沈中延,楊春國,高金耀,紀 飛

國家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州 310012

東南極普里茲灣陸隆區(qū)脊狀沉積體的結(jié)構(gòu)和形成過程

沈中延,楊春國,高金耀,紀 飛

國家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州 310012

東南極普里茲灣陸隆區(qū)發(fā)育數(shù)個近垂直陸緣的脊狀沉積體,這些沉積體記錄了區(qū)域冰川活動和底流變化的歷史。本文主要利用多道地震資料和水深資料對這些脊狀沉積體的平面展布、走向上的結(jié)構(gòu)差異進行了研究,在此基礎(chǔ)上討論了不同脊狀沉積體的形成過程。結(jié)果表明研究區(qū)內(nèi)脊狀沉積體有兩種不同結(jié)構(gòu)類型: 西部Wild峽谷兩側(cè)不對稱發(fā)育的濁流堤岸沉積形成兩個平行峽谷的脊狀沉積體; 東部數(shù)個脊狀沉積體的形成與其下長期存在的濁流活動引起的穿時沉積間斷面有關(guān)。不同峽谷的濁流活動起始時代不一,西部的Wild峽谷起始時代和陸隆區(qū)冰海沉積起始時代(P1)一致; 東部Wilkins峽谷以及Murray峽谷從后期的P3(約26.1 Ma)開始,代表普里茲灣地區(qū)的一次冰川極盛事件。研究區(qū)所有峽谷及其濁流活動均隨時間向海擴展,造成相應(yīng)的脊狀沉積體向海擴展。在脊狀沉積體外緣區(qū)域,濁流輸送而來的細粒沉積物在向西的底流作用下形成大型深海沉積物波。

東南極; 普里茲灣; 脊狀沉積體; 濁流; 等深流; 沉積物波

南極大陸邊緣廣泛分布著一些近垂直陸緣的脊狀沉積體(sediment ridges,簡寫為SR(s)),前人對此展開了研究,均認為是濁流和底流相互作用的結(jié)果。這些脊狀沉積體的結(jié)構(gòu)同時具有空間和時間兩個維度的信息,可以反映出陸區(qū)氣候和冰川作用以及相應(yīng)的濁流變化歷史和陸隆區(qū)底流的變化歷史。然而,前人并沒有很好地在空間和時間兩個維度對脊狀沉積體展開研究。有些研究著重于時間維度,對脊狀沉積體的發(fā)育階段劃分較為細致,但針對某一發(fā)育階段,其空間上的分布特征并不涉及。如南極半島西側(cè)陸緣的大型脊狀沉積體被解釋為漂積體(sediment drifts),是其之間的濁流攜帶的細粒沉積物在南西向底流作用下形成一霧狀層并再沉積而形成; 二維橫剖面顯示脊狀沉積體具有不同生長階段(Rebesco et al.,1996,1997)。Santis等(2003)在對威爾克斯地陸緣的脊狀沉積體的研究過程中,也揭示出了脊狀沉積體的生長過程。另外,Kuvass等(2005)在宇航員海/恩德比地陸緣的研究工作與前述研究有所不同,他們更側(cè)重于對垂直陸緣方向(南北向)不同的流(濁流和底流)的作用域的區(qū)分,即通過地震剖面揭示的地層結(jié)構(gòu)和地震相的研究,認為上陸隆區(qū)主要以濁流為主,在下陸隆區(qū)以底流為主,但時間維度的區(qū)分不夠。

目前為止,有關(guān)本研究區(qū)(普里茲灣陸隆區(qū))脊狀沉積體的成果僅有Kuvaas和Leitchenkov(1992)發(fā)表。他們描述了脊的形態(tài)并對成因進行了討論,然而受限于當時水深資料空間分辨率低、地震剖面稀少且品質(zhì)較差等原因,研究的程度比較低。20多年來,在普里茲灣陸隆區(qū)增加了許多高品質(zhì)多道地震資料和更高分辨率的水深資料,并且深海鉆探計劃(ODP)在研究區(qū)也進行了一個站位的鉆探。這些資料可以幫助我們揭示脊狀沉積體的空間結(jié)構(gòu),以反映出不同時間不同的流(濁流和底流)的相互作用過程,因而具有時間和空間兩個維度的分辨率。本文對普里茲灣陸隆區(qū)61°～75°E范圍內(nèi)的脊狀沉積體的空間結(jié)構(gòu)進行了解剖,尤其側(cè)重走向上不同部位的沉積特征的變化,基于此討論了脊狀沉積體的形成過程,以及此過程中濁流和/或底流的變化和作用過程。這為我們理解普利茲灣地區(qū)的冰蓋動態(tài)以及洋流變化歷史提供了直接的證據(jù),也有助于通過與南極其他區(qū)域的對比來探究冰川和底流變化是否在整個南極具有時間上的一致性。

1 地質(zhì)與水文背景

1.1 地質(zhì)背景

普里茲灣陸地上存在一條泛非期構(gòu)造帶——普里茲帶,中國地質(zhì)科學院幾代科學家在南極大量艱辛的野外地質(zhì)和室內(nèi)研究證明普里茲帶是一條碰撞造山帶(胡健民等,2008)。而在晚中生代,隨著岡瓦納超級大陸的裂解,普里茲灣所在的東南極和印度克拉通分離并且發(fā)生海底擴張,形成共軛邊緣,造就現(xiàn)今陸架—陸坡—陸隆的格局。海底磁異常條帶年齡研究工作揭示普里茲灣西側(cè)的恩德比盆地(Enderby Basin,圖1)擴張始于約130.2～124.1 Ma,東側(cè)的伊麗莎白公主海槽(Princess Elizabeth Trough,圖1)擴張始于約126.7 Ma(Gaina et al.,2007),兩者近乎同時。研究區(qū)北側(cè)是個海底高地,稱為凱爾蓋郎海臺(Kerguelen Plateau,圖1),火山活動最老的年齡是118～119 Ma(Duncan,2002),略晚于此處岡瓦納大陸的裂解。凱爾蓋郎海臺形成后,作為一個地形高地,其存在對當?shù)氐难罅飨到y(tǒng)以及相應(yīng)的沉積堆積產(chǎn)生了極大影響。

圖1 研究區(qū)簡圖Fig. 1 Schematic map of the study area

普里茲灣的冰川活動歷史是備受關(guān)注的一個研究熱點。ODP的119航次在普里茲灣陸架區(qū)沿著一條近南北向剖面進行了5個站位的鉆探,建立了陸架區(qū)地震地層格架,對冰期/前冰期地質(zhì)界線以及冰期內(nèi)部重要地質(zhì)事件進行了時代標定(Cooperet al.,1991)。之后,ODP的188航次又分別在陸架、陸坡和陸隆區(qū)進行了3個站位的鉆探,其中位于陸隆區(qū)的站位是1165站位(Cooper and O’Brien,2004;圖1中紅色三角形)。普里茲灣陸隆區(qū)沉積了約8 km厚的裂后沉積(Stagg et al.,2004),地震剖面上的裂后沉積中有一個明顯的地震反射界面,稱為P1,被認為是陸隆區(qū)冰海沉積的底界(Kuvaas and Leitchenkov,1992)。在P1之上,存在另一個地震界面P3,它是一些大型脊狀沉積體的底界,界面上可見侵蝕現(xiàn)象,之上發(fā)育沉積物波,被認為是底流加強事件(Kuvaas and Leitchenkov,1992; 注: 原作者稱該界面為P2,本文稱之為P3)。然而,1165站位并沒有鉆遇P3和P1界面(Cooper and O’Brien,2004),因而無法直接標定這兩個層位的年齡,由于多次波和陸坡的存在,通過地震剖面把陸架區(qū)的層位劃分方案引至陸隆區(qū)的方法也行之無效。因此,至今為止,陸隆區(qū)的關(guān)鍵地震層位的地質(zhì)年代沒有辦法直接得到。

1.2 水文背景

物理海洋研究表明現(xiàn)今普里茲灣附近有以下幾個水團,即南極底層水(AABW)、繞極深層水(CDW)、普里茲灣陸架水(SW)以及南極表層水(AASW)。其中普里茲灣區(qū)域是否能產(chǎn)生南極底層水存在爭議,如果能產(chǎn)生,那么它沿坡向下的流動對底形和沉積將起到很大作用。

從環(huán)流角度而言,普里茲灣及其鄰近洋區(qū)(60°S以南)可分為三個緯度帶,從北往南依次是東向繞極流區(qū)、幅散帶和西向南極沿岸流為主的陸架區(qū),其中幅散帶以多渦結(jié)構(gòu)為主,是其南北兩個反向流區(qū)的過渡帶(蒲書箴和董兆乾,2003)。

2 數(shù)據(jù)

本研究所使用的數(shù)據(jù)主要包括水深數(shù)據(jù)、多道反射地震資料以及鉆孔數(shù)據(jù)。水深數(shù)據(jù)為“美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心”(NGDC)的ETOPO1地形模型(Amante and Eakins,2009),分辨率達到1′×1′(圖1的底圖)。反射地震數(shù)據(jù)下載自“南極地震數(shù)據(jù)圖書館系統(tǒng)”(SDLS),包括澳大利亞、日本和俄羅斯三個國家的6個航次的地震數(shù)據(jù)(測線分布見圖1中黑色線條,其中加粗橙色部分是本文出現(xiàn)的剖面),分別為俄羅斯的RAE40和RAE39航次、日本的TH84和TH99航次以及澳大利亞的GA228和GA229航次。鉆孔數(shù)據(jù)主要是ODP 188航次的1165站位。

3 脊狀沉積體的結(jié)構(gòu)和形成過程各論

普里茲灣外陸隆區(qū)發(fā)育一些近垂直于陸緣的脊狀沉積體,平面上大致呈放射狀,由西往東依次為Daly SR、Wild SR、Wilkins SR和Murray-W SR(圖1)。Wild SR和Wilkins SR這兩個名稱的專名(即Wild和Wilkins)據(jù)Cooper和O’Brien(2004),但原文獻中都用drift(漂積體)作為通名,本文統(tǒng)一用sediment ridge(脊狀沉積體)作為通名。Daly SR、Wilkins SR和Murray-W SR是本文首次命名,均以各自鄰近的峽谷名作為專名。Wild SR和Wilkins SR的向海端,脊狀沉積體分叉較多,本文分別命名為W1 SR至W4 SR(圖1)。下文將對這些脊狀沉積體的結(jié)構(gòu)和形成過程逐一進行論述。

3.1 Daly SR和W1 SR

Daly SR和Wild SR—W1 SR之間有一個峽谷,稱為Wild峽谷(圖1)。從走向看,Wild峽谷大致可以分為南北兩段,南段為北北西向,北段變?yōu)楸蔽魑飨?。Daly SR位于Wild峽谷西南側(cè),其脊線展布亦從南段的北北西向變?yōu)楸倍蔚谋蔽魑飨?和Wild峽谷的展布幾乎完全平行。在Wild峽谷北段的北側(cè)發(fā)育一個小型的脊狀沉積體——W1 SR。

圖2 地震剖面TH99-30(部分)揭示的Wild峽谷及兩側(cè)的地層結(jié)構(gòu)(剖面AA’位置見圖1)Fig. 2 Structure of the Wild Canyon and its two sides on part of seismic profile TH99-30 (for section AA’ see Fig. 1)

一系列地震剖面橫切Wild峽谷各段。上游的TH99-30剖面上炮號(SP)3000—3400區(qū)段的P1至P3地層中可以看到一些疊置的向上凹的弧形強振幅反射,從下往上整體向西遷移(圖2中a),在這些疊瓦狀反射以東,P1至P3之間地層基本等厚,地震反射能量相比上下地層而言較弱,而在疊瓦狀反射以西的鄰近區(qū)域(SP 2800—3000區(qū)段),由于強振幅(圖2中b)的屏蔽效應(yīng),P1至P3間地層的能量很弱,但仍然可以看到地層厚度由東向西有明顯減薄收斂趨勢。P3之上的地層在現(xiàn)今Wild峽谷西側(cè)向西傾,厚度明顯向西減薄,而在峽谷東側(cè)可見小規(guī)模向東減薄現(xiàn)象(圖2中c),峽谷兩側(cè)地層發(fā)育非常不對稱。

這種疊瓦狀的弧形反射在東南極威爾克斯地110°～145°扇區(qū)的地震剖面上也有見到,Close(2010)把它解釋為遷移的濁流水道。結(jié)合疊瓦狀弧形反射西側(cè)地層厚度向遠離弧形反射方向減薄這一現(xiàn)象,我們認為TH99-30剖面上P1至P3之間的疊瓦狀弧形反射也是遷移的濁流水道,其西側(cè)緊鄰的是水道的堤岸沉積(levee)。強振幅反射(圖2中b)是水道充填沉積。水道的堤岸沉積在西岸(左岸)優(yōu)勢發(fā)育,構(gòu)成Daly SR的主體,本文對此的解釋為: 沿峽谷向下(向北)的濁流受到科氏力的作用向左偏轉(zhuǎn),長期在西岸發(fā)育大型堤岸沉積,某個時間在東岸也有小型的堤岸沉積(圖2中c)。

RAE40-07剖面位于現(xiàn)今Wild峽谷中游(圖3),該剖面上見不到類似上游TH99-30剖面上的遷移水道反射。P1至P2(P2是P1和P3之間一個主要的地質(zhì)界面)期間峽谷左岸并沒有明顯的堤岸沉積,地層從北往南平穩(wěn)過渡,向南超覆。大致在P2之后,峽谷左岸地層厚度變化加劇,向遠離水道方向減薄,解釋為水道堤岸沉積,這和上游的特征一樣。和上游不同的是在峽谷東北側(cè)出現(xiàn)了一個小型的脊狀沉積體——W1 SR。W1 SR主要由遠離峽谷軸方向(向北)逐漸減薄收斂的地層組成,是Wild峽谷在右岸的堤岸沉積,但規(guī)模小于左岸。W1 SR之下有一向南傾的面(本文稱為P4),P3和P4之間地層向北增厚,P4之上向北減薄的堤岸沉積超覆其上。中游的另一剖面(GA229-32剖面)品質(zhì)更好,和RAE40-07距離較近,可以相互印證,該剖面揭示出幾個特點: (1)至少P1至P3時期此處的Wild峽谷兩側(cè)不存在堤岸沉積,地層近乎等厚; (2)P2時期在現(xiàn)今Wild峽谷軸線以南出現(xiàn)了侵蝕和上覆地層向侵蝕面超覆的現(xiàn)象(圖4中a); (3)W1 SR之下雙程走時約6 s處可見侵蝕現(xiàn)象(SP 5500—4800區(qū)段,圖4中b和黑色箭頭所示),侵蝕最深處可達P2和P3中間的層位,SP 5500—4800區(qū)段的P2至P3之間地層近水平,同相軸被侵蝕面截斷,截斷處無波狀起伏現(xiàn)象,P3面似乎可以連續(xù)至SP 5500—4800這一段,P3和P4之間的地層向北增厚,同相軸下超到侵蝕面上,最后侵蝕面被P4及其上的堤岸沉積所覆蓋。如果侵蝕面是在P2和P3中間最深侵蝕處的地層沉積時就形成,那么一般而言這種崎嶇的地形會對當時流過該古地形的流造成影響,從而引起上覆沉積波狀起伏,在侵蝕面邊緣也會由于流的溢流現(xiàn)象而產(chǎn)生波狀反射,這種現(xiàn)象在研究區(qū)很常見,但此處P3之下的侵蝕面邊緣并沒有出現(xiàn)波狀反射,只在P3之上的侵蝕面附近出現(xiàn),因此我們推斷侵蝕面P3時形成。P4開始,在Wild峽谷北岸覆蓋原先存在的侵蝕面并沉積堤岸沉積,構(gòu)成W1 SR的主體。

圖3 地震剖面RAE40-07(部分)揭示的Wild峽谷及兩側(cè)的地層結(jié)構(gòu)(剖面BB’位置見圖1)Fig. 3 Structure of the Wild Canyon and its two sides on part of seismic profile RAE40-07 (for section BB’ see Fig. 1)

圖4 地震剖面GA229-32(部分)揭示的Wild峽谷及兩側(cè)的地層結(jié)構(gòu)(剖面CC’位置見圖1)Fig. 4 Structure of the Wild Canyon and its two sides on part of seismic profile GA229-32 (for section CC’ see Fig. 1)

圖5 地震剖面TH99-27(部分)揭示的Wild峽谷及兩側(cè)的地層結(jié)構(gòu)(剖面DD’位置見圖1)Fig. 5 Structure of the Wild Canyon and its two sides on part of seismic profile TH99-27 (for section DD’ see Fig. 1)

下游的TH99-27剖面上Wild峽谷南坡出現(xiàn)和GA229-32類似寬緩的波狀沉積(圖5中a),再往南出現(xiàn)向南傾斜并減薄收斂的堤岸沉積(圖5中b)。南岸P2時期也見剝蝕現(xiàn)象,造成地層厚度的突變(圖5中c)。峽谷北岸的堤岸沉積(W1 SR)之下不存在向南傾斜的P4面以及P2和P3間的侵蝕面。

綜上所述,Daly SR主體是Wild峽谷左岸優(yōu)勢發(fā)育的堤岸沉積,是沿著峽谷向下的濁流受科氏力影響所致。但從上游到下游,堤岸沉積發(fā)育的時代并非一致,最老的堤岸沉積出現(xiàn)在最上游TH99-30測線上。左岸的堤岸沉積受控于Wild峽谷的發(fā)育歷史,Wild峽谷在P1至P2期間只在上游發(fā)育,在左岸形成堤岸沉積,剖面上可見遷移的水道(圖2); 約P2開始,峽谷和左岸堤岸沉積延至中游RAE40-07剖面處; 而再往下的GA229-32和TH99-27剖面左岸開始出現(xiàn)堤岸沉積和寬緩的波狀沉積的時代至少要在P3之后。

另一個小型脊狀沉積體W1 SR主體是Wild峽谷右岸較為弱勢發(fā)育的堤岸沉積。在RAE40-07和GA229-32剖面上出現(xiàn)W1 SR之下P3和P4間地層向北增厚現(xiàn)象,而在下游TH99-27上沒有此現(xiàn)象;另外在GA229-32剖面上出現(xiàn)了P2和P3之間的侵蝕面以及P4之后向北減薄明顯的堤岸沉積,下游TH99-27剖面上僅有P4之后的堤岸沉積,且向北減薄程度不如GA229-32剖面。對此我們的解釋是: P4之前,現(xiàn)在Wild峽谷下游NWW走向這一段還沒有發(fā)育,當時的水道是NNW方向往海延伸或消失。因此在GA229-32剖面的P2和P3之間形成了侵蝕面(該剖面正好在上游峽谷走向延長線上),侵蝕面的形成期應(yīng)該對應(yīng)了濁流的一個極大期(P3附近)。此時P3面連同侵蝕面形成了一個略向南傾的古地形面,向北的流沿著此面會導致流速降低而沉積更多沉積物,從而加大這一南傾古地形面的坡度,這便是GA229-32上P3-P4之間發(fā)生的情形。P4開始,出現(xiàn)下游NWW向峽谷,大部分的流量會轉(zhuǎn)向下游,因此GA229-32剖面上峽谷北岸的堤岸沉積僅在濁流水道附近,向北溢流的量應(yīng)該不大,造成P4之上的古地形面坡度的逐漸降低。

3.2 Wild SR、Wilkins SR和Murray-W SR

Wild SR、Wilkins SR和Murray-W SR這三個脊狀沉積體向海延伸長度不一,前兩者延伸長度接近,但遠于第三者,然而通過地震解釋,發(fā)現(xiàn)這三個脊狀沉積體的結(jié)構(gòu)和形成過程很相似。

3.2.1 脊狀沉積體之下的侵蝕面

橫剖面TH99-30揭示W(wǎng)ild SR根部的特征,該剖面上Wild SR的西翼陡、東翼緩,其形態(tài)和形成過程與底下一個向東傾斜的侵蝕面(ES1)有關(guān),ES1之上的地層與之平行并向東傾斜,構(gòu)成Wild SR的主體,ES1之下地層向西傾斜。ES1最下面是一個U形形態(tài)反射(圖6中a),底部振幅較強,再往東反射軸整體上凸(SP 4550—4700區(qū)段)。ES1似乎可以向下延至P1面,在SP 4700—5000區(qū)段的P1—P3之間地層也出現(xiàn)向西遷移的濁流水道反射(圖6),這和該測線左邊Wild峽谷的情形一致(圖2中a)。

另一個侵蝕面出現(xiàn)在TH99-30剖面的Wilkins SR東翼之下,稱為ES2,ES2向東傾,傾角和ES1基本一致,往東出現(xiàn)一些向上向東遷移的強振幅反射(圖6中b)。這種兩邊分別出現(xiàn)侵蝕面和強振幅反射的組合在研究區(qū)并不是個例。ES2切割的最下地層為P3附近。

TH99-30剖面上Wilkins SR以東還存在一個小型的SR(Murray-W SR),東翼之下也存在一個向東傾的侵蝕面(ES3),ES3東側(cè)也出現(xiàn)了向上向東遷移的強振幅反射,ES3切割的最下地層為P3附近。這個SR被最新的普里茲沖積扇(Prydz Mouth Fan)的沉積所覆蓋。通過鄰近地震剖面解釋,該SR的脊線為近南北向展布,但延伸不遠。

這些侵蝕面(ES1至ES3)和南極半島的“X”面(Rebesco et al.,1997)很相似。Rebesco等(1997)對“X”面的成因進行了討論,認為一次剝蝕事件造成的“X”面需要每次事件在深海剝蝕掉超過1500 m的沉積,且需要兩次這樣的事件(原文中的兩個漂積體有兩個不同時代的“X”面); 他們傾向于認為這是在連續(xù)沉積環(huán)境中局部的穿時沉積間斷。本文的ES1至ES3切穿的地層達1 s(約1500 m厚度,假定3000 m/s的層速度),和南極半島的情形類似。我們也認同Rebesco等(1997)的觀點,把侵蝕面和另一側(cè)的強振幅反射的組合解釋為濁流水道。沿著水道向下坡流動的流因受科氏力作用在西岸發(fā)生侵蝕而在東岸發(fā)生沉積(強振幅反射)。

3.2.2 Wild SR和Wilkins SR遠端的特征

通過地震和水深資料,在Wild SR和Wilkins SR遠端解釋出3個脊狀沉積體分叉(從西往東依次為W2 SR、W3 SR和W4 SR),走向和Wild SR、Wilkins SR不一樣,變?yōu)楸睎|向,并具有一定的弧形特征(圖1)。從水深圖看,W2 SR往深海方向又有分叉,但沒有地震剖面揭示其分叉特征。

圖6 地震剖面TH99-30(部分)揭示的Wild SR和Wilkins SR的結(jié)構(gòu)(剖面EE’位置見圖1)Fig. 6 Structure of the Wild SR and Wilkins SR on part of seismic profile TH99-30 (for section EE’ see Fig. 1)

Kuvaas和Leitchenkov(1992)對普里茲灣陸隆區(qū)的兩個脊狀沉積體(原文中稱為ridge a和ridge b)進行過研究。通過對比,我們認為ridge a和ridge b分別對應(yīng)W2 SR和W3 SR。GA229-31剖面切過的是W2 SR的遠端,它和W3 SR之間是一個水道(圖7中a),但水道發(fā)育的時間比較晚,W2 SR主體發(fā)育時間和水道發(fā)育時間一致,暗示兩者有成因關(guān)系。W2 SR西翼廣泛發(fā)育沉積物波(圖7中b),沉積物波向上坡方向遷移,但沉積物波的形成時代要早于W2 SR的主體發(fā)育時間。綜上可以推斷W2 SR的產(chǎn)生還是和向下坡方向的濁流水道有關(guān),但沉積物波在W2 SR產(chǎn)生之前就已存在。

GA229-31測線上的W3 SR的結(jié)構(gòu)和TH99-30剖面上的Wilkins SR類似,存在一個向東的侵蝕面(圖7),從細節(jié)上看,該侵蝕面由三段不連續(xù)的侵蝕面組成,最下切割地層到P3附近,最上切割地層和TH99-30剖面上ES2近似一致。通過對比,我們認為這個侵蝕面就是ES2,W3 SR和上游的Wilkins SR是一個脊狀沉積體。

在GA228-08剖面上,W3 SR下的侵蝕面在上段比較清晰,往下的延伸方向不是很清晰,P31面之上有一些向西遷移的強反射(圖8中a),解釋為水道邊緣沉積,水道開始活動時代從P31開始。W4 SR的情況和W3 SR很類似。而向陸方向的GA229-31剖面ES2最下切割地層至P3附近。這些現(xiàn)象有助于了解脊狀沉積體的擴展方式。對這些現(xiàn)象有兩種可能的解釋: (1)濁流水道在GA229-31上的發(fā)育是從P3左右開始,隨著時間的推移水道向海方向擴展并且分叉,到了P31時期延至GA228-08剖面上。(2)兩條測線上的濁流水道是同時開始發(fā)育的,時代為P31,在GA229-31測線上從P31開始剝蝕,侵蝕面向下切割至P3。通過分析,我們更傾向于解釋(1),因為GA229-31測線ES2之下的P3至P31之間的地層厚度向剖面左端(向海)減薄(圖7),而如果當時沒有濁流水道,地層的減薄趨勢應(yīng)該是像P1-P3間地層一樣向剖面右端(向陸)。因此,GA229-31和 GA228-08兩條高品質(zhì)地震剖面揭示的脊狀沉積體細節(jié)讓我們了解一個事實: 濁流水道隨著時間推移向海遷移,從而使脊狀沉積體向海擴展。

在此區(qū)域,還廣泛發(fā)育大型深海沉積物波。深海沉積物波主要有兩種成因: 濁流成因和底流成因(Wynn and Stow,2002),事實上,濁流和底流在很多區(qū)域是共存且相互影響的。研究區(qū)現(xiàn)今存在向西流的底流(假定沉積物波存在期的歷史底流方向和現(xiàn)今一致),同時向下的濁流因受科氏力影響有較大的向西分量,兩者方向一致,因此很難區(qū)分沉積物波是由于底流還是濁流成因。通過綜合分析,我們認為此處的沉積物波是以底流成因為主,因為(1)剖面GA229-31上W2 SR附近,早在濁流水道發(fā)育之前就有大面積沉積物波存在; (2)GA229-31上W3 SR南東翼沉積物波朝下坡方向遷移(圖7),而濁流成因的沉積物波是朝上坡方向遷移的。

圖7 地震剖面GA229-31(部分)揭示的W2 SR和W3 SR的結(jié)構(gòu)(剖面FF’位置見圖1)Fig. 7 Structure of the W2 SR and W3 SR on part of seismic profile GA229-31 (for section FF’ see Fig. 1)

圖8 地震剖面GA228-08(部分)揭示的W3 SR和W4 SR的結(jié)構(gòu)(剖面GG’位置見圖1)Fig. 8 Structure of the W3 SR and W4 SR on part of seismic profile GA228-08 (for section GG’ see Fig. 1)

4 討論

4.1 P1古地形面的作用

陸隆區(qū)的P1面被認為是冰海沉積的底界并且沒有起伏(Kuvaas and Leitchenkov,1992),我們的研究證實了前者: 確實是從P1開始才出現(xiàn)濁流水道和相關(guān)沉積。然而P1面的時間構(gòu)造圖(圖9)顯示該面并不平坦,而是存在兩個鼻狀構(gòu)造,對應(yīng)Daly SR和Wild-Wilkins SR的位置,亦可見兩個峽谷(Wild峽谷和Wilkins峽谷)的雛形。Wild峽谷從P1開始就開始濁流活動; Wilkins峽谷的濁流活動起始時間雖較晚,但很明顯先存的峽谷成為了后期濁流的通道。因此,P1面的古地形形態(tài)對脊狀沉積體的形成有兩個作用: (1)鼻狀凸起奠定了脊狀沉積體的基礎(chǔ)格架; (2)峽谷成為濁流的優(yōu)勢通道,帶來沉積物進而促使脊狀沉積體的生長。

在研究區(qū)以西的宇航員海及恩德比地陸緣,也存在一個區(qū)域不整合面CS-4,被解釋為冰海沉積的底界(Kuvaas et al.,2005),從地震反射特征以及其上出現(xiàn)的濁流水道增多的現(xiàn)象來看,CS-4應(yīng)該等同于普里茲灣的P1面。在整個宇航員海和恩德比地陸緣,CS-4的主要轉(zhuǎn)折和之下的所謂“區(qū)域棱鏡體”有關(guān),轉(zhuǎn)折處對應(yīng)區(qū)域棱鏡體的向海消失處(詳見Kuvaas等(2005)圖3)。在本研究區(qū),也存在區(qū)域棱鏡體,但只存在于最西邊的TH99-30剖面靠近陸坡坡腳處。而鼻狀凸起與這個區(qū)域棱鏡體無關(guān),在鼻狀凸起向海一側(cè)邊緣,P1面的轉(zhuǎn)折和下伏地層一致,因此我們推斷是更早的事件造成P1面的轉(zhuǎn)折,即造成了鼻狀凸起,而這一更早的事件很可能可以追溯到盆地早起的張裂期。

4.2 區(qū)域沉積模式

根據(jù)第4部分對各個脊狀沉積體結(jié)構(gòu)和成因的討論,我們可以大體了解研究區(qū)的沉積模式。研究區(qū)主要存在兩種流,一是自上而下的濁流,二是底流。

研究區(qū)從P1開始出現(xiàn)許多濁流水道(圖10中橙色箭頭)及其相關(guān)沉積,最大的是Wild峽谷,其次是Wild SR和Wilkins SR之間的區(qū)域。P1時期水道還停留在比較靠陸的地方,Wild峽谷左岸已經(jīng)存在明顯的堤岸沉積。隨著時間的推移,水道向海方向擴展,P2也存在一次事件,但這次事件造成的剝蝕僅存在于Wild峽谷左岸,暗示P2事件實質(zhì)上是Wild峽谷的一次事件,而不是區(qū)域事件。

P3是一個重要的時間點。P3時,Wild峽谷存在一次濁流極大事件,造成了GA229-32測線上的侵蝕,此時向下的濁流應(yīng)該還會順著走勢繼續(xù)向北前進(圖10中黑色箭頭)。同時,Wilkins SR和Murray-W SR之下出現(xiàn)濁流水道(圖10中黑色箭頭),引起左岸長期的侵蝕面,造成了這兩個脊狀沉積體的形成。

圖9 P1層面時間構(gòu)造圖(等t0圖)Fig. 9 Time structure map of surface P1

圖10 研究區(qū)P1以來流的發(fā)育和沉積模式簡圖Fig. 10 Currents and sedimentary pattern since P1 time

P31時期,Wild SR和Wilkins SR之下的濁流水道向下擴展(圖10中白色箭頭),形成了外緣的W2、W3和W4 SR這三個脊狀沉積體分叉。

大約P4時期,Wild峽谷北段發(fā)育峽谷(圖10中白色箭頭),地震剖面上見明顯的峽谷形態(tài)和充填特征。Wild峽谷南北兩段的連通可能發(fā)生在這個時期,由此,北岸的堤岸沉積W1 SR開始發(fā)育,而南岸的堤岸沉積規(guī)模上要遠大于北岸。粗略的地震層位對比表明P4要晚于P31。

深海除了濁流之外還存在底流。底流的一個顯著沉積建造是漂積體(drift),地震剖面上多表現(xiàn)為長條似透鏡狀的外形特征,內(nèi)部反射以透明/半透明相為主(Faugeres et al.,1999)。另外,底流還可以產(chǎn)生沉積物波。本研究區(qū)的沉積物波的分布范圍很大(邊界見圖10點劃線),東西邊界和圖10的東西邊界接近,南、北界如圖10所示,面積約9×104km2。大部分剖面上,沉積物波位于漂積體之內(nèi)。這些特征也說明沉積物波是底流成因的。沉積物波的平面分布特征(如波的脊線走向、遷移方向等)可指示流的方向(Wynn and Stow,2002)。本研究區(qū)缺乏精細海底地形資料,無法獲取其平面分布特征,然而從沉積物波分布范圍看底流流向應(yīng)該是近似向西的,尤其是北部邊界因遠離濁流而幾乎不受其影響,反映出底流的流向。

研究區(qū)沉積物波的啟動時間(底界年齡)在不同剖面上并不一致,總體有從西往東變新的趨勢(表1)。既然沉積物波是底流成因,那么在研究區(qū)不同區(qū)域,底流的增強或減弱應(yīng)該是同時的,如果其它影響沉積物波的形成和發(fā)育的因素是一致的,則形成的沉積物波也應(yīng)該接近一致。因此,研究區(qū)各剖面沉積物波啟動時間的差異應(yīng)是底流流速之外的因素在起作用。通過仔細觀察和分析,作者發(fā)現(xiàn)不同部位沉積物波啟動的時代大致和這些部位的濁流活動起始時間對應(yīng)。因此,可能的解釋是: 不同時代開始的濁流提供細粒沉積物,這些沉積物在底流的作用下形成沉積物波。

表1 研究區(qū)不同剖面上沉積物波的起始年代一覽表Table 1 Onset times of the sediment waves on different sections

底流成因沉積物波以及漂積體的分布范圍只是底流的顯現(xiàn)域,它的實際流經(jīng)區(qū)域勢必要大得多。研究區(qū)的底流的北界可通過漂積體的北界確定,然而底流的南界卻很難界定,因為在那里,底流和濁流往往發(fā)生了相互作用,并且由于底流的流速較小,它的作用很多時候被濁流所掩蓋了。第3.2.2節(jié)提到了一個濁流和底流相互作用的實例,在區(qū)域的底流背景下,W2、W3和W4 SR之間濁流也形成了相應(yīng)的沉積現(xiàn)象,但濁流影響的主要范圍限于水道內(nèi)部。然而,正如前文所述,濁流在輸送沉積物方面起到重要的作用。W2、W3和W4 SR走向向北東拐并呈弧形,現(xiàn)今在這一區(qū)域也存在渦旋,兩者一致; 可能是底流在向西流的總體背景下亦作渦旋運動,也可能是更上部的流對近海底沉積產(chǎn)生影響,至于是哪種可能性還需更多的水文觀測數(shù)據(jù)支持。

4.3 P3的年代和地質(zhì)意義

有關(guān)P3的年代和地質(zhì)意義,最早的推測認為它對應(yīng)了23.5 Ma德雷克海峽的打開以及南極繞極流的啟動(Kuvaas and Leitchenkov,1992),但也有學者認為是對應(yīng)了漸新世或中新世的一次主要的冰川擴張事件(Shipboard Scientific Party,2001a)。ODP 188航次的1165C孔鉆進了999 m地層,鉆孔最深處在P3之上一點,因此無法直接標定P3,但可以對P3的年齡進行推測。若知道井孔底部至P3的雙程旅行時(tΔ,單位s)、層速度(v,單位m/s)、沉積速率(SediRate,單位m/Ma)以及井孔底部年齡(1age,單位Ma),那么P3的年代(2age,單位Ma)就可以根據(jù)公式:

計算而得。根據(jù)1165C孔合成地震記錄與過井地震反射的相位對比可以把井孔深度域資料與時間域的地震剖面對應(yīng)起來(Cooper and O’Brien,2004)。P3和井孔底部反射相位相差約0.27 s,井孔底部年齡約為22 Ma(Florindo et al.,2003),沉積速率采用1165C孔底部675～999 mbsf的沉積速率: 93.6 m/Ma(根據(jù)Florindo等(2003)對井孔定年而計算得到),層速度用1165C孔底部(約960 mbsf)處的速度～2840 m/s(Shipboard Scientific Party,2001b)代替。由此計算得到P3的年齡為26.1 Ma。

P3之上出現(xiàn)沉積物波這一現(xiàn)象被認為是P3底流加強的關(guān)鍵證據(jù)(Kuvaas and Leitchenkov,1992),然而前文已詳細論證過實際上沉積物波的起始時間在研究區(qū)不同部位是不相同的(4.2章節(jié))。P3時期,研究區(qū)的峽谷均表現(xiàn)出了濁流加強,尤其是Wilkins SR和Murray-W SR之下首次出現(xiàn)較大規(guī)模的濁流活動。普利茲灣陸架現(xiàn)今地形呈現(xiàn)出這樣一個特點: 在陸架邊緣地形隆起,往內(nèi)是一碟形下凹的負地形,在間冰期,沉積物將大量沉積在這一負地形的盆地內(nèi),只有少量沉積物能越過陸架邊緣隆起。因此本文認為P3代表了普里茲灣地區(qū)的一次冰川極盛事件,可能彼時冰川已經(jīng)到達陸架邊緣,攜帶大量沉積物的冰川融水直接越過陸架邊緣隆起,沖刷陸坡和陸隆區(qū)域,尤其是先存的峽谷成為主要的濁流水道。同時,陸隆地區(qū)沉積物供給量的增加也促進了脊狀沉積體的發(fā)育。然而,并不能說底流在P3時期一定是不增強的。

5 結(jié)論

(1)普里茲灣陸隆區(qū)脊狀沉積體有兩種不同結(jié)構(gòu)類型,一是西部的Wild峽谷兩側(cè)的Daly SR和W1 SR,其主體構(gòu)成是沿著峽谷流動的濁流形成的不對稱堤岸沉積; 二是中、東部的Wild SR、Wilkins SR和Murray-E SR,其主體構(gòu)成與其下的東傾剝蝕面有關(guān),該剝蝕面是長期存在的濁流水道引起的穿時沉積間斷。

(2)峽谷的濁流開始活動時代不一,Wild峽谷是從P1(冰海沉積底界)開始活動,Wilkins峽谷以及Murray峽谷是從P3開始。但峽谷均有隨著時間向海方向擴展的趨勢,造成相應(yīng)的脊狀沉積體向海擴展。Wild峽谷和Wilkins峽谷的雛形在冰海沉積開始之前就已形成。

(3)沉積物波的范圍和遷移特征暗示其是底流成因的。在Wild SR和Wilkins SR外緣的W2、W3和W4 SR處存在底流和濁流的相互作用現(xiàn)象,濁流在輸送沉積物方面起到重要的作用,但影響的主要范圍限于水道內(nèi)部。不同部位沉積物波啟動時代大致和這些部位的濁流活動起始時間對應(yīng),解釋為不同時代開始的濁流提供細顆粒沉積物,這些沉積物在底流的作用下形成沉積物波。

(4)P3的年代經(jīng)過有限的外延確定為26.1 Ma,代表了普里茲灣地區(qū)的一次冰川極盛事件。

Acknowledgements:

This study was supported by National Natural Science Foundation of China (No. 41306201) and State Oceanic Administration (Nos. CHINARE2014-01-03,CHINARE2015-01-03,CHINARE2014-04-01 and CHINARE2015-04-01).

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Structure and Development Processes of the Sediment Ridges on the Continental Rise off the Prydz Bay Margin,East Antarctica

SHEN Zhong-yan,YANG Chun-guo,GAO Jin-yao,JI Fei
The Second Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Hangzhou,Zhejiang 310012

Several sediment ridges (SRs) are located on the continental rise off the Prydz Bay margin,East Antarctica. These SRs recorded the history of the regional glacial movements and bottom current activities. Multichannel seismic reflection data in this region have been interpreted together with bathymetry data for the planar distribution,cross-section structures along strike,and the formation and development processes of the SRs. On such a basis,two different groups of the SRs have been identified. The first group includes two SRs which were asymmetric levees on both sides of the Wild Canyon in the western part of the study area. The second group includes SRs in the eastern part of the study area whose formation and development were closely related to the local,diachronous hiatuses generated by the turbidity flow. The onset time of the turbidity activities in different canyons is not concurrent. For Wild Canyon in the west,the onset time is P1,which is the base of the glaciomarine deposit on the continental rise,while for Wilkins and Murray Canyon in the east,it began at a later time P3 (～26.1 Ma),which represents an expansion of the glaciers in Prydz Bay area. All the canyons and the turbidity currents within them both extended seaward with time and so did the consequent SRs. In the areas north of the seaward edge of the SRs,large deep sea sediment waves consisting of fine-grained sediments supplied mainly by down-slope turbidity currents were generated under westward-flowing bottom currents.

East Antarctica; Prydz Bay; sediment ridge; turbidity current; contour current; sediment wave

P941.61; P731.26

A

10.3975/cagsb.2015.06.03

本文由國家自然科學基金青年基金(編號: 41306201)、國家海洋局“南北極環(huán)境綜合考察與評估專項”之“南極周邊海洋地球物理考察”(編號: CHINARE2014-01-03; CHINARE2015-01-03)和“南極環(huán)境綜合分析與評價”項目(編號: CHINARE2014-04-01; CHINARE2015-04-01)聯(lián)合資助。

2015-03-08; 改回日期: 2015-10-15。責任編輯: 張改俠。

沈中延,男,1982年生。助理研究員。主要從事海底構(gòu)造與沉積研究。通訊地址: 310012,杭州市保俶北路36號國家海洋局第二海洋研究所。E-mail: shenzhongyan@gmail.com。