深水斜坡類型與沉積過(guò)程及其產(chǎn)物研究進(jìn)展

馬本俊，秦志亮，吳時(shí)國(guó)，高微，高金尉，王吉亮，孫金，陳傳緒

1.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001 2.哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院，哈爾濱 150001 3.中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所深海地球物理與資源研究室，海南三亞 572000 4.青島國(guó)家海洋科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)研究室，山東青島 266061 5.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 6.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所海洋地質(zhì)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266071

0 引言

深水海底蘊(yùn)含著豐富的能源礦產(chǎn)資源，包括石油、天然氣以及天然氣水合物等。隨著對(duì)海洋探測(cè)程度的加深，研究者越來(lái)越認(rèn)為深水區(qū)蘊(yùn)含著更為豐富的礦產(chǎn)資源，因此深水區(qū)是“打開海洋資源之門的鑰匙”[1]。深水斜坡是連接淺水陸架或孤立淺水臺(tái)地與深海盆地之間的紐帶和橋梁，在淺水沉積物向深海盆地輸送過(guò)程中發(fā)揮著決定性的作用。正確認(rèn)識(shí)深水斜坡沉積規(guī)律，將直接決定尋找深水砂體的成功與否，這對(duì)深水油氣資源勘探開發(fā)具有十分重要的意義。此外，深水斜坡發(fā)育著廣泛的海底滑坡、濁流等重力流過(guò)程[2-5]，會(huì)對(duì)海底地層造成強(qiáng)烈破壞，因此，正確認(rèn)識(shí)深水斜坡沉積規(guī)律，對(duì)海底地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)和防護(hù)也具有十分重要的意義。

由于深水斜坡沉積過(guò)程的復(fù)雜性，一直是海洋深水沉積研究難點(diǎn)。深水斜坡發(fā)育不同類型的沿斜坡搬運(yùn)的重力流過(guò)程，而且不同類型流相態(tài)之間存在過(guò)渡轉(zhuǎn)變過(guò)程[6-10]。此外，深海底流活動(dòng)在深水海底廣泛存在，其可以對(duì)沉積物的形成強(qiáng)烈改造過(guò)程[11-12]，而且深水斜坡沉積過(guò)程往往還存在重力流與底流復(fù)雜的交互作用[13-14]；這都極大干擾了對(duì)斜坡輸送過(guò)程及其產(chǎn)物的恢復(fù)和識(shí)別。為了更加系統(tǒng)全面的掌握深水斜坡沉積規(guī)律，有必要對(duì)近年來(lái)的深水斜坡沉積成果進(jìn)行系統(tǒng)地梳理和總結(jié)。

實(shí)際上，深水斜坡沉積過(guò)程及其復(fù)雜的主要原因之一是因?yàn)樾逼鲁练e背景多種多樣。在大型河流注入的陸架斜坡，主要發(fā)育陸源硅質(zhì)碎屑沉積；在缺乏陸源輸入的淺水陸架或孤立碳酸鹽臺(tái)地及其斜坡，主要發(fā)育內(nèi)源巖沉積為主的碳酸鹽巖堆積；火山周緣斜坡在火山噴發(fā)時(shí)期，主要發(fā)育火山碎屑巖堆積為主的裙裾帶；而且在不同的沉積背景下，沉積物堆積方式、輸送規(guī)律及其控制因素都存在顯著差異[15-22]。比如在陸源碎屑沉積為主的陸架斜坡，多發(fā)育點(diǎn)源式大型峽谷水道，并且主要形成于陸源碎屑沉積物輸入較高的低位海平面時(shí)期[23-24]；而碳酸鹽臺(tái)地周緣斜坡多發(fā)育線源式的裙裾帶，沉積物輸送鼎盛時(shí)期往往集中于臺(tái)地生產(chǎn)力較高的高海平面時(shí)期[25-27]；海底火山斜坡也發(fā)育斜坡裙裾帶，但其堆積過(guò)程集中在相對(duì)短暫的火山噴發(fā)時(shí)期，通常形成與“正?！迸璧乇尘跋陆厝徊煌练e產(chǎn)物[28]。因此，本文以斜坡發(fā)育背景為主線深入系統(tǒng)地分析了三種類型深水斜坡沉積作用及其產(chǎn)物，即深水陸架斜坡、孤立碳酸鹽臺(tái)地周緣斜坡(稱為 “碳酸鹽斜坡”)、海底火山周緣深水斜坡(在本文中簡(jiǎn)稱“火山斜坡”)。

1 深水陸架斜坡

由于深水陸架斜坡沉積規(guī)律研究最為成熟和廣泛，導(dǎo)致其成為現(xiàn)代深水沉積學(xué)的理論基礎(chǔ)和主要內(nèi)容。沉積學(xué)家最初認(rèn)為深水環(huán)境缺乏粗粒沉積物來(lái)源，沉積主要以懸浮顆粒的緩慢沉降為主。但隨后科學(xué)家在深水斜坡，觀測(cè)到廣泛分布的峽谷水道體系，使科學(xué)家認(rèn)識(shí)到在深海海底除了緩慢沉降沉積以外，還普遍存在著海底濁流[1,29]。隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，深水沉積學(xué)家發(fā)現(xiàn)海底常年發(fā)育底流活動(dòng)，可對(duì)原有的沉積產(chǎn)物進(jìn)行改造，并發(fā)生再輸送再沉積過(guò)程；比如深水斜坡之上發(fā)育的漂積體、等深流水道等，都是底流改造作用下的沉積產(chǎn)物[3,30-37]。總的來(lái)說(shuō)，根據(jù)沉積物輸送動(dòng)力，深水陸架斜坡沉積過(guò)程可以被劃分為三種類型：重力驅(qū)動(dòng)的重力流沉積過(guò)程、底流(等深流)輸送沉積過(guò)程以及兩者交互沉積過(guò)程(圖1)。

1.1 重力流 (Gravity flow)及其產(chǎn)物

重力流是指以重力為主要搬運(yùn)動(dòng)力形成的一種沉積物流，其在輸送過(guò)程中會(huì)對(duì)海底造成強(qiáng)烈侵蝕作用[38-39]。重力流可將沉積物快速搬離原地并輸送到幾百公里甚至上千公里以外的深海盆地，可見其強(qiáng)大的輸送能力。根據(jù)重力流搬運(yùn)過(guò)程中的相態(tài)變化，重力流沉積物產(chǎn)物可以劃分為塊體搬運(yùn)體系(Mass transport complexes，簡(jiǎn)稱MTCs)和濁流沉積體系。MTCs是一種彈性—塑性流態(tài)下的產(chǎn)物，沿斜坡向下分別出現(xiàn)滑動(dòng)、滑塌、碎屑流等沉積類型[3-4,40](圖2)?；瑒?dòng)(Slide)是一種彈性流體，沉積物作為一個(gè)整體，在重力驅(qū)動(dòng)下沿著較為平直的剪切面滑動(dòng)，沉積物內(nèi)部基本上不發(fā)生變形[41]?；?Slump)是一種彈性向塑性流態(tài)轉(zhuǎn)變的相態(tài)，沿上凹剪切面旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，沉積物內(nèi)部一般保持連貫，但夾雜著由于旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的沉積物變形[40-41]。碎屑流(Debris flow)發(fā)生在滑塌之后，已完全轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄粤鲬B(tài)，沉積物呈線性層狀流動(dòng)，內(nèi)部表現(xiàn)為顆粒支撐，雜亂堆積[41]；濁流是一種黏滯性流，具有牛頓流體性質(zhì)，沉積物內(nèi)部顆粒主要表現(xiàn)為湍流方式支撐，最后沉積以懸浮沉降為主，形成正粒序?qū)有蛱卣?，也就是“鮑馬序列”[42]?；瑒?dòng)、滑塌、碎屑流以及濁流也可以是同一沉積塊體在不同階段的表現(xiàn)形式，也就是說(shuō)不同流態(tài)的重力流類型，沿斜坡向下，具有滑動(dòng)—滑塌—碎屑流—濁流的轉(zhuǎn)變過(guò)程[29]。

1.1.1 塊體搬運(yùn)體系(MTCs)

MTCs是沉積物從陸架坡折帶向深海盆地輸送的一種快速有效的事件性搬運(yùn)過(guò)程，在深海斜坡之上具有廣泛的發(fā)育范圍，通常只發(fā)生在淺表層[43-44]。研究人員認(rèn)為，當(dāng)沉積物受到的外界應(yīng)力超過(guò)了巖石的抗破裂強(qiáng)度時(shí)，首先發(fā)生表層沉積物脫離，然后脫離塊體在重力的驅(qū)動(dòng)下，沿斜坡搬運(yùn)，形成滑動(dòng)或滑塌，隨后轉(zhuǎn)變?yōu)樗樾剂鱗45-46]。理論上，只要能導(dǎo)致巖石抗破裂強(qiáng)度減弱以及沉積物所受外界應(yīng)力增大的因素都可以觸發(fā)MTCs。斷層活動(dòng)、基底沉降等構(gòu)造活動(dòng)因素，可能會(huì)導(dǎo)致海底斜坡陡化，原有沉積物自身重力沿斜坡的分量增大，會(huì)對(duì)海底斜坡剪切作用增強(qiáng)，從而觸發(fā)大型塊體流事件。構(gòu)造因素觸發(fā)的MTCs，一般需要經(jīng)歷緩慢的應(yīng)力積累，具有發(fā)生頻率低，間歇時(shí)間長(zhǎng)，但發(fā)生規(guī)模大的特點(diǎn)[47-49]。地震、火山噴發(fā)及其引發(fā)的海嘯、風(fēng)暴浪、潮汐流等大規(guī)模海水運(yùn)動(dòng)，也會(huì)觸發(fā)不穩(wěn)定的斜坡沉積物，形成MTCs事件。最新研究顯示，斜坡沉積物中的水合物分解，會(huì)迅速增大沉積物空隙壓力，降低沉積物抗剪切強(qiáng)度，從而引發(fā)海底MTCs[50-51]。實(shí)際上，MTCs更多的是在多因素的聯(lián)合作用下形成的。

圖1 不同的深水斜坡沉積過(guò)程示意圖[33]Fig.1 Schematic of different sedimentary processes in deep-water slope[33]

圖2 深水重力流沉積類型及其沉積過(guò)程[3]Fig.2 Types and sedimentary processes of deep-water gravity flow[3]

Bulletal.[41]將MTCs的空間結(jié)構(gòu)依次劃分為三個(gè)單元，分別為靠近最開始發(fā)生部位的頭部拉張區(qū)、中間部位的體部滑移—擠壓變形區(qū)，以及趾部擠壓變形區(qū)(圖3)。

(1) 頭部拉張區(qū)：斜坡沉積物由于自身重力或其他觸發(fā)機(jī)制，受到沿斜坡方向的拉張應(yīng)力，而發(fā)生破裂崩塌。崩塌區(qū)域由于沉積物被搬離，造成地層缺失，表現(xiàn)為斷崖或陡坎；滑塌體沿斜坡搬運(yùn)過(guò)程中，內(nèi)部還保留部分拉張應(yīng)力，導(dǎo)致形成犁式正斷層；滑移體或滑塌體沿斜坡向下滑動(dòng)，侵蝕海底或圍巖，進(jìn)一步造成海底地層缺失，形成側(cè)壁陡坎。拉張斷層和斷崖是頭部拉張區(qū)最為明顯的識(shí)別標(biāo)志之一。

圖3 MTCs的內(nèi)部結(jié)構(gòu)模式圖解[41]1.頭壁；2.側(cè)壁(陡坎)；3.滑移剪切面；4.局部隆起；5.拉張脊與塊體；6.側(cè)向擠壓脊；7.殘留塊體；8.漂塊；9.擠壓脊；10. 底界剪切面溝槽；11.底界斜坡與平地；12.火山等正地形；13.二次流建造；14.褶皺；15.褶皺與逆沖體系；16.逸出塊體濁流體系Fig.3 Schematic of the internal architecture for MTCs[41]1. headwall; 2. lateral margin (Scarp); 3. slide surface; 4. local uplifts; 5. extensional ridge and blocks; 6. lateral compression ridge; 7. remnant block; 8. erratic block; 9. pressure ridge; 10. basal shear surface groove; 11. basal shear ramps and flats; 12. positive geomorphology like volcano; 13. second order flow fabric; 14. fold; 15. fold and thrust systems; 16. outrunner blocks

(2) 體部滑移—擠壓變形區(qū)：沿斜坡向下，地形坡度逐漸變小，重力驅(qū)動(dòng)變?nèi)酰倭砍练e物開始發(fā)生沉積，主要為部分大型滑動(dòng)塊體由于缺乏動(dòng)力，堆積海底，形成漂塊；繼續(xù)滑動(dòng)的塊體對(duì)海底仍然具有很強(qiáng)的侵蝕性，表現(xiàn)為發(fā)育廣泛的侵蝕溝槽和坡坪；當(dāng)滑移體或滑塌體遇到火山等海底正地形阻擋時(shí)，會(huì)繞開正地形，或在其之前堆積，從而使得正地形后面海底沉積物免遭破壞，正地形之后的原狀地層稱為殘留地層。

(3) 趾部擠壓變形區(qū)：該區(qū)域地形更加平緩，沉積物輸送動(dòng)力進(jìn)一步變?nèi)酰浅练e發(fā)生的主要部位。在搬運(yùn)過(guò)程中，沉積物逐漸變形破碎化，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗樾剂?。碎屑流?nèi)部顆粒運(yùn)動(dòng)速度逐漸出現(xiàn)差異，沉積物搬運(yùn)方向前部運(yùn)動(dòng)較慢的沉積物顆粒與后部移動(dòng)較快的顆粒相互擠壓，導(dǎo)致在與搬運(yùn)方向垂直的的方向上形成擠壓脊、以及逆沖斷層。還有部分塊體，具有較大動(dòng)能，從MTCs的主體中逃逸出來(lái)，被輸送到更遠(yuǎn)的深水區(qū)域，該部分塊體就稱為逸出塊體。

MTCs內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有明顯的識(shí)別特征，因此可以利用高分辨率地震資料識(shí)別大型MTCs，并可圈定其三維空間上的分布范圍[47-51]?；瑒?dòng)塊體底界面(剪切侵蝕界面)主要表現(xiàn)為強(qiáng)振幅、高連續(xù)反射，內(nèi)部同相軸保留原有地層的反射特征；滑塌體同樣具有強(qiáng)振幅、高連續(xù)反射的頂?shù)捉缑?，但?nèi)部同相軸一般發(fā)育沉積物變形的反射特征；碎屑流沉積體與上覆地層往往呈不規(guī)則接觸，側(cè)向尖滅，內(nèi)部同相軸多表現(xiàn)為弱振幅且雜亂的反射特征(圖4、表1)。

圖4 不同MTCs的地震反射剖面A.滑移體地震反射剖面[51]；B.滑塌體地震反射剖面[52]；C.碎屑流沉積地震反射剖面[53]Fig.4 Seismic profiles of different MTCsSeismic section of A. slide[51], B. slump[52], and C. debris flow[53]

MTCs類型地震反射特征滑動(dòng)(Slide)強(qiáng)振幅、高連續(xù)頂?shù)捉缑?內(nèi)部保留原有地層發(fā)射特征滑塌(Slump)強(qiáng)振幅、高連續(xù)頂?shù)捉缑?內(nèi)部強(qiáng)烈變形反射,可見擠壓脊,疊瓦狀滑動(dòng),雙重構(gòu)造碎屑流(Debris flow)剪切侵蝕界面不規(guī)則,多表現(xiàn)為側(cè)向殲滅,內(nèi)部變形明顯,表現(xiàn)為雜亂反射

1.1.2 濁流體系

20世紀(jì)30年代，學(xué)者意識(shí)到海底斜坡存在廣泛的濁流過(guò)程，侵蝕海底形成峽谷水道等線性沉積地貌[52]。實(shí)際上，濁流是一種與塊體流不同的重力流過(guò)程，在重力驅(qū)動(dòng)下，沉積物主要以懸浮湍動(dòng)的形式沿斜坡輸送。濁流頭部在流動(dòng)過(guò)程中，對(duì)海底具有很強(qiáng)的侵蝕性，可以不斷侵蝕海底沉積物再懸浮，從而不斷被濁流捕獲[42,53]。有研究表明，在濁流內(nèi)部粗粒沉積物從下到上呈遞減趨勢(shì)變化，而細(xì)粒沉積物在垂向上卻幾乎沒(méi)有變化，當(dāng)濁流沉積后，就會(huì)形成“鮑馬序列”[54]。流動(dòng)中的濁流，底部粗顆粒沉積物會(huì)受到海底摩擦力阻礙，導(dǎo)致流動(dòng)速度變慢；頂部細(xì)顆粒沉積物受到海水的黏滯力的阻礙，速度也會(huì)變慢；中部顆粒受到阻力最小，流動(dòng)最快；濁流內(nèi)部垂向上的速度差異，造成上層顆粒相對(duì)中層沉積物顆粒向后旋轉(zhuǎn)，形成波狀的沉積底形，稱為濁流沉積物波(圖5)。濁流最為顯著的特征就是對(duì)海底的強(qiáng)烈侵蝕，塑造了海底峽谷、水道等沉積體系[56-58]。

1.2 深水牽引流 (Deep water traction current)及其產(chǎn)物

影響深水斜坡沉積的牽引流，主要包括底流(等深流)、內(nèi)孤立波以及中尺度渦等，是具有牛頓流體性質(zhì)的流體，對(duì)深水斜坡沉積物具有強(qiáng)烈的改造作用[59-60]。深水牽引流對(duì)沉積物的改造主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面，包括對(duì)沉積物輸送和對(duì)海底的侵蝕。本文將重點(diǎn)討論包括等深流在內(nèi)的底流沉積效應(yīng)及其產(chǎn)物。

圖5 濁流不同分層顆粒運(yùn)動(dòng)方式圖解[55]Fig.5 Schematic of internal particle motion in different turbidity flow layers[55]

等深流 (Contour current)是因地球旋轉(zhuǎn)而形成的沿等深線流動(dòng)的大型溫鹽環(huán)流[61]。在研究初期，若不強(qiáng)調(diào)“等深”這一特征，也可將等深流籠統(tǒng)的稱為底流 (Bottom current)，這是狹義的底流涵義。當(dāng)前，底流不再僅僅指等深流，其含義被擴(kuò)展為包括等深流在內(nèi)的一切接近海底的流動(dòng)[61]。長(zhǎng)期穩(wěn)定的底流可以攜帶大量的沉積物，并在流動(dòng)強(qiáng)度減弱的區(qū)域快速堆積，其沉積產(chǎn)物形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以將底流流向、強(qiáng)度以及演化過(guò)程等重要信息記錄下來(lái)[62]。在以往報(bào)道中，研究人員將底流改造形成的堆積產(chǎn)物統(tǒng)稱為漂積體 (Drift)；并基于漂積體形態(tài)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，將其劃分為深水漂積體以及丘狀漂積體兩大類，其中深水漂積體主要為板狀漂積體，丘狀漂積體具有遷移加積特征，據(jù)形態(tài)變化，又可細(xì)分為涂抹狀、分離狀、隔斷式、封閉式以及水道相關(guān)的漂積體等(圖6)[61]。

圖6 不同漂積體形態(tài)特征示意圖[61]Fig.6 Geometry characteristics schematics for different drifts[61]

底流強(qiáng)度較大時(shí)，會(huì)對(duì)海底造成侵蝕，造成沉積間斷，并形成侵蝕地貌[63-64]。Sunetal.[65]系統(tǒng)地總結(jié)了底流侵蝕海底斜坡，形成的線型侵蝕地貌，包括等深流侵蝕形成的皺痕、底流遇障礙物形成的沖刷痕、拉長(zhǎng)的麻坑、流線痕、侵蝕谷等(圖7)。像濁流侵蝕形成的峽谷、沖溝，與重力驅(qū)動(dòng)下的沉積物輸送有關(guān)，延伸方向與斜坡傾向一致；但底流侵蝕形成的線型地貌，延伸方向主要受控于底流流動(dòng)方向，與地形幾乎無(wú)關(guān)[65]。若底流方向與斜坡傾向相同或相反，侵蝕海底，同樣會(huì)形成沿斜坡傾向的線型地貌，與濁流成因的線型地貌類似，容易混淆。

1.3 重力流與底流交互作用及其產(chǎn)物

實(shí)際上，同一地點(diǎn)深水環(huán)境往往不會(huì)單純的受控于底流或重力流，更為可能的是同時(shí)存在重力流與底流活動(dòng)，或不同時(shí)期重力流與底流交互成為主導(dǎo)作用。這種重力流與底流共同或不同時(shí)期交替主導(dǎo)該區(qū)域的沉積過(guò)程，稱為重力流與底流交互作用。重力流沿斜坡將沉積物輸送至深水盆地，沉積后受到底流改造，發(fā)生再輸送、再沉積；此外，在底流作用較強(qiáng)的斜坡區(qū)域，底流侵蝕海底會(huì)增加海底不穩(wěn)定性，從而誘發(fā)產(chǎn)生滑塌等重力流過(guò)程[13]。近幾年，重力流與底流交互作用的報(bào)道越來(lái)越多，其中Gongetal.[14], Gongetal.[66]和Zhuetal.[67]對(duì)海底單向遷移水道形成和演化模式的研究，是重力流和底流交互作用的典型實(shí)例。單向遷移水道的形成和演化過(guò)程可以總結(jié)為如下過(guò)程：

圖7 底流侵蝕深水斜坡形成的海底底形模式圖[65]Fig.7 Schematic for seafloor bedforms induced by different submarine currents in deep-water slopes[65]

(1) 在低海平面時(shí)期，陸源物質(zhì)可以輸送到更遠(yuǎn)的陸架坡折，沿斜坡向下的濁流較為發(fā)育，表現(xiàn)為發(fā)生強(qiáng)度大、頻率高。濁流主導(dǎo)下的斜坡，受到強(qiáng)烈侵蝕，形成侵蝕沉積地貌—峽谷水道。這段時(shí)期，斜坡沉積物主要表現(xiàn)為“過(guò)路”作用，水道內(nèi)只有少量滯留沉積；此時(shí)，底流作用微弱，對(duì)沉積物幾乎沒(méi)有改造作用(圖8-①)。

(2) 在海平面開始上升時(shí)期，沿斜坡向下的沉積物供給變少，濁流開始變?nèi)?，?dǎo)致水道侵蝕變?nèi)?，水道?nèi)逐漸被沉積物所充填；此時(shí)平行斜坡流動(dòng)的底流活動(dòng)開始變強(qiáng)，局部可能觸發(fā)水道側(cè)壁滑塌體的出現(xiàn)(圖8-②)。

圖8 深水單向遷移水道的演化模式圖解[66]Fig.8 Schematic for the evolution of deep-water unidirectionally migrating channels[66]

(3) 高海平面時(shí)期，底流強(qiáng)度達(dá)到鼎盛，替代濁流，成為主導(dǎo)斜坡沉積過(guò)程的主要因素。底流流動(dòng)方向與水道延伸方向垂直，可將細(xì)粒沉積物搬離原地，從而在水道側(cè)壁形成向底流流動(dòng)方向進(jìn)積的側(cè)向進(jìn)積體，造成對(duì)水道的側(cè)向充填；只有底流流動(dòng)方向一側(cè)水道殘留繼續(xù)存在(圖8-③)。

(4) 當(dāng)海平面下降再次進(jìn)入低海平面時(shí)期，濁流活動(dòng)逐漸變強(qiáng)，替代底流，再次成為斜坡沉積過(guò)程的主導(dǎo)因素；濁流在殘留水道中繼續(xù)發(fā)育，形成新的水道體系；在海平面的控制下，以上過(guò)程交替出現(xiàn)，最終形成了單向遷移水道(圖8-④)。

1.4 斜坡沉積物蠕動(dòng)(Sediment creep)

在重力的驅(qū)動(dòng)下，深水陸架斜坡上的沉積物，除了發(fā)生快速搬運(yùn)的重力流過(guò)程，還存在一種十分緩慢的滑動(dòng)過(guò)程，即沉積物蠕動(dòng)[68]。蠕動(dòng)地層通常由高塑性的細(xì)粒沉積物組成，發(fā)育在較為平緩的斜坡之上。蠕動(dòng)早期，地層內(nèi)部沒(méi)有明顯破碎現(xiàn)象，一般作為一個(gè)整體沿層理面、斷層面或節(jié)理面發(fā)生緩慢的移動(dòng)；并主要受控于斜坡的坡度、巖性、沉積物孔隙壓力等因素[69]。長(zhǎng)時(shí)間的蠕動(dòng)變形積累，會(huì)導(dǎo)致地層內(nèi)部破裂，進(jìn)而導(dǎo)致蠕動(dòng)塊體向滑塌過(guò)程轉(zhuǎn)變[70]。這說(shuō)明沉積物蠕動(dòng)預(yù)示著斜坡具有潛在的滑塌風(fēng)險(xiǎn)[71]。沉積物蠕動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塌和沉積物蠕動(dòng)變形有關(guān)，主要成因機(jī)制可以概括為：蠕動(dòng)界面對(duì)蠕動(dòng)塊體造成剪切，導(dǎo)致沉積物內(nèi)部變形，主要有兩種表現(xiàn)形式：一是沉積物撓曲，形成小型褶皺；二是地層破裂，形成內(nèi)部斷層[69-71]；當(dāng)蠕動(dòng)變形累積到一定程度，大量地層破裂會(huì)迅速發(fā)生，巖石抗破裂強(qiáng)度迅速降低；在重力作用下或其他觸發(fā)因素(地震、火山噴發(fā)等)作用下，蠕動(dòng)塊體就會(huì)出現(xiàn)崩塌(圖9)。目前，對(duì)斜坡沉積物蠕動(dòng)及其變形的研究程度還很低，主要原因在于蠕動(dòng)過(guò)程極其緩慢，變形程度較小，利用現(xiàn)有技術(shù)識(shí)別蠕動(dòng)變形難度較大。借助高分辨率的地震底料以及海底多波束測(cè)深資料，是今后識(shí)別海底蠕動(dòng)或蠕動(dòng)變形的有效手段；并且借助實(shí)驗(yàn)室物理模擬，是對(duì)海底蠕變研究必不可少的研究?jī)?nèi)容。

2 碳酸鹽斜坡

碳酸鹽臺(tái)地是指淺水環(huán)境下由于碳酸鹽巖堆積所形成的水下高臺(tái)，比如生物礁組成的大型環(huán)礁等。孤立碳酸鹽臺(tái)地(簡(jiǎn)稱“孤立臺(tái)地”)通常出現(xiàn)在深水環(huán)境背景之下，遠(yuǎn)離陸地，幾乎不受陸源碎屑物質(zhì)輸入影響；孤立臺(tái)地的典型研究實(shí)例包括巴哈馬群島、馬爾代夫群島、西沙群島等島礁型碳酸鹽臺(tái)地[72-74]。在孤立臺(tái)地周緣就發(fā)育著碳酸鹽斜坡，，其主要接受臺(tái)地脫落的碳酸鹽巖碎屑輸入，形成異地碳酸鹽巖堆積[44]。

基于碳酸鹽斜坡地形地貌特征，將其劃分為兩種類型：一是平緩型斜坡(carbonate ramp)，主要表現(xiàn)為水深逐漸加深，向深海盆地平緩過(guò)渡[75-76]；二是鑲邊型斜坡，表現(xiàn)為水深迅速加深，向深海盆地快速過(guò)渡[77-80]。碳酸鹽臺(tái)地生產(chǎn)力及其輸出能力決定了臺(tái)地與碳酸鹽斜坡沉積速率的差異，進(jìn)而決定了碳酸鹽斜坡類型。如果臺(tái)地垂向生長(zhǎng)緩慢或向碳酸鹽斜坡輸出沉積物數(shù)量大、頻率高，那么臺(tái)地與碳酸鹽斜坡沉積速率差異小，則臺(tái)地周緣發(fā)育較為平緩的斜坡類型；如果臺(tái)地垂向生長(zhǎng)快或向邊緣斜坡輸出沉積物數(shù)量小、頻率低，則臺(tái)地周緣發(fā)育較為陡峻的斜坡類型[81]。其中，臺(tái)地發(fā)育大型環(huán)礁時(shí)，垂向生長(zhǎng)較快，相應(yīng)的發(fā)育陡峻斜坡，故而環(huán)礁往往與陡峻的碳酸鹽斜坡伴生；這種發(fā)育環(huán)礁和陡峻斜坡的臺(tái)地稱為鑲邊型臺(tái)地，對(duì)應(yīng)的碳酸鹽斜坡稱為鑲邊型斜坡。此外，碳酸鹽斜坡沉積過(guò)程及其產(chǎn)物對(duì)臺(tái)地生長(zhǎng)狀態(tài)異常敏感，因此，可以通過(guò)研究不同時(shí)期的碳酸鹽斜坡沉積特征，來(lái)揭示碳酸鹽臺(tái)地當(dāng)時(shí)的生長(zhǎng)狀態(tài)，進(jìn)而判斷臺(tái)地對(duì)應(yīng)時(shí)期是否處于健康的生長(zhǎng)階段[19]。

圖9 斜坡沉積物蠕動(dòng)、變形及其轉(zhuǎn)化滑塌過(guò)程模式圖解[70]Fig.9 Schematic of sediment creeps and submarine slump evolution [70]

碳酸鹽斜坡不同于陸架斜坡，沉積過(guò)程至少有4點(diǎn)存在差異：1)碳酸鹽斜坡沉積物來(lái)自于碳酸鹽臺(tái)地，是造礁生物從海水捕獲或凝結(jié)的碳酸鹽礦物，本質(zhì)上是內(nèi)源巖；陸架斜坡沉積物主要來(lái)自于陸地風(fēng)化剝蝕產(chǎn)物，本質(zhì)上是河流輸入的硅質(zhì)碎屑沉積物[18，82]。2)碳酸鹽斜坡對(duì)沉積物的輸送模式多表現(xiàn)為線源式，形成環(huán)繞臺(tái)地的裙裾帶沉積[44]；而陸架斜坡對(duì)沉積物輸送模式往往表現(xiàn)為點(diǎn)源式，形成大型峽谷—水道—海底扇沉積[16,21-23]。3)碳酸鹽斜坡主要在海平面高位期輸送碳酸鹽巖碎屑沉積物，而陸架斜坡主要在海平面低位期輸送陸源碎屑[27,83-84]。4)碳酸鹽斜坡是以間歇的方式輸出沉積物，臺(tái)緣水深較淺，可受控于波浪、潮汐、風(fēng)暴浪及其引發(fā)的密度流[85]；而陸架斜破雖然也表現(xiàn)為間歇的方式輸出沉積物，但主要以為重力流輸送為主，水深較深，受波浪、潮汐影響較小。

孤立碳酸鹽臺(tái)地遠(yuǎn)離陸地，幾乎不受陸源碎屑注入影響，碳酸鹽斜坡主要接受臺(tái)地脫落碎屑輸入，形成異地碳酸鹽巖堆積；或與半深海軟泥混合，形成混合沉積[80,86-88]。異地碳酸鹽巖，也有人稱其為再沉積碳酸鹽巖，廣泛發(fā)育在碳酸鹽斜坡：臺(tái)地碳酸鹽巖在未固結(jié)或半固結(jié)時(shí)由于外力作用，從臺(tái)地脫落，并被輸送到異地堆積[44]。混合沉積也是碳酸鹽斜坡較為常見的沉積類型，是指內(nèi)源碳酸鹽巖與陸源硅質(zhì)碎屑混合后沉積或兩者在同一地區(qū)不同時(shí)期交替沉積形成的交互沉積旋回[89]。最新研究顯示，碳酸鹽斜坡也存在復(fù)雜的沿斜坡重力流輸送與橫跨斜坡底流作用及其交互作用，并受控于海平面波動(dòng)、季風(fēng)演變等因素[73,90]。在臺(tái)地生產(chǎn)力較高的高海平面時(shí)期，臺(tái)地輸出沉積物能力增強(qiáng)，斜坡堆積的沉積物穩(wěn)定性差，容易受到外力作用發(fā)生斜坡垮塌，形成碳酸鹽巖重力流；碳酸鹽巖重力流沿斜坡流動(dòng)過(guò)程中，侵蝕海底，形成類似于陸架斜坡的侵蝕沉積地貌，比如MTCs、沖溝、陡坎等；底流活動(dòng)也可能會(huì)直接侵蝕海底，在碳酸鹽斜坡形成環(huán)繞臺(tái)地的等深流水道；這種底流侵蝕會(huì)進(jìn)一步增加斜坡坡度，降低斜坡穩(wěn)定性，促進(jìn)重力流的形成；底流還可以對(duì)斜坡原有的沉積體改造，形成碳酸鹽斜坡漂積體(圖10)[73]。

Mulderetal.[78]報(bào)道了在現(xiàn)代碳酸鹽斜坡背景下，首次發(fā)現(xiàn)了類似于碳酸鹽巖水道，形態(tài)以及內(nèi)部充填結(jié)構(gòu)與陸架斜坡水道體系相似；但碳酸鹽巖水道規(guī)模相對(duì)較小，與陸架斜坡水道規(guī)模相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。基于地震資料以及鉆孔數(shù)據(jù)，研究人員在碳酸鹽斜坡水道內(nèi)識(shí)別出底部滯留沉積、堤岸以及漫溢等沉積相類型；與陸架斜坡水道類似，碳酸鹽斜坡水道通過(guò)漫溢可以對(duì)沉積物顆粒進(jìn)行分選，將細(xì)粒沉積物漫溢出水道，在水道內(nèi)形成粗粒沉積物聚積(圖11)。Maetal.[91]在南海北部流花碳酸鹽臺(tái)地邊緣斜坡識(shí)別出一條混合沉積水道，揭示了碳酸鹽斜坡可以通過(guò)原有的陸架斜坡水道輸送碳酸鹽巖碎屑，形成高頻交互混合沉積旋回。以上最新研究表明碳酸鹽斜坡沉積過(guò)程比之前認(rèn)為的更為復(fù)雜，尤其是臺(tái)緣水道體系對(duì)淺水碳酸鹽巖的“源—匯”輸送過(guò)程扮演著極其重要的作用，這對(duì)深水碳酸鹽巖堆積和全球碳循環(huán)都具有重要意義[78,92]。相比陸架斜坡，碳酸鹽斜坡更容易被膠結(jié)，更容易耗散重力流對(duì)海底的侵蝕，阻礙沉積物的長(zhǎng)距離搬運(yùn)；而且碳酸鹽斜坡缺乏點(diǎn)源式物源輸出模式，重力流很難集中在固定的輸出路徑；以上原因?qū)е绿妓猁}斜坡很難形成單條大型碳酸鹽巖水道[77-79]。

圖10 碳酸鹽斜坡沉積過(guò)程及其發(fā)育的地貌類型[74]Fig.10 Schematic of peri-platform sedimentary processes and geomorphologies[74]

3 火山斜坡

火山噴發(fā)時(shí)產(chǎn)生大量的火山物質(zhì)，并在火山間歇期為周緣斜坡提供沉積物質(zhì)來(lái)源，從而火山活動(dòng)改變了原有的源匯體系，會(huì)“干擾”盆地的正常充填過(guò)程[93]。火山噴發(fā)聚積的火山物質(zhì)可形成海底高地或火山島礁，但新生成的火山還處于極其不穩(wěn)狀態(tài)，表現(xiàn)為火山斜坡發(fā)生火山碎屑坡移輸送(Mass-wasting transport)，包括火山物質(zhì)為主的碎屑流、濁流等；由于火山物質(zhì)再輸送而沉積在火山斜坡之上，形成斜坡裙裾帶[94-95]?；鹕叫逼氯柜諑Ц采w的范圍非常廣闊，甚至占整個(gè)火山隆起體積的90%[96]。

火山斜坡沉積過(guò)程受控于火山活動(dòng)：1)火山噴發(fā)時(shí)期，大量的火山物質(zhì)(包括熔巖和火山灰)堆積，并輸送至火山斜坡，形成火山錐[97-98]。2)火山噴發(fā)間歇時(shí)期，火山及其斜坡上大量的火山物質(zhì)可以通過(guò)重力驅(qū)動(dòng)以及波浪、潮汐以及洋流搬運(yùn)，將火山碎屑輸送至周緣深水盆地，該過(guò)程實(shí)際上是火山活動(dòng)創(chuàng)造的新“源—匯”體系[99]。3)火山物質(zhì)積聚形成的地形起伏會(huì)改變?cè)械乃畡?dòng)力條件，從而對(duì)火山斜坡沉積體系形成改造[100]。4) 火山活動(dòng)區(qū)域基底活動(dòng)強(qiáng)烈，比如噴發(fā)時(shí)期，熱流值高，基底抬升，但火山間歇時(shí)期，巖漿冷卻，基底熱沉降較快；該過(guò)程改變了沉積盆地的可容納空間，可對(duì)盆地充填序列造成影響。

近年來(lái)，對(duì)火山斜坡沉積過(guò)程的研究主要集中在冰島地區(qū)的Surtsey火山以及意大利的斯特隆博利島區(qū)域的Stromboli火山。Surtsey火山在1963—1967年間集中噴發(fā)，幾年的時(shí)間，垂向積聚了幾百米厚的火山物質(zhì)，形成了以火山灰為主的火山島；噴發(fā)停止后，火山島在海浪的作用下發(fā)生快速侵蝕，并將大量的火山碎屑輸出到周緣斜坡和深水盆地；幾年后，由于強(qiáng)烈的海浪侵蝕，Surtsey火山快速淹沒(méi)于海平面之下；此外，火山基底熱沉降，也促進(jìn)了火山島的淹沒(méi)[93,99]。圖12為Surtsey火山在不同時(shí)期的航拍照片，顯示出火山噴發(fā)在短時(shí)間內(nèi)，迅速形成火山島，并在之后，遭受波浪侵蝕快速淹沒(méi)的過(guò)程。Surtsey火山研究實(shí)例揭示了火山活動(dòng)對(duì)源匯過(guò)程、可容納空間以及水動(dòng)力條件的重要影響。

圖11 巴哈馬碳酸鹽臺(tái)地臺(tái)緣水道地震反射特征[78]Fig.11 The seismic reflection features of the peri-platform carbonate channel in the Bahama Bank[78]

Stromboli火山研究實(shí)例顯示在火山斜坡發(fā)育兩種類型斜坡沉積過(guò)程。1)不穩(wěn)定型斜坡沉積過(guò)程：在重力作用下，火山碎屑沿斜坡發(fā)生快速搬運(yùn)，形成海底滑坡、侵蝕溝槽等地貌類型。2)穩(wěn)定型斜坡沉積過(guò)程：在波浪、潮汐等水動(dòng)力作用下，火山碎屑向周緣斜坡快速進(jìn)積，在剖面上形成類似沙灘一樣的進(jìn)積楔，在三維空間上形成水下平臺(tái)(圖13)。在遠(yuǎn)端火山斜坡，逐漸過(guò)渡為深水盆地，發(fā)育半深海沉積物與火山碎屑的混合沉積[28,101-104]。最新研究表明，火山周緣火山物質(zhì)快速輸出，可堆積形成類似碳酸鹽斜坡的形貌特征[105]。以上觀測(cè)結(jié)果說(shuō)明了火山斜坡發(fā)育多種沉積類型，沉積過(guò)程較為復(fù)雜。

4 對(duì)南海深水斜坡沉積研究的啟示

開展對(duì)南海深水斜坡沉積體系的研究，不僅具有重要的科學(xué)意義，而且具有實(shí)際的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價(jià)值。南海發(fā)育大陸架、孤立碳酸鹽臺(tái)以及海底火山，具有豐富的斜坡類型，是開展深水斜坡沉積過(guò)程研究的天然實(shí)驗(yàn)室。而且實(shí)際勘探工作表明，南海深水區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的油氣以及天然氣水合物等礦產(chǎn)資源，但目前對(duì)其研究程度還很低。此外，近年來(lái)，南海島礁開發(fā)等工程建設(shè)也正在如火如荼的開展，急需加強(qiáng)對(duì)深水斜坡潛在的地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)控。因此，本文綜述近年來(lái)不同的深水斜坡沉積理論，對(duì)我們開展南海深水斜坡沉積研究具有如下啟示：

首先，要認(rèn)識(shí)到不同斜坡類型涉及的沉積過(guò)程存在較大差異，因此，不能簡(jiǎn)單的混用或套用單一背景下斜坡沉積理論。南海具有多背景下不同類型的深水斜坡，有必要對(duì)不同背景下的深水斜坡體系進(jìn)行系統(tǒng)的分類研究；建立標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同的深水斜坡進(jìn)行系統(tǒng)分類，從而將不同特點(diǎn)的深水斜坡沉積體系納入到一個(gè)統(tǒng)一的理論框架之下。

其次，南海深水環(huán)流模式復(fù)雜，而且強(qiáng)度較大，對(duì)深水斜坡沉積體系具有較強(qiáng)的改造作用。尤其是與深水斜坡等深線近于平行的方向，等深流活動(dòng)對(duì)斜坡形態(tài)的形成具有重要影響。因此，在研究深水沉積體系時(shí)，除了關(guān)注沉積物的跨斜坡輸送過(guò)程，還應(yīng)特別關(guān)注平行斜坡的等深流沉積效應(yīng)。實(shí)際上，深水沉積過(guò)程更多的表現(xiàn)為重力流與底流活動(dòng)的交互作用，綜合考慮兩者之間的相互作用關(guān)系，才能更為真實(shí)的還原深水沉積過(guò)程。

圖12 Surtsey火山航拍照片，顯示的火山島嶼面積變遷[101]。Fig.12 Aerial photographs of Surtsey Island, showing the area changes caused by the volcano[101]

圖13 A.不穩(wěn)定火山斜坡形成的滑坡沉積[102]；B.穩(wěn)定斜坡形成的側(cè)向進(jìn)積體[28]Fig.13 A. Submarine landslide formed on unstable volcanic slope [102]; B. Lateral progradation formed on stable volcanic slope[28]