海底扇沉積相模式、沉積過程及其沉積記錄的指示意義

談明軒，吳峰，馬皓然，付奕霖，張旭，3，崔浩楠，3

1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098 2.河海大學(xué)海洋學(xué)院，南京 2100983.中國地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266071

0 引言

海底扇是發(fā)育在大陸斜坡及深海盆地由沉積物重力流形成的復(fù)合沉積體[1]，狹義上僅限定于由點(diǎn)物源供給形成的深水重力流體系（即“點(diǎn)物源型”深海扇）[2]。作為由陸到海完整“源—匯”系統(tǒng)最末端的沉積單元，海底扇是外界環(huán)境信號(hào)的天然接受器[3]，同時(shí)也是全球碳循環(huán)過程中深海碳埋藏的關(guān)鍵組成部分[4]。上世紀(jì)中葉，著名華裔地質(zhì)學(xué)家許靖華先生在美國加州文圖拉盆地新近系發(fā)現(xiàn)了規(guī)模巨大的海底扇油氣儲(chǔ)層，初次發(fā)現(xiàn)海底扇儲(chǔ)集砂體的勘探潛力及經(jīng)濟(jì)效益[5-6]。半個(gè)多世紀(jì)的油氣勘探開發(fā)證實(shí)海底扇能夠形成良好的巖性—地層復(fù)合圈閉，是深海常規(guī)油氣及天然氣水合物的重要富集相帶[7-9]，逐漸成為全球深水—超深水油氣勘探的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。海底扇沉積過程和相模式觀點(diǎn)眾多，在一定程度上影響了深水沉積作用和沉積過程認(rèn)識(shí)的統(tǒng)一。本文系統(tǒng)性總結(jié)過去幾十年海底扇沉積學(xué)重要研究成果和關(guān)鍵研究進(jìn)展，建立海底扇相模式、沉積作用及其與海底扇發(fā)育樣式的內(nèi)在聯(lián)系，以明確海底扇沉積記錄的多方面指示作用，旨在對(duì)古代和現(xiàn)代海底扇沉積學(xué)系統(tǒng)性解剖提供參考。

1 海底扇相模式及分類特征

雖然近年來海底探測(cè)技術(shù)不斷取得重大突破，但目前沉積學(xué)界廣泛應(yīng)用的沉積模式仍然是20世紀(jì)基于野外露頭解剖、海底淺層柱狀樣分析及低分辨率的海底地形資料建立起來的海底扇相模式。這些代表性相模式將海底扇分為上扇、中扇和下扇三部分，包括海底水道、溢岸及朵葉體等沉積單元[10-12]。受構(gòu)造特征、地貌形態(tài)及盆地邊界的影響，并不是所有的海底扇均具有扇形、錐形等地貌外形特征。越來越多的現(xiàn)代海底扇觀測(cè)和野外露頭實(shí)例表明海底扇無法用單一的通用相模式進(jìn)行解釋[13]，其相模式亟待結(jié)合最新現(xiàn)代海底扇觀測(cè)成果逐步修改和完善。

多種海底扇劃分依據(jù)的提出為海底扇相模式的多樣性發(fā)展起到重要推動(dòng)作用[14]。例如，對(duì)被動(dòng)陸緣型、主動(dòng)陸緣型及復(fù)合構(gòu)造背景型的海底扇而言，其巖性組合與沉積相模型發(fā)育特征存在較大差異，形成了海底扇較早的系統(tǒng)分類方案[1]?；诎徇\(yùn)距離海底扇劃分為放射扇型、延伸扇型及扇三角洲型[15]，一定程度上反映了海底扇的形態(tài)特征差異?；诤５咨人荔w系和沉積朵葉的相對(duì)位置，將海底扇劃分為水道貼合型、水道分離型及水道—天然堤復(fù)合體三種類型[16]，揭示了海底扇平面展布特征的差異性。重力流沉積過路作用造成深水水道與沉積朵葉的分離針對(duì)傳統(tǒng)海底扇相模式認(rèn)識(shí)是新的突破，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展并完善了“水道—朵葉體過渡區(qū)”的基本概念及沉積作用。盡管海底扇分類方案很多，只是分類標(biāo)準(zhǔn)有所差異，實(shí)際上并沒有孰優(yōu)孰劣之分。在此基礎(chǔ)上所建立的相模式，各有其側(cè)重點(diǎn)，均具有一定的參考價(jià)值，但適用性卻并不強(qiáng)。

目前應(yīng)用較為廣泛的海底扇分類方案是基于巖性粒度差異進(jìn)行劃分的[2]，包括富礫型、富砂型、砂—泥混合型和富泥型海底扇，并在后續(xù)研究簡(jiǎn)化為粗粒型和細(xì)粒型兩大類[17]。這種類型分類方案相對(duì)簡(jiǎn)單實(shí)用，其相模式在一定程度上反映了其海底扇規(guī)模、沉積物成熟度、重力流搬運(yùn)距離、構(gòu)造背景乃至觸發(fā)機(jī)制等豐富信息（表1、圖1）[2,18]。富礫型海底扇相關(guān)實(shí)例較少，故而后續(xù)研究中較少提及。富砂型海底扇砂巖含量高，砂體連通性好，儲(chǔ)層非均質(zhì)性弱，是良好的地層—巖性圈閉勘探目標(biāo)。上述通用海底扇相模式多數(shù)可歸屬為富砂型海底扇相模式，該類型相模式的提出與石油工業(yè)的發(fā)展密切相關(guān)。現(xiàn)代大型海底扇實(shí)例（如印度扇、孟加拉扇及剛果扇等）均屬于富泥型海底扇。該類型海底扇的海底水道延伸距離遠(yuǎn)（超過1 000 km）（圖1），整體巖性粒度細(xì)、砂體孤立程度高、儲(chǔ)層非均質(zhì)性強(qiáng)，并在長(zhǎng)期處于相對(duì)較低的研究程度，卻由于細(xì)粒沉積物重要的古氣候意義在二十一世紀(jì)之后才開始受到廣泛關(guān)注[17]。

表1 基于巖性差異分類的海底扇主要特征（據(jù)文獻(xiàn)[18]修改）Table 1 Main characteristics of submarine fans based on their lithological difference(modified from reference [18])

2 海底扇觸發(fā)機(jī)制

2.1 海底沉積物失穩(wěn)機(jī)制

海底沉積物失穩(wěn)機(jī)制是海底扇的主要觸發(fā)機(jī)制。該種成因海底扇的形成與陸架、陸坡砂體的二次搬運(yùn)有密切的聯(lián)系（圖2）。造成沉積物失穩(wěn)的原因很多，主要包括海平面變化、地震活動(dòng)、天然氣水合物釋放、火山噴發(fā)、強(qiáng)沉積物供給作用、海底地層水或甲烷滲漏等[21-24]，最新研究表明海底沉積物失穩(wěn)甚至不需要外界因素觸發(fā)[24]。沉積物失穩(wěn)作用產(chǎn)生滑動(dòng)、滑塌，并向陣發(fā)性濁流轉(zhuǎn)化[25-26]，其持續(xù)時(shí)間較短（一般為數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)），重力流流體的沉積物濃度即迅速衰減。后退式海底滑坡具有較為持續(xù)斜坡失穩(wěn)沉積物補(bǔ)給，持續(xù)時(shí)間相對(duì)稍長(zhǎng)（可達(dá)數(shù)小時(shí)甚至數(shù)周）[26]，但與洪水型異重流持續(xù)時(shí)長(zhǎng)相比仍然極為有限。由于部分遠(yuǎn)離河流供源的陸架和陸坡區(qū)以泥質(zhì)沉積物占主導(dǎo)，泥質(zhì)沉積物失穩(wěn)同樣也可成為海底無水道塊體搬運(yùn)沉積的主要成因之一（圖1），成為海底扇的組分部分。陸源碎屑供給充足或殘留沉積相對(duì)發(fā)育的陸架區(qū)，海底沉積物失穩(wěn)可能成為海底扇最為重要的觸發(fā)機(jī)制[20]。

圖1 基于巖性粒度差異分類的海底扇相模式（據(jù)文獻(xiàn)[19]修改）Fig.1 Submarine fan models based on their lithological grain size difference (modified from reference [19])

2.2 洪水型異重流機(jī)制

洪水型異重流是陸源洪水入海直接下潛所形成的。由于河流與海水的密度差異，海相洪水型異重流的臨界沉積物濃度閾值高達(dá)36~43 kg∕m3[27]。河口密度小于海水的異輕羽狀流也可以借助沉積物重新聚集效應(yīng)（例如鹽指形成、沉積物對(duì)流、絮凝效應(yīng)等）向異重流轉(zhuǎn)化（沉積物濃度閾值降低至1~2 kg∕m3）[28]，但無法形成大規(guī)模、長(zhǎng)距離搬運(yùn)的海底扇。洪水型異重流的形成與氣候變化造成大規(guī)模強(qiáng)降雨有密切的聯(lián)系，具有較好的古氣候指示意義[29]。與沉積物失穩(wěn)形成的內(nèi)源型陣發(fā)性濁流相比，洪水型異重流是一種外源型持續(xù)性濁流。其流速相對(duì)較?。?~2 m∕s），流體卷吸作用較弱，因此能夠在海底保持長(zhǎng)距離流動(dòng)狀態(tài)而不會(huì)快速消散[30-31]。實(shí)際上，洪水型異重流的搬運(yùn)效率、流動(dòng)距離以及沉積物發(fā)育特征在學(xué)術(shù)層面仍然存在一定的爭(zhēng)議[14,23]。主動(dòng)陸緣窄陸架、河流供源能力強(qiáng)的區(qū)域有利于洪水型異重流為主的海底扇發(fā)育（圖2）。近年來多種海底觀測(cè)技術(shù)均證實(shí)了洪水型異重流能夠?qū)⒋罅磕嗌成踔恋[石級(jí)沉積物與塑料垃圾直接輸運(yùn)至深海區(qū)，表明其具有強(qiáng)大的搬運(yùn)能力[32-33]。

圖2 不同類型海底扇的成因機(jī)制及輸運(yùn)效率（據(jù)文獻(xiàn)[20]修改）Fig.2 Formation mechanism and transport efficiency of different types of submarine fans (modified from reference[20])

2.3 海洋動(dòng)力學(xué)機(jī)制

在經(jīng)典層序地層學(xué)理論框架下，被動(dòng)陸緣高位體系域陸架范圍寬廣，陸坡區(qū)域整體處于饑餓的沉積背景，缺乏大型三角洲沉積物供源，并不利于海底扇體的發(fā)育。末次盛冰期以來，盡管全球海平面整體處于高位，許多深海區(qū)仍然發(fā)育持續(xù)活動(dòng)的海底扇沉積（例如美國西海岸的一系列小型現(xiàn)代富砂型海底扇）（圖3）[34-35]。除洪水型異重流或沉積物失穩(wěn)兩種沉積物輸運(yùn)機(jī)制之外，通過海洋動(dòng)力作用對(duì)陸架沉積物的再搬運(yùn)也成為先存海底峽谷捕獲沉積物的重要方式（圖2，3）。沿岸流、潮流、風(fēng)暴流、等深流、內(nèi)波及內(nèi)潮汐等多種類型海洋動(dòng)力能夠?qū)㈥懠芑蜿懫鲁练e物搬運(yùn)至海底峽谷內(nèi)部（包括被峽谷頭部捕獲或直接輸運(yùn)至峽谷內(nèi)兩種方式），為高位期寬陸架低沉積物供給背景下的海底扇體系提供有效物源[35-37]。

圖3 美國加州La Jolla 現(xiàn)代海底扇（a）及沿岸環(huán)流輸送的觸發(fā)機(jī)制（b）（據(jù)文獻(xiàn)[34]修改）Fig.3 Modern submarine fan in La Jolla, California, USA (a) and triggering mechanism of littoral cells(b) (modified from reference [34])

2.4 復(fù)合型觸發(fā)機(jī)制

在更多情況下，海底扇的形成并不是由單一成因所致的，而是由多種類型觸發(fā)機(jī)制共同控制。例如，我國東部陸架海沉積物具有“夏儲(chǔ)冬輸”的季節(jié)性砂泥輸運(yùn)格局。同樣地，沖繩海槽現(xiàn)代海底扇體系在夏季主要是由陸架邊緣和陸坡殘余沉積物失穩(wěn)所形成的（圖4）。然而隨著冬季東海黑潮及渦旋分支“水障”作用的消失，風(fēng)暴和水體交換作用亦可使陸架懸浮沉積物實(shí)現(xiàn)跨陸架輸運(yùn)，同樣也為海底扇提供了充足的物源[39-40]。由此表明，現(xiàn)代東海寬陸架所發(fā)育的海底扇應(yīng)當(dāng)是由海底沉積失穩(wěn)和海洋動(dòng)力共同作用所致。

圖4 東海陸坡峽谷—海底扇體系地貌特征及地震反射特征（YSCC 為黃河暖流；SCC 為蘇北沿岸流；CDW 為長(zhǎng)江沖淡水區(qū)；TWC 為臺(tái)灣暖流；ZFCC 為浙閩沿岸流；KC 為黑潮）（據(jù)文獻(xiàn)[38]修改）（a）東海及周邊海域區(qū)域地質(zhì)概況；（b）東海陸坡及周邊海域多波束地形特征；（c）赤尾峽谷—海底扇地貌特征；（d）典型峽谷—海底扇體系地震剖面特征Fig.4 Geomorphological and seismic reflection data of submarine canyon-fan system in continental slope of East China Sea(YSCC = Yellow Sea warm current; SCC = Subei Coastal Current; CDW = Changjiang diluted water; TWC = Taiwan warmcurrent; ZFCC = Zhejiang-Fujian coastal current; KC = Kuroshino current) (modified from reference[38])

更為典型復(fù)合成因?qū)嵗秊槲覈_(tái)灣西南部的高屏峽谷—海底扇體系（圖5a，b）。該海底扇是由沉積物失穩(wěn)和洪水型異重流共同作用所致[41,44-46]。21世紀(jì)以來，2006 年屏東地震和2010 年甲仙地震引發(fā)高屏陸架沉積物失穩(wěn)[47-48]，2005年海棠臺(tái)風(fēng)和2009年莫拉克臺(tái)風(fēng)形成的強(qiáng)降雨使得高屏溪輸出大量沉積物形成洪水型異重流，為下游高屏扇提供了豐富的物質(zhì)來源。最新航次調(diào)查表明，與該臺(tái)風(fēng)相關(guān)的洪水異重流所攜帶粗粒沉積物的直接影響范圍局限于高屏陸架和峽谷上游[49-50]。基于不同電纜破壞時(shí)間差推算出的洪水型異重流平均流速差異巨大（0.37~37.2 m∕s），并不合其流速特征（圖5c），亦表明高屏扇表層沉積物可能是洪水異重流沉積二次搬運(yùn)，而非河流直接供源。部分沉積物甚至可溯源至遠(yuǎn)離河口、洪水型異重流并不活動(dòng)的枋寮峽谷[46]。莫拉克臺(tái)風(fēng)侵襲期間，陸架中地下水大量溢出造成海床沉積物逐漸液化并失穩(wěn)，所誘發(fā)的滑塌型重力流越過泥巖底辟，直接將沉積物輸運(yùn)至高屏峽谷下游[47]，從而形成具有復(fù)合成因的高屏峽谷—海底扇體系。

圖5 現(xiàn)代高屏峽谷—扇體系地貌特征及2009 年莫拉克臺(tái)風(fēng)洪水型異重流特征（據(jù)文獻(xiàn)[41-43]修改）（a）高屏峽谷—扇體系海底地貌特征；（b）2009年莫拉克臺(tái)風(fēng)期間高形成洪水型異重流下潛入海；（c）2009年莫拉克臺(tái)風(fēng)造成海底斷纜編號(hào)及估算洪水型異重流平均流速Fig.5 Geomorphological characteristics of modern Kaoping canyon-fan system and flood-related hyperpycnal flowderived from 2009 Morakot Typhoon (modified from references [41-43])

3 海底扇沉積過程及其空間組合特征

從過程沉積學(xué)的角度來看，海底扇的主導(dǎo)重力流類型、海底外部地貌特征及海洋動(dòng)力條件共同控制了不同類型海底扇的沉積特征、平面形態(tài)及空間組合，對(duì)于系統(tǒng)認(rèn)識(shí)海底扇的沉積作用具有重要的實(shí)際意義。本文主要依據(jù)Talling 于2012 年提出的沉積物重力流（碎屑流—濁流）二分方案[51]，綜合考慮限制性、非限制性海底地貌條件及底流改造作用，以深入了解不同類型海底扇的沉積過程及其發(fā)育特征。

3.1 濁流為主導(dǎo)的海底扇

在傳統(tǒng)認(rèn)知體系中，絕大多數(shù)的海底扇均是由濁流沉積而成，稱為“濁積扇”（Turbidite fan）。在寬緩深海平原區(qū)，海底濁流出峽谷后卸載形成具有海底水道—朵葉體單元的非限制性海底扇沉積[50]。以濁流沉積主導(dǎo)的非限制性海底扇主體上發(fā)育中—厚層濁積巖Ta 和Tb 段，僅在朵葉體遠(yuǎn)端可能存在流體轉(zhuǎn)化作用，與混合事件層沉積相伴生[52]；其側(cè)緣主要為Tc 和Td 段，混合事件層占比相對(duì)較少（圖6）。典型的非限制性海底扇呈放射狀的平面展布形態(tài)[56]，部分海底扇體表現(xiàn)為長(zhǎng)條狀、指狀展布特征，其朵葉體的水道化特征更為顯著[56]，這與海底扇上傾方向水道坡度增大、濁流能量增強(qiáng)有密切的關(guān)系。

海底濁流在受復(fù)雜海底構(gòu)造形成的限制性海底環(huán)境中發(fā)育限制性海底扇，其形態(tài)受控于海底地貌形態(tài)，并向限制性地貌部位形成一系列超覆地層樣式[53]。在流體轉(zhuǎn)化機(jī)制和沉積物失穩(wěn)作用下，其朵葉體側(cè)緣和遠(yuǎn)端均有混合事件層的發(fā)育（圖6），在海底扇沉積物中所占比例相對(duì)較高[57-58]。

圖6 濁流與碎屑流主導(dǎo)的海底扇平面樣式及垂向組合特征（據(jù)文獻(xiàn)[53-55]修改）Fig.6 Planar geometry and vertical succession of turbidite-and debrite-dominated submarine fan(modified from references [53-55])

由于海底扇沉積過程分析需要開展巖相類型的精細(xì)對(duì)比，鉆井巖性和地震資料分辨率的局限性無法達(dá)到上述沉沉積學(xué)對(duì)比精度，因此海底扇的巖相分異特征更多是基于露頭沉積學(xué)研究成果逐漸完善的。南非卡魯盆地二疊系Skoorsteenberg 組海底扇Fan 3 露頭產(chǎn)狀平緩，出露地層相對(duì)連續(xù)，是非限制性海底扇巖相組合高精度對(duì)比分析的典型剖面[52,59]。通過野外露頭和淺鉆巖心進(jìn)行對(duì)比，能夠重建海底扇展布范圍、發(fā)育期次及地層尖滅樣式，并直觀反映了濁積巖層和混合事件層在朵葉體遠(yuǎn)端（圖7a）和側(cè)緣（圖7b）展布規(guī)律，進(jìn)而印證了流體轉(zhuǎn)化機(jī)制對(duì)于濁流主導(dǎo)的非限制性海底扇空間非均質(zhì)性的重要影響（圖7c）。

圖7 南非卡魯盆地二疊系Skoorsteenberg 組非限制性海底扇朵葉體遠(yuǎn)端和側(cè)緣巖相類型精細(xì)對(duì)比剖面（據(jù)文獻(xiàn)[52]修改）Fig.7 Detailed stratigraphic correlation panels of lithofacies of lobe fringe in the unconfined submarine fan system of(Permian) Skoorsteenberg Formation in the Karoo Basin, South Africa (modified from reference [52])

3.2 碎屑流為主導(dǎo)的海底扇

事實(shí)上，海底扇也可由碎屑流沉積形成。例如，大型海底滑坡、峽谷側(cè)壁或天然堤垮塌等所引發(fā)的塊體沉積可能部分覆蓋或改造海底扇沉積物[60]。例如，亞馬遜扇主體上由砂質(zhì)和泥質(zhì)碎屑流及塊體搬運(yùn)沉積構(gòu)成，濁積巖僅占其中14%[61]。與濁積巖的概念相對(duì)應(yīng)，大部分以碎屑流沉積為主導(dǎo)的海底扇稱為“碎積扇”（Debrite fan）[61]。“碎積扇”概念的出現(xiàn)與（砂質(zhì)∕弱黏結(jié)性∕非黏結(jié)性∕流狀碎屑流等）多種相似重力流概念名詞的提出密切相關(guān)，但是其識(shí)別標(biāo)志在沉積學(xué)界爭(zhēng)議不斷[51,61]。針對(duì)現(xiàn)代海底“碎積扇”的超聲影像分析，認(rèn)為其在平面上表現(xiàn)為舌狀或葉片狀（羊齒狀）平面展布樣式[62-65]，整體不發(fā)育水道或較少發(fā)育分流水道。由于其具有塊狀搬運(yùn)、凍結(jié)式沉積的特征，這種由碎屑流沉積形成的地層在側(cè)向上快速尖滅[66]。碎屑流底部發(fā)育薄層“晚期沉降”階段形成的薄層純凈砂巖（圖5）[54,62]，亦可能在其頂部受剪切稀釋（shear mixing）作用形成薄層濁積巖，反映了兩種不同類型的流體轉(zhuǎn)化過程。與傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中的碎屑流特征相悖，這種中—低黏性強(qiáng)度碎屑流能夠在海底平原低坡度（＜~1°）區(qū)域長(zhǎng)距離搬運(yùn)。其長(zhǎng)距離搬運(yùn)的潤滑機(jī)制是否由滑水作用控制目前尚存在不同的觀點(diǎn)[54,67-68]。

以晚第四紀(jì)地中海的尼羅扇為例，其中3口淺鉆的柱狀巖心均表現(xiàn)為雜基支撐、內(nèi)含漂礫的泥質(zhì)碎屑流沉積特征（圖8），表明該海底扇是由碎屑流主導(dǎo)的深水沉積體系[68]。薄層碎屑流沉積廣泛分布于Rosetta海底水道、鹽底辟相關(guān)的小型限制性盆地、水道外開闊斜坡區(qū)及朵葉體邊緣，與該沉積相關(guān)的碎屑流在海底平原搬運(yùn)距離超過200 km[69-70]。這種海底扇內(nèi)部的背向散射影像顯示其朵葉體邊緣具有典型的羊齒狀形態(tài)特征（圖8），與濁流主導(dǎo)的海底扇平面形態(tài)和巖相展布有顯著的差異。

圖8 晚第四紀(jì)地中海尼羅扇背向散射影像特征（a，b）、淺地層剖面（c）及碎屑流沉積巖心柱狀圖（d）（據(jù)文獻(xiàn)[68]修改）Fig.8 Late Quaternary Nile fan (Mediterranean Sea):(a, b) backscatter imagery; (c) chirp seismic profile;and (d) graphic-core logs of debris flow deposits (modified from reference [68])

3.3 受底流改造的海底扇

重力流和底流是形成深水沉積的兩大主要的沉積動(dòng)力作用[71]。在底流活躍區(qū)，海底扇沉積單元將受到底流的側(cè)向改造，形成底流—重力流混合型深水沉積體系，即“等深巖扇”（contourite fan）[72]。相對(duì)于陣發(fā)性重力流而言，底流作用具有長(zhǎng)期且穩(wěn)定的特征[71]。在不同時(shí)間尺度上，這種混合型深水沉積體系在沉積作用下表現(xiàn)為三種形式（圖9）：1）在短期尺度上，海底扇的重力流水道與底流發(fā)生交互作用，表現(xiàn)為海底扇主水道單向遷移的特征，并形成底流型天然堤漂積體；2）在中期尺度上，受側(cè)向底流持續(xù)改造，使得海底扇的朵葉體沿底流方向偏轉(zhuǎn)，甚至局部改造為孤立的沙波或沙丘；3）在長(zhǎng)期尺度上，長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定的底流沉積作用形成丘狀漂積體，陣發(fā)重力流所形成的海底扇展布受到丘狀地貌限制，其水道亦表現(xiàn)順底流流向側(cè)向遷移的特征[73]。

圖9 不同時(shí)間尺度的海底扇與底流交互作用概念模式（據(jù)文獻(xiàn)[73]修改）（a）底流—濁流交替；（b）底流造成重力流沉積重新分布；（c）同期底流與濁流的交互作用Fig.9 Conceptual depositional and process models for the interaction of submarine fans and bottom currentsat different temporal scales (modified from reference [73])

東非莫桑比克海底扇是一個(gè)典型的重力流—底流混合型海底扇體系研究對(duì)象[73-74]。以莫桑比克魯伍馬盆地珊瑚大氣田始新統(tǒng)為例，該研究區(qū)發(fā)育優(yōu)質(zhì)深水砂巖儲(chǔ)層（厚度超過100 m）。其始新統(tǒng)目的層位RGB 分頻融合振幅屬性圖對(duì)沉積物波、漂積朵葉體、水道相關(guān)漂積體均有較好的顯示效果（圖10），表明向北流動(dòng)的底流對(duì)海底扇水道和朵葉體具有持續(xù)改造作用。與正常海底扇相比，其沉積產(chǎn)物的成熟度更高，雙向流水成因的沉積構(gòu)造相對(duì)發(fā)育，是更為理想的深水油氣勘探目標(biāo)[73]。

圖10 莫桑比克海域魯武馬盆地珊瑚氣田始新統(tǒng)珊瑚層序最大海泛面RGB 融合屬性圖（a）及其地震地貌學(xué)解釋（b）（據(jù)文獻(xiàn)[73]修改）Fig.10 Maximum flooding surface of Eocene coral sequence in coral gas field, Rovuma Basin, offshore Mozambique(a)RGB blending attribute map;(b)seismic geomorphological interpretation(modified from reference[73])

4 海底扇沉積記錄的指示意義

4.1 “源—匯”物源信號(hào)傳輸過程

海底沉積物失穩(wěn)和海洋動(dòng)力過程是形成海底扇內(nèi)源型重力流的主要成因機(jī)制，反映了陸架沉積物再搬運(yùn)的沉積作用。由這一類觸發(fā)機(jī)制所形成的海底扇主要由經(jīng)過短時(shí)間尺度的中途暫存（stored）、具有再旋回（recycled）特征的沉積物所組成的。富泥型海底扇通常屬于緩沖型“源—匯”系統(tǒng)，其沉積物路徑系統(tǒng)距離相對(duì)較長(zhǎng)（表1）。碎屑沉積物所記錄的源區(qū)環(huán)境信號(hào)在“源—匯”傳輸過程中歷經(jīng)一定的緩沖期，造成原始信號(hào)損失嚴(yán)重，無法反演物源區(qū)的環(huán)境信號(hào)特征[75-76]。短距離搬運(yùn)的富砂型海扇則更有可能由洪水型異重流（外源型重力流）形成，其沉積物中記錄的源區(qū)環(huán)境信號(hào)的傳輸效率及保存程度均相對(duì)較高。海底扇沉積物所保留的物源信號(hào)與河口沉積物的信號(hào)相似程度較高，間接反映了河口沉積物供給的變化趨勢(shì)，因此能夠相對(duì)完整地記錄母巖區(qū)性質(zhì)和環(huán)境信號(hào)特征，屬于響應(yīng)型“源—匯”系統(tǒng)[75,77]。通過碎屑鋯石U-Pb 定量示蹤、Sr-Nd 同位素組成、低溫?zé)崮甏鷮W(xué)、沉積物質(zhì)量平衡分析等多種途徑能夠精細(xì)表征外界環(huán)境信號(hào)在“源—匯”體系中的傳輸過程，從而系統(tǒng)性分析影響海底扇“源—匯”系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的主控因素[77-78]。

4.2 構(gòu)造作用與古氣候意義

海底扇體系為獲取陸地的長(zhǎng)期剝蝕歷史提供了良好的契機(jī)[79]。在主動(dòng)陸緣構(gòu)造背景下，活動(dòng)造山帶為其海底扇體系中提供了巨大通量的碎屑沉積物，其中蘊(yùn)含很多構(gòu)造信息。在板塊構(gòu)造和盆地動(dòng)力學(xué)尺度上，在該構(gòu)造背景下發(fā)育的海底扇沉積反映了深?！肷詈５某练e環(huán)境，是古洋盆發(fā)育的重要證據(jù)[80-81]。海底扇沉積速率的變化是板塊碰撞和盆地演化的重要證據(jù)。因此，孟加拉扇和印度扇沉積學(xué)研究為印亞板塊碰撞和青藏高原隆升提供了良好約束[82-83]。由于主動(dòng)陸緣構(gòu)造變形強(qiáng)烈，地震作用頻繁，很多主動(dòng)陸緣型海底扇的形成與地震活動(dòng)密切相關(guān)。在露頭和巖心尺度上，其沉積序列和沉積構(gòu)造開展精細(xì)的過程沉積學(xué)分析已經(jīng)逐漸成為古地震震級(jí)和烈度恢復(fù)的重要途徑之一[84-86]。

大型細(xì)粒海底扇沉積物中保留了不同時(shí)間尺度古氣候記錄[17]。除了自旋回沉積作用之外，海底扇的粒度分布、垂向疊置樣式、朵葉體側(cè)向擺動(dòng)頻率、朵葉體間泥頁巖厚度等特征均與短期尺度（＜103年）的氣候變化密切相關(guān)。而中—長(zhǎng)期尺度（104~106年）造成的氣候變化（如溫室—冰室氣候、古季風(fēng)強(qiáng)度）則直接影響了海底扇的主要供源體系和成因機(jī)制（如內(nèi)源型和外源型重力流沉積作用[87]），正逐漸成為古氣候?qū)W的熱門研究對(duì)象，也是近年來國際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃（IODP）重要的潛在鉆探區(qū)域（如孟加拉扇、印度扇、亞馬遜扇等）。

4.3 現(xiàn)代環(huán)境學(xué)沉積記錄

人類世以來的沉積物中蘊(yùn)含了大量人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的信息[88]，微塑料豐度是其中一個(gè)較為重要的指標(biāo)（圖11）。目前針對(duì)海洋沉積物微塑料來源解析的研究多集中于濱淺海沉積環(huán)境[89]。深海乃至海溝沉積中微塑料的發(fā)現(xiàn)表明目前微塑料污染已經(jīng)遍布全球，成為刻不容緩、亟待解決的環(huán)境問題，其相關(guān)研究卻相當(dāng)匱乏。與洪水型異重流供源相關(guān)的海底扇也可能成為全球微塑料重要儲(chǔ)庫之一（圖2）[26]。最新報(bào)道顯示，地中海海底峽谷濁流中的微塑料豐度最高達(dá)60 粒∕50g，其富集程度已達(dá)到中等偏高水平[90]。微塑料形態(tài)和沉積特征與沉積物中的植物碎屑相似，相關(guān)水槽實(shí)驗(yàn)揭示微塑料主要富集于海底扇天然堤、朵葉體邊緣的沉積單元中[58]。從另一個(gè)角度來看，微塑料顆粒和大型塑料制品在海底峽谷和海底扇中的展布特征是現(xiàn)代海底扇成因機(jī)制的間接反映[91]。

圖11 現(xiàn)代海底扇沉積物物源、搬運(yùn)通道及環(huán)境效應(yīng)示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[58]修改）Fig.11 Sediment source and transport pathway of modern submarine fan and its environmental effect (modified form reference [58])

與此同時(shí)，海底扇是海洋中非常重要卻常被忽視的碳匯場(chǎng)所，能夠使其沉積物中的顆粒有機(jī)碳（POC）實(shí)現(xiàn)快速埋藏[92]。植物和土壤有機(jī)碳是大氣CO2碳匯的一部分，直接參與全球碳中和過程，其環(huán)境效應(yīng)是巨大的。例如，末次盛冰期以來剛果扇沉積物中的植物有機(jī)碳占總有機(jī)碳約四分之一[94]。我國臺(tái)灣高屏溪中的植物和土壤有機(jī)碳年均通量達(dá)97.1±60.9×103T[95]，其中很大一部分能夠直接埋藏在高屏峽谷—海底扇體系，從而實(shí)現(xiàn)天然的碳封存。因此，有效評(píng)估現(xiàn)代海底扇沉積物中的植物和土壤有機(jī)碳含量對(duì)于碳賬戶的收支平衡具有重要的意義。目前很多海底扇有機(jī)碳的定量評(píng)估研究尚處于起步階段，在“雙碳戰(zhàn)略”推動(dòng)之下則顯得尤為必要。

5 結(jié)語

半個(gè)多世紀(jì)以來，關(guān)于深水重力流沉積過程和海底扇相模式的討論和爭(zhēng)議不斷，極大推動(dòng)了現(xiàn)代沉積學(xué)的發(fā)展，加速了深水油氣勘探工業(yè)化進(jìn)程。事實(shí)上，海底扇沉積作用遠(yuǎn)比想象的復(fù)雜。隨著海底觀測(cè)技術(shù)手段飛速發(fā)展，更為合理和多樣的海底扇沉積模式將會(huì)不斷涌現(xiàn)，被用于古代海底扇沉積的過程沉積學(xué)研究之中。未來的古代海底扇研究應(yīng)當(dāng)注重沉積學(xué)與古氣候?qū)W、盆地動(dòng)力學(xué)、古地震學(xué)、地球化學(xué)等學(xué)科交叉，借助多種分析測(cè)試技術(shù)深入挖掘沉積記錄的多重指示意義，為古地理和古氣候重建提供新的思路。針對(duì)現(xiàn)代海底扇而言，在沉積學(xué)研究基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)著重關(guān)注其環(huán)境生態(tài)學(xué)意義，量化海底扇對(duì)于人類社會(huì)環(huán)境管控、碳減排的重要價(jià)值。