2020, Vol.40
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266237;
3 青岛海洋科学与技术试点国家实验室, 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266237;
4 中国地质调查局武汉地质调查中心, 湖北 武汉 430205)
滑塌和重力流是碎屑沉积物从陆坡到深海盆地两个重要的搬运方式，对塑造陆坡沉积结构起重要作用。全球深水油气勘探的需求使得海底滑塌体研究变得越来越重要[1]。目前，大西洋[2~4]、太平洋东部[5]以及地中海[6]、南海[7~11]等深水盆地已对海底滑塌作用开展了深入研究，在滑塌沉积的分布及其形成过程方面已取得许多重要认识。东海陆架斜坡紧邻冲绳海槽，是中国大陆和台湾陆源沉积物向冲绳海槽输运的过渡区。前人利用多波束和高分辨率地震等资料，从宏观角度分析了东海陆坡广泛发育的海底峡谷-扇体系的沉积地层结构[12]，发现东海陆架的前缘坡折处和陆架前缘斜坡上存在大规模滑塌、浊流沉积[13~14]，并分析了块体搬运(滑塌和滑坡)和重力流对于东海陆坡沉积物搬运的重要作用。以往研究多数侧重于东海陆架斜坡的浊流沉积或大型滑塌沉积[12~13, 15]，东海陆坡存在许多小型滑塌沉积，目前研究关注的不多，对于小型滑塌沉积的精细结构及其成因机制很少有报道。中国地质调查局青岛海洋地质研究所在东海陆坡采集的OT12-01孔沉积物中发现了数层滑塌沉积，为开展滑塌沉积研究提供了材料。本文采用AMS 14C测年、沉积物粒度、XRF元素扫描的等分析方法，对东海陆架斜坡岩芯沉积物进行精细研究，旨在揭示高频滑塌沉积的特征及其发生机制。
1 材料与方法 1.1 研究材料本次研究的重力活塞岩芯OT12-01(28°19′N，126°59′E；见图 1)是由中国地质调查局青岛海洋地质研究所2011年在东海开展海洋地质调查时取得。OT12-01孔长度为5.35 m，位于东海中部陆坡，水深406 m，黑潮是流经该海区最主要的流系(图 1)，控制着本区域的海洋环境。OT12-01孔沉积物由灰黑色粘土质粉砂组成，含水量高，粘性、可塑性强。该孔呈泥状结构，沉积层序不明显，没有明显的沉积间断和浊流沉积层出现，岩芯中有生物贝壳保存完好，85~95 cm之间含灰黑色腐质泥。OT12-01孔在1.00~1.32 m、1.45~1.73 m、2.09~2.33 m和2.76~3.02 m存在破裂沉积物块体，沉积物内部(层内)粘连性较强。
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图 1 东海陆坡OT12-01孔位置及地形图 ZFCC——浙江福建沿岸流；TWC——台湾暖流；YSCC——黄河沿岸流；YSWC——黄海暖流；CDW——长江冲淡水 Fig. 1 Location of core OT12-01 in continental slope of the East China Sea and regional topography. ZFCC:Zhenjiang and Fujian Coastal Current; TWC:Taiwan Warm Current; YSCC:Yellow Sea Coastal Current; YSWC:Yellow Sea Warm Current; CDW:Changjiang Diluted Water |
为精准标定岩芯年龄，从不同层位的粘土质粉砂样品中，挑选有孔虫进行加速器质谱放射性碳测年(AMS 14C测年)，共挑选26个有孔虫样品，有孔虫以Uvigerina peregrina(U.peregrina)、Globigerinoides ruber(G.ruber)、Orbulina universa(O.universa)和表层浮游种混合为主(表 1)，年龄测试在美国Beta实验室完成。使用CALIB7.0.4软件校正到日历年龄，考虑到冲绳海槽一直与太平洋连通，选择了标准的海洋校正数据库(http://calib.qub.ac.uk/marine/)进行校正。400 a的大气与海水间的全球碳储库差异由程序自动减去。本文使用的年代数据均为日历年龄，得到OT12-01孔底部5.28 m处日历校正年龄为23519 a B.P.。
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表 1 OT12-01孔AMS 14C测年数据 Table 1 AMS 14C dating data of core OT12-01 |
粒度分析以1 cm为取样间距，对总共535个样品进行测试分析。首先取适量沉积物样品经双氧水(H2O2)和稀盐酸(HCl)浸泡处理，除掉有机质和碳酸盐，洗盐，用六偏磷酸钠((NaPO3)6)溶液经超声波分散后，采用英国马尔文(MALVERN)公司生产的Mastersizer 2000型激光粒度分析仪上进行沉积物粒度测试。该仪器的测量范围为0.02~2000 μm，偏差 < 1 %，重现性ϕ50 < 1 %。对得到的测量数据使用矩法计算了粒度参数。
1.4 X射线荧光分析(X-ray Fluorescence)XRF岩芯扫描采用瑞典COX公司生产的X射线荧光岩芯扫描仪(Itrax XRF Core Scanner)完成。选取Cr射线管扫描的元素为Al、Ca、K、Fe、Ti、Zn、Rb和Sr等，扫描电压和电流分别设置为30 kV和40 mA，每一测点的扫描时间为20 s，以0.5 cm间距。测量元素的单位以计数率(cps)表示。XRF元素扫描工作在自然资源部第一海洋研究所完成。
2 结果与讨论 2.1 年代倒转与滑塌沉积OT12-01孔26个AMS 14C测年结果如表 1和图 2所示。测年数据显示，OT12-01孔顶部2 cm年龄为10256 a B. P.，4 cm处的年龄为5250 a B. P.，表明该孔上部全新世晚期沉积物缺失、且年龄发生倒转。OT12-01孔顶部之下沉积物年龄呈波动式上升，也有大量的年代异常倒转(图 2阴影部分)，该孔底部5.28 m处日历校正年龄为23519 a B.P.。由此可以判断，OT12-01孔保存了LGM至全新世晚期非连续的沉积记录。由于浊流、滑塌等因素的影响，东海陆坡、冲绳海槽孔沉积物中有年龄倒转较为常见，但一个孔中有如此多的年代倒转实属罕见。为了进一步验证测年数据的准确性，把OT12-01孔底栖有孔虫Cibicidoides wuellerstorfi氧同位素曲线(δ18O，另文讨论)与冲绳海槽中部标志性岩芯DGKS9604孔δ18O曲线[16]对比，发现两曲线存在较大偏差。OT12-01孔δ18O在末次冰消期变化较小，未体现出气候环境过渡期氧同位素变化特征，表明该孔的层序结构缺失或混乱。综上，OT12-01孔的多次倒转的年龄模式以及无变化规律的氧同位素曲线，可能与该孔发生多次滑塌有关。OT12-01孔沉积结构来看，该孔在1.00~1.32 m、1.45~1.73 m、2.09~2.33 m和3.80~4.06 m段出现滑塌体明显的沉积变形构造(图 3)，沉积物块体破裂，沉积体内部保持粘连性。之前研究也发现，在陆架斜坡上各种规模的滑塌作用经常发生[17]，其分布也非常普遍。
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图 2 OT12-01孔岩性深度-AMS 14C年龄(a)、氧同位素曲线(c)(实线箭头为年龄)和与DGKS9604孔氧同位素(b)[16]地层对比图 AMS 14C年龄阴影部分指示年龄倒转等位置；YT指粘土质粉砂 Fig. 2 AMS 14C age (a) and δ18O (c)(the solid line arrows are the age)of foraminifera of Core OT12-01, in comparison with that of δ18O (b)[16] of Core DGKS9604. Shaded parts of AMS 14C ages indicate the position of age reversal; YT indicate clay silt |
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图 3 OT12-01孔典型破裂沉积物块体照片 A(stratum A)：1.00~1.32 m；B(stratum B)：1.45~1.73 m；C(stratum C)：2.09~2.33 m；D(stratum D)：2.76~3.02 m Fig. 3 Photos of typical fractured sediment body of Core OT12-01 |
OT12-01孔沉积物主要由细颗粒的粘土质粉砂组成，平均粒径ϕ值在6.12~7.31之间，大部分层位砂含量小于10 % (图 4)，表现出半深海沉积物的粒度组成特征，与东海陆架粗颗粒残留砂特征[18]明显不同。以往研究发现，粗粒异常沉积层是浊流沉积的典型特征[19~20]，OT12-01孔沉积物无粗颗粒层，说明该孔不存在浊流沉积。正常的半深海沉积层，粒度垂向变化一般比较平缓。然而，OT12-01孔AMS 14C年龄倒转的层位，其粒度垂向特征呈现多处明显的突变或“错动”(图 4)，表现为沉积物砂、粉砂、粘土含量突然增大或降低。尤其在LGM以及之后的末次冰消期期间，OT12-01孔年龄倒转、滑塌频率较高，粒度曲线突变较明显。
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图 4 LGM至全新世0T12-01孔AMS 14C年龄、沉积物粒度特征、元素比值与海平面变化22]对比 海面变化点(红色三角形)根据全球典型地区测试结果获得[23];AMS 14C年代红色方块和虛直线指的是0T12-01孔年龄倒转、可能发生滑塌的位置 Fig. 4 AMS 14C age, sediment grain character and element ratios of Core 0T12-01 from LGM to Holocene, in comparison with sea level change (red triangle)[21. Points of sea level change are obtained by measurement results of global typical regions[23], AMS 14C red block and virtual line refer to the position where Core 0T12-01 ages reverse and collapse may occur |
EPS形成时四周选0，不再旋转，末页是半页由于AMS 14C测年数量的限制，OT12-01孔年龄倒转的层位，不能完全与该孔实际存在的所有滑塌沉积层一一对应。该孔沉积物粒度上有突变或“错动”、没有AMS 14C测年的层位可能代表了未被识别的滑塌沉积层。一般而言[21]，滑动和滑塌都属于块体重力搬运作用，两者常紧密共生在一起，且有时很难区分。滑动和滑塌通常是半固结的沉积物块体沿破裂的底面移动，并且保持某种内部(层内)粘连性。滑动强调沉积块体的整体向下移动，而滑塌则指在移动过程同时发生内部变形和方位转动或破裂[17]，仔细研究发现，OT12-01孔上部3 m出现多次的沉积物块体破裂的现象(图 3)，可能是由于地层在滑塌过程中内部的变形和方位转动或破裂所致。通过以上证据可以判断，OT12-01孔LGM至全新世期间发生了多次滑动/滑塌，导致AMS 14C年龄倒转，以及沉积物粒度出现“错动”。与沉积物粒度变化对应的元素组成也随之变化，如K/Ti，Al/Ti，Si/Al，K/Al等比值，都在沉积物滑塌位置发生明显变动(图 4)。值得注意的是，比值中出现许多离散的异常高值，与之对应的层位沉积物粒度未有异常变化，这不代表元素组成发生突变，可能是由于扫描过程中沉积层表面不平出现的扫描误差所致。
关于LGM以来东海陆坡、冲绳海槽沉积物来源，近些年的研究基本形成一致观点：主要来源于长江、黄河等中国大陆河流以及台湾河流[24~28]。研究发现，LGM以来，海平面变化和黑潮的变动是控制东海陆坡沉积物两大控制因素。LGM至全新世低海平面时期，黑潮较弱或移除冲绳海槽[29]，长江、黄河等古河口靠近东海陆坡，沉积物主要来源于长江、黄河以及东海陆架[26~28]，由于是河流搬运动力强，东海陆坡沉积物粒度一般较粗。早全新世以来河口后退、黑潮加强，使得台湾源细颗粒沉积物成为东海陆坡、冲绳海槽重要的物源[26~27]。OT12-01孔位于东海中部陆坡，其沉积物主要由细颗粒粘土质粉砂组成，虽然沉积不连续，该孔沉积的年代大致在LGM至全新世期间。由于LGM至全新世早期，黑潮在东海-冲绳海槽海区相对较弱[29]，大量细颗粒台湾源物质沉积在东海陆坡的可能性小。OT12-01孔细颗粒沉积物与冰期低海平面时期的陆架残留沉积特征不一致，因此，其沉积物来自长江/黄河的可能性大。综上，OT12-01孔沉积物可能主要来源于低海平面时期长江/黄河物质，其沉积物在陆架经水动力分选后，搬运至东海陆坡后经多次滑塌形成。
2.3 滑塌沉积的成因机制以往研究发现，LGM东海陆坡-冲绳海槽边坡失稳造成大规模的滑塌、碎屑流和浊流沉积[30~31]。东海陆架斜坡-冲绳海槽浊流和滑塌发生的位置明显不同，滑塌发生在陆架前缘坡折处和陆架前缘斜坡，而浊流主要分布在海槽的中南部水深较大处[12~14]。OT12-01孔滑塌体沉积特征明显不同于浊流，其沉积物颗粒细，且具有规模小、频率高的特征。滑塌发生在平缓的稳定斜坡上，沉积物局部滑塌从陡坡上下滑，叠覆在稳定斜坡上堆积的沉积物之上(图 5)。局部滑塌导致沿着滑动面渐进的顺坡破裂，并引起孔隙压力的不断增加和剪切强度的减弱而发生连续的滑塌[17]。值得注意的是，OT12-01孔LGM、末次冰消期时期滑塌发生的频率都不低(图 4)。LGM时期，冰期低海平面时大规模的海退使得陆源物质直接输入东海外陆架、甚至陆坡，沉积物稳定性被破坏，引发冲绳海槽浊流或滑塌沉积[30~33]，冰期低海平面时期的物源供给是滑塌沉积的重要物质基础[22]。末次冰消期时，海平面快速上升[22]。东海陆架宽广，海平面的微小变化就会带来海岸线大范围的进退，与南海南部巽他陆架特征相似[34]。海岸线大范围的进退会对东海沉积物供应发生巨大影响，造成沉积物供应的不稳定[22, 26~27]。因此，末次冰消期海平面快速上升、沉积物供给不稳定可能是OT12-01孔高频滑塌沉积的触发原因。此外，低海平面时期海水对海底沉积物压力减小，陆架斜坡甲烷水合物喷发导致沉积物失稳[35]，也会造成滑塌沉积的发生。此外，冲绳海槽构造活动剧烈，频繁的地震和火山喷发可能是海底滑坡和浊流作用发生的诱因。
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图 5 东海陆坡-冲绳海槽滑坡/滑塌结构和浊流沉积示意图(据文献[13]修改) Fig. 5 Sketch map of landslide structure in continental slope of the East China Sea and the Okinawa Trough |
(1) 东海陆坡OT12-01孔由细颗粒的粘土质粉砂组成，平均粒径ϕ值在6.12~7.31之间，表现出半深海沉积物的粒度特征，与东海陆架粗颗粒残留砂特征明显不同。基于26个AMS 14C测年数据，发现OT12-01孔全新世晚期沉积物缺失，呈现多次倒转的年龄模式，该孔保存了LGM至全新世非连续的沉积记录。OT12-01孔同位素曲线与冲绳海槽典型岩芯的曲线无可比性，表明该孔所在位置可能发生多次滑塌。
(2) OT12-01孔沉积物在LGM至全新世晚期出现多次滑塌的层位，沉积物砂、粉砂和粘土的含量出现明显的突变或“错动”。OT12-01孔粒度特征“错动”的层位不能与AMS 14C年龄倒转的层位一一对应，但在一定程度上说明该孔滑塌沉积在沉积物粒度上有体现。物源分析表明OT12-01孔主要来源于低海平面时期长江/黄河物质。这些陆源沉积物在陆架经水动力分选后，细颗粒被搬运至东海陆坡，后发生多次滑塌。
(3) OT12-01孔滑塌发生的时间段与末次冰消期海平面快速上升的时间段一致。末次冰消期海平面快速上升导致岸线大幅异动与沉积物供给不稳定，可能是OT12-01孔高频滑塌沉积的触发原因。此外，低海平面时期陆架斜坡甲烷水合物喷发、频繁的地震和火山喷发可能是海底滑坡和浊流作用发生的诱因。
致谢: 编辑部主任杨美芳和评审专家严谨、细致而富有建设性的意见，使本文在质量和形式上均得以较大提升，在此一并表示感谢。
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2 Laboratory for Marine Geology, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, Shandong;
3 Laboratory for Marine Mineral Resources, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, Shandong;
4 Wuhan Geological Survey Center, China Geological Survey, Wuhan 430205, Hubei)
Abstract
Core OT12-01 is located in middle continental slope(28°19'N, 126°59'E) of the East China Sea, where water depth is 406 m. The length of Core OT12-01 is 5.35 m. Kuroshio Current is main current system flowing through the area. Twenty-six foraminifera samples of Core OT12-01 were selected for dating. Foraminifera are mainly composed of Uvigerina peregrina(U.peregrina), Globigerinoides ruber(G.ruber) and Orbulina universa(O.universa), mixed with planktonic foraminifera on surface water. All calendar ages in this paper are chronological data. Calendar correction age of Core OT12-01 bottom is 23519 a before present. We have selected 535 samples for particle size analysis. XRF element scanning analysis has been taken for Core OT12-01. Base on data of sediment AMS 14C ages, high resolution granularity analysis, and element scanning, Core OT12-01 reveals multiple collapse events from Last Glacial Maximum(LGM)to Holocene in continental slope of the East China Sea. Sedimentary layers of Core OT12-01 show missing in Holocene and exhibit frequent reversal of age patterns, features of vertical mutation or dislocation on granularity and element ratios. They contain discontinuous sedimentary records from LGM to Holocene. Sediments of Core OT12-01 mainly originated from paleo-Changjiang River/Huanghe River when the sea level was low. The sediments were transported to continental slope of the East China Sea through hydrodynamic separation, and then Landslides were formed after collapse. Rapid rise of sea level in the last deglaciation may be the trigger of high frequency landslides deposition. Methane hydrate spills, frequent earthquakes and volcanic eruptions at low sea level may be the cause of submarine landslide.