南海北部深水底流沉积作用-邵磊

中国科学D辑:地球科学
2007年第37卷第6期: 771~777
收稿日期: 2006-03-14; 接受日期: 2006-08-31
国家重点基础研究发展计划(编号: 2000078500)和国家自然科学基金(批准号: 40276019, 40238060)资助项目《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS
南海北部深水底流沉积作用
邵磊①*李学杰②耿建华①庞雄③雷永昌③
乔培军①王嘹亮②王宏斌②
(①同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092; ②国土资源部广州海洋地质调查局, 广州 510075;
③中国海洋石油(中国)有限公司深圳分公司, 广州 510240)
摘要南海北部深水陆坡区存在极为活跃的深水底流沉积作用. 通过浅地层地震剖面解释发现, 该地区由于深水底流的搬运作用, 在水深1000~2700 m左右的陆坡地带形成NE-SW向分布的迁移水道. 在水道东侧断续形成由东北向西南方向推进的高沉积速率堆积体, 堆积体内部叠加层呈NE-SW向前积堆积特征, 由牵引流沉积而成. 发育在东沙群岛东南侧的高沉积速率堆积体就是其中之一, 其12 ka以来沉积速率高达97 cm/ka, 是南海目前所知沉积速率最高的海区. 地震剖面显示, 该深水底流极有可能是由进入南海的西太平洋环流演变而成, 挟带南海北部来源的沉积物沿大陆坡由东北向西南方向搬运沉积, 最终消失在中央海盆中. 由于深水底流作用的存在, 造成南海北部深海区复杂的搬运沉积格局.
关键词深水底流深海沉积沉积堆积体浅地层剖面南海
深海中由于深水底流(Deep-water bottom current)稳定的搬运沉积作用往往形成沉积速率极高的沉积堆积体[1], 成为深水油气及天然气水合物的理想储集场所, 使得近年来有关深水底流及其沉积作用的研究明显增多, 成为深海沉积学研究中的热点问题[1~8]. 1994年德国太阳号“Sonne95”航次首次在中国南海北部陆坡取得1315 cm长的岩芯柱(SO17940)[9], 通过δ 18O年代与AMS14C测年相结合, 测得该站40 ka以来沉积速率达33 cm/ka[10]. 1999年ODP184航次在该海区更取得51 900 cm的连续柱状岩芯(ODP1144孔), 1050 ka以来平均沉积速率高达49 cm/ka[11]. 2005年法国“Marion Dufresne”在南海开展的Marco-Polo航次中从该海区获取1192 cm 长的箱式柱状岩芯(MD05- 2905), 其12 ka来沉积速率更是高达97 cm/ka, 是南海目前所知沉积速率最高的海区, 沉积速率之高在全球深海沉积中也十分罕见.通过ODP1144孔研究发现, 构成该堆积体的沉积物成分以陆源物质为主, 碳酸盐含量10%~20%, 含少量生物硅(<5%), 成分分布均匀, 在对ODP1144孔及MD05-2905孔所取岩芯观察表明, 该堆积体沉积时生物扰动作用发育, 未见滑塌构造及块体搬运沉积作用的证据[11~13]. 因此, 查明该沉积堆积体形态及成因对正确认识南海北部深海沉积物搬运沉积过程十分重要. 本文拟采用地质与地震剖面解释相结合的方法对这一问题进行探讨, 研究中观察解释地震剖面约3600 km, 所用沉积柱状样及地震剖面位置示于图1.
1沉积体堆积形态
1994年德国太阳号“Sonne95”航次在南海北部陆坡区获取大量浅地层地震剖面. 在NW-SE向横穿该区的地震剖面上可以明显看出东沙隆起区斜坡带上
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图1 南海北部沉积柱状样及地震剖面位置图
部存在明显的沉积缺失, 紧邻缺失带东侧为沉积厚度较大的沉积堆积体, 在地形上形成类似堤坝的正向沉积层, 向东南方向沉积物厚度逐渐减薄, 演变为正常深海沉积(图2). 地震剖面显示, 穿过沉积堆积体的地震反射同相轴连续性好, 分辨率高, 没有沉积间断及后期构造运动的破坏, 在靠近东沙隆区一侧堆积体上部的沉积层中, 还能看到因牵引流搬运沉积形成的反射层细层之间交错的现象(图3), 并且NE-SW 向地震剖面揭示沉积层由波状反射层组成, 叠加层特征显示其为NE-SW 向前积型堆积体
[11]
. 在
对ODP1144站以及MD05-2905孔所取岩芯观察中未发现浊流等沉积物重力流沉积的特征, 在对ODP1144站高分辨率古海洋学研究中也证实其属牵引流沉积的产物[14]. 因此, 该堆积体应当是一个由东北向西南方向推进的牵引流沉积体.
该区多条地震剖面显示, 南海北部陆坡区发育大量水道, 除通常存在的从陆架切割陆坡延伸到深海的水道外, 还存在一个NE-SW 向由浅到深斜穿陆
架等深线的水道, 其从东北方向水深1000 m 左右向西南方向延伸到东沙隆起南侧水深2700 m 左右, 水道发育位置逐渐变深, 水道深度在不同地区略有差别, 部分地段可以看到水道对已有沉积层的切割现象(图4), 水道边侧普遍发育类似堤坝的正向堆积体, 而在地形较陡的陆坡地区, 水道则主要沿陆坡发育, 造成类似东沙隆起区斜坡带上部的沉积缺失(图2), 在其下方则发育堆积速率极高的沉积堆积体. 同时发现, 南海北部深海陆坡区高沉积速率堆积体主要沿深水底流水道东侧发育, 从东北往西南方向呈类似堤坝的正向地形延伸, 消失到南海中部深海盆地中(图5).
2 堆积体沉积速率
近十年来在该沉积堆积体上钻取了一系列沉积柱状岩芯, 由于岩芯长度及时间跨度不同, 所得出的沉积速率存在较大差异, 如SO17940孔40 ka 以来沉积速率为33 cm/ka, ODP1144孔1050 ka 以来平均沉积
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图2 南海北部东沙隆起区斜坡带浅地层地震剖面显示堆积体形态, 向东南方向演变为正常深海沉积
图3 东沙隆起区西南陆坡高沉积速率堆积体内部反射层之间显示细层之间相互交错的现象, 为牵引流搬运形成的产物
(据文献[11]修改)
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图4 南海北部陆坡区地震剖面显示深水底流水道(a)~(e)及对已有沉积层的切割现象(a)
图4(c)据Luedmann 等[21]修改
速率为49 cm/ka, 而MD05-2905孔12 ka 以来沉积速率则高达97 cm/ka. 如果按照1.2万年和4万年两个时间尺度对这些柱状岩芯分别计算沉积速率, 则可以看出(表1), 大约1.2万年以来位于堆积体最上部的MD05-2905孔沉积速率为97 cm/ka, 向东南方向17940孔为 70 cm/ka, ODP1144孔为 61 cm/ka, 17939孔为 33.3 cm/ka, 17938孔为 21.6 cm/ka, ODP1145孔为 21 cm/ka, 17937孔为 16.6 cm/ka, 沉积速率依次明显降低. 而按照4万年时间段计算, ODP1144孔沉积速率达114.7 cm/ka, 向西北及东南两侧沉积速率
依次降低, 但东南侧总体沉积速率明显比1.2万年以来的高, 反映出该区底流沉积随时间横行迁移的过程.
3 成因讨论
南海具有较为复杂的环流系统, 根据水体深度, Wyrtki [15]把南海水体分为四层: (1) 表层水(0~300 m); (2) 中层水(300~1000 m); (3) 深层水上层(1000~2500 m)和(4)深层水下层(>2500 m). 大量研究发现, 南海表层洋流主要受季风控制, 冬季的东北季风使得南
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图5 根据地震剖面恢复的南海北部底流水道及沉积堆积体分布图 表1 南海东沙陆坡区沉积堆积体不同钻孔沉积速率一览表(钻孔位置见图1)
井号 位置 地层厚度/m
年龄/ka
平均沉积速率/cm ·ka −1
地层厚度/m 年龄/ka
平均沉积速率/cm ·ka −1 MD05-2905 20°08.17′N 117°21.61′E 11.92 12.29 97
17940 20º07.0′N 117º23.0′E 8 11.5 70 13.3 ~40 33.2 ODP1144 20o 3.18′N 117o 25.14′E 7.5 12.29 61 46
40.1 114.7
17939 19º58.2′N 117º27.3′E 4 ~12 33.3 12.8 ~40 32 17938 19º47.2′N 117º32.3′E 2.6 ~12 21.6 11.5 ~40 28.8 ODP1145 19º35.04′N 117º37.86′E 2.5 ~12 21
11.3 ~40
28.2
17937
19º30.0′N 117º39.9′E
2 ~12 16.6 11 ~40 27.5
海表层洋流向西南方向流动, 而夏季的西南季风使南海表层洋流流动方向刚好相反, 分别造成越南中部岸外夏季上升流和吕宋岛东北岸外冬季上升流的形成, 然而, 这种环流仅涉及南海表层及次表层海 水[16,17]. 同时, 在南海东北部由于黑潮通过巴士海峡进入南海, 造成南海东北陆坡外缘西南向海流的形成[18], 该海流所涉及的最大水深并不清楚. 此外, 还存在北太平洋底层水(NPDW)沿台湾岛东侧由北向南移动[19], 不能排除其进入南海的可能性. 到目前为 止, 南海北部的洋流研究主要集中在表层水, 少量为中层水, 关于深层洋流的资料十分缺乏. Wang 等[10]
通过对该区表层及次表层水浮游有孔虫δ 13C 的研究以及Sun 等[20]对南海北部表层沉积物样品孢粉分布的研究结果均发现, 南海北部存在有长期稳定的由巴士海峡注入的洋流.
ODP1144站沉积物源研究发现, 发育于东沙群岛东南侧的高沉积速率堆积体虽然在不同时期沉积速率略有不同, 但地球化学特征显示它们始终源自同一物源区, 在成分上和源自台湾岛西南部的样品具有密切的亲缘关系, 而远离珠江及南海深海表层样品[12]. Luedmann 等[21,22]认为, 位于东沙群岛西南侧的ODP1146站深海沉积物应受珠江物源影响较大,
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与ODP1144站明显不同, ODP1144站沉积物是源自台湾岛东部及南部的陆源物质由北太平洋底层水(NPDW)由北向南经巴士海峡带入南海, 在科氏力的作用下由东向西形成底流搬运, 到东沙东南陆坡区向上爬升, 形成高沉积速率堆积体. 众所周知, 台湾岛是欧亚板块与菲律宾海板块在近5个百万年以来碰撞隆升的结果, 造成台湾岛东西分带的构造特点, 海岛东侧拼合了大量洋壳物质, 而海岛西侧地质特征则和大陆东南沿海地区相同[23]. 因此, 通过北太平洋底层水(NPDW)搬运来的台湾岛东部陆源碎屑应与台湾岛西侧沉积物在成分上存在明显差异, 但在南海北部沉积物源分析中并未发现这种情况[12]. 故此, 构成南海北部陆坡高沉积速率堆积体的陆源物质极有可能来自包括台湾岛在内的南海北部源区, 由源自台湾岛及大陆东南沿海的河流经澎湖水道搬运进南海, 在由巴士海峡进入南海的洋流作用下形成底流搬运沉积.
由西太平洋进入南海的洋流在底层水中的流向及途径并不很清楚. 该地区地震剖面显示, 从台湾岛南侧沿大陆坡存在一个NE-SW向冲刷带, 造成第四纪沉积的缺失. 该冲刷带与多条地震剖面上反映的水道位置完全一致, 可以认为是深水底流迁移的通道, 该水道一直延伸到东沙隆起南侧的深海中, 沿水道东侧则断续发育着一系列沉积堆积体(图5). 堆积体的内部沉积层结构也清晰地反映出由东北向西南的进积沉积作用[22], 指示深水底流在东沙隆起东侧的流动方向, 最终消失到南海深海盆地中. 陈建芳等[24]在对南海北部及中部捕获器沉积颗粒通量的垂向变化研究中发现, 在同一时期内深层捕获器的总通量及各组分通量会超过浅层捕获器的通量,并认为造成深层捕获器颗粒物质通量高于浅层的主要原因最可能是颗粒物质随着中深部水团侧向运动造成的, 岩源物质中除了来自水柱沉降的之外, 还有相当一部分是通过底层搬运进入深海沉积物, 这种作用自北部陆坡前缘至中部海盆逐渐减弱. 这一研究结果与南海北部地区的深水底流搬运沉积作用特征完全吻合.
深水底流的搬运沉积作用在世界各大洋中均普遍存在, 在水道单侧或两侧常发育有高沉积速率堆积体[25~28], 但在中国南海深海沉积中研究较少. 综上所述, 可以认为在南海北部地区存在十分活跃的深水底流作用, 使南海北部深海区的搬运沉积格局十分复杂, 造成该区沉积物源研究的困难. 如果简单地以为南海北部深海高沉积速率堆积体沉积物源来自珠江口则与实际资料不符.
4结论
南海北部陆坡区存在NE-SW向的深水底流搬运沉积作用, 使源自南海北部地区的陆源物质大致沿陆坡等深线位置由东北向西南方向搬运, 沿途形成水道以及水道边侧断续分布的高沉积速率堆积体, 东沙群岛东南侧发育的沉积堆积体就是其中之一, 其内部沉积层明显呈现出由东北向西南进积叠加的特征, 指示了该段深水底流搬运方向. 深水底流的源头极有可能是侵入南海的西太洋流在科氏力的作用下演变而来, 造成南海北部深海区复杂的搬运沉积格局, 也揭示了南海深水沉积物源的多样性、复杂性.
致谢德国汉堡大学的Wong H K教授、Luedmann 博士以及同济大学的汪品先院士给予了热情的讨论和建议, 图2所用地震数据由Wong H K教授提供, 国土资源部广州海洋地质调查局的吴能友总工程师在资料收集解释中给予大力支持和帮助, 在此一并深表谢意.
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