徐 偉 劉曉航 劉 猛 胡麗沙 徐景平 汪志文

1 中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100 2 南方科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程系，廣東深圳 518055

1 概述

沉積物由陸向海、由淺海向深海的搬運(yùn)是地質(zhì)學(xué)家關(guān)注的重點(diǎn)。濁流，作為重力流的一種，是將陸地或淺水區(qū)物質(zhì)搬運(yùn)至深海最重要的一種方式(Middleton，1993)。濁流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中速度通?？蛇_(dá)幾米每秒，蘊(yùn)含巨大的能量，對(duì)海底地形具有侵蝕作用，能將近岸的沉積物搬運(yùn)至幾百甚至上千千米以外的深海平原(徐景平，2014)。隨著坡度變緩，濁流流速下降，濁流所攜帶的沉積物因重力作用發(fā)生沉降，顆粒由大到小依次發(fā)生沉積，形成濁積巖(Bouma，1962)。濁流作為海底沉積物遠(yuǎn)距離運(yùn)輸?shù)闹匾绞?，其觸發(fā)、搬運(yùn)及最后沉積過(guò)程都是濁流研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題(Meiburg and Kneller，2010)。

已有學(xué)者通過(guò)對(duì)不同地區(qū)濁流觸發(fā)因素的研究，探討了海平面變化、氣候事件、河口環(huán)境以及構(gòu)造活動(dòng)對(duì)濁流形成的影響(Bourgetetal.，2010；Jorryetal.，2011；Bourgetetal.，2013；Clareetal.，2016)?，F(xiàn)今對(duì)濁流過(guò)程的研究大多借助于數(shù)值模擬、室內(nèi)水槽實(shí)驗(yàn)(Knelleretal.，1999；Huangetal.，2005；Bestetal.，2009；Felix，2010)，以及利用濁流的露頭、鉆孔、重力柱等手段來(lái)反演濁流的過(guò)程(Willianetal.，2002；Haughtonetal.，2009；Bourgetetal.，2011)。然而，由于現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)的難度極大，僅有少數(shù)現(xiàn)代濁流觀(guān)測(cè)資料(Zhangetal.，2018；Wangetal.，2020)，使得濁流中一些關(guān)鍵性的參數(shù)難以獲取，導(dǎo)致濁流運(yùn)動(dòng)過(guò)程研究爭(zhēng)議頗多(Meiburg and Kneller，2010)。濁流沉積中記錄了濁流演化的重要信息，以沉積學(xué)手段對(duì)濁流沉積的分析并追溯物質(zhì)來(lái)源及其形成條件是當(dāng)今濁流研究的熱點(diǎn)(Middleton，1993；Bourgetetal.，2010；Goldfinger，2011；Lombo Tomboetal.，2015)。海溝是水深超過(guò)5000 m的槽型地貌，位于構(gòu)造俯沖帶，海底峽谷是海底窄而深的長(zhǎng)條形負(fù)地形，通常位于大陸架中部和坡折帶(韓喜彬等，2010；李三忠等，2020)。而海底濁流廣泛存在于海底峽谷或海溝，科學(xué)家在世界范圍內(nèi)對(duì)Var濁流系統(tǒng)(Jorry，2011；Khripounoffetal.，2012)、Rhone海峽(Lombo Tomboetal.，2015)和Monterey海峽(Xuetal.，2014)研究頗多，而中國(guó)南海的特殊地理位置也使得該區(qū)域的濁流研究備受矚目(徐景平，2014)。南海濁流的相關(guān)研究主要集中在南海北部陸坡、珠江口等地區(qū)(李粹中，1993；王海榮等，2008；Jiangetal.，2014；Zhongetal.，2017；Sunetal.，2018)。多條起源于臺(tái)灣和南海北部大陸坡的海底峽谷或水道皆匯聚于馬尼拉海溝(Yuetal.，2009；Kuangetal.，2014)，是濁流遠(yuǎn)距離搬運(yùn)的天然實(shí)驗(yàn)室。此外，南海東北部海底鋪設(shè)有多條通信電纜，2006年地震引發(fā)的海底滑坡和濁流，曾切斷了14條位于臺(tái)灣島和馬尼拉海溝之間的海底纜線(xiàn)(Hsuetal.，2008；Gaveyetal.，2017)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)馬尼拉海溝濁流的研究也具有重要的經(jīng)濟(jì)效益。

2 馬尼拉海溝地質(zhì)背景

圖1 馬尼拉海溝GEO6站位巖心采集位置及水深地形圖Fig.1 Gravity core GEO6 location and bathymetry maps of Manila Trench

3 材料與方法

本研究依托國(guó)家自然科學(xué)基金支持的“南海東北部—呂宋海峽共享航次”，于2018年6月利用科考船“嘉庚”號(hào)在馬尼拉海溝北部水深3747 m的GEO6站位(20°44′28”N，120°05′27″ E；水深3734 m)采取重力柱1根(柱長(zhǎng)122 cm)。

當(dāng)巖心剖分后，立即在國(guó)家海洋局第一研究所進(jìn)行了巖心顏色反射率掃描，所使用的儀器為英國(guó)GEOTEK公司的巖心物理參數(shù)綜合掃描儀(Multi-Sensor Core Logger)，分辨率為1 cm，采樣時(shí)間為30 s。沉積物粒度分析在中國(guó)海洋大學(xué)粒度分析實(shí)驗(yàn)室完成，樣品按高精度(0.25 cm)間隔取樣。首先，取適量的沉積物樣品經(jīng)雙氧水和稀鹽酸浸泡，去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，然后加入適量六偏磷酸鈉溶液經(jīng)超聲波分散后上機(jī)測(cè)試。所使用的儀器為英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000型激光粒度分布測(cè)量?jī)x，儀器測(cè)量范圍為0.02～2000 μm，粒級(jí)分辨率為0.01 φ，重復(fù)測(cè)試的相對(duì)誤差小于2%。沉積物粒級(jí)采用Udden-Wentworth粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(Wentworth，1922)，沉積物的命名采用Shepard分類(lèi)命名法(Shepard，1954)，粒度參數(shù)的計(jì)算采用McManus矩值法公式(McManus，1988)。14C測(cè)年的前處理實(shí)驗(yàn)在中國(guó)海洋大學(xué)沉積物分析實(shí)驗(yàn)室完成，首先取約10 g濕樣置于40 ℃烘箱中烘干，將干樣置于燒杯中加入適量濃度為10%的H2O2去除有機(jī)質(zhì)并分散樣品，樣品充分散開(kāi)后使用孔徑為63 μm標(biāo)準(zhǔn)銅篩沖洗，將篩選后的樣品在50 ℃下烘干，最后在實(shí)體顯微鏡下挑選干凈完整的浮游有孔蟲(chóng)完成前處理。將處理的樣品送往美國(guó)Beta實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加速器質(zhì)譜(Accelerator Mass Spectrometry，AMS)14C測(cè)年，測(cè)試得到的原始14C年齡使用OxCal 4.4軟件校正到日歷年齡。

4 分析結(jié)果

GEO6重力柱巖心總長(zhǎng)122 cm，整體顏色呈淺灰色，層理明顯，主要以水平層理和波狀層理為主(圖2)。巖心由砂、粉砂和泥質(zhì)組成，以粉砂為主，但砂和泥質(zhì)在部分層位變化范圍大。GEO6巖心中有明顯的侵蝕特征，沉積并非穩(wěn)定。結(jié)合GEO6站位所處水深以及巖心的沉積特征得出，巖心主要受重力流沉積的控制。根據(jù)巖心的垂向沉積粒度特征，將巖心以虛線(xiàn)分隔為2種沉積類(lèi)型，分別為深?！肷詈３练e和濁流沉積。

圖2 馬尼拉海溝GEO6重力柱巖心灰度掃描圖(上)和剖面圖(下)Fig.2 Gray scan(upper)and section view(lower)for gravity column core GEO6 in Manila Trench

4.1 GEO6巖心沉積年齡

圖3 馬尼拉海溝沉積物巖心GEO6 121～122 cm處鏡下有孔蟲(chóng)Fig.3 Microscopic foraminifera at 121～122 cm of sediment core GEO6 in Manila Trench

4.2 GEO6巖心粒度特征

GEO6重力柱巖心并非穩(wěn)定的深?！肷詈３练e，主要組分粉砂含量為35.81%～84.06%，泥質(zhì)含量為1.61%～31.37%，砂的含量為0%～62.28%。平均粒徑同樣變化明顯，在6.25～65.49 μm之間；分選系數(shù)在1.0～2.1之間，分選性差；偏態(tài)介于-1.1～2.1之間，既有負(fù)偏又有正偏，表明GEO6巖心中粗粒層和細(xì)粒層均存在；峰態(tài)處于1.7～2.7之間，為窄峰態(tài)。在垂向分布上，砂、粉砂、泥質(zhì)含量均存在頻繁的突變，與穩(wěn)定的海洋沉積環(huán)境大相徑庭。

圖4 馬尼拉海溝沉積物巖心GEO6粒度參數(shù)垂向變化特征及濁流期次(虛線(xiàn)分隔不同的沉積層)Fig.4 Vertical variation characteristics of particle size parameters and division of turbidite of sediment core GEO6 from Manila Trench(dashed lines separate different sedimentary layer)

半深海—深海沉積多由穩(wěn)定的細(xì)顆粒沉積物組成，然而GEO6巖心粒度特征非常不穩(wěn)定，存在多處由粉砂突變至砂的特征，初步推測(cè)其記錄有濁流活動(dòng)。受重力流的控制，隨著流速變緩，濁流流體的能量由強(qiáng)變?nèi)酰葞?lái)了粗顆粒成分也沉積了細(xì)顆粒的物質(zhì)(Middleton，1993)。馬尼拉海溝濁流活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致GEO6巖心中半深?！詈３练e極薄且遭受侵蝕，重力流沉積的頂部與極少的深?！肷詈３练e無(wú)法區(qū)分，因此以粒度突變?yōu)橹饕卣鲗?duì)濁流期次進(jìn)行了劃分，共劃分出T1-T11共11期次濁流(圖4；表 1)。其中T1-T6和T10-T11沉積層，隨著濁流流速的減弱，沉積物由粗至細(xì)，其主要特征表現(xiàn)為底部發(fā)生了明顯的粒度突變，由細(xì)顆粒為主的泥質(zhì)粉砂和粉砂，突變?yōu)榇诸w粒為主的粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂，平均粒徑和分選系數(shù)均在底部發(fā)生對(duì)應(yīng)突變，突變層厚度在2～4 cm范圍內(nèi)。突變層以平行層理和波狀層理沉積為主，且部分突變層可見(jiàn)侵蝕面與侵蝕痕跡(圖5)，表明為突發(fā)性沉積，具有十分強(qiáng)的水動(dòng)力條件。突變層向上粒度變細(xì)，以薄粉砂層和泥質(zhì)粉砂層旋回沉積為主，主要發(fā)育平行層理和波狀層理。

表1 馬尼拉海溝沉積物巖心GEO6濁流沉積特征描述Table 1 Sedimentary characteristics of turbidite of sediment core GEO6 in the Manila Trench

圖5 馬尼拉海溝沉積物巖心GEO6中T5、T7濁流沉積中的侵蝕面Fig.5 Erosion surface of T5 and T7 turbidity current deposits in sediment core GEO6 from Manila Trench

圖6 馬尼拉海溝沉積物巖心GEO6中T7、T9多階段濁流和T8反粒序濁流Fig.6 T7 and T9 multi-stage turbidites and T8 inversely graded turbidite in sediment core GEO6 from Manila Trench

而T7、T9沉積層在層內(nèi)發(fā)生了多次粒度突變，其單次沉積結(jié)構(gòu)與上述沉積層相似，粒度向上變細(xì)，但沉積了極薄的細(xì)顆粒沉積層后便馬上被下一次粗顆粒層所侵蝕覆蓋(圖5；圖6)，粗顆粒層發(fā)育平行層理與波狀層理，但向上的細(xì)粒層由于沉積厚度小且又受下一次重力流沉積侵蝕，導(dǎo)致層理之間有明顯的交叉現(xiàn)象，既代表了事件性沉積，也表明了多階段沉積。而T8沉積層，存在明顯的反粒序?qū)樱撞坑杉?xì)顆粒的泥質(zhì)粉砂及粉砂逐漸增大至粗顆粒的粉砂質(zhì)砂及砂質(zhì)粉砂，厚度為4.5 cm，在到達(dá)粒徑最大時(shí)粒度突變?yōu)榧?xì)粒的泥質(zhì)粉砂及粉砂，沉積以平行層理為主，推測(cè)為另一類(lèi)型濁流沉積。底部109.75～122.00 cm處，沉積相對(duì)穩(wěn)定，顏色均一，成分及粒徑相對(duì)均勻，發(fā)育水平層理(圖2)，推測(cè)為半深?！詈３练e。

盡管GEO6巖心粒度變化復(fù)雜，但主要可歸為3種類(lèi)型：(1)底部(122.00～109.75 cm)為穩(wěn)定的沉積，平均粒徑為13.57 μm，主要為粉砂及泥質(zhì)粉砂沉積，平均粒徑、分選和偏態(tài)均在底部表現(xiàn)得穩(wěn)定(圖4)，為穩(wěn)定的深?！肷詈３练e；(2)T1-T7、T9-T11發(fā)育一系列在底部粒度突然增加、向上粒度逐漸變細(xì)的正粒序?qū)永?圖4；表 1)，在部分層可見(jiàn)侵蝕痕跡(圖5)，粒度變粗處平均粒徑在20～65 μm之間，推測(cè)均為濁流沉積；其中T7與T9存在多級(jí)旋回(圖6)，表明T7與T9代表多次濁流事件；(3)T8存在明顯的粒度向上變粗后卻轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)粒的突變層，推測(cè)其為反粒序濁流(圖6)。GEO6巖心采集于水深3747 m處，屬于半深?！詈３练e范圍，但整根巖心以濁流沉積為主，表明馬尼拉海溝北部短時(shí)間尺度內(nèi)可能經(jīng)常遭受濁流的影響。

5 討論

5.1 馬尼拉海溝北部GEO6巖心沉積年齡限定

沉積物巖心的年齡對(duì)于濁流柱樣的研究至關(guān)重要。前人通過(guò)浮游有孔蟲(chóng)的年齡來(lái)限定保留在深海及半深海沉積之間的短暫性濁流沉積(Liuetal.，2016)，使?jié)崃鞒练e研究更具準(zhǔn)確性。鑒于以往的研究方式，若巖心中存在多個(gè)AMS14C測(cè)年數(shù)據(jù)，可更好地限制濁流的發(fā)生時(shí)間，然而，GEO6巖心中有孔蟲(chóng)含量極少，僅在底部獲取到足夠測(cè)年的有孔蟲(chóng)數(shù)量。

馬尼拉海溝處于特殊的地理位置，位于構(gòu)造活動(dòng)帶之上，地震頻發(fā)，濁流以及碎屑流易侵蝕原本的深海—半深海沉積?？v觀(guān)整根巖心，僅在底部沉積了約10 cm厚的深?！肷詈３练e，其余部分均為事件性沉積。盡管垂向上粒度的突變頻發(fā)，但巖心從109.75 cm向上粒度基本為由粗到細(xì)的正粒序?qū)永?；此外，在T8處出現(xiàn)了明顯的逆序?qū)?，與正粒序沉積層(T1-T7，T9-T11)在垂向粒度上相區(qū)別，粒度在底部為漸變式增大，增至最大突變?yōu)榧?xì)粒沉積，底部為漸變接觸，增至最大為突變式接觸。該結(jié)構(gòu)存在于重力流中的反粒序濁流(異重流)以及碎屑流中，但碎屑流底部整體為‘凍結(jié)式’沉積(高紅燦等，2012)，沉積結(jié)構(gòu)紊亂且無(wú)層理性，而T8底部層理性明顯，與Mulder等(2001)所提出的反粒序濁流結(jié)構(gòu)(逆—正粒序)相符合。這表明巖心中的事件性沉積是依次隨時(shí)間從早到晚而進(jìn)行的，并未發(fā)生沉積倒轉(zhuǎn)。因此，雖僅僅獲得了1個(gè)年齡，但也可將整根巖心的年齡限定在1405 a B.￣P.(約1.4 ka B.P.)以來(lái)。

5.2 1.4 ka B.￣P.以來(lái)馬尼拉海溝濁流期次

圖7 馬尼拉海溝沉積物巖心GEO6中T1-T11濁流層C-M圖解Fig.7 C-M diagram of T1-T11 turbidity layers in sediment core GEO6 from Manila Trench

GEO6站位處于深水沉積環(huán)境，且位于受濁流沉積影響的沉積物波區(qū)域(Damuth，1979)。T1-T6、T10-T11沉積層中均在底部出現(xiàn)了明顯的粒度突變層，以粗顆粒的粉砂質(zhì)砂及砂質(zhì)粉砂為主，以平行層理和波狀層理為主，大部分突變層明顯與上一沉積層頂部存在侵蝕痕跡(圖2；圖5)，向上以細(xì)顆粒粉砂及泥質(zhì)粉砂旋回層為主，主要以平行層理以及波狀層理為主，均表明沉積處于水動(dòng)力強(qiáng)的環(huán)境，但水動(dòng)力條件由底部向上逐漸減弱，在沉積結(jié)構(gòu)和沉積水動(dòng)力條件上符合Stow深水濁流沉積模型中的頂部缺失型濁流沉積(Stow and Smillie，2020)。T7、T9與上述沉積層有著相似的底部突變，層內(nèi)的單次沉積粒度向上變細(xì)，底部為透鏡狀或波狀粗粒層，向上沉積粉砂與泥質(zhì)粉砂旋回層，主要發(fā)育平行層理與波狀層理，其單次沉積亦符合Stow的深水頂部缺失型濁流沉積。但與T1-T6、T10-T11不同在于，T7、T9細(xì)粒沉積極薄，便馬上被下一階段的沉積所覆蓋，表明T7、T9在沉積層內(nèi)經(jīng)歷了多次濁流沉積，推測(cè)為同一時(shí)期的多階段濁流沉積。而T8沉積層在底部為反粒序結(jié)構(gòu)，粒度呈漸變式增加，增至最大時(shí)突變?yōu)榧?xì)顆粒沉積物，結(jié)構(gòu)上呈逆—正序列，且層理性明顯，推測(cè)為反粒序濁流，可能成因?yàn)楫愔亓鳚崃鳌?/p>

Passega在1957年提出了C-M圖解，根據(jù)沉積物的粒度特征與沉積物被搬運(yùn)的方式和搬運(yùn)截止的能量水動(dòng)力條件，利用沉積物C值(1%處累計(jì)概率曲線(xiàn)處粒徑)與M值(50%處累計(jì)概率曲線(xiàn)處粒徑)來(lái)反映搬運(yùn)介質(zhì)的特點(diǎn)，進(jìn)而判斷沉積條件(Passega，1957，1964)。在C-M圖解中，C=M時(shí)可作為濁流的一個(gè)判斷參數(shù)。GEO6巖心T1-T11沉積層(圖7)樣品粒度數(shù)據(jù)點(diǎn)分布大致與C=M平行，進(jìn)一步判斷T1-T11為濁流沉積。

基于此，本研究將GEO6巖心中濁流劃分為了T1-T11共11個(gè)期次。GEO6巖心所記錄的濁流主要有3種類(lèi)型：第1類(lèi)包括T1-T6、T10和T11，為單次濁流；第2類(lèi)包括T7和T9，屬于多階段濁流；第3類(lèi)為T(mén)8，屬于反粒序濁流。第1類(lèi)濁流總體特征為底部粒度明顯增加，由底部的泥質(zhì)沉積物突變?yōu)樯百|(zhì)粉砂或砂，隨著濁流動(dòng)力的減弱，速度降低，不足以攜帶砂質(zhì)或砂，依次沉積較為細(xì)粒的顆粒，到了頂部以泥質(zhì)沉積物為主(圖5)；第2類(lèi)濁流底部與第1類(lèi)類(lèi)似，也具有向上粒度變細(xì)的沉積特點(diǎn)，但不同之處在于，頂部還未沉積穩(wěn)定便馬上被下一階段的濁流所侵蝕，表明同時(shí)期并非僅僅發(fā)生了1次濁流沉積事件。第3類(lèi)反粒序濁流，粒度呈漸變式增加，增至最大時(shí)突變?yōu)榧?xì)顆粒沉積物，結(jié)構(gòu)上呈逆—正粒序。

5.3 馬尼拉海溝1.4 a B.￣P.以來(lái)濁流沉積形成機(jī)制

馬尼拉海溝北部沉積物主要來(lái)源于臺(tái)灣島、中國(guó)南方大陸以及呂宋島(Liuetal.，2010)。珠江等中國(guó)南方大陸河流沉積物受洋流的影響主要往西南向輸送，受限于寬廣的大陸架，珠江等河流的沉積物主要沉積于內(nèi)陸架，而呂宋島的沉積物受渦流的影響通常沉積在呂宋島西部，且難以因黑潮分支向西北輸送至南海北部陸架(Liuetal.，2011)。因此，推測(cè)臺(tái)灣島是馬尼拉海溝北部沉積物最主要的物源區(qū)。

濁流作為短暫性沉積，雖然持續(xù)時(shí)間短，但為深海帶來(lái)了大量的沉積物，是海洋順坡輸送的關(guān)鍵途徑，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)濁流的觸發(fā)成因進(jìn)行了大量的研究，認(rèn)為濁流的形成受海平面變化、氣候、河流、洪水、風(fēng)暴、火山噴發(fā)、海底沉積物失穩(wěn)和地震等影響(Dengler，1984；Bourgetetal.，2010；Meiburg and Kneller，2010；Cattaneoetal.，2012；Bourgetetal.，2013；Carteretal.，2014)。

6 結(jié)論

1)根據(jù)馬尼拉海溝北部水深3747 m處所采集GEO6巖心的粒度特征、沉積結(jié)構(gòu)及C-M圖解，共識(shí)別出11次(T1-T11)濁流沉積。其中T1-T6、T10-T11為單次濁流事件沉積，T7和T9為多階段濁流沉積，而T8為反粒序濁流沉積。

2)根據(jù)沉積物巖心底部浮游有孔蟲(chóng)AMS14C年齡，將整根巖心沉積時(shí)間限定在1.4 ka B.￣P.以來(lái)。

3)結(jié)合地質(zhì)資料認(rèn)為，僅因臺(tái)風(fēng)極端天氣及異重流引發(fā)的濁流難以搬運(yùn)至馬尼拉海溝，引起GEO6巖心所在的馬尼拉海溝頭部濁流的主要因素可能為地震，而臺(tái)風(fēng)等極端氣候所帶來(lái)的堆積在上游的大量沉積物為濁流的發(fā)生提供了先決條件。

致謝感謝“嘉庚號(hào)”科考船全體人員在樣品采集中提供的幫助，感謝中國(guó)海洋大學(xué)王程浩、李夢(mèng)君、齊富康、王玥銘、趙蓋博等在粒度分析實(shí)驗(yàn)中提供的幫助。