破冰之旅 北冰洋今昔谈.pdf

破冰之旅:北冰洋今昔谈汪品先中国科学院院士,同济大学海洋地质国家重点实验室,上海200092关键词 北冰洋 综合大洋钻探302航次 海底石油 俄罗斯插旗 西北航道2004年,综合大洋钻探IODP 302航次在北冰洋的深海钻探发现:五千万年前的北冰洋曾是个亚热带淡水湖泊,沉积物具有优越的生油条件2007年俄罗斯 “和平21” 号深潜器将俄国旗插到北极的4 000 m深海海底,引起了北冰洋资源归属的国际之争这些 “破冰之旅” 的气候背景,是使得北冰洋海冰迅速减少的全球变暖,因此北极 “西北航道” 开启的前景逐渐逼近,北冰洋的国际竞争正在升温1冰海惊雷2007年8月2日,俄罗斯科考队员乘“和平- 1” 号深潜器,将一面约1 m高的钛合金制俄罗斯国旗,插到了4 261 m深的北冰洋洋底(图1 ,见封二)这无疑是一次海洋科技的创举,人类第一次下潜到北冰洋的深海海底采样、 观测,可惜没有发现肉眼可见的大型生物;但是此举的主要影响却在于政治航次由俄国知名北极专家、 现任国家杜马副主席奇林加罗夫带队,由 “俄罗斯号” 破冰船开路,两艘深潜器先后从冰封的海面下水,是一次名副其实的破冰之旅;然而远远超过航次的学术价值、 引起举世瞩目的着眼点,还在于北冰洋大片海域的国际归属。

事情要从十多年前说起1997年通过联合国海洋法公约之后,俄罗斯在北冰洋的权益局限在200海里的专属经济区里,比1920年苏联地图上的范围小了许多2001年俄国提出:北冰洋海底的罗蒙诺索夫海脊并非国际海底,而是其西伯利亚大陆架的自然延伸,这就意味着以北极为顶点、 东起楚科奇半岛、 西抵科拉半岛的三角形海区,海底资源权应属俄国(图2 ,见封二)这块120万km2面积的海区,论面积和黄、 东海的总和相近,论资源其石油储量估计可能有上百亿桶俄罗斯此举,犹如平静的北冰洋上一声惊雷,引起周围各国的强烈反响加拿大外长说得干脆:现在不是15世纪了,你不能在世界到处插上自己的国旗,就声称“我们拥有这片领土” 加拿大派遣巡逻舰、 修建深水港,加强其在北冰洋的军事存在北冰洋周围美、 加、俄、 丹麦和挪威五国外长加紧开会,磋商北冰洋资源的分享问题 德国提出了最大破冰船的计划,建议由欧盟联合建造虽然北冰洋在世界各大洋中最小、 最浅,约1 300万km2的面积,只相当于太平洋的1/ 14 ,水深平均只有1 201 m ,大陆架占据面积52. 9 %[1 ]但是世界各国都不会小看北冰洋:预计它蕴藏着超过90亿吨的油气,大约占世界未开发油气储量的25 % ,加上全球变暖带来的通航前景,一个繁荣的北冰洋可能正在逐渐向我们走近,而那里国际风暴的序幕可能也正在拉开之中。

2海冰大战北冰洋规模更大的一次 “破冰” 壮举,发生在4年之前,这就是北极的深海钻探深海钻探已经有四十多年的历史,从1968年起,深海钻探( DSDP)、 大洋钻探(ODP)和综合大洋钻探(IODP)三大计划先后在各大洋深海海底打钻,包括1999年在南海的ODP184航次,揭示了深海的奥秘、 证实了板块学说、 引起了地球科学革命;但唯独没有能够到冰封的北冰洋底下打钻2004年8—9月,综合大洋钻探IODP302航次进军北冰洋,在水深～1 300 m、 离北极点250 km处钻井4口,最深一口钻入海底428 m这是海洋科技史上的一次创举,因为在深海打钻要求位置固定,而深海大洋无法抛锚,只能依靠动力定位的高技术;而北极周围的海面有2～4 m厚的海冰,以1/ 2节的速度流动着,要顶住海冰的推力、 保持位置固定,就成了难题实现北极钻探的欧洲联合体,用三条破冰船协同作战:先由俄国的原子能破冰船“ 苏联号” 把大片的海冰压破开路;再由瑞典破冰船 “澳登号” 把破开的大冰块进一步破碎;然后才能保证挪威破冰钻探船“维京号” 保持原位、 进行钻探[2 ]这场 “海冰大战” 在技术上是个创新,在科学上是个突破:原来今天的北冰洋,五千万年前是个生物繁茂、 温暖宜 “人” 的·742·自 然 杂 志 30卷5期特约专稿 湖泊。

北极钻探的位置是打在罗蒙诺索夫海脊上,这条穿越北极点的海脊水深800～1 300 m、 延绵2 000 km ,大体沿着45°W—135°E一线把北冰洋分成两半,钻井就在88°N的北极点附近(图3 ,见封二)[3]钻井打穿沉积层进入大陆壳的基岩,取得了5 600万到4 450万年和1 820万年至今的两段沉积记录,可惜中间有2 600多万年的地层缺失,这是因为罗蒙诺索夫海脊当时水深过浅,接近海平面而遭受剥蚀[4 ]在这沉积间断之上的地层,记录了1 800万年来北冰洋的历史;而间断面之下,4 500万年前的地层则完全是另一回事:那时北冰洋还没有形成,而这段地层的发现就是北极钻探最大的亮点3北极古湖原来五千万年前,北冰洋竟是个淡水湖泊!间断面之下的地层基本上都是半咸水的沉积,而化石表明在五千万年前大约长达80万年的时期里,水面大量生长满江红( Azolla)[5 ]满江红是一种水生蕨类植物,现在分布在热带、 亚热带的淡水里,而满江红的孢子化石居然在北极出现,岂不惊人!的确,有机地球化学的标志显示当时表层水温总在10°C以上,约5 500万年前曾经高达23°C ,简直是亚热带环境[6 ]当时北冰洋还没有形成,只是一个封闭性的水盆,由图尔盖海、 北海等与外海相通。

满江红是淡水植物,最多只能容忍1‰ ～1. 6‰ 的盐度,其孢子在罗蒙诺索夫海脊钻井中的大量出现,并且有淡水藻类伴生,说明当时极地因大量降水而水体变淡,变成一个暖水的湖泊,应当叫成 “北极湖” 满江红孢子也在同时期周围海区发现(图4 ,见封二) ,推想就是从这个北极湖搬运而来[5 ]格外令人注意的是当时北极湖的生产力极高,沉积物中有机碳常在5 %以上,甚至高达14 %[3 ],这种非凡的生油潜力具有极大的政治和经济吸引力可以猜想,2007年北冰洋海底的插旗之举,与2004年这番破冰之旅的发现不无关系北冰洋从封闭型的盆地变为开放,从 “湖泊” 型变为“大洋” 型,那是后来的事从今天的地图看,北冰洋的“前门” 开向大西洋,“后门” 开在太平洋与大西洋的通道宽,仅Fram海峡便有450 km宽,海槛深达2 500 m;而通向太平洋的白令海峡只有85 km宽、55 m深(图3) ,而且在地质历史上长期关闭从地质构造上讲,北冰洋三条海脊,只有一条Gakkel海脊是活动中的大洋中脊,而它正是北大西洋洋中脊的北段,穿过冰岛之后向北伸入北冰洋的从水文上讲,格陵兰与斯瓦尔巴德群岛之间的Fram海峡就是北大西洋与北冰洋的深水通道,也是北冰洋的咽喉(图3)。

距今1 750万年前的构造运动导致Fram海峡开放,使得北冰洋深层水终于摆脱了封闭盆地特有的低氧条件,变为大洋型的富氧环境[7 ],这时候北冰洋才能晋级而跻身于世界大洋之列4冰盖溯源今天的地球,两极都有冰盖虽然北极现在仅存格陵兰冰盖,拿来去和南极的大陆冰盖相比显得过于寒酸,但两万年前大冰期时大半个北美和西欧都压在几千米厚的大陆冰盖底下,北极与南极的冰盖难分伯仲其实地球历史大部分时间里并没有极地的大冰盖,现在这种两极都顶个大冰盖的时期不过二三百年,五六亿年来只有一次,恐怕人类之所以能够演化产生,也正是 “得益” 于这种特殊条件然而长期困惑学术界的一个问题是,南、 北两极冰盖的产生时间为什么相差如此悬殊:南极冰盖在三四千万年前已经出现,北极冰盖长期以来认为是三百来万年前方才出现现在北极的钻探根据岩芯证据,纠正了以往的认识道理很简单:如果北极有冰盖发育,就会有大小不规则的冰积物,随着冰盖破碎产生的冰筏带到海里北冰洋的冰筏沉积最早出现在4 500万年前,与南极冰盖的出现基本上同时;到1 400万年前,北冰洋钻孔中的冰积物显著增加,这又与南极东冰盖在1 450万年前的迅速扩大相对应[2 ]这样,北冰洋的新发现澄清了南、 北极冰盖的历史:虽然南极位在陆上、 北极位在海里,两者发育冰盖的条件不同、 冰盖历史也不会一样,但是重大的变化期相互对应,说明有共同的原因在起作用,比如说大气CO2浓度的下降可以使得两极同时降温。

关于南北极差别的另外一项长期以来的误会,是以为只有北极冰盖才有反复的消融和增长,而南极冰盖一旦形成就不再融化可是最近南极罗斯海冰架的钻探,发现三四百万年前北半球气候暖湿时,西南极冰盖也一度融化[8 ],进一步强调了 “两极相通” 的道理这些新认识,对我们在 “全球变暖” 条件下预测两极冰盖的命运,至关重要应当承认,关于当代地球上为什么形成极地冰盖,其原因至今还只有种种猜想,没有公认的理论有的说是因为高原隆升,有的说是温室气体减少,还有的说是高原隆升使得温室气体减少,也有的说原因在于银河系的大周期、“宇宙的冬天” 其中有一种说法是南、 北美之间的巴拿马海道关闭,使得墨西哥湾湾流加强,于是由大西洋向欧亚输送的水汽增多,因而西伯利亚河流注入北冰洋的淡水增多,终于导致北冰洋结冰,而海冰形成后提高反照率,促成大陆冰盖[9 ]换句话说,美洲的·842·Chinese Journal of N ature Vol.30No.5 Invited Special Paper通道和大西洋的洋流,决定着北冰洋和北极冰盖的历史但是,北冰洋边上有着世界最大的大陆和最大的大洋,这亚洲和太平洋对于北极冰盖的演化难道就不起作用吗?当然不是。

5白令断桥北极冰盖的出现,的确与淡水注入北冰洋相关,因为盐度降低会提高海水的冰点,使北冰洋容易结冰,当代北冰洋上层150 m海水偏淡,是大片海冰形成的前提现在进入北冰洋的淡水1/ 2靠河流,1/ 4靠通过白令海峡进来的太平洋水,而来自大西洋的水盐度偏高北冰洋周围河流入海流量3 300 km3,占全球河流总流量的10 % ,但是主要来自亚洲,来自美洲的不足1/ 5[10 ]因此,西伯利亚大河注入北冰洋的淡水,对北极冰盖的形成起着关键作用但是西伯利亚的大河都是河床老、河口新,更大的可能是蒙古、 青藏高原的隆升导致河系改组,原来向西、 向南的西伯利亚大河改向北流注入北冰洋,因而是亚洲形变的结果[11 ],不一定都取决于美洲的地理变化另一个因素是白令海峡,有人假设一旦白令海峡关闭、 北冰洋淡水层消失,就会破坏北冰洋海水分层的稳定性,加剧大西洋水上层水的注入而使得海冰融化[12 ],因此白令海峡在冰期旋回中可能起着关键作用说到白令海峡,就得从白令说起直到三百年前,亚洲和美洲是否在北冰洋南岸相连并不清楚彼得大帝派遣俄籍丹麦航海家白令去探查,1728年发现两者中间确有个海峡相隔,后来就被称作白令海峡,是北冰洋连接太平洋的唯一通道。

太平洋水从白令海峡进入北冰洋的流量虽然不大,只相当于从大西洋流入水量的1/ 10 ,但是由于北太平洋水盐度低、 温度高,对于北冰洋海冰的形成至关重要然而从地质历史的长河看来,太平洋水进入北冰洋是一种短暂现象,大部分时间里亚洲与美洲在这里相互连接,这就是所谓 “白令陆桥” 北冰洋的早期向太平洋一侧并不开口(图4) ,白令海峡要到大约500万年前方才出现[13 ],但是此后并不稳定,至少在冰期旋回中会随着海平面下降而出露,成为时隐时现的 “断桥” 白令海峡很浅,今天只有55 m深,但在冰期时出露形成的陆地却不小,这是一条南北宽达千余公里的地带,为两大洲动物和人类的迁徙提供了通道如此规模的大片陆地,叫做 “桥” 有点委屈,叫 “白令古陆(Bering2ia)” 更确切些;但在生物地理和人类文明的历史上,它确实起过 “桥梁” 的作用,而且对于北美尤其重要,因为这是美洲原著民的由来据现在的考察,白令陆桥的最后出现大约始于75 000年前,到11 000年前随着冰盖的融化、 白令海峡的贯通,再度变“断”[14 ]同样,冰期时白令海峡的关闭,对白令海、 对北太平洋边界流与中层水都会产生影响[15 ],这些都是有待新的大洋钻探加以揭示的新题目。

通过白令海峡研究北冰洋与太平洋的关系,也是我国极地科学的一个重要。