三沙永樂藍(lán)洞成因機(jī)制初探*

高金尉, 付騰飛, 趙明輝, 張漢羽, 田麗艷

1. 中國科學(xué)院深?？茖W(xué)與工程研究所, 海南 三亞 572000;

2. 南方海洋科學(xué)與工程廣東省實(shí)驗(yàn)室(珠海), 廣東 珠海 519000;

3. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061;

4. 中國科學(xué)院南海海洋研究所, 廣東 廣州 511458;

5. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049

海洋藍(lán)洞是位于海平面以下的洞穴, 發(fā)育在碳酸鹽巖臺地和島礁上, 洞口與外海連通, 洞穴內(nèi)部填充了受潮汐影響但垂向分層的水體(包括淡水、海水或者二者的混合); 有些藍(lán)洞存在與外海連接的通道, 而有些洞體則幾乎完全與外海隔絕(Mylroie et al, 1995; Martin et al, 2012; Xie et al, 2019)。海洋藍(lán)洞洞體內(nèi)水動力較弱, 從而孕育了奇特的生物, 無氧和弱氧化的環(huán)境也有利于保留原始的水體、沉積遺跡和遠(yuǎn)古的化石殘骸以及完整的生物骨骼, 因此海洋藍(lán)洞在全球氣候變化、海洋生態(tài)、碳酸鹽巖地球化學(xué)和古生物研究等方面具有極高的科研價值(Gascoyne et al, 1979; Whitaker et al, 1997; Steadman et al, 2007; Gischler et al, 2008; Martin et al, 2012;劉焱雄 等, 2017; 畢乃雙 等, 2018; Li et al, 2018;Xie et al, 2019; 李建坤 等, 2019; 羅珂 等, 2019)。作為一種罕見的水下地質(zhì)遺跡, 海洋藍(lán)洞以其神秘的成因和獨(dú)特的風(fēng)景被譽(yù)為“地球給人類保留宇宙秘密的最后遺產(chǎn)”, 其罕見的自然地理景觀, 特殊的海底地形地貌, 給無數(shù)潛水愛好者帶來了無限的視覺享受與震撼體驗(yàn), 這些獨(dú)特的文化和旅游價值,非常有利于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。

近60 年來, 全球關(guān)于海洋藍(lán)洞的研究逐步受到地質(zhì)學(xué)家的重視。研究較多的海洋藍(lán)洞包括巴哈馬長島迪恩斯藍(lán)洞(Dean’s Blue Hole, 深度202m)、伯利茲大藍(lán)洞(Belize Great Blue Hole, 深度125m)、埃及達(dá)哈布藍(lán)洞(Dahab Blue Hole, 深度130m)和馬耳他戈佐藍(lán)洞(Gozo Blue Hole, 深度60m), 它們均為深度較大的藍(lán)洞(Sachet, 1962; Dill, 1977; Backshall et al, 1979; Hine et al, 1984; Wilson, 1994; Shinn et al,1996; Gischler et al, 2008, 2013; Naumann et al, 2015;Li et al, 2018; 羅珂 等, 2019); 其他深度較淺的藍(lán)洞, 包括塞班島藍(lán)洞、意大利卡普里島藍(lán)洞和澳大利亞豪特曼-阿布羅爾霍斯藍(lán)洞群(Jennings, 1985;Wyrwoll et al, 2006; 羅珂 等, 2019)。目前關(guān)于這些海洋藍(lán)洞的成因機(jī)制, 一般劃分為兩大類, 包括喀斯特成因(karst origin)(France, 1985)與富珊瑚礁生長成因(rich coral growth origin)(Wyrwoll et al,2006)。隨著人們對海洋藍(lán)洞科研價值認(rèn)識的不斷深入, 海洋藍(lán)洞研究逐步成為海洋研究當(dāng)中的一個新興的熱點(diǎn)。

三沙永樂藍(lán)洞位于我國西沙群島, 是現(xiàn)今世界上發(fā)現(xiàn)的最深的海洋藍(lán)洞。2016 年7 月24 日, 我國海南省三沙市政府正式宣布, 將其命名為“三沙永樂龍洞”, 科學(xué)界則稱之為“三沙永樂藍(lán)洞”(劉焱雄等, 2017)。由于其深度(301.19m)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過排在第二的巴哈馬長島迪恩斯藍(lán)洞(202m), 因此三沙永樂藍(lán)洞在海洋藍(lán)洞研究中有著特殊的意義。而且, 三沙永樂藍(lán)洞發(fā)育在南海西北部大陸邊緣陸坡地區(qū), 其獨(dú)特的地質(zhì)特征蘊(yùn)含著豐富的地質(zhì)歷史信息, 與南海珊瑚島礁體系以及南海的形成演化密切相關(guān); 同時, 它對于研究南海古氣候、古環(huán)境和古生物具有重要的科學(xué)意義, 對于開發(fā)西沙旅游經(jīng)濟(jì)也具有重要的社會經(jīng)濟(jì)意義。

2016 年10 月和2017 年5—6 月, 三沙航跡珊瑚礁保護(hù)研究所、中國海洋大學(xué)和自然資源部第一海洋研究所先后對三沙永樂藍(lán)洞進(jìn)行了較為系統(tǒng)的調(diào)查, 獲取了藍(lán)洞外貌、洞體內(nèi)部的三維形態(tài)和水體、沉積物等樣品信息(劉焱雄 等, 2017; 畢乃雙 等,2018; Li et al, 2018; Xie et al, 2019; 李建坤 等,2019; 羅珂 等, 2019; Qiao et al, 2020), 為深入認(rèn)識三沙永樂藍(lán)洞提供了寶貴的數(shù)據(jù)。本文結(jié)合這些寶貴的數(shù)據(jù)和研究成果, 概括了三沙永樂藍(lán)洞的洞體結(jié)構(gòu)和水體化學(xué)特征, 以三沙永樂藍(lán)洞的區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)和地理特征為著眼點(diǎn), 認(rèn)為孕育三沙永樂藍(lán)洞的永樂孤立碳酸鹽巖臺地的發(fā)育史與南海構(gòu)造演化之間存在著不可分割的密切聯(lián)系, 提出永樂環(huán)礁的臺地邊緣屬于陡崖型臺地斜坡。此外, 本文對比分析了世界上喀斯特成因和富珊瑚礁生長成因的海洋藍(lán)洞及洞穴特征, 并基于三沙永樂藍(lán)洞的洞體結(jié)構(gòu)、臺地碳酸鹽巖沉積速率、水體化學(xué)特征、斷層/裂縫發(fā)育的陡崖型斜坡和鉆井巖心氧同位素數(shù)據(jù)等,探討了三沙永樂藍(lán)洞的形成機(jī)制。

1 區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)和地理特征

三沙永樂藍(lán)洞在構(gòu)造背景上位于南海西北部的西沙群島, 群島周邊被西北次海盆、西南次海盆、中沙群島、瓊東南盆地和中建南盆地等構(gòu)造單元所環(huán)繞(圖1a)。西沙群島所在海域地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,在白堊紀(jì)晚期至早漸新世, 華南大陸南部邊緣發(fā)生裂解, 產(chǎn)生強(qiáng)烈的拉張作用(Holloway, 1982; Taylor et al, 1983; Ru et al, 1986); 之后晚漸新世至中新世南海發(fā)生海底擴(kuò)張(Taylor et al, 1983; Briais et al,1993; Shi et al, 2005; Li et al, 2014, 2015; Lester et al,2014; Gao et al, 2016, 2019; Fan et al, 2017; Wan et al,2017), 期間哀牢山-紅河斷裂帶和南海西緣斷裂(越東斷裂)發(fā)生強(qiáng)烈的區(qū)域走滑作用(Fyhn et al, 2009;Lei et al, 2011; Savva et al, 2013; Gao et al, 2019), 多期構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致該地區(qū)結(jié)晶基底和沉積層遭受了強(qiáng)烈的構(gòu)造變形, 伸展斷裂十分發(fā)育; 中新世以后該地區(qū)又受到多期次巖漿活動的強(qiáng)烈影響(Zhang et al,2016; Gao et al, 2019), 形成了多個斷塊和火山, 從而為西沙群島碳酸鹽巖臺地和生物礁的發(fā)育提供了良好的場所(圖1b)。

圖1 南海西北部大地構(gòu)造背景圖(a)與過西沙群島的構(gòu)造沉積剖面圖(b)圖1a 基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2016)1609 號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作Fig. 1 (a) Tectonic setting of the northwestern South China Sea; (b) tectono-sedimentary section cross the Xisha Islands(location marked by a straight black line in Fig. 1a)

在地理位置上, 三沙永樂藍(lán)洞距離三亞市約310km, 與三沙市首府永興島相距約70km(范德江等, 2018), 由眾多的島嶼和礁灘構(gòu)成(圖2a)。西沙群島以112°E 為界, 分為永樂群島和宣德群島兩部分。永樂群島包括北礁、永樂環(huán)礁、玉琢礁、華光礁、盤石嶼5 座環(huán)礁和中建島臺礁。永樂環(huán)礁是永樂群島中面積最大、發(fā)育較完整的一個, 在地貌上具有洲、島、門、礁等地形, 是一座發(fā)育成熟的典型環(huán)礁。其礁體呈環(huán)形, 長軸方向呈NEE 向。永樂環(huán)礁主要由8 個礁體組成, 環(huán)礁上發(fā)育眾多小島, 包括金銀島、羚羊礁、甘泉島、珊瑚島、全富島、鴨公島、銀嶼、銀嶼仔、咸舍嶼、石嶼、晉卿島、琛航島和廣金島13 座小島(圖2b)。而三沙永樂藍(lán)洞就位于晉卿島與石嶼島之間的彎月形淺水礁盤上(圖2b), 在平面上近似地呈圓形, 直徑約130m(圖2c), 最深達(dá)301.19m(Li et al, 2018; Xie et al, 2019)。此外, 這些小島環(huán)繞著橢圓形展布的 潟湖, 潟湖東西長19.2km,南北寬13.4km, 水深大多在2～50m 之間, 環(huán)礁有一條向西南方向伸出的“尾巴”, 即金銀島小環(huán)礁。

圖2 西沙群島各島礁位置圖(a)、永樂環(huán)礁衛(wèi)星照片(b)與三沙永樂藍(lán)洞航拍照片(c)圖2a 基于國家測繪地理信息局標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS(2016)1609 號的標(biāo)準(zhǔn)地圖制作。圖2a 位置見圖1a 黑色方框, 圖2b 位置見圖2a 黑色方框, 圖2c 位置見圖2b 白色方框Fig. 2 (a) Location map of atolls in the Xisha Islands (location marked as a box in Fig. 1a); (b) satellite view of Yongle Atoll(location marked as a box in Fig. 2a); (c) aerial view of Sansha Yongle Blue Hole

2 永樂環(huán)礁的臺地邊緣類型和碳酸鹽巖臺地的發(fā)育演化

根據(jù)斜坡地形變化和沉積特征, 碳酸鹽巖臺地斜坡可被劃分為3 種類型: 增生型、陡崖型和侵蝕型(Playton et al, 2010)(圖3a—c)?；谟罉翻h(huán)礁多波束地形和地震反射剖面數(shù)據(jù), 計(jì)算得出永樂環(huán)礁斜坡上部坡度超過了10°, 最高可達(dá)32.5°, 形態(tài)相當(dāng)陡傾; 斜坡下部則十分平緩, 平均坡度小于5°(圖3d)。與典型的增生型、陡崖型和侵蝕型臺地斜坡相比, 永樂環(huán)礁的斜坡屬于陡崖(過路)型臺地斜坡至侵蝕(陡崖)型臺地斜坡, 但總體上屬于陡崖型臺地斜坡(圖3)。

圖3 增生型(a)、陡崖型(b)和侵蝕型(c)臺地邊緣地層模型和斜坡曲線(d)圖a—c 中的增生型、陡崖型和侵蝕型臺地斜坡模型和特征改自Playton 等(2010); 圖d 中不同類型臺地斜坡曲線顯示了斜坡角和斜坡高度的變化, 彩色曲線提取自永樂環(huán)礁的多波束地形數(shù)據(jù)和地震反射剖面, 黑色曲線改自Playton 等(2010), 代表其他碳酸鹽巖臺地斜坡Fig. 3 Stratal models and slope profiles of accretionary, escarpment, and erosional platform margins. (a-c) Models of accretionary, escarpment, and erosional platform margins with depositional characteristics (modified from Playton et al, 2010);(d) slope profiles of different platform slope patterns showing variations in slope angle and slope height. Color lines represent the slopes of Yongle Atoll derived from multi-beam bathymetric data and seismic reflection profiles. Black lines are other carbonate margins modified from Playton et al (2010)

在南海張裂期(晚白堊紀(jì)末期至早漸新世), 西沙群島地區(qū)位于隆起高部位, 巨厚的碎屑巖沉積往往發(fā)育在構(gòu)造位置較低的盆地(如瓊東南盆地)之中,而這些沉積地層在隆起之上發(fā)育較薄甚至缺失(圖1b, 圖4a)。晚漸新世以來伴隨著南海海底擴(kuò)張, 該地區(qū)逐漸被海水淹沒, 穩(wěn)定的熱沉降形成了適合碳酸鹽巖臺地和生物礁發(fā)育的水體環(huán)境(趙強(qiáng), 2010;Ma et al, 2011; Wu et al, 2014, 2020)。

圖4 永樂孤立碳酸鹽巖臺地(左)隨南海構(gòu)造演化(右)的發(fā)育史示意圖ASRRSZ: 哀牢山-紅河斷裂帶; MT: 馬尼拉海溝; XT: 西沙海槽; ZF: 中南斷裂; DI: 東沙群島; ZI: 中沙群島; XI: 西沙群島; MI: 民都洛島; LB: 禮樂灘; PI: 巴拉望島; NI: 南沙群島; 南海構(gòu)造演化圖(右)改自Li 等(2015)Fig. 4 Evolutionary of Yongle isolated carbonate platform (left) with the tectonic evolution of the South China Sea (right).ASRRSZ: Ailao Shan-Red River Shear Zone; MT: Manila Trench; XT: Xisha Trough; ZF: Zhongnan Fault; DI: Dongsha Islands; ZI: Zhongsha Islands; XI: Xisha Islands; MI: Mindoro Island; LB: Liyue Bank; PI: Palawan Island; NI: Nansha Islands. Right panels are modified from Li et al (2015)

中新世以來由于南海相對海平面上升, 西沙群島地區(qū)除了較高部位的斷塊和火山之外, 整體被淹沒。碳酸鹽巖臺地和生物礁從早中新世開始在位于西沙隆起之上的先存斷塊和火山上發(fā)育, 琛科2 井的研究結(jié)果顯示永樂環(huán)礁從19.6Ma 開始發(fā)育(Fan et al, 2020; Zhang et al, 2020), 并表現(xiàn)出加積的特征(圖4b)。中中新世時期永樂孤立碳酸鹽巖臺地繼續(xù)加積生長(圖4c), 表明該臺地的碳酸鹽巖生長速率在早中中新世時期與可容納空間的變化速率大致是相同的(李學(xué)林 等, 2020), 這種相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境可能持續(xù)到了晚中新世早期。晚中新世由于相對海平面加速上升, 西沙地區(qū)可容納空間的變化速率增加, 超過了該地區(qū)碳酸鹽巖臺地的生長速率, 這些臺地開始逐漸被淹沒(Ma et al, 2011; Wu et al,2014, 2020), 在永樂孤立碳酸鹽巖臺地上表現(xiàn)為臺地邊緣的一些地方開始向臺地中心后退, 而另一些地方則繼續(xù)加積(圖4d)。該時期永樂環(huán)礁的收縮表明西沙碳酸鹽巖臺地從晚中新世開始由加積向后退轉(zhuǎn)變, 這對應(yīng)了在永樂環(huán)礁上發(fā)生的一次生物礁淹沒事件(Fan et al, 2020), 該淹沒事件也發(fā)生在廣樂碳酸鹽巖臺地和宣德環(huán)礁上, 被稱為部分臺地淹沒事件(Fyhn et al, 2013; 徐國強(qiáng) 等, 2002)。上新世以來, 相對海平面持續(xù)上升, 上新世早期(3.8～3.0Ma)再次發(fā)生大規(guī)模淹沒事件(徐國強(qiáng) 等,2002), 導(dǎo)致碳酸鹽巖臺地持續(xù)向臺地中心的 潟湖后退(圖4e), 并一直持續(xù)至今(圖4f), 包括永樂環(huán)礁在內(nèi)的西沙碳酸鹽巖臺地在上新世至第四紀(jì)發(fā)生區(qū)域性淹沒事件(Ma et al, 2011; Wu et al, 2014, 2020)。

綜上所述, 西沙群島酸鹽巖臺地的發(fā)育演化主要受到了兩種因素的控制, 一是由區(qū)域拉張作用導(dǎo)致的盆地單元構(gòu)造沉降控制了生物礁生長的初始地形和臺地的分布, 二是海平面變化控制了高頻碳酸鹽巖序列的演化(Wu et al, 2014)。孤立碳酸鹽巖臺地的加積和后退容易形成十分陡傾的臺地邊緣和斜坡(Playton et al, 2010), 永樂環(huán)礁的臺地演化模式亦具有這種特征(圖3d)。

3 三沙永樂藍(lán)洞的洞體結(jié)構(gòu)和水體化學(xué)特征

根據(jù)三沙永樂藍(lán)洞的初步調(diào)查結(jié)果來看, 航拍和多波束/單波束掃描顯示洞口近圓形, 平均直徑約為130m(劉焱雄 等, 2017)(圖2c)。藍(lán)洞洞口周圍生長有繁茂的珊瑚礁, 但是在洞壁和洞底沒有發(fā)現(xiàn)類似石鐘乳和石筍等產(chǎn)物, 洞壁上有數(shù)個小型洞穴,也沒有發(fā)現(xiàn)與外海連接的通道(Li et al, 2018)。Li 等(2018)通過水下機(jī)器人(ROV)掃描獲得了藍(lán)洞的剖面結(jié)構(gòu)和整個藍(lán)洞的三維形態(tài), 并將藍(lán)洞自上而下分成了5 段(圖5a): 段I(0～15m)從洞口往下, 隨著水體加深, 洞壁逐漸收窄, 至水深15m 處, 洞體直徑縮至約73.5m; 段Ⅱ(15～50m)洞體保持近垂直的圓柱狀, 平均直徑在80m 左右; 段Ⅲ(50～90m)洞體先變寬后變窄, 從而形成了一個鼓包形狀, 最大直徑位于洞體深度58m 處, 約為93.3m, 在水深90m 處其直徑又收縮至約 80m; 段Ⅳ(90～158m)的水深124m 之下的洞體逐漸向東南傾斜并形成一個斜坡,該段洞體中部直徑最大, 然后向下逐漸收窄; 段Ⅴ(158m 至洞底)略微傾斜, 158m 處為洞體轉(zhuǎn)折處, 向下直徑繼續(xù)收窄, 至301.19m 的洞底, 其直徑僅約26.2m。藍(lán)洞底部呈不規(guī)則的圓形, 并覆蓋有微細(xì)的珊瑚砂和粉砂等沉積物(范德江 等, 2018; 李建坤等, 2019)。整體上, 三沙永樂藍(lán)洞在垂直剖面上的形狀似一只芭蕾舞鞋(圖5a; Li et al, 2018)。

圖5 三沙永樂藍(lán)洞剖面結(jié)構(gòu)圖(a)[改自Li 等(2018)]與三沙永樂藍(lán)洞水體溫度及酸堿度(b)、溶解氧和硫化物(c)曲線[改自Xie 等(2019)]Fig. 5 (a) Cross section of Sansha Yongle Blue Hole (modified from Li et al, 2018); (b, c) dissolved oxygen, sulfide,temperature, and pH profiles in the Sansha Yongle Blue Hole (modified from Xie et al, 2019)

三沙永樂藍(lán)洞內(nèi)水體基本呈靜止?fàn)顟B(tài), 溫度測量顯示整個水體包含了兩個溫躍層, 其中季節(jié)性溫躍層位于水深 13～20m 處, 永久性溫躍層位于70～150m 處(Xie et al, 2019)(圖5b)。水體內(nèi)溶解氧含量隨深度增加而逐漸降低, 在70～150m 處的溫躍層內(nèi), 溶解氧在約85m 處趨向于零, 并已無法檢測出其含量, 但卻能夠檢測到微量的硫化物, 因此該溫躍層作為氧化還原的邊界將藍(lán)洞內(nèi)水體分為上部含氧層和下部無氧層(圖5c)。在水深約100m 處, 硫化物含量明顯可測, 且隨深度加深而呈線性增加, 至150m 處達(dá)到最大, 含量約為48μmol·L–1, 至藍(lán)洞底部無明顯變化(圖5c)。pH 值從表層水的8.09 減小至無氧層的7.49, 說明仍是一種偏弱堿性的環(huán)境(Xie et al, 2019)(圖5b)。

4 三沙永樂藍(lán)洞成因機(jī)制探討

4.1 典型海洋藍(lán)洞成因

4.1.1 喀斯特成因

總體而言, 喀斯特成因主要分為地下水溶蝕(phreatic dissolution)和酸性溶蝕(acid dissolution),特別是硫化氫溶蝕(Mylroie et al, 1995; Palmer,2013)。酸性溶蝕, 是指來源于油氣的酸性流體如硫化氫、二氧化硫等或者由巖漿作用和變質(zhì)作用形成的熱液流體, 這些流體具有較低的pH 值, 可對碳酸鹽巖產(chǎn)生破壞性的溶蝕作用, 進(jìn)而形成大量的洞穴,洞穴內(nèi)一般存在刺鼻的味道(Hill, 1990; Palmer,2013, 2016)。地下水溶蝕是指由地下水淋濾交換導(dǎo)致碳酸鹽巖特別是灰?guī)r的溶解、沉降和垮塌而形成洞穴, 洞穴內(nèi)以發(fā)育大量石筍、石鐘乳為特征。海洋藍(lán)洞的喀斯特成因多為地下水溶蝕成因, 即碳酸鹽巖特別是灰?guī)r由于地下水的溶蝕而發(fā)生溶解、垮塌, 從而形成數(shù)個相通的溶洞, 后期發(fā)生沉降或者相對海平面上升, 造成這些溶蝕坑洞被海水淹沒,從而形成了藍(lán)洞。這些藍(lán)洞也可能會發(fā)育有大量的石筍、石鐘乳, 并可能存在與洞外海水相交換的通道。世界上大部分的藍(lán)洞如巴哈馬長島迪恩斯藍(lán)洞、伯利茲大藍(lán)洞、塞班島藍(lán)洞和意大利卡普里島藍(lán)洞等均屬于這種成因類型(Dill, 1977; Backshall et al,1979; France, 1985; Gischler et al, 2013)。因此, 喀斯特成因中的地下水溶蝕作用也是目前海洋藍(lán)洞的主要作用機(jī)制。

4.1.2 富珊瑚礁生長成因

澳大利亞西部陸架區(qū)的豪特曼-阿布羅爾霍斯藍(lán)洞群(Houtman Abrolhos Blue Holes)是富珊瑚礁生長成因作用的代表(Wyrwoll et al, 2006)。這些藍(lán)洞群位于豪特曼-阿布羅爾霍斯礁灘區(qū)的東部(背風(fēng)面),由數(shù)十個藍(lán)洞組成, 深度一般在10～20m 之間, 最深達(dá)30m 左右。Wyrwoll 等(2006)通過調(diào)查該地區(qū)礁體形態(tài)、巖性、地震地層特征和生長年代, 認(rèn)為該地區(qū)自全新世以來, 水體能量和營養(yǎng)充足, 有利于珊瑚礁生長, 孤立的礁體(如塔礁)快速生長并逐漸形成聚集狀的潟湖礁體, 根據(jù)鉆井巖心計(jì)算發(fā)現(xiàn)其生物礁生長速率可達(dá)5.8～7.7m·ka–1; 隨著海平面的上升, 礁體也快速生長, 并逐漸封閉成近似圓形的藍(lán)洞結(jié)構(gòu)。這種類型的海洋藍(lán)洞以垂直的珊瑚礁建造、珊瑚礁骨架灰?guī)r結(jié)構(gòu)和底部無氧環(huán)境以及存在珊瑚砂為特征, 與喀斯特成因的海洋藍(lán)洞有著顯著差異。

4.2 三沙永樂藍(lán)洞成因機(jī)制

三沙永樂藍(lán)洞作為世界上已知的最深藍(lán)洞, 其成因機(jī)制研究至關(guān)重要, 是急需解決與探討的科學(xué)問題。根據(jù)永樂環(huán)礁琛航島上的琛科2 井巖心數(shù)據(jù),永樂環(huán)礁碳酸鹽巖沉積速率僅約0.74m·ka–1(Fan et al, 2020), 遠(yuǎn)低于澳大利亞豪特曼-阿布羅爾霍斯地區(qū)生物礁5.8～7.7m·ka–1的生長速率(Wyrwoll et al,2006); 而在深度上, 三沙永樂藍(lán)洞(301.19m)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了豪特曼-阿布羅爾霍斯藍(lán)洞群30m 的最大深度。因此, 三沙永樂藍(lán)洞不具備富珊瑚礁生長成因的條件, 也不具有這種成因類型的藍(lán)洞形態(tài)特征。

三沙永樂藍(lán)洞洞體內(nèi)的水體化學(xué)特征顯示, 水體內(nèi)硫化物(含硫化氫)最大含量僅為 48μmol·L–1,洞內(nèi)水體環(huán)境為十分微弱的堿性環(huán)境(Xie et al,2019), 這表明洞體遭受酸性腐蝕的可能很小。通常典型酸性溶蝕洞穴的硫化物含量會很高, 還帶有刺激性的、甚至致命的氣體, 水體pH 值較低, 呈弱酸性至酸性, 一般小于6.5, 甚至小于1.5。如美國懷俄明州凱恩洞(Kane Caves)內(nèi)僅硫化氫含量就可達(dá)176.5μmol·L–1, 意大利中部亞平寧山脈(Apennines)的酸性溶蝕洞穴內(nèi)硫化氫含量可達(dá)529.4μmol·L–1,墨西哥塔巴斯科光明洞穴(Cueva de Villa Luz,Tabasco)內(nèi)的硫化氫含量更是高達(dá) 8823.5μmol·L–1(Palmer, 2013)。最新的研究發(fā)現(xiàn), 三沙永樂藍(lán)洞內(nèi)水體中的硫化物是通過洞體深部(100～300m)無氧環(huán)境中的微生物反應(yīng)形成的(He et al, 2020), 含量很低。因此, 可以排除喀斯特成因中的酸性溶蝕作用,而地下水溶蝕作用最有可能是導(dǎo)致三沙永樂藍(lán)洞形成的原因。

形成藍(lán)洞的地下水溶蝕作用又可以細(xì)分為3 種類型(Mylroie et al, 1995; Gunn, 2004; Mylroie et al,2007; Mylroie, 2019): 1) 海平面下降使臺地暴露而接受剝蝕, 期間由于淡水淋濾(溶蝕)作用形成相互連通的喀斯特坑洞(圖6a), 海平面上升后海水淹沒坑洞而形成藍(lán)洞(圖6b), 如巴哈馬群島大巴哈馬島的藍(lán)洞和北安德羅斯島的海螺藍(lán)洞(Gunn, 2004); 2)海平面處于低位時期, 深部地下水溶蝕作用在碳酸鹽巖臺地內(nèi)部形成巨大的空洞(圖6c), 空洞頂部不斷垮塌至海底或者地表, 海水直接淹沒或者海平面上升后海水淹沒而形成藍(lán)洞(圖6d), 這類型的藍(lán)洞內(nèi)部有巨大空腔, 向上逐漸收窄, 如伯利茲大藍(lán)洞、澳大利亞大堡礁Cockatoo 礁藍(lán)洞和巴哈馬長島迪恩斯藍(lán)洞(Dill, 1977; Backshall et al, 1979; Wilson,1994; Mylroie et al, 1995; Gischler, 2008); 3) 陡傾的碳酸鹽巖臺地邊緣由于早期構(gòu)造作用或者自身的重力失穩(wěn), 導(dǎo)致力學(xué)破裂而容易形成斷裂/裂縫(圖6e),地下水溶蝕作用沿著斷層/裂縫發(fā)生, 隨著相對海平面的變化, 斷層或者裂縫被逐漸溶蝕并形成了陡直的洞穴, 洞穴被海水淹沒之后成為了藍(lán)洞(圖 6f),這類型的藍(lán)洞洞口直徑較大, 向下逐漸收窄, 如巴哈馬群島西北部的南安德羅斯島和新普羅維登斯島的藍(lán)洞(Palmer, 1986; Carew et al, 1989; Carew et al,1992; Mylroie et al, 1995)。這3 種機(jī)制可單一作用也可聯(lián)合作用形成藍(lán)洞(Mylroie et al, 1995)。

圖6 藍(lán)洞成因模型[改自Mylroie 等(1995)和Gunn(2004)]a、b: 淡水淋濾-海水淹沒作用; c、d: 深部洞穴垮塌; e、f: 臺地邊緣斷層或裂縫Fig. 6 Formation models of blue hole (modified from Mylroie et al, 1995 and Gunn, 2004). (a, b) Freshwater dissolution and seawater flooding; (c, d) collapse of deep voids; (e, f) fault or fracture of bank margin

三沙永樂藍(lán)洞不存在與外部海水連接的通道,因此可以排除淡水淋濾-海水淹沒作用(圖6a)?；诙大w結(jié)構(gòu)和水下照片, Li 等(2018)認(rèn)為前3 段洞體近乎垂直, 段Ⅳ的洞體結(jié)構(gòu)最大, 并在洞體轉(zhuǎn)折處之上的斜坡觀測到了滑塌沉積物, 據(jù)此推測158m 以上的前4 段洞體是通過洞穴垮塌形成的(圖6c、6d),而底部段V 的形成原因仍不清楚。鉆井巖心的氧同位素曲線與鉆井所在地區(qū)的碳酸鹽巖淡水成巖作用有著密切的關(guān)系, 衰減的氧同位素值可以反映出淡水透鏡體對碳酸鹽巖臺地成巖作用的改造(Melim,1996), 進(jìn)而反映出地下水溶蝕作用的深度范圍。通過分析西沙群島6 口科學(xué)鉆井巖心的氧同位素曲線(圖7), 發(fā)現(xiàn)連續(xù)衰減的氧同位素最低值為-9‰～-6‰(同位素絕對比值)。這種連續(xù)衰減的氧同位素最低值在每口鉆井氧同位素曲線上的頂、底界面深度又有所不同, 如其頂界面在琛科2 井的氧同位素曲線上最淺, 深度為14.75m, 而在西永1 井的氧同位素曲線上則最深, 為32.60m; 類似地, 其底界面在琛科2 井的氧同位素曲線上顯示的最淺深度為157.21m,但是在西石 1 井的氧同位素曲線上最深, 為183.80m(圖7)。因此, 連續(xù)衰減的氧同位素最低值主要位于14.75～183.80m 的深度之間, 這揭示了西沙群島地區(qū)可能發(fā)生地下水溶蝕作用的深度范圍。特別地,位于永樂環(huán)礁琛航島上西琛1 井和琛科2 井的氧同位素曲線顯示, 永樂環(huán)礁碳酸鹽巖臺地的地下水溶蝕作用深度范圍局限在14.75～168.60m(圖7), 與實(shí)際觀測到的洞穴垮塌作用發(fā)生在158m 以上的結(jié)果(Li et al, 2018)對比, 兩者是非常吻合的。

圖7 西沙群島6 口鉆井巖心的氧同位素曲線黑色條帶標(biāo)定了6 口鉆井的地下水溶蝕作用范圍, 有虛線邊界的粉色和藍(lán)色區(qū)域分別代表了西沙群島地區(qū)地下水溶蝕作用的頂、底界限, 黃色區(qū)域代表了地下水溶蝕作用的主要范圍; 西琛1 井、西永1 井、西永2 井和西石1 井的氧同位素曲線源自趙強(qiáng)(2010), 琛科2井的氧同位素曲線源自Jiang 等(2019), 西科1 井的氧同位素曲線源自Shao 等(2017); 各井位置詳見圖2a。PDB: 同位素絕對比值Fig. 7 Oxygen isotopes (δ18O) in carbonate cores from six drilled wells of Xisha Islands. Black strips mark the phreatic dissolution extent of six drilled wells; purple and blue areas with dashed lines represent the top and bottom boundaries of phreatic dissolution extent in the Xisha Islands, respectively; and yellow area represents the main phreatic dissolution extent.δ18O data of wells Xichen-1, Xiyong-1, Xiyong-2, and Xishi-1 are from Zhao (2010); data of Well Chenke-2 are from Jiang et al (2019); and data of Well Xike-1 are from Shao et al (2017). See Fig. 2a for locations. PDB: Pee Dee Belemnite

永樂環(huán)礁陡崖型臺地斜坡會由于重力失穩(wěn), 導(dǎo)致力學(xué)破裂, 從而發(fā)育斷層/裂縫(Palmer, 1986;Mylroie et al, 1995)。這些斷層/裂縫作為流體通道,能夠促進(jìn)淡水和海水的交換, 進(jìn)而促使碳酸鹽巖的溶蝕和內(nèi)部洞穴垮塌, 洞穴繼續(xù)向上垮塌至海底或者地表, 從而形成類似于洞穴垮塌成因的溶蝕洞(圖6d); 而流體也可沿斷層/裂縫向下繼續(xù)溶蝕從而導(dǎo)致洞穴深部直徑自上而下逐漸收窄(圖6f), 這可能是形成三沙永樂藍(lán)洞最深部段Ⅴ的真正原因。Chen等(2015)在東沙隆起碳酸鹽巖臺地上發(fā)現(xiàn)了大量的位于斷層之上的溶蝕坑, 并認(rèn)為斷層為碳酸鹽巖臺地的垮塌形成溶蝕坑提供了通道, 表明斷層在南海北部碳酸鹽巖臺地上引起的溶蝕和垮塌作用是存在的。綜上所述, 三沙永樂藍(lán)洞的成因可能是臺地邊緣斷層/裂縫和深部洞穴垮塌兩種成因機(jī)制綜合作用的結(jié)果, 158m 以下以源于斷層/裂縫的流體溶蝕為主, 158m 以上斷層/裂縫的存在為地下水溶蝕提供了有利條件, 但以深部洞穴垮塌作用為主。然而,驗(yàn)證這種斷層/裂縫-洞穴垮塌綜合作用機(jī)制還需要在該藍(lán)洞及其周邊開展高分辨率的地球物理探測(如地震反射剖面、淺地層剖面等), 以確認(rèn)藍(lán)洞之下及其附近是否存在斷層/裂縫的具體證據(jù)。

5 結(jié)論

1) 三沙永樂藍(lán)洞發(fā)育在西沙群島永樂孤立碳酸鹽巖臺地之上, 臺地發(fā)育史與南海構(gòu)造演化之間存在著不可分割的密切聯(lián)系, 中新世以來永樂環(huán)礁碳酸鹽巖臺地的加積和后退形成了陡傾的陡崖型臺地斜坡, 這種類型的斜坡由于重力失穩(wěn)導(dǎo)致力學(xué)破裂, 從而為臺地邊緣發(fā)育斷層/裂縫提供了有利條件。

2) 西沙群島永樂環(huán)礁鉆井巖心的氧同位素曲線揭示地下水溶蝕作用位于14.75～168.60m 的深度范圍內(nèi); 通過與世界上其他喀斯特成因和富珊瑚礁生長成因的藍(lán)洞以及洞穴特征進(jìn)行對比研究, 認(rèn)為三沙永樂藍(lán)洞洞體158m 以上以洞穴垮塌作用為主,158m 以下以源于臺地邊緣斷層/裂縫的溶蝕作用為主。

3) 西沙群島碳酸鹽巖臺地存在邊緣斷層/裂縫溶蝕作用, 意味著西沙群島可能存在更多的被海水淹沒的“藍(lán)洞”, 因此本研究可為將來在西沙群島尋找其他淹沒的藍(lán)洞提供經(jīng)驗(yàn)與借鑒。