東海陸架與臺灣海峽地層中混合事件層的發(fā)現(xiàn)與意義

單 新，石學法*，金麗娜，喬淑卿，劉升發(fā)，黨 院

（1. 自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2. 自然資源部 海洋地質(zhì)與成礦作用重點實驗室，山東 青島 266061；3. 嶗山實驗室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實驗室，山東 青島 266235）

沉積物重力流是全球大體積碎屑沉積物遠距離搬運的最重要方式（Talling et al, 2007; 徐景平,2014）。水下沉積物重力流將巨量沉積物、有機碳甚至微塑料、垃圾搬運至深海，影響全球地球化學循環(huán)（Kane et al, 2019）。一次大型水下沉積物重力流可攜帶超過100 km3的沉積物，超過全球河流一年入海沉積物總量（Talling et al, 2007）。遠距離搬運的巨量碎屑沉積物可在深海堆積形成海底扇，易成為重要油氣儲層（龐雄等, 2005; 朱偉林等, 2012）。另外，水下沉積物重力流頻發(fā)，可危害深水油氣平臺、油氣管線、海底通信電纜等海底設施（Pope et al, 2017）?？梢?，海底沉積物重力流搬運過程不僅是海洋地質(zhì)學和沉積學的基礎科學問題，更與人類的日常生活密切相關。

傳統(tǒng)研究認為，海底垮塌形成的滑動、滑塌在搬運過程中吸納海水，導致流體中懸浮沉積物濃度降低，由層流向紊流轉(zhuǎn)化，即由滑動、滑塌、碎屑流向濁流轉(zhuǎn)化（Haughton et al, 2003; Haughton et al, 2009）。然而，許多沉積物重力流沉積的平面分布并非按此規(guī)律有序排布（圖1）。學者們通過大量露頭、巖芯和地震剖面的研究發(fā)現(xiàn)深海平原、大陸坡底部和深水扇的邊緣也廣泛發(fā)育碎屑流沉積，這與深海沉積環(huán)境以濁流沉積為主的傳統(tǒng)觀點不同（Kane et al, 2012）。深海沉積中的碎屑流沉積常常夾在兩層濁流沉積之中，組成一個事件層，不符合“鮑馬序列”或碎屑流沉積序列（圖1）。由于濁流沉積和碎屑流沉積存在同一事件層中，表明濁流與碎屑流的形成與演化具有成因上的聯(lián)系，因此，這種沉積被稱為混合事件層或混合重力流沉積（Kane et al, 2012）?；旌鲜录拥陌l(fā)現(xiàn)標志了一種新的沉積物順坡搬運方式，是21世紀初沉積學理論的一次重要突破。學者們認為混合事件層的成因包括（Talling et al, 2004; Pierce et al, 2018）：①濁流通過侵蝕泥質(zhì)底板導致流體的雷諾數(shù)升高，驅(qū)使流體由紊流向過渡流體類型甚至層流（碎屑流）轉(zhuǎn)化；②過渡流體類型的重力流通過大顆粒沉降形成混合事件層；③垮塌或者碎屑流局部轉(zhuǎn)化為濁流，濁流的速度快，先沉積下來，碎屑流的速度慢，在濁流沉積之上疊覆，形成混合事件層。

圖1 深水扇中流體由近端濁流向遠端碎屑流轉(zhuǎn)化形成大量混合事件層沉積過程示意圖Fig. 1 The generation of hybrid event beds by flow transformation from proximal to distal of submarine fan system

Haughton等（2009）總結(jié)多類混合事件層，提出了混合事件層的經(jīng)典“5段式”正韻律沉積序列（圖2），從底到頂分別是: 無沉積構(gòu)造的塊狀砂（H1, 高密度濁流沉積）、帶狀砂（H2, 過渡流體類型的沉積）、與H1段具有成因聯(lián)系的碎屑流沉積（H3）、平行層理或者流水砂紋砂/粉砂（H4, 低密度濁流沉積）和懸浮沉降泥（H5）。

圖2 混合事件層的5段式序列Fig. 2 Five divisions of a typical hybrid event bed

混合事件層主要發(fā)現(xiàn)于深湖相和深海相地層（談明軒等, 2016; 操應長等, 2017），如我國靈山島白堊系深湖相沉積等（Yang et al, 2018）。濱淺海相沉積中常見異重流、垮塌和風暴激發(fā)的重力流的沉積記錄，理應發(fā)生重力流流體轉(zhuǎn)化并有可能形成混合事件層，但是目前并沒有見到相關報道。本文以東海中部陸架和臺灣海峽內(nèi)三角洲沉積中發(fā)現(xiàn)的混合事件層為例，介紹濱淺海相沉積中混合事件層的沉積特征，分析沉積過程，闡述淺海相地層中混合事件層發(fā)現(xiàn)的意義。

1 東海陸架與臺灣海峽概況

東海陸架是世界上最寬廣、平坦的陸架之一，寬度約600 km，平均坡度約0.02°～0.03°，平均水深72 m（圖3）。該陸架受到長江和黃河兩條世界級大河的供給。東海陸架沉積物的研究多與季風演化、物源歷史等相關，相對地忽視了重力流沉積及其形成過程的研究。臺灣海峽位于臺灣島和大陸之間，連通東海與南海。臺灣海峽寬130～420 km，平均水深約60 m，北部至中部地形平坦，平均坡度為0.03°（圖3）。臺灣海峽中部至東部的沉積物主要來自臺灣河流（Liu et al, 2008），海峽西部的沉積物主要來自我國東南沿岸河流與長江。東海陸架與臺灣海峽最主要的海流包括浙閩沿岸流、臺灣暖流和黑潮（圖3）。

圖3 東海陸架附近海域地形和主要流系分布及鉆孔位置Fig. 3 The topography, main current systems and drilling cores in the East China Sea shelf and adjacents regions

2 材料與方法

中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司在2009年10月和2013年10月利用“勘407”船在東海中部陸架水深78 m處（125°45′E, 31°54′N ）鉆取DH01孔（孔長100 m）、在臺灣海峽中部水深75 m處（119°48′E, 25°00′N）鉆取MZ04孔（孔長30 m）。鉆孔的取芯方式導致在回收過程中廢棄了近海底0.5～1.5 m的巖芯。在航次期間，隨船工程師將鉆孔封好并打蠟。隨后巖芯樣品被運往位于青島的中國大洋樣品館并在4 ℃庫中保存。巖芯打開后用魚線拆分為兩半：一半用于照相和描述沉積物的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造；另一半用于取樣，粒度取樣間隔為10 cm。基于研究目的，本文關注DH01孔巖芯上部4.9 m和MZ04孔巖芯上部5.1 m。

粒度測試：先利用0.5 mol/L的鹽酸去除碳酸鹽巖，然后利用10% H2O2去除有機質(zhì)。前處理后的樣品在Malvern Mastersizer 3000激光粒度儀進行測試，重復3次。粒度測試的一個重要目的是明確各個巖相的黏質(zhì)泥含量。黏質(zhì)泥的定義為＜30 μm的碎屑顆粒。由于黏質(zhì)泥在重力流中能夠有效抑制紊流，因此其含量是重力流流體類型的重要參考依據(jù)。

3 東海中部陸架混合事件層特征與成因

本研究根據(jù)突變界面識別將DH01鉆孔上部4.9 m的沉積物重力流沉積劃分為4個沉積單元（圖4），采用Haughton等（2009）提出的混合事件層的分段劃分方案，使用H1～H5來描述事件層內(nèi)部的不同段。

圖4 東海中部陸架混合事件層的沉積特征Fig. 4 Sedimentary characteristics of hybrid event beds from the middle East China Sea Shelf

3.1 東海中部陸架混合事件層特征

3.1.1 巖相類型

東海中部陸架的混合事件層中共識別出塊狀砂、混亂泥和均質(zhì)泥三種巖相類型（表1）。①塊狀砂底部為侵蝕界面，砂中未見沉積構(gòu)造，泥質(zhì)含量較高（黏質(zhì)泥含量為17%～33%），同時含有大量泥礫和貝殼碎片，未見任何陸源植物莖干碎片?？赡苡捎谠诹黧w搬運過程中細粒物質(zhì)含量較高，抑制了紊流的發(fā)生，因此并未形成交錯層理等沉積構(gòu)造。泥礫順層排布表明塊狀砂并非同時沉積下來，而是一層一層沉積而成，因而推測為濁流沉積。②混亂泥中漂浮著大量的砂球、砂屑、砂帶等，分選極差，為2.0～2.9。由于泥質(zhì)含量高、缺乏分選作用，這些砂球、砂帶等分布混亂無定向排列，因此推測沉積過程為流體同時沉積下來，屬于碎屑流沉積。③均質(zhì)泥中未見任何沉積構(gòu)造和生物擾動，厚度通常大于5 cm。均質(zhì)泥的分選是這3種巖相中最好的，為1.2～1.7。由于泥中未見任何沉積構(gòu)造說明懸浮沉積物濃度高抑制紊流，缺乏生物擾動同樣說明了高懸浮沉積物濃度抑制底棲生物活動，考慮到均質(zhì)泥層的厚度大于5 cm，推測其成因為浮泥，可能由濃度大于10 g/L的泥質(zhì)流體形成（Talling et al, 2012; Ichaso et al, 2009）。

表1 東海中部陸架混合事件層不同巖相的粒度特征Table 1 Grain size characteristics of lithofacies of hybrid event beds from the middle East China Sea Shelf

3.1.2 混合事件層類型

東海中部陸架發(fā)現(xiàn)的每個混合事件層包含塊狀砂、混亂泥、塊狀泥中的2～3個巖相（段），本文將這些混合事件層劃分為2種類型（圖5）：第一種從底至頂分別為塊狀砂、混亂泥和塊狀泥，如單元1、單元3和單元4；第二種從底向上為混亂泥和塊狀泥，如單元2。

圖5 東海中部陸架2類混合事件層與成因Fig. 5 Origin of hybrid event beds from the middle East China Sea Shelf

3.2 東海陸架混合事件層成因探討

據(jù)筆者已發(fā)表的放射性碳定年與有機質(zhì)碳同位素（δ13C）數(shù)據(jù)可知，這些重力流沉積的沉積年齡為1930—3890 a BP，因此推測這些混合事件層沉積時的海平面與現(xiàn)今大體一致（Ichaso et al, 2009），因而本文并未考慮海平面變化對重力流形成、演化的影響。

1）第一種事件層由塊狀砂、混亂泥和塊狀泥組成。由上述論述可知，塊狀砂代表高密度濁流沉積，塊狀砂之上疊置了混亂泥（碎屑流），表明同一事件層內(nèi)同時存在濁流和碎屑流兩種流體類型，因此該種事件層屬于混合事件層沉積。塊狀砂內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量泥礫，說明濁流通過侵蝕作用增加了流體內(nèi)的泥質(zhì)含量，這些泥礫可能在流體搬運過程中被打碎，增加流體內(nèi)的懸浮沉積物濃度，促使流體發(fā)生轉(zhuǎn)化。碎屑流沉積在濁流沉積之上表明濁流先沉積下來。塊狀泥（浮泥）在混亂泥之上，表明在搬運過程中碎屑流上部可能與海水混合形成了浮泥，或者濁流與碎屑流的混合重力流流體的尾部存在浮泥流體。

2）第二種事件層由混亂泥和塊狀泥組成?；靵y泥中可以見到直徑超過巖芯直徑的“漂礫”（圖4中的單元2），表明了短距離搬運，也指示了這些重力流很可能來源于近源陸架內(nèi)垮塌?；靵y泥的底部沒有見到塊狀砂可能表明形成混亂泥的懸浮沉積物濃度極高，抑制大顆粒沉降，亦或是碎屑流形成了濁流，但這些濁流繼續(xù)向下游搬運，沒有在近端（鉆孔位置）沉積下來。

這些重力流沉積的δ13C約為?21.9‰（Shan et al, 2019），與濟州島西南泥質(zhì)區(qū)表層樣和長江三角洲前緣的δ13C一致，這表明重力流沉積中的有機質(zhì)可能來自于這2個區(qū)域。由于三角洲前緣與該泥質(zhì)區(qū)之間的碳同位素數(shù)值為?20.1‰～?20.9‰（Kao et al, 2003; Xing et al, 2011），這比東海中部陸架的混合事件層碳同位素平均值?21.9‰高許多。由于這些混合事件層一定來源于上坡位置，如果這些重力流來自于長江三角洲前緣，則一定會經(jīng)過前緣與泥質(zhì)區(qū)之間的寬闊區(qū)域，并或多或少攜帶這一區(qū)域的有機質(zhì)。本文所測的約50個樣品的碳同位素數(shù)值最高為?21.51‰（Shan et al, 2019），沒有任何前緣與泥質(zhì)區(qū)之間有機質(zhì)的信號（?20.9‰～?20.1‰），表明了這些事件層中的有機質(zhì)很可能來源于近源垮塌，這也與巖芯的解釋一致（圖5）。

4 臺灣海峽內(nèi)三角洲混合事件層特征與成因

為明確MZ04鉆孔中事件層的物質(zhì)來源，本文研究了該區(qū)已發(fā)表的地震剖面，發(fā)現(xiàn)反射同相軸位于臺灣中部泥質(zhì)丘形沉積體之下，同時位于末次盛冰期形成的下切谷之上，表明了該套地層發(fā)育時間為末次盛冰期之后、臺灣中部泥質(zhì)丘形沉積體形成之前（圖6）。本文根據(jù)突變界面識別將MZ04鉆孔上部3.2～5.2 m沉積劃分為事件層1和事件層2共兩個事件層（圖7）。

圖6 MZ04鉆孔附近地震剖面和物源示意圖Fig. 6 Seismic profiles near the MZ04 core and sediment provenance

圖7 臺灣海峽內(nèi)三角洲混合事件層沉積特征Fig. 7 Sedimentary characteristics of hybrid event beds from deltas of the Taiwan Strait

4.1 臺灣海峽內(nèi)三角洲混合事件層特征

臺灣海峽內(nèi)三角洲沉積中發(fā)現(xiàn)的事件層的巖相類型與東海中部陸架的巖相類型有所區(qū)別。臺灣海峽混合事件層中共識別出純凈塊狀砂（H1）、混亂泥質(zhì)砂（H3a）和混亂泥（H3b）三種巖相類型。這些事件層都包含2～3個段，每個段指示的流體類型不同，單一事件層內(nèi)既包括濁流沉積（H1），也包括碎屑流沉積（H3），為混合事件層（圖7和表2）。

表2 臺灣海峽混合事件層不同巖相的粒序特征Table 2 Grain size characteristics of lithofacies of hybrid event beds from the Taiwan Strait

純凈塊狀砂描述：單元3和單元4最底部的H1段為薄層（5～20 cm）、淺黃灰色、中等分選、無構(gòu)造的純凈砂，底界面為突變界面，黏質(zhì)泥平均質(zhì)量分數(shù)為7.6%。該段可見大塊的陸源炭化植物碎片（直徑約4 cm）（圖7）。

純凈塊狀砂解釋：室內(nèi)水槽實驗結(jié)果和野外露頭的研究均表明，厚層碎屑流沉積之下的薄層（＜20 cm）純凈砂層段（H1）很可能來自于碎屑流中砂粒級組分的垂直分離和沉降（Marr et al, 2001;Sumner et al, 2009）。由于在H1段有大量陸源植物莖干碎片，表明這些沉積物重力流很可能直接來源于異重流。異重流與大顆粒沉降的機制可以同時發(fā)生，并不沖突。

混亂泥描述：臺灣海峽事件層中的混亂泥段可以進一步劃分為混亂泥質(zhì)砂（H3a）和混亂泥（H3b）兩個亞段，這與東海中部陸架的混亂泥不同。H3a段和H3b段均含大量“漂礫”并以混雜結(jié)構(gòu)和較差分選為特征，H3a段比H3b段的泥質(zhì)含量低，這兩段黏質(zhì)泥含量分別為35%和50%（表2）。

混亂泥解釋：根據(jù)Hussain等（2020）提出的模式，H3b段中粗粒組分的向下沉降以及黏質(zhì)泥和細顆粒的向上運移產(chǎn)生了碎屑流垂向分層的結(jié)果。

4.2 臺灣海峽混合事件層成因探討

H1、H3a和H3b的有機碳同位素平均約為?22‰（Jin et al, 2021），這表明這些有機碳很大一部分來自于海源。塊狀砂（H1段）中見到的大量陸源碳屑指示了河流直接輸入，結(jié)合臺灣海峽兩岸獨特區(qū)域地質(zhì)背景，筆者猜測在臺灣海峽發(fā)現(xiàn)事件層中的有機質(zhì)既來自于異重流直接輸入，也來自于沿路侵蝕。當異重流（濁流）侵蝕泥質(zhì)底質(zhì)時增加了流體中的懸浮沉積物濃度，使流體類型向?qū)恿鬓D(zhuǎn)化，這時過渡類型的流體或碎屑流也可能發(fā)生大顆粒沉降。因此，純凈砂的成因可能既包括碎屑流大顆粒沉降，也包括異重流（高密度濁流）直接沉積（圖8）。

圖8 臺灣海峽內(nèi)三角洲混合事件層的成因Fig. 8 Origin of hybrid event beds from deltas of the Taiwan Strait

5 東海陸架與臺灣海峽混合事件層的特殊性與意義

混合重力流形成的混合事件層是深水扇邊緣和深海平原沉積序列中的重要識別標志。前已述及，深水混合事件層通常包括5段（圖1），從底向上分別為塊狀砂、帶狀砂、混亂泥、紋層砂/粉砂和塊狀泥。本次發(fā)現(xiàn)的淺水混合重力流沉積具有以下特殊特征：①碎屑流段較厚，而塊狀砂段相對較薄；②碎屑流段之上沒有見到紋層粉砂段（H4）；③碎屑流段可能出現(xiàn)分層現(xiàn)象。淺?；旌鲜录觾?nèi)厚層碎屑流段的成因可能為混合重力流的流體黏度和流體厚度較大、吸納周圍海水的能力有限、未能在碎屑流之上和尾部通過吸納海水形成濁流。這些原因致使在混亂泥之上未發(fā)現(xiàn)紋層砂（H4）。

前人很少提及碎屑流段分層的現(xiàn)象，本文發(fā)現(xiàn)的淺海混合事件層中碎屑流段分層是一個新的沉積現(xiàn)象。碎屑流分層總是以砂質(zhì)碎屑流沉積在下、泥質(zhì)碎屑流沉積在上的形式出現(xiàn)。由于碎屑流與濁流的沉積樣式不同：碎屑流往往同時沉積下來，而并非像濁流一樣一小層一小層堆積而成。因此，碎屑流分段的成因可能為：①碎屑流本身就垂向分層，砂質(zhì)碎屑流在下，泥質(zhì)碎屑流在上，由于坡度減緩，導致碎屑流同時堆積下來（圖8）；②碎屑流可能縱向分異，砂質(zhì)碎屑流在前，泥質(zhì)碎屑流在后，砂質(zhì)碎屑流先沉積下來，泥質(zhì)碎屑流在砂質(zhì)碎屑流之上再沉積（圖8）。砂質(zhì)碎屑流在前的原因可能是其泥質(zhì)含量相對泥質(zhì)碎屑流低，具有更好的流動性和更快的流體速度。

6 結(jié)語

本文對東海中部陸架和臺灣海峽的事件層開展了沉積學研究，在全新世陸架/三角洲地層中發(fā)現(xiàn)了混合事件層沉積，每個混合事件層可以由塊狀砂（H1，濁流沉積）、混亂泥（H3，碎屑流沉積）和塊狀泥（H5，浮泥）組成。本文發(fā)現(xiàn)了淺?；旌鲜录觾?nèi)碎屑流段（H3）分層的新現(xiàn)象，即碎屑流段可以細分為砂質(zhì)碎屑流亞段和泥質(zhì)碎屑流亞段，闡述了其成因可能為碎屑流垂向分層或縱向分異，該認識豐富了混合事件層的類型與沉積過程。

本次混合事件層的發(fā)現(xiàn)突破了混合事件層僅出現(xiàn)在深海沉積中的傳統(tǒng)認識，明確了濁流與碎屑流之間的過渡流體類型是淺海區(qū)域重要的一種沉積物搬運方式，揭示了陸架/三角洲混合事件層的觸發(fā)機制可能為陸架內(nèi)垮塌或異重流。