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沉积故事 深水源-汇系统对多尺度气候变化的过程响应与反馈机制

发布日期: 2021-07-30 阅读次数:
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龚承林

“到底多大尺度的环境信号能够被源-汇系统所响应记载”是个有趣且有意的问题。譬如,为何发生在2011年3月11日的东日本大地震能够引起海域沉积物的搬运和堆积而今日刮风明日下雨沿海天气变化却令海域“无风也无浪”?。

一、引言

“从剥蚀区形成的沉积颗粒进入被称之为由源到汇的系统中并最终沉积下来的源-汇系统研究”和“从沉积记录研究地质历史时期的地球古气候变化及重大地质事件并为未来气候预测提供依据的深时古气候研究”(图1),不仅是许多重大国际地球科学研究计划的重要命题,同时也是中国沉积学发展的战略方向。德国联邦教育与研究部资助实施的智利陆缘102,156和161航次也以“气候变化的深水沉积响应”为核心科学问题。此外,国际沉积地质学会2020年沉积地球科学国际会议设置了“沉积记录中的气候变化”分会场,并得到了高度关注。不难看出,揭示多尺度气候变化是如何调控沉积物在外陆架-深水盆地的搬运-分散-堆积过程是当前沉积学领域的热点和新动向,并将有望在今后的数年内取得更大的进展。

图1 (A)源-汇系统组成要素;(B)不同研究手段的适用范围;(C)不同类型气候信号的响应尺度;(D)不同记录载体的时间尺度和分辨率(据Ruddiman, 2001修改)

二、深水源-汇系统的类型划分及其形成条件

由陆到洋的源-汇系统一般由物源区、过渡区和沉积区构成(图1A和2),过渡区对环境信号具有“过滤效应”,换言之“并非所有的气候信号(如今日刮风、明日下雨的高频低幅天气变化)都能够被深水源-汇系统响应”。据此,我们将“过渡区对气候信号的过滤,使其破坏甚至消失,从而不被深水源-汇系统所响应的效应”称之为源-汇系统的滤波效应(图2)。

过渡区对气候信号的滤波效应取决于信号的驱动时间尺度(Tp)与系统的响应时间尺度(Teq,指沉积物分散系统达到新的平衡状态所需要的时间)之间的大小关系。自然界气候信号存在4种时间尺度:边界地质条件长期变化引起的百万年跨度的构造尺度(Tp = 106~9年),太阳辐射变化驱动的十万年跨度的轨道尺度(Tp = 104~5年),几百年到上万年的亚轨道尺度(Tp = 103~4年)和年代际以及更短时间跨度的人类尺度(Tp ≤ 103年)(图1C和1D)。当“Tp ≥ Teq”时,气候信号能够被沉积记录所记载;而当“Tp ≤ Teq”时,气候振荡信号往往在沉积物分散系统中被“淹没”。据此,我们将不能响应亚轨道-人类尺度气候信号(Teq ≥ 104年)的深水源-汇系统称之为“迟滞响应深水源-汇系统”(图2A),而将能够响应亚轨道-人类尺度气候信号(Teq ≤ 104年)的深水源-汇系统称之为“瞬态响应深水源-汇系统”(图2B)。

图2 可容空间驱动的缓冲响应源-汇系统(A)和物源供给驱动的瞬态响应源-汇系统(B)的组成要素

当“陆架宽度≥50 km且无峡谷水道延伸到内陆架或河口”或“冰室气候期”时,沉积物分散系统的过渡区较宽,响应时间尺度较长(Teq ≥ 104年),常常不能对亚轨道-人类尺度的气候波动做出响应,往往形成“迟滞响应”源-汇系统。而当“陆架宽度≤20~50 km、峡谷头部和河口相接/相近、温室气候或三角洲越过陆架坡折”时,沉积物分散系统的过渡区较窄,响应时间尺度往往较短,一般形成“瞬态响应”源-汇系统。

三、迟滞响应深水源-汇系统对多尺度气候变化的过程响应

在迟滞响应源-汇系统中(如珠江源-汇系统和尼日尔三角洲盆地),粗粒沉积物在外陆架-深水盆地的搬运-分散过程符合经典层序地层学理论,主要受可容空间变化的驱动。迟滞响应源-汇系统忠实地响应、反馈了构造尺度的气候事件(如中中新世变冷事件和中更新世气候革命)(譬如,如图3所示中中新世变冷事件造成大规模海平面下降驱动古珠江迁徙驻留在外陆架,进而向深水中输运卸载粗碎屑颗粒形成海底扇)和轨道尺度的气候变化(如冰期-间冰期旋回)(譬如,如图4所示冰期粉沙层相对发育)。小尺度的亚轨道-人类尺度的气候波动,在海平面上升的高位期和海侵期往往不被深水沉积所响应。

(1)构造-轨道尺度(≥104年)气候变化的深水源-汇过程响应

构造尺度的中中新世变冷事件(MMC):在中中新世,南极冰盖逐渐扩张并永久性形成,气候也随之显著变冷,这一事件被称之为“中中新世变冷事件”。该这一气候事件使物源区机械风化作用加强,与此同时南极冰盖的扩张导致海平面大规模下降(最大幅度可达80 m)。大量沉积物(尤其是粗粒沉积物)在中中新世由物源区被搬运到珠江口外陆架和前方的深水区(图3),在白云深水区形成一大型富砂的陆架边缘三角洲-海底扇沉积体系(图3)。

图3 珠江口盆地中中新世区域地震剖面和连井沉积相对比剖面揭示了中新世珠江陆架边缘三角洲-深水扇源-汇系统的沉积特征

轨道尺度的冰期-间冰期旋回:在104-5年尺度的轨道尺度上,气候变化最为显著的特征是冰期、间冰期的周期性出现。陈芳等(2013)认为白云深水区的更新世沉积速率从3.14到5.74 cm/kyr不等,据此推测珠江峡谷的6个柱状样中沉积物的年龄从6.42到21.41 kyr不等(图4A-4E)。其中如图4B-4D所示的柱状样GC19,GC20和GC21中的沙层形成于MIS1和3末次冰期,而如图4A所示的柱状样GC18中的沙层则主要形成于MIS2亚冰期。MIS1和3末次冰期间夏季风增强、气候润湿,化学风化作用和河流搬运能力较强,沉积物供给高;高速沉积物供给能够抑制相对海平面上升,使得沉积物搬运到外陆架和白云深水区(图4F和4G)。在这一高沉积物供给背景下,所形成的陆架边缘三角洲越过陆架坡折达10-15 km,并和陆坡水道相连接,形成联通而顺畅的由源到汇的沉积物分散系统,使得在海平面上升的间冰期也发育浊积沙(图4)。

(2)亚轨道-人类尺度(≤104年)气候变化的深水源-汇过程响应

尼日尔三角洲盆地陆架宽约50-100 km,陆坡水道终止在现今陆架坡折,为一典型的迟滞响应源-汇系统。该深水源-汇系统中,沉积物在外陆架-深水盆地的分散-堆积过程不能够真实?地记载反馈亚轨道-人类尺度的气候变化。在深海氧同位素MIS5时期,尼日尔源-汇系统的物源区以润湿气候为主,润湿气候使得物源区的化学风化作用增强、河流搬运能力增强;但宽阔的陆架和同期的海平面快速上升使得润湿气候所造成的不太通顺,从而导致深水水道内浊流活动停止,水道废弃。在深海氧同位素MIS3时期,海平面下降,使得尼日尔陆坡水道中的浊流活动加剧且发育富砂沉积。

四、瞬态响应深水源-汇系统对多尺度气候变化的过程响应

在瞬态响应源-汇系统中,粗粒沉积物在外陆架-深水盆地的搬运-分散过程偏离经典的Exxon层序地层学理论,主要受沉积物供给的驱动。不论海平面是上升亦或下降,任何能够诱发沉积物供给变化的气候波动(如渐新世初大冰期事件、末次冰期和间冰期以及强台风和风暴),都可以被深水沉积所响应。

(1)构造-轨道尺度(≥104年)气候变化的深水源-汇过程响应

在东非陆缘瞬态响应源-汇系统中,渐新世初大冰期事件所导致的气候明显变冷被鲁武马盆地渐新世海底扇所纪录。具体来说,在如图5所示的东非渐新统连井剖面上,1井和5井暖水中浮游有孔虫和钙质超微化石的丰度显著降低,是渐新世初大冰期变冷事件作用的结果。相较于以灰绿色泥岩为主的始新世海底扇,渐新世初大冰期形成的海底扇以中粗砂岩为主;这一海底扇岩性变化可能响应于寒冷干燥气候(图5)。干冷的气候使非洲大陆机械风化作用加强,并伴随着海平面急剧下降,从而导致更多的陆源物质(尤其是粗粒物质)由源到汇输送搬运到鲁武马深水区,形成富砂的海底扇(图5)。

图4 (A-E)珠江峡谷内重力活塞样在冰期和冰消期形成的浊积沙;(F-H)深海氧同位素阶段MIS1-12期以来的海平面变化曲线(据Miller et al., 2005)、磁化率曲线(数据据Guo et al., 2009)和珠江深水浊流活动史

(2)亚轨道-人类尺度(≤104年)气候变化的深水源-汇过程响应

在我国台湾的高屏瞬态响应源-汇系统中,亚轨道尺度的末次冰期和间冰期以及人类尺度的台风事件对峡谷内的浊流活动有明显的调制作用。Yu et al. (2017) 研究表明MD3291柱状样34.0-15.3 m深度段仅出现两层薄粉砂层和一层厚砂层,其年龄跨度为26205-12310年(末次沃姆冰期);而15.3 m海底深度段累积出现四十余层浊积粉砂和一层厚约几十厘米的浊积沙,其形成年龄跨度为12310–60年(末次间冰期)。Yu et al. (2017) 将这一“海平面下降的末次冰期浊流频次少活动弱-海平面上升的末次间冰期浊流频次多活动强”现象归因于末次间冰期以来的温润气候及其所伴随的充沛的降雨。Zhang et al. (2018) 在高屏峡谷水深2104 m的TJ-G断面处长达3.5 年内共监测到16次以“高沉积物通量、高悬浮物浓度、温度增加但盐度降低”的浊流事件(图6A-6E),这16次浊流事件与区域地震活动并无匹配关系,而是由途径台湾的16次强台风所致(图6)。

图5 鲁武马盆地区域连井剖面(修改自陈宇航等,2017[57])及其与古气候事件(引自Zachos et al., 2001)的对应关系

五、深水源-汇系统对多尺度气候变化的响应机制

迟滞响应源-汇系统中沉积物在深水中的搬运-分散过程符合经典的Exxon层序地层学理论,主要受到可容空间的驱动(图2A)。在构造和轨道尺度上,全球变冷冰室气候期浊流活动较强、形成的沉积体相对富砂,而全球增温暖室气候期则使得浊流活动较弱,形成的沉积响应相对局限且富泥;在亚轨道-人类尺度上,气候信号往往被快速海平面上升所“淹没”,对迟滞响应源-汇系统的深水沉积物搬运-分散过程没有调制作用(图2A)。

瞬态响应源-汇系统对物源供给的变化则更为敏感,气候变化能否在深水中被记载取决于其能否诱发沉积物供给的变化(物源供给驱动)(图2B)。不论是构造-轨道尺度的气候变化还是亚轨道-人类尺度的气候波动,只要其能够诱发沉积物供给的脉动,它们都能够在瞬态响应源-汇系统中“雁过留痕,风过留声”(图2B)。

图6 (A-E)高屏峡谷TJ-G观察点的16次浊流活动的沉积物捕获量(C和D)和悬浮物浓度(E)及其与区域地震活动(A)以及河流径流量(B图中蓝色的线)的关系(据Zhang et al., 2018)

 

本文作者系中国石油大学(北京)地球科学学院教授。本文属作者认识,相关问题交流可通过邮箱(chenglingong@cup.edu.cn)与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。


主要参考文献

[1]  Gong, C., Blum, M.D., Wang, Y., Lin, C., Xu, Q., 2018. Can climatic signals be discerned in a deep-water sink?: An answer from the Pearl River source-to-sink sediment-routing system. GSA Bulletin, v. 130, p. 661–677.

[2]  Guo, Z., A. Berger, Q. Z. Yin, and L. Qin, 2009. Strong asymmetry of hemispheric climates during MIS-13 inferred from correlating China loess and Antarctica ice records: Climate of the Past, 5, 21–31.

[3]  Miller, K.G., Kominz, M.A., Browning, J.V., Wright, J.D., Mountain, G.S., Katz, M.E., Sugarman, P.J., Cramer, B.S., Christie-Blick, N., Pekar, S.F., 2005. The Phanerozoic record of global sea-level change. Science, v. 310, p. 1293–1298.

[4]  Ruddiman, W.F., 2001. Earth’s Climate: Past and Future. W.H. Freeman & Sons, New York.

[5]  Yu, S-W., Tsaia, L.L., Talling, P.J., Lin, A.T., Mii, H-S., Chung, S-H., Horng, C-S., 2017. Sea level and climatic controls on turbidite occurrence for the past 26 kyr on the flank of the Gaoping Canyon off SW Taiwan. Marine Geology, v. 392, p. 140–150.

[6]  Zachos, C.J., Thomas, E., 2001. Trends, Rhythms, and Aberrations in Global Climate 65 Ma to Present. Science, v. 292, p. 686-693.

[7]  Zhang, Y., Liu, Z., Zhao, Y., Colin, C., Zhang, X., Wang, M., Zhao, S., Kneller, B., 2018. Long-term in situ observations on typhoon-triggered turbidity currents in the deep sea. Geology, v. 46, p. 675–678.

[8]  陈芳,苏新,周洋.南海神狐海域水合物钻探区钙质超微化石生物地层与沉积速率[J].地球科学—中国地质大学学报,2013, 38 (1): 1–9.

[9]  陈宇航,姚根顺,吕福亮,等.东非鲁伍马盆地渐新统深水水道-朵体沉积特征及控制因素[J].石油学报,2017,38 (9):1047–1058.

[10] 龚承林,齐昆,徐杰,等.深水源—汇系统对多尺度气候变化的过程响应与反馈机制[J].沉积学报, 2021, 39(01): 231–252. 

 


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