馮湘子，朱友生

中海油田服務(wù)股份有限公司物探事業(yè)部，天津 300451

1 重力流沉積體系研究進展

1929 年在北大西洋 Grand Banks 陸坡上由地震造成的大型濁流的發(fā)現(xiàn)[1]，揭開了重力流沉積體系研究的序幕。深水沉積環(huán)境復(fù)雜、淺層沉積物土質(zhì)差異明顯，對深水海洋工程設(shè)施的設(shè)計、施工和運營安全提出了新的挑戰(zhàn)。但由于觀測技術(shù)的限制，重力流的不可預(yù)測性和破壞性以及實地觀測的困難，使沉積學(xué)家和海洋學(xué)家多年來對重力流的研究一直局限于實驗室、數(shù)值模擬和濁積巖露頭[2-6]等工作。

近幾十年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者對中國南海北部陸坡區(qū)的重力流沉積體系進行了研究，主要研究手段包括三維地震、巖芯和測井?dāng)?shù)據(jù)等，通過地質(zhì)-地球物理-地球化學(xué)綜合分析，運用層序地層學(xué)、地震沉積學(xué)和深水沉積動力學(xué)等理論方法，揭示了海底峽谷的侵蝕-充填過程、深水區(qū)海底扇和MTDs（Mass Transport Depositions，塊體搬運體系）發(fā)育特征等[7-11]。

三維地震調(diào)查作為宏觀的方法，研究區(qū)域較廣，一般以盆地為單位，橫跨數(shù)百千米；研究年代跨度大，所關(guān)注的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和特征厚度在數(shù)十米至數(shù)千米。而對于巖芯和測井?dāng)?shù)據(jù)的研究屬于較為微觀的范疇，通過粒度、薄片等研究方法，可以對研究對象進行微觀的分類[12-17]。沉積學(xué)家已經(jīng)投入了大量精力對深海沉積進行研究，但無論是鉆探還是物探都存在各自的局限，不能充分反映單層厚度只有幾厘米到幾十厘米的深海重力流沉積物[18-23]。

從海洋工程專業(yè)角度來看，主要關(guān)注海底地形和淺層地質(zhì)特征，包括海底至海底以下30 m 左右地質(zhì)構(gòu)造和沉積差異，特別是當(dāng)前的這一時刻海底的狀態(tài)和淺部地層的特征。對于南海陸坡的重力流沉積，部分研究單位也曾采用船載的淺地層剖面儀進行調(diào)查，并取得了較好的資料和成果。相對于船載的淺地層剖面儀，AUV（Autonomous Underwater Vehicle，自主式水下航行器）所能搭載的淺地層剖面震源能級較小，但得益于距離所需觀測的地層較小，因此能夠取得分辨率較高的地層剖面資料。

本文的研究主要基于近年來進行的南海北部陵水區(qū)塊的工程勘察工作，根據(jù)AUV 采集的高精度地球物理資料，對南海北部深水區(qū)的重力流沉積體系特征進行了研究，并對沉積模式進行了分析。

2 研究方法

本文選取南海北部陵水區(qū)塊作為研究區(qū)域，研究區(qū)域內(nèi)水深約200～1600 m。研究方法主要為地球物理調(diào)查和工程地質(zhì)調(diào)查，海上采集主要完成于2017 年，主要包括：

（1）AUV 搭載的Kongsberg EM2040 采集多波束水深

AUV 采用的是COSL Explorer，最大作業(yè)能力為海面以下3000 m，調(diào)查時定高在海底以上40 m航行，航速為3 節(jié)，通過Kongsberg EM2040 多波束測深系統(tǒng)，工作頻率為200 kHz，可獲取分辨率1 m×1 m 的水深成果。

（2）AUV 搭載的EdgeTech 2200 淺地層剖面資料

EdgeTech 2200 為側(cè)掃聲納和淺地層剖面一體化的采集設(shè)備，縱向上的分辨率可達0.1 m，在調(diào)查區(qū)域內(nèi)深水區(qū)的有效探測深度約為30 m；在水深超千米的海域，船載淺剖資料效果并不理想，而采用AUV 搭載的淺地層剖面儀，處理后的淺剖資料的分辨率優(yōu)于0.1 m，能夠精確地識別區(qū)分濁流沉積、MTDs 沉積和正常沉積地層。

（3）船載EM302 深水多波束水深

EM302 為一套經(jīng)典的深水多波束測深系統(tǒng)，作業(yè)時勘察船的航速在4.5 節(jié)左右，工作頻率為30 kHz，可獲取分辨率為20 m×20 m 的水深成果。

根據(jù)船載多波束大范圍調(diào)查成果，調(diào)查區(qū)域內(nèi)水深由西北向東南漸深，以800 m 水深為界，以淺為上陸坡，包括1 處緩坡和3 處海底峽谷（由西向東依次命名為峽谷1、峽谷2 和峽谷3）；以深為下陸坡，整體水深變化較為平緩（圖1）。

（4）船載EM302 后向散射強度資料

后向散射強度（Backscatter Strength）資料，或稱為背散射強度，是在多波束測深系統(tǒng)記錄水深時，同時記錄的海底聲學(xué)后向散射強度，可用于利用聲強信息正演海底地質(zhì)學(xué)特征，能夠反映海底底質(zhì)的變化。在本研究中，為了獲取一定穿透深度，主要采用了較低頻率的船載多波束后向散射強度；通過對研究區(qū)域的船載多波束（型號Kongsberg EM302，作業(yè)頻率30 kHz）后向散射資料進行處理，可獲取全區(qū)的后向散射強度分布特征，清晰顯示了重力流事件中沉積物的運移路徑。

（5）JPC 取樣資料

JPC（Jumbo Piston Corer, 重力活塞取樣器）是深水區(qū)域獲取表層樣品的常用設(shè)備，本區(qū)域內(nèi)進行取樣時，采用6 m 長度的取樣管，獲取的樣品長度一般超過5 m。

（6）AMS14C 測年資料

圖 1 研究區(qū)域及水深地形圖Fig.1 Bathymetric map showing the survey area

研究區(qū)域內(nèi)布設(shè)有一處80 m 深的鉆孔取樣作業(yè)（圖1 中的AMS14C），水深約1100 m，每隔一定的深度選取適量樣品，加入水、30% 的H2O2進行浸泡，充分分散，過0.063 mm 篩進行沖洗，烘干后，挑選0.025～0.035 mm 之間合適的浮游有孔蟲混合種，如果沒有足夠的有孔蟲，就挑選貝殼，或者植根進行AMS14C 測年。AMS14C 測年在美國邁阿密的Beta 測年實驗室完成。

為確定近期的重力流事件發(fā)生的時間，采用AMS14C 測年方法對深水鉆孔獲取的樣品進行分析，并通過淺地層剖面連接取樣位置與重力流沉積區(qū)域，將剖面按照海底拉平后，可以認(rèn)為海底（圖2紅色線）與R1（圖2 藍色線）之間的地層是在相同的時間年代中完成的沉積，根據(jù)AMS14C 測年成果，對應(yīng)的時間年代約為5.5 kaBP，因此，可以推斷最近一期的重力流事件發(fā)生于約5.5 kaBP。

通過以上資料的綜合分析，能夠更加細(xì)致地識別深水重力流沉積特征，特別是其海底地形地貌形態(tài)和淺層沉積特征及其所發(fā)生的年代。

3 重力流沉積體系的識別特征

根據(jù)研究，調(diào)查區(qū)域內(nèi)淺部地層（海底以下0～30 m）存在3 類沉積特征：正常沉積、濁流沉積和MTDs 沉積，這些沉積特征在水深地形、后向散射、淺地層剖面及JPC 取樣中，均存在較為顯著的差異。

3.1 水深與地形

根據(jù)AUV 水深地形資料的分析，能夠比較清晰地觀測到正常沉積與近期MTDs 沉積地形特征的差異，這種差異在坡度圖中則更為顯著（圖3），可將海底表層沉積劃分為3 類：近期MTDs 沉積、正常沉積和濁流沉積。

3.1.1 近期MTDs 沉積

圖 2 通過碳14C 測年推算重力流發(fā)生年代（圖1 中的G-G’）Fig.2 Estimating the age of gravity flow by AMS14C dating（At G-G’ of Fig.2）

圖 3 通過地形識別最近一期MTDs 沉積（位于圖1 中的a 區(qū)域）a.MTDs 沉積坡度圖， b.MTDs 沉積水深剖面圖。Fig.3 The last MTDs sediment according to terrain recognition（at area a of Fig.1）a.MTDS sedimentary slope map, b.MTDS sediment depth profile.

近期MTDs 沉積主要特征為崎嶇海底和滑動構(gòu)造，由于深水沉積速率較低（約10～20 cm/ka），其原始形態(tài)特征保存較為完整。

在MTDs 沉積過程中，隨著運動能量的減弱，碎屑塊體逐步在海底沉積下來，形成地形崎嶇的海底。調(diào)查區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)有不同尺寸的塊體，其海底以上部分的直徑由十幾米到上百米不等，高出海底一般只有幾米，邊緣坡度可達8°～10°，部分塊體甚至可達16 m，邊緣坡度超過20°（圖3）。

滑動構(gòu)造主要發(fā)現(xiàn)在MTDs 主運移通道上，一般較周圍海底深，形態(tài)上類似于陸地上的河道；滑動構(gòu)造長度可達數(shù)十千米，寬度從幾百米至上千米?；瑒訕?gòu)造內(nèi)部未見有碎屑塊體沉積，可以認(rèn)為是重力流沉積中的高能部分（圖3）。

3.1.2 正常沉積

正常沉積區(qū)在至少數(shù)萬年未經(jīng)重力流活動影響，其主要的地形特征為相對平緩的海底（圖3）。通過地形特征還可以識別早期的MTDs 沉積，發(fā)生于距今數(shù)萬年前，至今沉積了約20 m 厚的正常沉積地層，對于規(guī)模較大的構(gòu)造依然能夠保留部分原有的特征，其邊緣坡度可達5°～7°，但對于較小的碎屑塊體在當(dāng)前的海底地形資料中無法分辨其特征。

3.1.3 濁流沉積

在海底地形并不平坦的區(qū)域，濁流沉積主要體現(xiàn)為填充負(fù)向地形的特性，使海底地形趨于平緩，其沉積區(qū)域在水深地形上并沒有明顯的識別特征；但當(dāng)濁流沉積發(fā)生在較為平坦的海底，則會形成較為清晰的邊界，主要依據(jù)為AUV 多波束調(diào)查成果及淺地層剖面。得益于在較為穩(wěn)定的沉積環(huán)境，調(diào)查區(qū)域內(nèi)近期的沉積物厚度基本沒有變化，并沒有改變原有的地形特征，因此，保留了海底以下約0.8 m的濁流沉積的明顯邊緣，相對于周圍的海底高出0.1～0.2 m（圖4）。

3.2 后向散射強度

根據(jù)后向散射強度成果，可以較為直觀地識別出正常沉積、濁流沉積和MTDs 沉積。

正常沉積的地層，由于沉積物的堆積是長時間連續(xù)和穩(wěn)定的，因此在后向散射成果中表現(xiàn)為較為穩(wěn)定和連續(xù)的反射強度。

濁流沉積呈現(xiàn)較強的后向散射強度，在后向散射圖中較容易識別。

MTDs 沉積的后向散射強度要低于濁流沉積，與正常沉積的后向散射強度接近，但在重力流形成過程中，MTDs 會對正常沉積的地層進行切割、侵蝕和覆蓋，因此在MTDs 沉積區(qū)域，在后向散射圖中產(chǎn)生帶狀交替出現(xiàn)的強弱反射，表現(xiàn)為由于內(nèi)部形變引起的后向散射強度變化。

根據(jù)后向散射圖，研究區(qū)域下陸坡的西部位于緩坡的下游，其后向散射強度較為均一，表明近期沒有重力流活動；東部區(qū)域位于3 處海底峽谷的下游，其后向散射強度呈河流狀分布，表明海底峽谷在近期存在濁流、MTDs 等重力流活動，而且其來源均為峽谷1（圖5）。

圖 4 坡度圖/淺地層剖面圖——濁流沉積與正常沉積之間形成的邊緣Fig.4 Slope map/SBP profile— boundary between turbidite deposits and normal deposits

圖 5 陸坡區(qū)后向散射強度平面圖Fig.5 The Backscatter intensity in the lower slope area

在區(qū)域性深水沉積模式研究中，通過踏勘多波束采集到的后向散射資料和AUV 采集的淺地層剖面資料，不僅能夠確定近期重力流的運移方式，而且能夠確定其中濁流沉積和MTDs 沉積的先后關(guān)系。

3.3 淺地層剖面

通過對比發(fā)現(xiàn)，后向散射強度與淺地層剖面資料之間具備較好的對應(yīng)關(guān)系，濁流沉積在淺地層剖面圖中表現(xiàn)為強振幅，而在后散射強度圖中也表現(xiàn)為較強的反射強度，二者在平面位置上也非常一致（圖6）。

3.3.1 正常沉積

正常沉積在淺地層剖面上表現(xiàn)為平行反射層理，多數(shù)體現(xiàn)為弱反射，受地質(zhì)事件影響，會產(chǎn)生平行于海底的強反射沉積層，通過強反射層可以對全區(qū)的層序進行劃分。

3.3.2 濁流沉積

濁流沉積在淺地層剖面上表現(xiàn)為強反射。反射強度差異產(chǎn)生的原因主要是顆粒大小在沉積過程中的差異造成的。顆粒較大的塊體流在沉積時均一性較差，無法形成較為統(tǒng)一的反射；而濁流沉積物顆粒較為均一，所形成的沉積物具備更強的反射能力，因而體現(xiàn)為強反射。

圖 6 后向散射圖（左）與淺地層剖面（右）對比Fig.6 Contrast of backscatter map （left） and sub-bottom profile （right）

在濁流沉積區(qū)的邊緣，呈現(xiàn)為較為明顯的邊界（圖7），這是由于濁流在運移過程中，流體內(nèi)部和流體表面的懸浮物差異造成的，當(dāng)濁流停止運動后這種差異就體現(xiàn)出來，在濁流邊界形成強反射，而在其內(nèi)部主要為彌散狀反射特征。

3.3.3 MTDs 與濁流混合沉積

在發(fā)生重力流事件時，MTDs 沉積與濁流沉積并不是獨立事件，因此在實際的沉積地層中，存在MTDs 與濁流混合沉積地層。在淺地層剖面上，這種混合地層也體現(xiàn)為中等強度的反射特征，介于MTDs 沉積與濁流沉積之間（圖7）。

3.3.4 MTDs 沉積

MTDs 沉積在淺地層剖面上表現(xiàn)為空白反射或弱反射，由于其內(nèi)部的碎屑塊體之間存在形變和旋轉(zhuǎn)，并且在一期MTDs 中可能會存在次級MTDs，因此MTDs 沉積內(nèi)部可見不規(guī)則的界面。此外，MTDs 沉積具有較強的侵蝕特性，在具備較強的動能時會將下伏的沉積地層沖蝕掉數(shù)米，甚至十幾米，因此在MTDs 主運移通道上多能見到侵蝕界面（圖7）。

3.4 JPC 取樣

調(diào)查區(qū)域內(nèi)布設(shè)了百余個JPC（Jumbo Piston Corer，大型活塞式重力取樣器）取樣，取樣長度4.5～5.0 m，調(diào)查區(qū)域內(nèi)大部分的濁流沉積均被MTDs 沉積所沖蝕或覆蓋，因此所獲取的樣品主要為正常沉積和MTDs 沉積物，少數(shù)JPC 取樣獲取到了濁流沉積物。

根據(jù)JPC 取樣資料和淺地層剖面資料，濁流沉積物主要成分為非常軟的黏土，部分含粉砂，在水深1000～1500 m 沉積厚度一般為20～80 cm。相對其上下的正常地層而言，濁流沉積物體現(xiàn)為較低的含水（38%～87%），較高的容重（15～18 kN/m3），較低的液限、塑限和塑性指數(shù)（表1，其中1.3 m 處試驗樣品為濁流沉積物）。

圖 7 淺地層剖面——近期濁流與MTDs 沉積（圖1 中的E-E’）Fig.7 Sub-bottom profile ? recent turbidity and MTDs deposits（At E-E’ of Fig.1）

表1 濁流沉積JPC 取樣土質(zhì)參數(shù)Table 1 Soil parameters for JPC Sampling in turbidity area

MTDs 沉積物一般表現(xiàn)為較低的含水率和較高的容重，并且MTDs 沉積物由于碎屑塊體之間的形變和旋轉(zhuǎn)，其土質(zhì)特性在橫向和縱向上均表現(xiàn)為較明顯的差異，而正常沉積區(qū)域的土質(zhì)特性則較為穩(wěn)定。此外，在所獲取的MTDs 沉積物取樣中，發(fā)現(xiàn)存在較多的泥碎屑和MTDs 底部侵蝕面等特征（圖8），直接揭示了沉積環(huán)境的變化。

圖 8 JPC 取樣所獲取的MTDs 樣品Fig.8 MTDs sediment sample by JPC sampling

4 重力流沉積模式與分布

4.1 重力流沉積模式

Bouma 基于野外觀察，總結(jié)了濁流沉積的沉積構(gòu)造組合特征，并建立了濁積巖的特定層序鮑瑪序列（Ta-e）[7]，是濁流沉積相中應(yīng)用較為廣泛的一類模式。鮑瑪序列將濁積巖層序劃分為：①A 段—粒序遞變段；②B 段—下部平行紋層段；③C 段—波痕紋層段或稱變形紋層段；④D 段—上部平行紋層段；⑤E 段—泥質(zhì)段。但實際情況下，大多濁積巖序列都是不完整的，根據(jù)調(diào)查區(qū)域內(nèi)的JPC 取樣，主要成分為非常軟的黏土，部分含粉砂，對應(yīng)鮑瑪序列的Td-e 段。

結(jié)合JPC 取樣、AMS14C 測年以及地球物理調(diào)查成果，調(diào)查區(qū)域內(nèi)最近一次重力流地質(zhì)事件發(fā)生于距今5.5 ka 左右，短時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生了一系列的重力流沉積事件，按照發(fā)生的先后順序，在本文中將分為4 個時期來描述：5.5 ka 前、濁流沉積、MTDs沉積和近5.5 ka 的沉積[8-11]。

（1）5.5 kaBP 前

根據(jù)調(diào)查區(qū)域西部的淺地層剖面，更早一期的重力流事件埋藏深度在海底以下約20 m，結(jié)合測年分析為約45 kaBP，而在此深度至近期的重力流事件之間，地層都是連續(xù)分布的。因此，45～5.5 kaBP之間調(diào)查區(qū)域內(nèi)為一段數(shù)萬年的穩(wěn)定深水沉積時期，期間未發(fā)生過可見的重力流事件，調(diào)查區(qū)域內(nèi)這一時間段的沉積層厚度約為8～12 m。

（2）5.5 ka 濁流沉積

根據(jù)濁流沉積上覆的沉積物的AMS14C 測年結(jié)果，濁流沉積發(fā)生于5.5 kaBP 左右。

濁流沉積分布非常廣，在調(diào)查區(qū)域內(nèi)覆蓋了超過1000 km2的區(qū)域，其平面分布呈扇狀，流經(jīng)之處并未發(fā)生明顯的侵蝕痕跡，主要物源為峽谷1。濁流沉積的分布受地形影響，優(yōu)先堆積于海底凹陷處，而在海底凸起處沉積層厚度較薄或者無沉積（圖9）。

（3）5.5 ka MTDs 沉積

緊跟著濁流沉積之后發(fā)生，主要來源為峽谷1，其分布與濁流沉積類似，并且?guī)缀鯇⒅暗臐崃鞒练e全部覆蓋或部分沖蝕，形成新的、更為崎嶇的海底。MTDs 事件中根據(jù)MTDs 的規(guī)模和能量，對下伏的濁流沉積地層有著不同的影響：較弱的MTDs會直接堆積在濁流沉積之上；稍強的MTDs 會與濁流混合，或者沖蝕掉一部分濁流沉積（圖7、圖10③）；較強的MTDs 會將濁流沉積完全沖蝕掉，甚至將濁流下伏的正常沉積地層也一并沖蝕掉（圖7、圖10④）。

（4）5.5 ka 至今

為一段較為穩(wěn)定的自然沉積時期，在此期間形成了最表層海底沉積物（圖10⑤），沉積物厚度表現(xiàn)為水越淺沉積物越厚。調(diào)查區(qū)域內(nèi)完成了超過4000 km 的AUV 調(diào)查，根據(jù)淺地層剖面上4 萬余個點位的資料，統(tǒng)計了調(diào)查區(qū)域內(nèi)近5.5 ka 以來的沉積速率，從水深約200 m 的陸架邊緣，到1600 m 深的陸坡底部，沉積速率由100 cm/ka 快速增至400 cm/ka，而后逐步降低到約25 cm/ka。此外，在MTDs 沉積之后所形成的崎嶇海底區(qū)，坡度較大（一般超過6°）的區(qū)域未見明顯的近期沉積。

圖 9 淺地層剖面——濁流堆積在海底凹陷處（圖1 中的D-D’）Fig.9 Sub-bottom profile— Turbidities in the seabed depressions（At D-D’ of Fig.1）

圖 10 濁流與MTDs 沉積模式Ⅰ 5.5 ka 前，Ⅱ 5.5 ka，Ⅲ 5.5 ka，Ⅳ 當(dāng)今； ①正常沉積，②濁流沉積，③MTDs 與濁流混合，④MTDs 將濁流完全沖蝕，⑤近5.5 ka 沉積。Fig.10 Turbidity and MTDs sedimentary modelsⅠ Before 5.5 ka,Ⅱ 5.5 ka,Ⅲ 5.5 ka,Ⅳ Now; ①Normal deposition, ②Turbidity deposition,③Mix of MTDs and Turbidity, ④Turbidity is depleted by MTDs completely, ⑤Deposition in 5.5 ka.

4.2 重力流分布特性

研究區(qū)域內(nèi)的3 處峽谷在歷史上均產(chǎn)生了多次重力流事件，而5.5 ka 發(fā)生的這次重力流事件，主要由峽谷1 滑塌引起，由淺至深影響了大部分的調(diào)查區(qū)域。在水深約1400～1600 m 的海底，重力流沉積分布廣泛，東西向橫跨約30 km（圖11）。

圖 11 調(diào)查區(qū)域水深光照圖及東-西向淺地層剖面（圖1 中的F-F’）①正常沉積，②濁流沉積，③MTDs 沉積。Fig.11 3D Illumination map and W-E sub-bottom profile in survey area（at F-F’ of Fig.1）①Normal deposition,②Turbidity deposition, ③MTDs deposition.

5 結(jié)論

（1）船載多波束后向散射圖能夠較為準(zhǔn)確地識別區(qū)域性重力流沉積區(qū)域以及表層沉積物的變化；AUV 搭載的淺地層剖面能夠精確地識別地層的縱向差異；JPC 取樣能夠獲取重力流沉積樣品及其物理力學(xué)參數(shù)；以上資料的綜合分析，是準(zhǔn)確識別、研究和認(rèn)識現(xiàn)代重力流沉積體系的重要方法。

（2）研究區(qū)內(nèi)最近的2 期重力流沉積分別發(fā)生于距今5.5 ka 左右和45 ka 前，重力流的發(fā)生一般都是由上陸坡區(qū)海底峽谷的活動引起的。

（3）最近的一期重力流事件中，先后發(fā)生了濁流沉積和MTDs 沉積，MTDs 沉積過程中會對下伏地層產(chǎn)生明顯的沖蝕現(xiàn)象。

（4）在重力流沉積區(qū)進行水下結(jié)構(gòu)物設(shè)計和施工時，應(yīng)特別關(guān)注重力流沉積引起的地形坡度變化，以及地層中土質(zhì)成分的差異，可能對水下結(jié)構(gòu)物的安裝和維護產(chǎn)生的影響。