原创 许艺炜 胡修棉
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“蓝天白云，椰林树影，水清沙白”，没错，这是麦兜形容旅游胜地马尔代夫景色的台词。然而，这样一处世外桃源却有可能在50年内消失。而导致它消失的直接原因就是不断上升的全球海平面。
自工业革命以来，全球海平面以3.6mm/yr速度上升（图1）（IPCC,2019），据估计到2100年全球海平面可能会比现今上升2m（Bamber et al.,2019），这将引起179万平方公里的土地流失，1.87亿人口失去居住地（Nicholls et al.,2011）；此外，全球海平面上升还将导致沿海地区风暴潮频发、洪涝灾害加强，严重危害人类的生存。而且，当今世界经济发达地区多处于海岸带附近，海平面上升同时会给人类社会带来严重的经济损失。
图11880—2019年观测到的全球海平面变化
(https://data.globalchange.gov/report/indicator-sea-level-rise-2019）
相较于现今海平面变化，地质历史时期存在的更为剧烈的海平面变化，其幅度达到百米，这些变化强烈地影响着地球表层的演化过程。
1.全球海平面变化与生物演化
全球海平面上升会影响滨海生物栖息空间，造成生物种类和数量上明显变化。在地质历史时期，全球海平面变化同样影响着生物群落的演化。当全球海平面上升时，浅海生物的生态空间扩大，海洋生产力增加，这会促进物种的繁荣；全球海平面下降时期，浅海生物生态空间收缩，海洋生产力下降，这将导致生物多样性的下降。Takahashi（2005）在统计日本地区叠瓦蛤类（Inoceramid）双壳种时，发现其物种数变化和长周期全球海平面变化具有很好的正相关（图2），表明全球海平面变化对区域生物多样性的影响。此外，全球海平面还通过改变海陆分布直接影响生物的迁移过程。例如1.5万年前的人类就是通过海平面下降时期露出海面的白令海“大陆桥”迁移到北美州。
图2白垩纪日本地区叠瓦蛤类（Inoceramid）物种数变化与全球海平面变化关系（Takahashi，2005）
2.全球海平面变化与油气聚集
油气资源是当今世界的主要能源形式之一，具有重要的经济和战略地位。然而油气资源并不是均匀地分布在地质历史时期，全球海平面会影响烃源岩的分布。Klemme&Ulmishek(1991)统计世界主要烃源岩的时代分布发现，全球烃源岩多数分布于高海平面时期（例如白垩纪），占比为74.5%。而低水位时期（例如晚二叠世）形成的烃源岩占比仅为25.5%（图3）。此外，高频的短周期全球海平面变化同样对碳酸盐岩油气系统有着重要影响。例如，快速的海平面上升容易形成台内盆地（Intrashelf Basin），在其内部形成烃源岩，而下降会引起盆地周缘浅水沉积物暴露，遭受大气水的淋滤，这会极大地改善碳酸盐储层质量，形成有利的储层。因此，研究全球海平面变化过程，还可以为油气勘探提供重要的基础资料。
图3全球主要有效烃源岩时代分布（Klemme&Ulmishek，1991）
3.全球海平面变化与水循环
海洋作为地球上最大的水体，是水循环中不可或缺的一环（图4）。在短的时间尺度上，水循环过程的变化将影响海水和陆地水的交换，进而影响全球海平面变化。除了自然因素以外，人类活动也会干扰水循环过程，现今上升异常的全球海平面变化在很大程度上就是由于人类活动扰动了水循环过程。地质历史时期，不同气候状态下的全球海平面变化和水循环过程存在着一定差异：在冰室时期，水循环通过影响极地冰盖体积的变化，导致全球海平面的上升和下降；在两级无冰的温室时期，随着温度的上升，水循环加快，有学者认为是地下水体积的变化调控了当时的全球海平面升降。因此，研究地质历史时期的全球海平面变化速率和幅度可以揭示深时水循环过程并为预测未来海平面变化趋势提供必要数据。
图4地球水循环过程（Church et al.,2013）
4.深时全球海平面变化重建方法
与现代全球海平面变化研究不同的是，我们无法通过潮差仪和卫星去观测古代的全球海平面变化过程，而是通过保存在地层中的沉积记录来间接地追索全球海平面变化的信号。自20世纪以来，许多学者尝试使用不同的方法来重建深时海平面变化过程，其中较为常见而有效的方法是沉积学方法、层序地层学方法和地层回剥法。
【4.1沉积学方法】
利用沉积学方法恢复全球海平面变化的历史悠久，例如耳熟能详的沧海桑田故事，古人很早就意识到可以通过这些沉积标志来推测海陆变迁过程。现在我们知道全球海平面变化会引起海相沉积盆地的古水深变化，因此可以通过地层剖面上的古水深变化去追踪全球海平面变化的信号。地质学家从地层中识别出大量的特征来恢复古水深(图5a)，例如一些特殊的沉积构造（图5b）、古生物组合（图5c）等。通过剖面上的沉积岩相的变化，结合地层的年代学信息，可以获得区域古水深随时间的变化过程。但是，单剖面的古水深的变化并不能说明是全球海平面的影响，因为沉积物的堆积、区域构造活动等其它因素影响都可以引起古水深的变化。因此，我们需要去对比同时代不同区域地层记录的古水深变化。如果在不同的地区，不同的构造背景下都记录了相同的古水深变化趋势，就可以认为这种古水深变化代表全球海平面变化，据此获得该时代全球海平面变化趋势。尽管沉积学方法使用历史悠久，但是该方法单独使用很难去恢复海平面变化幅度，因为即使在缺少构造活动的地区，古水深变化也会受到沉积物堆积的因素影响，因此古水深变化的幅度很多时候并不能代表全球海平面变化的真实幅度值。
图5a.地层剖面古水深变化（据Moore et al.,1964）和判断古水深的典型标志b.窗格孔构造，通常指示潮缘带暴露环境（据Scholle and Ulmer-Scholle,2003），c.粗枝藻，绿藻的一种，大量出现是指示古水深0-5m（据Scholle and Ulmer-Scholle,2003）
【4.2层序地层学方法】
20世纪60年代以来，随着石油行业地震勘探技术的普及，有学者尝试通过地震反射资料去恢复全球海平面变化。层序地层学海平面重建方法的基本原理是通过地震剖面形态、反射特征去恢复沉积地层的几何形态，并且认为这种几何形态受相对海平面变化控制。其中一种特殊的反射几何形态称为上超（图6a），每个上超的地震反射位置代表着沉积基准面的位置（在海相地层中，沉积基准面与海平面相当）。因此每个上超点之间的垂直距离就代表着海平面的变化幅度，通过测量地震反射剖面上超点的位置变化，结合年代地层学数据，就可以恢复区域相对海平面变化历史（图6b和c）。
图6层序地层学方法恢复全球海平面变化，利用地震资料编制区域相对海平面变化的步骤a.根据地震反射资料解译出的地震地层剖面，并在地震地层剖面上识别处上超点，上超点之间的垂直距离代表相对海平面变化幅度；b.年代地层对比图，依据地层年代得到不同上超点的时代；c.区域相对海平面变化，根据不同上超点的时代和垂向距离差绘制出海平面相对变化过程（Vail et al.,1977）
Vail等（1977）认为可以通过综合全球不同地区的相对海平面变化来恢复全球海平面变化过程，并以这种方法获得了显生宙的全球海平面变化历史。然而，该方法恢复的全球海平面曲线自提出伊始就受到许多学者的质疑，其主要原因是用于构建全球海平面变化的原始资料没有公开，这让其他学者难以去评价利用该方法获得的全球海平面曲线的可靠性。
【4.3地层回剥法】
沉积地层总是受到全球海平面变化、构造活动和沉积物堆积的影响。想要从地层记录中剥离出全球海平面变化信号，首先必须去除其他因素的影响。这种剥离其它因素来获得全球海平面变化的方法称为地层回剥法。我们知道，沉积盆地中供沉积物堆积的潜在空间叫做可容纳空间。在海相盆地中，可容纳空间即为海平面到盆地基底之间的距离，因此可容纳空间总体积取决于全球海平面变化和盆地基底沉降（图7）。因此，只要知道了可容纳空间和基底沉降量，就能计算出全球海平面变化。可容纳空间实际上又是沉积物厚度和古水深的总和，通过地层数据可以恢复可容纳空间。而基底沉降量由两部分组成，一部分是由于沉积物产生的负载沉降，另一部分是构造活动引起的构造沉降。其中负载沉降可以根据重力均衡原理进行计算，而构造沉降比较复杂，不同大地构造背景的区域构造沉降曲线形态差异很大，为了简化，通常选取构造活动稳定的被动大陆边缘地区的构造沉降曲线来去除一般盆地的构造沉降量。因为在被动大陆边缘地区，热沉降是构造沉降的主要来源，可以根据热沉降公式直接计算出构造沉降量。因此，我们可以通过地层的沉积记录结合热沉降模拟，就可以得到全球海平面变化的幅度。
理论上来说，地层回剥法获得的海平面变化幅度可以代表全球海平面，但是假定被动大陆边缘的构造沉降完全来自于热沉降还是存在问题的，实际上被动陆缘会存在着其它来源的构造沉降（例如由于地幔流动产生的动力沉降），因此获得曲线仍然有可能混杂一些区域构造干扰。
图7利用地层回剥法恢复全球海平面变化原理示意图（Granjeon,1997）
5.深时全球海平面变化重建的挑战
每种方法都认为恢复的曲线反映的是全球海平面变化，但是没有两条“全球海平面变化曲线”是相同的。这就让学界非常困惑。以白垩纪为例，Haq（2014），Sahagian（1996）以及Miller（2005）这三位学者及其团队先后利用层序地层学和地层回剥法恢复了各自的“全球海平面变化曲线”。然而，对比这些曲线可以看出，无论是在幅度上还是变化的频率上均存在显著差异（图8）。这使得一些学者开始质疑是否能够恢复地质历史时期的全球海平面变化。反对者主要质疑两个方面：其一，全球海平面变化的确定需要地层等时对比，而高精度地层对比是一个非常大的挑战。例如，依赖生物化石进行对比因地层记录不完全、化石带穿时以及生物区系等问题，很难实现真正意义的高分辨率的地层对比（Miall,1994），这就限制了高精度全球海平面变化的获得；其二，区域地层沉积时同时受沉积物供给、全球海平面变化和构造活动等多重影响。因此，基于区域地层资料的研究很难完全剥离构造活动等因素，这意味恢复出来的海平面变化幅度不能真正代表全球海平面变化幅度。
图8不同学者使用不同方法恢复的白垩纪全球海平面变化曲线对比，无论是海平面变化频率还是幅度均存在显著差异。其中Sahagian et al.1996和Miller et al.2004分别利用俄罗斯台地地层和新泽西地层数据进行地层回剥法恢复的全球海平面，而Haq（2014）是利用层序地层学方法恢复的白垩纪全球海平面变化。（据Ray et al.,2019）
6.深时全球海平面变化重建展望
近20年来，随着地质年代学的突破，放射性定年、同位素地层学、磁性地层学、旋回地层学这些方法的发展，以及EARTH-TIME和GTS-NEXT这些国际计划的推进，地层时代的分辨率已显著提高，这为全球海平面变化等时对比奠定了基础。未来全球海平面研究需要面对另外一个主要挑战是如何恢复全球海平面的变化幅度。这需要多方面的尝试：一方面需要在多个构造稳定区尝试地层回剥法，去相互验证获得海平面变化幅度；另一方面，基于单个区域的地层研究难免存在构造活动的影响，但是综合同时代全球海相地层数据可以最大限度的去约束海平面变化幅度。这可能是目前解决全球海平面幅度恢复的最佳方法。目前，已经有学者尝试利用这种大数据的方法去约束晚古生代和白垩纪的全球海平面变化幅度（Rygel et al.,2008;Ray et al.,2019）。
最近，“深时数字地球”国际大科学计划（Deep-timeDigitalEarth,DDE）将深时全球海平面列为十大科学问题之一，并打算利用大数据的方法去恢复地质历史时期全球海平面变化过程，我们期待在未来能够看到一条高分辨率的、可信度高的深时全球海平面变化曲线。
【知识BOX】
全球海平面、相对海平面变化和古水深：在沉积学中，全球海平面变化是指海平面在全球规模上相对与某一固定基准面（通常指地心）的位置变化；相对海平面变化是指海平面相对于海底某一基准面（通常为基底）发生的位置变化，因此区域构造活动引起沉积基底位置变化，就会引起相对海平面变化；而古水深是指海平面到沉积物表面的垂直距离。
可容纳空间是指沉积物堆积的有效空间，在海洋环境中，可容纳空间即为海平面到沉积基底之间的距离。
深时指那些不能通过冰芯记录恢复，必须从岩石记录重建的历史，通常为前第四纪。
图9全球海平面变化、相对海平面变化、古水深和可容纳空间示意图（据王华，2008）
本文第一作者系南京大学地球科学与工程学院博士研究生。本文纯属作者本人理解，相关问题交流可通过邮箱kongjuzixing@126.com与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
主要参考文献
【1】 Bamber, J. L., Oppenheimer, M., Kopp, R. E., et al. 2019. Ice sheet contributions to future sea-level rise from structured expert judgment. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(23): 11195-11200.
【2】 Church, J.A., P.U. Clark, A. Cazenave, J.M. Gregory, S. Jevrejeva, A. Levermann, M.A. Merrifield, G.A. Milne, R.S. Nerem, P.D. Nunn, A.J. Payne, W.T. Pfeffer, D. Stammer and A.S. Unnikrishnan, 2013: Sea Level Change. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.- K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.
【3】Haq, B. U., Hardenbol, J., and Vail, P. R., 1987, Chronology of fluctuating sea levels since the Triassic (250 million years ago to present): Science, 235, pp. 1156–1167
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【6】Klemme, H. D. & Ulmishek, G. F. 1991. Effective petroleum source rocks of the world: stratigraphic distribution and controlling depositional factors. AAPG Bulletin, 75, 1809–18513.
【7】Miall, A. D., 1994, Sequence stratigraphy and chronostratigraphy: problems of definition and precision in correlation, and their implications for global eustasy: Geoscience Canada, 21, pp. 1–26
【8】Nicholls, R. J., Marinova, N., Lowe, J. A., et al. 2011. Sea-level rise and its possible impacts given a ‘beyond 4 C world in the twenty-first century. Philosophical transactions of the Royal Society A: Mathematical, physical and engineering sciences, 369(1934): 161-181.
【9】Rygel, M. C., C. R. Fielding, T. D. Frank, and L. P. Birgenheier, 2008, The magnitude of Late Paleozoic glacioeustatic flfluctuations: A synthesis, Journal of Sedimentary Research, 78, 500–511.
【10】Ray D C, van Buchem F S P, Baines G, et al., 2019. The magnitude and cause of short-term eustatic Cretaceous sea-level change: A synthesis. Earth-Science Reviews: 102901.
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【12】Takahashi, A., 2005. Diversity changes in Cretaceous inoceramid bivalves of Japan. Paleontological Research, 9(3), 217-232.
【13】Vail, P. R., Mitchum, R. M., Jr., Todd, R. G., Widmier, J. M., Thompson, S., III, Sangree, J. B., Bubb, J. N., and Hatlelid, W. G., 1977, Seismic stratigraphy and global changes of sea-level, in Payton, C. E., ed., Seismic stratigraphy – applications to hydrocarbon exploration: American Association of Petroleum Geologists Memoir 26, pp. 49–212.
