南海西北次海盆西北陆缘深水沉积体系及其演化研究

【摘要】深水(水深>200m)沉积物中能够记录有关深水动力学、古海洋学、古气候学等方面的丰富信息,“深水沉积体系研究”的相关领域日益受到全世界范围沉积学、海洋学、气候学研究人员的高度关注。目前,中国南海的深水沉积研究是主要集中在古海洋学和古气候学方面的,但是缺乏对深水沉积体系(尤其是等深流沉积体系)发育演化所涉及的地质学、海洋学等信息的系统分析。本文通过高分辨率二维地震、测井等地球物理学资料以及海水电导、温度、盐度等物理海洋学资料,描述南海西北次海盆西北陆缘约700-3500m水深范围的深水沉积体系特征,总结不同类型深水沉积体系内部构成及空间展布规律,并分析、研究其形成发育过程中的控制因素和演化机制。1.本文研究区地处海南岛以东、西沙群岛以北(东经113°-114。30’；北纬18°-19°30’),海域面积约1×104km2。研究区北部为珠江口盆地南部隆起区,西南部是西沙海槽,东南部属于西北次海盆深海平原。珠江口盆地南部隆起区出露两处海山,名为一统暗沙(水深700-1000m)和神狐南海山(水深1100-1300m)。两处海山相距约50km,出露形态在平面上均为长轴呈WSW-ENE的椭圆形。神狐南海山长轴方向出露山体规模约为26.5km,短轴方向约为6km；一统暗沙长轴方向规模约为16km,短轴方向约为8km。本文所采用的数据包括南海西北次海盆西北陆缘-深海平原结合带的高分辨率二维地震、测井等地球物理学以及海水电导、温度、盐度等物理海洋学资料。2.描述了在西北次海盆西北陆缘区陆坡上发育的不同类型深水等深流和重力流沉积体系特征。高分辨率二维地震资料显示：(1)一统暗沙和神狐南海山附近的宽缓陆坡上(水深约700-1500m,平均坡度<1.2°)发育独具特色的“海山相关等深流沉积体系”,包括环槽(moat)、伸长状-丘状漂积体(elongated-moundeddrifts)、黏附型漂积体(plasterddrifts)、等深流沉积水道(contouritechannels)、犁沟(furrows)等。(2)珠江口盆地南部隆起区以南水深约1500-2500m陡峭陆坡(平均坡度>2°)广泛发育重力流坡移沉积(mass-wastingdeposits),频繁见垂直陆坡方向展布的深水“无头型”峡谷,构成重力流“坡移沉积体系”和“峡谷沉积体系”。(3)西北次海盆西北陆缘下陆坡区(水深>2500m),坡度稍缓(平均坡度<1.5°),坡移现象明显减少,普遍发育等深流沉积席状漂积体(sheeteddrift)。该区主要发育“等深流沉积体系”和“峡谷体系”。3.精细刻画了“海山相关等深流沉积体系”中环槽、伸长状-丘状漂积体、黏附型漂积体、等深流沉积水道、犁沟和无沉积区等沉积／侵蚀单元的外部形态和内部构成。“环槽”指底流侵蚀作用下,沿海山／陆坡坡脚形成的下凹地形；研究区内见环槽沿一统暗沙和神狐南海山北侧坡脚发育,宽度约2-5km,环槽底为光滑而平坦的侵蚀(负)地形,深度变化从约15m至超过100m。“伸长状-丘状漂积体”指与环槽共生的、由底流沉积作用形成的伸展状堆积物；研究区伸长状-丘状漂积体主要发育在环槽北侧的宽缓陆坡上,其沉积厚度的变化范围较大(从100msTWT至超过500msTWT);地震相主要表现为极连续、平行-亚平行、中-高振幅的反射特征。“黏附型漂积体”指受低速率水流活动控制的、通常发育在较缓陆坡上的堆积体；研究区内在神狐南海山北壁和一统暗沙南壁上分别发育一套黏附型漂积体,沉积厚度分别为200msTWT左右和<100msTWT;其地震相表现出低振幅、连续性较弱、平行-亚平行的反射特征。“等深流沉积水道”指由底流侵蚀作用产生的、平行于陆坡方向展布的下凹地形；研究区内所发现的等深流沉积水道主要发育在神狐南海山以北(环槽北侧)的伸长状-丘状漂积体沉积中,以及神狐南海山以东的宽缓陆坡上；水道宽度约2-10km,下切深度变化范围从10m至60m不等。“犁沟”特指由底流侵蚀作用形成的、沿陆坡方向展布的、下切深度小于10m的侵蚀地形；研究区内所见的犁沟主要发育在神狐南海山北侧(环槽北侧)的伸长状-丘状漂积体沉积中。“无沉积区”指在稳定底流活动作用下的“过路不沉积”区域,主要在神狐南海山以东的宽缓陆坡上出现。4.分析了研究区海山附近等深流沉积/侵蚀单元的形成发育与南海中层水(反气旋式环流,水深范围从约350m至1500m或更深,水温约5℃)底流活动之间的关系。北半球海山地形附近(即本文中水深范围约700-1000m的一统暗沙和约1200-1400m的神狐南海山),自西向东的水流(即南海中层水底流)受科氏力右转作用,在海山北侧受到地形限制,水流速度大幅增加,发生侵蚀作用；海山南侧区域受到山体地形的“遮挡”,水流速度渐渐减小,发生沉积作用。由此可知,海山北侧水流侵蚀能力强,可沿海山北缘山脚形成环槽；环槽北侧的陆坡则接受沉积,发育伸长状-丘状漂积体；环槽中水流随地形变化而速度减缓时,可在环槽南侧(神狐南海山北缘)发育黏附型漂积体；同一侧(海山以北)远离海山的底流活动未受到地形限制,可在环槽北侧的伸长状-丘状漂积体沉积中形成常规的等深流沉积水道或犁沟。海山南侧区域主要接受底流活动的沉积作用,形成沉积区；一统暗沙南壁上可见黏附型漂积体。随着底流经过并离开海山区的隆起地形,底流活动的能量、速度逐渐恢复至常态,环槽逐渐消失；至神狐南海山东侧宽缓陆坡(水深约1100-1300m)处主要发育常规的等深流沉积水道,以及“过路不沉积”的特征。5.通过海底地形和二维地震测线等资料,在研究区识别出10条陆坡限制型(无头型)峡谷后对其编号,并且详细描述其外观形态和内部结构特征。除下部陆坡(水深约3000m)处的两条峡谷(峡谷9和10)以外,其它峡谷均呈NNW-SSE方向展布,延伸长度超过20km,峡谷宽度约2-30km,最大下切深度变化范围从十几米至超过900m不等。峡谷9和10延伸长度较短(约3km),宽度较窄(<6km),但下切深度均超过200m。深水无头型峡谷形成过程中,受到低位体系域和陆架边缘下切谷侵蚀影响的可能性极小；其成因机制更可能受“退后型滑移/滑塌”作用或与断层相关的构造活动所控制。峡谷5在水深约1350坡度约1°处呈NNW-SSE走向,宽度约6.5km,下切形态呈不对称V型,下切深度约140m；在峡谷内部沉积结构中可识别出晚中新世(T4,11.5Ma)以来连续发育的峡谷侵蚀界面,表现为连续、高振幅的地震反射特征；晚中新世以来的峡谷侵蚀界面具有明显向ENE方向的迁移特征,指示该峡谷体系可能受持续的、较强烈的、自西向东的底流活动的改造作用,从而导致峡谷体系强制性向东迁移；上述自西向东的底流活动与附近深度范围内形成“海山相关等深流沉积体系”的水流活动方向一致,很可能同属南海中层水循环。峡谷5以西约15km处的中部陆坡(水深约1500-2500m)上发育峡谷6,该峡谷在水深约1790m、坡度约2°的位置表现出具有平坦峡谷底的U型下切形态(下切深度约135m,峡谷宽度约4km)；峡谷两侧发育丘状天然堤沉积,沉积物表现出高振幅且相当连续的地震反射特征,且晚中新世以来自下而上表现出加积型的沉积序列;峡谷ENE一侧的天然堤沉积表现出平行-亚平行的地震反射特征,而WSW一侧的天然堤沉积中出现明显的波状沉积特征。波状沉积物表现出波状、极连续且相互平行、中-高振幅的地震反射特征；波形完整,具有中等尺度规模(波长小于2km而波高小于60m)；各波形之间具有相似的内部反射特征,整体表现出沿陆坡方向向上(NNW方向)的迁移现象；根据所上述波状沉积物的发育位置和沉积特征,推测其属于浊流沉积物波。6.揭示了研究区水深约1500-2500m范围内,陡峭陆坡(平均坡度>2°)处沉积过程与重力流作用的关系。该范围坡度大,沉积环境不稳定,广泛发育重力流坡移沉积和无头型峡谷沉积。鲜见等深流沉积,一方面可能因底流活动弱,不足以造成沉积／侵蚀记录；另一方面可能因频繁的重力流活动对底流沉积记录反复破坏,以至于无法通过二维地震资料识别。通过地震沉积学记录,在该范围内的坡移沉积区中可识别出连续叠加滑塌体、失稳滑动面、滑移痕和分离滑塌体等沉积单元。而且本区罕有地震活动,未现天燃气水合物或油气强烈富集,故推测“陡峭陆坡”很可能是诱发大规模陆坡失稳,进而发生坡移的决定性因素。8.查明了西北次海盆西北陆缘研究区深水沉积体系发育演化的重要控制因素。研究区陆坡形态自东向西的明显变化(逐渐变陡),以及不同深度范围南海洋流活动方向、强度的差异,都是控制该区深水沉积体系发育演化的重要因素。研究区东部陆坡形态表现出三级“分阶”的轮廓,上部Ⅰ型阶(水深<1500m)和下部Ⅲ型(水深>2500m)均为坡度较缓的陆坡(平均坡度小于1.5°),主要发育等深流沉积/侵蚀单元；中部Ⅱ型阶坡度大(平均坡度>2°),主要发育峡谷沉积和坡移沉积。三级分阶状的轮廓向西逐渐消失,变为“Ⅰ缓-Ⅱ陡“的二级分阶；上部Ⅰ型阶主要发育等深流沉积水道以及底流“过路不沉积”的无沉积区；下部Ⅱ型阶主要发育坡移沉积和峡谷沉积；不发育Ⅲ型阶及相关等深流席状漂积体沉积。最终在研究区西部陆坡,陆坡轮廓演变为无分阶、整体陡峭的单一Ⅱ型陆坡；水深1500m以上为神狐南海山南壁,水深2500m及以下为西沙海槽北壁),至此深水沉积体系仅发育坡移沉积和峡谷沉积。9.根据精细的地震沉积学记录,针对本文研究区水深1500m之上陆坡处所发育的等深流沉积／侵蚀特征,提出了“西北次海盆西北陆缘区深水等深流沉积的发育演化最早可追溯至晚中新世早期”。从不整合界面T4(11.5Ma)自下而上至现今海底沉积物中,利用地震相差异特征识别出六个地震沉积单元(沉积单元1-6)。自沉积单元2底界面向上至现今海底,可见持续、稳定发育的等深流沉积／侵蚀特征(加积型序列),暗示南海西北次海盆西北缘陆坡区的稳定底流作用可追溯至晚中新世早期。通过分析、对比神狐南海山附近晚中新世以来沉积物的地震相特征,发现随着海山逐渐被掩埋,海山地形对水流的限制、加速作用也逐渐消失；之后底流活动将呈常规状态持续作用于海底,早期所发育的、极具特色的环槽逐渐被常规的等深流沉积水道取代。海山出露-被掩埋的过程明显控制了其周缘等深流沉积的发育类型；反之,等深流沉积的内部构成也反映了海底地形——特别是海山地貌由出露向被掩埋消失的变化过程。综上,深水沉积体系研究为物理海洋学和海洋沉积学之间的学科交叉研究搭建了新的桥梁,更为南海新生代古海洋学和深海动力学研究提供了新资料。
【作者】陈慧；
【导师】解习农；DavidVANROOIJ；
【作者基本信息】中国地质大学，海洋地质，2014，博士
【关键词】深水沉积体系；底流；等深流沉积；西北次海盆；

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