陈木宏 

（中国科学院南海海洋研究所边缘海地质中科院重点实验室，广州，510301）

        摘要：国际综合大洋钻探计划IODP323航次于2009年7月6日开始至9月4日结束在白令海实施。该航次的主要科学目标是通过钻取白令海的海底沉积物岩心样品，获得高纬度边缘海的较长时间尺度沉积序列，用于研究该海区上新世-更新世的从千年尺度到米兰科维奇尺度气候变化及其与太平洋和北冰洋的关联。经历近2个月的海上钻探与研究工作，在7个井位上共钻取5741米岩心，获得上新世（近5Ma）以来的不同位置岩心样品，并取得微体古生物与沉积学等分析测试的初步结果。

        关键词：IODP323航次；白令海；上新世-更新世；气候变化 

        1 引言

        国际综合大洋钻探计划IODP 323航次于2009年7月6日从加拿大维多利亚港出发，前往白令海进行综合地球科学考察与海底钻探研究，于9月4日完成任务后到达日本横滨靠港结束全部海上工作。该航次历时近2个月，利用了刚重新装修及实验室配置的美国大洋钻探船JOIDES Resolution在白令海水深840-3200m的不同区域位置一共钻取了7个井位（site）、25个钻孔（hole）、673个岩心（core）的海底沉积物样品，钻深累计共5927m，实际获得沉积物岩心总长5741m，平均取芯率为97%。海上钻探与初步分析结果取得了预期的钻探目标，并获得大量的第一手考察资料，包括海洋沉积学、地层古生物、古地磁、沉积物物理特征、海洋化学、深海微生物以及测井资料等。参加该航次的35名海上科学家分别来自14个国家，其中一名来自中国。

图1 综合大洋钻探计划IODP 323航次在白令海的钻井位置

        2 IODP323航次的科学目标

        该航次的科学目标由日本的Kozo Takahashi和美国的Christina Ravelo与Carlos Alvarez Zarikian共同提出，主要是通过钻取海底沉积物岩心样品，获得白令海较长时间尺度的沉积序列，用于研究白令海上新世-更新世的从千年尺度到米兰科维奇尺度气候变化及其与太平洋和北冰洋的关联，重点探索下列问题①：

        1). 白令海上新世-更新世中的表层水、古生产力和海冰覆盖的演变过程及其千年-米兰科维奇尺度的振荡；

        2). 该边缘海中太平洋中层水与深层水变化产物的历史记录及其与表层水变化过程的联系；

        3). 边缘海海洋条件与大陆气候之间的相互作用；

        4). 边缘海过程（如：通过海峡通道变化的深水形成或水团交换）与太平洋深海环境的链接及其与全球气候变化的关系。

        3 白令海的地理环境

        白令海既是北太平洋中层水的发源地之一，又是连接北太平洋与北极的唯一通道，在全球变化中扮演特殊角色。白令海位于太平洋的最北端，其北部有白令海峡与北冰洋相通，南面以阿留申群岛链与北太平洋为界，东、西两侧分别是美国阿拉斯加和俄罗斯西伯利亚（图1），具有特殊的地理位置。

        白令海拥有3.75×106 km3的海表面积和3.75×106 km3的海水体积，是仅次于地中海和南海的世界上第三大边缘海[1,2]。输入白令海的三条主要河流是：发育于阿拉斯加中部的库斯科科温河（Kuskokwin River）和育空河（Yukon River）、以及来自西伯利亚西部的阿纳德尔河（Anadyr），其中育空河流最长并对白令海的输入量最大，尤其在8月份有大量的冰雪融化带来大量的淡水。白令海约有近一半的区域为水深0-200m的陆架浅水海，大陆架主要发育在东部的阿拉斯加附近海域，其范围包括自南边的Bristol Bay 到北面的白令海海峡。陆架北部季节性的由海冰所覆盖，仅少量海冰向西南深水区扩展。白令海的大陆坡仅占整个海区面积的13%，一般有4-5°的坡度。在白令海的深海区发育有两处隆起，即希尔舒海脊（Shirshov Ridge）和鲍尔斯海脊（Bowers Ridge），前者将阿留申海盆分隔为东西两部分[3]。阿留申海盆（Aleutian Basin）是一个巨大的海底平原，一般水深3800-3900m，个别凹谷处深达4151m [1]。

        现今的白令海海峡仅约50m水深，在冰期由于海平面下降而露出海面，因而完全中断白令海与北极的通道。白令海峡是链接北太平洋与北冰洋和北大西洋的唯一通道，影响着这些海区之间的热、盐和营养盐的通量与交换。然而，此通道关闭的影响是什么呢？显而易见的是必然造成在冰期世界水团循环的重要改变。而且，冰期时的育空河输入白令海物质别无选择地最终只能进入北太平洋[2]。

        白令海的南边有许多海峡和通道与北太平洋连接，自西向东主要有：Kamchatka Strait（勘察加海峡4420m）, Near Strait (尼尔海峡2000m), Buldir Pass (布尔迪尔通道640m), Amchitka Strait (安奇卡海峡1155m) and Amutka Pass (阿穆卡通道430m)。

        在白令海的阿留申和勘察加盆地里，表层环流沿着大陆坡和阿留申群岛反时针旋转[4]，其西边界流就是向南流动的勘察加海流，阿拉斯加流向北移动穿过阿留申群岛之间的通道进入白令海后汇入主表层流，而白令海陆坡流（Bering Slope Current, BSC）沿着大陆架边缘发育成为标志主表层环流的东部边界[5]。然而，在鲍尔斯盆地（Bowers Basin），表层水流的方向却是顺时针旋转，在白令海陆架区也至少有3个顺时针方向的表层水环流。白令海大陆架的主表层流为北向，完全向北流动穿越85km宽和50m深的白令海海峡[6]，进入北极成为北极盐跃层上部的主成分，该水体盐度相对较低并富含营养盐[7]。

        白令海的水团主要与北太平洋和北极相互影响和交换，阿拉斯加海流沿着阿留申群岛南侧向西扩展，与一部分亚北极流汇合主要经过安奇卡通道（Amchitka Pass）进入白令海[2,4]。 大量进入白令海的太平洋水团同时也从阿流申群岛之间的其它通道流出，其中最重要的是经过堪察加海峡（Kamchatka Strait ），该海峡最大水深4420m，也是冰期北太平洋中层水在白令海形成之后的主要输出口，而另一海峡通道的水深仅为2000 m。此外，部分白令海表层水北流进入北极区的楚克奇海（Chukchi Sea），成为唯一经过北极进入大西洋的太平洋水，同时也输送大量生物有机物质和营养盐到北冰洋[2,8]。

        白令海海水进入大西洋后，势必影响热平衡（heat balance）和盐平衡（salt balance ），以及深水团的形成和水循环。因此，我们需要研究白令海沉积记录的古海洋变化速率与历史过程。

        而且，北太平洋中层水（The North Pacific Intermediate Water (NPIW)）是代表着形成于亚北极太平洋、鄂霍次克海和白令海的综合水团[9-11]。Tanaka和Takahashi（2005）根据取自白令海7个活塞岩心的放射虫C. davisiana 种的相对丰度分布模式，分析了近100kyr以来北太平洋中层水的源区变化情况，认为：1）在MIS 5-3期间源区同时在鄂霍次克海和白令海；2）末次盛冰期却在白令海；3）末次盛冰期之后则在鄂霍次克海[12]。在北太平洋NPIW之下的深层水则由南大洋供给[13]。历史时期的NPIW形成变化必然对热平衡及全球水团循环产生重要影响[9]。虽然来自白令海的现代NPIW贡献甚小或可忽略，但尤其是在冰期时的早期贡献却是非常重要的[14-17]。白令海既是北太平洋中层水的发源地之一，又是北太平洋与北极的通道，因此它是研究古气候变化及其海洋环境关联的理想场所。

        尽管大量的取自白令海的柱状岩心样品已被用于古海洋研究[18-21]，由于这些柱状样的长度限制使已有的研究时间尺度主要限于晚第四纪。而且，DSDP Leg 19对白令海的研究结果也缺乏更长时间尺度的详细古海洋学分析资料，使我们对其古海洋学历史特征仍知之甚少，因该钻探计划的主要目的是研究基底而使大量沉积物被冲洗掉。因此，进一步开展IODP323航次的钻探计划与研究的重要性在于将可提供白令海上新世以来的多学科综合古环境变迁资料，为过去全球变化研究填补重要的区域性信息。

        4 执行情况与主要结果

        IODP 323航次执行中，较充分体现了新的综合大洋钻探研究目标，除了上述的主要科学目标之外，在海上还同步进行了一些包括沉积物中营养盐元素含量在内的海洋化学与地球化学分析，微生物学专家则将样品立即封冻，待航次结束带回陆地实验室进行深海底极端环境的微生物群落组成特征及其生态特征等专项研究。开展这些海洋化学与生物学的综合研究，结合传统大洋钻探计划中地质领域的各种物理、化学、古生物学和沉积学分析测试手段的研究结果，形成一套能够相互关联的系统性科学数据库，将为较完整分析和认识研究海区的气圈、水圈、地圈和生物圈的构成及其相互作用、相互适应、区域平衡与全球变化关系提供科学依据。海上的各类现场分析测试数据或结果，均按规范要求统一输入航次的系统数据资料库，在航次结束时除了向国际IODP提交成果之外，还全部刻录为光盘提供给该航次的每一位船上科学家，以便航次后的陆地研究参考之用，体现了在一定规范约束下的资料共享。

        作者参加了本航次考察，根据海上工作过程中的实验观测、相互讨论与个人体会，认为海上初步分析的主要结果有（以将要发表的航次初步报告为准）：

        1. 在全面开展微体古生物的放射虫、硅藻、有孔虫、钙质超微化石、沟鞭藻、孢粉和硅鞭毛虫等分析的基础之上，主要依据放射虫、硅藻和古地磁等的地层年代学结果，揭示白令海的沉积速率普遍较高，陆坡区一般平均在20-30cm/ky，最高在东北部下陆坡的GAT-3C（U1344）井位为>50cm/ky，而在海盆中央隆起（Bowers Ridge）的平均速率是12-14cm/ky；所有井位依计划深度钻取的岩心地层剖面年代均在5Ma之上（上新世以内），出乎原钻探计划（有4个井位要达到上中新统地层，即超过5Ma）的意料之外；

        2. 该海区的硅藻发育普遍非常繁盛，尤其在东南部的间冰期出现大量的硅藻土沉积层，可能受气候影响下的海平面变化和营养盐输入控制；该海区中的微体古生物以硅藻含量最高，放射虫和硅鞭毛虫次之，有孔虫和钙质超微化石含量很少甚至在一些地层层位中缺失；

        3. 发现白令海的海冰开始形成于2.7Ma之前，伴随着海洋生物生产力的下降，表明该时期是北半球冰期的开始；

        4. 在约1Ma前后的中更新世气候转型期，海洋生物生产力呈逐渐升高趋势，白令海的海冰形成明显增加，而阿拉斯加流进入白令海则反而减少；

        5. 白令海在过去演变历史中曾出现海水含氧量显著减少现象，地层中呈现最小值带；

        6. 地质历史中白令海海底沉积物普遍存在水平状的层条理结构，这些层状结构的变化受海洋环境与物质组成的共同影响。地层中还发现冷碳酸盐结核与白云岩化沉积等。

        5 航次后的研究与展望

        在IODP 323首席科学家Kozo Takahashi、Christina Ravelo和项目经理Carlos Alvarez的带领与组织下，该航次的海上工作任务已顺利完成。目前，各位海上科学家正在积极准备航次后的岸上研究工作，于2009年11月30日至12月8日在日本高知（Kochi）岩心库进行详细取样，之后利用各个国家相关学科的实验室与分析仪器全面展开白令海近5Ma以来古海洋环境变化的深入研究工作。

        综合各种情况与条件，预计航次后研究将主要在海洋沉积学、微体古生物学、海洋化学与地球化学、古地磁学、微生物学和古海洋学等方面详细展开，重点探讨白令海上新世以来的生物地层、古地磁地层与综合地层年龄框架、沉积条件、沉积机理与沉积特征、冷碳酸盐结核与白云化形成机制、微体古生物群演变、生产力变化、海洋化学环境过程、海底微生物群落结构与变化、天然气水合物分布与沉积环境、海冰覆盖变化、水团形成与结构变化、海平面变化、海陆相互作用、海峡通道变化及与太平洋和北冰洋的水团交换、以及白令海环境变化与全球气候变化关系等。

        我们期待在2年后将陆续有一大批显示度高的IODP323航次研究成果面世。

        致谢：参加IODP323航次工作，中国IODP委员会给予大力支持，得到汪品先院士的指导、王汝建教授的鼓励和拓守廷博士的帮助，特此致谢。

        参考文献（References）：

        [1] Hood D W. The Bering Sea [C]. In Estuaries and Enclosed Seas (edited by Ketchum, B. H.), 1983, pp. 337-373. Elsevier.

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Introduction of the Integrated Ocean Drilling Program 323 performing on the Bering Sea

CHEN Mu-hong

(CAS Key Laboratory of Marginal Sea Geology，South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China)

   Abstract: The Integrated Ocean Drilling Program (IODP) 323 had been successfully carried out in the Bering Sea during July 6 to September 4, 2009. This expedition was aimed to drill in the Bering Sea for obtaining long time-scale sedimentary sequences, and studying the Pliocene-Pleistocene evolution of millennial- to Milankovitch- scale climatic oscillations in the Bering Sea, the marginal sea connecting the Pacific and Arctic Oceans. After drilling and analyzing on the sea, a total of 5741m long core samples had been recovered from 7 sites of different geographic locations, getting the primary scientific results by using modern micropaleontologic and sedimentologic methods.

   Key words: IODP323; Bering Sea; Pliocene-Pleistocene; Climate change