海洋环流对全球海洋热量、物质、盐分和营养分布至关重要。对于现今的洋流模式，尤其是深水形成模式，我们目前非常熟悉。现今北太平区的海水盐度比大西洋低两个单位，所以，北太平区不可能下沉成为海洋深水。而北大西洋区，由于高盐低温，是良好的深水形成区，也就是NADW的起源地。在南极洲外围，由于大量结冰，海水变咸，形成深水。但是，这些深水能不能顺利地外溢，向广阔的大洋输出，又受到海底地形和外围条件的控制。比如，罗斯海能形成深层水，但是受到ACC和外围地形限制，无法顺利溢出。从而威德尔海的深水就成为南极AABW的主要贡献者。

在晚白垩纪到大西洋早期演化时，地球的温度更高，南北两极没有冰盖。同时，全球海陆分布以及海道分布和现今也不一样。所以，也就无法像现今南极这样通过结冰的方式形成深水。但是，我们一定知道，大洋深水不可能永远不流动，必然会有深水形成来替换原有深水的岗位。

在温室状态下，全球都很暖，两极和赤道的温度梯度小。所以，靠温度变化难以驱动深层水形成。但是，全球的降水和蒸发并不一致，导致不同地区海洋的盐度也不一样。所以，靠盐度造成的密度差会成为主要的深水形成机制。而且温盐环流强度还比较强，从低纬向高纬传输热量非常高效，以至于两极的温度都很高。

此外，无论是在温室地球还是在冰球模式，物理过程是通用的。比如，在南美西部海岸地区，通过边界流以及艾克曼抽吸作用，形成海水上涌区。

早期记录很是难获得。其中有三个原因，第一个原因是一些海洋材料已经被俯冲下去，第二个原因是长期的后期成岩改造。第三个原因就是物质的年龄确定有一定难度。

我们在研究古老的物质时，可以从两个角度去考虑提升可信度，第一个就是能够准确记录古老海洋信息的物质材料，第二个就是尽量用系统思维去构建全球模式。在海洋中，铁锰结核和鱼化石（鱼牙齿）是科学家常用的研究材料。尤其是鱼的牙齿化石到处都在，研究起来很便捷。

研究故海洋的洋流模式，科学家采用的参数主要有：e_ND和δ¹³C。

关于e_ND的原理，我们之前已经讲过这里再重复一遍，重要的事情至少要说三遍。大陆岩石的e_ND偏低，而年轻的火山岛弧e_ND偏高。这就造成了北太平洋区表层水的e_ND值高。而大西洋两边是被动大陆边缘，缺乏火山岛弧，于是e_ND则偏低。

如果北太平洋有深水形成，深水区和浅层水交换通畅，那么深水区的e_ND值就会增加。这个原理我们也曾用来讨论白令海峡中层水的形成，道理如出一辙。太平洋区高的e_ND值，也可以被用来研究太平洋水向印度洋和大西洋流动的证据，这个在研究南亚海道演化与德雷克海峡开启时，是非常有用的研究方法。

δ¹³C是另外一种常用的方法。新生成的深水δ¹³C值较高。在随后的流动过程中，会有额外的有机质（δ¹³C非常低）加入，造成路径越远，δ¹³C值就越低。这个模式已经被现今的洋流模式证实。所以，只要我们把同一时间，不同地点的δ¹³C值进行对比，δ¹³C从大到小的方向就是洋流方向。

以上两个方法在大模式洋流模式构建上还是很成功的。但是，我们也不能排除一些局部因素对这些参数的影响，这是研究中不能回避的问题。

我们利用上面这些简单的原理，小试牛刀，来探讨两个重要的科学问题。

1）大西洋何时南北贯通？

从72Ma到59Ma，全球火山活动减弱，海洋扩张速率降低，大气中的CO₂含量逐渐降低，对应着全球的温度也随之下降了将近10°C。在白垩纪大西洋南北贯通之前，高低纬的热量传输并不高效。随着大西洋的继续打开，只要南北贯通起来，会形成南北向的深部热盐传送带，以及水和热量传输机制，使得赤道和高纬地区的温度梯度减小。

科学家如何来确定大西洋何时南北贯通的呢？

我们再次使出e_ND这个法宝。当大西洋南北没有贯通前，南北不同的海域会具有不同的e_ND值。可是在59Ma，大西洋所有地区的e_ND值集中在-9到-8之间。这说明，大西洋已经贯通，全水域具有了较为统一的性质。

大西洋深水热盐传送带的运转，使得低纬热量开始向高纬传送，增强了全球的趋势。天气变暖，进一步加强海洋风暴和漩涡，造成海洋垂向混合也加强。这使得地球逐渐进入了早始新世气候适宜区，也就是温室地球状态。

2）温室地球的大洋环流模式？

在太平洋区，70-65Ma是一个重要的e_ND值变化区间，从-4.5增加到了-3.5。这个值一直维持到了45Ma，并开始逐步恢复到-4.5的水平。北太平洋区是新鲜的岛弧区，e_ND都很高，通过混合，北太平洋深层水的e_ND值也就偏高。65-45Ma之间，e_ND值的升高，说明北太平洋地区表层水可以顺利地下沉到2900米以下，这是非常重要的深层水来源证据。

但是，上面的论述只能提供北太平洋形成深水，这个深层水向南扩展到什么地方？需要更多数据支持。科学问题就是这样，缺啥补啥。缺少低纬度的证据，那我们就去低纬度做类似的工作。在科学研究中，尤其是地质科学研究中，有几种研究属于创新性质：拓宽时序、扩宽空间分布、应用新方法等等。

结果显示，北太平洋深水可以扩展到赤道以北地区。同时，通过其他证据表明，同一时间，南大洋深水也在生成，二者影响的交接面就在赤道以北地区。

在67Ma以来，以50Ma为界，老于50Ma的相对较冷的时期，比如61-56Ma，北太平洋的深水对流很强，但是随着全球温度从58Ma开始回暖，北太平洋的深水对流随之变弱，到了50Ma时候，就变得很弱了。50-49Ma之后，全球气温开始又变冷，按照对称原理，北太平洋的深水对流应该再次加强才对。可是，数据显示，并非如此，说明50-49Ma之后，海洋的性质发生了变化，尤其是北太平洋变得比50Ma之前淡了，盐度下降，从而不利于深水的形成。45Ma之后，北太平洋深水被南大洋深水占据。到了34Ma，北大西洋深水开始形成。

在56-61Ma之间，全球气温相对冷，海洋的风力加强，这一时期，大气和海洋环流动力十足。该时期发生了大约千分之五的δ¹³C正偏，这说明该时期海洋深水对流强，海洋生产力增加，把轻的¹²C从海洋中挪走。当然，该时期陆地上的碳库会发生变化，也会对此时期的δ¹³C正偏有贡献。