南海東北部陸緣濁流活動(dòng)的地貌記錄及其形成機(jī)制分析

李爽 , 李偉 , 詹文歡

1. 中國(guó)科學(xué)院邊緣海與大洋地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南海海洋研究所, 南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院, 廣東 廣州 510301;

2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

濁流是一種含有高懸沙濃度的密度流或重力流(徐景平, 2014)。河口附近濁流的觸發(fā)機(jī)制包括河口流量的驟降, 以及由低潮、地震或沉積物快速沉積造成的河口三角洲附近的沖刷和滑坡等(Clare et al, 2016); 深水環(huán)境中的濁流則主要由海底地震、海底滑坡、區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)(斷層、火山活動(dòng))以及臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等引起(Normark et al, 1991; Talling et al, 2007; Zhang et al, 2018)。當(dāng)流體的速度超過波的傳播速度時(shí), 即弗勞德數(shù) Fr ＞1 時(shí), 會(huì)產(chǎn)生超臨界流(Supercritical Flow); 而當(dāng)弗勞德數(shù)Fr＜1 時(shí), 流體為亞臨界流。從超臨界流到亞臨界流的過渡過程中, 則會(huì)發(fā)生水力跳躍(Hydraulic Jump) (Covault et al, 2017; 許小勇 等, 2018)。周期階坎就是在超臨界濁流到亞臨界濁流中形成的一系列向上游遷移的、長(zhǎng)波狀(波長(zhǎng)/波高?1)的臺(tái)階地貌。其波長(zhǎng)范圍從幾十米至幾千米不等, 在剖面上具有向上游遷移的特征, 周期階坎之間以水躍為界(Symons et al, 2016)。周期階坎主要分為兩類: 凈侵蝕周期階坎(Net-erosional cyclic steps)和凈沉積周期階坎(Net-depositional cyclic steps)。前者主要表現(xiàn)為侵蝕成因的坑狀地貌, 在等深線上表現(xiàn)為閉合曲線(Spinewine et al, 2009; Kostic, 2011; Maier et al, 2013); 而后者表現(xiàn)為沉積層狀地形, 在等深線上表現(xiàn)為非閉合曲線(Fildani et al, 2006; Kostic et al, 2010; Cartigny et al, 2011)。

西澎湖峽谷位于南海東北陸緣, 臺(tái)西南盆地的東北部(圖1a)。南側(cè)為馬尼拉俯沖帶, 構(gòu)造活動(dòng)多發(fā), 河流泥沙供給量大, 而且臺(tái)風(fēng)影響的頻率較高(Zhang et al, 2018), 因而造成了該區(qū)域濁流活動(dòng)較為活躍, 為周期階坎的發(fā)育提供了良好的環(huán)境。故在西澎湖峽谷內(nèi)發(fā)育有大量?jī)羟治g的周期階坎, 而凈沉積的周期階坎則廣泛分布在峽谷出口處的開闊區(qū)域(圖1b)。前人對(duì)西澎湖峽谷區(qū)域的周期階坎進(jìn)行了定性分析, 但對(duì)于周期階坎的特征和演變規(guī)律仍缺乏量化研究(Gong et al, 2012; Kuang et al, 2014; Zhong et al, 2015)。因此, 本文使用高分辨率的多波束地形數(shù)據(jù), 對(duì)臺(tái)西南盆地東北部西澎湖峽谷區(qū)域的周期階坎形態(tài)特征以及流經(jīng)該區(qū)域的濁流水動(dòng)力特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和定量分析, 從而揭示濁流的演化過程, 并進(jìn)一步探討周期階坎的成因機(jī)制, 為其他區(qū)域濁流觸發(fā)的周期階坎演化研究提供參考。

圖1 研究區(qū)位置(a)及西澎湖峽谷群地貌(b) 圖b 中紅點(diǎn)表示鉆孔(HD77)位置; 審圖號(hào)為GS(2019)1838 Fig.1 (a) Study area, and (b) contour map of the West Penghu Canyon group

1 區(qū)域背景

1.1 地質(zhì)構(gòu)造背景

臺(tái)西南盆地位于南海東北部, 構(gòu)造上處于歐亞板塊、菲律賓海板塊以及西太平洋板塊的匯聚帶上。總體呈北東走向, 橫跨陸架、陸坡和南海海盆等構(gòu) 造單元。臺(tái)西南盆地基底由中生界及古生界組成, 盆地早期為裂谷背景, 發(fā)育上古新統(tǒng)-下漸新統(tǒng)陸相沉積; 中晚期為被動(dòng)陸緣, 發(fā)育淺海-深海相的上漸新統(tǒng)-全新統(tǒng)沉積。盆地北部坳陷和中央隆起處的地殼厚度為18～26km, 屬大陸型地殼; 南部坳陷北段的地殼厚度為14～20km, 屬過渡型地殼; 南部坳陷南段的地殼厚度小于12km, 屬大洋型地殼(易海 等, 2007; 吳哲 等, 2012)。鉆井資料表明, 臺(tái)西南盆地新生代基底為白堊系砂巖、粉砂巖及頁(yè)巖, 中央隆起帶自下而上依次發(fā)育有上漸新統(tǒng)-中新統(tǒng)淺海相砂泥巖、上新統(tǒng)淺海至深海相砂泥巖, 以及更新統(tǒng)深海相泥巖和少量粉砂巖及砂巖(丁巍偉 等, 2010; Gong et al, 2012; Kuang et al, 2014; 王龍樟 等, 2018)。

西澎湖峽谷群位于臺(tái)西南盆地東北部, 發(fā)育有9 條峽谷, 包括臺(tái)灣峽谷、九龍峽谷、澎湖峽谷以及西澎湖峽谷等, 其中本文研究的是西澎湖峽谷, 位于澎湖峽谷群的東北部。西澎湖峽谷群所在區(qū)域北部為澎湖隆起, 南側(cè)為馬尼拉海溝, 東接臺(tái)灣造山帶, 東南側(cè)南海海盆向菲律賓海板塊俯沖消減, 西側(cè)與珠江口盆地相接(殷紹如 等, 2015; 聶鑫 等, 2017)。該區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)發(fā)生頻繁, 地質(zhì)環(huán)境相對(duì)較復(fù)雜(Lee et al, 1993)。

1.2 海洋環(huán)境與水動(dòng)力

臺(tái)西南盆地處于季風(fēng)區(qū), 以東北季風(fēng)為主, 臺(tái)風(fēng)頻發(fā)。每年10 月至次年4 月盛行由西伯利亞寒流南下形成的東北季風(fēng), 平均風(fēng)速5～10m·s–1; 2—5 月東北季風(fēng)減弱, 盛行來自西太平洋的東風(fēng)和偏南風(fēng); 6—8 月主要受西南季風(fēng)的影響, 盛行西風(fēng)和西南風(fēng), 平均風(fēng)速5～7m·s–1; 9 月偏南季風(fēng)轉(zhuǎn)換為偏北季風(fēng), 東北季風(fēng)又開始增強(qiáng)。另外, 南海東北部是全球臺(tái)風(fēng)發(fā)生頻率最高的地區(qū)之一, 全年均有臺(tái)風(fēng)發(fā)生。7—10 月是臺(tái)風(fēng)盛行期, 其中臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)頻率最 髙的月份是7 月和9 月(Zhang et al, 2018)。

臺(tái)西南盆地也受到來自西太平洋的洋流或水團(tuán)的影響, 其表現(xiàn)形式多種多樣。其中, 表層或次表層洋流具有季節(jié)性變化(冬季為順時(shí)針, 夏季為逆時(shí)針), 這主要是由季風(fēng)變化以及黑潮入侵所導(dǎo)致(Xue et al, 2004; Fang et al, 2012)。中層水團(tuán)為來自于呂宋海峽的中層水, 表現(xiàn)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 主要處于1500m 以下的水深范圍內(nèi), 且在1000m 水深處的平均流速<5cm·s–1。深水水團(tuán)主要是來自于西北太平洋的深層水, 因受到斜壓效應(yīng)的作用而侵入?yún)嗡魏{, 其在3000m 水深時(shí)的平均流速約為3cm·s–1(Shu et al, 2014)。另外, 一些學(xué)者利用原位聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP), 在東沙海域進(jìn)行了2 年的等深流觀測(cè), 結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過呂宋海峽的深層(2500～2600m 水深處)等深流流速超過15cm·s–1, 最大可達(dá)30cm·s–1(Zhao et al, 2015)。

2 研究數(shù)據(jù)與方法

本文采用的高分辨率多波束測(cè)深數(shù)據(jù)來自于2004 年德國(guó)R/V“SONNE”號(hào)地球物理巡航的公開數(shù)據(jù), 該航次水深測(cè)量使用的是主頻率為12 kHz、脈沖長(zhǎng)度為3～20ms 的SeaBeam 2112 多波束回聲測(cè)深儀。整個(gè)測(cè)深樣條寬度為 120°, 水深精度優(yōu)于0.5%, 后期用制圖軟件GlobalMapper 進(jìn)行分析和制圖。其他數(shù)據(jù)如鉆孔巖性資料主要來自于文獻(xiàn)搜集和整理。

利用統(tǒng)計(jì)得到的周期階坎的幾何形態(tài)參數(shù), 可以計(jì)算出流經(jīng)西澎湖峽谷內(nèi)周期階坎的濁流流速, 從而揭示周期階坎的成因機(jī)制, 并探究其地貌演化規(guī)律。研究區(qū)內(nèi)的凈侵蝕周期階坎分布在峽谷內(nèi), 屬于限制性環(huán)境, 因此使用有效峽谷參數(shù)來計(jì)算凈侵蝕周期階坎的流速。有效峽谷參數(shù)指的是峽谷兩側(cè)的側(cè)壁頂點(diǎn)到達(dá)谷底的距離, 以及峽谷兩側(cè)壁之間的寬度。如果峽谷兩側(cè)的高度一致, 則任意取一側(cè)高度差即可; 如果峽谷兩側(cè)的側(cè)壁高度不一致, 則取兩側(cè)壁頂點(diǎn)的平均高度, 再計(jì)算該高度與谷底的距離(Chanson, 2004; Konsoer et al, 2013)。此外, 對(duì)于濁流流速的計(jì)算劃分為三個(gè)階段(圖2), 分別是水躍前、水躍后以及在周期階坎的頂峰位置(Li et al, 2018)。

圖2 濁流流速計(jì)算模式圖 圖中H1 為水躍前的峽谷有效高度, H2 為水躍后的峽谷有效高度, H3 為周期階坎頂峰時(shí)峽谷的有效高度, H 為周期階坎的波高; α為周期階坎的迎流面坡度, β為周期階坎的背流面坡度, θ為周期階坎的坡度; Lstoss為周期階坎迎流面的長(zhǎng)度, Llee為周期階坎背流面的長(zhǎng)度 Fig.2 Schematic showing computing velocities of turbidity currents

對(duì)于計(jì)算限制性環(huán)境中的濁流流速需要統(tǒng)計(jì)水躍前(波谷)和到達(dá)波峰兩個(gè)位置的有效寬度和高度, 可通過以下6 個(gè)聯(lián)立方程來計(jì)算濁流的流速:

式中: S 為峽谷的平均坡度(單位: °); Cfb為濁流與峽谷底部的摩擦系數(shù), 取值一般在2×10–3～5×10–3范圍內(nèi); ew為無量綱參數(shù), 代表濁流的夾帶系數(shù); Ri為理查德森數(shù), 代表流體浮力與剪切力的比值, R=(ρsed-ρw)/ρw, 其中 ρsed是沉積物密度, 一般取2650kg·m–3, ρw是海水密度, 一般取1025kg·m–3; Cfi是濁流和層流之間的摩擦系數(shù); r 是摩擦比值; V 是限制性環(huán)境中濁流第一階段和第三階段的速度(單位: m·s–1); H 是濁流第一階段和第三階段的厚度(單位: m); C 是濁流的濃度, 取值在0.2%～0.6%之間, 分別對(duì)應(yīng)著濁流頭部和尾部區(qū)域的濃度; g 是重力加速度, 取9.81N·kg–1; K 是限制性環(huán)境中濁流第二階段的速度(單位: m·s–1); T 是濁流第二階段的厚度(單位: m)。

凈沉積周期階坎分布在非限制性環(huán)境的峽谷口外區(qū)域, 因此流經(jīng)凈沉積周期階坎的濁流流速需要根據(jù)非限制性環(huán)境下的密度弗勞德數(shù)和流體厚度計(jì)算得出(Normark et al, 1980; Bowen et al, 1984; Piper et al, 1993)。其計(jì)算公式如下:

式中: Fi代表弗勞德數(shù), γ 是凈沉積周期階坎迎流面或背流面的坡度(單位: °); L 是迎流面或背流面的長(zhǎng)度; h 是濁流流體厚度; U 是非限制環(huán)境中濁流的速度(單位: m·s–1); Δρ 是沉積物與周圍海水的密度差, 通常取1.65kg·m–3(Piper et al, 1993); 其余參數(shù)與上一計(jì)算方法相同。

3 特征分析

根據(jù)多波束地形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示, 西澎湖峽谷共發(fā)育有33 個(gè)周期階坎地貌。其中, 23 個(gè)為凈侵蝕周期階坎, 分布在水深2150～2950m之間; 另外10 個(gè)為凈沉積周期階坎, 分布在水深2950～3450m之間。通過對(duì)這些周期階坎的形態(tài)參數(shù)分析可以計(jì)算出流經(jīng)周期階坎的濁流流性特征, 從而有助于理解周期階坎的演化過程。

3.1 凈侵蝕周期階坎的形態(tài)特征

凈侵蝕周期階坎在平面上呈新月形, 在地形圖中等深線表現(xiàn)為閉合曲線, 而剖面上則表現(xiàn)為坑狀地形。在西澎湖峽谷中, 凈侵蝕周期階坎主要有23個(gè), 本文將其依次命名為S1、S2、S3……S23(圖3)。這些周期階坎分布在峽谷的中部和下部區(qū)域, 綿延60km 長(zhǎng)。根據(jù)本文對(duì)該區(qū)域凈侵蝕周期階坎的地形統(tǒng)計(jì)及計(jì)算結(jié)果(表1), 西澎湖峽谷內(nèi)發(fā)育的凈侵蝕周期階坎的波長(zhǎng)介于1347～4730m 之間, 且總體上從S1 到S23 呈逐漸增大的趨勢(shì); 波高介于17～146m之間, 從S1 到S23 有明顯的降低趨勢(shì)。在不對(duì)稱性方面, 23 個(gè)凈侵蝕周期階坎都屬于高度不對(duì)稱, 對(duì)稱指數(shù)分布在0.18～2.03 之間。

另外, 從迎流面和背流面的傾斜方面來看, 23個(gè)周期階坎的迎流面坡度(α)分布在0.24～2.64°之間, 而背流面的坡度(β)則分布在1.02～6.05°之間, 單個(gè)周期階坎的坡度(θ)在0.33～3.14°之間。從整體上看, 無論是迎流面、背流面或是全部周期階坎, 由 S1到S23 的變化規(guī)律均不明顯; 但從單個(gè)周期階坎來看, 背流面的坡度相對(duì)于迎流面的坡度偏大(表1)。

3.2 凈沉積周期階坎的形態(tài)特征

凈沉積周期階坎在平面上呈波浪狀, 在地形圖中等深線表現(xiàn)為非閉合曲線, 在剖面上則表現(xiàn)為階梯狀地形。在西澎湖峽谷中, 凈沉積周期階坎主要有10 個(gè), 本文將其依次命名為W1、W2、W3……W10 (圖4)。凈沉積的周期階坎分布在峽谷至朵葉體的過渡帶, 總長(zhǎng)度達(dá)28 km。其地形統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示, 西澎湖峽谷底部發(fā)育的凈沉積周期階坎的波長(zhǎng)介于1905～3387m 之間, 且總體上呈現(xiàn)出較為均勻的特征; 凈沉積周期階坎的波高介于43～90m 之間, 從表2 可以看出自W1 至W10 波高有明顯的增大趨勢(shì); 相較于峽谷內(nèi)發(fā)育的凈侵蝕周期階坎, 這10 個(gè)凈沉積周期階坎表現(xiàn)出較好的對(duì)稱性。

此外, 10 個(gè)周期階坎的迎流面坡度(α)介于0.29～2.26°之間, 而背流面坡度(β)則介于1.32～3.81°之間, 單個(gè)周期階坎的坡度(θ)介于0.36～1.73°之間。從 W1 到W10 的角度變化規(guī)律來看, 各周期階坎的角度呈明顯增大的趨勢(shì), 而迎流面和背流面的角度變化規(guī)律則不太顯著, 但各周期階坎中的背流面坡度均比迎流面坡度偏大(表2)。

圖3 凈侵蝕周期階坎地貌圖(a)與坡度圖(b、c) Fig.3 Geomorphologic (a) and slope gradient (b, c) maps of net-erosional cyclic steps

表1 凈侵蝕周期階坎形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Tab. 1 Morphological characteristics of net-erosional cyclic steps

圖4 凈沉積周期階坎地貌圖(a)與坡度圖(b) Fig.4 Geomorphologic (a) and slope gradient (b) maps of net-depositional cyclic steps

表2 凈沉積周期階坎形態(tài)特征統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Tab. 2 Morphological characteristics of net-depositional cyclic steps

3.3 濁流流性特征

根據(jù)以上兩類周期階坎的形態(tài)參數(shù)特征, 可以計(jì)算出控制這些周期階坎的濁流水動(dòng)力參數(shù)。研究區(qū)的濁流活動(dòng)從海底峽谷的限制性環(huán)境到峽谷口外的非限制性環(huán)境,兩種不同環(huán)境下的濁流流速計(jì)算方法具有顯著差異。

凈侵蝕周期階坎的流速分析主要分為三個(gè)部分。首先, 在水躍發(fā)生前的階段(圖2), 速度的峰值主要體現(xiàn)在前幾個(gè)周期階坎, 達(dá)到11.8m·s–1; 隨著周期階坎的發(fā)育, 速度逐漸減小, 在末尾幾個(gè)周期階坎速度達(dá)到最小, 為3.8m·s–1。其次, 在水躍之后的階段, 濁流速度依然在前端較大, 在尾端較小, 分布范圍為2.8～8.8m·s–1; 由于水躍過程中濁流的能量會(huì)損耗一部分, 因此這部分停留在水躍發(fā)生后的濁流流速相對(duì)于水躍前的速度會(huì)有所降低(圖5)。最后的階段是位于周期階坎的頂峰(即將加速流向背流面), 此時(shí)的濁流速度是經(jīng)過水躍之后到達(dá)頂峰時(shí)的濁流速度, 相較于水躍前的速度偏低, 分布范圍為2.4～11.6m·s–1。前人通過數(shù)值和物理模擬的方法對(duì)海底峽谷中的濁流流速進(jìn)行了預(yù)測(cè)(Fildani et al, 2006; Kostic, 2014), 得出的濁流流速介于8～10m·s–1之間, 本文計(jì)算的結(jié)果與之較為接近。

由于凈沉積周期階坎處于非限制性環(huán)境, 因此可根據(jù)濁流的穩(wěn)定性和流體厚度來判斷其流速。如果濁流為臨界流, 即內(nèi)弗勞德數(shù)為1 時(shí), 坡度應(yīng)在0.26°左右。但西澎湖峽谷中的凈沉積周期階坎, 無論是迎流面還是背流面, 坡度均大于0.26°, 表明濁流流經(jīng)10 個(gè)凈沉積周期階坎時(shí)的狀態(tài)并不穩(wěn)定, 因此濁流主體部分和前端的速度并不一致, 本研究取主體部分作為濁流的主要速度(圖6)。計(jì)算結(jié)果表明, 迎流面的濁流速度介于1.1～1.6m·s–1之間, 背流面的濁流速度介于1.1～1.7m·s–1之間。這一計(jì)算結(jié)果與前人利用數(shù)值模擬和原位觀測(cè)技術(shù)所獲得的非限制性環(huán)境中的濁流流速小1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)(Cartigny et al, 2011; Clarke, 2016), 而造成這種差異的原因可能是本文研究區(qū)的濁流濃度及海底坡度較小。

圖5 流經(jīng)凈侵蝕周期階坎的濁流流速 Fig.5 Velocities of turbidity currents flowing through net-erosional cyclic steps

圖6 流經(jīng)凈沉積周期階坎的濁流流速 Fig.6 Velocities of turbidity currents flowing through net-depositional cyclic steps

4 周期階坎演變的主控因素

關(guān)于周期階坎的形成及演變規(guī)律, 許多學(xué)者已通過直接觀測(cè)(Paull et al, 2010; Clarke, 2016)、水槽物理試驗(yàn)(Cartigny et al, 2014) 及數(shù)值模擬(Fildani et al, 2006; Covault et al, 2014; Kostic, 2014) 等方法開展了大量研究。本文將根據(jù)上述周期階坎的形態(tài)特征和濁流流速特征, 結(jié)合地貌與巖心數(shù)據(jù)(丁巍偉 等, 2010; Gong et al, 2012; Kuang et al, 2014), 分別對(duì)西澎湖峽谷發(fā)育的23 個(gè)凈侵蝕周期階坎和10 個(gè)凈沉積周期階的演變過程進(jìn)行詳細(xì)分析, 以揭示兩類周期階坎的形成機(jī)制, 并探究其主控因素。

4.1 凈侵蝕周期階坎

許多自然環(huán)境因素如坡度、泥沙含量、底床粗糙度、孔隙度等均會(huì)對(duì)濁流的流速產(chǎn)生一定的影響(Fildani et al, 2006; Kostic, 2014; Vellinga et al, 2018)。其中, 坡度對(duì)于濁流的影響最為突出, 而濁流的發(fā)育與周期階坎的地貌形態(tài)密切相關(guān), 濁流的流速變化則會(huì)導(dǎo)致周期階坎的波高、波長(zhǎng)、下切深度等參數(shù)發(fā)生相應(yīng)的改變, 從而影響凈侵蝕周期階坎的演變過程。

根據(jù)本文的計(jì)算分析, 濁流速度在流經(jīng)23 個(gè)凈侵蝕周期階坎過程中是逐漸衰減的。但在S18—S19處, 無論是水躍前、水躍后或頂峰時(shí), 濁流速度都發(fā)生了劇烈衰減, 其中水躍前速度從8.1m·s–1降到了5.8m·s–1, 水躍后速度從6.1m·s–1降到了4.3m·s–1, 頂峰時(shí)速度從7.7m·s–1降到了3.4m·s–1。結(jié)合地貌和剖 面分析, 發(fā)現(xiàn)在西澎湖峽谷水深2845～2865m 之間存在長(zhǎng)達(dá)約 8km 的坡度為 0.02°的坡折帶(slope break)( Zhong et al, 2015)。坡折帶將凈侵蝕周期階坎分成了上部18 個(gè)周期階坎和下部5 個(gè)周期階坎, 上部18 個(gè)周期階坎所處區(qū)域的平均坡度為1.35°, 而下部5 個(gè)周期階坎所處區(qū)域的平均坡度為0.38°。本文分析認(rèn)為, 濁流到達(dá)坡折帶時(shí)產(chǎn)生水躍, 水躍過程中會(huì)耗損能量, 從而導(dǎo)致在流經(jīng)下部5 個(gè)坑狀地貌時(shí)濁流的流速大幅減小, 濁流侵蝕能力也減弱。因此, 下部5 個(gè)周期階坎的波高相較于坡折帶前的周期階坎有所減小, 而波長(zhǎng)則相對(duì)較大。另外, 峽谷兩側(cè)堤岸的高度自峽谷的頭部至尾部逐漸減小, 導(dǎo)致峽谷對(duì)濁流的側(cè)向支持逐漸減弱, 因而造成濁流向峽谷兩側(cè)擴(kuò)散; 同時(shí)在自身重力的作用下, 濁流對(duì)峽谷底部造成侵蝕, 從而導(dǎo)致侵蝕面積增大。因此, 在平面上可觀察到坡折帶下部周期階坎的規(guī)模比坡折帶上部的要寬(圖7)(Leeuw et al, 2016; Pohl et al, 2019)。

在坡折帶上部的18 個(gè)周期階坎中, 峽谷中部區(qū)域并列發(fā)育著一系列凈侵蝕周期階坎(S4—S14), 而 前面發(fā)育的幾個(gè)周期階坎(S1—S3)以及坡折帶下部的周期階坎(S19—S23)則是單個(gè)地分布在峽谷中(圖3)。這種周期階坎并列發(fā)育的現(xiàn)象在其他區(qū)域的單一限制性峽谷環(huán)境中很少見。據(jù)相關(guān)研究報(bào)道, 有一種稱為“內(nèi)峽谷高”(intra-canyon high)的凸起地貌, 長(zhǎng)約10km, 寬約2km, 高度介于40～120m之間, 發(fā)育在水深約1600m 的區(qū)域, 對(duì)周期階坎的發(fā)育起著制約性影響(Zhong et al, 2015)。根據(jù)地貌數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn), 在同一水平位置, 只有內(nèi)峽谷高的東、西兩側(cè)發(fā)育有周期階坎, 說明其東、西兩側(cè)發(fā)生了濁流侵蝕, 而在內(nèi)峽谷高中部卻很少見到濁流侵蝕的痕跡。由于缺少直接的地震剖面以及巖心數(shù)據(jù), 目前只能推測(cè)該內(nèi)峽谷高可能屬于抗侵蝕能力強(qiáng)的巖性(如火成巖)。隨著內(nèi)峽谷高在下游的消失, 濁流從兩股又合并為一股并產(chǎn)生侵蝕, 形成了單列的周期階坎(S15—S23)。此外, 濁流由較為狹窄的內(nèi)峽谷高東、西兩側(cè)進(jìn)入到相對(duì)較寬的峽谷中下部區(qū)域, 加上峽谷側(cè)壁的高度降低, 進(jìn)一步促使了濁流松弛現(xiàn)象的發(fā)生, 進(jìn)而導(dǎo)致濁流速度發(fā)生驟降。

圖7 濁流從破折帶上部(a)至下部(b)的流體松弛現(xiàn)象[修改自Leeuw 等(2016)和Pohl 等(2019)] “+”代表侵蝕加劇 Fig.7 Flow relaxation caused by turbidity currents flowing through the upper (a) and lower (b) reaches of the slope break (modified from Leeuw et al, 2016; Pohl et al, 2019).“+” denotes an increase of erosion

4.2 凈沉積周期階坎

西澎湖峽谷底部開闊區(qū)域發(fā)育的凈沉積周期階坎為南北走向(王海榮 等, 2008), 波峰線與峽谷軸線大致垂直, 因此濁流并非來自臺(tái)灣峽谷或者澎湖峽谷內(nèi)單一濁流的溢出(丁巍偉 等, 2010); 另外, 凈沉積周期階坎的波峰線與底流的流向斜交, 因而也可以排除底流的成因(Gong et al, 2012; Kuang et al, 2014; Zhong et al, 2015)。從研究區(qū)沉積物波的地貌特征可以看出, 凈沉積周期階坎在峽谷-沖溝系的尾部大量發(fā)育, 而且有向上坡發(fā)育的趨勢(shì)。根據(jù)該區(qū)域的鉆孔資料顯示, 凈沉積周期階坎地層中沉積物的主要成分為粘土或者粉砂。沉積物的成分可能部分受北太平洋深水團(tuán)的影響, 但這一影響相對(duì)于峽谷中發(fā)育的濁流來說相對(duì)較小(Gong et al, 2012)。上述分析反映了底部發(fā)育的凈沉積周期階坎與峽谷-沖溝系的直接關(guān)系, 即凈沉積周期階坎是由經(jīng)過峽谷-沖溝輸送的濁流沉積形成的(丁巍偉 等, 2010; Gong et al, 2012)。此外, 從發(fā)育的位置來看, 凈侵蝕周期階坎主要分布在西澎湖峽谷的西南側(cè), 推測(cè)這是由于科氏力或者是底流后期改造的作用, 導(dǎo)致流經(jīng)西澎湖峽谷的濁流向西南側(cè)發(fā)生偏轉(zhuǎn)而溢出(Kuang et al, 2014)。因此, 這些凈沉積周期階坎也可能是由峽谷溢出的濁流造成的。

從濁流的流體特征來看, 無論是流經(jīng)背流面還是迎流面, 其流速均在2m·s–1以下, 且在1～2m·s–1范圍內(nèi)來回波動(dòng)(圖6), 遠(yuǎn)小于流經(jīng)凈侵蝕周期階坎的濁流流速。由此, 本文認(rèn)為濁流失去峽谷的限制是導(dǎo)致凈沉積周期階坎發(fā)育的一個(gè)重要因素, 峽谷側(cè)壁對(duì)于濁流的支持力隨著峽谷側(cè)壁的消失而衰減為0, 此時(shí)失去限制的濁流進(jìn)入開闊的環(huán)境, 并在峽谷出口處呈扇形擴(kuò)散開來(Pohl et al, 2019)。此外, 對(duì)于一些局部的凈沉積周期階坎, 如靠近臺(tái)灣峽谷部分的周期階坎, 有學(xué)者認(rèn)為是由一定程度的蠕變所造成的, 這可能是由于臺(tái)灣峽谷的下切深度大而導(dǎo)致周期階坎附近的邊坡失穩(wěn)(Gong et al, 2012; Kuang et al, 2014)。

5 結(jié)論

本文利用高分辨率的地貌數(shù)據(jù), 開展了研究區(qū)兩類周期階坎的形態(tài)研究, 定量分析了與濁流流速相關(guān)的水動(dòng)力參數(shù), 并結(jié)合前人工作, 探討了其形成機(jī)制, 初步獲得如下結(jié)論:

1) 在西澎湖峽谷的中下部區(qū)域和峽谷出口處發(fā)育有33 個(gè)周期階坎, 其中23 個(gè)凈侵蝕周期階坎(S1—S23)分布在峽谷的限制性環(huán)境中, 而10 個(gè)凈沉積周期階坎(W1—W10)則分布在峽谷口外的非限制性環(huán)境中。

2) 從整體上看, 流經(jīng)凈侵蝕周期階坎的濁流流速呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì), 這造成了凈侵蝕周期階坎的波長(zhǎng)逐漸增大而波高逐漸減小的現(xiàn)象。從局部上看, S18 至S19 之間濁流流速出現(xiàn)驟降, 先存的地形因素——西澎湖峽谷中的坡折帶, 是造成這一現(xiàn)象的主控因素。另外, 內(nèi)峽谷高的存在導(dǎo)致凈侵蝕周期階坎呈雙列發(fā)育, 科氏力對(duì)濁流的影響使得西南側(cè)周期階坎的下切深度比東北側(cè)更深。同時(shí), 峽谷側(cè)壁高度的逐漸降低造成了濁流的流體松弛, 從而使坡折帶南側(cè)發(fā)育的凈侵蝕周期階坎在平面上的規(guī)模要比北側(cè)大。

3) 西澎湖峽谷溢出的濁流形成了10 個(gè)凈沉積周期階坎, 科氏力是造成這些周期階坎向西南側(cè)偏轉(zhuǎn)的主要因素。另外, 失去峽谷側(cè)壁側(cè)向支持的濁流向兩側(cè)呈扇形擴(kuò)散, 導(dǎo)致流經(jīng)凈沉積周期階坎的濁流速度相對(duì)于流經(jīng)凈侵蝕周期階坎的濁流速度要小的多。