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沉积故事 于山之巅,寻海之渊:雅鲁藏布海沟沉积

发布日期: 2021-03-20 阅读次数:
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胡修棉

       

一、海沟与海沟沉积

渊者,水之深处也。地球的表面~70%为海洋,海之极深位于海沟。海沟,顾名思义,指海底的沟壑,地理学上一般指水深超过6000 m的海底长条形凹型地貌。在地质学上,海沟指板块俯冲过程中,在上板块和下板块界线处形成的"V"字型凹陷地带。现今地球上共有36条海沟,其中28条分布在太平洋,5条分布在印度洋,3条分布在大西洋(图1),海沟总长度大约5万5千公里,是地球周长的1.4倍(李三忠等,2020)。海水最深的海沟为马里亚纳海沟。2020年11月10日,我国自主研发的“奋斗者”号载人潜水器成功在马里亚纳海沟坐底,潜深10909米,创造了中国载人深潜的新纪录,引起全社会的高度关注。

图1 全球主要海沟系统的分布(李三忠等,2020)

海沟盆地通常呈弧形或线形平行于俯冲带分布。由于海沟盆地的海水很深,一般超过或接近碳酸盐补偿深度(CCD面,在此界面之下碳酸钙因压力增加导致溶解),海沟沉积的一个重要特点是缺乏碳酸盐岩,背景沉积以硅质岩、硅质页岩为主。同时,由于海沟盆地往往具有陡峭的盆地边界(尤其是上板块边缘的坡度一般超过5°,有的甚至达到30°),加之俯冲带地震频发,海沟沉积的另一个特点是广泛发育重力流沉积(图2,Underwood和Moore, 1995),包括浊流、碎屑流、滑塌、滑移等(Thornburg和 Kulm, 1987)。

 

图2 海沟盆地中主要的沉积过程及典型的向上变粗的沉积序列,修改自Underwood和Moore (1995)

深度超过数千米的海沟,沉积物来自哪里呢?现代海洋调查表明海沟沉积物有两种来源(肖春晖等,2017):一种是上板块陆源碎屑输入。碎屑沉积物通过河流-三角洲-海底扇体系进行搬运,最终到达海沟。例如源自台湾省中央山脉的沉积物经西部河流搬运入海,之后通过开屏海峡,到达马尼拉海沟。另一种为悬浮沉降。如沙尘或大海里的生物碎屑经重力沉降最后落入海沟。据初步估计,现今海沟系统的沉积物中,陆源碎屑输入(黏土和砂岩)约为10.8亿吨/年,占总沉积物通量的76%;碳酸钙、蛋白石(硅质)输入分别为2.2亿吨/年和1.3亿吨/年,分别占总沉积物通量的15 %和9 %(Rea和Ruff,1996)。

二、雅鲁藏布海沟沉积

长期以来,科学界对于海沟盆地沉积作用的了解非常有限。一方面,现今大洋俯冲带海沟盆地水体极深,很难进行长期的观察和大规模的采样,研究仅依赖地球物理资料和少量的岩石学、沉积学和地层学信息(肖春晖等,2017)。另一方面,地质历史时期的海沟盆地沉积在后期卷入增生楔或造山带,遭受了强烈的后期构造变形,原始的沉积信息被破坏。因此,在古老的碰撞造山带中识别和研究海沟盆地一直存在巨大的挑战。

幸运的是,近年来,国内外学者在西藏喜马拉雅地区雅鲁藏布缝合带中段(图3)先后识别出多套海沟沉积,为造山带海沟沉积的研究提供了很好的范例。我们在最近《中国科学:地球科学》的文章中系统地介绍了雅鲁藏布缝合带海沟沉积的基本特征,提出了识别这类沉积盆地的主要依据(胡修棉等,2020)。具体内容读者可以参阅原文。这里让我们先来一睹雅鲁藏布江沿线新特提斯海沟沉积的芳容吧。

 

图3 拉萨地体和雅鲁藏布缝合带地质简图,修改自Laskowski等 (2019)

红色符号表示识别出来的海沟盆地的位置,灰色符号为做过物源分析的弧前盆地剖面。

如果要推荐一个海沟沉积的地质旅游观察点,日喀则地区萨嘎县城南侧雅鲁藏布江畔当之无愧。在这里可以看到两套海沟沉积地层:罗岗错组、桑单林组-者雅组,分别形成于大洋俯冲阶段和陆-陆碰撞早期阶段。

(1)罗岗错组

罗岗错组沉积于晚白垩世(迄今大约八千万年前)新特提斯洋俯冲时期(An 等, 2018)。这种海沟盆地类似于现今东太平洋侧的海沟,一侧是下插的大洋板块,一侧是大陆板块。罗岗错组的整体厚度超过100米,基底未知。罗岗错组的岩石组成包括砾岩、含砾砂岩、砂岩和泥质岩,不同露头的岩石组合差别很大。罗岗错组的沉积作用主要为深水条件下的碎屑流或高密度浊流,伴随着滑塌或崩落。沉积物中的砾石主要为硅质岩,另含少量砂岩和灰岩,分选和磨圆度差,可能为俯冲增生楔的再选回沉积;砂质浊流主要由火山碎屑组成,可能直接来源于冈底斯。白垩纪中期,拉萨地体隆起,大量陆源碎屑通过海底峡谷跨过日喀则弧前盆地搬运至海沟盆地,这是罗岗错组形成的主要原因。

 

图4  雅鲁藏布江上游萨嘎地区,两侧为罗岗错组 (照相:胡修棉,2012-5-15)

图5 罗岗错组野外工作照片。每到夏季,印度季风携带暖湿气流翻过喜马拉雅山脉,每天下午阴云和阵雨如期到达雅鲁藏布江地区。丰沛的降雨让雅江两岸成为良好的天然牧场。(照相:胡修棉,2008-7-19)

 

图6 罗岗错组野外剖面实测,前测手李娟,后测手安慰(照相:胡修棉,2012-5-14)

图7 罗岗错组野外照片,显示由砾岩、含砾粗砂岩和砂岩构成的向上变细的韵律层,砾石包括硅质岩、砂岩和灰岩(照相:胡修棉,2012-5-14)

 (2)桑单林组-者雅组

桑单林组和者雅组建组于著名的桑单林剖面。该剖面位于萨嘎县城沿G216向南约7公里的桑单林村附近。与蹬岗组不同,桑单林组-者雅组沉积于印度大陆北缘深水沉积地层(蹬岗组)之上,表明在它们沉积时期印度-亚洲大陆已经发生初始碰撞(胡修棉等,2017)。桑单林组-者雅组主体为一套连续的浊流沉积,整体厚度超过500米。下部桑单林组以紫红色硅质页岩为背景沉积,其中穿插石英砂岩和岩屑砂岩浊流沉积。物源分析表明石英砂岩的物源区为南侧印度大陆,而岩屑砂岩的物源区为北侧的亚洲大陆冈底斯弧。二者同时出现表明这一时期两侧物源可同时到达海沟。上部者雅组由薄层至厚层的浊积砂岩、黑色页岩组成,夹少量硅质岩和硅质页岩。在地层中,多处出现滑塌沉积,滑塌岩块包括砂岩、砾岩和灰岩等。整体看来,桑单林组-者雅组砂岩层向上变厚、变粗,表明碎屑物质输入逐渐增加。

图8 萨嘎桑单林剖面远观图,谷地为地方政府为牧民新建的安居房 (照相:胡修棉,2008-7-20)

图9 桑单林组的背景沉积——紫红色硅质页岩,缺乏碳酸盐岩,沉积于CCD面之下(照相:胡修棉, 2009-4-19)

图10 桑单林组紫红色硅质页岩夹石英砂岩(下部,灰白色,薄层)和岩屑砂岩(上部,灰绿色,中层)(照相:王建刚)

图11 桑单林剖面者雅组下部中薄层灰白色、灰黑色页岩和浊积砂岩互层。灰白色页岩中含钙质成分,从中发现的钙质超微化石把地层时代精确限定为~59±1Ma(照相:胡修棉, 2009-4-20)

图12 桑单林剖面者雅组上部地层中的滑塌砾岩岩块(照相:胡修棉,2008-7-20)

图13 桑单林剖面者雅组上部地层中的滑塌含苔藓虫灰岩岩块(照相:胡修棉,2008-7-20)

 三、造山带海沟盆地的识别特征

通过对雅鲁藏布缝合带海沟沉积的研究,我们初步总结了造山带海沟盆地的沉积特征,包括:

(1)水深通常位于CCD面之下,以硅质和黏土质背景沉积为特征,缺乏钙质沉积;

(2)因位于构造结合带,重力流沉积广泛发育,包括浊流沉积、碎屑流沉积、滑塌沉积;

(3)碎屑物质主要来自上覆板块,包括上板块基底岩石、火山弧和早期的俯冲杂岩;古水流方向可以垂直海沟,也可以平行海沟;

(4)往往具有向上变粗的沉积旋回。从硅质岩、黏土岩为主过渡为以浊积砂岩为主;

(5)在地理分布上,海沟盆地平行于缝合带呈线分布;

(6)由于受大洋俯冲增生作用和随后的大陆碰撞作用影响,构造变形强烈。

需要注意的是,一个陆源碎屑供给充足的、成熟的增生型“沟-弧”体系是海沟盆地形成和保存的必要条件。然而,并非所有的海沟盆地都能满足这样的条件。在构造侵蚀型的活动大陆边缘,譬如现今太平洋西侧以及东侧的大部分,海沟盆地形成后被迅速破坏,绝大部分的海沟沉积物被俯冲消减,难以保存。因此,并非所有造山带内部都发育海沟盆地。

 读到这,想必大家对雅鲁藏布海沟沉积有了一个初步的认识吧。下一次路过后藏重镇萨嘎县城时,别忘了亲自探访海沟沉积哦,说不定有意外发现哦!

 作者系南京大学地球科学与工程学院教授。E-mail: huxm@nju.edu.cn.

参考文献

[1]     胡修棉, 安慰, Garzanti E, 刘群. 2020. 碰撞造山带海沟盆地的识别——以雅鲁藏布缝合带为例. 中国科学: 地球科学, 50: 1893-1905.

[2]     胡修棉, 王建刚, 安慰, Garzanti E, 李娟, 2017. 利用沉积记录精确约束印度-亚洲大陆碰撞时间与过程. 中国科学: 地球科学, 47: 261-283.

[3]     李三忠, 索艳慧, 朱俊江,等, 2020. 海沟系统研究的进展与前沿. 中国科学: 地球科学, 50(12): 1874-1892.

[4]     肖春晖, 王永红, 林间. 2017. 海沟沉积物研究进展. 热带海洋学报, 36: 27-38.

[5]      An W, Hu X M, Garzanti E. 2018. Discovery of Upper Cretaceous Neo-Tethyan trench deposits in south Tibet (Luogangcuo Formation). Lithosphere, 10: 446-459.

[6]      Orme D A, Laskowski A K, Zilinsky, M F, Chao W, Guo X, Cai F, Din L. 2020. Sedimentology and provenance of newly identified late Cretaceous trench-basin strata, Dênggar, Southern Tibet: Implications for development of the Eurasian margin prior to India-Asia collision. Basin Res, as doi:10.1111/BRE.12521.

[7]      Rea D K, Ruff L J. 1996. Composition and mass flux of sediment entering the world’s subduction zones: Implications for global sediment budgets, great earthquakes, and volcanism. Earth Planet Sci Lett, 140: 1-12.

[8]      Thornburg T, Kulm L. 1987. Sedimentation in the Chile Trench: Depositional morphologies, lithofacies, and stratigraphy. Geol Soc Am Bull, 98: 33-52.

[9]      Underwood M, Moore G. 1995. Trenches and Trench-slope basins. In: Busby C J and Ingersoll R V, ed. Tectonics of Sedimentary Basins. Cambridge, Massachusetts: Blackwell Science. 179-219.


 


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