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海底扇沉积相模式、沉积过程及其沉积记录的指示意义

谈明轩 吴峰 马皓然 付奕霖 张旭 崔浩楠

谈明轩, 吴峰, 马皓然, 付奕霖, 张旭, 崔浩楠. 海底扇沉积相模式、沉积过程及其沉积记录的指示意义[J]. 沉积学报, 2022, 40(2): 435-449. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
引用本文: 谈明轩, 吴峰, 马皓然, 付奕霖, 张旭, 崔浩楠. 海底扇沉积相模式、沉积过程及其沉积记录的指示意义[J]. 沉积学报, 2022, 40(2): 435-449. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
TAN MingXuan, WU Feng, MA HaoRan, FU YiLin, ZHANG Xu, CUI HaoNan. Facies Model, Sedimentary Process and Depositional Record of Submarine Fans, and Their Implications[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(2): 435-449. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
Citation: TAN MingXuan, WU Feng, MA HaoRan, FU YiLin, ZHANG Xu, CUI HaoNan. Facies Model, Sedimentary Process and Depositional Record of Submarine Fans, and Their Implications[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(2): 435-449. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144

海底扇沉积相模式、沉积过程及其沉积记录的指示意义

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
基金项目: 

国家自然科学基金 42002117

江苏省自然科学基金 BK20200529

中央高校基本业务费 2019B06314

详细信息
    作者简介:

    谈明轩,男,1990年出生,博士,讲师,沉积学、层序地层学,E-mail: mxtan@hhu.edu.cn

  • 中图分类号: P512.2

Facies Model, Sedimentary Process and Depositional Record of Submarine Fans, and Their Implications

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 42002117

National Natural Science Foundation of Jiangsu Province BK20200529

Fundamental Research Funds for the Central Universities 2019B06314

  • 摘要: 海底扇是由沉积物重力流形成的海底沉积体。其分类学和相模式研究表明,海底扇主要由海底水道、溢岸及朵叶体等沉积单元构成。然而古代和现代海底扇沉积均无法由单一的通用相模式进行解释。以粒度差异所建立的相模式类型涵盖了多方面信息,相对简单实用。海底扇的触发机制主要包括海底沉积物失稳、洪水型异重流、海洋动力过程及复合成因机制等类型。海底扇的主导流体类型(碎屑流与浊流)、海底地貌形态(限制性与非限制性)及海洋动力条件(底流作用)深刻影响了海底扇的沉积作用、平面形态及空间组合特征,整体上分为三类。其中,浊流沉积主导的海底扇在非限制性海底环境中主要表现为扇状或指状形态,在限制性海底环境中则直接受控于盆地的地貌形态;碎屑流沉积主导的海底扇以块体搬运为特征,平面上表现为舌状和叶状展布形态;底流与重力流共同作用形成的混合型海底扇朵叶体沿底流流向侧向偏转,部分受底流改造沉积形成孤立漂积丘状形态。海底扇沉积物记录了环境信号从“源”到“汇”传输效率和保存程度,对构造变形和古气候变化具有重要的指示作用。人类世以来的现代海底扇沉积物同时也是深海微塑料、陆源有机碳的重要储库,定量评估其丰度特征对于环境评价、污染治理与管控及全球碳循环均具有深远的现实意义。
  • 图  1  基于岩性粒度差异分类的海底扇相模式(据文献[19]修改)

    Figure  1.  Submarine fan models based on their lithological grain size difference (modified from reference [19])

    图  2  不同类型海底扇的成因机制及输运效率(据文献[20]修改)

    Figure  2.  Formation mechanism and transport efficiency of different types of submarine fans (modified from reference[20])

    图  3  美国加州La Jolla现代海底扇(a)及沿岸环流输送的触发机制(b)(据文献[34]修改)

    Figure  3.  Modern submarine fan in La Jolla, California, USA (a) and triggering mechanism of littoral cells (b) (modified from reference [34])

    图  4  东海陆坡峡谷—海底扇体系地貌特征及地震反射特征(YSCC为黄河暖流;SCC为苏北沿岸流;CDW为长江冲淡水区;TWC为台湾暖流;ZFCC为浙闽沿岸流;KC为黑潮)(据文献[38]修改)

    (a)东海及周边海域区域地质概况;(b)东海陆坡及周边海域多波束地形特征;(c)赤尾峡谷—海底扇地貌特征;(d)典型峡谷—海底扇体系地震剖面特征

    Figure  4.  Geomorphological and seismic reflection data of submarine canyon⁃fan system in continental slope of East China Sea (YSCC = Yellow Sea warm current; SCC = Subei Coastal Current; CDW = Changjiang diluted water; TWC = Taiwan warm current; ZFCC = Zhejiang-Fujian coastal current; KC = Kuroshino current) (modified from reference[38])

    图  5  现代高屏峡谷—扇体系地貌特征及2009年莫拉克台风洪水型异重流特征(据文献[4143]修改)

    (a)高屏峡谷—扇体系海底地貌特征;(b)2009年莫拉克台风期间高形成洪水型异重流下潜入海;(c)2009年莫拉克台风造成海底断缆编号及估算洪水型异重流平均流速

    Figure  5.  Geomorphological characteristics of modern Kaoping canyon⁃fan system and flood⁃related hyperpycnal flow derived from 2009 Morakot Typhoon (modified from references [41⁃43])

    图  6  浊流与碎屑流主导的海底扇平面样式及垂向组合特征(据文献[5355]修改)

    Figure  6.  Planar geometry and vertical succession of turbidite⁃and debrite⁃dominated submarine fan (modified from references [53⁃55])

    图  7  南非卡鲁盆地二叠系Skoorsteenberg组非限制性海底扇朵叶体远端和侧缘岩相类型精细对比剖面(据文献[52]修改)

    Figure  7.  Detailed stratigraphic correlation panels of lithofacies of lobe fringe in the unconfined submarine fan system of (Permian) Skoorsteenberg Formation in the Karoo Basin, South Africa (modified from reference [52])

    图  8  晚第四纪地中海尼罗扇背向散射影像特征(a,b)、浅地层剖面(c)及碎屑流沉积岩心柱状图(d)(据文献[68]修改)

    Figure  8.  Late Quaternary Nile fan (Mediterranean Sea):(a, b) backscatter imagery; (c) chirp seismic profile; and (d) graphic⁃core logs of debris flow deposits (modified from reference [68])

    图  9  不同时间尺度的海底扇与底流交互作用概念模式(据文献[73]修改)

    (a)底流—浊流交替;(b)底流造成重力流沉积重新分布;(c)同期底流与浊流的交互作用

    Figure  9.  Conceptual depositional and process models for the interaction of submarine fans and bottom currents at different temporal scales (modified from reference [73])

    图  10  莫桑比克海域鲁武马盆地珊瑚气田始新统珊瑚层序最大海泛面RGB融合属性图(a)及其地震地貌学解释(b)(据文献[73]修改)

    (a) RGB blending attribute map; (b) seismic geomorphological interpretation (modified from reference [73])

    Figure  10.  Maximum flooding surface of Eocene coral sequence in coral gas field, Rovuma Basin, offshore Mozambique

    图  11  现代海底扇沉积物物源、搬运通道及环境效应示意图(据文献[58]修改)

    Figure  11.  Sediment source and transport pathway of modern submarine fan and its environmental effect (modified form reference [58])

    表  1  基于岩性差异分类的海底扇主要特征(据文献[18]修改)

    Table  1.   Main characteristics of submarine fans based on their lithological difference (modified from reference [18])

    类型 砂地比 陆架 宽度 沉积物 成熟度 搬运 距离 扇体半径 触发机制 构造背景 信号传输特征 “源—汇” 系统特征
    富泥型海底扇 <0.3 较高 >1 000 km 100~3 000 km 泥质块体滑塌、滑塌相关的低密度浊流、底流 被动陆缘型 缓冲型 陡、短、深
    富砂型海底扇 >0.7 较低 >10 km 10~100 km 陆架砂体二次搬运 主动陆缘型 响应型 宽且深
    砂—泥混合型海底扇 0.3~0.7 中等 中等 >100 km 10~450 km 高密度/低密度浊流 混合型 过渡型 过渡型
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-08-11
  • 修回日期:  2021-11-03
  • 刊出日期:  2022-04-10

目录

    海底扇沉积相模式、沉积过程及其沉积记录的指示意义

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
      基金项目:

      国家自然科学基金 42002117

      江苏省自然科学基金 BK20200529

      中央高校基本业务费 2019B06314

      作者简介:

      谈明轩,男,1990年出生,博士,讲师,沉积学、层序地层学,E-mail: mxtan@hhu.edu.cn

    • 中图分类号: P512.2

    摘要: 海底扇是由沉积物重力流形成的海底沉积体。其分类学和相模式研究表明,海底扇主要由海底水道、溢岸及朵叶体等沉积单元构成。然而古代和现代海底扇沉积均无法由单一的通用相模式进行解释。以粒度差异所建立的相模式类型涵盖了多方面信息,相对简单实用。海底扇的触发机制主要包括海底沉积物失稳、洪水型异重流、海洋动力过程及复合成因机制等类型。海底扇的主导流体类型(碎屑流与浊流)、海底地貌形态(限制性与非限制性)及海洋动力条件(底流作用)深刻影响了海底扇的沉积作用、平面形态及空间组合特征,整体上分为三类。其中,浊流沉积主导的海底扇在非限制性海底环境中主要表现为扇状或指状形态,在限制性海底环境中则直接受控于盆地的地貌形态;碎屑流沉积主导的海底扇以块体搬运为特征,平面上表现为舌状和叶状展布形态;底流与重力流共同作用形成的混合型海底扇朵叶体沿底流流向侧向偏转,部分受底流改造沉积形成孤立漂积丘状形态。海底扇沉积物记录了环境信号从“源”到“汇”传输效率和保存程度,对构造变形和古气候变化具有重要的指示作用。人类世以来的现代海底扇沉积物同时也是深海微塑料、陆源有机碳的重要储库,定量评估其丰度特征对于环境评价、污染治理与管控及全球碳循环均具有深远的现实意义。

    English Abstract

    谈明轩, 吴峰, 马皓然, 付奕霖, 张旭, 崔浩楠. 海底扇沉积相模式、沉积过程及其沉积记录的指示意义[J]. 沉积学报, 2022, 40(2): 435-449. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
    引用本文: 谈明轩, 吴峰, 马皓然, 付奕霖, 张旭, 崔浩楠. 海底扇沉积相模式、沉积过程及其沉积记录的指示意义[J]. 沉积学报, 2022, 40(2): 435-449. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
    TAN MingXuan, WU Feng, MA HaoRan, FU YiLin, ZHANG Xu, CUI HaoNan. Facies Model, Sedimentary Process and Depositional Record of Submarine Fans, and Their Implications[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(2): 435-449. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
    Citation: TAN MingXuan, WU Feng, MA HaoRan, FU YiLin, ZHANG Xu, CUI HaoNan. Facies Model, Sedimentary Process and Depositional Record of Submarine Fans, and Their Implications[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(2): 435-449. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.144
      • 海底扇是发育在大陆斜坡及深海盆地由沉积物重力流形成的复合沉积体[1],狭义上仅限定于由点物源供给形成的深水重力流体系(即“点物源型”深海扇)[2]。作为由陆到海完整“源—汇”系统最末端的沉积单元,海底扇是外界环境信号的天然接受器[3],同时也是全球碳循环过程中深海碳埋藏的关键组成部分[4]。上世纪中叶,著名华裔地质学家许靖华先生在美国加州文图拉盆地新近系发现了规模巨大的海底扇油气储层,初次发现海底扇储集砂体的勘探潜力及经济效益[5-6]。半个多世纪的油气勘探开发证实海底扇能够形成良好的岩性—地层复合圈闭,是深海常规油气及天然气水合物的重要富集相带[7-9],逐渐成为全球深水—超深水油气勘探的重点和热点。海底扇沉积过程和相模式观点众多,在一定程度上影响了深水沉积作用和沉积过程认识的统一。本文系统性总结过去几十年海底扇沉积学重要研究成果和关键研究进展,建立海底扇相模式、沉积作用及其与海底扇发育样式的内在联系,以明确海底扇沉积记录的多方面指示作用,旨在对古代和现代海底扇沉积学系统性解剖提供参考。

      • 虽然近年来海底探测技术不断取得重大突破,但目前沉积学界广泛应用的沉积模式仍然是20世纪基于野外露头解剖、海底浅层柱状样分析及低分辨率的海底地形资料建立起来的海底扇相模式。这些代表性相模式将海底扇分为上扇、中扇和下扇三部分,包括海底水道、溢岸及朵叶体等沉积单元[10-12]。受构造特征、地貌形态及盆地边界的影响,并不是所有的海底扇均具有扇形、锥形等地貌外形特征。越来越多的现代海底扇观测和野外露头实例表明海底扇无法用单一的通用相模式进行解释[13],其相模式亟待结合最新现代海底扇观测成果逐步修改和完善。

        多种海底扇划分依据的提出为海底扇相模式的多样性发展起到重要推动作用[14]。例如,对被动陆缘型、主动陆缘型及复合构造背景型的海底扇而言,其岩性组合与沉积相模型发育特征存在较大差异,形成了海底扇较早的系统分类方案[1]。基于搬运距离海底扇划分为放射扇型、延伸扇型及扇三角洲型[15],一定程度上反映了海底扇的形态特征差异。基于海底扇水道体系和沉积朵叶的相对位置,将海底扇划分为水道贴合型、水道分离型及水道—天然堤复合体三种类型[16],揭示了海底扇平面展布特征的差异性。重力流沉积过路作用造成深水水道与沉积朵叶的分离针对传统海底扇相模式认识是新的突破,并在此基础上发展并完善了“水道—朵叶体过渡区”的基本概念及沉积作用。尽管海底扇分类方案很多,只是分类标准有所差异,实际上并没有孰优孰劣之分。在此基础上所建立的相模式,各有其侧重点,均具有一定的参考价值,但适用性却并不强。

        目前应用较为广泛的海底扇分类方案是基于岩性粒度差异进行划分的[2],包括富砾型、富砂型、砂—泥混合型和富泥型海底扇,并在后续研究简化为粗粒型和细粒型两大类[17]。这种类型分类方案相对简单实用,其相模式在一定程度上反映了其海底扇规模、沉积物成熟度、重力流搬运距离、构造背景乃至触发机制等丰富信息(表1图1[2,18]。富砾型海底扇相关实例较少,故而后续研究中较少提及。富砂型海底扇砂岩含量高,砂体连通性好,储层非均质性弱,是良好的地层—岩性圈闭勘探目标。上述通用海底扇相模式多数可归属为富砂型海底扇相模式,该类型相模式的提出与石油工业的发展密切相关。现代大型海底扇实例(如印度扇、孟加拉扇及刚果扇等)均属于富泥型海底扇。该类型海底扇的海底水道延伸距离远(超过1 000 km)(图1),整体岩性粒度细、砂体孤立程度高、储层非均质性强,并在长期处于相对较低的研究程度,却由于细粒沉积物重要的古气候意义在二十一世纪之后才开始受到广泛关注[17]

        表 1  基于岩性差异分类的海底扇主要特征(据文献[18]修改)

        Table 1.  Main characteristics of submarine fans based on their lithological difference (modified from reference [18])

        类型 砂地比 陆架 宽度 沉积物 成熟度 搬运 距离 扇体半径 触发机制 构造背景 信号传输特征 “源—汇” 系统特征
        富泥型海底扇 <0.3 较高 >1 000 km 100~3 000 km 泥质块体滑塌、滑塌相关的低密度浊流、底流 被动陆缘型 缓冲型 陡、短、深
        富砂型海底扇 >0.7 较低 >10 km 10~100 km 陆架砂体二次搬运 主动陆缘型 响应型 宽且深
        砂—泥混合型海底扇 0.3~0.7 中等 中等 >100 km 10~450 km 高密度/低密度浊流 混合型 过渡型 过渡型

        图  1  基于岩性粒度差异分类的海底扇相模式(据文献[19]修改)

        Figure 1.  Submarine fan models based on their lithological grain size difference (modified from reference [19])

      • 海底沉积物失稳机制是海底扇的主要触发机制。该种成因海底扇的形成与陆架、陆坡砂体的二次搬运有密切的联系(图2)。造成沉积物失稳的原因很多,主要包括海平面变化、地震活动、天然气水合物释放、火山喷发、强沉积物供给作用、海底地层水或甲烷渗漏等[21-24],最新研究表明海底沉积物失稳甚至不需要外界因素触发[24]。沉积物失稳作用产生滑动、滑塌,并向阵发性浊流转化[25-26],其持续时间较短(一般为数十分钟至数小时),重力流流体的沉积物浓度即迅速衰减。后退式海底滑坡具有较为持续斜坡失稳沉积物补给,持续时间相对稍长(可达数小时甚至数周)[26],但与洪水型异重流持续时长相比仍然极为有限。由于部分远离河流供源的陆架和陆坡区以泥质沉积物占主导,泥质沉积物失稳同样也可成为海底无水道块体搬运沉积的主要成因之一(图1),成为海底扇的组分部分。陆源碎屑供给充足或残留沉积相对发育的陆架区,海底沉积物失稳可能成为海底扇最为重要的触发机制[20]

        图  2  不同类型海底扇的成因机制及输运效率(据文献[20]修改)

        Figure 2.  Formation mechanism and transport efficiency of different types of submarine fans (modified from reference[20])

      • 洪水型异重流是陆源洪水入海直接下潜所形成的。由于河流与海水的密度差异,海相洪水型异重流的临界沉积物浓度阈值高达36~43 kg/m3[27]。河口密度小于海水的异轻羽状流也可以借助沉积物重新聚集效应(例如盐指形成、沉积物对流、絮凝效应等)向异重流转化(沉积物浓度阈值降低至1~2 kg/m3[28],但无法形成大规模、长距离搬运的海底扇。洪水型异重流的形成与气候变化造成大规模强降雨有密切的联系,具有较好的古气候指示意义[29]。与沉积物失稳形成的内源型阵发性浊流相比,洪水型异重流是一种外源型持续性浊流。其流速相对较小(1~2 m/s),流体卷吸作用较弱,因此能够在海底保持长距离流动状态而不会快速消散[30-31]。实际上,洪水型异重流的搬运效率、流动距离以及沉积物发育特征在学术层面仍然存在一定的争议[14,23]。主动陆缘窄陆架、河流供源能力强的区域有利于洪水型异重流为主的海底扇发育(图2)。近年来多种海底观测技术均证实了洪水型异重流能够将大量泥沙甚至砾石级沉积物与塑料垃圾直接输运至深海区,表明其具有强大的搬运能力[32-33]

      • 在经典层序地层学理论框架下,被动陆缘高位体系域陆架范围宽广,陆坡区域整体处于饥饿的沉积背景,缺乏大型三角洲沉积物供源,并不利于海底扇体的发育。末次盛冰期以来,尽管全球海平面整体处于高位,许多深海区仍然发育持续活动的海底扇沉积(例如美国西海岸的一系列小型现代富砂型海底扇)(图3[34-35]。除洪水型异重流或沉积物失稳两种沉积物输运机制之外,通过海洋动力作用对陆架沉积物的再搬运也成为先存海底峡谷捕获沉积物的重要方式(图23)。沿岸流、潮流、风暴流、等深流、内波及内潮汐等多种类型海洋动力能够将陆架或陆坡沉积物搬运至海底峡谷内部(包括被峡谷头部捕获或直接输运至峡谷内两种方式),为高位期宽陆架低沉积物供给背景下的海底扇体系提供有效物源[35-37]

        图  3  美国加州La Jolla现代海底扇(a)及沿岸环流输送的触发机制(b)(据文献[34]修改)

        Figure 3.  Modern submarine fan in La Jolla, California, USA (a) and triggering mechanism of littoral cells (b) (modified from reference [34])

      • 在更多情况下,海底扇的形成并不是由单一成因所致的,而是由多种类型触发机制共同控制。例如,我国东部陆架海沉积物具有“夏储冬输”的季节性砂泥输运格局。同样地,冲绳海槽现代海底扇体系在夏季主要是由陆架边缘和陆坡残余沉积物失稳所形成的(图4)。然而随着冬季东海黑潮及涡旋分支“水障”作用的消失,风暴和水体交换作用亦可使陆架悬浮沉积物实现跨陆架输运,同样也为海底扇提供了充足的物源[39-40]。由此表明,现代东海宽陆架所发育的海底扇应当是由海底沉积失稳和海洋动力共同作用所致。

        图  4  东海陆坡峡谷—海底扇体系地貌特征及地震反射特征(YSCC为黄河暖流;SCC为苏北沿岸流;CDW为长江冲淡水区;TWC为台湾暖流;ZFCC为浙闽沿岸流;KC为黑潮)(据文献[38]修改)

        Figure 4.  Geomorphological and seismic reflection data of submarine canyon⁃fan system in continental slope of East China Sea (YSCC = Yellow Sea warm current; SCC = Subei Coastal Current; CDW = Changjiang diluted water; TWC = Taiwan warm current; ZFCC = Zhejiang-Fujian coastal current; KC = Kuroshino current) (modified from reference[38])

        更为典型复合成因实例为我国台湾西南部的高屏峡谷—海底扇体系(图5a,b)。该海底扇是由沉积物失稳和洪水型异重流共同作用所致[41, 44-46]。21世纪以来,2006年屏东地震和2010年甲仙地震引发高屏陆架沉积物失稳[47-48],2005年海棠台风和2009年莫拉克台风形成的强降雨使得高屏溪输出大量沉积物形成洪水型异重流,为下游高屏扇提供了丰富的物质来源。最新航次调查表明,与该台风相关的洪水异重流所携带粗粒沉积物的直接影响范围局限于高屏陆架和峡谷上游[49-50]。基于不同电缆破坏时间差推算出的洪水型异重流平均流速差异巨大(0.37~37.2 m/s),并不合其流速特征(图5c),亦表明高屏扇表层沉积物可能是洪水异重流沉积二次搬运,而非河流直接供源。部分沉积物甚至可溯源至远离河口、洪水型异重流并不活动的枋寮峡谷[46]。莫拉克台风侵袭期间,陆架中地下水大量溢出造成海床沉积物逐渐液化并失稳,所诱发的滑塌型重力流越过泥岩底辟,直接将沉积物输运至高屏峡谷下游[47],从而形成具有复合成因的高屏峡谷—海底扇体系。

        图  5  现代高屏峡谷—扇体系地貌特征及2009年莫拉克台风洪水型异重流特征(据文献[4143]修改)

        Figure 5.  Geomorphological characteristics of modern Kaoping canyon⁃fan system and flood⁃related hyperpycnal flow derived from 2009 Morakot Typhoon (modified from references [41⁃43])

      • 从过程沉积学的角度来看,海底扇的主导重力流类型、海底外部地貌特征及海洋动力条件共同控制了不同类型海底扇的沉积特征、平面形态及空间组合,对于系统认识海底扇的沉积作用具有重要的实际意义。本文主要依据Talling于2012年提出的沉积物重力流(碎屑流—浊流)二分方案[51],综合考虑限制性、非限制性海底地貌条件及底流改造作用,以深入了解不同类型海底扇的沉积过程及其发育特征。

      • 在传统认知体系中,绝大多数的海底扇均是由浊流沉积而成,称为“浊积扇”(Turbidite fan)。在宽缓深海平原区,海底浊流出峡谷后卸载形成具有海底水道—朵叶体单元的非限制性海底扇沉积[50]。以浊流沉积主导的非限制性海底扇主体上发育中—厚层浊积岩Ta和Tb段,仅在朵叶体远端可能存在流体转化作用,与混合事件层沉积相伴生[52];其侧缘主要为Tc和Td段,混合事件层占比相对较少(图6)。典型的非限制性海底扇呈放射状的平面展布形态[56],部分海底扇体表现为长条状、指状展布特征,其朵叶体的水道化特征更为显著[56],这与海底扇上倾方向水道坡度增大、浊流能量增强有密切的关系。

        图  6  浊流与碎屑流主导的海底扇平面样式及垂向组合特征(据文献[5355]修改)

        Figure 6.  Planar geometry and vertical succession of turbidite⁃and debrite⁃dominated submarine fan (modified from references [53⁃55])

        海底浊流在受复杂海底构造形成的限制性海底环境中发育限制性海底扇,其形态受控于海底地貌形态,并向限制性地貌部位形成一系列超覆地层样式[53]。在流体转化机制和沉积物失稳作用下,其朵叶体侧缘和远端均有混合事件层的发育(图6),在海底扇沉积物中所占比例相对较高[57-58]

        由于海底扇沉积过程分析需要开展岩相类型的精细对比,钻井岩性和地震资料分辨率的局限性无法达到上述沉沉积学对比精度,因此海底扇的岩相分异特征更多是基于露头沉积学研究成果逐渐完善的。南非卡鲁盆地二叠系Skoorsteenberg组海底扇Fan 3露头产状平缓,出露地层相对连续,是非限制性海底扇岩相组合高精度对比分析的典型剖面[52,59]。通过野外露头和浅钻岩心进行对比,能够重建海底扇展布范围、发育期次及地层尖灭样式,并直观反映了浊积岩层和混合事件层在朵叶体远端(图7a)和侧缘(图7b)展布规律,进而印证了流体转化机制对于浊流主导的非限制性海底扇空间非均质性的重要影响(图7c)。

        图  7  南非卡鲁盆地二叠系Skoorsteenberg组非限制性海底扇朵叶体远端和侧缘岩相类型精细对比剖面(据文献[52]修改)

        Figure 7.  Detailed stratigraphic correlation panels of lithofacies of lobe fringe in the unconfined submarine fan system of (Permian) Skoorsteenberg Formation in the Karoo Basin, South Africa (modified from reference [52])

      • 事实上,海底扇也可由碎屑流沉积形成。例如,大型海底滑坡、峡谷侧壁或天然堤垮塌等所引发的块体沉积可能部分覆盖或改造海底扇沉积物[60]。例如,亚马逊扇主体上由砂质和泥质碎屑流及块体搬运沉积构成,浊积岩仅占其中14%[61]。与浊积岩的概念相对应,大部分以碎屑流沉积为主导的海底扇称为“碎积扇”(Debrite fan)[61]。“碎积扇”概念的出现与(砂质/弱黏结性/非黏结性/流状碎屑流等)多种相似重力流概念名词的提出密切相关,但是其识别标志在沉积学界争议不断[51,61]。针对现代海底“碎积扇”的超声影像分析,认为其在平面上表现为舌状或叶片状(羊齿状)平面展布样式[62-65],整体不发育水道或较少发育分流水道。由于其具有块状搬运、冻结式沉积的特征,这种由碎屑流沉积形成的地层在侧向上快速尖灭[66]。碎屑流底部发育薄层“晚期沉降”阶段形成的薄层纯净砂岩(图5[54,62],亦可能在其顶部受剪切稀释(shear mixing)作用形成薄层浊积岩,反映了两种不同类型的流体转化过程。与传统认识中的碎屑流特征相悖,这种中—低黏性强度碎屑流能够在海底平原低坡度(<~1°)区域长距离搬运。其长距离搬运的润滑机制是否由滑水作用控制目前尚存在不同的观点[54,67-68]

        以晚第四纪地中海的尼罗扇为例,其中3口浅钻的柱状岩心均表现为杂基支撑、内含漂砾的泥质碎屑流沉积特征(图8),表明该海底扇是由碎屑流主导的深水沉积体系[68]。薄层碎屑流沉积广泛分布于Rosetta海底水道、盐底辟相关的小型限制性盆地、水道外开阔斜坡区及朵叶体边缘,与该沉积相关的碎屑流在海底平原搬运距离超过200 km[69-70]。这种海底扇内部的背向散射影像显示其朵叶体边缘具有典型的羊齿状形态特征(图8),与浊流主导的海底扇平面形态和岩相展布有显著的差异。

        图  8  晚第四纪地中海尼罗扇背向散射影像特征(a,b)、浅地层剖面(c)及碎屑流沉积岩心柱状图(d)(据文献[68]修改)

        Figure 8.  Late Quaternary Nile fan (Mediterranean Sea):(a, b) backscatter imagery; (c) chirp seismic profile; and (d) graphic⁃core logs of debris flow deposits (modified from reference [68])

      • 重力流和底流是形成深水沉积的两大主要的沉积动力作用[71]。在底流活跃区,海底扇沉积单元将受到底流的侧向改造,形成底流—重力流混合型深水沉积体系,即“等深岩扇”(contourite fan)[72]。相对于阵发性重力流而言,底流作用具有长期且稳定的特征[71]。在不同时间尺度上,这种混合型深水沉积体系在沉积作用下表现为三种形式(图9):1)在短期尺度上,海底扇的重力流水道与底流发生交互作用,表现为海底扇主水道单向迁移的特征,并形成底流型天然堤漂积体;2)在中期尺度上,受侧向底流持续改造,使得海底扇的朵叶体沿底流方向偏转,甚至局部改造为孤立的沙波或沙丘;3)在长期尺度上,长期持续稳定的底流沉积作用形成丘状漂积体,阵发重力流所形成的海底扇展布受到丘状地貌限制,其水道亦表现顺底流流向侧向迁移的特征[73]

        图  9  不同时间尺度的海底扇与底流交互作用概念模式(据文献[73]修改)

        Figure 9.  Conceptual depositional and process models for the interaction of submarine fans and bottom currents at different temporal scales (modified from reference [73])

        东非莫桑比克海底扇是一个典型的重力流—底流混合型海底扇体系研究对象[73-74]。以莫桑比克鲁伍马盆地珊瑚大气田始新统为例,该研究区发育优质深水砂岩储层(厚度超过100 m)。其始新统目的层位RGB分频融合振幅属性图对沉积物波、漂积朵叶体、水道相关漂积体均有较好的显示效果(图10),表明向北流动的底流对海底扇水道和朵叶体具有持续改造作用。与正常海底扇相比,其沉积产物的成熟度更高,双向流水成因的沉积构造相对发育,是更为理想的深水油气勘探目标[73]

        图  10  莫桑比克海域鲁武马盆地珊瑚气田始新统珊瑚层序最大海泛面RGB融合属性图(a)及其地震地貌学解释(b)(据文献[73]修改)

        Figure 10.  Maximum flooding surface of Eocene coral sequence in coral gas field, Rovuma Basin, offshore Mozambique

      • 海底沉积物失稳和海洋动力过程是形成海底扇内源型重力流的主要成因机制,反映了陆架沉积物再搬运的沉积作用。由这一类触发机制所形成的海底扇主要由经过短时间尺度的中途暂存(stored)、具有再旋回(recycled)特征的沉积物所组成的。富泥型海底扇通常属于缓冲型“源—汇”系统,其沉积物路径系统距离相对较长(表1)。碎屑沉积物所记录的源区环境信号在“源—汇”传输过程中历经一定的缓冲期,造成原始信号损失严重,无法反演物源区的环境信号特征[75-76]。短距离搬运的富砂型海扇则更有可能由洪水型异重流(外源型重力流)形成,其沉积物中记录的源区环境信号的传输效率及保存程度均相对较高。海底扇沉积物所保留的物源信号与河口沉积物的信号相似程度较高,间接反映了河口沉积物供给的变化趋势,因此能够相对完整地记录母岩区性质和环境信号特征,属于响应型“源—汇”系统[75,77]。通过碎屑锆石U-Pb定量示踪、Sr-Nd同位素组成、低温热年代学、沉积物质量平衡分析等多种途径能够精细表征外界环境信号在“源—汇”体系中的传输过程,从而系统性分析影响海底扇“源—汇”系统运转的主控因素[77-78]

      • 海底扇体系为获取陆地的长期剥蚀历史提供了良好的契机[79]。在主动陆缘构造背景下,活动造山带为其海底扇体系中提供了巨大通量的碎屑沉积物,其中蕴含很多构造信息。在板块构造和盆地动力学尺度上,在该构造背景下发育的海底扇沉积反映了深海—半深海的沉积环境,是古洋盆发育的重要证据[80-81]。海底扇沉积速率的变化是板块碰撞和盆地演化的重要证据。因此,孟加拉扇和印度扇沉积学研究为印亚板块碰撞和青藏高原隆升提供了良好约束[82-83]。由于主动陆缘构造变形强烈,地震作用频繁,很多主动陆缘型海底扇的形成与地震活动密切相关。在露头和岩心尺度上,其沉积序列和沉积构造开展精细的过程沉积学分析已经逐渐成为古地震震级和烈度恢复的重要途径之一[84-86]

        大型细粒海底扇沉积物中保留了不同时间尺度古气候记录[17]。除了自旋回沉积作用之外,海底扇的粒度分布、垂向叠置样式、朵叶体侧向摆动频率、朵叶体间泥页岩厚度等特征均与短期尺度(<103年)的气候变化密切相关。而中—长期尺度(104~106年)造成的气候变化(如温室—冰室气候、古季风强度)则直接影响了海底扇的主要供源体系和成因机制(如内源型和外源型重力流沉积作用[87]),正逐渐成为古气候学的热门研究对象,也是近年来国际大洋发现计划(IODP)重要的潜在钻探区域(如孟加拉扇、印度扇、亚马逊扇等)。

      • 人类世以来的沉积物中蕴含了大量人类社会生产活动的信息[88],微塑料丰度是其中一个较为重要的指标(图11)。目前针对海洋沉积物微塑料来源解析的研究多集中于滨浅海沉积环境[89]。深海乃至海沟沉积中微塑料的发现表明目前微塑料污染已经遍布全球,成为刻不容缓、亟待解决的环境问题,其相关研究却相当匮乏。与洪水型异重流供源相关的海底扇也可能成为全球微塑料重要储库之一(图2[26]。最新报道显示,地中海海底峡谷浊流中的微塑料丰度最高达60粒/50g,其富集程度已达到中等偏高水平[90]。微塑料形态和沉积特征与沉积物中的植物碎屑相似,相关水槽实验揭示微塑料主要富集于海底扇天然堤、朵叶体边缘的沉积单元中[58]。从另一个角度来看,微塑料颗粒和大型塑料制品在海底峡谷和海底扇中的展布特征是现代海底扇成因机制的间接反映[91]

        图  11  现代海底扇沉积物物源、搬运通道及环境效应示意图(据文献[58]修改)

        Figure 11.  Sediment source and transport pathway of modern submarine fan and its environmental effect (modified form reference [58])

        与此同时,海底扇是海洋中非常重要却常被忽视的碳汇场所,能够使其沉积物中的颗粒有机碳(POC)实现快速埋藏[92]。植物和土壤有机碳是大气CO2碳汇的一部分,直接参与全球碳中和过程,其环境效应是巨大的。例如,末次盛冰期以来刚果扇沉积物中的植物有机碳占总有机碳约四分之一[94]。我国台湾高屏溪中的植物和土壤有机碳年均通量达97.1±60.9×103 T[95],其中很大一部分能够直接埋藏在高屏峡谷—海底扇体系,从而实现天然的碳封存。因此,有效评估现代海底扇沉积物中的植物和土壤有机碳含量对于碳账户的收支平衡具有重要的意义。目前很多海底扇有机碳的定量评估研究尚处于起步阶段,在“双碳战略”推动之下则显得尤为必要。

      • 半个多世纪以来,关于深水重力流沉积过程和海底扇相模式的讨论和争议不断,极大推动了现代沉积学的发展,加速了深水油气勘探工业化进程。事实上,海底扇沉积作用远比想象的复杂。随着海底观测技术手段飞速发展,更为合理和多样的海底扇沉积模式将会不断涌现,被用于古代海底扇沉积的过程沉积学研究之中。未来的古代海底扇研究应当注重沉积学与古气候学、盆地动力学、古地震学、地球化学等学科交叉,借助多种分析测试技术深入挖掘沉积记录的多重指示意义,为古地理和古气候重建提供新的思路。针对现代海底扇而言,在沉积学研究基础上,应当着重关注其环境生态学意义,量化海底扇对于人类社会环境管控、碳减排的重要价值。

    参考文献 (95)

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