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海洋上升流真的有流体上升吗?- 关于海洋温度场特征与富有机质页岩的沉积环境

已有 1353 次阅读 2023-6-27 13:40 |系统分类:科研笔记

    最近研究了一下上升流,它是页岩油气的沉积环境老提到的,在深水陆棚上升流提供营养物质,使生产力极大提高,是富有机质页岩的主控因素。上升流定义是酱紫的:“风吹走表层水,由下面的水上升得以补充”,有时称升降流,也有下降流,有的称冷水团。中学课本及百度都是这样写的。现存在两个质疑:(1)流体真上升了?(2)流体上升带来的磷对生产力补充有多大,能带来多少好处(磷)?

    关键词:地温场;页岩油气上升流升降流营养元素

   于是一通猛查,好象不完全是这样的。上升流的现象是这样的,在夏季,一些近岸海域出现冷水团,比周围海洋温度低1-2度,如图1所示,红高、蓝低,上面有数字为温度等值线标注。

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图1 舟山海域6-9月温度分布. (a)6月;(b)7月;(c)8月;(d)9月

    分别为6月至9月舟山海域夏季上升流的时空变化(何青青,2023,舟山海域夏季上升流的时空变化及其风生机制研究)。可以看出,在离岸约100公里的水域出现蓝色的低温区,俗称冷水团,7月,8月最明显。

    一、上升流的特征

    我国近海的上升流现象,发现有这样一些共同点:

    其一,这些上升流每年均出现在比较固定的位置上,范围较小,持续时间较长;

    其二,这些地区至海岸的距离较远,既非大洋,又非近岸,而是较为宽隔的陆架浅海,其深度多在 100 米以内,海底坡度较大。

    有的上升流区的等深线比较直(如浙江、福建和广东近海),有的上升流区的海底向外海扇形倾斜,等深线廓线呈半回形(如江苏近海的34°N,122”E附近和东海东北部)。

    页岩总拿营养盐磷说事儿,并说磷在上升流作用下,水体营养高。磷的分布是,在1400米以下,有基本稳定浓度的磷,含量为2.1μmol/L左右。而向海面,几乎线性降低至0-0.2μmol/L。如图2所示(倪建宇,2011):

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图2 南印度洋不同深度无机磷的分布特征

    二、上升流的成因

    目前针对这种冷水团的成因,有几个说法:

    目前的主要说法是,冷水从深部上来了。其推理过程是这样的,因为海洋温度随深度增加而降低,现在海面出现冷水,那一定是深部带上来的,且还买一送一,带来了深部营养物质,如无机磷、氮、铁,管它车能否超载(向上是有密度限制的)。

    █海洋中的升降流,有Hidake,Yoshidaand Mao的大洋上升流观论, 

    █有Thorade,Sverdrup等人的近岸上升流等理论, 

    █近岸风生理论,   

    █台湾暖流流经所致, 

    █海底地形的抬升作用, 

    █海底地形引起的剩余压强梯度力的作用。

    真相呢?下面是我的推测:

   受海面气温的影响,这个“上升流”向上升的流动是不存的,而是在温度边界条件下,海面季节性冷暖,所带来的对海洋浅层水体的温度变化,导致水体自然对流所致。因为海洋夏秋季加热或冬春季降温,热量的增减对陆地地面、海洋产生影响,可使地面和水面快速升、降温,这种周期性的交替变化可类比波动一样,叫热波。热波到达地面或洋面会向下传播,对地面,季节性热波可影响到10-30米,即恒温层之上的范围内的变温层;而海洋可以影响0-500米范围,因为水的热传导性能极差,但海水存在自然对流,某个水分子受高温就上浮;降温后就下沉到它最舒服的位置,即垂向上会作小的调整,但并非大规模的强迫对流运动。在这个过程中,就会产生一个滞后,或称相位差。

    根据热传导方程推导,

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    当深度X=(πaS)1/2时,温度变化极值滞后的时间恰为周期的一半(S/2),而相位滞后则为S/2。其中a为地层或海水的热扩散系数(约为1.434*10-7m2/s),S为周期,如1个季度。在这个深度上,温度的变化与地面温度变化正相反,即一年之中,在深度X处,温度最高值出现在冬季,最低值出现在夏季。即变温层是有延迟的。

    也就是说,上述夏季海洋冷水团并不是深部水体流上来的,而可能是冬、春节低温冷却的余威,在夏季的高温并未让它完全热透。和烤红薯一样,烤一会儿,心儿还是凉的。

    再打比方(因比方先生与我有仇),现在在青藏高原,表面上,地面有河流,有潺潺流水、有丰富的植被、动植物,但植被之下存在永冻层,这个冷团并非是现在夏季地下有什么“冷的流体”冒上来的,也不是哪天突降暴雪冰冻的。同样,在北方,虽然地面温度可达40度,但地基之下的温度可能仅有5度左右。反之,晒了一夏天,到冬季,温度传至地下几米深处,使温度升高至15度,到这时,可能已到冬天了,而此北方冬天室外气温可能只有-20度,形成地下具有冬暖夏凉的特点。这个时间差和我们地球向外发射无线电信号一样,或我们收到无线电信号也是,这个信号可能是几百万年前的。

   也就是说,所谓“上升流”的冷水团,其实可能不是深部冷水上来的。

   有人研究过,无海表面的风也能产生冷水团现象(近海上升流与海底地形关系的初步探讨_李繁华),所以,离岸的海浪使深部冷水来填充的学说可以进博物馆了。

    下图是刘鹏根据温度“计算”出来的索马里东岸的“垂向”流速。虽然我反对这个流速,但也能反映某些问题。

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图3 索马里东岸垂向流速特征,红上,蓝下

    图中冬季水下沉,是双向,低温水团下沉,高温水团上浮,形成强对流水体。因为冬季海洋表面水降温,密度增大,冷的水分子会下沉。每冷一度,表层水就会下降,深层温度高的水上浮,形成一个较强的自然对流过程,此时就没有上、下之分了,也没有辈份之分了,如图6所示,为潘家口水库垂向水温年变化,虽然浅,但能说明水温的季节性变化,图中12月-6月水面和水底几乎一个温度,已长幼不分了,溶解氧的垂向分布也具有相似规律,水面和水底溶解氧含量几乎是恒定的富氧环境。因而鱼在水里冬天比夏天好过。

  对夏季,6-11月,水面热、水底凉(图6),表面0-30米水体接收阳光好,密度变轻,上轻下重,热对流极弱,或几乎无热对流,阻档了对30米以深的水的加热过程,在热传递的两种作用热传导和热对流中,水的导热系数较低,约为0.6w/mk左右,也相当于一个好的热阻层,就使30-800米的原冬天里的低温得以保留下来一部分,图3所示。“冷水团”相当于寒冬的作案现场,而夏季送温暖活动还在路上,堵车,就是一种滞后现象,而非水真的在上涌流动(强迫对流)。由于自然对流作用弱会导致夏季变温层溶解氧极低,导致缺氧现象,很多湖泊在夏季有可能出现翻塘现象,大量死鱼,就是因为缺氧。

  为了“证明”这种垂向的上升流,主流观点或教科书观点虽然估算了这个速度,但也不敢肆无忌惮地估高了,仅根据温度的垂向变化,大约为0.002cm/s(相当于20nm/s,纳米级)这个量级,这其实完全可以看做海面温度季节性变化所带来的缓慢的温度场使流体的自适应变动。现在做地热勘探,一些地下有局部高温或低温,就是热传导和季节性的变化所产生的,热传导、对流有滞后现象。再通俗点儿说,我家地暖,开了一天,没怎么热,于是想骂装修的没弄好,于是关了地暖,但室内温度却慢慢地还在升高。古人云,地下或河里具有“冬暖夏凉”,充满着满脑子智慧,这不是说着玩的。会游泳的人也是这么云的。

   张庆华(2003)研究了这种滞后现象,认为夏天海水的加热都是滞后于海面或空气。海水加热滞后海面为1/4 周期,相当于滞后3个月(一个季节),这一结果与管秉贤根据实测资料分析出的结果是一致的。这再次表明,由于跃层的屏障作用或抑制作用,减缓了海面加热向下的传递速度。这使海底中心区的海水在夏季保持着较低的水温从而形成冷水团的跃层结构。于是再去翻一下管秉贤教授(1963)的论证,他认为,黄海冷水团是冬季在黄海本地形成的这一论点。他根据气象资料做了一个统计,在统计的13年期间, 冷水团8月的最低水温与烟台同年1月的平均气温的相关系数为0.62,两者具有亲戚关系。这样看来,冷水团每年8月的最低水温与同年1月附近地区的平均气温,有着相当密切的关系。大白话是:1月天冷时,老天卯足了劲儿冷冻海洋,冷冻越彻底,8月夏天海洋中的冷水团温度越低。看着这些血淋淋的事实,却被石沉大海,永久的泰坦尼克。

  三、上升流能带来什么

    根据冷水团的第一个特征,它离岸有一段距离,和现代海洋的初级生产力高值区是不同步的,初级生产力高值是离海岸越近越高;而冷水团出现在大陆架离岸100公里的范围内。

    冷水团不能带来较高的磷丰度,所产生夏凉的水深范围为30-800米,在这个深度段,海洋的无机磷随深度是线性递性的线段的斜坡段,浓度为0.2-1.2μmol/L之间,平均为0.5μmol/L,和深海(>1400m)的正常高浓度磷的2.1μmol/L差很多,如图5所示(郝锵,2011)。实际上,就算存在高温水团上浮,低温水团下沉,也没有将无机磷带入到浅层的水体,多数海洋的磷至海面均呈线性递减至0。在最具生产力的0-60m以内,无机磷只有0-0.2μmol/L,和沿岸的,由大陆地下水、河流、地表径流所带来的磷的丰度差远了,一般为10-70μmol/L(胡序朋),是表层冷水团的50-350倍,是小巫见大巫了。也就是说,“上升流”,冷水团并不能给近岸高初级生产力带来贡献,富有机质页岩并非是上升流所带来的红利如图4不同季节海岸带初级生产力。

微信截图_20230627145052.png图4 南海北部海岸带不同季节初级生产力红高,蓝低

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图5 南海北部珠江口外无机磷分布剖面(剖面位置如右图,同图4)

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图6 潘家口水库坝前垂和水温年内变化剖面

 三、上升流的名字得改改了

   上升流有一种严重误导,就是海水上升了。可改为冷水团,和上升流对应的,也有下降流,合起来叫升降流。这些都严重误导。其实就是海面温度所引发的温度在不同深度随季节变化的有一定滞后的垂向调整。上升流带来营养促进页岩沉积时的初级生产力也得改改了。

  目前没有一个实验证明,测试了海洋的流体在“上升”形成冷水团,均是根据海水温度进行的速度计算,0.002cm/s(20纳米/秒)的精度,神仙能测?


写着写着,有点费劲,不完整,见谅,等再补充吧。


中国地质大学(北京)能源学院,毛小平

13911360200(手机+微信)

2023年6月27日娃娃高考季




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