印度河扇水道堤岸外側(cè)更新世沉積物波發(fā)育特征與形成過程分析*

浩 克 紀(jì)友亮 張勝久 劉炎鑫 Khurram Shahzad Saad Ahmed Mashwani 劉笑語 姜 燕

1 中國石油大學(xué)（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，地球科學(xué)學(xué)院，北京102249

2 漢堡大學(xué)地質(zhì)研究所，德國漢堡

3 哈扎拉大學(xué)曼塞拉分校地球與環(huán)境科學(xué)系，開伯爾—普赫圖赫瓦省21300，巴基斯坦

4 中國石油華北油田工程技術(shù)研究院，河北任丘062550

沉積物波包括泥波、沙波、巨波等（Normark et al.，2002）。多年來深海地質(zhì)學(xué)家一直對沉積物波的形成十分感興趣，但至今對沉積物波形成過程的研究程度低。前期的研究從大量實例出發(fā)，描述了沉積物波的基本特征，并且以此為基礎(chǔ)，初步分析了沉積物波的形成環(huán)境及發(fā)育過程，但其形成機制的研究還不夠深入（Wynn et al.，2000；Wynn and Stow，2002）。通常認(rèn)為，沉積物波與濁流在堤岸外側(cè)的沉積以及沿著大陸斜坡的等深流的沉積過程有 關(guān)（Wynn et al.，2000；Lee et al.，2002）。前人的研究也記錄了大陸坡上的沉積物滑塌破壞，深海環(huán)境中的濁流在滑塌變形的沉積物之上發(fā)育了沉積物波（Howe，1996）。沉積物波的發(fā)育方式可以是向上坡遷移，或向下坡遷移，其波脊的走向可以與濁流方向垂直或者斜交（Damuth 1980；Normark et al.，1980；Faugères and Stow，1993）。隨著DSDP（深海鉆探計劃）及ODP（大洋鉆探計劃）的持續(xù)開展，對現(xiàn)代海底深水牽引流沉積和重力流的研究逐步深入，對古代地層記錄中保留的深水牽引流沉積物波和重力流成因的沉積物波的研究也獲得長足進(jìn)展，對沉積物波的分布模式和成因的認(rèn)識程度也有了很大提高（張興陽，2000；張興陽等，2002）。到目前為止，前人已提出了6種對沉積物波的形成機理和過程的成因解釋：（a）濁流向下坡流動過程產(chǎn)生的沉積物波；（b）沿斜坡底部的等深流產(chǎn)生的沉積物波；（c）等深流與等深流所引發(fā)內(nèi)波的聯(lián)合作用形成的沉積物波；（d）內(nèi)波和內(nèi)潮汐形成的沉積物波；（e）通過向下坡方向流動的濁流和等深流的相互作用產(chǎn)生的沉積物波；（f）通過斜坡破壞和變形過程產(chǎn)生的沉積物波（Carter et al.，1990；Liu et al.，1998；張 興 陽，2000；張興陽等，2002；Gong et al.，2012；Marta Ribo et al.，2016；Christensen et al.，2019；Dmitrii Borisov et al.，2020；Huang et al.，2020；Kolla et al.，2021；Zou et al.，2021）。

前人對印度河扇的分布、水道和堤岸的結(jié)構(gòu)及沉積模式進(jìn)行了詳細(xì)研究，但關(guān)于印度河扇上的沉積物波的研究沒有見到文獻(xiàn)報道。本次在繼續(xù)研究印度河扇的過程中，在印度河扇水道堤岸的斜坡上發(fā)現(xiàn)了沉積物波，而且主要分布在水道單側(cè)的堤岸斜坡上。這些沉積物波波峰的走向與印度河扇水道的走向平行或低角度斜交，與區(qū)域斜坡的走向垂直。此外在區(qū)域斜坡上也發(fā)現(xiàn)了少量的沉積物波，這種沉積物波波脊的走向與區(qū)域斜坡的走向大致平行。另外，印度河扇附近的一些滑塌變形沉積物，形態(tài)也呈波狀，很容易與沉積物波混淆。這些沉積物波的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、形態(tài)、變化規(guī)律、分布規(guī)律、形成過程、發(fā)育的控制因素以及與滑塌變形構(gòu)造的區(qū)分標(biāo)志等一直沒有詳細(xì)探討，再者，用上述沉積物波的6種形成機理也很難解釋研究區(qū)2種沉積物波的分布與走向的差異。本次研究目的是：（1）闡明水道堤岸斜坡的沉積物波的形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（2）明確印度河扇水道堤岸發(fā)育過程中沉積物波的成因、發(fā)育階段和生長模式；（3）解釋研究區(qū)印度河扇區(qū)域斜坡上沉積物波的成因機理和沉積模式；（4）闡述下伏地層的變形特征對上覆沉積物波發(fā)育的影響；（5）揭示研究區(qū)2種沉積物波的發(fā)育規(guī)律、形成過程和分布模式。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

印度河扇位于印度河近海盆地的陸坡上，地理位置位于巴基斯坦大都市—卡拉奇以南約300 km處的北印度洋阿拉伯海。本次研究范圍覆蓋了從大陸坡到深海盆地的區(qū)域，水深約3500m（圖1）。

印度河近海盆地邊界如下：其西北和西部以墨累（Murray）海脊和歐文（Owen）斷裂帶為界，此邊界也是印度板塊和阿拉伯板塊之間的邊界（Edwards et al.，2008）；東邊以卡高斯-拉克德威海脊（Chagos-Laccadive Ridge）為界；西南部以卡斯伯格海脊為界（Carlsberg Ridge）；印度河近海盆地北面的大陸架發(fā)育下切谷，盆地的東北部以地下埋藏的構(gòu)造帶—拉希米海脊（Laxmi Ridge）為界（Naini and Kolla，1982；Mishra et al.，2013）。

1.2 研究層位和沉積物波的分布

本次研究的目的層為更新統(tǒng)，巖性為細(xì)砂巖、粉砂巖與遠(yuǎn)洋—半遠(yuǎn)洋灰黑色泥巖的互層，其沉積環(huán)境為大陸斜坡之下的海底扇——印度河扇。

研究區(qū)內(nèi)沉積物波分布面積約100 km2（圖1，圖2），主要分布在印度河扇上的水道堤岸的斜坡上，也可發(fā)育在區(qū)域斜坡（陸棚斜坡）上（圖1），只不過在區(qū)域斜坡上見到的沉積物波較少。

圖1 印度河扇的邊界、盆地地貌特征圖和研究區(qū)位置Fig.1 Boundary of Indus fan，the morphological features of basin and research site location

2 研究方法

研究區(qū)位于巴基斯坦印度河近海盆地，數(shù)據(jù)來源于2001年和2002年在水深約2700m處采集的二維（2D）和三維（3D）地震數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)已進(jìn)行了疊前時間偏移等處理。2D地震數(shù)據(jù)為5×5 km的網(wǎng)格，覆蓋面積7.5×104km2，地震數(shù)據(jù)記錄的雙程反射時間（TWT）為12 s，數(shù)據(jù)采集時進(jìn)行了160倍多次覆蓋。數(shù)據(jù)為SEG標(biāo)準(zhǔn)，零相位以正極性顯示（Ologe et al.，2014），地震剖面上波峰、波谷的色調(diào)分別為白色、深色和黑色，分別標(biāo)志著正阻抗和負(fù)阻抗。數(shù)據(jù)的主要頻率為45 Hz，垂直分辨率為25m。

由于本區(qū)缺少巖心資料和錄井資料，無法進(jìn)行井震標(biāo)定來識別巖性和判斷沉積構(gòu)造，巖性的確定也只能靠鄰區(qū)的鉆井G2井（圖2）的資料推斷。對于濁流沉積物的判斷，只能依據(jù)地震剖面上顯示的水道和水道堤岸的形態(tài)。本次使用的研究方法主要是依靠地震剖面，在研究精度上具有一定的局限性。

圖2 橫切印度河扇的西北—東南向地震剖面（line1）Fig.2 NW-SE oriented seismic profile（line1）acrossing Indus fan

3 研究結(jié)果

3.1 沉積物波的形態(tài)特征

3.1.1 波長和波高

研究區(qū)內(nèi)的沉積物波波長平均為486.84m，最大1473m；波高在10～60m 之間，平均30m；水道堤岸的坡度為1°～3.1°（表1，表2）。對于水道堤岸斜坡上的沉積物波，其波長和波高隨著離開堤岸頂部距離的增加而減小。而區(qū)域斜坡上的沉積物波，其波長和波高隨距離源區(qū)的距離增加而增加，隨后再減小。

表1 印度河扇沉積物波的定量分析Table 1 The quantification of sediment wave characteristics on Indus fan

表2 印度河扇堤岸規(guī)模和沉積物波的關(guān)系Table 2 Relationship between levee angle and sediment wave dimensions in Indus fan

3.1.2 沉積物波的形態(tài)特征

1）對稱型。研究區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)了對稱的沉積物波，波的兩翼厚度相等，其結(jié)構(gòu)呈正弦波的形態(tài)（圖3-B），圖3-B左側(cè)的沉積物波形態(tài)即為典型代表。

2）非對稱型。通常情況下，研究區(qū)的沉積物波多是非對稱型的，波的兩翼厚度和長度不相等（圖3，圖4）。非對稱型沉積物波又分為2種：一種是上坡遷移型（爬升型），這種沉積物波的迎水坡（翼）厚度大，長度短，背水坡（翼）厚度小，長度大，波峰逐漸向上坡方向遷移；另一種是下坡遷移型，這種沉積物波的迎水坡（翼）厚度小，長度大，背水坡（翼）厚度大，長度小，波峰逐漸向下坡方向遷移。

圖3 橫切印度河扇的西北—東南向地震剖面（line2）Fig.3 NW-SE oriented seism ic profile（line2）acrossing the Indus fan

圖4 橫切印度河扇的西北—東西向地震剖面（line3）Fig.4 NW-SE oriented seism ic profile（line3）acrossing the Indus fan

3.2 水道堤岸外坡沉積物波的遷移方式和分布特征

3.2.1 水道堤岸外坡沉積物波的遷移方式

在研究區(qū)水道堤岸外坡的沉積物波中，觀察到3種不同類型的遷移方式：（1）上坡方向遷移方式；（2）垂向加積方式；（3）下坡方向遷移方式。其中以上坡方向遷移方式為主，而垂向加積方式和下坡方向遷移方式不多見，如果發(fā)育，其發(fā)育部位依次發(fā)育在該期沉積物波的中端和遠(yuǎn)端。

1）上坡方向遷移方式。這種沉積物波遷移方式，表現(xiàn)出沉積物波的波峰從堤岸的遠(yuǎn)端向堤岸的近端遷移，也就是說向上坡方向遷移。在靠近水道處，沉積物波變厚，波峰的遷移也停止（圖3，圖5）。研究區(qū)內(nèi)的沉積物波以上坡方向遷移方式為主，可分布在每期沉積物波的近端、中端和遠(yuǎn)端。

2）垂向加積方式。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉積物波發(fā)育過程中，當(dāng)波峰向上坡方向停止遷移時，就演變?yōu)榧臃e過程，沉積物波的波峰位置在橫向上不再遷移（圖5）。但下部時代較老的沉積物波幅度很大，上覆的時代較新的沉積物波幅度變小。沉積物波的垂向加方式不多見，如果發(fā)育，則主要發(fā)育在該期沉積物波的中端和遠(yuǎn)端。

3）下坡方向遷移方式。這種沉積物波遷移方式，表現(xiàn)出沉積物波的波峰從堤岸的近端向堤岸的遠(yuǎn)端遷移，也就是說沉積物波的波峰向下坡方向遷移（圖4）。沉積物波的下坡方向遷移方式也不多見，如果發(fā)育，則發(fā)育部位主要在該期沉積物波的遠(yuǎn)端。

研究區(qū)觀察到的遷移方式有時是復(fù)雜的，作者觀察了很多個波組的遷移特點，每個沉積物波組表現(xiàn)出明顯不同的遷移特征（圖5）。其中時代較老的沉積物波組主要表現(xiàn)為向上坡方向遷移的特征，局部也具有較明顯的加積特征；而時代較新的沉積物波組，近端主要表現(xiàn)為加積特征，中端和遠(yuǎn)端也具有加積方式和輕微的向下坡方向遷移的特征。

3.2.2 水道堤岸外坡沉積物波的分布特征

在印度河扇上，水道堤岸外坡沉積物波的地貌位置十分獨特。沉積物波通常發(fā)育在靠近水道的位置，且主要發(fā)育在水道凹岸堤岸的外側(cè)斜坡上。沉積物波的波長為122～1463m，波脊的走向與堤岸外坡的走向平行或斜交。波長和波高的變化是有規(guī)律的，多數(shù)情況下，向著上坡方向，即離水道邊緣越近，沉積物波的波高和波長越大；而遠(yuǎn)離水道方向波長與波高逐漸變?。▓D3，圖4，圖5）。

圖5 橫切印度河扇的東南—西北向地震剖面（line5）Fig.5 SE-NW oriented seism ic profile（line5）acrossing the Indus fan

但值得注意的是，沉積物波有時也發(fā)育在距離水道較遠(yuǎn)的地方，而在距離水道較近的地方反而缺乏沉積物波（圖4）。

盡管McCave（2017）認(rèn)為，沉積物波在水道的兩側(cè)都發(fā)育，但通常主要發(fā)育在水道凹岸一側(cè)的堤岸上（圖6）。本次研究只在NE-SW 向地震剖面上見到了水道兩側(cè)的堤岸上均有沉積物波的發(fā)育。

圖6 橫切印度河扇的西北—東南向地震剖面（line 6）Fig.6 NW-SE oriented seismic profile（line 6）acrossing the Indus fan

1）早期堤岸上沉積物波的分布規(guī)律。在早期堤岸上，沉積物波多發(fā)育在堤岸的附近。越靠近堤岸的頂部，沉積物波厚度越大，幅度也越大（圖7）。雖然沉積物波的波長和波高向下坡方向逐漸減小，但堤岸的頂部和底部沉積物波的結(jié)構(gòu)形態(tài)是相似的。

圖7 橫切印度河扇的西北—東南向地震剖面（line7）Fig.7 NW-SE oriented seismic profile（line7）acrossing the Indus fan

2）晚期堤岸上沉積物波的分布規(guī)律。在上覆的晚期沉積的堤岸上，沉積物波的規(guī)模（幅度）在橫向上變化不明顯或變化很慢，但其反射清晰，反射層之間呈平行或近平行關(guān)系。

3.3 區(qū)域斜坡沉積物波的特征和分布

在印度河近海盆地的區(qū)域斜坡上也觀測到了沉積物波，這些沉積物波與水道堤岸外坡上的沉積物波沒有關(guān)系（圖8）。研究結(jié)果表明，區(qū)域斜坡上的沉積物波與水道堤岸外坡上的沉積物波的結(jié)構(gòu)不同，其特點如下：

3.3.1 幅度的變化不規(guī)則

區(qū)域斜坡沉積物波發(fā)育區(qū)的坡度為2.01°，從上游到下游，沉積物波的幅度變化規(guī)律是不規(guī)則的，其初始波長為50m，波高可達(dá)200m，最小波高為50m，平均為90m。地震剖面上，沉積物波多表現(xiàn)為層狀、波狀、亞平行狀的反射面，橫向變化很不規(guī)則。

3.3.2 多為上坡遷移方式

區(qū)域斜坡上NW-SE向延伸的沉積物波的結(jié)構(gòu)表明，多為上坡遷移模式。沉積物波向上坡方向遷移，其背水坡一翼的坡度陡、長度小，而迎水坡一翼的坡度小、長度大。向下坡（下游）方向，沉積物波的波高逐漸減小，但其波長逐漸增大，最后波形逐漸消失（圖8）。

3.3.3 近源處沉積物波厚度大

從NW-SE方向的地震剖面上可以看出，在近源處（上游處）沉積物波厚度突然增加，而且地貌上呈負(fù)地形（圖8）。向下坡（下游）方向，沉積物波厚度變小。

3.3.4 下伏地層常見滑塌變形沉積物

區(qū)域斜坡沉積物波的另一個特點是，這些沉積物波的下伏地層是滑塌沉積物（圖8）。換言之，滑塌沉積物形成的底形起伏，對沉積物波的發(fā)育起到了促進(jìn)作用。當(dāng)濁流流過起伏不平的海底時，沉積物波就容易形成，并向上坡方向遷移（Lee et al.，2002）。

圖8 順切印度河扇的東北—西南向地震剖面（line8）Fig.8 NE-SW oriented seismic profile（line8）along the Indus fan

3.4 沉積物波與沉積物變形特征識別標(biāo)志

在海底斜坡上，尤其是在坡度和沉積速率較高的地方，沉積物的滑塌變形非常普遍（Flood，1994；Wynn and Stow，2002）?；冃蔚脑蚩梢允堑卣?、海平面下降期間陸架和斜坡的暴露，也可以是海平面的波動（Posamentier and Kolla，2003），這不是本文討論的重點。這些波狀的變形特征，影響了對沉積物波的識別。通過分析研究區(qū)內(nèi)與更新世的沉積物波極為相似的堤岸斜坡上的滑塌變形特征，發(fā)現(xiàn)了一些區(qū)分兩者的識別標(biāo)志，但如果不仔細(xì)研究，仍就很難識別出（Wynn et al.，2000；Nakajima and Satoh，2001；Wynn and Stow，2002）。

3.4.1 遷移方式的差異

細(xì)粒沉積物波通常發(fā)育向上坡遷移模式，波峰的遷移方向與主水流方向相反。由于沉積速率較高，上坡方向的沉積物波較厚，沉積物迎水坡（翼）和背水坡（翼）之間的厚度差異也很明顯，因為背水坡（翼）遭受侵蝕，迎水坡（翼）發(fā)生沉積。而沉積物的變形特征就沒有與之相似的遷移模式。相反，變形成因的波狀沉積物兩翼的厚度相似（Lee and Chough，2001）。

3.4.2 反射層的連續(xù)性

沉積物波的單個反射層很連續(xù)，可以在相鄰的沉積物波之間追蹤，且容易辨認(rèn)（圖9）。相反，如果波狀結(jié)構(gòu)是由沉積物的蠕變褶皺變形造成的，則相鄰巖層之間有位移和斷裂，這一點可以很清楚地看出來。換言之，在變形構(gòu)造中，通常很難在橫向上連續(xù)追蹤地層（圖10）。

圖9 順切印度河扇的東北—西南向地震剖面（line9）Fig.9 NE-SW oriented seismic profile（line9）along the Indus fan

3.4.3 結(jié)構(gòu)的規(guī)律性

本區(qū)的研究中發(fā)現(xiàn)，沉積物波在反射層的間距、波峰和波谷幅度方面具有高度的規(guī)律性，沉積物波內(nèi)部的層間結(jié)構(gòu)也很相似（Lee et al.，2002）（圖3，圖5，圖6）。而在蠕變褶皺中，波峰、波谷、波長及層內(nèi)結(jié)構(gòu)等非常不規(guī)則（Lee and Chough，2001）（圖8，圖10）。

3.4.4 幅度的橫向變化規(guī)律

沉積物波的幅度具有明顯的橫向變化規(guī)律，例如，靠近堤岸的近端（上坡方向），沉積物波的幅度大；而向下坡方向（遠(yuǎn)端），沉積物波的幅度隨之減小（Wynn et al.，2000）。當(dāng)然，在研究區(qū)也觀察到相反的規(guī)律，即靠近堤岸的近端（上坡方向），沉積物波的幅度減??；而向下坡方向（遠(yuǎn)端），沉積物波的幅度增大。不管怎樣，沉積物波在橫向上的變化是有規(guī)律的（圖3，圖4，圖5，圖6）。與此相反，蠕變褶皺的空間結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)丘狀特征，橫向上往往是突變或非常沒有規(guī)律（圖8，圖10）。

3.4.5 厚度的變化規(guī)律

通常情況下，沉積物波的厚度向下坡方向（遠(yuǎn)離物源）逐漸減小。而沉積物的滑塌變形主要發(fā)育在遠(yuǎn)離源區(qū)的下坡，且離源區(qū)越遠(yuǎn)，其形變沉積物的厚度反而突然增加（Wynn and Stow，2002）（圖10）。

由于蠕變褶皺等改變了地層內(nèi)部和表面的地貌形態(tài)，而后期的沉積物波又是在這些形變造成的起伏的地貌上開始發(fā)育的（圖10），根據(jù)上述這些特點，并經(jīng)過仔細(xì)分析，兩者很容易區(qū)分。

圖10 順切印度河扇的西南—東北向地震剖面（line10）Fig.10 SW-NE oriented seism ic profile（line10）along the Indus fan

4 討論

4.1 沉積物波的成因及發(fā)育影響因素

4.1.1 研究區(qū)沉積物波的成因分析

引言中已經(jīng)述及，沉積物波有多種成因，不同成因的沉積物波在發(fā)育規(guī)模、厚度、分布面積和分布位置方面都有所區(qū)別（表3）。研究區(qū)內(nèi)更新世印度河扇水道堤岸斜坡上的沉積物波的成因?qū)儆跐崃鞒梢?，且濁流是從水道中溢出的。其證據(jù)如下：（1）沉積物波的波長和波高相對較小，波長范圍0.1～1.5 km，波高的范圍10～60m，且波長和波高在橫向上不穩(wěn)定，這是濁流強度的橫向變化造成的；（2）沉積物波主要為上坡遷移式，也可發(fā)育少量加積式和下坡遷移式，且遷移方式在橫向上有變化，這也與濁流強度和流態(tài)的橫向變化有關(guān)；（3）沉積物波的厚度偏小，僅在50～500m之間，且橫向變化大；（4）沉積物波的分布局限，多分布在濁流水道堤岸斜坡，少量發(fā)育在區(qū)域斜坡，這與等深流和內(nèi)潮汐波成因的沉積物有很大的區(qū)別。

表3 濁流形成的沉積物波與等深流、內(nèi)波形成的沉積物波對比Table 3 Differences between sediment waves formed by turbidity currents，contour currents and internal waves

4.1.2 濁流流速和輸沙量對沉積物波的影響

沉積物波的波長、波高及遷移方式受濁流速度、厚度和輸沙量的影響（Ercilla et al.，2002）。每一股濁流都經(jīng)歷了不同流態(tài)的變化，不同的流態(tài)攜帶來碎屑顆粒粒度和數(shù)量也不同（Lee et al.，2002），影響了沉積物波的發(fā)育。

1）濁流速度和輸沙量的增加，造成沉積物波波高和波長的增加。在研究區(qū)觀察到，從老地層到新地層，沉積物波長和波高向上增加，這可能是因為流速增加和泥沙輸入的增加造成的（圖5，圖6）。由于喜馬拉雅山脈和喀喇昆侖山脈是印度河扇沉積物供應(yīng)的物源，在喜馬拉雅山脈和喀喇昆侖山脈抬升后，印度河扇的沉積物供應(yīng)量有顯著增加（Rea，1992；Clift et al.，2001，2002；Gaedicke et al.，2002）。

2）濁流速度和輸沙量的減少，造成沉積物波幅度的降低。在印度河扇的水道堤岸上觀察到，沉積物波在距離水道堤岸較近的地方幅度大，而在遠(yuǎn)離水道堤岸方向逐漸減小的現(xiàn)象。這是由于濁流剛溢出水道時，其流速和輸沙量較大，而隨著時間和距離的增加，濁流的流速與輸沙量逐漸減小造成的。

3）沉積物波不同遷移方式的原因分析。在起伏不平的底床上，沉積物波容易發(fā)育。起伏不平的底床成因可以是早期的沉積物波，也可以是沉積物滑塌造成的。水道中溢出的濁流首先在起伏不平的堤岸底床上形成沙波，由于濁流溢出早期流速快，為超臨界濁流，在沙波的迎水坡（翼）發(fā)生沉積，而下坡方向的背水坡（翼）發(fā)生侵蝕，這導(dǎo)致了沙波的迎水坡變厚，使得沉積物波向上坡方向遷移。隨著濁流遠(yuǎn)離堤岸，流速逐漸降低，沙波的迎水坡和背水坡的沉積速率達(dá)到均衡，沙波波峰不遷移，形成加積式沉積物波。隨著濁流遠(yuǎn)離堤岸，流速再次降低，形成次臨界流，沙波的迎水坡發(fā)生侵蝕，而背水坡發(fā)生沉積，沙波向遠(yuǎn)離物源的下坡方向遷移，形成向下坡方向遷移的沉積物波。

4.1.3 堤岸坡度或高度對沉積物波的規(guī)模影響較小

研究區(qū)堤岸的坡度角對水道兩側(cè)沉積物波的影響較小（表2）。堤岸的形態(tài)和地貌可以差別很大，但其上都可以承載和發(fā)育沉積物波。調(diào)查和研究發(fā)現(xiàn)，堤岸的坡度、厚度以及發(fā)育的各個階段對沉積物波的發(fā)育影響較小。高幅度的沉積物波既可以發(fā)育在低角度的堤岸上（圖4，圖5），也可以出現(xiàn)在高角度的堤岸斜坡上。同樣，在高角度堤岸上也發(fā)育了長波長和低波高的沉積物波。堤岸的延伸范圍影響了沉積物波的存在，但沒有明顯影響其發(fā)育規(guī)模。即沉積物波的一個重要影響因素是堤岸的存在，往往在整個堤岸的生長期間，沉積物波一直發(fā)育，而從未終止（圖7，圖8）。

4.1.4 由于離心力的影響，溢出濁流形成的沉積物波主要發(fā)育在水道凹岸的外側(cè)

由于離心力的作用，在堤岸斜坡上形成的細(xì)粒沉積物波通常發(fā)生在水道凹岸的堤岸外側(cè)，而水道另一側(cè)的堤岸（凸岸）外側(cè)不發(fā)育沉積物波（Carter et al.，1990；Nakajima et al.，1998；Wynn and Stow，2002）。但另一種觀點認(rèn)為，沉積物波在蛇曲水道的兩側(cè)都可以發(fā)育，其原因是水下密度流溢岸后，由于與海水的密度差較?。ㄟh(yuǎn)小于陸地上水和空氣的密度差），離心力不是很強，溢岸流并不立刻發(fā)散，當(dāng)有大流量的溢岸濁流時，凸岸外側(cè)也存在溢岸流，也可形成沉積物波。

4.1.5 下伏地層的滑塌變形特征或塊體滑塌濁流沉積，會顯著影響上覆沉積物波的發(fā)育和規(guī)模

值得注意的是，研究區(qū)下伏地層的變形特征或塊體滑塌濁流沉積會顯著影響上覆沉積物波的規(guī)模，通常表現(xiàn)為使其波長和波高明顯增加（Lee et al.，2002）?；冃翁卣骰驂K體滑塌濁流沉積通常發(fā)育在水道堤岸的遠(yuǎn)端或區(qū)域斜坡上（圖8）。通常情況下，在水道堤岸上發(fā)育的沉積物波，其規(guī)模由水道堤岸的近端向遠(yuǎn)端（下坡方向）減小，但在堤岸的遠(yuǎn)端，如果存在滑塌變形特征或塊體滑塌濁流沉積形成的底形起伏，則會突然增加上覆沉積物波的波高和波長，使波高達(dá)到了60m，而且也將其影響帶到上覆的遠(yuǎn)洋—半遠(yuǎn)洋沉積物中（圖10）。其原因是滑塌變形特征或塊體滑塌濁流沉積造成的底形起伏，影響了濁流的流動特點，使得濁流內(nèi)部產(chǎn)生Lee波，促進(jìn)了后期沉積物波的形成。

4.1.6 早期沉積物波也會影響后期沉積物波的發(fā)育

研究發(fā)現(xiàn)，早期的沉積物波也會影響后期沉積物波的發(fā)育。觀察中發(fā)現(xiàn)，堤岸本身不發(fā)育沉積物波，但是覆蓋在老的沉積物波上的堤岸則會發(fā)育沉積物波。也就是說，早期的沉積物波會影響后期沉積物波的發(fā)育。即使2個相反方向的堤岸，也會出現(xiàn)類似的情況，較早期的堤岸上遠(yuǎn)端的沉積物波之上被另一個方向相反的年輕堤岸覆蓋，則這個年輕堤岸的內(nèi)部出現(xiàn)了沉積物波（圖7）。

4.2 沉積物波的形成過程和分布模式

沉積物波是由濁流的持續(xù)增長和連續(xù)發(fā)育形成的，沉積物波和濁流之間達(dá)到了平衡；當(dāng)坡度超過0.1°時，沉積物波就開始發(fā)育（Lewis and Pantin，2002）。前人的研究成果揭釋了沉積物波的發(fā)育過程：即濁流在流動過程中，在其底部先形成逆行沙丘，逆行沙丘的不斷遷移，進(jìn)而發(fā)育成沉積物波（Wynn et al.，2000；Ercilla et al.，2002）。在本次研究中，認(rèn)為有2個主要過程都影響了該區(qū)沉積物波的產(chǎn)生：濁流的強度和濁流底部的不規(guī)則的地貌形態(tài)。

經(jīng)過研究，認(rèn)為本區(qū)存在2種形式的濁流：一種是印度河扇上從水道中溢出堤岸的濁流；另一種是沿區(qū)域斜坡流向遠(yuǎn)洋盆地的濁流。不同的濁流形成的沉積物波的分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)及波脊的走向有很大差異。其區(qū)別如下：

1）水道溢出濁流形成的沉積物波。水道溢出的濁流形成的沉積物波，分布在水道堤岸附近，且波脊的走向與水道或堤岸外坡的走向平行或低角度斜交，這是由于從水道中溢出濁流的流向與水道的走向垂直或斜交（圖11，圖12）。小型濁流主要在水道中流動，此時，水道堤岸上不會發(fā)育沉積物波。當(dāng)大型濁流來臨時，濁流就會溢出水道，且在離心力的作用下，主要從水道的凹岸溢出（圖12）。由于濁流剛溢出水道時，其流速和輸沙量較大，而隨著時間與距離的增加，濁流的流速和輸砂量逐漸減小，這樣就造成沉積物波在距離水道堤岸較近的地方幅度大，而在遠(yuǎn)離水道堤岸的方向逐漸減小。

圖12 印度河扇水道、堤岸結(jié)構(gòu)及沉積物波形成模式Fig.12 The formation model of channel，levee back and sediment wave on Indus fan

2）區(qū)域斜坡上的沉積物波。沿區(qū)域斜坡流向遠(yuǎn)洋盆地的濁流形成的沉積物波，分布在遠(yuǎn)離水道堤岸的區(qū)域，由于濁流流向平行于斜坡的傾向，因此形成的沉積物波的波脊垂直于區(qū)域斜坡的傾向（圖11）。在大陸斜坡上，經(jīng)常有沉積物的滑塌作用，造成起伏不平的地貌，非水道型濁流沿著大陸斜坡向下流動過程中，濁流流速逐漸增加，流速達(dá)到高峰后，隨著流動距離和阻力的增加，流速又慢慢降低。濁流的流態(tài)也由臨界流逐漸變成超臨界流、次臨界流、臨界流（劉杰等，2019；Hsu et al.，2020）。形成的沉積物波的幅度在近源處小，隨著濁流流動距離的增大，沉積物波波高和波長也在增加，然后隨著流速的逐漸降低，波長和波高又逐漸減小。沉積物波的遷移方式在物源的近端和中端為上坡遷移方式，在遠(yuǎn)端為加積遷移方式和下坡遷移方式。

圖11 印度河扇水道堤岸斜坡沉積物波及區(qū)域斜坡沉積物波的形成模式Fig.11 Sediment wave formation pattern on channel levee back slope of the Indus fan and on the regional slope

4.3 印度河扇沉積物波與其他地區(qū)沉積物波的特征及成因?qū)Ρ?/h3>

沉積物波的形態(tài)、幅度、規(guī)模、分布及成因較多，為了分析不同成因沉積物波的差異，將研究區(qū)印度扇上沉積物波的特征與中國南海及臺灣東部海底峽谷附近的沉積物波的特征與成因進(jìn)行了對比（表4），希望對讀者有所啟示。

表4 印度河扇沉積物波與其他地區(qū)沉積物波的特征及成因?qū)Ρ萒able 4 Characteristics and genesis of Indus fan sediment waves and sediment waves in other regions

1）中國臺灣島東部海域沉積物波特征。該區(qū)沉積物波主要分布在臺東峽谷與陸坡其他峽谷的交匯區(qū)，分布在峽谷兩側(cè)，單個波形的波長為0.8～7.2 km，波高為18～75m，波脊走向呈NE-SW向，與峽谷或水道的走向垂直。臺東峽谷彎曲段內(nèi)側(cè)發(fā)育向上坡遷移的沉積物波，其底界發(fā)育塊體流沉積，內(nèi)部可細(xì)分為下部過渡單元和上部波形單元。彎曲段外側(cè)的沉積物波呈垂向加積的特征，底部無塊體流沉積?；诔练e物波的幾何形態(tài)，估算整個波域的流體厚度在196～356m 之間，流體速度在15～21 cm／s之間。沉積物波的形態(tài)特征、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、分布規(guī)律以及數(shù)值計算表明這些沉積物波為溢出濁流成因（表4），濁流的流向與水道走向平行（劉杰等，2019）。

2）南中國海東北部大陸邊緣的沉積物波。沉積物波分布在臺灣島西南部南中國海的大陸斜坡的下坡，分布面積廣，波脊走向整體垂直于下坡重力流方向和峽谷軸線。其沉積物波形態(tài)有上坡遷移式、對稱式，波長2～5 km，波高50～200m，且橫向穩(wěn)定，沉積物波經(jīng)歷了3個階段，其詳細(xì)特征見表4。研究表明，研究區(qū)上斜坡被重力流強烈切割和侵蝕，重力流與底流（等深流）的相互作用是該區(qū)沉積物波的成因（Gong et al.，2012，2015）。

5 結(jié)論

1）在印度河扇水道堤岸的斜坡上發(fā)現(xiàn)了大量的細(xì)粒濁流沉積物波，其波長平均為486.84m，最大1473m；波高在10～60m 之間，平均30m；沉積物波的形態(tài)有對稱型和非對稱型，其遷移方式有上坡遷移型、加積型和下坡遷移型。

2）沉積物波主要發(fā)育在水道堤岸的斜坡上，在區(qū)域斜坡上也發(fā)育有少量的沉積物波，這2種沉積物波的走向差異很大。水道堤岸斜坡上的沉積物波主要分布于水道凹岸的堤岸斜坡上，距離水道越遠(yuǎn)，其規(guī)模（波長、波高）越小，波脊走向近于NE-SW 方向，與水道的走向平行或斜交；區(qū)域斜坡上的沉積物波波脊的走向多為NW-SE向，平行于區(qū)域斜坡的走向，離源區(qū)越遠(yuǎn)其規(guī)模越大。

3）沉積物波的形成機理和控制因素是：水道堤岸斜坡上的沉積物是由水道型濁流在離心力的作用下，溢出水道的凹岸，在堤岸外側(cè)的斜坡上沉積形成的，堤岸斜坡的角度對沉積物波發(fā)育的規(guī)模影響不大，濁流的強度和地形的起伏對其規(guī)模影響大；區(qū)域斜坡上發(fā)育的沉積物波是由順坡而下的非水道化的濁流沉積形成的。

4）下伏地層的滑塌變形特征或塊體滑塌濁流沉積會顯著影響上覆沉積物波的發(fā)育和規(guī)模，早期沉積物波也會影響后期沉積物波的發(fā)育。

致謝 感謝巴基斯坦石油總局（DGPC）為這項研究提供的數(shù)據(jù)。感謝斯倫貝謝頒發(fā)許可證用于研究目的，感謝同門師兄和老師團(tuán)隊的支持。