海洋地质与地球物理学的前瞻性研究方向与领域
海洋地质与地球物理学旨在研究海底固态圈层的结构特征、物质组成和演化规律，研究海底固态圈层与水圈和生物圈的相互作用和耦合机理，以及由此产生的资源和环境效应。
我国具有世界上最大的地球科学研究队伍之一，但偏重陆地而海洋偏弱；而在海洋科学之中，又偏重近岸而不注意远洋。然而，近半个多世纪以来，海洋地质研究一直是国际地球科学的突破口，也是探索新资源的前沿。新世纪开始，地球系统科学成为学科发展主要方向的时候，海洋地质研究又是其中的关键环节。
因此，必须充分发挥我国自然条件和原有研究积累的优势，将国际深海前沿领域与国内的研究结合起来，促进我国地球科学进入海陆结合和全面走向国际的新局面；有必要加强全球气候环境演变、西太平洋大陆边缘岩石圈演化、大洋中脊热液系统等深海科学前沿的重大科学问题研究，促进我国地球系统科学的发展，同时在微生物和生物地球化学的层面上，形成地球科学与生命科学新的交叉点——深部生物圈的前沿。
（一）
海洋古全球变化研究
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通过深海沉积的高精度分析，探讨地球气候环境演变的机理，是我国深海研究中目前具有国际竞争力的重要方面。可选择以南海和东海为核心的西太平洋边缘海以及“西太平洋暖池区”，进行从现代过程观测到数值模拟，再到地质记录验证的一系列研究工作，通过追溯物质与能量的交换，研究岩石圈、水圈和生物圈在不同时间尺度（构造、轨道和海洋尺度）上的相互作用，揭示其在全球宏观环境变迁中的作用。我国原来在陆地和浅海陆架具有工作基础，有深海研究与之结合，可以促进我国地球科学向跨圈层跨学科的地球系统科学方向发展，进入国际深海基础研究的前沿。重点研究内容包括以下四个方面。
1. 热带海洋在地球系统中的作用
2. 全球季风的地质演变
3. 短期和极端气候事件
4. 亚洲形变与环境演化的海陆对比
图 现代年平均表层海水温度（a）与1998 年1 月厄尔尼诺事件期间表层海水温度（b）以及上新世年平均表层海水温度（c）的比较，资料来源：Dekens et al.，2007
大洋钻探 ODP 的研究表明距今300～500 万年的早上新世至中上新世的温暖时期，大气 CO₂ 浓度与现在的相当，在赤道地区形成持久的类厄尔尼诺状态。如果类似情况再次发生，将会给全球水循环以及经济、社会发展带来巨大影响。因此，发展低纬气候变化的模型，揭示热带在气候变化中的作用，将有助于我们更加精细地预测未来气候的变化。
图 东太平洋Santa Barbara 海盆ODP893 站、加勒比海Cariaco 海盆ODP 1002站和Bermuda 海隆MD95-2036 站末次冰期高分辨率古气候序列与格陵兰冰芯GISP2记录的比较，资料来源：Kennett and Peterson，2002
地球气候系统在时间尺度上是一个连续体，各种不同速率的过程通过不同时间尺度（包括年际变化、年代际变化，以及构造、轨道、太阳活动周期等长时间尺度变化）的叠加，交织为一个复杂的整体。海洋沉积物岩芯不仅可以提供构造和轨道时间尺度上气候变化的长期趋势，还记录有叠加在长期趋势之上的短期和极端气候事件，使得我们可以去研究年际到千年尺度气候变化的空间格局，并提供可与陆地记录进行比较的海洋资料。
（二）
大洋中脊热液系统和洋底下的海洋
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海底是地球深部与表层联系的通道，对海洋岩石圈（包括地壳和上地幔坚硬部分的地球固体外圈层）的研究是理解深部过程对浅部地球环境影响的重要基础。大洋中脊和其他海区（如冲绳海槽），发现有深海热液喷出，形成金属成矿，滋养独特的热液“黑暗生物链”；陆坡海底下面发现的天然气水合物，既是新世纪潜在的能源，又是全球环境演变和海底不稳定性的重要因素；海底下面还发现有巨大的水流系统，联系着地球的深部与表层，改造着海底岩石和海水成分，润滑着震源断层。这些过程直接控制了海底地质灾害以及对现代社会至关重要的矿产资源的发育，为国际研究计划的重点。相关研究在国际上也属起步阶段，我国应充分利用国际IODP 和国内大洋航次等机会，吸引地球科学、生物学等相关学科的专家共同参与。重点研究内容可包括以下四个方面。
1. 大洋中脊热液系统
2. 海底成矿作用与成矿系统
3. 深海油气和天然气水合物的资源潜力与环境意义
4. 深部生物圈的环境效应
（三）
大陆边缘岩石圈演化与震源带
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大陆破裂与沉积盆地的形成，是固体地球循环与动力学的重要环节，而对海洋岩石圈的研究是理解深部过程对浅部地球环境影响的基础。地球上75%的边缘海分布于西太平洋，形成跨越122 个纬度的巨大边缘海系列，是新生代全球最壮观的地质地貌现象之一，蕴含着十分重大的地球科学前沿理论问题，也是InterMargin、InterRidge 和IODP 研究的主要内容。西太平洋也是板块俯冲、岛弧火山活动和洋壳物质再循环的地区，是研究“俯冲工厂”（subduction factory）和震源带的典型海区。中新生代以来，中国东部大陆的构造活动和矿产资源分布、边缘海的形成演化与油气盆地的形成、地震的发生等都与西太平洋海底板块俯冲密切相关。深海科学一个最新的方向，就是探索大洋地壳从洋中脊产生到俯冲带消失的“固体地球循环”；追踪“俯冲工厂”里水和碳的平衡及其对发震带的影响；研究地球深部与表层系统之间的圈层相互作用。我国应从全球构造演化的角度，研究西太平洋边缘海的形成机制；研究西太平洋的洋、陆之间，深部和浅层之间物质和能量的交换；研究震源带的断层活动。重点研究内容可包括以下三个方面。
1. 西太平洋边缘海的形成机制
2. 晚中生代东亚-西太的构造特色
3. 发震带构造研究及海底地球物理观测
图 示意俯冲带的主要输入（I）、输出（O）、流体、熔融通道以及岛弧的地壳结构，资料来源：国际大洋发现计划，2011
西太平洋作为地质历史上泛大洋和泛大陆的交界，是长期以来的板块消亡带，属于“板片墓地”，地幔水含量呈现高值异常，导致岩浆和构造运动异常活跃。然而，当今的全球板块系统中，最不清楚的就是西太平洋。最近，学术界更加关注西太平洋俯冲带，以了解俯冲带是怎样开始产生的，在那里挥发物质如何循环、大陆壳如何形成等问题。
（四）
河口海岸与陆海相互作用
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河口海岸带是连接陆地与海洋的枢纽，它不但记录了自身演化的信息，也记录了全球环境变化的信息，是观测全球变化最敏感的区域之一。东亚边缘海带发育大河和大三角洲，入海物质通量巨大，具有宽广大陆架，沉积体系类型多样，成因复杂；晚第四纪陆海相互作用强烈，古环境演变剧烈，是开展浅海海洋地质研究的理想区域。同时，中国陆架近海也是世界上最宽、生产力最高的陆架之一，内有大河携带大量物质入海，外有强劲的西边界流黑潮驱动，有着极其复杂的地质、环境和生态过程。
图 全球河流悬移沉积物向近海的输出量（单位：106t/a）。资料来源：Milliman and Farnsworth，2005
因而，研究河口海岸带陆海相互作用及其对环境的影响与调控机制，对于认识全球气候环境变化和人类社会的可持续发展具有十分重要的意义。重点研究内容可包括以下四个方面。
1. 海岸-陆架沉积体系形成机制和气候-环境演化记录
2. 河口三角洲地层的时空分布与亚洲形变的关系
3. 高分辨率海平面波动及环境影响
4. 跨陆架的物质输运与深海沉积学
图 南海北部东沙以南高速堆积体的地震剖面，资料来源：Wang et al.，2000
西太平洋边缘海的入海物质通量巨大，可以通过跨陆架的输运机制（除了经典的浊流外，细颗粒重力流也是深海沉积的常见形式；进入深水后，还会有等深流等的沉积搬运作用），形成高沉积速率的次深海沉积。图为最为突出的一例，是南海北部陆坡东沙东南的高速堆积体，1999 年的ODP1144 站在其以南位置发现近百万年来的沉积速率达 49cm/ka，沉积速率之高在深海环境中十分突出，但由于缺乏现代过程的观测，其成因至今尚不清楚，需要新一代的沉积学研究来补充完善。
本文由刘四旦摘编自中国科学院发布的《中国学科发展战略·海洋科学》一书“第五章 海洋地质与地球物理学”，有删减。
"中国学科发展战略"丛书以中国科学院学部开展的"中国科学院学部学科发展战略研究项目"的研究成果为基础，由以院士为主体、众多专家参与的学科发展战略研究组经过深入调查和广泛研讨共同完成，旨在系统分析有关学科的发展态势和规律，提炼关键学科理论和技术问题，提出学科创新发展的新思想和新方法，并为学科的均衡发展提供政策和措施建议。《中国学科发展战略·海洋科学》系统梳理了海洋科学学科的发展历程，总结了学科发展规律和内在逻辑，前瞻了学科中长期发展趋势，同时面向我国现代化建设的长远战略需求，提炼出学科前沿的重大科学问题和符合中国发展需求的新问题和重大战略方向。
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