海相風(fēng)暴沉積研究技術(shù)方法探討

孫文軒 付志強(qiáng)

新疆大學(xué) 新疆 烏魯木齊 830046

大氣強(qiáng)烈擾動(dòng)的氣象高能環(huán)境稱作風(fēng)暴，如熱帶氣旋、溫帶氣旋和冬季風(fēng)暴，已被認(rèn)為是影響濱岸和淺海沉積的主要因素。海相環(huán)境中的風(fēng)暴事件沉積大多產(chǎn)生于風(fēng)暴浪基面附近至高潮線之間的沉積區(qū)域。風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)波浪改造原地質(zhì)條件，在海洋和盆地中形成的沉積巖被稱為風(fēng)暴巖或風(fēng)暴沉積。20世紀(jì)60至70年代，地質(zhì)學(xué)家對(duì)現(xiàn)代陸源風(fēng)暴沉積進(jìn)行了大量的研究，70至80年代進(jìn)入第一次研究熱潮，重點(diǎn)是丘狀交錯(cuò)層理（Hummocky Cross Stratification，HCS）的形態(tài)和起源。同時(shí)期風(fēng)暴流理論逐漸建立，成為50年代濁流理論成立后的又一個(gè)劃時(shí)代突破。過(guò)去風(fēng)暴沉積證據(jù)在不同沉積環(huán)境下被識(shí)別、解釋和分析，相應(yīng)的技術(shù)手段包括傳統(tǒng)的巖石學(xué)分析、微化石分析、地球化學(xué)分析、室內(nèi)模擬分析，以及最新使用的探地雷達(dá)技術(shù)和礦物發(fā)光特性分析。根據(jù)最近的文獻(xiàn)報(bào)告，風(fēng)暴活動(dòng)與全球氣候變化的關(guān)系已成為前沿方向。本研究總結(jié)這些技術(shù)手段，以期建立風(fēng)暴沉積模型，迎合未來(lái)減少極端熱帶氣旋的破壞和經(jīng)濟(jì)損失的急切需求，拓寬風(fēng)暴沉積在地質(zhì)領(lǐng)域的寬度和廣度[1]。

1 海相風(fēng)暴沉積研究技術(shù)方法

現(xiàn)代風(fēng)暴事件機(jī)制有較詳細(xì)直觀的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，而古代風(fēng)暴沉積研究無(wú)法提供此條件，使用水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬在區(qū)域尺度上的限定條件下建立預(yù)期的沉積模型，與根據(jù)風(fēng)暴沉積物建立的風(fēng)暴地質(zhì)模型相印證，可以為風(fēng)暴沉積應(yīng)用研究提供幫助。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)

據(jù)已有的現(xiàn)代風(fēng)暴潮觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，自1880年至2015年有700多次的浪涌事件，其中大多數(shù)發(fā)生在北大西洋西部，其次是大洋洲、北太平洋西部和北印度洋北部。這些通常依靠永久性潮汐計(jì)和大量移動(dòng)式測(cè)量?jī)x進(jìn)行水位觀測(cè)和高水位現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。新技術(shù)機(jī)載和衛(wèi)星測(cè)高仍處于開發(fā)階段中，并用于測(cè)量大范圍的風(fēng)暴潮淹沒(méi)現(xiàn)象。目前為止包含所有的風(fēng)暴潮觀測(cè)結(jié)果大部分被收集于全球風(fēng)暴潮數(shù)據(jù)庫(kù)SURGEDAT中。其他方面，三維地面激光掃描儀通過(guò)收集選定區(qū)域在風(fēng)暴前后的位置數(shù)據(jù)，可以檢測(cè)風(fēng)暴引起的岸面形態(tài)變化。處于大陸架環(huán)境特別是在風(fēng)暴氣候條件下，使用配備物理和光學(xué)傳感器的有源聲學(xué)水下滑翔機(jī)可以很好地研究大陸架沉積物再懸浮的空間和時(shí)間變化。但風(fēng)暴事件期間運(yùn)輸條件的實(shí)時(shí)和原位觀測(cè)總體較難以獲得。

1.2 微化石追蹤技術(shù)

微化石追蹤技術(shù)包含生物相分析和遺跡化石分析。其中生物相（biofacies）反映一定沉積環(huán)境的生物群的生態(tài)特征。研究風(fēng)暴沉積常用的生物化石包括孢粉、有孔蟲、硅藻土、魚類、無(wú)脊椎動(dòng)物碎片、貝殼。El-Ayyat 和Kassab（2004）通過(guò)對(duì)雙殼牡蠣Lopha villei（Coquand）的貝殼層進(jìn)行巖相和生物地層分析，為埃及馬斯特里赫特階時(shí)期的古代風(fēng)暴沉積建立一個(gè)風(fēng)暴巖模型，并解釋了這種風(fēng)暴地層的形成模式和理想化的事件沉積序列。在索爾巴斯盆地（西班牙東南部）最上層-最下層的邁錫尼亞溫帶碳酸鹽巖斜坡沉積物中，存在不同類型的貝殼床。所有這些殼床都與高能事件有關(guān)，其中大部分是由風(fēng)暴搬運(yùn)沉積在中內(nèi)斜坡的風(fēng)暴巖。

遺跡化石（trace fossil）包含了各種生物成因的沉積構(gòu)造和生物侵蝕構(gòu)造，是分析地質(zhì)歷史時(shí)期中形成的風(fēng)暴沉積的重要指示標(biāo)示。但風(fēng)暴沉積中遺跡化石的綜合研究起步較晚，相比較濁流沉積中的遺跡屬數(shù)量也少很多。因此在常規(guī)巖心樣品中識(shí)別遺跡化石組合，依然是重建沉積環(huán)境的重要手段，特別是受風(fēng)暴影響下濱面沉積的沉積環(huán)境，可以量化風(fēng)暴波對(duì)正常沉積的影響。

綜合生物相分析和遺跡化石分析兩種方法，如Liu等人解釋了寒武紀(jì)后生動(dòng)物、微生物和微生物墊之間相互作用非常復(fù)雜的疑問(wèn)。通過(guò)識(shí)別疊層石和后生動(dòng)物在風(fēng)暴沉積中位置，確定多級(jí)風(fēng)暴的水動(dòng)力條件對(duì)微生物和后生動(dòng)物的發(fā)育有明顯的控制作用，因此，最終形成了以墊地和混合場(chǎng)交替為特征的寒武紀(jì)沉積環(huán)境[2]。

1.3 地球化學(xué)分析

無(wú)機(jī)地球化學(xué)指數(shù)（如Sabatier 課題組（2012）；Degeai課題組（2015）和有機(jī)地球化學(xué)指數(shù)（如Das課題組（2013）；Lambert課題組（2008））有助于更好地了解與風(fēng)暴相關(guān)的沉積過(guò)程和環(huán)境變化。

無(wú)機(jī)地球化學(xué)指數(shù)分析通常使用高分辨率XRF巖心掃描儀，通過(guò)無(wú)損獲取沿海海洋沉積物中元素輪廓和射線照相信息獲取風(fēng)暴記錄，例如Itrax用于識(shí)別過(guò)去的風(fēng)暴潮沉積物和風(fēng)暴潮的發(fā)生時(shí)間，從而確定風(fēng)暴潮的頻率和規(guī)模。使用能量色散X射線熒光（ED-XRF）光譜儀，分析沿海瀉湖中可能存在的風(fēng)暴沉積序列，例如根據(jù)地中海西北部巴格納斯池塘（the Bagnas pond）中的瀉湖序列，重建了過(guò)去3000年的風(fēng)暴活動(dòng)。另外Benamri等人（2023）在研究摩洛哥拉巴特西（Rabat，Morocco）南部的Harhoura礦床的極端高能風(fēng)暴事件的特征時(shí)，綜合包括主微量和稀土元素的地球化學(xué)、古生物學(xué)和巖石學(xué)特征，證實(shí)了風(fēng)暴沉積物的來(lái)源為沿海海洋，并確定了第二條源-匯通道的沉積過(guò)程[3]。

1.4 室內(nèi)模擬分析

應(yīng)用簡(jiǎn)單的平流沉降模型，可以計(jì)算風(fēng)暴事件期間風(fēng)暴潮和波浪的高度。Fritz課題組（2010）使用ADCIRC代碼（Luettich et al，1992）創(chuàng)建了阿拉伯海的高分辨率數(shù)值風(fēng)暴潮模型，以模擬Gonu的風(fēng)暴潮分布，但該模型中未添加內(nèi)陸淹沒(méi)事件的影響。另有Ge等人開發(fā)的高分辨率、基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的三維（3D）建模系統(tǒng)FVCOM應(yīng)用于風(fēng)暴事件模擬。

Wanstrath最先提出了一個(gè)二維、伴隨時(shí)間的、開放海岸、長(zhǎng)波、淺水模型。該模型采用了帶有伸縮計(jì)算單元的正交曲線坐標(biāo)系，其集中在近岸沿海地區(qū)的波浪分辨率更高。Massel在研究沿海流體動(dòng)力學(xué)時(shí)，分析總結(jié)了表面波理論，為后續(xù)模型構(gòu)建提供了良好的理論基礎(chǔ)。Drummond和Sheets（2001）為了研究肯塔基州北部奧陶紀(jì)Kope組風(fēng)暴巖的沉積學(xué)和地層特征，建立了沉積和風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)的再沉積的二維正向模型，由兩個(gè)獨(dú)立的算法、100個(gè)單元的沉積表面和2000次的沉積迭代的模型運(yùn)行長(zhǎng)度組成，確定了風(fēng)暴復(fù)發(fā)的參數(shù)和風(fēng)暴強(qiáng)度-頻率分布的定量描述，并計(jì)算了風(fēng)暴巖所有殼層的平均回流量指數(shù)，進(jìn)而得到Kope大陸架中風(fēng)暴巖的形成和火山灰?guī)r降解，與沉積表面上的殼層密度無(wú)關(guān)的結(jié)論[4]。

1.5 探地雷達(dá)

探地雷達(dá)（Ground Penetrating Radar，縮寫GPR）又稱亞表面界面雷達(dá)（Sub-Surface Interface Radar），是以地下不同介質(zhì)電磁性質(zhì)的差異為物理依據(jù)的一種高頻電磁探測(cè)技術(shù)。人們?cè)谖⒉夹g(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上開發(fā)了GPR技術(shù)，但由于地下介質(zhì)的復(fù)雜性、非均質(zhì)性、無(wú)規(guī)律性及多變性，一直未投入使用。

近年來(lái)，隨著探地雷達(dá)系統(tǒng)的可用性和性能的不斷提高，以及成本的不斷降低，該系統(tǒng)允許在一系列沿海環(huán)境中進(jìn)行快速、非侵入性的地層調(diào)查。Pitman等人（2019）在研究新西蘭坎特伯雷全新世MSG進(jìn)積灘脊系統(tǒng)的內(nèi)部地層環(huán)境時(shí)，使用探地雷達(dá)在探測(cè)不同粒度或礦物學(xué)沉積物之間的急劇變化方面特別有效，包括與沿海風(fēng)暴沉積等高能事件相關(guān)的沉積物。通過(guò)假設(shè)是高能構(gòu)造活動(dòng)（如霍普斷層或波特山口斷層）后的快速進(jìn)積的結(jié)果，可以準(zhǔn)確辨明大規(guī)模風(fēng)暴事件。因?yàn)樵撌录赡苁窃谙鄬?duì)海平面下降的背景條件下，海灘山脊顯著升高的觸發(fā)因素。而我國(guó)還未有相關(guān)應(yīng)用的案例，因此將探地雷達(dá)系統(tǒng)應(yīng)用于沿海風(fēng)暴沉積研究具有未來(lái)可行性。

1.6 礦物發(fā)光特性

通過(guò)利用礦物顆粒的發(fā)光特性（不同溫度下測(cè)量的鉀長(zhǎng)石K-feldspars的發(fā)光信號(hào)）可以診斷潮間帶環(huán)境中的不同沉積模式，并從中識(shí)別出風(fēng)暴活動(dòng)的存在，特別是在部分長(zhǎng)期沉積物記錄中使用傳統(tǒng)技術(shù)（地球化學(xué)和粒度分析），因沉積物成分沒(méi)有變化而無(wú)法檢測(cè)到風(fēng)暴驅(qū)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)變化。這種診斷方法提供了修改已建立的海岸變化沉積檔案的可期望性，并更加確定風(fēng)暴在氣候變暖期間長(zhǎng)期控制海岸變化的重要性[5]。

2 風(fēng)暴沉積與全球氣候

人為氣候變化引起的海面溫度升高可能導(dǎo)致強(qiáng)熱帶氣旋的頻率增加，但因儀器記錄時(shí)間太短而無(wú)法得到證實(shí)，而保存在地層中的風(fēng)暴沉積物可以為更長(zhǎng)時(shí)間尺度上氣候條件與風(fēng)暴之間的關(guān)系提供證明條件。在地質(zhì)歷史時(shí)期，早期的古近紀(jì)超熱事件，包括古新世 - 始新世熱最大值（PETM）長(zhǎng)期以來(lái)一直被視為人類現(xiàn)代全球變暖的類似事件。類似的晚寒武紀(jì)超變暖事件和全新世西印度洋的SST在7.8至4.7 ka BP之間較暖，與風(fēng)暴沉積的強(qiáng)度、頻率、發(fā)生事件之間可以有較強(qiáng)的聯(lián)系。因此結(jié)合現(xiàn)代全球氣候變暖趨勢(shì)，可以為未來(lái)極端氣候事件作出預(yù)測(cè)和防范[6]。

但是，Donnelly and Woodruff認(rèn)為頻繁的強(qiáng)風(fēng)暴也可能與厄爾尼諾/南方濤動(dòng)變化和西非季風(fēng)強(qiáng)度的大氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)，而與高海面溫度關(guān)聯(lián)度較低。同樣，在摩洛哥高阿特拉斯盆地（High Atlas Basin of Morocco）潮汐主導(dǎo)的T-OAE爆發(fā)期間，風(fēng)暴相關(guān)沉積物的出現(xiàn)增加的記錄與平均風(fēng)暴浪基面的迅速加深有關(guān)[6]。因此未來(lái)該方向的研究需要更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C明。

3 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)標(biāo)本分析是研究風(fēng)暴沉積的最直接手段，建立的沉積模型為地質(zhì)意義研究提供借鑒。在鑒別和研究風(fēng)暴沉積時(shí)，以現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)追蹤現(xiàn)代風(fēng)暴沉積，微化石追蹤技術(shù)溯源古代風(fēng)暴沉積。地球化學(xué)分析能精確區(qū)別沉積環(huán)境，可以較準(zhǔn)確重建古風(fēng)暴事件。通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬建立預(yù)期的沉積模型互相印證為相關(guān)研究提供理論支撐。探地雷達(dá)、礦物發(fā)光特性首次應(yīng)用于風(fēng)暴沉積研究，有潛力修改已確立的研究成果和推動(dòng)分析方法的不斷進(jìn)步。

研究風(fēng)暴沉積，可以提供古氣候和古生態(tài)信息。海面溫度升高可能導(dǎo)致強(qiáng)熱帶氣旋的頻率增加，并與印度洋偶極子（IOD）強(qiáng)正異常時(shí)期相關(guān)，進(jìn)而將風(fēng)暴活動(dòng)與全球未來(lái)氣候相聯(lián)系，這已成為風(fēng)暴沉積研究的前沿領(lǐng)域。綜合古代全球氣候超熱事件與風(fēng)暴強(qiáng)度、頻率和形成時(shí)間的關(guān)系，可以減少極端熱帶氣旋的破壞和經(jīng)濟(jì)損失，有益于拓寬地質(zhì)研究領(lǐng)域的深度和廣度。