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大型丛书“Benchmark papers in geology”的价值 精选

已有 2181 次阅读 2021-8-29 18:31 |个人分类:学术研讨会|系统分类:科研笔记


研究者必须要阅读学术文献。写作论文、专著要引用文献,一般而言应兼顾经典、当下和研究区文献。文献检索的方法之一,是根据检索词从网上找到最新文献,然后可从关联度最高者所含的文献向前追索到历史文献。尽管如此,初入研究领域的人员对于如何判别“经典文献”还是有些困惑。

经典文献含有思想的来源、科学问题的产生、研究方法的发展等重要信息,因此可以从同行那里获得一些信息,再经过研究者本人的阅读,来确定哪些文献具有经典性。值得注意的是,有些大型丛书的出版,其目的就是为了提供经典文献信息,而且所收录的文献已经过专家鉴定,具有一定的权威性,因而极具参考价值。上个世纪由Dowden Hutchinson & Ross出版社发起编辑出版的大型丛书“Benchmark papers in geology”就是如此。

       本丛书的“出版前言”写道,地学研究者在获得历史文献上有一定的困难,他们不容易经常光顾大图书馆,许多新大学、新机构的图书信息中心也不能提供历史资料。这个困难在现在的网络时代已经不复存在了。但是,另一个绕不过去的问题是,历史文献中那些是经典文献?这需要倾听专家的意见。为此,如丛书名称所示,选编“里程碑式”的文献。针对每一个主题聘请著名学者担任分册主编,并要求分册主编撰写“引言”,介绍所在主题下的研究进展、分册内容、所选文献的经典性、以及相关的更老文献。读者在阅读引言和收录文献后能够获得经典文献的大量信息。

 丛书自20世纪70年代开始出版,本丛书按照地质学的广义理解来组织主题,1972年开始出版,前半部分的50卷题目如下所列:

 

(1)Environmental geomorphology and landscape conservation I

(2)River morphology

(3)Spits and bars

(4)Tektites

(5)Geochronology: radiometric dating of rocks and minerals

(6)Slope morphology

(7)Marine evaporites: origin, diagenesis, and geochemistry

(8)Environmental geomorphology and landscape conservation III

(9)Barrier islands

(10)Glacial isostasy

(11)Geochemistry of germanium

(12)Environmental geomorphology and landscape conservation II

(13)Philosophy of geohistory

(14)Geochemistry and the origin of life

(15)Sedimentary rocks: concepts and history

(16)Geochemistry of water

(17)Metamorphism and plate tectonic regimes

(18)Geochemistry of iron

(19)Subduction zone metamorphism

(20)Playas and dried lakes: occurrence and development

(21)Glacial deposits

(22)Planation surfaces: peneplains, pediplains, and etchplains

(23)Geochemistry of boron

(24)Submarine canyons and deep-sea fans

(25)Environmental geology

(26)Loess: lithology and genesis

(27)Periglacial processes

(28)Landforms and geomorphology: concepts and history

(29)Metallogeny and global tectonics

(30)Holocene tidal sedimentation

(31)Paleobiogeography

(32)Mechanics of thrust faults and décollement

(33)West Indies island arc

(34)Crystal form and structure

(35)Oceanography: concepts and history

(36)Meteorite cratons

(37)Statistical analysis in geology

(38)Air photography and coastal problems

(39)Beach processes and coastal hydrodynamics

(40)Diagenesis of deep-sea biogenic sediments

(41)Drainage basin morphology

(42)Coastal sedimentation

(43)Ancient continental deposits

(44)Mineral deposits, continental drift and plate tectonics

(45)Sea water: cycles of major elements

(46)Palynology Part I: spores and pollen

(47)Palynology Part II: dinoflagellates, acritarchs, and other microfossils

(48)Geology of the planet Mars

(49)Geochemistry of bismuth

(50)Astroblemes-cryptoexplosion structures

 

 在我本人的科研经历中,这套丛书给予的帮助很大。我的硕士学位论文的研究工作,是关于江苏海岸潮滩地貌和沉积的(结合当时的全国海岸带滩涂资源考察,指导老师朱大奎教授交给的研究课题是“江苏海岸剖面动态和成因机制”),因此非常需要了解潮汐环境现代沉积过程的理论知识。幸运的是,1984年初,有机会阅读了此丛书的第30卷《全新世潮汐沉积作用》(Klein, 1976)。我首先阅读了主编所写的引言,以下是当时做下的有关潮滩沉积特征、悬沙输运问题的阅读笔记。

 潮间带环境对沉积地质学者有很大吸引力,此环境中出现的一系列沉积特征中,有许多是常见于古代沉积岩中的。沉积学家急切地想要了解沉积岩的起源、堆积式和系统特征,因而转向现代沉积的研究。本书共收入经典论文17篇,发表于1939-1970年间,都是潮滩和潮汐沉积研究的知名学者所写。

 潮滩研究的一个便利之处是极易到达现场。潮滩的最佳实例是欧州北海沿岸,许多早期描述性的工作是以德文总结的,因而不易为英语世界的地质界所知晓。这些早期论文涉及具体的微地貌特征的描述,如波痕、生物钻穴构造等。Häntzchel(1939)的论文综合了此前的研究结果,引起了英语国家研究者关注。二次大战以来,潮滩沉积研究进展较快,其中德国、荷兰、英国、法国、加拿大、美国学者的工作,显著增进了对潮滩环境的了解。潮滩沉积研究主要在以下9个地点展开:(1)德国西北部;(2)荷兰海岸;(3)法国Baie du Mont至Saint-Michel海岸;(4)英国Wash湾;(5)加拿大芬迪湾Minas盆地;(6)加拿大Boundary湾;(7)美国San Francisco湾;(8)墨西哥California湾;(9)澳大利亚King Sound。此外,对巴哈马、波斯湾和西澳大利亚Shark湾的研究也产生了碳酸盐潮汐沉积及其古代相似产物的模式。

 许多地质学家曾有一个约定俗成的看法,即潮汐沉积研究主要是针对潮滩环境的。这一点其实是由于对潮汐沉积作用的重要性认识不足。潮汐沉积发生在更加广大的区域,其保存潜力也是很可观的。世界上有许多地方的浅水潮下带环境,主要受到潮流系统的作用,它控制了大量保存在地层记录中的沉积物和堆积特征。因此,以潮汐作用为主的大陆架,包括北海、中国海、美国东岸一部分,留下了各种潮汐成因的陆源碎屑砂体和碳酸盐砂体。潮汐作用为主的陆架往往是较宽的,宽陆架加强了潮汐作用。与北海和中国海类似的潮汐砂体也出现在芬迪湾潮间带,这给沉积学家提供了更详细的剖析研究的机会。

 本书的目的在于汇集研究全新世潮汐沉积作用各个方面的论文。由于研究面广,本书由陆源碎屑潮滩、悬沙输运与堆积、近岸潮汐砂体、碳酸盐潮汐沉积等四部分组成。

 每一部分均有概述性说明,除汇集的经典文献外,还附有简短的关键性论文目录,以便于读者知晓这方面研究的重要参考文献。本卷所汇集的论文代表了关于全新世潮汐沉积研究的早期综合性成果,代表了本领域过去40年的发展,对未来的研究方向也有参考价值。首先,经典论文所涉及的9个关键研究地点揭示了潮汐环境的共性和差异,可用以推进比较研究。其次,潮下带堆积体及其相关联的泥质沉积,需要进行沉积物输运的定量研究。最后,潮汐作用研究也要向深海环境拓展,从1960年代后期起,美国学者对海底峡谷、海底平顶山、深海底部的潮流输沙作用进行观测分析,为深水古代复理石层序的解释提供了新模式。

 本书第一部分讨论陆源碎屑潮滩,汇集了构建理论框架基础的论文。

 潮滩研究可以追溯到1920年代初期。当时,德国Senckenberg海洋研究室的几位工作人员已对其海洋站附近的碎屑潮滩环境做了常规性勘察和研究。这些工作中有不少是关于生物学的,他们的成果为海洋生物和古生物学界所知晓。

 潮滩环境包括高低潮位之间的宽广平缓的滩涂。潮滩的分布范围有沿岸变化,视陆架宽度、岸线曲折情况和潮流状况而定。因此,某些海岸(如美国海岸)区域的沿海平原潮差较小,而西欧的北海等地潮差较大。芬迪湾Minas区域的超大潮差是潮波和海湾地貌形态相结合的产物。

论文1:Häntzchel(1939),可能是潮滩沉积的英文首发论文,总结了他本人和其他学者到1938年的工作。定性描述了整个潮滩的沉积物框架,认识到了沉积物向海变粗的特征。文中还记载了一天内高达2.43m的堆积强度,这个数字后来没有得到检验。本文的重要性在于提出了对于多个重要问题的解释,例如潮流泥质物质的输运、堆积,以及生物对泥质沉积的改造(生物扰动作用)。他的论文提出了未来研究的科学问题:(1)潮流输运泥质沉积物的收支分析;(2)古代沉积岩中潮滩沉积的判据;(3)潮间带、潮下带堆积体的区分;(4)潮滩沉积的地球化学过程和成岩过程。

论文2:Van Straaten(1961)关于荷兰瓦登海潮滩沉积,综合了荷兰海岸的全部工作。他的资料表明,沉积物分布格局与Häntzchel(1939)所描述的基本相同。本文集中于瓦登海堡岛后侧的潮滩,其主要贡献是区分了潮滩的垂向和侧向堆积过程。潮汐水道在潮滩上的侧向切割和充填改造了大部分沉积物,形成向上变细的水道垂向程序。垂向堆积在潮滩上部和盐沼湿地中往往更为活跃,那里沉积物堆积很快,水流作用较弱,侧向改造不显著。Van Straaten为潮滩沉积提供了基本模式,即潮滩沉积起源于潮下带潮流携带的物质,邻近河流则贡献了部分悬移质物质。

 论文3:也是Van Straaten(1952)所写,是有意义但常被忽视的工作。其主要贡献是认识到垂向、侧向沉积作用的区分,贝壳碎屑层形成的机制,以及生物扰动作用的潜力预估。垂向和侧向沉积的区分是重要的,垂向沉积受沉降过程控制,它是在现代环境的沉积面上发生的,瓦登海历史时期的沉降量为2m。侧向沉积主要是水道迁移的改造作用,在Van Straaten的研究区,水道迁移改造了大部分潮滩环境,就像河漫滩一样。由于水道密度的不同,低潮滩上水道作用比高潮滩更加活跃。生物过程是另外一种改造作用,它有两个方面:生长过程改造和贝壳层富集。Van Straatton说明腹足类的觿螺(Hydrobia)贝壳层的平面和垂向分布是相伴的蠕虫Arenicola marina扰动深度的函数。堆积速率较低的地方,Arenicola marina的体积富集度较高,保存的觿螺贝壳层的数量就多。强水流、高沉积速率环境则降低觿螺贝壳层的保存潜力。

 论文4:Reineck(1967)给出了德国北海潮滩及邻近海岸沉积环境的最好短评,他强调沉积层的物理构造和生物构造。正如Häntzchel(1939)所指出的,沉积物向海变粗,并且潮流切应力强度的沿岸变化及潮滩滩面露出的历时不同,可以解释所观察到的各种沉积构造。本文还对比了附近陆架海底、堡岛等环境的沉积构造的异同,关于这个主题更详尽的描述,可参阅Reineck和Singh(1973)的专著。

 论文5:Evans(1965)聚焦于沉积物细颗粒结构的细节,包括沉积构造分布、生物组分分布、矿物和化学组成等。英国Wash潮滩可根据生物和粒度分布分为6个带,总的趋势是向海变粗,沉积物来源于北海,这与德国瓦登海的情况是相同的。不同点在于潮水沟规模较小,侧向迁移造成的沉积层改造较弱,潮滩层序主要是垂向加积为主。沉积层向海建造的方式与三角洲相进,是各个亚环境整体向海推进的结果,形成向上变细的沉积层序。两个地区比较的另一个差异是,Evans强调了潮流方向变化的特征,涨落潮流总体上是沿着向岸-离岸方向,但在涨潮阶段潮流不对称加强,沿岸潮流分量较大,尤其是在低潮位附近。

 论文6:Kellerhals和Murray(1969)描述了加拿大Boundary湾的潮滩。本文将潮流与床面形态演化联系起来,流速资料是来自水道和潮下带环境。Boundary湾潮滩是Fraser河三角洲的一部分。海岸线轮廓造成局部掩蔽地带,免受南向盛行风的作用,使泥质沉积得以堆积。Boundary湾潮滩与北海有很大不同,沉积物没有向海变粗的分布特点,总体上从高潮位到低潮位都是砂质沉积,可能是由于波浪作用较强的缘故。堆积速率低,平均每年只有0.42mm,海湾东部有侵蚀发生。

这6篇论文表明了陆源碎屑潮滩沉积特征的多样性,并提供了描述这些沉积物的框架,今后若能对输运动力过程加强研究,就能够确定控制因素及其定量特征,阐明这些差异的机制。

本书第二部分的内容是悬移质搬运堆积过程。潮滩沉积物输运中多争论的问题是悬沙输运和堆积,直至最近才有定量的现场观测资料。问题来源于潮滩常见的透镜状层理、压扁层理、波状层理(泥-砂互层层理)的机制解释。

 论文7:Van Straaten 和Kuenen(1958)提出了冲刷滞后效应的概念,此前Postma(1954)提出了沉降滞后效应。Van Straaton 和Kuenen对沉降滞后效应提出了补充意见:悬沙浓度并不在向海方向上增加;粘土以絮凝颗粒的形式搬运,故沉降较快;生物作用阻止了再悬浮发生;水深的影响,浅水有利于沉降,深水不易沉降至底部。本文根据沉积物起动条件的研究,提出冲刷滞后效应作用,此概念后来被评述和修改,但所强调的过程仍然有意义,即细颗粒沉积不一定发生在深水环境,在有潮海区,也可发生在水深最小的高潮位附近。

 论文8:Postma(1961)以野外实测资料验证了滞后效应。他意识到,滞后效应不过是悬沙输运全部过程中的一部分,基本控制因素是时间-流速不对称。高潮位时,两小时的涨憩时间足以使粘土颗粒发生沉降。

 论文9:Groen(19)的研究为Postma(1961)的观测提供了定量依据,他基于时间流速不对称效应,计算了一个潮周期内的净输沙量。

 论文10:Reineck和Wunderlich(1968)讨论了潮滩上泥-砂互层层理的影响因素。本文提出了短时间(潮周期)尺度下流速变化对互层层理形成的重要性。流速大于15cm/s时可发生推移质堆积,而流速小于该值时发生悬移质堆积。如此,一个潮周期内就会发生一层泥、一层砂的沉积层。此实验重复了两个潮周期,说明潮流流速的周期性变化是透镜状层理、压扁层理、波状层理(泥-砂互层层理)的形成机制。

 论文11:McCave(1970)的论文定量性地检验了泥质沉积物的憩流堆积模式。他提出紊动边界层中的层流次层(Viscous sublayer)可使悬沙发生“准连续”式的堆积,虽然在高流速、风暴情形下层流次层会被短暂破坏,但很快可恢复,泥质物质一旦落入层流次层,就会堆积。在潮下带旋转潮流区并无憩流期,而紊流边界层底部堆积仍然可以发生,他的计算表明,欧洲北海悬沙浓度偏低,但在层流次层能够形成0.2-1.0mm厚度的泥,这说明憩流并非压扁层理形成的必要条件。McCave所说的机制是否在潮间带也存在,需要进一步的探讨,很可能两种模式在自然界可同时存在。

本书第三部分讨论浅海和潮下带潮流砂体成因,有4篇关于潮流脊和潮间带砂体的论文。第四部分很短,包括碳酸盐岩潮汐沉积的两篇论文,一篇是碳酸盐岩潮滩的案例研究,另一篇是关于碳酸盐潮汐砂体演化的水动力条件。关于碳酸盐岩潮汐沉积的更多信息可参阅本丛书这个主题的第74卷(Bhttacharyya & Friedman, 1983

 在本书引言的指引下,我进一步阅读了书中的文献,厘清了前辈们的研究思路、观测数据、过程和机制解释、以及提出的新问题。经典论文的启迪作用确实是难以替代的。我由此确定了硕士学位论文的科学假设:潮滩上砂质沉积物由于潮波变形机制而由海向岸输运;根据垂线平均流速公式,潮滩沉积中泥质沉积的厚度受控于沉积物来源的组分,而泥-砂混合滩沉积的范围受控于潮汐过程。此后,完成了两篇投稿论文(朱大奎, 高抒, 1985; 高抒, 朱大奎, 1988),前一篇证实砂质物质向岸输运的条件,并提出泥-砂互层层理的第三种机制,即潮流的大小潮周期变化,后一篇则给出了潮滩剖面形态于物源组成和数量的关系。再往后,潮滩的研究工作一直在延续,例如对潮滩边缘的盐沼陡坎形成过程、潮滩环境的沉积层保存潜力和层序完整性、极浅水环境边界层参数与潮滩上多种水流和地貌现象的关系、潮滩盐沼互花米草植株的沉积速率信息、潮滩互花米草盐沼藤壶附着生长的环境意义等,目前还在生态修复和绿色海岸防护方面找到了应用出口(高抒 et al., 2021)。

 有趣的是,Klein(1976)的书中只提到中国海潮汐研究的重要性,却没有可总结的材料,而经过南京大学等机构的研究人员的努力,30年后江苏海岸已成为全球潮滩研究的典型区域之一(Gao, 2019)。

 

参考文献

 

Bhattacharyya A, Firedman G M, ed., 1983. Modern carbonate environments. Benchmark papers in geology, 75, Dowden, Hutchinson and Ross, Stroudsburg, Pennsylvania, 376pp.

Evans G, 1965. Intertidal flat sediments and their environments of deposition in the Wash. Quaterly Journal of Geological Society of London, 121, 209-245.

Gao S, 2019. Geomorphology and sedimentology of tidal flats. In: Perillo G M E, Wolanski E, Cahoon D, Hopkinson C (editors), Coastal wetlands: an ecosystem integrated approach (2nd edition). Elsevier, Amsterdam, p.359-381.

Groen P, 1967. On the residual transport of suspended matter by an alternating tidal current. Netherlands Journal of Sea Research, 3(4), 564-574.

Häntzchel W, 1939. Tidal flat deposits (Wattenschlick). In: Trask P D, ed., Recent marine sediments: a symposium. SEPM Special Publication, 1, 195-206.

Kellerhals P, Murray J W, 1969. Tidal flats at Boundary Bay, Fraser river delta, British Columbia. Bulletin of Canadian Petroleum Geology, 17(1), 67-87.

Klein G De V, ed., 1976. Holocene tidal sedimentation. Benchmark papers in geology, 30, Dowden, Hutchinson and Ross, Stroudsburg, Pennsylvania, 423pp.

McCave I N, 1970. Deposition of fine-grained suspended sediment from tidal currents. Journal of Geophysical Research, 75(21), 4151-4159.

Postma H, 1954. Hydrography of the Dutch Wadden Sea. Arch. Néerl. Zool., 10, 405-511.

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Reineck H E, 1967. Layered sediments of tidal flats, beaches and shelf bottoms of the North Sea. In: Lauff G H, ed., Estuaries. American Association of Advancement of Science Special Publication, 83, 191-206.

Reineck H E, Singh I B, 1973. Depositional sedimentary environments. Springer-Verlag, Berlin, 439pp.

Reineck H E, Wunderlich F, 1967. Zeitmessungen an gezeitenschichten. Natur und Museum, 97(6), 193-197.

Van Straaten L M J U, 1952. Biogene textures and the formation of shell beds in the Dutch Wadden Sea. Proc. Koninkl. Ned. Akad. Wetenschap., B55, 500-516.

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Van Straaten L M J U, Kuenen Ph H, 1957. Accumulation of fine grained sediments in the Dutch Wadden Sea. Geologia en Mijnbouw, 19, 329-354.

朱大奎, 高抒, 1985. 潮滩地貌与沉积的数学模型. 海洋通报, 4(5), 15-21.

高抒, 朱大奎, 1988. 江苏淤泥质海岸剖面的初步研究. 南京大学学报(自然科学版), 24(1), 75-84.

高抒, 贾建军, 于谦, 2021. 绿色海堤的沉积地貌-生态系统动力学原理. 热带海洋学报, 在审.

 














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