深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的過程響應(yīng)與反饋機制

龔承林，齊昆，徐杰，劉喜停，王英民

1.油氣資源與探測國家重點實驗室，中國石油大學（北京），北京 102249

2.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249

3.中國地質(zhì)大學（北京）海洋學院，北京 100083

4.中國海洋大學海洋地球科學學院，山東青島 266100

0 引言

“從剝蝕區(qū)形成的沉積顆粒進入被稱之為由源到匯的系統(tǒng)中并最終沉積下來的源—匯系統(tǒng)研究”（圖1a）[1-9]和“從沉積記錄研究地質(zhì)歷史時期的地球古氣候變化及重大地質(zhì)事件并為未來氣候預(yù)測提供依據(jù)的古氣候研究”不僅是許多重大國際地球科學研究計劃的重要命題，同時也是中國沉積學發(fā)展的戰(zhàn)略方向[9-12]。圍繞“源—匯系統(tǒng)”國內(nèi)外許多重大地球科學計劃設(shè)立了長期性的研究課題，譬如“大陸邊緣科學計劃”、“大陸邊緣地層形成機制”和“臺灣高屏峽谷的沉積物宿命研究”等；而“古氣候”是“地球—生命轉(zhuǎn)變研究計劃”和“中國陸相白堊紀科學鉆探高分辨率古環(huán)境記錄與古氣候演化”的核心科學問題。

近年來，隨著研究手段的革新（譬如CT 連續(xù)掃描成像和深海濁流觀測等），人們愈發(fā)意識到在亞軌道和年際尺度內(nèi)，氣候波動（譬如臺風、厄爾尼諾等）也能夠啟動沉積物由源到匯的搬運分散過程（圖1）[13-15]。基于這一認識，美國學者Brian Romans教授、Andrea Fildani博士和Angela M.Hessler博士等人提出了“氣候沉積學（Climatic Sedimentology）”的研究計劃[14,16-18]；而德國聯(lián)邦教育與研究部資助實施的智利陸緣102，156和161航次也以“氣候變化的深水沉積響應(yīng)”為核心科學問題[19-21]。此外，國際沉積地質(zhì)學會2020 年沉積地球科學國際會議設(shè)置了“沉積記錄中的氣候變化”分會場，并得到了高度關(guān)注。

圖1 （a）源—匯系統(tǒng)組成要素；（b）不同研究手段的適用范圍；（c）不同類型氣候信號的響應(yīng)尺度；（d）不同記錄載體的時間尺度和分辨力（據(jù)Ruddiman[13]修改）Fig.1 (a) Schematic illustration of components of a S2S system; (b) chronometric tools; (c) periods of different types of climatic/environmental signals; (d) timescale and resolution of deep-water sedimentary archives (modified from Ruddiman[13])

不難看出，揭示多尺度氣候變化是如何調(diào)控沉積物在外陸架—深水盆地的搬運—分散—堆積過程是當前沉積學領(lǐng)域的熱點和新動向，并將有望在今后的數(shù)年內(nèi)取得更大的進展[3,6-8,14,17-18]。這一科學命題的內(nèi)涵是利用沉積、地層和地化手段解譯多尺度氣候變化對沉積物由源到匯的剝蝕—搬運—分散—堆積過程的調(diào)控作用，具有重要的科學意義和應(yīng)用前景。具體來說，地球大部分時間都處于一種比現(xiàn)在更溫暖的溫室氣候期（地質(zhì)歷史時期中溫室氣候約占72%，而冰室氣候約占18%），目前我們居住的地球正在從一個“不太尋常的冰室氣候期”進入“尋常的溫室氣候期”，這迫切需要科學界全面了解氣候變化對人類賴以生存的地球表層系統(tǒng)（譬如深水濁流）所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)[10,12,22]。此外，全球深水油氣資源依然是未來世界油氣勘探的主戰(zhàn)場，在全球925個已發(fā)現(xiàn)的濁積巖油氣藏中有43個油氣田的原油當量超過了50 億桶[23]；而巴西外海已發(fā)現(xiàn)油氣儲量的約87.5%來自深水濁積巖。更為重要的是，陸相深水湖盆有利于非常規(guī)油氣資源沉積富集[24-25]，孕育了數(shù)個10 億噸級致密油、頁巖油大油田[26]。揭示深水沉積的沉積特征（如巖性、厚度和規(guī)模等）對氣候變化（事件）的沉積響應(yīng)可從成因上探討優(yōu)質(zhì)儲層發(fā)育機制，為有利儲層、非常規(guī)油氣甜點區(qū)（段）與資源分布預(yù)測提供依據(jù)，將具有重要的應(yīng)用前景[24-25]。

以外陸架為界可以將由陸到洋的源—匯系統(tǒng)劃分為“物源區(qū)—內(nèi)陸架”和“外陸架—深海盆地”兩個次級源—匯系統(tǒng)（圖1a）。本文無意對“由陸到洋的源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的過程響應(yīng)”這一領(lǐng)域作全面論述，而聚焦在外陸架—深水盆地子系統(tǒng)（深水源—匯系統(tǒng)）對多尺度氣候變化的過程響應(yīng)和反饋機制，僅就該領(lǐng)域內(nèi)的一些代表性研究成果和筆者的一些思考作簡要論述，以期拋磚引玉。

1 深水源—匯系統(tǒng)的類型劃分及其形成條件

1.1 深水源—匯系統(tǒng)的類型劃分

由陸到洋的源—匯系統(tǒng)一般由物源區(qū)、過渡區(qū)和沉積區(qū)構(gòu)成（圖1a，圖2），過渡區(qū)對環(huán)境信號具有非線性的過濾作用，換言之“并非所有的氣候信號，如今日刮風、明日下雨的高頻低幅天氣變化都能夠被深水源—匯系統(tǒng)響應(yīng)”[6,8,14]。基于此，我們將“過渡區(qū)對氣候信號的過濾，使其破壞甚至消失，從而不被深水源—匯系統(tǒng)所響應(yīng)的效應(yīng)”稱之為源—匯系統(tǒng)的濾波效應(yīng)（圖2）。

過渡區(qū)對氣候信號的濾波效應(yīng)取決于信號的時間尺度（Tp）與系統(tǒng)響應(yīng)時間（Teq，是指沉積物分散系統(tǒng)達到新的平衡狀態(tài)所需要的時間）之間的大小關(guān)系。自然界存在4 種尺度的氣候信號：邊界地質(zhì)條件長期變化引起的百萬年跨度的構(gòu)造尺度（Tp=106～9年），太陽輻射變化驅(qū)動的十萬年跨度的軌道尺度（Tp= 104～5年），幾百到上萬年的亞軌道尺度（Tp=103～4年）和年代際以及更短時間跨度的人類尺度（Tp≤103年）（圖1c，d）[27-28]。當“Tp≥Teq”時，氣候信號能夠被沉積紀錄所記載；而當“Tp≤Teq”時，氣候振蕩往往在沉積物分散系統(tǒng)中被“淹沒”[26]。據(jù)此，我們將不能響應(yīng)亞軌道—人類尺度氣候信號（Teq≥104年）的深水源—匯系統(tǒng)稱之為“遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)”（圖2a），而將能夠響應(yīng)亞軌道—人類尺度氣候信號（Teq≤104年）的深水源—匯系統(tǒng)稱之為“瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)”（圖2b）。

圖2 可容空間驅(qū)動的緩沖響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（a）和物源供給驅(qū)動的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（b）的組成要素Fig.2 Schematic illustrations of components of reactive S2S system (upper panel) and buffered S2S system (lower panel)

1.2 遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)的有利形成條件

以下兩種地質(zhì)背景條件使得積物分散系統(tǒng)的過渡區(qū)較寬，響應(yīng)尺度較大（Teq≥104年），常常不能對亞軌道—人類尺度的氣候波動做出響應(yīng)，形成遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖2a）。

（1）寬陸架（≥50 km）且無峽谷水道延伸到內(nèi)陸架：如果陸架的寬度≥50 km，且無峽谷水道切割陸架坡折并延伸到內(nèi)陸架或河口；這樣的源—匯系統(tǒng)往往發(fā)育一個較寬的沉積物過渡區(qū)（譬如圖3a 所示紅河和珠江源—匯系統(tǒng)），而過渡區(qū)猶如信號濾波器一般，能夠?qū)δ冈磪^(qū)的氣候環(huán)境信號進行濾波；從而將那些如臺風、洪水等高頻（≤104年）低幅的亞軌道—人類尺度氣候信號過濾掉（圖2a）。母源區(qū)的氣候信號會遲滯、破損，甚至不被深水沉積所響應(yīng)，形成“遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)”（圖2a）。世界上絕大多數(shù)被動陸緣，常發(fā)育一寬闊且平坦的大陸架（如圖3a所示的珠江和紅河源—匯系統(tǒng)），多為遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。

（2）冰室氣候：在冰室氣候背景下，冰蓋和冰川廣泛分布、全球氣溫大幅度降低，而海平面也以高頻（101～2次/千年）高幅（101～2m）的升降變化為主（如上新世—更新世的海平面變化）。冰室氣候期高頻高幅的海平面變化所誘發(fā)的快速可容空間上升使得源—匯系統(tǒng)的響應(yīng)尺度往往比較大（Teq≥104年），能夠?qū)Ω哳l（≤104年）低幅的氣候信號進行濾波、屏蔽，形成遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖2a）。

1.3 瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)的有利形成條件

以下五種地質(zhì)條件使得積物分散系統(tǒng)的過渡區(qū)較為局限，響應(yīng)尺度往往也比較小（Teq≤104年），能夠?qū)嗆壍馈祟惓叨鹊臍夂虿▌幼龀龇答?，形成瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖2b）。

（1）窄陸架（≤20～50 km）：當陸架寬度較窄時（如活動陸緣），源—匯系統(tǒng)的過渡區(qū)往往較為局限，從而導(dǎo)致亞軌道和人類尺度的氣候環(huán)境變化（如D/O事件、厄爾尼諾和熱帶氣旋等）能夠被深水沉積所迅速反饋和響應(yīng)。窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的典型實例有南加州活動陸緣的Santa Ana 和Santa Clara源—匯體系[14,29]，智利活動陸緣[19,21]，北阿爾及利亞Bejaia 地區(qū)的Soummam Oued 峽谷[30]，菲律賓外海的Malaylay 峽谷[31]、坦桑尼亞陸緣[32]和東加拿大的圣勞倫斯灣[33]。

（2）溫室氣候：與冰期氣候條件顯著不同的是，溫室狀態(tài)下南北極冰蓋退縮、地球氣候更加溫潤，而海平面也以低頻低幅升降變化為主（如晚始新世—早漸新世和晚白堊世—早古新世海平面變化曲線）。低頻低幅的海平面升降導(dǎo)致的可容空間以下降或緩慢上升為主，源—匯系統(tǒng)的響應(yīng)尺度往往也比較?。═eq≤104年），形成瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)（圖2b）。已有的溫室陸緣研究實例也表明溫室陸緣一般不發(fā)育高角度上升型陸架坡折遷移軌跡指示的快速空容空間上升[34]，在這樣的盆地中過渡區(qū)往往比較局限。

（3）峽谷頭部和河口相接或相鄰（≤30 km）：當深水峽谷水道的頭部和河口相連或相鄰時，所形成的源—匯系統(tǒng)過渡區(qū)不發(fā)育或較局限，形成瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。峽谷頭部和河口相接（亦即峽谷頭部和河口之間的距離≤5 km）所形成的瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)的典型實例有我國臺灣的高屏源—匯系統(tǒng)（圖3a），剛果源—匯系統(tǒng)（圖4a）[35-36]，加州Monterey峽谷和法國外海的Var 峽谷[37]。峽谷頭部和河口相鄰（峽谷頭部和河口之間的距離介于5～30 km）時，過渡區(qū)較為局限，形成瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)，譬如恒河—雅魯藏布江瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)、Swatch of No Ground 峽谷和河口之間的距離約30 km 左右（圖4a，b）[38-39]。

（4）斷陷湖盆：湖盆一般缺少如海盆那樣寬闊且平坦的陸架區(qū)，源—匯系統(tǒng)的沉積物過渡區(qū)頗為局限，系統(tǒng)的響應(yīng)時間Teq也就比較小，能夠?qū)嗆壍馈祟惓叨鹊母哳l低幅信號做出迅速而快捷的響應(yīng)，形成常說的“洪水期一片天、枯水期一條線”的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯響應(yīng)格局（譬如江西鄱陽湖）。岷江在洪水期能夠?qū)氪ǖ卣鹚纬傻谋浪练e物迅速搬運到紫坪鋪水庫[40]，而阿拉斯加Eklutna 湖忠實地記載了1917 年、1929 年、1964 年、1989 年、1995 年和2012年發(fā)生的6次大型洪水事件[41]，兩者都是瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的典型實例。

（5）陸架邊緣三角洲越過陸架坡折：一般而言，陸架寬度≥50 km且無峽谷延伸到內(nèi)陸架陸緣常常為遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。但在高速沉積物供給條件下，陸架邊緣三角洲越過先期陸架坡折，從而使得前陸架邊緣三角洲與陸坡水道的頭部相連（圖3b）。在這樣的地質(zhì)背景條件下，陸架邊緣三角洲和陸坡水道形成了一個閉合而聯(lián)通的沉積物分散系統(tǒng)，使得河流搬運而來的沉積物即使在海平面上升時也有可能能夠被搬運到深水盆地[15]。

圖3 （a）地貌圖示意了南海北部陸緣形成發(fā)育的紅河、珠江和高屏三大源—匯系統(tǒng)以及圖3b，5a，11a 和13a 的平面位置（地貌圖由曹立成博士提供）；（b）～（d）地震和鉆井剖面（剖面位置見圖3a）示意了珠江陸架邊緣三角洲—海底扇源匯系統(tǒng)的剖面地震反射特征和巖性特征Fig.3 (a) Topographic map (courtesy of Dr Licheng Cao) showing the occurrence of Red River, Pearl River, and Gaoping S2S systems along northern South China Sea margin and map-view locations of Figures 3b, 5a, 11a and 13a; (b)-(d) seismic and well-log sections showing cross-sectional seismic and lithological manifestations of Pearl River shelf-margin delta and deep-water fan S2S systems

2 遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的過程響應(yīng)

2.1 構(gòu)造—軌道尺度（≥104年）氣候變化的深水源—匯過程響應(yīng)

珠江口盆地現(xiàn)今陸架寬約100～200 km，陸坡水道終止在陸架坡折處，為一典型的遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖3a，圖5a）。珠江遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)忠實地響應(yīng)、反饋了構(gòu)造尺度的氣候事件（如中中新世變冷事件和中更新世氣候革命）和亞軌道尺度的氣候變化（如冰期—間冰期旋回）。

圖4 峽谷頭部和河口相鄰（圖a 和b）以及峽谷頭部和河口相接（圖c）所形成的瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)。（a）中的地形圖下載自谷歌，（b）（c）中的地形圖下載自ESRIFig.4 Examples of (a, b) Ganges-Brahmaputra and (c) Congo reactive S2S systems, formed in scenarios of the close proximity of canyon head to shoreline.(a) Google Earth image; (b)(c) ESRI Ocean images

（1）構(gòu)造尺度的中中新世變冷事件（MMC）：在中中新世，南極冰蓋逐漸擴張并永久性形成，氣候也隨之顯著變冷，這一事件被稱之為“中中新世變冷事件”[42]。這一氣候事件使母源區(qū)機械風化作用加強，與此同時南極冰蓋的擴張導(dǎo)致海平面大規(guī)模下降（最大幅度可達80 m）[43]。大量沉積物（尤其是粗粒沉積物）在中中新世由物源區(qū)被搬運到珠江口外陸架和前方的深水區(qū)（圖5），在白云深水區(qū)形成一大型富砂的陸架邊緣三角洲—海底扇沉積體系（圖5）[44]。在地震剖面上，下降體系域時期海底扇在地震剖面上表現(xiàn)為中振幅、雜亂的反射，而低位體系域時期海底扇在地震剖面上以中—強振幅、連續(xù)—雜亂反射為主，多期雙向下超特征明顯（圖5a）。在連井剖面上，中中新世珠江海底扇以低伽馬、箱型測井曲線響應(yīng)特征為主；而中中新世的珠江陸架邊緣三角洲以漏斗型的伽馬測井曲線響應(yīng)特征為主（圖5b）。

（2）軌道尺度的中更新世氣候革命（MPT）：在中更新世，全球氣候變化的周期由40 ka躍遷為100 ka，這一氣候事件被稱之為“中更新世氣候革命”[42]。在珠江源—匯系統(tǒng)的深水部分，珠江陸架邊緣三角洲自中更新世以來經(jīng)歷了早期進積（MIS 20-12）、晚期加積（MIS 12-1）的發(fā)育演化過程；它們的前方分別發(fā)育進積特征和退積特征明顯的深水扇（圖3b）[45]。研究表明中更新世氣候革命之前（MIS20-12）冬季風盛行、氣候干冷，機械風化作用增強但河流搬運能力較弱，從而導(dǎo)致向珠江源—匯系統(tǒng)供給的沉積物量少但相對較粗（富砂）[45]。這一時期全球冰量的增加導(dǎo)致高頻（41 kyr）低幅的海平面變化（海平面平均高度約為-55.8 m，標準方差為±24.2 m，數(shù)據(jù)據(jù)Milleret al.[46]），從而使得沉積物能夠越過內(nèi)陸架、“駐留”在陸架邊緣向深水中輸送沉積物的頻次增多，形成進積特征明顯且相對富砂的陸架邊緣三角洲—海底扇沉積體系（圖3b）[45]。中更新世氣候革命之后的MIS 12-1期，夏季風盛行、氣候潤濕，化學風化和河流搬運能力相應(yīng)增強，從而導(dǎo)致向珠江源—匯系統(tǒng)供給的沉積物量多且相對較細（富泥）[45]。這一時期全球冰量減少造成低頻（100 kyr）高幅的海平面變化（海平面平均高度約為-62.7 m，標準方差為±33.2 m，據(jù)Milleret al.[46]），使得沉積物能夠越過內(nèi)陸架、“駐留”在陸架邊緣向深水中輸送沉積物的頻次減少，形成退積特征明顯但相對富泥的陸架邊緣三角洲—海底扇沉積體系。

（3）軌道尺度的冰期—間冰期旋回：在104～5年尺度的軌道尺度上，氣候變化最為顯著的特征是冰期、間冰期的周期性出現(xiàn)。陳芳等[47]認為白云深水區(qū)的更新世沉積速率從3.14 到5.74 cm/kyr 不等；據(jù)此推測珠江峽谷的6 個柱狀樣中沉積物的年齡從6.42 到21.41 kyr 不等（圖6a～e，圖7）。其中如圖6b～d 所示的柱狀樣GC19，GC20和GC21中的沙層形成于MIS1和3末次冰期，而如圖6a所示的柱狀樣GC18中的沙層則主要形成于MIS2亞冰期。MIS1和3末次冰期間夏季風增強、氣候潤濕，化學風化作用和河流搬運能力較強，沉積物供給高[49-50]；高速沉積物供給能夠抑制海平面上升將沉積物搬運到外陸架和白云深水區(qū)（圖6f，g）[15]。在這一高沉積物供給背景下，所形成的陸架邊緣三角洲越過陸架坡折達10～15 km，并和陸坡水道相連接，形成聯(lián)通而順暢的由源到匯的沉積物分散系統(tǒng)，使得在海平面上升的間冰期也發(fā)育濁積沙（圖6）[15]。需要指出的是，這一結(jié)論需要高精度的測年數(shù)據(jù)來證實或證偽[15]；這也是筆者承擔的自然科學基金項目“珠江峽谷末次冰期以來濁流活動對氣候變化的響應(yīng)尺度與反饋機制（41972100）”的立題依據(jù)之一，有待進一步深入研究。

圖5 （a）珠江口盆地中中新世區(qū)域地震剖面（剖面位置見圖3a）和（b）連井沉積相對比剖面揭示了中新世珠江陸架邊緣三角洲—深水扇源—匯系統(tǒng)的沉積特征（原圖由徐少華博士提供）Fig.5 (a) Regional seismic line and (b) corresponding stratigraphic correlation (courtesy of Dr Shaohua Xu), showing sedimentological properties of middle Miocene Pearl River shelf-margin deltas and deeper fans systems

此外，更新世亞馬遜海底扇碎屑鋯石的鈾—鉛年代學研究表明，在兩次冰期（低位期），剝蝕作用強，大量源自安第斯山脈的碎屑顆粒被亞馬遜河搬運到深水區(qū)，濱線向海進積、亞馬遜海底扇活躍發(fā)育；而在間冰期（高位期），風化作用減弱，亞馬遜源—匯系統(tǒng)由源到匯的沉積物搬運分散能力減弱、濱線軌跡向陸退積，海底扇停止發(fā)育[51]。

2.2 亞軌道—人類尺度（≤104年）氣候變化的深水源—匯過程響應(yīng)

尼日爾三角洲盆地陸架寬約50～100 km，陸坡水道終止在現(xiàn)今陸架坡折，為一典型的遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在這樣的深水源—匯系統(tǒng)中，沉積物在外陸架—深水盆地的分散—堆積過程不能夠忠實地記載反饋亞軌道—人類尺度的氣候變化。在深海氧同位素MIS5 時期，尼日爾源—匯系統(tǒng)的母源區(qū)以“潤濕氣候”為主，潤濕氣候使得母源區(qū)的化學風化作用增強、河流搬運能力增強；但寬闊的陸架和同期的海平面快速上升使得潤濕氣候所造成的供給量增加被海平面上升所“淹沒”，從而導(dǎo)致深水水道內(nèi)濁流活動停止，水道廢棄[52]。在深海氧同位素MIS3時期，海平面下降，使得尼日爾陸坡水道中的濁流活動加劇且富砂[52]。由此可見，如經(jīng)典層序地層學理論所預(yù)測的那樣：在亞軌道—人類尺度上，沉積物在遲滯響應(yīng)的搬運分散過程主要受海平面變化的控制，而氣候變化對其無明顯的調(diào)控作用（圖2a）。

此外，珠江源—匯系統(tǒng)的過渡區(qū)（陸架寬約100～200 km）較寬，在如圖7 所示來自珠江深水區(qū)的柱狀樣上，點狀磁化率、鋯/銣比、硅/鋁比的正異常以及鈦/鈣的負異常與濁流沉積有良好的對應(yīng)關(guān)系。如何通過多種手段重構(gòu)珠江峽谷內(nèi)外的濁流活動史，進而結(jié)合14C測年，揭示珠江峽谷末次冰期以來濁流活動對亞軌道尺度氣候和海平面相互作用的響應(yīng)機制，將有望在深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的過程響應(yīng)與反饋機制方面取得進一步的進展。

3 瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的過程響應(yīng)

3.1 構(gòu)造—軌道尺度（≥104年）氣候變化的深水源—匯過程響應(yīng)

前已述及，溫室氣候期低頻低幅的海平面升降使得源—匯系統(tǒng)的響應(yīng)尺度往往比較?。═eq≤104年），形成瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)；它們忠實地響應(yīng)了構(gòu)造—軌道尺度的氣候變化（如古新世—始新世極熱事件和漸新世初大冰期事件）。

圖7 珠江深水源—匯系統(tǒng)沉積區(qū)深海柱狀樣P1（柱狀樣位置見圖3a）的Geotek 巖芯掃描照片及其對應(yīng)點狀磁化率和XRF 元素分析Fig.7 Facies log, magnetic susceptibility, and XRF elemental composition of piston core P1 from Pearl River deepwater S2S systems (see Fig.3a for location map)

（1）古新世—始新世極熱事件（PETM）：在古新世—始新世之交，全球溫度在短暫的一萬年內(nèi)陡增了4 ℃～8 ℃，這一全球突然變暖事件被稱之為“古新世—始新世極熱事件”[42]。Clareet al.[53]通過對深水濁流事件的統(tǒng)計分析表明濁流活動的頻率在極熱事件期間急劇減小，而在極熱事件后則顯著增加。Eggeret al.[54]認為濁流的沉積速率在極熱事件期間從20 cm/kyr急劇減少到5 cm/kyr；而Schmitzet al.[55]研究表明在極熱事件期間巴斯克盆地（Basque Basin）濁流活動的頻率也減少了10 倍。此外，S?mmeet al.[56]研究表明古新世—始新世極熱事件使得挪威外海的沉積物供給量相較于極熱事件前的Thanetian沉積期顯著減少了約10倍。Clareet al.[53]將這一“古新世—始新世極熱期濁流活動顯著減弱”的現(xiàn)象歸因于干熱的氣候條件，認為干熱的氣候?qū)е潞恿靼徇\能力減弱，供給到陸架邊緣的沉積物也相應(yīng)減少；并最終使得沉積物在深水中的搬運—分散過程也較弱。

（2）漸新世初大冰期事件（EOGM）：在始新世晚期—漸新世初期，環(huán)南極洋流阻止了南極底層水與赤道地區(qū)水體之間的交換，從而使得南極大陸在短時間內(nèi)急劇變冷，形成大規(guī)模冰蓋，這一事件稱之為“漸新世初大冰期事件”[42]。漸新世初大冰期事件所導(dǎo)致的氣候明顯變冷也被魯武馬盆地漸新世（窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)）海底扇所紀錄。具體來說，在如圖8 所示的東非漸新統(tǒng)連井剖面上，1 井和5 井暖水種浮游有孔蟲和鈣質(zhì)超微化石的豐度顯著降低，是漸新世初大冰期變冷事件作用的結(jié)果[57]。相較于以灰綠色泥巖為主的始新世海底扇，漸新世初大冰期形成的海底扇以中粗砂巖為主；這一海底扇巖性變化可能響應(yīng)于寒冷干燥氣候（圖8）[57]。干冷的氣候使非洲大陸機械風化作用加強，并伴隨著海平面急劇下降，從而導(dǎo)致更多的陸源物質(zhì)（尤其是粗粒物質(zhì)）由源到匯輸送搬運到魯武馬深水區(qū)，形成富砂的海底扇（圖8）。

3.2 亞軌道—人類尺度（≤104年）氣候變化的深水源—匯過程響應(yīng)

與前已述及的“遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)對亞軌道—人類尺度響應(yīng)模式”不同的是，瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的過程響應(yīng)記錄了亞軌道—人類的氣候波動。

（1）窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對亞軌道—人類尺度氣候波動的響應(yīng)：在以下四個典型的窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，亞軌道—人類尺度的氣候波動（如厄爾尼諾、Dansgaard/Oscheger事件、B?lling-Aller?d 事件、強臺風和風暴）對沉積物在深水中的搬運分散過程有著明顯的調(diào)制作用。

在南加州Santa Ana 和Santa Clara 瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（陸架寬約5～30 km）：人類尺度的厄爾尼諾伴隨的潤濕氣候使得母源區(qū)遭受強烈的化學風化，同時河流搬運能力增強，使得大量的沉積物被搬運到南加州外海。所形成的Hueneme海底扇的平均堆積速率由中全新世的5～8 m/kyr激增到晚全新世厄爾尼諾氣候期的10～12.5 m/kyr；而Newport 海底扇的平均堆積速率也相應(yīng)從8～10 m/kyr增大到15～22 m/kyr[14,29]。

在北阿爾及利亞外海瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（陸架寬約5～20 km）：人類尺度的Dansgaard/Oscheger 暖事件使得D/O1-14 期間濁流的沉積速率是同一地區(qū)距今2215 年以來沉積速率的數(shù)倍。Giresseet al.[30]將D/O1-14 沉積期濁流沉積速率顯著增高的現(xiàn)象歸因于溫潤的氣候：在溫潤氣候條件下，水動力強、河流搬運能力大，更多的沉積物被搬運到Soummam Oued 峽谷頭部堆積；而在距今2 215 年以來的干冷氣候條件下，水動力較弱，河流搬運能力小，向峽谷內(nèi)輸運的濁流沉積物也隨之減少。

圖8 魯武馬盆地區(qū)域連井剖面（陳宇航等[57]，修改）及其與古氣候事件（Zachos et al.[58]）的對應(yīng)關(guān)系Fig.8 Stratigraphic correlation showing the development of Oligocene‘greenhouse’submarine fans in Rovuma Basin and it relation to climatic changes

在坦桑尼亞窄陸架瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（陸架寬約5～10 km）：在Heinrich 亞冰期（19.3～14.6 ka，海平面低位期），由于干旱的氣候，使得坦桑尼亞陸緣的濁流活動停滯[32]。在B?lling-Aller?d事件—早全新世（14.6～8.0 ka）：伴隨著回暖事件濁流活動增強，濁流沉積的頻次、厚度和粒徑在新仙女木期（T2-T4）顯著增強，最后在早全新世濁流活動再次增強。在中—晚全新世（8.0 ka 至今）：氣候變冷，濁流活動也相應(yīng)減弱[32]。

在菲律賓Malaylay瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（陸架約5～10 km）：Sequeiroset al.[31]研究揭示Malaylay峽谷內(nèi)濁流活動主要由2006年和2016年間的兩次強臺風（Durian和Nock-ten）所致。與“高屏峽谷內(nèi)洪水成因的濁流”不同的是，Malaylay 峽谷的頭部未與河口相接，峽谷內(nèi)的濁流主要是由臺風所誘發(fā)的巨浪使得峽谷外陸架沉積物被再次啟動、搬運到峽谷中所致。此外，東加拿大的圣勞倫斯灣（St.Lawrence Estuary）陸架寬度小于1 km，也為一典型窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在該源—匯系統(tǒng)中，Pointe-des-Monts峽谷中所觀測的濁流也是由風暴作用所致[33]。

（2）峽谷頭部和河口相接成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對亞軌道—人類尺度氣候波動的過程響應(yīng)：在以下幾個瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，沉積物向深水中的搬運分散過程受到了亞軌道—人類尺度的氣候波動（如末次冰期和間冰期、熱帶氣旋和洪水事件）的調(diào)控。

在我國臺灣的高屏瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（圖3a；峽谷頭部和河口之間的距離約為1.0 km）：亞軌道尺度的末次冰期和間冰期以及人類尺度的臺風事件對峽谷內(nèi)的濁流活動有明顯的調(diào)制作用。Yuet al.[59]研究表明MD3291 柱狀樣（區(qū)域位置見圖3a）34.0～15.3 m深度段僅出現(xiàn)兩層薄粉砂層和一層厚砂層，其年齡跨度為26 205～12 310 年（末次沃姆冰期）；而15.3 m 海底深度段累積出現(xiàn)四十余層濁積粉砂和一厚約幾十厘米的濁積沙，其形成年齡跨度為12 310～60 年（末次間冰期）。Yuet al.[59]將這一“海平面下降的末次冰期濁流頻次少活動弱—海平面上升的末次間冰期濁流頻次多活動強”現(xiàn)象歸因于末次間冰期以來的溫潤氣候及其所伴隨的充沛的降雨。Zhanget al.[60]在高屏峽谷水深2 104 m的TJ-G斷面處（位置見圖3a）長達3.5 年內(nèi)共監(jiān)測到16次以“高沉積物通量、高懸浮物濃度、溫度增加但鹽度降低”的濁流事件（圖9a～e），這16 次濁流事件與區(qū)域地震活動并無匹配關(guān)系，而是由途徑臺灣的16 次強臺風所致（圖9）。

此外，在法國外海的Var 峽谷（峽谷頭部和河口之間的距離僅為0.5 km）兩年的濁流觀測中，一共監(jiān)測到6次洪水事件所形成的濁流，這6次濁流事件將重達1.07 t 的沉積物搬運到Nice 外海[37]。在下剛果盆地的剛果（圖4c；峽谷頭部和河口之間的距離約為1.0 km）峽谷水深3 420～4 790 m 深度段監(jiān)測到多次的濁流事件，這些濁流事件也被認為是由剛果河2 000～2 005期間的洪水事件所致[35]。

（3）峽谷頭部和河口相鄰成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對亞軌道—人類尺度氣候波動的過程響應(yīng)：恒河—雅魯藏布江瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的深水濁流活動忠實地反映了亞軌道尺度的新仙女木事件和季風波動以及人類尺度的熱帶風暴事件。

在恒河—雅魯藏布江瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（圖4a，b）；峽谷頭部和河口之間的距離約為30 km），亞軌道尺度的新仙女木事件和季風波動控制了孟加拉扇上的濁流沉積。孟加拉扇的水道—天然堤沉積體系在末次盛冰期不發(fā)育，而在新仙女木事件結(jié)束的暖期（約9.7 kyr）濁流活躍、天然堤快速沉積建造[49]。在12.8～9.7 ka期間沉積建造的天然堤寬約13 km、高達50 m，平均沉積速率從0 劇增到300 cm/kyr（平均約130 cm/kyr）；而這一時期，海平面持續(xù)上升，從現(xiàn)今海平面以下-100 m左右上升到-45 m處[49]。此外，孟加拉扇中扇水道堤岸處MD12-3417柱狀樣14.5 ka至今的濁流活動與印度季風活動（Indo-Asian monsoon）“休戚相關(guān)”。在9.2～5.5 ka 濁流活躍作用期：印度季風增強、氣候潤濕；物源區(qū)遭受劇烈的化學風化且河流搬運能力顯著增強；充沛的陸緣碎屑物質(zhì)被剝蝕搬運到孟加拉灣，濁流活動頻次高、活動強（平均每500 年3 次）[39]。在5.5～4.0 ka 濁流活動停滯期：印度季風減弱、氣候干旱，恒河—雅魯藏布江搬運能力變?nèi)?，搬運分散到孟加拉扇的沉積物量顯著減少，濁流活動近乎停滯[39]。在4.0 ka至今濁流活動期：印度季風增強，氣候潤濕，物源區(qū)化學風化較強，大量的沉積物被搬運到SoNG 峽谷內(nèi)，形成高頻的濁流（平均每100年1次）[39]。

圖9 （a～e）高屏峽谷TJ-G 觀察點（位置見圖3a）的16 次濁流活動的沉積物捕獲量；（c）（d）和懸浮物濃度（e）及其與區(qū)域地震活動（a）以及河流徑流量（b）的關(guān)系（據(jù)Zhang et al.[60]）；（f）～（i）CT 掃描照片揭示了阿拉斯加Eklutna 湖洪水型和滑塌型重力流沉積（據(jù)Vandekerkhove et al.[41]）Fig.9 (a)-(e) 16 turbidity current activity in Gaoping Canyon and their bottled sediment samples, vertical sediment flux, and relation to regional earthquakes and Gaoping River discharges (modified from Zhang et al.[60]).(f)-(i) X-ray micro-computed tomography(CT) scans of Eklutna turbidites, correlated to floods (hyperpycnal-flow deposits) and failures (slump turbidites) (modified from Vandekerkhove et al.[41])

除了上述亞軌道尺度氣候變化驅(qū)動的深水源—匯過程響應(yīng)之外，風力在10～25 m/s不等的熱帶風暴或強熱帶風暴也能夠驅(qū)動孟加拉灣Swatch of No Ground 陸架峽谷中的沉積物搬運—分散—堆積過程。風暴使得三角洲前緣和內(nèi)陸架的沉積物被再次啟動，搬運到峽谷內(nèi)形成風暴濁流[38]。這些風暴濁流沉積可見粒序?qū)永?、以粉沙—沙層為主、單層厚約2～4 cm，忠實地記錄了孟加拉灣自1970 年至今的風暴事件[38]。

（4）湖盆瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對亞軌道—人類尺度氣候波動的過程響應(yīng)：湖盆一般缺少寬闊的陸架區(qū)（過渡區(qū)較局限），所形成的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)能夠能對亞軌道—人類尺度的氣候波動做出快速響應(yīng)，譬如洪水事件在阿拉斯加Eklutna 湖和我國龍門山地區(qū)的紫坪鋪水庫湖盆源—匯系統(tǒng)的深水沉積區(qū)都留下了“烙印”。在阿拉斯加Eklutna 湖，Vandekerkhoveet al.[41]識別了1989 年和1995 年的洪水型重力流（圖9f～g）以及1964年阿拉斯加大地震和1992 年大壩潰堤所致的滑塌型重力流沉積（圖9h～i）。美國阿拉斯加地區(qū)1917年以來的6次大型洪水事件（1917 年、1929 年、1989 年、1995 年和2012 年）在區(qū)域上具有橫向可對比性（圖10）[41]。汶川地震兩年后，由于強降雨帶來的洪水才將汶川地震崩塌的沉積物帶到位于龍門山地區(qū)岷江流域的紫坪鋪水庫中[40]。

4 深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的響應(yīng)機制

4.1 可容空間驅(qū)動的遲滯響應(yīng)源—匯反饋機制

在構(gòu)造—軌道尺度上，遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（響應(yīng)時間Teq≥104年）能夠?qū)?gòu)造—軌道尺度的氣候變化（Tp≥104年）做出響應(yīng)和反饋（圖2a），這一過程響應(yīng)是通過氣候變化誘發(fā)的海平面升降（可容空間）來完成的（圖2a）。譬如，中中新世變冷事件導(dǎo)致珠江遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)在下降體系域和低位體系域形成大規(guī)模的富砂海底扇（圖8）；在這些冰期變冷事件過程中，海平面也隨之大規(guī)模下降，海底扇主要出現(xiàn)在海平面下降的背景條件下。這一觀點也被如圖11a所示的晚中新世—第四紀紅河遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖3a；現(xiàn)今陸架寬達100～450 km）和如圖12所示的上新世—第四紀冰室數(shù)模結(jié)果所佐證。晚中新世（10.5 Ma）—第四紀紅河遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)發(fā)育三期陸架坡折遷移軌跡（每期時間尺度約為106年）；海底扇（中連續(xù)、強振幅、中頻的下超反射）主要出現(xiàn)在構(gòu)造—軌道尺度的下降型陸架坡折遷移軌跡（示意可容空間下降）的前方（圖11a）。在上新世至今的冰室模擬陸緣上，海平面下降（約占模擬時長的60%）也能夠驅(qū)動三角洲越過內(nèi)陸架形成陸架邊緣三角洲并向深水中輸運砂體，形成低位濁積沙（圖12）[61]。

圖10 區(qū)域連井剖面揭示了1917 年至今6 次大型洪水所形成的洪水型重力流以及1992 年大壩潰堤和1964 年阿拉斯加大地震所形成的滑塌型重力流（據(jù)Vandekerkhove et al.[41]）Fig.10 Stratigraphic correlation showing Eklutna turbidites triggered by six floods since 1917, and by the 1992 dam collapses and 1964 earthquake (modified from Vandekerkhove et al.[41])

在亞軌道—人類尺度上，氣候波動（Tp≤104年）往往被快速海平面的上升所“淹沒”，對遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（響應(yīng)時間Teq≥104年）的深水沉積物搬運分散過程沒有調(diào)制作用（圖2a）。如圖13a 所示的自紅河源—匯系統(tǒng)的地震剖面，瓊東南盆地現(xiàn)今陸架寬達100～450 km），為一典型的“遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)”（圖3a）。在紅河遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，每個上升—下降海盆坡折軌跡對的時間跨度約為104年，底積層出現(xiàn)在下降型陸架坡折遷移軌跡（橘紅色點）而非上升型陸架坡折遷移軌跡（藍色點）的前方（圖13a）。這表明正如經(jīng)典的Exxon 層序地層學理論所預(yù)測的那樣，在可容空間下降的干旱氣候期，底積層發(fā)育；而在可容空間上升的潤濕氣候期，底積層不發(fā)育[15]。

由此可見，遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中沉積物在深水中的搬運分散過程吻合經(jīng)典的Exxon 層序地層學理論，主要受到可容空間的驅(qū)動（圖2a）。在構(gòu)造和軌道尺度上，全球變冷冰室氣候期濁流活動較強、形成的沉積體相對富砂，而全球增溫暖室氣候期則使得濁流活動較弱，形成的沉積響應(yīng)相對局限且富泥；在亞軌道—人類尺度上，氣候信號往往被快速海平面上升所“淹沒”（圖2a）。

4.2 物源供給驅(qū)動的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯反饋機制

圖11 構(gòu)造—軌道尺度遲滯響應(yīng)（中新世—第四紀紅河，剖面位置見圖3a）和瞬態(tài)響應(yīng)（由序號1-20 沉積斜坡組成的早始新世Spitsbergen 陸緣）源—匯系統(tǒng)的過程響應(yīng)之對比（圖b 由美國德克薩斯大學奧斯汀分校Ron Steel 教授提供）Fig.11 Comparison of deepwater S2S processes and products between buffered S2S system (Miocene-Quaternary) Red River (location of seismic line in Fig.3a), and reactive S2S systems (early Eocene Spitzbergen Margin composed of 20 clinotherms, courtesy Ron Steel, Univ.Texas, Austin).NB in these low-supply scenarios, deepwater fans occur only in front of falling shelf edges of Icehouse margin, but in front of both falling and rising shelf edges of Greenhouse margins

在構(gòu)造—軌道尺度上，瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（Teq≤104年）能夠?qū)Υ蟪叨鹊臍夂蜃兓═p≥104年）做出響應(yīng)和反饋，這一過程響應(yīng)是通過氣候變化誘發(fā)的沉積物供給（物源供給）來調(diào)制的（圖2b）。譬如，構(gòu)造尺度的古新世—始新世極熱事件使得濁流活動減弱，而漸新世初大冰期變冷事件使得魯武馬瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的海底扇相對富砂（圖8）。如圖11b所示的早始新世Spitsbergen 陸緣，溫室氣候和窄陸架（陸架寬約20 km）形成一典型瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在Spitsbergen 下降型和上升型陸架坡折遷移軌跡的前方均發(fā)育海底扇，可見沉積物由陸架邊緣向深水中的搬運分散獨立于海平面或可容空間變化，而主要受控于沉積物供給的變化（圖11b）。在如圖12 示的溫室（晚始新世—早漸新世和晚白堊世—早古新世）瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，海平面下降（低位期）和海平面上升（高位期）均能驅(qū)動三角洲越過陸架形成陸架邊緣三角洲，且三角洲在外陸架“駐留”的時間亦較長（約占模擬時長的72%～75%）[61]。

在亞軌道—人類尺度上，瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（Teq≤104年）同樣能夠?qū)π〕叨鹊臍夂虿▌樱═p≤104年）進行響應(yīng)和反饋（圖2b）。多瑙河流域的Pannonian湖盆具有陸架—陸坡—盆底的三分地貌單元，陸架的寬度從30～60 km不等，是窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖13b）[15]。在Pannonian 瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，每個上升—下降湖盆坡折軌跡對的時間跨度約為104年，底積層出現(xiàn)在上升型陸架坡折遷移軌跡（藍色點）而非下降型陸架坡折遷移軌跡（橘紅色點）的前方（圖13b）。這表明與經(jīng)典的Exxon層序地層學理論不同的是，在湖平面下降的干旱氣候期，底積層不發(fā)育；而湖平面上升的潤濕氣候期，底積層則更發(fā)育[15]。此外，Liuet al.[32]利用柱狀樣（GeoB12624-1）重構(gòu)了坦桑尼亞末次盛冰期以來的三期濁流活動史，認為深水沉積物搬運—分散—堆積的源—匯過程并非如經(jīng)典層序地層學所預(yù)測的那樣（海平面下降時增強），反而在海平面上升的潤濕氣候期更加活躍。

圖12 （a）不同時期的冰室和溫室陸緣的地貌形態(tài)，（b）海平面變化情況和形成陸架邊緣三角洲的時間占比以及（c）深水沉積物分散模擬結(jié)果（據(jù)S?mme et al.[61]）Fig.12 (a) Bathymetric models, (b) sea-level fluctuations with the timing for development of shelf-margin deltas,and (c) simulated sediment partitioning in deepwater basins (modified from S?mme et al.[61])

由此可見，瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對物源供給的變化則更為敏感，氣候變化能否在深水中被記載取決于其能否誘發(fā)沉積物供給的變化（物源供給驅(qū)動）（圖2b）。不論是構(gòu)造—軌道尺度的氣候變化還是亞軌道—人類尺度的氣候波動，只要其能夠誘發(fā)沉積物供給的脈動，它們都能夠在瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中均能夠“雁過留痕，風過留聲”（圖2b）。

5 討論與展望

“多尺度氣候變化的深水源—匯過程和響應(yīng)”是當前沉積學領(lǐng)域頗為關(guān)注的科學命題，存在如下頗具爭議和亟待深入研究的重要命題。

5.1 深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的響應(yīng)機制

“多尺度氣候變化對深水源—匯系統(tǒng)的調(diào)制”是源—匯系統(tǒng)研究的重要命題，近年來人們在“深水沉積對古氣候的反饋/響應(yīng)”取得了重要進展[14,16-21,32]，但也存在如下有待深入研究的重要命題：

（1）多尺度氣候環(huán)境演變是如何調(diào)控沉積物在深水沉積環(huán)境中的搬運—分散—堆積的地表動力學過程？

（2）多尺度氣候環(huán)境變化是如何在外陸架—深水盆地的源—匯系統(tǒng)中傳輸、分散和保存的？

（3）多尺度氣候環(huán)境演變是如何調(diào)制深水源—匯系統(tǒng)構(gòu)成要素的沉積構(gòu)成樣式和發(fā)育演化過程？

盡管本文對“深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的過程響應(yīng)”做了簡要的梳理，但這是一個長期的研究課題。

圖13 （a）亞軌道—人類尺度遲滯響應(yīng)（第四紀紅河，剖面位置見圖3a）和（b）瞬態(tài)響應(yīng)（匈牙利Pannonian 湖盆）源—匯系統(tǒng)的過程響應(yīng)之對比Fig.13 (a) Comparison of process-product responses to suborbital-to historical-scale climatic fluctuations between (upper panel) reactive S2S systems from marine Qiongdongnan Basin, and (b) (lower panel) buffered S2S systems from lacustrine Pannonian Basin

5.2 “濁流活動與氣候變化的源—匯響應(yīng)”之爭

氣候和海平面變化之間的相互作用控制著沉積物在深海環(huán)境中的搬運—分散—堆積過程[16-18,62-63]，但目前濁流活動（頻率、周期和堆積速率等）對氣候變化的源—匯響應(yīng)是一個頗具爭議的話題。具體說來，以倫敦大學學院Mark Maslin 教授為代表的古氣候?qū)W家研究認為氣候變暖會導(dǎo)致水合物分解和地震活動劇增，從而誘發(fā)大規(guī)模的高頻濁流事件[64-71]。Mark Maslin 教授課題組研究證實：1）亞馬遜海底扇上第四紀大規(guī)模重力流滑塌事件是由氣候誘發(fā)的水合物分解（冰期）和沉積物過載（冰消期）所致[64]；2）北大西洋低緯度地區(qū)在1.5～1.3 萬年前的陸坡滑塌事件顯著增多，這可能由B?lling-?ller?d 暖期充沛的物源供給所致[65]；3）過去4.5萬年以來發(fā)生的陸坡滑塌事件中有近70%主要發(fā)育在1.5～1.3 萬年和1.1～0.8 萬年兩個時間段，這可能由B?lling-?ller?d 暖期和前北方期的兩次重大融雪洪水事件所致[65]。

與上述觀點截然不同的是，“暖濕氣候誘發(fā)大規(guī)模濁流”遭到了以英國杜倫大學Peter J.Talling 教授為代表的沉積學家的強烈質(zhì)疑[53,72-73]。Peter J.Talling教授課題組研究認為：1）全球68個大型濁積事件的活動頻率與氣候變暖并無直接關(guān)系[72-73]；2）始新世初期的全球極熱事件（Initial Eocene Thermal Maximum）并未導(dǎo)致全球出現(xiàn)大規(guī)模的濁流活動[53]。此外，干冷氣候期劇烈的濁流活動也得到了其他研究的證實：1）Bonneauet al.[74]利用四個重力活塞樣重構(gòu)了過去75 000年以來古里亞海的濁流活動史，研究認為Var峽谷天然堤的濁流活動在干冷的丹斯果—奧什格爾冰階期（Dansgaard-Oeschger stadials）較為劇烈，而在濕潤多雨的間冰階（Interstadials）則相對較為平緩溫和；2）高精度的定年數(shù)據(jù)（±150年）表明挪威外海的Storegga 滑塌體于8 200 年前的極冷氣候期形成[75]；3）孟加拉扇的天然堤沉積體系在溫度驟降的仙女木時期，快速沉積建造，在短短的3 000 余年內(nèi)形成寬達13 km，厚達50 m的天然堤[49]。這些研究表明大規(guī)模、高頻濁流事件也可能發(fā)生在干冷氣候期，其與氣候變暖并無直接的響應(yīng)關(guān)系。

此外，大多數(shù)學者認為水合物分解導(dǎo)致滑塌失穩(wěn)，從而誘發(fā)大規(guī)模的濁流活動[67-71]。譬如，冰期水合物分解是導(dǎo)致亞馬遜海底扇上第四紀大規(guī)?；录闹匾騕64]，水合物帶的超壓或游離氣體也是形成濁流事件的重要誘因[76-77]；而水合物分解導(dǎo)致固結(jié)的沉積物松散、產(chǎn)生游離氣、使流體壓力增大，這些因素都將導(dǎo)致沉積物的強度降低、進而誘發(fā)滑塌和濁流[70]。這一“先水合物分解—后誘發(fā)濁流”的模式也遭到了眾多學者的質(zhì)疑[78-80]，譬如Maslinet al.[65]，Paullet al.[81]和Tallinget al.[80]研究指出陸坡滑塌是誘發(fā)水合物分解的重要機制，提出了“先滑塌誘發(fā)濁流—后水合物分解”的模式。

由此可見，“濁流活動對氣候變化的源—匯響應(yīng)”是當前頗具爭議的話題之一，也是深水沉積學領(lǐng)域重要的研究命題。尤其是探究濁流的活動強度（頻率和堆積速率等）和沉積特征（砂泥比和單層厚度等）對古氣候變化如何反饋具有重要的科學意義和應(yīng)用前景。

5.3 如何甄別不同成因的濁流沉積

研究小尺度氣候變化的深水源—匯過程響應(yīng)的一個首要命題就是如何甄別不同類型（洪水型和滑塌型）的濁流沉積[41]。對于能夠用AMS14C 準確定年（小于5萬年）的沉積物來說，其一般長度從幾米到幾十米不等，大多數(shù)尚未固結(jié)成巖。故而，在大多數(shù)情況下，面對我們的將是肉眼難以準確識別的濁流沉積；傳統(tǒng)的從巖芯描述、沉積構(gòu)造觀察推斷成因的研究手段已不再適用。“如何利用先進的CT 成像等研究手段（圖9f～i），并集合傳統(tǒng)的粒度、XRF 元素和磁化率分析，準確判識甄別洪水型和滑塌型濁流沉積，建立相應(yīng)的識別相標志”將是開展氣候變化的深水源—匯過程與響應(yīng)研究的首要任務(wù)，也是我們面臨的另一個重要挑戰(zhàn)。

Vandekerkhoveet al.[41]在美國阿拉斯加Eklutna湖的研究提出可以從“區(qū)域厚度變化，粒度特征，沉積物組成，有機質(zhì)降解，氧化還原條件和沉積構(gòu)造”六個方面區(qū)分洪水型重力流以及地震和大壩決堤誘發(fā)的滑塌型重力流。Kremeret al.[82]利用“鈣/鈦比（Ca/Ti）、磁化率、粒度、元素分析”恢復(fù)了瑞士日內(nèi)瓦湖（Lake Geneva）過去1 500年以來的濁流活動史，甄別了洪水型和滑塌型濁流沉積。這些研究為我們甄別不同成因的濁流沉積并建立相應(yīng)的識別相標志提供了重要的借鑒和范例。

5.4 利用深水沉積記錄重構(gòu)多尺度氣候變化及其在源—匯系統(tǒng)中的源匯過程？

深水沉積能夠提供從構(gòu)造尺度到人類尺度的氣候變化檔案，所記載的信號時間跨度大（圖1c）[13-14]。一般而言，湖相沉積物往往具有沉積的不連續(xù)性和沉積物定年的不確定性；而海洋沉積物具有相對連續(xù)沉積，所伴生的有孔蟲殼體能夠提供可靠的放射性AMS14C 年齡，因此提供了連續(xù)可靠且高分辨的區(qū)域古氣候檔案。在全球暖化的大背景下，“如何利用這些連續(xù)高分辨的深水沉積檔案重構(gòu)古氣候變化？”是一個重要的科學命題。對這一科學問題的探討將有助于建立未來氣候變化的預(yù)測模型，具有重要的科學和社會意義[14,21,32]。

洪水型重力流與洪水作用密切相關(guān)、忠實地記錄了人類尺度的古氣候波動[83-84]。我國斷陷湖盆中洪水型重力流異常發(fā)育，這些洪水型重力流不僅是重要的油氣儲集體，同時也是重要的古氣候檔案。利用洪水型重力流恢復(fù)古氣候、研究古洪水活動規(guī)律，將有利于人們更好地認知大自然和古氣候的演化規(guī)律。

5.5 深水源—匯系統(tǒng)對氣候變化研究的能源—環(huán)境效應(yīng)

全球海相深水油氣資源依然是未來世界油氣勘探的主戰(zhàn)場[23]；陸相湖盆深水也孕育了數(shù)個10 億噸級致密油、頁巖油大油田[25]，擁有非常的常規(guī)與非常油氣資源[24-25]。沉積物由源到匯的搬運—分散—堆積過程所形成的粗粒和細粒沉積分別是常規(guī)與非常規(guī)油氣富集區(qū)。由此可見，揭示深水源—匯體系的沉積特征（如巖性、厚度和規(guī)模等）對氣候環(huán)境變化的沉積響應(yīng)是非常規(guī)油氣沉積學的重要研究內(nèi)容之一[25]，可從成因上探討優(yōu)質(zhì)粗粒和細粒儲層的發(fā)育機制，建立相應(yīng)的儲層發(fā)育模式。這將有望為有利儲層、非常規(guī)油氣甜點區(qū)（段）與資源分布預(yù)測提供依據(jù)，將具有重要的應(yīng)用前景[24-25]。

此外，深水沉積體系也是重要的自然災(zāi)害類型，沉積物由源到匯的搬運—分散—堆積過程所伴生的滑塌能夠誘發(fā)大規(guī)模的海嘯和海底失穩(wěn)。在我們賴以生存的地球正在經(jīng)歷一個“從不太尋常的冰室氣候期進入尋常的溫室氣候期”的全球暖化的背景下，開展深水沉積體系的由源到匯研究，揭示深水源—匯體系的能源與環(huán)境效應(yīng)，將有助于促進深海/深湖油氣資源的高效利用與環(huán)境災(zāi)害的預(yù)測[10,12,21-22,24-25,62]。

6 認識與結(jié)論

本文梳理了從構(gòu)造到人類尺度氣候變化的深水沉積響應(yīng)，探究了深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的響應(yīng)機制。

（1）當“陸架寬度≥50 km 且無峽谷水道延伸到內(nèi)陸架或河口”或“冰室氣候期”時，一般形成遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，沉積物在外陸架—深水盆地的搬運分散過程吻合經(jīng)典層序地層學理論、主要受可容空間變化的驅(qū)動。構(gòu)造—軌道的變冷氣候期往往與濁流活動的增強和富砂沉積響應(yīng)相伴生，而全球增溫氣候期（如古新世—始新世極熱事件）則使得濁流活動減弱，形成的深水沉積相對局限且富泥。小尺度的亞軌道—人類尺度的氣候波動，在海平面上升的高位和海侵期往往不被深水沉積所響應(yīng)。

（2）當“陸架寬度≤20～50 km、峽谷頭部和河口相接/相近、溫室氣候、斷陷湖盆或三角洲越過陸架坡折”時，一般形成瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，沉積物在外陸架—深水盆地的搬運分散過程偏離經(jīng)典的Exxon層序地層學理論、主要受沉積物供給的驅(qū)動。不論海平面是上升亦或下降，任何能夠誘發(fā)沉積物供給變化的氣候波動，都可以被深水沉積所響應(yīng)。

（3）氣候信號能否被深水沉積所響應(yīng)首先取決于源—匯系統(tǒng)的類型，其次是信號的尺度。遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)過渡區(qū)較寬、響應(yīng)尺度較大（Teq≥104）；而瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)過渡區(qū)較局限、響應(yīng)尺度較小（Teq≤104）。當信號的時間尺度≥104年（構(gòu)造—軌道尺度）時，它們均能夠?qū)Τ练e物在深水中的搬運—分散—堆積過程起調(diào)制作用。當信號的時間尺度≤104年（亞軌道—人類尺度）時，只有瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)才能對其做出響應(yīng)；而在遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，它們往往被海平面上升所“淹沒”，僅當海平面下降時才能夠調(diào)制沉積物的搬運—分散—堆積過程。

致謝 本文是第一/通信作者在美國德克薩斯大學奧斯汀分校Ronald Steel 教授課題組從事博士后（2014—2017）研究基礎(chǔ)上的進一步梳理，也是課題組承擔的自然科學基金項目[中更新世以來珠江陸架邊緣三角洲—海底扇“源—匯同步”的形成機制（41802117）和珠江峽谷末次冰期以來濁流活動對氣候變化的響應(yīng)尺度與反饋機制（41972100）]的初步認識；邱振博士和兩位匿名審稿人的修改意見令本文增色良多。在此一并致以誠摯的謝意。本文僅是筆者對“深水源—匯系統(tǒng)對多尺度氣候變化的過程響應(yīng)與反饋機制”的研究積累和相關(guān)思考，以期拋磚引玉。雖盡心竭力，奈何詮才末學，尤其是在古氣候方面知識的匱乏，多有紕漏，敬請諒解并指正。