菲律賓海深水環(huán)境下淺地層沉積特征分析

方中華，李攀峰，楊源*，楊慧良，陸凱，楊佳佳，單瑞

(1.中國地質調查局青島海洋地質研究所，山東 青島 266071；2.中國地質調查局煙臺海岸帶地質調查中心，山東 煙臺 264003；3.青島海洋科學與技術試點國家實驗室 海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，山東 青島 266237)

1 引言

深水（深海）沉積物是指水深大于2 000 m 的深海底部松散沉積物，主要分布在大陸邊緣以外的大洋盆地內。深海沉積物主要物源供給來自火山和陸源，還包括生物作用、化學作用的產物以及來自宇宙的物質。深水沉積記錄了海平面升降、氣候變化、構造活動等一系列事件，深水沉積是地球系統(tǒng)演變的重要一環(huán)，隨著科技的進步，其研究日益受到重視。

對于深水沉積物不能孤立地分析和研究，除了對沉積結果進行詳細描述和刻畫之外，還應該對包含物源供給和對沉積作用的控制因素等方面展開分析。然而目前對菲律賓海深水沉積物的研究還處于“起步和探索”階段，主要的問題是受資料所限，在一些基礎性的問題上還存在較大的爭議[1–2]，如沉積物供給、輸送方式和深海水文、構造活動背景等方面，導致在深水沉積物類型識別、控制因素分析等方面還沒有形成較為統(tǒng)一的認識。本文通過分析近年來在菲律賓海實測的高分辨率的淺地層剖面資料，結合前人已發(fā)表的該區(qū)域樣品資料和鉆孔資料，對菲律賓海深水淺層沉積特征形成了初步認識，并討論了深水環(huán)境下深海沉積機理，期望對深海淺層沉積物研究提供有益的參考。

2 區(qū)域地質概況

研究區(qū)位于菲律賓海（一級構造單元）帕勞海嶺的東西兩側。涉及的構造單元有：九州?帕勞海脊、西菲律賓海盆和帕里西維拉海盆（圖1）。

圖1 研究區(qū)域位置（a）及剖面位置（b）示意圖Fig.1 Location of study area (a) and profile position (b)

帕勞海嶺是九州?帕勞海脊的南段，該海脊為一列狹窄的鏈狀海山，近南北走向貫穿全區(qū)，全長2 750 km，寬達90 km。整個海脊地形起伏大，其中一些山脊和峽谷高差達3 000 m。海脊的兩側不對稱，東邊陡，坡腳常為凹地；西邊緩傾入西菲律賓海盆盆底。

研究區(qū)東側，帕勞海嶺以東為帕里西維拉海盆，海盆近南北走向，盆底為丘狀起伏，地形呈北北東向弧形的雁形排列，其上有一條6 000 多米深的狹窄而對稱的洼陷，平均深度為4 500～5 500 m。該海盆因海底擴張而緩慢下沉。

研究區(qū)西側，帕勞海嶺以西屬于西菲律賓海盆，是菲律賓海上最大的海盆，為低山丘陵的海底，東南和西北面的盆底有輕度切割，海盆深達5 000～6 000 m。在該海盆中央有呈北西?南東向的中央斷裂帶，位于烏爾達內塔高原和本哈姆高原之間，為北西西?南東東向伸展的長條形狹窄地帶，東南面可延伸至帕勞海嶺，該斷裂帶因受強烈的構造斷裂切割，海底地形崎嶇，山頂至谷底之差大于1 000 m，長條形相間平行排列的海脊、海嶺、高地和裂谷、洼地呈北西西?南東東向。

九州?帕勞海脊被認為是古IBM 弧盆系統(tǒng)的殘留島弧[3–9]，在四國?帕里西維拉海盆和馬里亞納海槽張開之前，伊豆?博寧?馬里亞納島弧與九州?帕勞海脊是一體的。九州?帕勞海脊形成于晚始新世，其上火成巖的中間年齡年輕，向南北兩方向變老，其活動時間為距今48～25 Ma，主要的活動時間是在距今28～25 Ma，根據(jù)九州?帕勞海脊上鉆孔及其他巖石樣本測年的結果[9]，島弧上的火山活動首先開始于北部，最早在距今51 Ma（也可能是距今55 Ma）。因此，自早始新世開始古九州?帕勞海脊的北部就已經成為一條活動的火山島弧，同時也是一條俯沖帶邊界。而古九州?帕勞海脊南部的火山活動可能開始于中始新世。在四國?帕里西維拉海盆開始張開后，古九州?帕勞海脊的活動性就逐漸降低直至停止。九州?帕勞海脊以東是帕里西維拉海盆，形成于距今31～18 Ma[10]，屬于典型的弧后擴張盆地，已停止擴張。九州?帕勞海脊以西為西菲律賓海盆，大部分形成于漸新世之前，年代為距今55～30/33 Ma[9]，主體是由垂直于九州?帕勞海脊的中央海盆擴張中心擴張形成。

3 數(shù)據(jù)和方法

本文研究數(shù)據(jù)來自青島海洋地質研究所近年來采集于菲律賓海淺地層剖面數(shù)據(jù)，同時參考了前人已發(fā)表的該區(qū)域海底沉積物樣品和鉆孔資料，這些淺地層剖面數(shù)據(jù)有百余條，分布密集，對研究區(qū)的淺部地層特征有良好的揭示。淺地層剖面數(shù)據(jù)的采集位于九州?帕勞海脊上，向東延伸到帕里西維拉海盆，向西延伸到西菲律賓海，研究區(qū)地形復雜，起伏明顯。

淺地層剖面數(shù)據(jù)采集設備為Parasound P70 全海深參量陣淺地層剖面測量系統(tǒng)，由ICU、DEU、AEU等系統(tǒng)主機及淺剖換能器陣組成，測量頻率初次高頻（PHF）為18 kHz，二次低頻（SLF）為3.5 kHz，本文主要針對主頻3.5 kHz 淺剖資料進行討論。淺地層剖面數(shù)據(jù)處理方面，對同一條測線的數(shù)據(jù)進行拼接，然后進行異常振幅壓制，提高數(shù)據(jù)信噪比；做好道間能量均衡，增強目的層信號的振幅均衡；通過希爾伯特變換，提取信號的波形數(shù)據(jù)及波形包絡，改善同相軸連續(xù)性。本文選取的淺地層剖面，剖面位置見圖1，是青島海洋地質研究所采集和處理之后的成果數(shù)據(jù)。

4 淺地層沉積特征

研究區(qū)海底地形以近南北向九州?帕勞海脊為界，西區(qū)海盆地形平緩，沉積較厚，東區(qū)地形復雜，起伏大，變化快，沉積物較薄。從獲得的淺地層剖面可以得知，此次采集一般至少獲得海底以下3 個波阻抗界面，探測深度普遍大于海底以下30 m。

通過對獲取的淺地層剖面反射結構、波組特征進行分析，結合鉆孔資料，初步厘定了研究區(qū)海底（T0）以下一般存在3 個波阻抗界面（T1、T2、T3），淺部地 層單元劃分見表1，典型剖面見圖2。

表1 調查區(qū)淺地層剖面地層單元劃分Table 1 Stratigraphic unit division of shallow formation section in the survey area

圖2 調查區(qū)劃分的SU1～SU3 聲學地層單元及界面Fig.2 SU1?SU3 acoustic stratigraphic unit and interface divided by survey area

根據(jù)研究區(qū)淺地層剖面的反射結構、波組特征和上超、下超、頂超、削蝕、缺失等地層反射終止方式，以及對底基構造和海底形態(tài)的分析和研究，將研究區(qū)淺地層剖面的反射特征劃分為4 個基本的類型：

類型I：清晰而連續(xù)的平行淺層反射，與海底反射基本一致，層反射一般較平緩或輕微向上凸起（圖3）。一般出現(xiàn)在平頂山頂或山凹，地勢較平坦處。地層分界面與海底地形具有相似性。

圖3 類型I 典型剖面Fig.3 Typical section of type I

類型II：頂部10 m 至20 m 清晰而連續(xù)的淺層反射，其下的半穿透性沉積物，為具有少量間斷的不連續(xù)淺層反射，有些地區(qū)有一層極強的淺層反射，其下記錄不到半穿透層底部的聲波信息（圖4）。一般出現(xiàn)在坡度不大的山坡處。

圖4 類型II 典型剖面Fig.4 Typical section of type II

類型III：回波的特點是不連續(xù)的，遷移的或截切的淺層反射，偶爾是規(guī)則的重復雙曲線回波帶（圖5）。海底地形呈波狀起伏到十分崎嶇不平，一般出現(xiàn)在海山和海脊翼部。

圖5 類型III 典型剖面Fig.5 Typical section of type III

類型IV：回波的特點是能量相對較強，穿透也可達30 m 以上，但地層分層不明顯，反映了快速堆積的沉積特點（圖6）。海底地形相對平坦，水深相對較淺，一般發(fā)育于九州?帕勞海脊之上。

圖6 類型IV 典型剖面Fig.6 Typical section of type IV

5 討論

陸架和淺海地區(qū)的沉積物沉積作用，其物源和水動力基本控制了沉積模式，但深海沉積物的物源、沉積環(huán)境和沉積機理則更為復雜。作者根據(jù)研究區(qū)深海淺層沉積物沉積特點，分析了沉積物來源、構造活動、地形、水動力對深海淺層沉積物沉積過程的影響[11]。

5.1 沉積物來源分析

研究區(qū)沉積物類型為遠洋沉積，底質類型主要包括棕色黏土、含有孔蟲軟泥以及含鐵錳結殼的棕色黏土。沉積物類型極多，物源包括火山源物質、陸源物質、生物源物質、海洋自生物質以及極少量的宇宙源物質。

火山源組分主要包括火山玻璃、浮巖和火山灰等[12–13]。淺地層剖面揭示九州?帕勞海脊由多個隆起的火山脊排列而成，在火山脊之間形成多個盆地，沉積有較厚的地層，局部沉積物厚度超過100 m（圖7），可能與九州?帕勞海脊上充足的火山碎屑物源有關[14]。九州?帕勞海脊以及鄰近海嶺的火山巖的風化蝕變產物對研究區(qū)的現(xiàn)代碎屑沉積作用有著重要貢獻，其影響程度依賴于海底風化作用的強度?，F(xiàn)代“原地”海底火山活動可能也對沉積作用有一定的貢獻。分析還認為來自菲律賓島弧的火山風化碎屑主要是通過海流向深海盆地進行短距離搬運，風運方式為輔，其影響主要在西菲律賓海盆，而對九州?帕勞海脊及帕里西維拉海盆海底沉積物的貢獻較小[15]。

圖7 火山脊相間盆地沉積典型剖面Fig.7 Typical sedimentary section of volcanic ridge interphase basin

陸源物質指來自陸地（包括大陸和島嶼）剝蝕破壞的產物，包括大陸邊緣懸浮沉積，相鄰的島弧以及弧前地區(qū)、濁流沉積以及各種崩塌、滑塌堆積組成的碎屑沉積物[16]。這些陸源沉積物由巖石碎屑、碎屑礦物和黏土礦物組成，包括石英、長石和云母等輕礦物，角閃石、磁鐵礦和電氣石等重礦物，伊利石、高嶺石、綠泥石和蒙脫石等黏土礦物、鐵氧化物及巖屑等[12–13]。由于研究區(qū)遠離中國大陸以及菲律賓等周邊島弧，并且有琉球海溝、馬尼拉海溝、菲律賓等海溝的阻隔，中國大陸以及菲律賓等周邊島弧的陸源碎屑對本區(qū)的現(xiàn)代沉積作用影響較小。主要是由風塵和海流遠距離搬運而來，沉積物顆粒較細，伊利石和綠泥石主要來自于亞洲大陸，風力吹揚為其主要輸運方式[17]。

海洋生物的遺骸，特別是其殼體和骨骼部分，可以沉降至海底，成為研究區(qū)沉積物的一種來源[18–19]。生物源物質可以分為鈣質生物、硅質生物、魚殘骸和有機質等。其中鈣質生物有顆石藻、有孔蟲和翼足類軟體動物等，硅質生物有硅藻、放射蟲和硅鞭藻等[12]。

海洋自生物質主要包括海洋自生礦物和海底剝蝕產物。其中，海洋自生礦物（水成礦物）是化學作用的產物。它們大多發(fā)生在沉積物?海水界面上或發(fā)生在沉積物的表層，是由于沉積物與海水（或孔隙水）相互作用而形成的海解礦物。而海底剝蝕產物是由于洋底基巖的剝蝕破壞產生出的碎屑物質，其就地或經短途搬運便匯入深海沉積物中，常見于洋中脊裂谷帶、海底斷裂帶以及海溝地區(qū)[19]。例如，沸石是火山物質蝕變形成的自生礦物[20]。微結核主要是界面水、間隙水和海底火山物質水解的析出物，是在氧化條件和偏堿性環(huán)境下形成的自生礦物[21]。

在“挑戰(zhàn)者”號取得的海底樣品中，第一次發(fā)現(xiàn)深海沉積物中含有宇宙源物質[19]。它們大多是一種細小的球形顆粒，直徑為0.1～0.5 mm，通稱為宇宙塵。有的外殼由磁鐵礦或方鐵礦組成，內核為鐵和鐵鎳合金，多呈黑色，具強磁性[19]。但與深海沉積的其他來源相比，宇宙源物質少好幾個數(shù)量級[19]，因此宇宙源物質極難構成獨立的深海沉積物類型[13]。

由于物源的差異，海底沉積物反射強度差異較大，反映了研究區(qū)沉積物基本物性差異大，在低洼峽谷地區(qū)，沉積物較細，含水量大，呈現(xiàn)水平層理，反映了該地區(qū)慢速沉積的過程，如圖8 所示。在海山上的平坦地區(qū)，沉積物反射強度大，層理不明顯，反映了該區(qū)域沉積物較粗，沉積的過程相對較快，也可能含有錳結核等結殼物質，沉積相對雜亂，如圖9 所示。

圖8 低洼區(qū)域典型剖面Fig.8 Typical section of low-lying area

圖9 海山區(qū)域典型剖面Fig.9 Typical section of seamount region

5.2 構造活動對淺地層沉積控制分析

菲律賓海位于馬里亞納海溝以西的一個獨立的洋板塊，作為馬里亞納海溝的弧后盆地，成為西太平洋大陸邊緣溝?弧?盆系統(tǒng)的一部分。菲律賓?？傮w上受近南北向和近東西向構造線控制，周圍由島弧海溝系環(huán)繞，呈南北向拉長的菱形構造輪廓。九州?帕勞海脊近南北向展布縱貫整個菲律賓海，將菲律賓海盆分為構造特征截然不同的東西兩部分[22]。

對采集的高分辨率淺地層剖面解譯中，發(fā)現(xiàn)在研究區(qū)中部九州?帕勞海脊有一條特大斷裂。發(fā)現(xiàn)的斷點都較清晰，斷裂傾角較大，斷距大，最大處達1 500 m以上。斷點處斷層表現(xiàn)出正斷活動的特點，反映了該地區(qū)的構造是受拉張應力控制。由構造背景可知，在海溝后撤島弧裂解時，在較大的拉張應力下形成該條正斷性質的斷裂。淺表層沉積物形成的時間是在斷裂發(fā)育以后，因為斷點兩側的地層能相互對應，雖然相應地層常有厚度差異，上升盤薄，下降盤較厚（圖10），但這是地形作用的結果，在低處更容易接收沉積物。

圖10 典型剖面的斷層顯示Fig.10 Fault display of a typical section

構造活動不管是瞬時的、劇烈的地震和火山活動，還是長期的、緩慢的地層抬升或者下降，都會影響到沉積物的沉積，它不只是影響沉積物的來源，還影響沉積環(huán)境，是深海沉積的主控因素。

5.3 地形對淺地層沉積控制分析

分析沉積類型發(fā)現(xiàn)，沉積與否與地形坡度息息相關。在地形平坦且低洼的地方一般都有較厚的沉積，如果地形坡度較大，則幾乎沒有沉積，這是由于海底沉積物的沉積受到漏斗效應的影響，使得地形平坦且低洼的地方沉積一般比海山斜坡堆積速度更快，堆積厚度也更大。若海水的平均聲速按1 500 m/s 計算，通過計算得出坡度小于1.5°，地形較平坦處，比較有利于沉積物沉積，沉積層較厚（圖8），坡度大于1.5°但小于4.5°，地形為小坡度時，沉積層厚度減薄（坡度為3.1°，圖11）。

圖11 小坡度典型剖面Fig.11 Typical section with small slope

坡度大于4.5°但小于15°，地形為中坡度時，沉積層很薄，可能為裸露的火山巖，如圖12 所示，平均坡度為8.5°，沉積層較薄，無法在淺剖圖像中進行層位追蹤。

圖12 中坡度典型剖面Fig.12 Typical section with medium slope

坡度大于15°，地形為大坡度時，則幾乎沒有沉積物，如圖13 所示。

圖13 大坡度典型剖面Fig.13 Typical section with large slope

5.4 水動力對淺地層沉積控制分析

研究區(qū)大部分地層分界面與海底地形具有相似性，層反射一般較平緩或輕微向上凸起，這說明研究區(qū)大部分地方洋流流動緩慢，海底溫度低，物理風化作用微弱，化學作用也很緩慢，沉積速率很低。但在部分地方也發(fā)育了似淺水環(huán)境中波痕的沉積物波和環(huán)槽（圖14）。

圖14 沉積物波和環(huán)槽典型剖面Fig.14 Typical section of sediment wave and ring groove

研究發(fā)現(xiàn)[23–28]：（1）沉積物波可發(fā)育于陸坡至深海平原上的任何位置，已報道的各深海大型沉積物波的波長一般為0.5～20 km，以1～10 km 為主；波高1～150 m，以10～100 m 居多。（2）沉積物波的組成物質以泥質為主，含粉砂泥，或具粉砂及砂夾層的泥，僅少數(shù)為砂質。（3）沉積物波發(fā)育區(qū)的坡度均很小，絕大部分在0.5°以下，最大不超過1°。（4）淺地層剖面中沉積物波橫向上具有波狀疊覆特征（即類似于淺水區(qū)疊復波狀紋理），縱向上常常呈現(xiàn)波狀上攀現(xiàn)象。沉積物波多表現(xiàn)為向上坡遷移，少數(shù)為向下坡遷移，還有一些呈對稱狀，無側向遷移。（5）環(huán)槽一般發(fā)育在海山邊緣。

受限于水文資料，研究區(qū)沉積物波其形成機理可能與背流波或者是內波有關。背流波模式由Flood[29]提出，用于解釋波脊垂直于流向的細粒底流沉積物波的形成和遷移。該模式要求有弱的層狀底流和海底初始起伏地形條件存在，在波狀起伏的地形上，背流波可同時產生不對稱的水流速度，當弱層狀底流流經沉積物波表面時將引發(fā)背流波，而背流波的形成會導致底流的流速在沉積物波的背流面增大，從而使背流面的沉積作用減弱，甚至出現(xiàn)無沉積和侵蝕作用，迎流面由于流速較緩，剪應力小，沉積速率較高，沉積物波向上游的遷移是這種水流形式的自然結果[28]。內波是存在于兩個不同密度的水層界面上或具有密度梯度的水體之內的水下波[30]，它的振幅、周期、傳播速度及存在的深度變化都很大。而內潮是一種周期與海面潮汐（半日潮或日潮）周期相同的低頻內波[31]。內波引起的底流水流速增大，波谷下方的流速較波峰下方的流速大，可形成與內波傳播相反方向的單向優(yōu)勢流動，且流向與內波傳播方向相反，故內波引起的底流的單向優(yōu)勢流動與內波的傳播方向相反。在此優(yōu)勢流動持續(xù)作用于海底時，可形成向內波傳播相反方向遷移的大型不對稱沉積物波或上攀波形單元。內波和內潮可以在大洋底部，尤其是海底峽谷或大陸邊緣其他各種類型的溝谷中引起規(guī)?？捎^的向上和向下的雙向交替流動，也可以引起其他非峽谷環(huán)境中的雙向交替流動[32]，這種流動能搬運沉積物的粒度可達細砂級，并能在數(shù)千米深處形成大量波痕和沙丘[28]。

在北半球海山突起地形附近，自西往東的水流受到科氏力作用（右偏）在海山受到地形限制，水流速度大幅增加，水流侵蝕能力大于沉積，沿海山邊緣形成環(huán)槽。

6 結論

（1）研究區(qū)海底地形以近南北向九州?帕勞海脊為界，西區(qū)海盆地形平緩，沉積較厚，東區(qū)地形復雜，起伏大，變化快，沉積物較薄。從獲得的淺地層剖面可以得知，研究區(qū)的淺部地層可以劃分為3 層，但受海山阻隔難以進行橫向追索。根據(jù)淺地層剖面的反射特征劃分為4 個基本的類型。

（2）研究區(qū)地形復雜，坡度在0°～25°之間，沉積物厚度和成分與海底地形息息相關。地形平坦區(qū)域一般沉積層較厚，如果地形坡度較大，則幾乎沒有沉積。坡度小于1.5°時，有利于沉積物沉積；但坡度大于1.5°小于4.5°時沉積層厚度減薄；坡度大于4.5°小于15°時，沉積層很??；坡度大于15°時，則幾乎沒有沉積物，可能為裸露的火山巖。

（3）深水沉積不是單一的沉積過程也不是一個靜態(tài)沉積的結果。沉積物在沉積過程中，沉積物供給、構造活動、地形、水動力條件等都對深水沉積起到了重要的作用。深水沉積體在沉積過程中，除了受構造活動主控因素的影響之外，大部分還疊加了海平面升降、氣候變化、水文條件變化等后期各種因素的改造作用，因此表現(xiàn)出非常復雜的特征。