我院余克服教授等撰写的《千米深钻记录之西沙群岛珊瑚礁形成演化与环境变迁》一书，近日由科学出版社出版。该书获得2023年度国家科学技术学术著作出版基金的资助，全书共13章57节约106万字。
该书以2013年在西沙群岛琛航岛上钻探的琛科2井为材料，提供了详实的近千米碳酸盐岩的岩石学、沉积学、矿物学、地球化学（稀土元素、微量元素、碳氧同位素、锶同位素、团簇同位素）、古生物学（珊瑚、珊瑚藻、有孔虫）等基础资料，丰富了珊瑚礁发育演化理论和古环境古气候记录研究的资料库。围绕珊瑚礁发育演化、年代地层、基底构造演化、沉积环境变化、海平面记录、碳循环、白云石化等研究内容，提出了一系列新观点和新理论，深化了珊瑚礁发育演化过程的理论观点。本书材料宝贵、内容丰富、图文并茂，是地球科学等相关学科的理想参考书。
钻穿西沙群岛珊瑚礁，揭示近2000万年以来南海岛礁形成演化与海洋环境变迁奥秘
——《千米深钻记录之西沙群岛珊瑚礁形成演化与环境变迁》
星罗棋布于整个热带海区的珊瑚礁，既具有奇特的生态景观和地貌（图1）、地质特征，又具有重要的生态、资源与环境效应，美丽而又神秘。作为蓝色沙漠中的绿洲，一座座珊瑚礁就像山一样从上千米的海底耸立起来，连接着深海与浅海、现代与过去，并且还像天然的档案一样准确地记录着海洋环境变迁的历史，包括气候的冷暖、海平面的升降、台风活动的强弱等。因此，钻穿珊瑚礁是很多人的梦想。
图1 西沙群岛海底珊瑚礁生态景观
自达尔文在1837年参与环球考察时提出了环礁的成因假说（即：珊瑚礁最早在死火山岛周围发育，这种珊瑚礁附着于火山岛发育的模式称为岸礁；随后火山岛沉降，同时珊瑚礁向上生长发育，珊瑚礁与火山岛之间形成环状沟渠，这种珊瑚礁-沟渠-火山岛的地貌组合称为堡礁；火山岛进一步沉降并完全淹没，而珊瑚礁继续向上生长发育，形成环状的珊瑚礁包绕中间的潟湖模式，称为环礁），并“希望有那么一个百万富翁能在太平洋的环礁上钻井”以来，国际上对珊瑚礁开展了一系列的钻探工作，都希望通过对珊瑚礁进行钻探来获取岩芯，然后通过对岩芯的分析来揭示蕴藏于珊瑚礁中的无限奥秘。
余克服教授等撰写的这本书《千米深钻记录之西沙群岛珊瑚礁形成演化与环境变迁》，介绍的就是关于南海西沙群岛琛航岛的深钻的研究成果。余克服教授研究团队在国家科技基础性工作专项项目的资助下，在西沙群岛琛航岛上实施了全取芯的钻探工作，钻穿了西沙群岛的珊瑚礁，获得进尺总深度为928.75 m的岩芯，命名为琛科2井，其中上部878.22 m为珊瑚礁碳酸盐岩，下部50.53 m为火山基岩（图2），取芯率为70%。本书以琛科2井的岩芯为材料，围绕珊瑚礁发育演化过程及其记录的环境变化历史进行了比较系统的研究，包括钻孔岩芯的详细描述、基底岩石特征和年代分析，以及珊瑚礁碳酸盐岩的年代框架及其生物学、沉积学、岩石学、同位素和元素地球化学等特征的分析，在此基础上揭示了西沙群岛珊瑚礁的形成演化过程和古环境变化历史等。
图2 琛科2井珊瑚礁碳酸盐岩地层的年代序列
研究揭示，琛科2井的基岩为玄武质火山碎屑岩，其中锆石的U-Pb年龄为（35.5±0.9）Ma，代表着火山喷发的最大年龄。根据珊瑚礁碳酸盐岩的锶同位素（87Sr/86Sr）剖面并结合古地磁、古生物的综合分析，得出琛科2井珊瑚礁碳酸盐岩最底部的年龄为19.6 Ma，并据此建立了整个碳酸盐岩剖面的年代序列（图2）。珊瑚的铀系年代结果显示，琛航岛全新世珊瑚礁起始发育时间为7900 a B.P.，全新世珊瑚礁体的厚度为16.7 m。在整个琛科2井珊瑚礁碳酸盐岩剖面中识别出了11个间断面，指示近20 Ma的历史中至少出现过11次明显的海平面下降，导致了珊瑚礁体的暴露，也导致了珊瑚礁碳酸盐岩的87Sr/86Sr出现异常高值。琛科2井晚中新世发育了厚达210.5 m的块状白云岩，由高钙白云石（HCD）和低钙白云石（LCD）组成，形成于正常或被轻微改造了的海水环境中，团簇同位素指示其形成水温范围为24～44 ℃，形成过程对应于连续的海侵过程，是区域构造沉降和全球海平面变化共同作用的结果。琛科2井全岩δ18O在15.5～13 Ma呈现出明显的正偏，可能是对南极冰盖扩张的响应；自1.8 Ma以来，尤其是自0.9 Ma以来，δ18O逐渐正偏，意味着北极冰盖的进一步发育与东亚冬季风的进一步增强。δ13C经历了数次明显的漂移，反映了区域的碳循环，可能是东亚陆地植被类型的改变导致有机碳埋藏改变，δ13C在18.9～13.2 Ma经历了一次正偏事件，记录了“蒙特里”碳漂移全球事件。琛科2井珊瑚礁碳酸盐岩全岩样品的地球化学分析表明，白云石化作用对大部分微量元素的影响较大，但仍清楚地记录了东亚冬季风在约2.6 Ma显著增强。受东亚夏季风（EASM）制约的大陆风化在约2.6 Ma之前控制着西沙群岛海区表层海水中元素的组成；而在约2.6 Ma之后，受冬季风控制的风尘、受夏季风影响的降雨以及全球温度变化共同控制着西沙群岛海区表层海水中元素的组成。
从琛科2井岩芯的生物组分来看，珊瑚在整个钻孔岩芯中总体上起着主导作用，但珊瑚藻、仙掌藻、有孔虫、软体动物壳（腹足类和双壳类）等都分别在不同层段占据过主导作用，这可能反映了不同地质时期、不同气候环境背景下有不同的主导生物，也可能是珊瑚礁的不同沉积相带造就了不同的优势生物类型，但不论是哪一种原因，这些生物组分本身及其组合的变化都应指示着不同的环境信息。比如，琛科2井中的珊瑚藻共可分为3目8科12属（图3），以混石藻目和珊瑚藻目为主，孢石藻目零星发育。珊瑚藻属、叉节藻属和叉珊藻属的外部生长形态为枝状，其余珊瑚藻皆为皮壳状。琛科2井中的珊瑚藻属可分成10个组合，根据珊瑚藻组合的水深特征，得出近20 Ma以来西沙群岛珊瑚礁发育的水深在<5 m至>25 m之间波动，在时间序列上呈现出三个大的沉积旋回，分别为19.6～16.31 Ma、16.31～4.36 Ma和4.36～0 Ma。在琛科2井的岩芯中，共鉴定出有孔虫46科74属141种（包括底栖有孔虫42科61属101种、浮游有孔虫4科13属40种）（图4）。根据有孔虫优势种属、丰度和群落结构，琛科2井的有孔虫可划分为9个组合带，分别对应于不同的水深和沉积环境。在琛科2井中初步鉴定出30属的六射珊瑚（石珊瑚）（图5），部分珊瑚具有地层指示意义，部分珊瑚指示特定的生长环境。
琛科2井的上述信息清楚地表明，珊瑚礁岩芯本身及其生物、矿物、地球化学等信号都记载着众多的环境信息，确确实实是记录大自然变迁的天然档案，值得深入探索。（王瑞/文 书籍/图 周剑/编辑 余克服/审核）
图3 琛科2井中典型的珊瑚藻属种
图4 琛科2井中典型的有孔虫属种
图5 琛科2井中典型的珊瑚属种
