《北冰洋的沉积学与古海洋学研究》基于近年来北冰洋多学科的调查与研究资料，概述北冰洋的地形地貌、现代海洋环境、冰盖与冰川作用、构造演化历史和区域地质特征。在此基础上，系统总结我国第1次至第11次北极科学考察的研究成果，全面归纳和展示我国学者在北冰洋沉积学、地层学、古生物学、矿物学、地球化学、古海洋与古气候等领域取得的研究进展，如北冰洋近现代生源沉积物和陆源沉积物的沉积特征及环境指示意义，北冰洋的地层学研究，中—晚更新世以来北冰洋周边冰盖与洋流演化，北冰洋的古海洋与古气候演化历史及其驱动机制等，提出了当前北冰洋地质研究面临的前沿科学问题。对深入理解北冰洋地质历史时期至近现代的海洋环境与气候变化过程及其对全球气候变化的作用和影响具有重要的科学意义和应用价值，并为预测北极未来海洋环境与气候变化提供科学依据。

第1章北冰洋地形地貌与现代海洋环境特征
　　1.1北冰洋地形地貌特征
　　北冰洋是一个被北美大陆和欧亚大陆所环绕的半封闭式的“地中海”式大洋，仅能通过狭窄的、水深约50m的白令海峡（Bering Strait）与太平洋相通，以及通过加拿大北极群岛（Canadian Arctic Archipelago）间的各个水道、巴伦支海（BarentsSea）陆架、格陵兰岛（Greenl and Isl and ）-斯匹次卑尔根群岛（Spitsbergen Isl and s）之间水深约2600m的弗拉姆海峡（FramStrait）与大西洋相通（Jakobsson et al.，2020）。北冰洋是世界四大洋中面积*小的大洋，面积约1409km2，占世界海洋总面积的4.1%；同时，它也是*浅的大洋，平均水深仅1225m。这是由于北冰洋拥有世界大洋中*为广阔的浅水陆架（图1-1），占北冰洋面积的图中包括边缘海、海岭、海盆等；AP-埃利斯海台（Arliss Plateau）；CC-楚科奇帽（Chukchi Cap）；CR-楚科奇隆起（Chukchi Rise）；NAP-北风号深海平原（Northwind Abyssal Plain）；NR-北风号海岭（Northwind Ridge）；MS-麦克卢尔海峡（M’Clure Strait）；AG-阿蒙森湾（Amundsen Gulf）51%（Jakobsson et al.，2020）。从北斯堪的纳维亚（Northern Sc and inavia）向东一直到阿拉斯加（Alaska）的边缘海都属于北极陆架区，包括巴伦支海、喀拉海（Kara Sea）、拉普捷夫海（Laptev Sea）、东西伯利亚海（East Siberian Sea）、楚科奇海（Chukchi Sea），而阿拉斯加北侧的波弗特海（Beaufort Sea）陆架区域相对较窄。另外，北冰洋海岸线*折且类型较多，岸线总长达45390km，有陡峭的基岩海岸及峡湾型海岸，还有磨蚀海岸、低平海岸、三角洲及潟湖型海岸和复合型海岸等（张海生，2009）。
　　北冰洋海底地形和地貌的*大特征是其中心海区被三条近似平行的海岭，即罗蒙诺索夫海岭（Lomonosov Ridge）、门捷列夫海岭（Mendeleev Ridge）-阿尔法海岭（AlphaRidge）和哈克尔海岭（GakkelRidge）分割成不同的海盆（图1-1）。其中，罗蒙诺索夫海岭起自俄罗斯的新西伯利亚群岛（New Siberian Isl and s）附近，沿140°E延伸到加拿大北部的埃尔斯米尔岛（Ellesmere Isl and ）东北侧，全长1800km、宽60～200km，平均高出海底3000m，中部海岭（格陵兰岛一侧至86°N）距洋面950～1400m，86°N以南至西伯利亚距洋面650～1400m（Cochran et al.，2006）。哈克尔海岭，即北冰洋洋中脊，长约2000km，宽约200km，从俄罗斯北部勒拿河（LenaRiver）口到格陵兰岛东北侧，穿过弗拉姆海峡与大西洋洋中脊相连，是全球洋中脊的一部分。门捷列夫海岭-阿尔法海岭位于美亚海盆一侧，东起俄罗斯西伯利亚岸外的弗兰格尔岛（Wrangel Isl and ）北侧，向西北延伸到埃尔斯米尔岛东北侧，全长约1500km。相比于罗蒙诺索夫海岭，其相对高度较小，坡度平缓，*高峰距洋面约800m，平均水深约2000m（Jakobsson et al.，2020；李学杰等，2014；杨楚鹏等，2020）。
　　位于北冰洋中部海区的罗蒙诺索夫海岭将北冰洋分为欧亚海盆（Eurasia Basin）和美亚海盆（Amerasia Basin）两部分。欧亚大陆一侧的欧亚海盆被哈克尔海岭分为规模大致相当的南森海盆（NansenBasin）和阿蒙森海盆（Amundsen Basin）。南森海盆*大深度为5449m，是北冰洋*深的海盆。靠北美大陆一侧的美亚海盆被门捷列夫海岭-阿尔法海岭分为加拿大海盆（Canada Basin）和马卡罗夫海盆（Makarov Basin），其中包括多个海山和水深为740～2000m的海底峡谷。加拿大海盆位于门捷列夫海岭-阿尔法海岭以东，是北冰洋面积*大的海盆，大部分水深在3000～3500m，*深在3800m左右，海盆底部大部分为平坦的加拿大深海平原（Canada Abyssal Plain）。海盆的南部有马更些河（MackenzieRiver）冲刷形成的冲积扇。马卡罗夫海盆位于罗蒙诺索夫海岭与门捷列夫海岭-阿尔法海岭之间，是四个海盆中规模*小的海盆（李学杰等，2014；杨楚鹏等，2020；Jakobsson et al.，2020）。
　　楚科奇边缘地（Chukchi Borderl and ）位于北冰洋西部，东与加拿大海盆相邻，西部为门捷列夫海岭，为一个南北长约600km、东西宽约400km的水下高地，除了南端与水深较浅的楚科奇陆架（Chukchi Shelf）相连外，另外3个方向分别与加拿大海盆、楚科奇深海平原（Chukchi Abyssal Plain）和门捷列夫深海平原（Mendeleev Abyssal Plain）之间的高差均超过2000m，与加拿大海盆之间的高差甚至达3000m以上。楚科奇边缘地发育较陡的斜坡，其中与加拿大海盆之间的北风号海岭陡崖坡度高达10°～20°。楚科奇边缘地水深整体呈北深南浅、东深西浅的特征，内部水深变化大，相对落差超过2000m，呈现槽-海岭近平行相间排列的格局。自西向东可以分为楚科奇海台（Chukchi Plateau）、北风号深海平原以及北风号海岭（Hegewald and Jokat，2013），其中楚科奇海台水深在700m以内，分为楚科奇帽和楚科奇隆起两部分（Jakobsson et al.，2020），前者位于北部，呈穹窿状，顶部*小水深180m左右；后者位于南部，水深*浅为280m左右。而北风号海岭水深多在800～1500m，平均水深大于楚科奇海台。北风号深海平原是位于楚科奇海台和北风号海岭之间的负地形单元，平均水深在2000m以上，其中段和南段水深变化大，北段通过一条弯*的水下峡谷连接加拿大海盆（Grantz et al.，2004）。
　　1.2现代海洋环境特征
　　近30年的研究表明，北极地区除气温升高和北冰洋中层水持续增暖等变化外，以海冰厚度持续减小、多年海冰覆盖面积锐减和夏季*小冰边缘线北退等为主要表现特征的海冰快速消退也是其环境变化的重要标志之一（Meier et al.，2022）。
　　1.2.1表层洋流系统
　　现代北冰洋的大尺度表层洋流系统主要由波弗特环流（Beaufort Gyre）和穿极流（Transpolar Drift）组成（图1-2）。其中，波弗特环流由风力驱动，形成顺时针流动的洋流；而起源于西伯利亚陆架区的穿极流，穿过北冰洋中央海盆，沿格陵兰岛东侧进入北大西洋（MacdonaldR W et al.，2002；Stein，2008；Miller G H et al.，2010a）。海冰浮标观测显示，门捷列夫海岭的西侧是波弗特环流和穿极流的边界，但其界线会随着大气环流强度的变化而变化，马卡罗夫海盆可以作为波弗特环流和穿极流边界的过渡区域（Rigor et al.，2002）。这两大表层洋流受到表层大气压力梯度尤其是北极涛动（Arctic Oscillation，AO）的控制。当北极涛动处在正相位时，穿极流向东边的楚科奇海方向偏移，波弗特环流的影响范围扩大；当北极涛动处在负相位时，穿极流向西边的喀拉海方向偏移，波弗特环流的影响范围变小（Rudels，2015）。
　　图1-2现代北冰洋表层洋流系统（据Miller G H et al.，2010a改）蓝色粗实线为表层的波弗特环流和穿极流；红色细实线为大西洋水注入北冰洋后下沉形成的大西洋中层水；黑色箭头代表太平洋水；绿色箭头代表河流输入；黑色虚线表示太平洋水；数字代表流量（106m3/s）在北冰洋的洋流体系中，大西洋水（Atlantic Water，AW）即西斯匹次卑尔根流（West Spitsbergen Current，WSC）和太平洋水（Pacific Water）即白令海峡入流水（Bering Strait Inflow）是两支主要的洋流，通过不同的机制影响着北冰洋的洋流和水团分布。其中，西斯匹次卑尔根流是高盐的大西洋暖流的一个支流，通过弗拉姆海峡和巴伦支海进入北冰洋后，迅速冷却下沉成为大西洋中层水（Atlantic Intermediate Water），并以稳定、长期的路线运移，即由西伯利亚陆坡向北冰洋纵深推进，经由楚科奇海和波弗特海陆坡，然后沿着加拿大北部、格陵兰东部流出北冰洋；同时，受海岭、海台等海底地形限制，该中层水沿着北冰洋的四个主要海盆，即加拿大海盆、马卡罗夫海盆、南森海盆和阿蒙森海盆，形成所谓的北极绕极边界流（Arctic circumpolar boundary current）（Jones E P，2001；Woodgate，2013；Rudels，2015）。而白令海峡入流水是太平洋水通过白令海峡注入西北冰洋，进而汇入波弗特环流，*终通过弗拉姆海峡以及加拿大北极群岛之间的水道注入北大西洋（Steele et al.，2004）。由于受楚科奇海海底地形的影响，太平洋水分三支性质不同的水团进入楚科奇海，由东向西依次为：低温高盐（＞32.5‰）、高营养的阿纳德尔流（Anadyr Current）；白令海陆架水（Bering Sea Shelf Water）；高温低盐（＜31.8‰）、低营养的阿拉斯加沿岸流（AlaskaCoastalCurrents）（Woodgate et al.，2005；Maslowski et al.，2014）。白令海陆架水穿过中央水道后向北流向汉纳浅滩（HannaBank）东北部，随后分化为两支，分别向北流和折向东北方向。阿拉斯加沿岸流进入北冰洋后向东北方向流动，经过巴罗峡谷（Barrow Canyon）和波弗特海陆坡后，在风力的驱动下与波弗特环流汇合（Woodgate et al.，2005）。此外，西伯利亚沿岸流（Siberian Coastal Currents）从东拉普捷夫海流向东西伯利亚海，*后到达楚科奇边缘地（Weingartner et al.，1999）。因此，进入北冰洋的太平洋水对美亚海盆一侧的北冰洋浅海陆架和陆坡有强烈的影响，是北冰洋热量、淡水、营养盐、太平洋生物群落以及有机质通量的重要来源（Maslowski et al.，2014），不仅参与北冰洋西部的海冰形成过程，而且可以通过弗拉姆海峡以及加拿大北极群岛之间的水道进入北大西洋，影响北大西洋冰-海-气过程（Carmack and McLaughlin，2011）。
　　1.2.2水团特征
　　北冰洋海盆存在强烈的海水分层特征，如图1-3所示，图1-3（a）中红色线为A－B断面位置，图1-3（b）和（c）为根据WOA09海水温度和盐度年平均数据画出的A－B断面海水温度和盐度图（Reagan et al.，2024）。根据北冰洋A—B断面的海水温度和盐度分布特征，北冰洋自上而下分为四个主要水团：北极表层水（Arctic Surface Water，ASW）、大西洋水（Atlantic Water，AW）、北极中层水（Arctic Intermediate Water，AIW）和北极底层水（Arctic Bottom Water，ABW）。北极表层水是由白令海峡进入北冰洋的低盐、富营养的太平洋水与环绕北冰洋宽阔浅水陆架区的河流输入淡水以及海冰融水一起形成的（Yamamoto-Kawai et al.，2008）。北极表层水又可进一步分为极地混合层（PolarMixedLayer，PML）和盐跃层（halocline）。其中，极地混合层在30～50m，源自被河流径流和海

目录
序
前言
第1章 北冰洋地形地貌与现代海洋环境特征 1
1.1 北冰洋地形地貌特征 1
1.2 现代海洋环境特征 2
第2章 北冰洋构造演化历史及其周边地质特征 27
2.1 北冰洋的构造演化历史与沉积海盆 27
2.2 北冰洋周边的地质特征.36
第3章 北极地质时期的冰盖与冰川作用特征 38
3.1 前第四纪的北半球冰盖与冰川作用特征 38
3.2 第四纪以来北半球冰盖重建、冰盖范围与地形演化 40
3.3 北冰洋东西伯利亚冰盖与多次冰川作用特征 45
3.4 北冰洋中部的冰架与冰川作用特征 48
3.5 北冰洋冰架的数值模拟 54
第4章 中国北极海洋地质考察 60
4.1 中国历次北极海洋地质考察概况 60
4.2 考察区域 61
4.3 考察站位 62
4.4 研究站位 65
第5章 近现代生源沉积物的沉积特征及环境指示意义 67
5.1 表层沉积物的AMS14C测年及分布特征 68
5.2 碳酸钙含量和有孔虫丰度的分布特征 69
5.3 生物硅的分布特征 71
5.4 有机碳含量、C/N及有机碳同位素的分布特征 72
5.5 生物标志物的分布特征 75
5.6 浮游有孔虫氧碳同位素分布特征 86
5.7 浮游和底栖有孔虫分布特征 89
5.8 生源组分的环境指示意义 95
第6章 近现代陆源沉积物的沉积特征及环境指示意义 97
6.1 粗碎屑组分的分布特征及物源分析 97
6.2 粒度分布特征及沉积机制 103
6.3 黏土矿物组分的分布特征及物源分析 107
6.4 全岩矿物组分的分布特征及物源分析 110
6.5 重矿物分布特征及物源分析 114
6.6 放射性同位素分布特征以及物源指示意义 117
6.7 陆源组分的环境指示意义 121
第7章 北冰洋的地层学研究 123
7.1 年代地层学 123
7.2 放射性同位素地层学 129
7.3 生物地层学 134
7.4 岩石地层学 138
7.5 磁性地层学 144
7.6 基于Mn、Ca和Zr元素的轨道调谐地层学 152
第8章 中—晚更新世北冰洋周边冰盖与洋流的变化历史 159
8.1 北冰洋美亚陆架边缘区物源指示的冰盖与洋流变化历史 160
8.2 美亚海盆中央海区物源指示的冰盖与洋流变化历史 171
8.3 欧亚海盆中央海区物源指示的冰盖与洋流变化历史 180
第9章 中—晚更新世的古海洋与古气候演化历史 184
9.1 冰融水事件与上层海水盐度的变化历史 184
9.2 海冰的变化历史 198
9.3 表层古生产力的变化历史 213
9.4 中－深层水团的变化历史 227
第10章 中—晚更新世北冰洋气候演化的驱动机制 241
10.1 冰盖和海冰周期性变化的驱动机制 241
10.2 元素Mn和Zr周期性变化的驱动机制 251
第11章 近期研究进展与展望 255
11.1 近期研究进展 255
11.2 展望 274
附表 282
参考文献 297