始出现的。当时，北冰洋的水温迅速下降，水面结冰，水中悬浮的物质成分发生了巨大变化。不仅如此，由于海冰的出现，形成强大的洋底冷水流。因此，这又大大改变了北冰洋海流的运动方式，大量沉积物被海流通过弗拉姆海峡带入北大西洋，并在浮冰消融带下沉，在海底堆积成高高的沉积坝。强大的洋底冷水流，还造成大量的侧压涡旋。例如，在19751976年的14
11、个月中，执行北极冰动力学联合实验计划的科学家，在阿拉斯加巴罗角就直接观测到146个侧压涡旋。这些涡旋一般直径1020公里，深度介于50300米之间。三、北极地质学主要研究方向据有关文献介绍，目前北极地质学的主要研究方向是：1、北冰洋的地质构造与演化过程。例如，深海盆基底的性质、有震及无震海岭的性质、叶尔马克及楚科兹科耶海底高原的性质、欧亚及北美大陆架的构造与沉积作用等。2、北冰洋浮冰的冰解沉积作用的岩石学、地球化学过程。3、北冰洋洋中脊系统的热液运移规律与内生矿物质的运移及富集规律。4、北极地区古环境记录。重点是：格陵兰岛冰原和埃尔斯米尔岛北岸的滨岸湖钻探。5、西格陵兰岛37.5亿年的太古界麻
12、粒岩地体构造演化及其与被动大陆边缘的过渡。6、格陵兰岛东岸三叠纪最古老哺乳类动物化石研究。7、阿拉斯加至远东楚科特卡，北太平洋大陆增生带蛇绿岩对比研究。8、西伯利亚阿拉斯加科迪勒拉山系对比研究。9、北极地区莫霍面的深度变化及性质特征，等等。四、北极地貌学研究有关文献指出，北极地区地貌学考察的重点，是描述晚更新世末次大冰期以来自然环境的变化过程，尤其是气候异常的时间、幅度及其引起的一系列后果。科学家通过不同类型的地貌特征、海平面变化的遗迹、内陆湖泊及潮间带沉积物，配合同位素年代测定，来恢复各个地区的古环境及相应的生态特点。在当前全球变化的研究热潮中，地貌学无疑担负着越来越重要的责任，成为北极科学
13、考察中的重点学科之一。从某种程度来说，地貌学研究的内容及方法已成为环境科学，尤其是古环5境科学的主要部分。目前，科学家最关注的工作有：1、北极苔原冻土带湖泊沉积的古环境记录分析。其中包括：湖泊沉积动力的变化过程；湖积物中贮存的古环境记录，以推算全新世不同时期的气温与降水；湖面波动与气候变化；湖泊演变与永久冻土带退化。北极苔原（Arctic Tundra）是指北冰洋海岸与泰加林带之间的永久冻土地和沼泽地带。它是北极地区典型的陆地，也是地球上一处既荒凉又富饶、气候和生态环境十分特别的地带。其总面积约1300万平方公里，大部分在北极圈内。北极苔原的显著特点是：有广阔的永久冻土地、众多的湖泊和沼泽地。
14、它的最大特点是：有一层很厚的永久性冻土，厚达488米，最厚可超过600米。所以北极苔原也可与世界其他地区的高原冻土带一起通称为冻土。2、北极冰原形态与古气候变化。其中包括：永久冻土带的表层温度与现代气候；永久冻土带地貌演化过程及形态对气候变化的响应；通过对古冰楔、热融喀斯特、冻胀丘等标志形态的确认及定年，反演其演化过程。冰原是指陆地上其厚度不足以掩盖冰下地形的、起伏的毯状冰体。其规模次于大陆冰盖。据认为，现在仅格陵兰岛和南极洲才有大面积的冰原。格陵兰冰原将全岛覆盖，仅在狭窄的边缘有少量岩石露出。因为动物和植物贫乏，故有人将格陵兰的冰原称为“冷荒漠”。南极洲冰原不但将全陆地覆盖，而且有些地方扩大
15、至海上。冰原的厚度有些地方可达数千米。冰盖是指长期覆盖在陆地上、面积大于5万平方公里的冰体，又称大陆冰川，简称冰盖。不光南极有冰盖，地球上目前尚存的有南极冰盖和格陵兰冰盖。通常，人们都说南极冰盖和格陵兰冰盖，而不说南极冰原和格陵兰冰原。五、北极岩石可能保留着最古老地球遗迹据英国媒体报道，科学家发现北极岩石中可能保留着最为古老的地球遗迹。在数十亿年的岁月变迁中，构成早期地球的很多物质，均因熔化和混合等过程发生改变。但是，在格陵兰和加拿大北极地区的巴芬岛，北极岩石中可能保留着年代可追溯到地球形成之初的化学签名（如被禁锢在熔岩中的氦气）。如果得到证实，那末有关地球形成的、已被广泛认可的理论，将因这一
16、发现面临挑战。该项研究发现刊登在2010年8月11日出版的自然杂志上。顺便指出，巴芬岛是加拿大第一大岛，世界第五大岛，加拿大北极群岛的组成部分。它东隔巴芬湾和戴维斯海峡与格陵兰岛相对。巴芬岛上的山脉均高于2440米。山脊纵贯岛的东部，其上覆盖有冰川。它的中西部福克斯湾沿岸为低地，海岸线曲折，多峡湾。该岛大部分位于北极圈内，冬季严寒漫长，夏季冷凉，自然景观为极地苔原。生活在岛上的爱斯基摩人以小聚为生。在北极熔岩中发现的化学签名年代，可追溯到超过44.5亿年前，而地球的年龄也不过45.4亿年。这些最古老的早期地球遗迹，是由美国波士顿大学的马修杰克逊及其所在的国际小组发现的。在研究过程中，他们从格陵
17、兰和加拿大北极地区的巴芬岛采集熔岩样本。虽然这些熔岩是在6000万年前喷发的，但6是其中所含化学签名的年代却更为久远。根据他们的研究发现，北极地下的小块地幔，自地球形成后不久，便没有发生改变。研究人员可以通过分析被禁锢在熔岩中的氦气，确定这个古老地幔的年龄。44.5亿年这一年龄意味着，该熔岩样本的年代，可追溯到地壳形成之前，地核形成之后。众所周知，按照不同的化学组成与地震特性，地球内部被莫 霍 面 和 古 登 堡面 ， 分 为 三 个不同的圈层，从地心到地表依次为：地核（内核和外核）、地幔（下地幔和上地幔）和地壳。地壳的厚度不同，海洋地壳较薄，大陆地壳较厚。内核与地壳为实体；外核与地幔为流体。
18、各个圈层之间由地震不连续面分开。由地震数据得知，其中最有名的不连续面要数地壳与上地幔之间的莫霍面；此外还有下地幔与外核之间的古登堡面。最近，搜寻最古老的地球遗迹，已经成为行星科学家眼中的“圣杯”。研究论文合著者、卡内基研究所的理查德卡尔森博士表示：“这是地球进化过程中的一个关键阶段，为随后发生的一切打下了良好基础。”布里斯托尔大学的蒂姆埃利奥特教授，并没有参与此项研究。他指出，虽然结论很有趣，但仍让人产生怀疑。他说：“证明这一物质的年代异常久远需要采取一种更令人信服的方式，即寻找一种反常并且已消失的核素签名。”已消失的核素，是在太阳系形成前在恒星内形成的化学物质。虽然最后化为乌有，但是它们留下
19、的痕迹却是早期地球的一个重要标记物。如果得到证实，那末这一新发现将挑战我们对早期地球的认知。北极古代地幔的化学组成，与在理论上预测的有所不同。这说明地球的早期历史，要比科学家此前认为的更为复杂。需要指出的是，据有关资料，核素是指具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子。现已知的核素分为稳定核素和放射性核素两类。例如，原子核里有6个质子和6个中子的碳原子，质量数是12，称为碳-12核素，或写成12C核素。原子核里有6个质子和7个中子的碳原子，质量数为13，称13C 核素。又如，氧元素有16O（氧-16），17O（氧-17），18O （氧-18）三种核素。具有多种核素的元素称为多核素元素。自然界仅
20、有一种核素存在的元素称为单核素元素，如氦、氟、铝、钠等20种元素。质子数为偶数的元素，可有较多的稳定核素，一般不少于3种；而质子数为奇数的元素，通常只有一个稳定核素，从不会多于两种。这是由核子的结合能所决定的。多核素元素中的各核素互称为同位素。因为，它们处于周期表中同一位置上，化学性质基本相同，但核性质不同。单核素元素没有同位素。核素的质量即原子质量，总小于孤立质子、中子和电子的质量总和，在概念上也不等于质量数，在数值上除12C核素外，均与质量数稍有不同。核素的质量是用质谱仪测定的。这种测定很先进，可测得7位或更多位数的有效数字。六、北极固体地球物理学研究据报道，几乎所有的北极常年考察站都进行
21、固体地球物理研究。它所涉及7的探测项目主要有：地磁、天然地震和人工地震、重力、大地电磁等。由于高技术的发展，固体地球物理探测的仪器设备亦不断更新换代，从而提高了探测效能。近年来，人类已经超越固体地球的界限，提出更大尺度的“整体地球系统”，甚至“日地系统”目标。为了解决随之而来的新的科学问题，例如固体地球磁场与日地空间磁场的相互作用，固体地球物理学正在与大气物理、日地空间物理，以及地质学、行星地质学，日益密切地互相渗透与结合。1、天然地震观测与人工地震探测北极的天然地震观测，主要集中在北冰洋沿岸，以及利用考察船在北冰洋的罗蒙诺索夫海岭一带进行观测。其目的是了解现代板块运动的特征。北极的人工地震探
22、测，则用于探索地球岩石圈结构。美国、前苏联等国在波弗特海、楚科奇海、东西伯利亚海、拉普帕夫海、喀拉海、巴伦支海等大陆架区，进行过较大规模的人工地震剖面探测。此外，在北极开展较多的项目还有：航磁测量探测地质构造及矿产，无线电回声探测冰盖厚度及冰下地形。2、大地电磁测量大地电磁测量只是最近几年的事。3、地磁探测与研究北极位于地球磁场的极区；而且，北极的地理极、地理磁极与地磁极三者之间互相分离。因此，北极是进行地磁探测与研究的理想场所。在北极开展的主要地磁探测项目有：地球基本磁场的短期及长期变化特征、地磁脉动的形态及变化规律、日地关系及空间环境研究等。、地理极需要说明的是，地理极是指地轴（地球绕之自
23、转通过地心的假想轴）与地球表面的两个交点，即北极和南极。、地理磁极地理磁极（Geomagnetic Poles）是指地磁轴与地球表面的两个交点，即地磁北极和地磁南极。如同北极和南极是地轴与地球表面的两个交点一样，它们是具有确切地理位置的地球表面的两个点。据有关资料，地磁北极在北纬79.3度、西经71.5度；地磁南极在南纬79.3度、东经108.5度。北极和地磁北极都位于北半球，南极和地磁南极都位于南半球。这是没有异议的。确切地说，科学家假设，地球内部像一条巨型磁棒，通过棒端的中线叫地磁轴。它与地球自转轴的交角并不固定，现时约为11度。地磁轴与地球表面的两个交点，分別称为北地磁极地磁北极（Nor
24、th Geomagnetic Pole）和南地磁极地磁南极（North Geomagnetic Pole）。又因为“同极相斥，异极相吸”的缘故，磁棒的南极与北地磁极互相8对应，磁棒的北极与南地磁极互相对应。在过去的3.3亿年里，地磁轴的极性曾经逆转超过400次。、地磁极地磁极（Magnetic Pole）是指地球磁场的两极，即北磁极和南磁极。在北半球，地球磁场的磁力线都向下弯，磁力线完全垂直（即90） 指向下的地点称为北磁極（ North Magnetic Pole）。在南半球，磁力线反向上弯，磁力线完全垂直指向上的地点称为南磁極（South Magnetic Pole）。两者的真正位置并非在
25、地图上的正北极或正南极。它们会随着时间漂移。2005年時的北磁極在加拿大境83N，南磁極則在南极洲境 63S。在这些地域见到的极光也最触目。所有罗盘都指向北磁极或南磁极。值得指出的是，地理磁极（Geomagnetic Poles）与地磁极（Magnetic Pole） 有所不同。前者是纯理论的磁极，后者是从实际测量所知的磁极。将两者互相比较，科学家更容易找出理论磁场与真正地磁的偏差原因，从而更加了解地球內部的流体结构。对于非地球科学研究者而言，理解北磁极和南磁极的意义便足够了。4、重力探测与固体潮研究北极开展的重力探测，除了用于大地测量以外，还用于固体潮研究。固体潮是指地球整体在太阳和月亮引力
26、作用下发生的、可用仪器直接观测到的物理变化，其中主要有重力、地面倾斜和伸缩的变化。这些变化分别称为重力固体潮、倾斜固体潮和应变固体潮。开展固体潮研究，可以向测绘学、天文学、空间动力学等学科，提供一些基本的地球参数。例如，卫星轨道改正，重力探测和纬度观察改正等。同时，固体潮研究也可以提供地壳结构、地球内部物理性质数据。此外，在北极进行固体潮研究，对于地壳在冰雪负荷下的变形，以及对整体地球形状的研究，都具有特别重要的意义。七、北极日地空间物理学研究1、日地空间物理及其研究项目据有关文献介绍，日地空间物理，是随着太空时代的到来而迅速发展起来的一门新型学科。并且，随着全球变化大科学目标的提出，科学家们
27、越来越强烈地意识到，日地整体行为、大气环境与人类生存条件有着极为密切的关系。从国际地球物理年开始，日地空间物理、大气物理与化学的研究，已逐渐成为北极科学考察活动中投资最多、规模最大的学科之一。其中主要研究项日有：极光、哨声、电离层、宇宙线、甚低频、温室气体、臭氧耗损，以及北极大气环境对全球气候变化的影响等。2、极光及其形成和研究意义极光作为一种天象，自古以来为人注目。对极光及其它空间物理现象的研究取得的重大进展，则是最近二三十年的事。科学家已经了解到，地球磁场并不对称。在太阳风的吹动下，它已经变成某种“流线型”。也就是说，朝向太阳一面的磁力线被大大压缩；相反方向却拉出一条长长的形似彗尾的地球磁
28、尾9，磁尾至少有1000个地球半径长。由于与日地空间行星际磁场的耦合作用，在变形的地球磁场的两极之外，各形成一个狭窄的、磁场强度很弱的极尖区。因为等离子体具有“冻结”磁力线特性，所以太阳风粒子不能穿越地球磁场，而只能通过极尖区进入地球磁尾。当太阳活动发生剧烈变化时（如耀斑爆发），常引起地球磁层亚暴。于是这些带电粒子被加速，并沿磁力线运动，从极区向地球注入。这些带电粒子撞击高层大气中的气体分子和原子，使后者被激发退激而发光。不同的分子、原子发出不同颜色的光，混合在一起，就形成多姿多彩的极光。事实上，人们看到的极光，主要是带电粒子流中的电子造成的。并且，极光的颜色和强度，也取决于沉降粒子的能量和数
29、量。科学家能从这个天然大电视中，得到磁层以及日地空间电磁活动的大量信息。例如，通过极光光谱分析，可以了解沉降粒子束的来源、粒子种类、能量大小、地球磁尾的结构、地球磁场与行星磁场的相互作用，以及太阳扰动对地球磁场的影响方式与程度等。3、太阳宇宙线与银河宇宙线根据斯托马理论，地球磁场在极区对宇宙线粒子的截止刚度很小，甚至为零。所以，进入极区的宇宙线通量大大高于其它地区。科学家兴奋地在这个理想的天然实验室中，研究外层空间的使者太阳宇宙线与银河宇宙线。银河宇宙线实际上是接近光速运动的亚原子粒子流，因而具有极高的能量。这些能量甚至比人类目前最大的加速器所能得到的能量还要高几十亿倍。所以，当这些高能粒子与
30、地球亚原子粒子发生猛烈碰撞时，就会产生一系列人类尚无法在实验室实现的原子物理现象，如：产生新的、质量更大的亚原子粒子。而这正是物理学家梦寐以求的。太阳宇宙线的能量相对较低，但由于浓度大，所以对于航天器和宇航员的生命构成威胁。太阳宇宙线可对空间飞行的航天器进行电离，产生一个额外电流，从而对航天器上的电子器件发出虚假指令，以致造成严重后果。目前，至少有一颗人造卫星已经毁于这种虚假指令。此外，太阳宇宙线也可以强烈影响地球的无线电通讯。4、 哨声据 介 绍 ， 哨 声 （ Whistle）是指电离层和磁层中因磁场排列的电离不均匀性所形成的 哨声。极地哨声和地磁脉动关系密切。很早以来，人们就注意到哨声发
31、生率与地磁活动的关系。在极区，哨声活动与地磁活动呈负相关；而在其余纬度上，哨声活动随地磁指数的升高而增加。南极长城站夏季哨声活动与地磁指数也有密切关系，一般在磁扰后13天哨声发生率达到极大值。5、电离层及其形成与研究、电离层与磁层10电离层（Ionosphere ）是地球大气的一个电离区域。60公里以上的整个地球大气层都处于部分电离或完全电离的状态。电离层是部分电离的大气区域；完全电离的大气区域称为磁层。也有人把整个电离的大气称为电离层，这样就把磁层看作电离层的一部分。除地球外，金星、火星和木星都有电离层。电离层从离地面约50公里开始，一直伸展到约1000公里高度的地球高层大气空域。其中，存在
32、相当多的自由电子和离子，能使无线电波改变传播速度，发生折射、反射和散射，产生极化面的旋转并受到不同程度的吸收。、电离层的形成与研究电离层亦属北极研究日地空间物理的一个重要课题。最明显的理由就是，电离层的扰动可能引起无线电通讯中断及地球磁场的紊乱。由于电离层本身是太阳高能辐射宇宙线在地球大气中电离造成的，所以太阳活动的变化，如太阳X射线暴、太阳宇宙线、银河宇宙线的福布什下降等，都会影响电离层性状的稳定。目前，大气物理学家，正用电离层垂测、探空火箭等各种手段研究北极电离层。促使他们在北极（也包括南极）工作的原因有两个：第一，人类对极区电离层所知甚少，对中、低纬度电离层则相对了解得比较清楚；第二，极
33、区的地球磁场具有较为特殊的结构，在那里研究电离层可以得到许多其它地区无法获得的信息。6、甚低频及其研究据介绍，“甚低频（VLF）”是指频率为1530KHz电台发射的电磁波。例如，世界各地海军长波电台发射的每秒15千周每秒30千周甚低频波段的无线电波。北极的甚低频研究，是大气物理主要研究项目之一。可通过接收全球导航系统台站网的甚低频信号，研究其相位变化规律，了解极区粒子沉降对低电离层的影响及地球磁层中波粒的相互作用。7、温室气体、臭氧耗损及大气环境温室气体、臭氧耗损及北极大气环境，对全球气候变化的影响，是当今最引人注意的研究题目。目前，考察与研究的内容包括：北极地区温室气体的来源、集汇分析与监测
34、；北极对全球主要温室气体循环的调制作用；臭氧及相关气体的时空分布与变化特征；北极区太阳紫外辐射变化对臭氧变化的响应；北极烟雾的成分特征及人类活动对大气环境影响的评估；北极天气气候特征及其对全球气候变化的影响等。全球臭氧层停止进一步损耗2010年9月16日，国际保户臭氧层日纪念大会在中国北京举行。世界气象组织和联合国环境规划署联合发表报告，称国际臭氧层保护工作遏止了“紫外线保护伞”臭氧层的进一步损耗。该报告称“过去十年来，全球臭氧以及南北极臭氧已停止损耗，但尚未开始增加”。报告中还得出结论说，“除了极地上空之外，其他各处的臭氧层预计将于本世纪中期之前，恢复到1980年以前的水平”。八、北极冰川学
35、研究111、冰川学新学科在北极的冰雪世界中，冰川学是最活跃的学科之一。目前的冰川学考察研究早己越过地貌冰川学阶段，而发展到更深入的冰川物理、冰川化学、无线电冰川学等新学科领域。2、冰川学研究项目与意义在格陵兰岛的大陆冰盖中，保留着距今至少上百万年前积累的古老冰层。由于它对全球气候变化影响巨大，因而冰面热量交换模式、冰内温度变化规律、冰体运动、物质平衡、成冰及变质机制等，都已成为冰川学家关心的课题。值得提出的是，在人类日益关注全球气候变化趋势的今天，极地的冰川学研究可以提供科学的全球气候历史背景，从而使气候学家较容易地剔除偶然的气候异常，指出今后10100年尺度的气候变化大趋势。顺便说明，大陆冰
36、盖，简称冰盖，是指长期覆盖在陆地上的面积大于5万平方公里的冰体。目前，地球上尚存的仅有南极冰盖和格陵兰冰盖。冰原是指陆地上其厚度不足以掩盖冰下地形的起伏的毯状冰体，其规模仅次于大陆冰盖。冰川是指分布在陆地上长期存在、在自重作用下缓慢运动的巨大天然冰体。它可分为大陆冰川和山岳冰川两大类。冰架是指大陆冰盖自陆地向海洋大陆架伸展、与海岸相连、相当厚的浮动大冰体，高出海面250m 或更高。冰山是指大陆冰盖边缘或峡湾冰川末端崩解入海形成的、高出海面5m以上的巨大漂浮冰体。3、冰川学研究概况与趋势从20世纪60年代开始，美国及西欧国家的冰川学家，就在南极大陆和格陵兰岛的内陆冰盖上钻取冰芯。通过分析不同年龄
37、冰芯里的氢同位素、氧同位素、痕量气体、二氧化碳、大气尘、宇宙尘等，来确定当时（百年尺度）全球平均气温、大气成分、大气同位素组成、降水量等诸项气候环境要素。当时，在世纪营地钻取的冰芯长达1388米。至20世纪70年代末，随着极微量物质成分分析技术的提高，冰芯内的全球生物地球化学循环记录研究工作已蓬勃发展起来。当时，最具有代表性的工作是前苏联在南极和平站钻取的大量深长冰芯，以及法国对该冰芯的极精细的化学分析数据。这些工作与中国的黄土研究、深海钻探及封闭湖泊钻探，共同组成了地球古环境记录研究的四大标尺。当前总体趋势是，各国科学家汇集了冰川学和大气化学的力量，力求搞清冰芯内各种“记录”的现代积累变化的
38、过程，从而为真实、精确地重建极地冰盖内贮存的各种古环境、古气候指标，奠定更加坚实的科学基础。4、格陵兰岛冰盖钻探及其意义1991年夏季，美国和欧洲共同体8国，同时在格陵兰岛冰盖的顶部各自开始了宏伟的冰芯钻探计划。美国的计划定名为“GISPL”，欧洲共同体的计划称为“GRIP”。两台冰钻的孔位仅仅相距30公里。1992年的7月20日，欧洲共同体8国联合实施的“GRIP”冰芯钻探，顺利穿透冰盖，到达基岩表面，获取冰芯2980米。欧洲人的辉煌胜利使美国人感到十分难堪。美国科学基金会在大量增12加经费的同时，限令执行计划的科学家必须在1993年完成钻探。后来，美国的“GISP”冰钻，总算如期穿透冰盖，
39、甚至钻到了1.5米的基岩岩芯。美国与欧洲共同体的格陵兰岛冰盖钻探计划所获得的宝贵数据，将可以告诉我们最近30万年来的气候变化情况。九、北冰洋概述1、北冰洋及其名称由来北冰洋是世界最小、最浅、最冷和盐度最低的大洋。北冰洋大致以北极为中心，位于地球的最北端，被亚洲、欧洲大陆和北美大陆环抱着；有狭窄的白令海峡与太平洋相通；通过格陵兰海和许多海峡与大西洋相连。北冰洋（Arctic）的名称源于希腊语，意即“正对大熊星座的海洋”。1650年，德国地理学家B瓦伦纽斯，首先把它划成独立的海洋，称为“大北洋”。1845年，伦敦地理学会将其命名为北冰洋。改为北冰洋，一则是因为它在地球四大洋中位置最北，再则是因为该
40、地区气候严寒，洋面上常年覆有冰层，所以人们称它为北冰洋。2、北冰洋自然地理分区根 据 自 然 地 理 特 点 ， 北 冰 洋 分 为 ： 东 部 的 北 极 海 区 和 西 部 的 北 欧 海 区 两部 分 。北 极 海 区 包 括 ： 北 冰 洋 主 体 部 分 、 喀 拉 海 、 拉 普 捷 夫 海 、 东 西 伯 利 亚 海、 楚 科 奇 海 、 波 弗 特 海 及 加 拿 大 北 极 群 岛 各 海 峡 。北 欧 海 区 包 括 ： 格 陵 兰 海 、 挪 威 海 、 巴 伦 支 海 和 白 海 。 北 欧 海 区 东 北 部为 大 陆 架 ， 西 南 部 为 深 水 区 ； 其 中
41、以 格 陵 兰 海 水 深 最 大 ， 深 达 5500多 米 。格 陵 兰 岛 和 斯 瓦 尔 巴 群 岛 之 间 ， 有 一 条 东 西 向 海 底 高 地 ， 是 北 极 海 区 与北 欧 海 区 的 分 界 。3、北冰洋基本数据、最小的大洋北冰洋是世界大洋中最小的一个。其面积约为13101500万平方公里；大约相当于太平洋面积的1/14，大西洋的1/7，印度洋的1/6；约占世界海洋总面积的4.1% 。北冰洋 2/3以上的面积属于大陆的水下边缘，即在北冰洋的周围具有非常宽阔的大陆架。、最浅的大洋北 冰 洋 是 世 界 海 洋 中 最 浅 的 一 个 。 其 平 均 水 深 约 为 109
42、7 1225米 ， 约 为太 平 洋 的 1/3； 南 森 海 盆 最 大 水 深 达 5449 5527米 ， 不 及 太 平 洋 的 1/2， 是 北冰 洋 最 深 处 。、最冷的大洋北冰洋位于北极圈内，终年获得的太阳辐射热很少；在其上空，由于冬季是一个稳定的高压区，云量很少；再加上洋面广范分布着冰盖，在这些因素的共同影响下，使其成为世界最冷的大洋。气温终年很低，并多暴风雪。寒季（13上年11月至下年4月）平均气温在-30-40 之间，最低达 -52；暖季（78月）平均气温不足6。年平均降水量仅75200毫米，格陵兰海可达500毫米，以降雪为主。因此，北冰洋水文的最大特点是：水温低，大部分
43、海域海水温度在0以下，因而有大面积的常年不化的冰盖和浮冰。北极海区，从水面到水深100225米的水温约为-11.7 ；在滨海地带水温全年变动很大，从-1.5 8。北欧海区，水面温度全年在212 之间。此外，在北冰洋水深从100250米到600900米处，有来自北大西洋暖流的中温水层，水温为01。、盐度最低的大洋北冰洋由于气温低、蒸发弱，周围大陆上有大量河水流入，故海水盐度较低，平均盐度为3032，是四大洋中盐度最低的大洋。西部北欧海区（巴伦支海和格陵兰海）盐度稍高，为34.535，滨海地区为33。东部北极海区盐度较低，平均为2832，滨海地区海域最低，仅为25。4、北冰洋海底地貌特点北冰洋海底
44、地貌的突出特点是大陆架非常宽广。特别是，亚欧大陆北部大陆架最宽，一般宽达400500公里，最宽处近1700公里（水深50150米）。阿拉斯加以北大陆架较窄，宽度仅2030公里。这些大陆架大部原为陆地的一部分，在第四纪冰期以后才下沉成为浅海。顺便说明，通常大陆架又叫做陆棚，是指大陆边缘被海水淹没、比较浅平的海底，从岸边低潮线开始向外海直至海底坡度显著增大的边缘为止的海底区域。北冰洋海底地貌的另一个特点是起伏不平，一系列海岭、海盆、海槽和海沟交错分布。在北冰洋中部有一条横贯北冰洋的海底山岭 罗蒙诺索夫海岭。它自新西伯利亚群岛，经北极到埃尔斯米尔岛；全长1800公里，宽60200公里；高出洋底300
45、0米；岭脊一 般 距 海 面 1000 200米 ， 个 别 峰顶 距 海面1000 米左右。洋底山地坡度大、陡峭；有 剧 烈 的 火 山 和 地 震 活 动 ； 系构造断裂褶皱山，山体由沉积岩和变质岩组成。该海岭把整个北冰洋分为两部分：面向北美洲的为加拿大海盆，面向亚欧大陆的为南森海盆。这两部分在海流、海水运动方向和水温等方面都有明显的差异。海 盆 水 深 均 在 4000 5000米之 间 。在加拿大海盆以西，有一条门捷列夫海岭，长1500公里，相对高度小，坡度平缓。在南森海盆外侧，分布有北冰洋中央海岭，又称南森海岭、加克利海岭或奥托斯密特海岭；由几条平行海岭组成；自拉普帖夫海，经格陵兰岛
46、北端到冰岛，连接大西洋中央海岭。另 外 ， 北 冰 洋 中 部 还 有 许 多 海 丘 和 洼 地 。5、北冰洋冰体北冰洋水文最大特点是有常年不化的冰盖。冰盖面积占总面积的2/3 左右。14其余海面上分布有自东向西漂流的冰山和浮冰；仅巴伦支海地区受北角暖流影响常年不封冻。北冰洋大部分岛屿上遍布冰川和冰盖。北冰洋沿岸苔原地区则多为永久冻土带，永冻层厚达数百米。在寒冷季节，北冰洋一片雪白。冰盖面积以3月份为最大，可达1140万平方公里，占北冰洋总面积的87%。在79月，岸边冰雪大部融冰，周围冰山、浮冰到处漂浮，但北冰洋中心部分仍为冰盖所覆盖。9月份冰盖面积最小，约为700万平方公里，占北冰洋总面积
47、53.4%。但是，这时已不是连片的冰盖，而是由面积1至几十平方公里的大小冰体组成的冰丛；厚2.5米到45米；表面平坦或波状起伏，较坚固。北冰洋除冰盖外，还有由极地群岛上陆棚冰川入海而形成的“冰岛”或冰山。“冰岛”流速慢、表面平、面积大（可达600700平方公里），厚度可达3035米。冰山分布在“冰岛”周围边缘，面积较小。6、北冰洋的岛屿北冰洋岛屿众多，其数量和面积仅次于太平 洋而居世界各大洋之第二位。岛屿总面积约为380万平方公里，均属大陆岛，多分布在大陆架上。这里有世界第一大岛格陵兰岛，面积达217.56万平方公里。加拿大的北极群岛，面积为130万平方公里，是世界第二大群岛。7、北冰洋独特的
48、环流系统北冰洋由于海底地形的关系，具有独特的环流系统。大致以罗蒙诺索夫海岭为界，以东为顺时针环流，以西为逆时针环流；在拉普帖夫海，也有一个小的逆时针环流。从海流的性质来看，以寒流为主；暖流影响范围很小，仅在巴伦支海有斯匹次卑尔根暖流、北角暖流，格陵兰岛西南端有西格陵兰暖流和白令海暖流。流入北冰洋的水，除北大西洋暖流外，还有亚、欧、北美三大洲的一些河流。这些水流使北冰洋水量增多，水面升高；并以洋流的形式向格陵兰海和白令海流出，形成东格陵兰寒流、拉布拉多寒流和千岛寒流，与大西洋和太平洋进行着水量平衡的交换。在流入水量中，90.1%来自大西洋，太平洋仅占8.1%；在流出水量中，大西洋占98.27%，
49、太平洋仅占1.35%。8、北冰洋的形成北冰洋是如何起源的？海洋地质学家通过长期研究认为，北冰洋的形成，与北半球劳亚古陆的破裂和解体有着很密切关系。洋底的扩张过程，起自于古生代晚期，而主要是在新生代实现的。它以地球北极为中心，通过亚欧板块和北美板块的洋底扩张运动，从而产生了北冰洋海盆。现在北冰洋底所发现的“北冰洋中脊”，即为形成北冰洋洋底地壳的中心线。在北冰洋底，还同时发现了与北冰洋中脊相平行的两条海岭：罗蒙诺索夫海岭和门捷列夫海岭（即老北冰洋中脊）。这说明北冰洋的海底扩张运动，曾经发生过不只一次。在距今2000万年前，北冰洋最多只算是一个巨大的淡水湖，湖水通过一条狭窄的通道流入大西洋。然后，在距今1820万年前，由于地球板块运动，这条狭窄的通道渐渐15变成较宽的海峡，大西洋的海水开始流进北极圈，慢慢形成了今天的北冰洋。这是瑞典科学家，在分析了2004年从北冰洋海底采集的沉积物后得出的结论。瑞典斯德哥尔摩大学的马丁杰克逊等人所发表的报告说，他们从北冰洋中部靠近北极的罗蒙诺索夫海岭，采集了428米厚的沉积物。其中一段5.6米厚的沉积物，具有特
