環(huán)礁沉積體系的過程-產(chǎn)物關(guān)系: 勘察式模擬初探*

高 抒

環(huán)礁沉積體系的過程-產(chǎn)物關(guān)系: 勘察式模擬初探*

高 抒

(海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院 南京 210023)

海洋沉積體系的定量模擬可分為仿真和勘察式模擬, 后者的目標(biāo)是建立沉積特征的連續(xù)譜、凝練新的科學(xué)問題。本文提出一個勘察式模擬的方法論框架, 即根據(jù)控制方程確定自變量的定義域, 進(jìn)而由模擬計算給出應(yīng)變量的值域, 并結(jié)合物質(zhì)收支平衡原理和“圓臺狀環(huán)礁”幾何模型, 以此方法預(yù)估環(huán)礁及其海底階地物質(zhì)輸運(yùn)和堆積格局。環(huán)礁是珊瑚礁的獨(dú)特類型, 其礁盤區(qū)提供了礁體生長和礁外坡、海底階地堆積的幾乎全部物源。結(jié)果表明, 環(huán)礁自身生長受控于生物碎屑生產(chǎn), 而海底階地的范圍和沉積速率不僅決定于離礁懸沙通量, 而且受到環(huán)礁外水深和海盆環(huán)流的制約。懸沙輸運(yùn)和重力流過程形成常態(tài)沉降和水下滑坡的交替沉積。此模型所預(yù)測的環(huán)礁沉積體系高程-面積曲線與南海環(huán)礁的實(shí)際曲線相對照, 可獲得環(huán)礁演化的機(jī)制信息。模擬結(jié)果還提示了需進(jìn)一步研究的科學(xué)問題, 如環(huán)礁生長規(guī)模及其控制機(jī)制、環(huán)礁沉積體系中周期性沉積的時間尺度、環(huán)礁外坡由于珊瑚生長自組織機(jī)制形成的重力流事件與地震等極端事件的對比和機(jī)制識別、環(huán)礁群的海底階地沉積記錄多樣性、海面變化對環(huán)礁演化的影響和沉積記錄、環(huán)礁人居環(huán)境安全等。

珊瑚礁; 物質(zhì)收支方程; 形態(tài)假設(shè); 懸沙輸運(yùn); 重力流; 碳酸鹽沉積

海洋沉積動力學(xué)主要研究: (1) 動力過程(如淺水環(huán)境的波浪、潮流、陸架與河口環(huán)流過程, 以及深水環(huán)境沉積物重力流和大尺度海盆環(huán)流過程; (2) 過程-產(chǎn)物關(guān)系(如沉積體系的形成演化); (3) 沉積記錄的解釋(沉積物既是全球環(huán)境變化的貢獻(xiàn)者, 也是其見證者)。在方法論層面, 現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析與模擬(通過物理模型和數(shù)值模擬)是主要手段, 其中數(shù)值模擬日益成為過程分析、模型輸出數(shù)據(jù)引導(dǎo)的現(xiàn)場觀測、工作假說構(gòu)建的工具。

數(shù)值模擬有兩種方式, 即仿真模擬和勘察式模擬(Murray, 2003)。前者依據(jù)連續(xù)方程和動量方程, 并輔之以顆粒態(tài)物質(zhì)行為、地貌均衡態(tài)、跨時間尺度的經(jīng)驗(yàn)公式(Roelvink, 2012), 目的是獲取特定沉積體系的特征, 自從20世紀(jì)中期以來已經(jīng)開發(fā)了多種模型并被廣泛應(yīng)用。雖然其模擬構(gòu)架是基于普適性方程的, 但所獲結(jié)果卻是案例性的。個案信息的集成被用以歸納和提煉沉積體系的理論, 這是一種自下而上的方式。

勘察式模擬的目的主要是形成某一類沉積體系的過程-產(chǎn)物連續(xù)譜, 發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)問題或工作假說, 其要點(diǎn)是分析那些表征系統(tǒng)特征和演化影響因素的變量的定義域, 進(jìn)而確定刻畫系統(tǒng)響應(yīng)的因變量的值域(高抒, 2013)。因此, 勘察式模擬是自上而下式的, 與仿真模擬構(gòu)成相輔相成的關(guān)系。

就沉積體系而言, 勘察式模擬的指向主要是砂質(zhì)、泥質(zhì)和碳酸鹽沉積。地球表面的沉積物主要來自巖漿巖風(fēng)化, 其產(chǎn)物以砂巖和泥巖為主(Davis, 1983; Miall, 2010), 但生物作用形成的碳酸鹽沉積也不可忽視, 其中相當(dāng)大的一部分是來自珊瑚礁(Fagerstrom, 1987)。

珊瑚礁可分為岸礁、堡礁、環(huán)礁等類型(Gardiner, 1931; McLean, 1995; Woodroffe, 2003)。環(huán)礁是珊瑚礁的獨(dú)特類型, 其礁盤區(qū)提供了礁體生長和礁外坡、海底階地堆積體的幾乎全部物源。研究者們早就發(fā)現(xiàn), 由于氣候和洋流分布因素的緣故, 在熱帶大洋西部易于形成環(huán)礁, 太平洋、印度洋環(huán)礁以群島的方式存在(Wiens, 1962; Stoddart, 1965), 例如馬爾代夫和法屬波利尼西亞的環(huán)礁群島(Brown, 2020; Duvat, 2020)。我國南海也是環(huán)礁形成的主要區(qū)域之一, 其面積超過8 000 km2(曾昭璇等, 1997; 趙煥庭等, 1999), 是新生代后期邊緣海擴(kuò)張歷史中形成的。

環(huán)礁物質(zhì)來源于生物生產(chǎn), 而碎屑物質(zhì)在環(huán)礁沉積體系的各部分之間如何分配、受控于哪些因素, 需進(jìn)行沉積動力學(xué)的分析。因此, 本文擬針對環(huán)礁沉積體系來探討勘察式模擬的方法。選擇環(huán)礁作為研究對象的理由是: (1) 與岸礁和堡礁相比, 環(huán)礁的物質(zhì)來源更為單一, 其數(shù)據(jù)處理相對而言較為簡單; (2) 環(huán)礁作為一個源匯系統(tǒng)同時涉及淺水和深水過程, 不像河流三角洲那樣只涉及淺水環(huán)境, 也不像海底扇那樣只涉及深水環(huán)境, 在沉積動力過程上具有典型性; (3) 環(huán)礁對全球變化很敏感, 有利于評價環(huán)礁沉積作為全球變化參與者和記錄者的角色。

本項(xiàng)研究的目標(biāo)是根據(jù)沉積物收支分析和環(huán)礁幾何形態(tài)假設(shè), 確定主控變量的定義域范圍, 量化環(huán)礁及其海底階地物質(zhì)輸運(yùn)和堆積而導(dǎo)致的地貌演化和沉積層序特征, 進(jìn)而討論環(huán)礁對海面變化的響應(yīng)、沉積記錄多樣性、勘察式模擬流程等問題。

1 方法

1.1 過程-產(chǎn)物關(guān)系建模與基本假設(shè)

環(huán)礁接近海面的部分屬于“碳酸鹽臺地”, 而環(huán)礁外圍水深較大處形成海底階地(Betzler, 1999; Busson, 2019)。環(huán)礁沉積物由臺地上珊瑚礁生長所提供, 來源于珊瑚骨骼以及依賴于珊瑚礁而生長的藻類、有孔蟲、雙殼類、腹足類等生物(Stockman, 1967; Chave, 1972; Meng, 2020)。物質(zhì)總量隨時間的變化可表達(dá)為物質(zhì)收支方程(Gao, 1995; Wang, 1997; Barry, 2008; 高抒等, 2022):

d/d=+, (1)

式中,為沉積體系的物質(zhì)總量, d/d為總量隨時間的變化率,和為時間的函數(shù), 其物理意義是對物質(zhì)增減有貢獻(xiàn)的因素, 其中是獨(dú)立于的源匯項(xiàng),是與相關(guān)聯(lián)的源匯函數(shù)。

環(huán)礁形態(tài)表現(xiàn)出多樣性(曾昭璇等, 1997), 有接近圓形的, 指示環(huán)礁生長的各向同性, 也有橢圓形、長條形的, 指示生長的各向異性。對實(shí)際的沉積體幾何形態(tài)進(jìn)行簡化, 有助于提高模擬的效率(Gao, 2007; Li, 2021)。最為簡化的環(huán)礁形態(tài)如圖1所示, 它代表各向同性的類型, 形態(tài)為圓臺狀, 環(huán)礁頂部半徑為, 環(huán)礁底部(海底)半徑為, 水深為, 礁外坡傾角為。根據(jù)圖1中所示幾何關(guān)系, 可知:

=/tan+. (2)

圖1 環(huán)礁形態(tài)的簡化形態(tài)

注:為環(huán)礁頂部半徑,為環(huán)礁底部(海底)半徑,為水深,為礁外坡傾角

在圓臺狀形態(tài)假定下, 環(huán)礁總質(zhì)量為

a=·= π··(2+2+·)/3, (3)

式中,a為圓臺狀環(huán)礁的物質(zhì)總質(zhì)量,為沉積物干容重,為環(huán)礁體積。例如, 當(dāng)=500 m和=1 040 m時,a=9.5×1012kg (=1 600 kg/m3)。假設(shè)環(huán)礁生長過程中始終保持為圓臺形態(tài), 則隨著a的增加, 環(huán)礁頂部半徑和底部半徑也隨之增大, 其隨時間的變化率為

要注意的是, 環(huán)礁頂部往往存在著潟湖, 這可以影響a的計算值, 但不影響dM/d, 因此, 對于環(huán)礁頂部平臺簡化假設(shè), 潟湖的存在不影響環(huán)礁生長的計算結(jié)果。在水深和礁外坡傾角為常數(shù)的情形下, d/d=d/d, 式(4)可改寫為

根據(jù)式(2)和(5)可知, 若a的變化率為已知, 則變化率也可求出, 隨著a增加, 圓臺狀環(huán)礁的體積也是增大的。如前所述,a的增加是由于生物生長的貢獻(xiàn); 由于珊瑚礁的主要生長范圍是環(huán)礁水邊線到50 m水深的范圍, 因此, 其生物生長面積為

=50–0=π(50/tan+)2–π2, (6)

式中,50和0分別為50 m和0 m水深處的環(huán)礁面積。若單位時間單位面積的生物物質(zhì)生產(chǎn)為P, 則范圍內(nèi)的總生產(chǎn)率為

=P×. (7)

這部分物質(zhì)形成之后, 一部分留在圓臺狀環(huán)礁之內(nèi), 另一部分則受到侵蝕、搬運(yùn)作用影響, 被移出環(huán)礁范圍, 被輸往海底階地(圖2)。圖2顯示, 礁坪是礁體物質(zhì)的主要分布區(qū), 位于珊瑚生長的地方, 其他區(qū)域, 包括礁外坡上部50 m范圍以外、中心潟湖等處, 為生物碎屑堆積; 海底階地上, 靠近環(huán)礁處為生物碎屑堆積, 到了外圍則成為極細(xì)顆粒堆積。

圖2 環(huán)礁生物物質(zhì)的源匯特征示意圖

注: 珊瑚礁生長為主要物源, 成為環(huán)礁礁體的組成部分, 堆積于圓臺狀環(huán)礁之內(nèi), 向海底階地輸出泥質(zhì)碳酸鹽巖顆粒, 形成層狀堆積體, 或者形成重力流沉積, 緊靠環(huán)礁外坡分布

向海底階地輸出部分涉及兩種機(jī)制, 一是系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的細(xì)顆粒物質(zhì), 以懸沙方式向外擴(kuò)散; 二是沉積物重力流。細(xì)顆粒物質(zhì)來源于生物生產(chǎn)、生物侵蝕作用和物理侵蝕作用。例如, 在珊瑚礁上生活的微型藻類生成泥質(zhì)碳酸鈣顆粒(Stockman, 1967); 鸚鵡魚啃食珊瑚礁體厚排泄出顆粒物質(zhì)(Perry, 2015; Cramer, 2017); 在灰沙島環(huán)境, 來自礁體的粗顆粒物質(zhì)可堆積成海灘(Illing, 1954; Ginsburg, 1956; Li, 2020), 而松散碎屑被波浪反復(fù)沖擊、磨蝕, 最終轉(zhuǎn)化為懸浮顆粒, 此后可被水流帶離環(huán)礁范圍。

環(huán)礁的物質(zhì)來源和堆積方式還會引發(fā)沉積物重力流。珊瑚生長區(qū)的物質(zhì)越來越多, 最終導(dǎo)致塊體的崩落和下坡運(yùn)動, 此過程將帶動先前堆積于礁外坡的物質(zhì)一起運(yùn)動, 直至坡度達(dá)到新的平衡。重力流攜帶的物質(zhì)中, 較粗顆粒的組分堆積于礁外坡的底部, 而較細(xì)顆粒以懸沙的形式繼續(xù)向外擴(kuò)散, 廣布到海底階地區(qū)域(Fagerstrom, 1987)。

因此, 對于環(huán)礁而言, 其沉積物收支方程還可寫為

式中,已由式(7)定義,s為細(xì)顆粒物質(zhì)擴(kuò)散造成的損失,g為沉積物重力流造成的損失,a為圓臺狀環(huán)礁的總質(zhì)量。對于海底階地而言, 后兩者又成為堆積體的物質(zhì)來源, 其收支方程為

式中,t為海底階地沉積體的總質(zhì)量。式(9)假定所有來自環(huán)礁的物質(zhì)均被圈閉于海底階地范圍。碳酸鹽沉積物在補(bǔ)償深度以下受溶蝕作用影響, 但環(huán)礁發(fā)育的環(huán)境水深大多小于這個深度, 故假定海底溶蝕造成的損失可予以忽略。

就堆積產(chǎn)物的懸沙擴(kuò)散部分而言, 細(xì)顆粒物質(zhì)擴(kuò)散有兩種情形。第一, 環(huán)礁周邊的本底懸沙濃度由于來自礁體的持續(xù)供給而保持在一定的水平, 構(gòu)成本底沉積的來源。本底懸沙向外擴(kuò)散時, 沿程接受的垂向通量為

=∫sd, (10)

式中,為局地懸沙濃度(環(huán)礁法向水平距離的函數(shù)),s為顆粒沉降速率,為持續(xù)發(fā)生顆粒沉降的時間長度。向外輸送所能達(dá)到的范圍取決于離開環(huán)礁海流的強(qiáng)度和水深條件, 這是由于懸沙從海洋表層沉降到底部所需的時間s決定于水深:

s=/s, (11)

而s又決定了懸沙輸運(yùn)的水平距離d:

d=×s, (12)

式中,為物質(zhì)擴(kuò)散而導(dǎo)致的顆粒法向平均運(yùn)動速度。

懸沙擴(kuò)散的第二種情形是周期性波動的懸沙輸出, 它與水動力的季節(jié)性變化尤其是波浪或風(fēng)暴事件相聯(lián)系, 在季節(jié)尺度上形成脈動式沉積。其沉降通量也受到式(10)～(12)的制約, 所不同的是本底物質(zhì)的粒度較細(xì)且一致, 故顆粒沉速接近于常數(shù), 而周期性波動組分顆粒相對較粗, 隨著沿程物質(zhì)分選的進(jìn)行, 其顆粒沉速在輸運(yùn)方向上呈下降趨勢。

沉積物重力流是事件性的, 其強(qiáng)度-頻率關(guān)系依系統(tǒng)特征而定, 同一系統(tǒng)內(nèi)強(qiáng)度越高的事件發(fā)生頻率越低, 而不同系統(tǒng)之間的事件強(qiáng)度可有很大差別。陸坡區(qū)域103km3量級的崩塌可在105～106a的周期上發(fā)生, 陸坡物質(zhì)和能量的條件允許較大規(guī)模的重力流發(fā)生, 其機(jī)制有多種, 包括構(gòu)造運(yùn)動、地震等極端事件, 以及長期系統(tǒng)演化的積累效應(yīng)等(Piper, 2012)。河口區(qū)沉積體的勢能有限, 松散物質(zhì)又易于流動, 因此, 重力流經(jīng)常發(fā)生且規(guī)模較小, 一般小于10–1km3量級(Talling, 2014)。碳酸鹽巖臺地的重力流事件具有類似的特征(Reijmer, 2015), 構(gòu)造運(yùn)動、地震等極端事件、長期系統(tǒng)演化的積累效應(yīng)可造成較大的事件, 規(guī)模為0.01～100 km3量級(Busson, 2021), 輸運(yùn)距離可達(dá)10 km量級(Wunsch, 2017, 2018; Busson, 2021)。

對于環(huán)礁, 由于物質(zhì)總量有限, 因此, 單由礁體自重觸發(fā)機(jī)制難以形成規(guī)模巨大的重力流。當(dāng)單個礁體生長到足夠大時, 由于自重而形成根部的斷裂, 崩塌的物質(zhì)順坡而下, 就形成重力流, 而波浪尤其是風(fēng)暴大浪使得斷裂更易發(fā)生。此類重力流的發(fā)生頻率有一定的隨機(jī)性, 當(dāng)珊瑚生長區(qū)底坡接近于臨界坡度時, 斷裂事件卻不一定同步發(fā)生, 但仍然可以從礁外坡的重力流堆積特征(曾昭璇等, 1997; Ou, 2021)推知重力流是經(jīng)常發(fā)生的。珊瑚體生長周期的時間尺度為102a量級, 而且波浪和風(fēng)暴大浪發(fā)生頻率還大大高過于此, 故斷裂事件應(yīng)在此時間尺度內(nèi)發(fā)生。在102a時間尺度上, 環(huán)礁生長所形成的物質(zhì)不足以形成巨大規(guī)模的重力流。

礁外坡重力流物質(zhì)組成涉及多種粒徑。大顆粒珊瑚碎屑具有棱角狀形態(tài), 因此主要堆積于礁外坡內(nèi)或坡底附近, 堆積層的厚度決定于重力流規(guī)模, 并且向外尖滅:

av=gdf/gdf, (13)

=gdf/, (14)

式中,av為重力流沉積平均厚度,gdf為重力流體積,gdf為重力流分布面積,為重力流沉積局地厚度,gdf為重力流事件垂向堆積通量。

1.2 算法與模型輸入?yún)?shù)

根據(jù)式(1)～(14)構(gòu)建環(huán)礁沉積體系計算流程(圖3), 計算由自編Fortran程序“EMASS1.0” (Exploratory modeling of atoll sedimentary system -Version 1.0)完成,流程的具體操作步驟解釋如下。

1.2.1 模型輸入?yún)?shù) 礁外坡的坡度較陡, 可達(dá)30°以上(曾昭璇等, 1997), 礁體坡面甚至有局地近于垂直的情形(于紅兵等, 1999)。為簡便起見, 選為松散顆粒的休止角(34°, tan34°=0.674 51) (Rankine, 1857), 因?yàn)榻竿馄抡w上是由有松散物質(zhì)堆積而成的。環(huán)礁沉積物干容重設(shè)為常數(shù), 即=1 600 kg/m3。

選取環(huán)礁半徑=20、500、1 000和2 000 m來代表環(huán)礁初始規(guī)模, 針對130、260、520、1 040、2 080、4 160 m水深條件, 分析水深因素對環(huán)礁生長的影響。

海洋環(huán)境中細(xì)顆粒物質(zhì)沉降速率為10-3～10-7m/s (Li, 1990)。由于碳酸鹽沉積環(huán)境是以近源、顆粒相對較粗、沉降快速的特征, 因此, 計算中采用較高數(shù)值, 即10-3m/s量級。邊緣海盆地的底層環(huán)流弱于開敞洋盆環(huán)境, 因此細(xì)顆粒物質(zhì)的擴(kuò)散范圍也較小, 設(shè)置為101km量級, 這相當(dāng)于擴(kuò)散導(dǎo)致的顆粒運(yùn)動速率為10-2m/s量級。

圖3 環(huán)礁和海底階地演化、沉積層序特征、高程-面積關(guān)系變化的勘察式模擬流程

1.2.2 環(huán)礁的初始物質(zhì)總量 根據(jù)式(2)和(3)計算環(huán)礁的初始物質(zhì)總量。以式(6)和(7)計算珊瑚生長區(qū)面積和每年貢獻(xiàn)給“圓臺狀”環(huán)礁生長的單位面積生物生產(chǎn)量, 取為0=30 kg/(m2·a) (關(guān)于輸出至海底階地部分的物質(zhì)量, 詳見下述)。這是珊瑚生物生產(chǎn)的較高數(shù)值(Chave, 1972; Michel, 2019), 有助于展示沉積特征的顯著性。此后, 根據(jù)式(5)計算環(huán)礁生長一個周期后環(huán)礁半徑的變化量, 然后以更新的數(shù)值計算下一個周期的珊瑚生長區(qū)面積、物質(zhì)供給率、環(huán)礁生長量, 直至模擬時段終止(時間尺度為全新世, 12 ka)。

1.2.3 輸出至海底階地部分的物質(zhì)量 分別按照物質(zhì)總量的1/16、1/8、1/4、1/2作為輸出比例值, 例如當(dāng)輸出比例為1/2時, 被輸出的碳酸鹽物質(zhì)與滯留于環(huán)境內(nèi)的物質(zhì)數(shù)量相同。此處將所有輸出物質(zhì)在本底沉積、脈動沉積、重力流沉積進(jìn)行先驗(yàn)分配, 分別為20%、30%、50%, 并確定三類沉積的各自分布范圍(詳見下述)。由于靠近環(huán)礁處沉積速率高、遠(yuǎn)離環(huán)礁處沉積速率低, 因此海底階地的堆積形態(tài)也成為近似的“圓臺”形, 只是其坡度遠(yuǎn)小于礁外坡, 且坡面線不一定是平直的。

1.2.4 背景物質(zhì)擴(kuò)散和堆積 根據(jù)式(10)～(12), 其堆積速率決定于3個因素: 局地懸沙濃度、顆粒沉速、沉降持續(xù)發(fā)生的時間長度, 需要確定的是局地懸沙濃度。如圖4所示, 在懸沙向外擴(kuò)散時, 從第個環(huán)狀水域到第+1個環(huán)狀水域, 懸沙總量是守恒的, 因此有

C+1×2π×L+1=C×2π×L, (15)

式中,C和C+1分別為水域面積L和L+1的局地懸沙濃度。由于一定量的懸沙被分布到逐漸擴(kuò)大的水體中, 因此懸沙濃度向外呈減小趨勢。根據(jù)平面圓面積公式, 有

L= 2π ×rΔ, (16)

式中,r為環(huán)狀水域到環(huán)礁中心的距離, Δ為環(huán)狀水域的寬度。此外, 本底沉積的總量為

= ∫d·2π·d, (17)

式中,為本底沉積的年堆積總量, 根據(jù)前述假設(shè)占物質(zhì)輸出量的20%。根據(jù)式(15)～(17), 局地懸沙濃度的分布用“EMASS1.0”中給定的數(shù)值計算方法確定。在堆積速率計算中, 假定在一年時間內(nèi)所有輸入物質(zhì)全部從水層中沉降至底部, 即

r=×s×/, (18)

s=/, (19)

式中,r為堆積速率,s為顆粒沉速,為一年的秒數(shù)(3 600×24×365)。

圖4 環(huán)礁海底階地區(qū)域由于擴(kuò)散作用而形成的懸沙濃度環(huán)狀分布

1.2.5 季節(jié)性物質(zhì)擴(kuò)散和堆積 關(guān)于季節(jié)性物質(zhì)擴(kuò)散, 仍根據(jù)式(10)～(12)處理, 但不同的是顆粒沉速不再為常數(shù), 因?yàn)榧竟?jié)性部分物質(zhì)的產(chǎn)生與較強(qiáng)的波浪水動力相聯(lián)系, 其粒徑相對較粗。粒徑較大的顆粒首先沉降, 而較細(xì)的物質(zhì)可到達(dá)擴(kuò)散范圍的外緣, 因此假定其沉速從2×10-3m/s隨距離線性下降至1×10-3m/s。由于差異性沉降可影響懸沙濃度, 故式(15)和(17)調(diào)整為

C+1×2πH ×L+1=C×2π×L+I, (20)

″ =2∫d·2π·d, (21)

式中,I為影響懸沙濃度的源匯項(xiàng)(由于靠近環(huán)礁邊緣沉速較大或?qū)е? 在計算中定性地設(shè)為式(20)右邊第一項(xiàng)的10%),C和C+1仍分別為水域面積L和L+1脈動組分的局地懸沙濃度, 參數(shù)2的處理與1相同,″為脈動組分的年堆積總量, 根據(jù)前述假設(shè)占懸沙輸出量的30%。

1.2.6 重力流事件沉積 較顯著的重力流事件設(shè)為每100 a發(fā)生一次, 因此在104a時間尺度上發(fā)生100次。對于此時段產(chǎn)生100個不同的隨機(jī)數(shù), 作為重力流發(fā)生的年份。此外, 由于重力流難以在各個方位上同步發(fā)生, 因此, 按照4個方位隨機(jī)確定其發(fā)生的方位, 即在1和4之間產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù), 分別代表北、東、南、西4個方位, 并按照物質(zhì)守恒原理, 然后根據(jù)兩次事件的時間間隔將物質(zhì)總量的25%分配給本次重力流事件。根據(jù)這一算法, 雖然重力流的平均供給假設(shè)為年度物質(zhì)輸出的50%, 但隨機(jī)年份代表的重力流卻使得其規(guī)模有所不同。

關(guān)于重力流沉積的數(shù)據(jù)展示, 假設(shè)最大輸運(yùn)距離為2 km, 此處重力流沉積層尖滅。根據(jù)式(13)用重力流沉積分布范圍確定平均堆積。重力流沉積層在環(huán)礁與海底階地之間的邊界上最大, 其值根據(jù)重力流事件的物質(zhì)量計算:

max=sgf/ (4m), (22)

m= π [2+×(+sgf)+sgf2] /3 – π2, (23)

式中,max為邊界上的重力流沉積厚度,sgf為重力流體積,sgf為重力流堆積范圍。

1.2.7 高程-面積關(guān)系曲線 根據(jù)更長時間尺度的累計沉積層厚度計算結(jié)果, 展示環(huán)礁、海底階地的高程-面積關(guān)系曲線。從環(huán)礁頂部海底階地外緣起算, 確定礁坪邊緣、環(huán)礁底部外緣、海底階地重力流沉積分布外緣、海底階地外緣等關(guān)鍵點(diǎn)以上面積的占比, 以海底階地最大水深處作為曲線的100%位置。

2 結(jié)果

2.1 環(huán)礁生長特征

數(shù)值實(shí)驗(yàn)算例表明, 環(huán)礁本身的生長深受周邊水深的影響。以初始半徑為500 m的環(huán)礁為例, 在生物沉積物產(chǎn)出率(環(huán)礁滯留部分)為30 kg/(m2·a)條件下, 環(huán)礁生長速率隨著水深的加大而快速減小(表1)。130、260和520 m水深大致代表陸坡區(qū), 1 040～2 080 m是南海環(huán)礁區(qū)水深的大致范圍。在104a時間尺度上, 陸坡區(qū)生長幅度較大, 而后兩個水深條件下環(huán)礁半徑只分別增長了1.2%和0.4%。對于更大的水深(大于4 000 m), 即便忽略碳酸鹽補(bǔ)償深度的效應(yīng), 也能看出其生長是及其緩慢的。由于所假設(shè)的物質(zhì)滯留率為實(shí)際環(huán)礁環(huán)境的較大值, 因此可以推論, 在104a尺度上, 環(huán)礁的頂部半徑和生物沉積生產(chǎn)總量的較大變化要在106a尺度上才能發(fā)生, 即便如此, 環(huán)礁半徑也只有算術(shù)級的增長, 對于1 040 m水深大致為原來的2倍。根據(jù)圓臺形態(tài)假設(shè), 初始規(guī)模的環(huán)礁物質(zhì)總量為9.5×1012kg, 半徑加倍后, 物質(zhì)總量增大為17.4×1012kg; 同時, 環(huán)礁生長的物質(zhì)供給率從7.5×106kg/a增加到5.1×108kg/a, 因此, 雖然式(3)和(6)指示了環(huán)礁隨時間的非線性生長, 但其效應(yīng)要在超過104a的尺度上才變得較為顯著。

若將環(huán)礁半徑取為不同的初始值, 則在全新世時間尺度上, 環(huán)礁半徑增長量在不同水深條件下有很大差異(表2)。陸坡區(qū)增長幅度相對較大, 而深水區(qū)較小: 130 m水深時, 4 km初始半徑環(huán)礁半徑的增幅比 20 m初始半徑環(huán)礁大49.6 m; 2 080 m水深時, 兩者之間的差距減小至5.56 m。另一方面, 環(huán)礁半徑增長量的比值則是陸坡區(qū)相對較小, 而深水區(qū)較大: 130 m水深時, 4 km初始半徑環(huán)礁的半徑增幅是 20 m初始半徑環(huán)礁的1.6倍; 2 080 m水深時, 兩者之間的比值增大到19.7倍。另一個趨勢是, 隨著初始半徑的增加, 環(huán)礁半徑的增長幅度逐漸靠近, 這在陸坡區(qū)尤其明顯。

表1 不同水深條件下環(huán)礁生長中的r增量隨時間的變化

注:表示礁外坡之外的水深(圖1); 初始值:=500 m, 生物生長面積=0.25×106m2, 每年單位面積生物生產(chǎn)量0=30 kg/(m2·a)

表2 環(huán)礁生長(12 000 a時間長度)與其初始規(guī)模和周邊水深的關(guān)系[初始值: P0=30 kg/(m2·a)]

上述結(jié)果表明, 在深水條件下, 環(huán)礁無論其初始半徑大小如何, 后續(xù)的生長都是較為緩慢的。南海的大型環(huán)礁, 其直徑最大者可超過100 km (曾昭璇等, 1997), 不一定是小型環(huán)礁生長而成的。在南海邊緣海形成演化的時間尺度約束下, 從半徑為20 m的環(huán)礁發(fā)展為大型環(huán)礁, 有演化時間不足的問題, 因而有些大型環(huán)礁可能是繼承性的。

2.2 礁外坡海底階地細(xì)顆粒碳酸鹽物質(zhì)堆積速率

環(huán)礁底部半徑之外接受輸出細(xì)顆粒物質(zhì)堆積的范圍為海底階地。其背景物質(zhì)供給和季節(jié)性物質(zhì)輸運(yùn)的效應(yīng)可用平均或局地堆積速率來表征。不同臺地物質(zhì)輸出比率取值所對應(yīng)的平均堆積速率列于表3。在所假設(shè)的條件下, 懸沙擴(kuò)散范圍與水深成正比, 這導(dǎo)致了堆積速率的大幅度減小, 這是由于堆積速率與海底階地面積成正比, 而后者與擴(kuò)散半徑有著非線性的關(guān)系。從表3可看出, 當(dāng)水深從1 040 m增大到2 080 m , 平均堆積速率降低了一個數(shù)量級。臺地物質(zhì)輸出比率代表物源的規(guī)模, 表3的計算結(jié)果表明, 海底階地“年層”(即一年時間里四個季節(jié)物質(zhì)堆積而形成的沉積層)的平均厚度是較小的, 即便取最高的物質(zhì)輸出比率值, 1 040 m水深下每年的背景沉積和季節(jié)性沉積平均值之和小于101μm/a量級, 相當(dāng)于每十萬年形成一層約0.53 m厚的堆積體。

關(guān)于局地沉積速率, 針對1 040 m水深、臺地物質(zhì)輸出比為1/2的情形所計算數(shù)值列于表4。在所假設(shè)的條件下, 由于懸沙擴(kuò)散導(dǎo)致的向外濃度下降和沉降時長減小, 沉積速率也向外降低, 呈環(huán)狀分布。緊靠環(huán)礁邊緣, 每年的背景物質(zhì)和季節(jié)性物質(zhì)的沉積速率平均值之和小于接近于20 μm/a, 而到海底階地外緣降低至1 μm/a以下。前者相當(dāng)于每十萬年形成約厚2.0 m的沉積, 后者相當(dāng)于每十萬年形成厚約0.075 m的沉積。

表3 不同水深條件下的環(huán)礁海底階地沉積層特征

注:=1 040 m, 擴(kuò)散距離10 km;=2 080 m, 擴(kuò)散距離20 km; 初始值=500 m,=0.25×106m2,0=30 kg/(m2·a);f=10–3kg/(m2·a), 表示空間平均垂向沉積通量;=10–3mm/a, 表示空間平均沉積速率

表4 環(huán)礁海底階地沉積速率的環(huán)狀分布

注:=1 040 m, 擴(kuò)散距離10 km, 臺地物質(zhì)輸出比率為1/2; 初始值=500 m,=0.25×106m2,0=30 kg/(m2·a)

背景沉積、季節(jié)性沉積在礁外坡的分布格局如圖5所示, 分別以綠色和黃色表示, 兩者合在一起構(gòu)成年層。如前所述, 當(dāng)礁緣物質(zhì)供給率取最大值的情形下, 年層厚度達(dá)到101μm/a量級, 是易于識別的。若海底階地同時接受周邊多個環(huán)礁的物質(zhì), 則年層厚度可進(jìn)一步提高。在更多的情形下, 由于物質(zhì)供給率的下降, 海底階地的沉積速率也大幅度下降, 尤其是在階地外側(cè)。當(dāng)年層厚度與最小顆粒的粒徑相當(dāng)時, 例如1 μm, 紋層可能難以識別, 沉積層可能以“塊狀沉積”的形式出現(xiàn)。但是, 這不能得出沉積層的時間分辨率不能達(dá)到100a的結(jié)論, 在沉積速率為已知的情況下, 即使年層的形態(tài)不能被識別, 時間分辨率仍與年層相當(dāng)。

2.3 重力流事件沉積

在本次實(shí)驗(yàn)中, 按照“隨機(jī)數(shù)”方法, 環(huán)礁東側(cè)在10 ka內(nèi)發(fā)生了23次重力流事件; 以環(huán)礁半徑為500 m、生物沉積物總生產(chǎn)為60 kg/(m2·a)、物質(zhì)輸出比為1/2為假設(shè)條件, 計算了每次事件的規(guī)模。重力流事件規(guī)模和發(fā)生時間如圖6所示。此類事件中的最顯著者, 其規(guī)模也沒有超過106m3, 大多數(shù)小于105m3, 說明較小規(guī)模的環(huán)境難以通過珊瑚生長的自組織機(jī)制生成大規(guī)模重力流事件, 比地質(zhì)記錄中的較大事件要小得多(Principaud, 2015, 2018; Busson, 2021)。因此, 如果在環(huán)礁周邊區(qū)域出現(xiàn)巨厚的重力流沉積, 則不能用百年尺度的由珊瑚生長而造成的礁外坡滑坡來解釋, 而應(yīng)考慮地震、火山噴發(fā)等極端事件(Canals, 2004; Piper, 2012; Alves, 2015; Shanmugam, 2015; Babonneau, 2017)。

圖5 靠近礁外坡處的環(huán)礁海底階地年周期沉積特征示意圖

注:=500 m,=1 040 m, 礁緣物質(zhì)輸出率為1/2; 黃色為背景物質(zhì)沉積層, 綠色為季節(jié)性物質(zhì)沉積層

圖6 “隨機(jī)數(shù)”方法形成的環(huán)礁東側(cè)重力流事件規(guī)模和發(fā)生時間

根據(jù)所設(shè)置的數(shù)值實(shí)驗(yàn)條件, 上述重力流事件在海底階地上的堆積格局如圖7所示。在10 ka時間尺度上, 環(huán)礁外坡附近的總堆積厚度為100m量級, 可見重力流堆積的厚度沒有超過10-1m量級。圖6、圖7的結(jié)果表明, 以本文的勘察式模擬方法, 能夠給出假定機(jī)制下的重力流事件發(fā)生的頻率-強(qiáng)度關(guān)系, 它與地震、火山噴發(fā)等極端事件造成的重力流事件頻率-強(qiáng)度關(guān)系應(yīng)有很大的差異, 據(jù)此可以判別地層中出現(xiàn)的重力流沉積的類型和控制機(jī)制。

圖7 假想環(huán)礁東側(cè)海底階地重力流和泥質(zhì)灰?guī)r沉積的模型輸出結(jié)果

2.4 沉積層序特征與高程-面積關(guān)系

環(huán)礁形態(tài)和沉積更長時間尺度演化的結(jié)果可以用高程-面積關(guān)系曲線來概括。該曲線的橫坐標(biāo)為不同高程所占平面面積的累積百分比, 縱坐標(biāo)為床面高程。隨著長時間沉積過程的進(jìn)行, 高程較大部分所占的面積將逐漸增加, 因此曲線的形態(tài)有從下凹形向上凸形發(fā)展的趨勢。

勘察式模擬結(jié)果中,=500 m、=1 040 m的假設(shè)是有代表性的, 經(jīng)過107a的環(huán)礁生長和海底階地堆積(包括細(xì)顆粒物質(zhì)沉降和重力流堆積), 靠近環(huán)礁外坡處地層厚度超過100 m, 而海底階地大部分面積上均小于100 m, 曲線的形態(tài)仍呈現(xiàn)明顯的下凹形(圖8a)。這說明珊瑚生長區(qū)提供的物源較小, 因而難以在此時間尺度上快速增加海底階地地層的厚度。

與之形成鮮明對比的是, 南海中沙群島海區(qū)和南海南沙群島海區(qū)的高程-面積關(guān)系曲線(圖8b、8c)卻顯示了較顯著的改變, 盡管南海海盆的形成歷史表明這兩個區(qū)域的珊瑚生長具有相同的時間尺度(Briais, 1993; Wang, 2009; Barckhausen, 2014)。南海中沙群島海區(qū)的背景水深為2km量級, 將近一半的面積高程有顯著增高; 南沙群島海區(qū)的曲線是以1 000 m水深為外界的(與圖8a相近)這里2 m水深以淺的礁坪占了總面積的7.2%。造成差異的因素有多種可能, 值得進(jìn)一步探討, 如圖8a針對的是單個環(huán)礁體系, 而圖8b、8c卻涉及多個環(huán)礁, 尤其是南沙群島區(qū)域, 而且其中許多環(huán)礁規(guī)模很大(曾昭璇等, 1997), 可能是有繼承性的(Wu, 2020)。

在本文算法上, 107a之前的海底階地地面高程假設(shè)為處處一致, 而實(shí)際的地面高程可能已經(jīng)由于前期堆積過程而有了一定的高程差異(于紅兵等, 1999; 徐東海等, 2018; 楊朝云等, 2018; 黎雨晗等, 2020), 這也會有所影響。假設(shè)一個傾斜的原始地面是一個可能的解決方案, 但在操作層面上此前的地形如何假設(shè), 還缺乏根據(jù)。所幸圖8a與圖8b、8c之間的差異較大, 因而可以排除這一因素的影響, 即圖8對照中顯示的差異是真實(shí)的。本文的分析并非專門針對南海,但上述問題值得未來進(jìn)行進(jìn)一步探索。

圖8 環(huán)礁和海底階地高程-面積關(guān)系

注: a: 勘察式模擬結(jié)果(=500 m,=1 040 m, 時間尺度107a); b: 南海中沙群島海區(qū)實(shí)測結(jié)果; c: 南海南沙群島海區(qū)實(shí)測結(jié)果

3 討論

3.1 海面變化影響

雖然在前述模擬實(shí)驗(yàn)中考慮了水深的因素, 但海面變化速率沒有專門作為變量加以考慮。海面位置影響水深, 這一點(diǎn)包含在水深因素里了, 而海面變化影響還需從能量、物質(zhì)角度進(jìn)行更加全面的預(yù)估(Woodroffe, 2008)。由于當(dāng)前正處于全球變暖、海面上升的階段, 因此, 環(huán)礁地貌、沉積的響應(yīng)問題廣受關(guān)注, 潮流(Wasserman, 2014; Rasheed, 2021)、波浪(Shope, 2017)、風(fēng)暴和海嘯(Kench, 2006; Engel, 2016)是沉積物輸運(yùn)的主要動力, 環(huán)礁海灘沖淤和岸線進(jìn)退成為研究熱點(diǎn)。環(huán)礁的物質(zhì)來源是另一個熱點(diǎn), 珊瑚生長能否提供充足的供給(Betzler, 2015; Liang, 2016)是珊瑚礁能否在海面上升中生存下來的關(guān)鍵。

上述兩個方面的論點(diǎn)對于岸礁和堡礁而言是成立的, 由于有海岸的依托, 沉積物在通常的水動力條件下有向岸輸運(yùn)的趨勢, 珊瑚的持續(xù)生長狀況決定了礁體可以有維持、追趕、淹沒等三種狀態(tài)(Woodroffe, 2003)。但對于環(huán)礁, 本文模型中礁外坡是一個重要因素, 它制約了礁體向上生長的速率, 如果生長加快, 沉積物重力流也更易于發(fā)生(Trofimovs, 2010)。從幾何形態(tài)的角度看, 海面上升就相當(dāng)于加大了水深, 所以向上生長是否保持環(huán)礁的規(guī)模很成問題。例如, 在灰沙島的情形下, 對于當(dāng)海面上升6 m, 如要保持海面附近的500 m環(huán)礁半徑, 在34°休止角下, 就必須在6 m水深之處將半徑擴(kuò)大8.9 m, 而根據(jù)表1的計算數(shù)據(jù), 這是不可能的。因此, 即便珊瑚向上生長的速率與海面上升保持同步, 半徑也必須要有收縮8～9 m, 如果海面上升幅度高達(dá)130 m, 則需要收縮193 m, 也就是說, 半徑小于193 m的環(huán)礁必然會被淹沒。圖9給出了灰沙島在海面上升階段的生長情況。如果環(huán)礁是屬于其中心部位有潟湖的那種類型, 那么環(huán)礁頂部平臺假設(shè)不再成立, 新生成的物質(zhì)將用于填充潟湖(范德江等, 2018), 而非用于向上生長, 被淹沒是必然的。

海面下降情形下, 礁外坡也有重要影響(圖9)。礁坪高程接近于海面者, 如果海面下降, 則必有一部分礁體暴露于睡眠之上, 經(jīng)受溶蝕作用, 甚至形成喀斯特地貌。同時, 暴露的礁體重力作用增大, 更易發(fā)生礁外坡的滑坡。

值得注意, 為了應(yīng)對太平洋、印度洋的環(huán)礁區(qū)域的海面上升, 尤其是馬紹爾群島(Gerhardt, 2020)、馬爾代夫(Brown, 2020)、法屬波利尼西亞(Duvat, 2017, 2021; Montaggioni, 2021)等脆弱區(qū)域, 人們試圖在環(huán)礁島嶼上抬高地面或其他阻止岸線后退的工程, 這將增加島嶼邊緣區(qū)域的水下滑坡風(fēng)險。自然狀況下, 海面上升使得高于面積縮小, 人為地保持島嶼面積, 外坡的失穩(wěn)更易發(fā)生。環(huán)礁上的各種試圖改變礁體地貌的措施都有此種風(fēng)險, 需要充分的評估。

在長時間尺度下, 海面變化是引發(fā)重力流強(qiáng)度-頻率變化的因素(Trofimovs, 2010), 對環(huán)礁外圍海底階地沉積也有影響。當(dāng)海面上升, 環(huán)礁頂部半徑收縮, 因此生物生產(chǎn)減少, 外緣階地沉積速率也下降;反之, 當(dāng)海面下降, 環(huán)礁頂部半徑加大, 因此, 生物生產(chǎn)增加, 外緣階地沉積速率也上升。因此, 海底階地沉積速率的周期性變化可含有海面和氣候變化的信號。此外, 當(dāng)風(fēng)暴較多較強(qiáng)時, 年層厚度可能增加, 可作為風(fēng)暴過程的指示物。

圖9 海面上升或下降對灰沙島地貌的影響

3.2 沉積記錄多樣性

從勘察式模擬結(jié)果看, 環(huán)礁及其海底階地的沉積記錄有著顯著的多樣性, 其特征和環(huán)境演化的指示意義值得深入研究。環(huán)礁“圓臺體”的演化歷史被反映在其內(nèi)部的層序中(羅云等, 2022)。環(huán)礁規(guī)模的增大伴隨著整體的沉降, 珊瑚生長帶的半徑也向上擴(kuò)大, 因此, 沿環(huán)礁半徑的系列鉆孔應(yīng)能揭示這一生長過程。海面變化周期疊加在總體演化趨勢之上, 表現(xiàn)為珊瑚生長帶的周期性收縮和擴(kuò)大(海面上升與收縮對應(yīng), 海面下降與擴(kuò)大對應(yīng)), 因此鉆孔中礁體和碎屑堆積體之間的界線可能呈現(xiàn)鋸齒狀的垂向變化。此外, 實(shí)際的環(huán)礁并非都接近于圓臺形狀, 而是表現(xiàn)出橢圓、長條形多邊體等多種形狀, 這代表環(huán)礁生長的各向異性或基底原始地形的影響(曾昭璇等, 1997; Chabaud, 2016; Wu, 2020)。

在海底階地上, 逃逸離環(huán)礁的生物碎屑構(gòu)成細(xì)顆粒物質(zhì)本底沉積, 而在靠近礁外坡處還形成本底物質(zhì)與重力流的交替沉積。海底階地的范圍和沉積速率決定于懸沙輸運(yùn)格局, 因而受到環(huán)礁之外水深和海盆環(huán)流的制約(Chabaud, 2016)。在本文模擬中, 采取了10 km擴(kuò)散范圍的假設(shè), 在表4所示的典型案例中, 輸出物質(zhì)通量為物源總量的1/4, 其輸運(yùn)寬度是500 m環(huán)礁的周長, 水深為103m量級, 在1 a時間內(nèi)發(fā)生, 由此可估算出平均輸運(yùn)通量的量級。與此同時, 10 km范圍內(nèi)的懸沙濃度梯度為10-5kg/m3量級(表4)。因此, 根據(jù)擴(kuò)散方程, 相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)為101m2/s量級, 介于河口海岸環(huán)境(Lewis, 1997)和開敞海洋環(huán)境(Apel, 1987)物質(zhì)輸送的分子擴(kuò)散系數(shù)和彌散系數(shù)之間。不同擴(kuò)散系數(shù)條件下的輸運(yùn)計算超越了本文的目標(biāo), 沒有能夠進(jìn)行, 但未來可對這個問題進(jìn)行專門的探討, 特別是考慮潮汐(姜錦東等, 2018)、中尺度渦旋(徐茗等, 2019)和海盆尺度的環(huán)流(蔡樹群等, 1999)等因素。此外, 在環(huán)礁密集分布的區(qū)域, 本底沉積的物源與多個環(huán)礁有關(guān), 這增加了“年層”樣式的復(fù)雜性。前已述及, 年層的特征也與海面位置有關(guān), 因而含有海面變化信息。

年層的不同組合可以周期性層序的形式出現(xiàn), 每個周期均含有多個年層。這與水層中的環(huán)境變化有關(guān), 而后者又可與構(gòu)造運(yùn)動和/或氣候變化相關(guān)聯(lián)。圖10a展示了疊加在年層之上的水層事件的沉積產(chǎn)物, 一個可能的過程是, 構(gòu)造運(yùn)動、氣候變化造成水層生物生產(chǎn)和沉降通量變化, 因而使年層中出現(xiàn)生物沉積的周期性變化(參見圖10a中的紅色層)。此類現(xiàn)象在地質(zhì)歷史上很普遍, 如南京地區(qū)廣泛分布的早三疊系“紅色層面”薄層石灰?guī)r(圖10b), 其層厚過大, 不可能是年層, 因此紅色層面極有可能是環(huán)境變化的產(chǎn)物。關(guān)鍵問題是, 如何從年層的識別中確定周期性沉積的時間尺度, 這個論題的研究可能從勘察式模擬中獲益。

圖10 環(huán)礁沉積記錄的不同時間尺度的周期性

注: a: 海底階地夾在年周期沉積之中的水層環(huán)境變化信息; b: 早三疊系薄層灰?guī)r中超越年層的周期性沉積(原位地層, 拍攝于南京仙林地區(qū), 對角線距離為0.45 m)

3.3 勘察式模擬的流程

如前所述, 在沉積地質(zhì)學(xué)研究中, 仿真模擬和勘察式模擬的共同點(diǎn), 都是針對系統(tǒng)的過程-產(chǎn)物關(guān)系的, 但在研究目標(biāo)上有較大的不同。仿真模擬是針對一個具體的系統(tǒng)行為的, 如長江三角洲的沉積體系的形成、演化。而勘察式模擬是要獲得系統(tǒng)行為的譜系, 提煉重要的科學(xué)問題。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo), 勘察式模擬具有獨(dú)特的流程。

以本文環(huán)礁模擬實(shí)例, 勘察式模擬有以下幾個步驟。首先, 需要構(gòu)建控制方程。針對環(huán)礁的問題, 控制方程是基于物質(zhì)守恒定律的沉積物收支方程和環(huán)礁幾何形態(tài)假設(shè)而構(gòu)建的, 在此理論框架下水動力學(xué)的控制方程是缺失的, 但這并不影響勘察式模擬的進(jìn)行, 這是因?yàn)樵诤罄m(xù)模擬流程中只需要確定基本變量的定義域, 而無需表征水動力變量的具體數(shù)值。

其次, 確定控制方程中的基本自變量, 并確定其定義域。對于環(huán)礁沉積體系而言, 生物沉積物的供給率是一個基本變量。在本項(xiàng)研究中, 為了獲得最顯著的沉積記錄, 尤其是代表年沉積記錄的紋層, 搜尋了文獻(xiàn)中給出的生物沉積物產(chǎn)出率最大值。其他重要的變量, 如水深、環(huán)礁初始規(guī)模、從環(huán)礁輸出的沉積物數(shù)量、懸沙擴(kuò)散距離、沉積物重力流頻率和強(qiáng)度、重力流沉積與沉降物質(zhì)沉積的相對比率等, 也確定了其變動范圍。

第三, 針對基本變量定義域范圍所有可能的排列組合, 進(jìn)行遍歷式的模擬。具體到環(huán)礁問題, 本文給出了每一種組合的沉積產(chǎn)物, 包括沉積速率及其空間分布格局和隨時間的變化, 以此建立起基本變量與最終沉積產(chǎn)物之間的聯(lián)系。

第四, 對勘察式模擬的結(jié)果進(jìn)行綜合、集成, 確定哪些結(jié)果是實(shí)際上可能發(fā)生的、哪些是不可能的。例如, 在環(huán)礁的問題上, 由于受到最大生物沉積物供給的限制, 因此在環(huán)礁沉積體系內(nèi), 無論是在圓臺狀環(huán)礁內(nèi)部, 還是在海底階地處, 特別高的沉積速率是不能發(fā)生的。沉積速率決定了年層和周期性沉積層的厚度, 這說明在單個環(huán)礁體系的海底階地上, 特別厚的紋層是難以形成的。再如, 由于珊瑚礁生物沉積本身作用的限制, 在百年的周期上, 礁體每年的向上生長以10-2m為限。由于這個原因, 生物自組織作用形成的重力流的規(guī)模也是有限制的。在百年尺度上形成的沉積物重力流, 其厚度是在10-2～10-1m量級。因此, 如果在環(huán)礁周邊發(fā)現(xiàn)更厚層的重力流沉積, 則說明有其它的動力機(jī)制。

最后, 在數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上, 構(gòu)建新的科學(xué)問題。針對環(huán)礁的模型輸出結(jié)果, 本文提出了值得今后進(jìn)一步研究的科學(xué)問題: (1) 環(huán)礁的規(guī)模有較大的變化范圍, 那么大的環(huán)礁是由小環(huán)礁生長而成的嗎？小環(huán)礁發(fā)育為大環(huán)礁, 需要什么樣的物質(zhì)供給和沉積動力條件？如果這些條件不符合, 大環(huán)礁如何形成？與繼承性的地形有關(guān)嗎？(2) 海底階地年層的厚度如何識別？如果沉積速率過低, 年層可能難以識別, 在這種情況下, 如何確定周期中沉積單元的時間尺度？(3) 環(huán)礁外坡沉積物重力流的規(guī)模有多大？除了生物生長的自身機(jī)制之外, 地震等極端事件觸發(fā)的重力流規(guī)模是由哪些因素決定的？如何識別不同的重力流機(jī)制？(4) 關(guān)于環(huán)礁沉積的周期性, 其內(nèi)部的沉積記錄中, 有哪些可以提取的信息？海底階地的周期性沉積與氣候變化周期是什么關(guān)系？在年層之上, 哪些過程可以引發(fā)更長時間的周期性？這些沉積層的界面是由什么因素決定的、代表多長時間的周期性？(5) 海面變化如何影響環(huán)礁的過程-產(chǎn)物關(guān)系？如何從環(huán)礁鉆孔中獲得海面變化周期的信息？對于海面上升, 環(huán)礁的響應(yīng)與岸礁和堡礁有何不同？海面下降過程中, 礁邊緣的失穩(wěn)狀態(tài)、沉積物重力流的發(fā)生是否會更加頻繁？(6) 應(yīng)對海面變化, 環(huán)礁人居環(huán)境的安全如何保障？環(huán)境穩(wěn)定性如何評價？

4 結(jié)論

(1) 本文基于物質(zhì)守恒原理和環(huán)礁形態(tài)假設(shè)構(gòu)建勘察式模型, 以計算環(huán)礁和海底階地形成演化中的物質(zhì)輸運(yùn)和堆積。針對環(huán)礁初始規(guī)模、水深、懸沙輸出通量等變量不同的取值范圍, 對環(huán)礁生長、海底階地沉積等因變量的相應(yīng)進(jìn)行遍歷式的計算。

(2) 模擬結(jié)果表明, 環(huán)礁本身的生長受控于生物物質(zhì)生產(chǎn), 而海底階地的沉積范圍和速率決定于懸沙輸運(yùn), 受到環(huán)礁外水深和海盆環(huán)流強(qiáng)度的制約。懸沙沉降和重力流過程形成常態(tài)垂向通量和重力流交替沉積。此簡化模型所預(yù)測的環(huán)礁沉積體系高程-面積曲線可與實(shí)際曲線進(jìn)行對比, 進(jìn)而分析環(huán)礁-海底階地體系演化的不同機(jī)制。

(3) 相對于岸礁和堡礁, 海面變化對環(huán)礁的影響更大。當(dāng)海平面上升時, 灰沙島的規(guī)模減小, 大幅度上升將導(dǎo)致小型環(huán)礁的淹沒。海面下降則使得礁外坡更易發(fā)生水下滑坡, 并使海面之上的部分發(fā)生溶蝕?？傮w上, 海面變化加大地貌環(huán)境失穩(wěn)的風(fēng)險, 不利于人居環(huán)境的維持。

(4) 環(huán)礁及其海底階地的沉積記錄有著顯著的多樣性。環(huán)礁演化歷史被反映在其內(nèi)部的層序中, 如生長過程、海面變化等。海底階地上, 從環(huán)礁輸出的生物碎屑構(gòu)成細(xì)顆粒物質(zhì)本底沉積, 其年層的特征也與海面位置有關(guān), 因而含有海面變化信息。年層的不同組合可以周期性層序的形式出現(xiàn), 每個周期均含有多個年層; 周期性沉積與構(gòu)造運(yùn)動和/或氣候變化相關(guān)聯(lián)。

(5) 探索性模擬的步驟包括: 建立控制方程, 確定基礎(chǔ)變量; 確定基礎(chǔ)變量的定義域(對于環(huán)礁而言, 需要給出初始規(guī)模、水深、生物物質(zhì)產(chǎn)出量、物質(zhì)輸出比率、擴(kuò)散距離、重力流頻率和強(qiáng)度等因素的變動范圍); 計算應(yīng)變量的值域(如環(huán)礁生長速率、沉積速率、沉積層空間分布等); 評估系統(tǒng)中可能和不可能發(fā)生的現(xiàn)象, 解釋相關(guān)的過程-產(chǎn)物關(guān)系; 發(fā)現(xiàn)需進(jìn)一步研究的科學(xué)問題(如環(huán)礁生長規(guī)模及其控制機(jī)制、環(huán)礁沉積體系中周期性沉積的時間尺度、環(huán)礁外坡由于珊瑚生長自組織機(jī)制形成的重力流事件與地震等極端事件的對比和機(jī)制識別、環(huán)礁群的海底階地沉積記錄多樣性、海面變化對環(huán)礁演化的影響和沉積記錄、環(huán)礁人居環(huán)境安全等)。

致謝 南京大學(xué)南海協(xié)同創(chuàng)新研究中心對現(xiàn)場考察和觀測提供了支持。海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于謙和祁雅莉幫助分析南海環(huán)礁區(qū)地形測量數(shù)據(jù), 河口海岸學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉楨嶠在圖件繪制上提供幫助。本文曾在廈門大學(xué)地質(zhì)海洋系學(xué)術(shù)報告會上宣讀, 感謝Steven A. Kuehl教授的邀請。審稿專家的意見對本文修改有很大幫助。

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PROCESS-PRODUCT RELATIONSHIPS OF ATOLL DEPOSITION SYSTEMS: A PRELIMINARY TESTING OF EXPLORATORY MODELING

GAO Shu

(Key Laboratory of Coastal and Island Development, Ministry of Education, School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210023, China)

The quantitative modeling of marine sedimentary system can be divided into simulation and exploratory approaches, and the latter aims at establishing a continuous spectrum of sedimentary pattern and identifying new scientific questions. In the present contribution, a methodological framework of exploratory modeling was proposed to determine the definition domain of the independent variables contained in the governing equations, and then to define the range of dependent variables. In combination with the sediment budgeting principle and an assumption for the atoll geometry, the sediment transport and accumulation pattern over the atoll proper and its submarine terrace are predicted. Atoll is a unique type of coral reef, and its top part provides almost all the source of materials for reef growth and accumulation on reef slope and over the terrace. Results show that the growth of atolls is controlled by bioclastic production, and the extent and deposition rate at the terraces are controlled by the suspended sediment flux off the atoll, which is in turn controlled by water depth outside the atoll and the circulation of the ocean basin. The process of suspended sediment transport and gravity flow forms the alternating deposits. The hypsometric curves predicted by the model can be compared with the actual curves, to reveal the various mechanisms of the atoll evolution. Furthermore, the modeling output implies a number of scientific questions for further research, e.g., the magnitude of atoll growth and its control mechanisms, the temporal scale associated with the cyclisity of the deposits, the differentiation between the sediment gravity flows due to the coral self-organization mechanism and those due to earthquakes and other extreme events, the diversity of atoll-terrace sedimentary records in relation to the information on atoll evolution and environmental changes, and the influence of sea level changes on the atoll living conditions.

coral reef; material budgeting; geometric assumption; suspended sediment transport; gravity flow; carbonate deposition

P736

10.11693/hyhz20220500135

*國家自然科學(xué)基金委員會重點(diǎn)基金項(xiàng)目, 41530962號。高 抒, 教授, E-mail: shugao@nju.edu.cn

2022-05-23,

2022-07-03