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本书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。
序
北极是全球气候变化最为显著的地区之一。在过去的几十年里，北极大气、海洋和陆地温度的上升速度是全球平均水平的两到四倍。北半球寒带和北极多年冻土融化增加了温室气体排放，进一步加剧了全球气温上升。北极海冰正在以惊人的速度消失，将迅速走向人类历史上从未见过的新低冰状态，气候模型预计在近年内北极夏季将处于无冰状态。而海冰面积的减少反过来又改变了海气相互作用，影响大气和海洋能量平衡以及海洋生态系统的变化。随着北极海冰的消失，北极航道有望实现夏季通航。北极海底多年冻土层和水下沉积层中的巨量甲烷或天然气水合物等资源有可能得到开采利用，但同时也可能给北极大气、海洋、生态、气候乃至全球温室气体的减排调控带来新的挑战和负面影响。
展开剩余81%由于北冰洋特殊的地理位置、独特的自然环境和丰富的自然资源，已成为国内外北极科学考察和研究的热点地区。自1999年我国首次组织实施了北极科学考察以来，已成功实施了14次多学科综合考察，在白令海、北冰洋和北大西洋极区开展了系统的综合科学考察，取得了令人瞩目的科学考察和研究成果。但与世界其他海洋相比，北冰洋地质历史时期的气候与环境演化记录仍显不足，迫切需要研究北冰洋的古海洋与古气候记录，特别是北冰洋对间冰期极盛与极热期的响应与反馈，近期的海冰急剧减少与过去第四纪暖期的关系，以及北冰洋的表层洋流和水团的演化等。
《北冰洋的沉积学与古海洋学研究》专著在国家重点研发计划项目和国家自然科学基金重点项目等14个项目的共同资助下，集成了我国历次北极海洋地质考察和研究成果，全面系统地总结和展示了我国学者在北冰洋的沉积学、古海洋与古气候研究领域取得的成果：查明了北冰洋近现代沉积物的物质来源及其沉积机制；揭示了北冰洋在地质历史时期至近现代时间尺度上的气候和海洋环境演变历史；探讨了北冰洋地质历史时期的气候与环境变化与低纬度之间的内在联系及其调控机制；总结了近期北冰洋在多个研究领域取得的进展和相关的前沿科学问题，为北极的古海洋与古气候以及相关领域的研究提供参考和借鉴，也为预测北极未来气候与海洋环境变化提供了重要的科学依据。
中国科学院院士
2025年5月9日
前 言
北极在地球气候系统中扮演着重要角色，这是因为北极地区的环境变化速度几乎比地球上的任何地方都要快。在过去几十年里，北极大气、海洋和陆地温度的上升速度是全球平均水平的2～4倍，这种现象被称为北极放大。北半球寒带和北极多年冻土融化增加了温室气体排放，进一步加剧了全球气温上升。与此同时，北极海冰正在以惊人的速度消失，海冰覆盖面积急剧减少，夏季海冰融化发生得更早，夏季海冰面积缩小得更快。而海洋环流、热量和淡水收支变化也影响着海冰和海洋的生态系统变化。海冰面积的减少反过来又改变了海气相互作用，影响了大气和海洋的能量平衡。北极可能正在迅速走向人类历史上从未见过的新低冰状态，甚至是季节性无冰状态。伴随着全球变暖加剧，基于观测的气候模型预计在近年内北极夏季将处于无冰状态，西伯利亚边缘海与加拿大北极群岛长期冰封的北极航道有望实现夏季通航，沉睡在海底多年冻土层和沉积层中的巨量甲烷或天然气水合物等资源有可能得到开采利用，给北极周边国家乃至全球经济带来福音，但同时也可能给北极大气、海洋、生态、气候乃至全球温室气体的减排调控带来新的挑战和负面影响。同时，北半球最大的格陵兰冰盖也正在退缩，冰盖融化导致的海平面上升使全球海洋环境和人类生存面临巨大风险。研究表明，这些变化不是孤立发生的，而是涉及影响北极自然和人类系统以及更大的地球系统的多个组成部分的反馈。了解这些系统或组成部分的相互作用，包括人类行为对北极环境的影响，变得越来越重要，而且对预测未来北极和全球气候变化至关重要。
北冰洋集特殊的地理位置、独特的自然环境、丰富的自然资源以及复杂的地缘政治关系于一身，彰显了其非常重要的科研价值。国际北极科学考察与研究已有上百年的历史，几乎涉及所有的学科领域。目前，在适合考察活动的季节，各国的科考船都不约而同地出现在北冰洋的不同区域开展考察和实验，拉开了每年北极科学考察的大幕，凸显了北极科学考察的热点地位。一些重大的国际研究计划，如世界气候研究计划（World Climate Research Programme，WCRP）、国际地圈生物圈计划（International Geosphere Biosphere Programme，IGBP）、综合大洋钻探计划（Integrated Ocean Drilling Program，IODP）、国际极地年（International Polar Year，IPY）等也都将北极作为关键地区，并制定了详细的北极研究计划。国际北极科学委员会（International Arctic Science Committee，IASC）于2016年制定了未来10年北极研究的前沿框架，重点方向几乎涵盖了与北极相关的所有研究领域。美国于2021年发布了《2022—2026年北极研究计划》，其优先领域之一是在地质时间尺度上，加强北极气候和环境变化观测与跨机构建模能力，以及北极和地球系统过程研究，增强对北极系统相互作用的理解，旨在提高我们观察、理解和预测北极动态互联系统及其与地球系统联系的能力。2020年欧洲大洋钻探研究联盟（European Consortium for Ocean Research Drilling, ECORD）发布了“2050科学架构”，制定了包括极地冰的作用、高纬度极地气候记录、极地放大效应、冰冻圈反馈和冰盖与海平面上升等5个关键科学问题。这些研究计划和关键科学问题为北极未来研究指明了方向，可以帮助我们更好地理解不同时间尺度上北极的海洋-大气-海冰-冰盖系统对全球气候和海洋环境的影响。
我国的北极科学考察和研究起步较晚，但发展迅速。自1999年我国首次组织实施以我国为主的北极科学考察以来，已成功实施了14次多学科综合考察，在白令海和北冰洋太平洋扇区开展了系统的有关海洋环境变化和海-冰-气系统变化过程的关键要素考察与观测，取得了令人瞩目的考察成果。2012年，经国务院批准，我国极地研究领域规模最大的极地专项“南北极环境综合考察与评估”开始实施，是我国极地事业发展的里程碑，标志着我国北极科学考察与研究进入跨越发展新阶段。海洋地质考察是我国北极科学考察的主要内容之一，旨在通过对北极重点海域海底沉积物的调查和研究，系统掌握北冰洋海底沉积物的类型、物质组成、来源和分布状况，揭示北冰洋在地质历史时期至近现代时间尺度上的气候和海洋环境演变历史，探讨北冰洋、亚北极北太平洋以及我国过去气候与环境变化之间的内在联系及其变化机制，了解与北极油气和天然气水合物资源有关的基础地质信息，提高我国北极海洋的地质研究水平。同时对提升我国在国际北极研究中的地位、在气候变化谈判中的话语权以及在应对气候变化方面的履约能力，提高在气候预测预报、防灾减灾以及航道通航的环境保障等重大国家战略需求等方面的服务水平也有重要作用。
与世界其他海洋相比，北冰洋地质历史时期的气候与环境变化记录严重缺乏，北极的气候和环境变化研究仍然面临诸多挑战。例如，北极海冰的初始形成时间？如何解释最近海冰急剧减少的趋势及其与当今全球变暖和过去第四纪暖期的关系？等等。已有研究表明，在过去几百万年中，出现了低冰甚至季节性无冰的状况，抑或有巨厚冰架覆盖整个北冰洋的极端情形。这种不确定性突出表明，需要迫切研究北冰洋的古海洋与古气候记录，特别是北冰洋对间冰期极盛与极热期的响应与反馈。为了解未来北极的气候变化，我们需要特别关注最近地质历史时期的低冰期。因此，北冰洋的古海洋与古气候研究仍显不足，还存在研究区域和时间尺度上的局限性等问题。本书的目的是集成我国历次北极海洋地质考察和研究成果，旨在全面系统地总结和展示我国学者在北冰洋沉积学、古海洋与古气候研究领域取得的成就，为预测未来北极气候与海洋环境变化提供科学依据。
本书可供海洋地质学、极地科学、冰冻圈科学、海洋科学、环境科学、大气科学、生命科学等相关领域的研究人员以及高等院校师生参考。
本文摘自科学出版社2025年6月出版《北冰洋的沉积学与古海洋学研究》一书，内容有删节。标题为编者所加。
（本文编辑：孟美岑）
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