南海北部大陆边缘沉积物波分布特征及形成机制研究进展

深海沉积物波形成过程研究对于重建古气候、古海洋、古构造以及海洋油气、天然气水合物等资源开发均具有重要意义,而南海北部大陆边缘因其复杂的构造沉积体系、独特的地形地貌以及丰富的矿产资源,是深海沉积物波形成演化研究的热点海域。本文系统总结了当前南海北部大陆边缘沉积物波相关研究进展,通过梳理前人关于南海沉积物波重点发育区域的系列工作,分析了自琼东南海域至台西南海域沉积物波的发育水深、坡度、波长、波高及波峰特征等内容,并讨论了不同区域沉积物波的成因机制与主控因素。其中台湾造山运动及北太平洋深部底流对台西南海域沉积物波影响强烈,珠江口海域则以内波作用为特点,同时发现南海沉积物波具有天然气水合物聚集的优越地质条件。但现有研究多局限于单一因素影响,缺少南海西南部沉积物波发育现状,缺乏海底原位观测手段。因此,后续研究应重视沉积物波形成的多因素动力过程耦合机制,深化南海南部沉积物波发育研究,同时加强海底地球物理探测技术和原位综合长期观测技术研究,为深入认识深海沉积物波形成演化过程提供技术支撑,助力海洋开发工程的安全建设。

南海东北部台湾浅滩陆坡的浊流沉积物波的发育及其成因的构造控制

南海东北部马尼拉海沟发育有面积达35000km2的、壮观的沉积物波波域,水深2600～4100m。基于波域的特征、区域分布、物质组成等,判断其为重力流成因。该波域于1.2Ma开始起动,从而形成了和下伏平行反射截然不同的波状反射,二者之间为沉积物波的起动面。该波域的发育史受控于台湾造山运动的发育史,吕宋岛弧在北西西向运动的菲律宾海板块的携带下,于6.5Ma左右和欧亚大陆边缘发生斜向弧—陆碰撞,碰撞焦点持续向南转移,于1.2Ma左右转移至台湾南部,造成台湾南部的物理剥蚀、乃至向毗邻深水的碎屑供应急剧增加,改变了深水沉积动力学状态,浊流活动的强度和频率极大加强,从而开始了该波域的起动和发育。该沉积物波的发育和台湾造山运动构成了完美的构造活动和沉积响应关系。

南海东北部海底沉积物波的形态、粒度特征及物源、成因分析

在南海东北部广泛发育沉积物波。通过高分辨率多波束数据、地震剖面以及重力柱状样,对沉积物波的形态特征、粒度特征、物源以及形成机制进行了分析。研究表明大致以台湾浅滩南海底峡谷为界,北侧为近北东向展布,南侧为近南北向展布。对其分布规律、地貌和形态特征及重力柱状样粒度分析表明这些沉积物波为浊流成因。沉积物波的发育与新生代晚期研究区的构造活动密切相关,自距今6.5 Ma以来台湾造山运动使台湾岛强烈抬升剥蚀,这些剥蚀物为研究区提供了大量的陆源物质,而在南海东北部陆坡区大量发育的峡谷-冲沟系统为陆缘物质向下陆坡的输送提供了良好的通道。研究区西侧的东沙隆起长期处于抬升剥蚀状态,这种抬升剥蚀也为研究区沉积物波的发育提供了部分物源。随着坡度的减缓,浊流沉积物开始堆积,在台湾浅滩南海底峡谷的北侧形成了展布方向与冲沟垂直的沉积物波,而在南侧由于台湾浅滩南海底峡谷发生转向,浊流从水道中漫溢出来,沉积物堆积下来,形成了与原先水道近于垂直的近南北向的沉积物波。

深水沉积物波及其在南海研究之现状

深水沉积物波的研究始于20世纪50年代。根据成因和结构特征,可以将深水沉积物波划分为细粒底流、细粒浊流、粗粒底流和粗粒浊流等类型。不同类型的沉积物波具有不同的形态、物质组成及分布特征。已提出的深水沉积物波的形成模式主要有背流波模式、逆行沙波模式、内波模式及底形和斜坡失稳混合模式等。1994年太阳号95航次和1999年ODP184航次揭示并证实,南海北部东沙岸外1144站所处的深水陆坡区发育有一高速沉积物牵引体。根据最新的地震资料分析发现,该牵引体实际上由一系列逆陆坡向上倾方向迁移的沉积物波组成,这一发现对于南海北部大陆边缘古海洋、古环境和古气候研究,以及南海深水油气勘探具有重要意义。

内波单独作用形成的深水沉积物波

深水沉积物波是在海底发育普遍、规模较大的一种波状沉积体 ,大多数学者将它们解释为等深流沉积或浊流沉积。作者结合内波理论的研究进展 ,考虑内波沉积作用的水动力学特征 ,探讨了深水沉积物波的内波成因机制 ,得出以下几点认识 :①海底流动单独作用无法满足沉积物波形成所需的流动层厚度及流动速度 ,较难解释沉积物波的迁移方向及规则的内部及外部形态。②内波可以引起海底流动 ,内波比表面波更容易形成更大规模的沉积床形。③内波可以形成大型沉积物波 ,用内波可以较合理地解释内波的对称波形单元、非对称波形单元及上攀波形单元的成因。波动面离海底距离较大的行进内波及内驻波可以形成对称波形的沉积物波 ,波动面离海底较近的行进内波及内孤立波可以形成非对称波形的沉积物波 ,内波引起的海底流动进一步增强时 ,可形成上攀波形沉积物波。④行进内波可以形成向内波传播相反方向迁移的沉积物波 ,向海盆内部传播的内波可以形成向上坡方向迁移的沉积物波。

南海北部大陆边缘深水环境的沉积物波

利用南海北部数万公里的多道地震剖面、3.5kHz单道地震剖面、重力活塞柱状样以及精细地形地貌,发现南海北部大陆边缘的深水环境发育有浊流、等深流(底流)、沉积变形等三种单一成因的沉积物波波域,以及复合成因的沉积物波波域,且勾勒了各沉积物波波域的空间分布.并发现,不同类型或同一类型但不同位置的波域其规模差异悬殊、波形特征也千差万别.这种差异背后隐藏着各自独特的成因机制和地理背景,也蕴涵了南海封闭性较强的这一特点所致的等深流循环的、不同于开阔大洋环境的独特性.

北大西洋洛克尔海槽东北部内波沉积——深水大型沉积物波成因的再解释

北大西洋洛克尔海槽东北部水深约１ ０００ ～１ ０００ ｍ 处有两个大型沉积物波发育区。波长１ ～２ ｋｍ ，波高１８ ～２０ ｍ ，分布面积分别为３５０ ｋｍ ２ 与２０ ｋｍ ２ 。沉积物波向上坡迁移，内部包括上攀床形单元、不对称波形单元及正弦波形单元。前人提出的大区沉积物波挪威海底层水溢流成因及小区沉积物 Ｌｅｅ 波迁移模式都存在许多问题。根据古气候及古洋流资料，研究区内沉积物波各单元形成时具备内波形成的条件，内波的发育与等深流的活动密切相关。运用内波理论可对沉积物波各构成单元作出合理的水动力学解释，研究区内两列同向内波的叠加、单列内波及内驻波先后作用海底，可分别形成大型上攀床形、不对称波形及正弦波形单元。

台湾东部海域沉积物波特征及其成因探讨

利用地震剖面对沉积物波的分布、形态和内部结构进行了分析,结合区域地质背景对沉积物来源和成因进行了探讨。识别出的沉积物波域主要位于台东峡谷与陆坡其他峡谷的交汇区,单个波形的波长为0.8～7.2 km,波高为18～75 m左右,呈NE—SW向展布。台东峡谷弯曲段内侧向上坡迁移的沉积物波,其底界发育块体流沉积,内部可细分为下部过渡单元和上部波形单元。弯曲段外侧的沉积物波呈垂向加积的特征,底部无块体流沉积。基于沉积物波的几何形态,估算整个波域的流体厚度在196～356 m之间,流体速度在15～21 cm/s之间。沉积物波的形态特征、内部结构、分布规律以及数值计算表明这些沉积物波为浊流成因。台湾东部海域沉积物波域的发育与台湾西南部的沉积物波域一样,是台湾造山运动的沉积响应。距今3.5 Ma以来花东海脊的形成以及广燠火山岛—绿岛—兰屿火山岛间闸口的抬升和封闭使得沉积物经由卑南溪及海下水道向南输送到绿岛西侧的台东海槽残留弧前盆地时受阻,转而沿台东峡谷及陆坡冲沟体系向东输送入花东海盆。浊流沉积物沿着峡谷/沟谷体系向下坡方向输送的过程中,在峡谷/冲沟的嘴部等地形限制性降低的位置卸载,或在台东峡谷的高弯曲段漫溢出来,从而形成沉积物波域。

深海大型沉积物波的特征与成因

20世纪60年代末期以来,随着深海钻探计划(DSDP)及大洋钻探项目(ODP)的成功实施,一个引人注目的发现是在世界各大洋盆地中2000～4500 m深海底广泛发育一种大面积分布的大型沉积物波,包括沙波和泥波,特别是泥波更为普遍.……

深水大型沉积物波的成因机制

沉积物波是深海常见的底形,对其成因主要有等深流成因、浊流成因、滑塌成因、内波成因4种观点。分别对上述4种成因机制进行了阐述,并从波形、迁移方向等方面做了一系列的对比,分别就其合理性进行了讨论,特别对前人就洛克尔海槽上坡迁移沉积物波的解释提出了新的看法,对该区域的上坡迁移沉积物波进行了重新的解释;同时对等深流、浊流、滑塌、内波形成的沉积物波之间的联系与差异进行了初步的比较。沉积物波可能有多种成因,但内波作用是其主要成因之一。

印度河扇水道堤岸外侧更新世沉积物波发育特征与形成过程分析

印度河扇更新世发育的沉积物波结构复杂、形态多样,其形成过程的认识程度低。本次研究通过高分辨率地震数据和地震解释技术,研究了印度河扇沉积物波的波长、形态、波峰变化等形态特征;阐述了沉积物波与沉积物变形特征的差异、识别了两者的区分标志;总结了水道堤岸斜坡和区域斜坡上沉积物波的分布规律;在此基础上,讨论了沉积物波的形成机理和控制因素,分析了沉积物波的形成过程,并建立了印度河扇沉积物波的形成模式。研究表明:(1)研究区沉积物波波长平均为486.84 m,最大1473 m;波高在10~60 m之间,平均30 m。(2)沉积物波的形态有对称型和非对称型,其迁移方式有上坡迁移型、加积型和下坡迁移型;沉积物波主要发育在水道堤岸的斜坡上,在区域斜坡上也发育少量的沉积物波,这2种沉积物波波脊的走向差异很大,水道堤岸斜坡上的沉积物波主要分布于水道凹岸堤岸的外侧,距离水道越远其规模(波长、波高)越小,波脊走向近于NE-SW方向,与水道的走向平行或斜交;区域斜坡上的沉积物波波脊的走向多为NW-SE向,平行于区域斜坡的走向,离源区越远规模越大。(3)水道堤岸斜坡上的沉积物波是由水道型浊流在离心力的作用下,溢出水道的凹岸,在堤岸外侧的斜坡上沉积形成的,堤岸斜坡的角度对沉积物波的发育规模影响不大,浊流的强度和输沙量对其规模影响大;区域斜坡上发育的沉积物波是由顺坡而下的非水道化的浊流沉积形成;滑塌变形造成的起伏地貌以及早期沉积物波的存在,也都影响了后期沉积物波的发育。

东非鲁武马盆地海底水道—朵体体系粗粒浊流沉积物波特征及主控因素

海底水道—朵体体系内粗粒沉积物波的研究可以深化浊流搬运过程的认识。利用先进的地球物理成像技术,通过地震地貌分析,对东非鲁武马盆地海底水道—朵体体系内这种后期易被改造的特殊沉积体进行识别和解释,结合粗粒沉积物波的形态、尺度、移动方式、厚度变化、平面分布等特征,探讨其成因和影响因素。鲁武马盆地近海底水道—朵体体系内的粗粒浊流沉积物波具有多变的地貌和逆行砂丘的底形。水道内粗粒沉积物波规模较小,分布范围局限;水道—朵体过渡带的粗粒沉积物波规模大,波高约45~110 m,波长可达一千余米,总体规模大于其他地区已识别出的粗粒深水沉积物波。构造活动、超临界流产生的水跃作用、地形地貌的变化以及底流作用是鲁武马盆地粗粒浊流沉积物波形成的主控因素。

美国加州蒙特利湾浊积扇和流道上的沉积物波

蒙特利峡谷穿过陆架和陆坡,于谷口外(水深约2 900m)发育了95 600km2的浊积扇。峡谷底滩地和扇面上均发育大面积的深水沉积物波底形。扇上沉积物波的特征有:波高为30~100m,波长1~2km;在笔直流道段,波峰垂直或斜交于流道延伸,而在弯曲流道段,波峰平行于流道延伸;波两侧不对称,迎流侧长而背流侧短,有向上游迁移的趋势;由夹细砂层的粉砂质黏土组成,顶部均为30~50cm的黏土薄层披覆。推断为晚更新世—早全新世的低海平面时期发育的残留沉积物波。峡谷底主流道两侧也发育沉积物波,其形态类似于扇面上的波,但尺度较小,波峰呈波状或新月形延伸,由夹粗砂、小砾石层的砂质粉砂层组成,推断为晚全新世海平面上升时期的沉积。现代高海平面时期,陆源物质较多沉积于近岸和陆架,浊流下泄时,大部分碎屑物质沉积于峡谷底滩地上,只有少部分极细粒物质沉积于浊积扇和扇上沉积物波之上。

南大洋深水沉积物波举例研究

深水细粒底流型沉积物波多分布于陆坡、洋盆等深水洋底。以大澳大利亚湾上部陆坡和康拉德隆起西南坡的波状底形为例,解释了南大洋深水沉积物波的形态特征、分布特点和形成发育机理。以大澳大利亚湾的沉积物波为代表的钙质细粒底流型沉积物波波高约40m,波长1~2km,直线型脊线长10km,平行于等深线,主要由苔藓虫软泥组成,间冰期陆架上苔藓虫丰富,冰期移至陆架外缘和陆坡上部,在流速约16cm/s的高密度出流作用下于陆坡上部发育成泥质沉积物波。康拉德隆起西南坡的硅质细粒底流型沉积物波由硅藻软泥组成,绕南极流锋面的上升流使得此处的生产力高,硅藻类微体生物丰富,在流速约6cm/s的底流作用下发育大量沉积物波。2种细粒底流型沉积物波的向陆侧翼的沉积率大于向海侧翼,披覆形成后爬不同相爬升层理,显示沉积物波向上游坡迁移。

南海北部琼东南盆地沉积物波成因及地震特征

近几十年来,世界各地都有沉积物波的研究,由于其在不同环境中的不同特征,其成因至今仍有争议。根据大量高分辨率地震剖面和两个钻孔资料,对琼东南盆地东部深水区的沉积物波进行了识别,描述了沉积物波的分布和地震特征。结合多波束测量资料,讨论了这些沉积物波的潜在成因。在中央峡谷的钻探表明,河道充填物中由一些顺坡的细粒浊积体组成,是良好的油气藏。沉积物波分布于中央峡谷两边,其地震特征表明,大部分是由峡谷沿岸的浊流溢出引起的。尽管之前对这些沉积物波的研究表明它们是向西流动的等深流成因的沉积物波,但从地震资料的海底反射层得到的地形显示,在沉积物波区的东部有一个N-S向的山脊,可以阻断和使底流变向。根据沉积物波的几何形态,计算出整个沉积物波的厚度为280〜560 m,流速在30-130 cm/s,这将有利于细粒沉积物形成,并可能是一个良好的储层,因为浊流的分选性好于等深线或其他重力流沉积的分选性。

浊流水道和水道-朵叶体转换带内粗粒沉积物波的产生和迁移

采用深水侧扫声呐系统，对由砾石和砂组成的大尺度沉积物波进行研究。新数据来自加那利群岛海域附近的海底水道和葡萄牙近海的峡谷口。为了概括这些河床的形态多样性和发育背景，简要论述了其他区域的数据，包括对劳伦扇数据的再解释。在邻近深水浊流系统路过的区域、峡谷、水道及水道．朵叶体转换带内部常能见到粗粒沉积物波。沉积物波波高常在1～10m，波长达到数百米。沉积物波的分布特征和现代与古代沉积物波域的沉积证据都表明粗粒沉积物的早期搬运和沉积发生在高密度浊流内，而不是在非牛顿流体产生的碎屑流中。在一些情况下，波的明显不对称性、波的中断和改造表明波的形态至少部分受到后期低密度浊流的控制。粒度大小似乎一定程度上控制波的形态，比如富含砾石的沉积物波比同样波长的富含砂的沉积物波有更大的波高。由于被后期的浊流改造或埋藏，粗粒沉积物波在海底很难识别，同时因为它们具有较大的尺寸，在露头上难以识别。

浊流河道叶状体中沉积物波的形态和发育的变化性

在许多现代浊流体系中已经观察到细粒沉积物波，通常限于漫滩沉积要素。使用高分辨率地震反射剖面、沉积物岩心样品（包括海洋钻井平台钻井）、多波束海洋测深、3D地震反射成像（包括埋藏特征）和对溢出河道的浊流的直接测量，对比了6个海底扇体系上发育的沉积物波。这些海底扇实例扩展超过了实际比例的3个级别。沉积物波的存在与否，不简单地是浊流河道。天然堤体系或溢出河道形成波场的浊流的主要起始过程。沉积物岩心和地震反射剖面都记录了波形的上坡移动，在波上升翼沉积的沉积物更粗、更厚。一些波场垂直于河道走向，而且由大的层流所引起，层流的方向受上升流形态的控制，而波场近似平行于河道天然堤是由于局部溢出。在极度弯曲的体系中，沉积物波可以模拟弯曲水体的平面形状。在具有较厚浊流溢流的河道。天然堤体系上形成较大的沉积物波，但是，现有数据表明，在相对薄溢流条件期间能够保持沉积物波。沉积物波中粗粒单元是典型的页状和数厘米厚的薄层状沙，但是从现代和掩埋的体系中观察到了数十厘米厚的砂层。目前从沉积物波中沉积物的油气生产表明，识别地面露头和井筒中的这种漫滩的开发标准特别重要，其标准波的波长通常超过露头尺度和波高，它的减少是埋藏期间的结果，可能太隐蔽以至于识别不出来。

浊流河道与河道-叶状体过渡带中粗粒沉积物波的生成和移动

使用深水侧向扫描仪研究了砾石和沙组成的大型沉积物波。获得了Canary岛海上海底水道和葡萄牙海上峡谷河口的新数据。简单地回顾了其它地区的数据，包括Laurentian扇的数据重新解释，以便总结这些底形的不同外形和背景。在深水浊流体系的近源为主的分异搬运区的峡谷、水道和水道-叶状体过渡带发现了粗粒沉积物波（sediment waves）。波高范围为1～10米，波长最大到数百米。现代和古代沉积物波场的波分布及稀疏的沉积证据表明，在高密度浊流中发生了粗粒沉积物的原始搬运和沉积，而不是牛顿泥石流。在存在波明显对称和波分裂和再沉积的情况下表明，波形至少部分地受到稍晚的低密度流相的控制。粒度也呈现出对波形的一定影响，例如，在相同波长的情况下，砾石多的波高比沙多的波高要大。因为再沉积或被较晚浊流的覆盖，常常难于识别粗粒沉积物波，而且由于尺度大，在露头中也同样难于识别。

南海南部沉积物波:软变形及其触发机制

目前,沉积物波的成因还是存在很多争议.通过详细的地震资料解释,发现南海南部海域有一个规模巨大的海底滑坡,滑坡体长达160 km.从剖面上看,滑坡体结构完整,由减损带、加积带、滑阻带、破坏体、滑脱面、滑坡后壁、冠上裂缝、横向裂缝等结构要素组成.在如此低的海底坡度(仅0.3°～0.5°)上形成如此大规模的滑坡体,推测是地震活动触发的.加积带内发育沉积物波.形态特征和剪应力分析显示,沉积物波形成于减损带的推挤作用.加积带中部推力最大,导致下部为逆时针剪切,上部为顺时针剪切.因此,沉积物波属于海底滑坡引起的软沉积物变形.软变形沉积物波是海底滑坡的一种特殊标志,因此这项研究有助于发现海底滑坡,也有助于海底工程的减灾防灾工作.