《科学画报》
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从源到汇：南海沉积物的前世今生
2021-10-26 13:07:00天然“实验室”
南海是西太平洋地区最大的边缘海，其自然海域面积约350万平方千米，达到我国陆地面积的三分之一。南海每年接收来自周边陆地的河流沉积物达7亿吨以上，是全球接收陆源碎屑物质最多的半封闭海洋盆地。
汇入南海的河流长度、流域面积、年径流量及输沙量等存在巨大的差异，因此其提供给南海的沉积物矿物组成也各自具有非常鲜明的特征。进入南海后，这些沉积物在表层海流、深层海流、重力流的作用下，被携带至深海盆地中沉降下来，并随着地质历史的演变形成南海深海的沉积地层。南海河流沉积物如此复杂的“从源到汇”的搬运过程，使其成为科学家进行海洋沉积学研究的天然实验室。
研究人员通过对南海周边河流沉积物开展调查发现，周边河流输入南海的沉积物各自具有不同的黏土矿物组成。比如：来自我国台湾的黏土矿物组成以伊利石和绿泥石为主，与台湾隔巴士海峡相望的吕宋岛的黏土矿物组成以蒙脱石为主，而养育着我国华南众多城市和人口的珠江的黏土矿物组成则以高岭石为主。
从“源”寻差异
这些区域大体处于同一纬度带，提供的沉积物却具有如此迥异的黏土矿物组成，这是什么原因造成的呢?研究发现：南海周边河流的黏土矿物组成主要由源区化学风化作用控制，而源区岩石的化学风化则受到地质构造活动、岩石类型、气候条件三大因素的影响。
地质构造活动是指所处地区的地壳发生结构改变或相对运动，比如我国台湾岛，由于受太平洋板块持续向欧亚大陆以下俯冲的影响，近500万年以来一直持续隆升，形成台湾中央山脉。活跃的构造活动，使台湾山区岩石发生快速风化剥蚀，形成伊利石和绿泥石等典型强机械剥蚀、弱化学风化的产物，并通过台湾西南侧河流输入到南海中。
类似的情况还发生在南海西侧中南半岛的红河和湄公河，这两条河流均发源于构造活动活跃的青藏高原东南部，因此其黏土矿物组成也以伊利石和绿泥石为主。这一类河流还包括发源于婆罗洲岛北部的河流。
源区的岩石类型，对风化产生的黏土矿物组成同样具有重要的控制作用。比如吕宋岛，与我国台湾处于类似气候条件下，且同样受太平洋板块俯冲的构造活动影响，但其黏土矿物组成是以蒙脱石为主，而不是伊利石和绿泥石。这是因为吕宋岛是一个典型的火山岛，属太平洋岛弧的一部分，其岩石类型为玄武岩为主的火山岩。这类岩石经较弱的化学风化后，主要风化产物即为蒙脱石。
在影响源区岩石风化的三个因素中，气候条件是最为重要的一个。比如南海南部马来半岛、苏门答腊岛和婆罗洲岛西部，尽管其构造活动和岩石类型截然不同，但由于受到热带季风气候的强烈影响，源区不论什么类型的岩石，均会在极短的地质历史时期内发生强烈化学风化，形成化学风化的终极产物——高岭石。而在我国珠江流域，虽然气候不如南海南部热带地区温暖潮湿，但由于构造稳定，且流域较长，所以源区岩石经较长地质时期的化学风化，同样形成以高岭石为主的黏土矿物组合。
“汇”中各不同
那么，南海周边河流输入的沉积物又是如何被搬运到深海中去的呢?这主要涉及三方面：表层洋流、深层洋流和沉积物重力流。
以南海东北部海区为例，该海区的主要沉积来源包括我国台湾、华南地区和吕宋岛。来自台湾的河流沉积物进入海洋之后，由于密度大于周边海水，在重力作用下快速下沉，形成沉积物异重流，并通过台湾西南岸外发达的海底峡谷系统进入南海深海。进入深海后，这些沉积物继而被沿南海北部和西部边缘发育的逆时针深海环流向西带入深海盆地。这个深海环流大体沿等深线发育，所以被称为“等深流”，由于主要沿海盆的西部边界发育，又被称为“深水西部边界流”。
而来自珠江的沉积物在输入南海后，由于遇上宽达数百千米的大陆架，并不能像台湾河流沉积物一样迅速下沉，而是被大陆架上发达的沿岸流向西搬运，主要沉积在南海西部。由珠江输入的沉积物，部分可以跨越大陆架，通过珠江口外海底峡谷进入深海，这部分沉积物在进入深海后也多被等深流继续向西搬运，只有极少一部分可进入南海东北部并沉积下来。
来自吕宋岛的河流沉积物进入南海后，由于陆架狭窄且不存在海底峡谷之类的可将沉积物快速输至海底的机制，加之河流规模普遍较小、输沙量小，这些沉积物多数保持悬浮，主要通过表层洋流搬运至南海海盆中间，并缓慢沉降至海底。
因此，对南海东北部海区而言，主要沉积物来源为台湾河流输入。这体现在南海东北部海洋表层沉积物的黏土矿物组成以伊利石和绿泥石为主，蒙脱石和高岭石含量较低。
此外，近年的观测研究发现，一些之前在海洋沉积学研究中很少被注意到的中小尺度海洋过程(如中尺度涡活动)，可能对深海沉积物搬运同样具有不可忽视的作用。研究人员在南海东北部进行现场观测后发现：海洋表层生成的中尺度涡能穿透数千米水层，2011和2013 年两次中尺度涡搬运的沉积物总量高达百万吨。
沉积物带来的启示
深海盆地中的沉积物，随着时间推移被保存在地层中， 形成“下老上新”的连续沉积记录。这些沉积物记录了源区化学风化强度的变化，通过对南海沉积地层中的黏土矿物开展分析，研究人员就可以半定量地重建周边陆地化学风化作用的变化历史，进而研究影响化学风化的因素，如东亚季风强度的演变史。
东亚季风是全球气候系统的一个重要组成部分，对南海周边陆地，特别是我国的气候变化发挥着至关重要的影响。但是，由于季风系统的气候学信息无法直接保存在地质记录中，研究人员只能通过寻找地质记录中的替代性指标恢复过去季风气候演化的历史，而南海沉积物中的黏土矿物含量变化就是一个较为理想的指标。
通过对南海周边黏土矿物“从源到汇”输送过程的大量研究，研究人员发现：蒙脱石主要形成于周边岛屿火山岩快速化学风化，记录了同时期的东亚夏季风气候条件;而伊利石和绿泥石形成于周边陆地和岛屿的机械剥蚀作用，与强烈降雨引发的侵蚀能力或东亚季风相对寒冷的气候条件有关。
因此，南海沉积物中蒙脱石含量与伊利石和绿泥石含量的比值，可作为东亚季风演化的替代性指标。高值代表夏季风温暖潮湿气候条件下增强的化学风化作用;低值指示冬季风相对寒冷气候条件下减弱的化学风化作用，或是强烈降雨气候条件下增强的机械剥蚀作用。
综上，南海周边陆地的化学风化作用主要受地质构造活动、岩石类型、气候条件等三个因素的控制，其中气候相比其他两个条件更为关键。周边陆地的沉积物通过河流进入南海后，在表层洋流、深层洋流、沉积物重力流及中尺度涡等一个或多个海洋过程的控制下进入南海深海沉降下来，形成沉积地层。通过对地层中的连续沉积记录开展分析，可重建周边陆地的气候变化历史，特别是东亚季风的变化历史。
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