深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的過(guò)程響應(yīng)與反饋機(jī)制

龔承林，齊昆，徐杰，劉喜停，王英民

1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102249

2.中國(guó)石油大學(xué)（北京）地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249

3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京 100083

4.中國(guó)海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東青島 266100

0 引言

“從剝蝕區(qū)形成的沉積顆粒進(jìn)入被稱之為由源到匯的系統(tǒng)中并最終沉積下來(lái)的源—匯系統(tǒng)研究”（圖1a）[1-9]和“從沉積記錄研究地質(zhì)歷史時(shí)期的地球古氣候變化及重大地質(zhì)事件并為未來(lái)氣候預(yù)測(cè)提供依據(jù)的古氣候研究”不僅是許多重大國(guó)際地球科學(xué)研究計(jì)劃的重要命題，同時(shí)也是中國(guó)沉積學(xué)發(fā)展的戰(zhàn)略方向[9-12]。圍繞“源—匯系統(tǒng)”國(guó)內(nèi)外許多重大地球科學(xué)計(jì)劃設(shè)立了長(zhǎng)期性的研究課題，譬如“大陸邊緣科學(xué)計(jì)劃”、“大陸邊緣地層形成機(jī)制”和“臺(tái)灣高屏峽谷的沉積物宿命研究”等；而“古氣候”是“地球—生命轉(zhuǎn)變研究計(jì)劃”和“中國(guó)陸相白堊紀(jì)科學(xué)鉆探高分辨率古環(huán)境記錄與古氣候演化”的核心科學(xué)問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著研究手段的革新（譬如CT 連續(xù)掃描成像和深海濁流觀測(cè)等），人們愈發(fā)意識(shí)到在亞軌道和年際尺度內(nèi)，氣候波動(dòng)（譬如臺(tái)風(fēng)、厄爾尼諾等）也能夠啟動(dòng)沉積物由源到匯的搬運(yùn)分散過(guò)程（圖1）[13-15]?；谶@一認(rèn)識(shí)，美國(guó)學(xué)者Brian Romans教授、Andrea Fildani博士和Angela M.Hessler博士等人提出了“氣候沉積學(xué)（Climatic Sedimentology）”的研究計(jì)劃[14,16-18]；而德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部資助實(shí)施的智利陸緣102，156和161航次也以“氣候變化的深水沉積響應(yīng)”為核心科學(xué)問(wèn)題[19-21]。此外，國(guó)際沉積地質(zhì)學(xué)會(huì)2020 年沉積地球科學(xué)國(guó)際會(huì)議設(shè)置了“沉積記錄中的氣候變化”分會(huì)場(chǎng)，并得到了高度關(guān)注。

圖1 （a）源—匯系統(tǒng)組成要素；（b）不同研究手段的適用范圍；（c）不同類型氣候信號(hào)的響應(yīng)尺度；（d）不同記錄載體的時(shí)間尺度和分辨力（據(jù)Ruddiman[13]修改）Fig.1 (a) Schematic illustration of components of a S2S system; (b) chronometric tools; (c) periods of different types of climatic/environmental signals; (d) timescale and resolution of deep-water sedimentary archives (modified from Ruddiman[13])

不難看出，揭示多尺度氣候變化是如何調(diào)控沉積物在外陸架—深水盆地的搬運(yùn)—分散—堆積過(guò)程是當(dāng)前沉積學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和新動(dòng)向，并將有望在今后的數(shù)年內(nèi)取得更大的進(jìn)展[3,6-8,14,17-18]。這一科學(xué)命題的內(nèi)涵是利用沉積、地層和地化手段解譯多尺度氣候變化對(duì)沉積物由源到匯的剝蝕—搬運(yùn)—分散—堆積過(guò)程的調(diào)控作用，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。具體來(lái)說(shuō)，地球大部分時(shí)間都處于一種比現(xiàn)在更溫暖的溫室氣候期（地質(zhì)歷史時(shí)期中溫室氣候約占72%，而冰室氣候約占18%），目前我們居住的地球正在從一個(gè)“不太尋常的冰室氣候期”進(jìn)入“尋常的溫室氣候期”，這迫切需要科學(xué)界全面了解氣候變化對(duì)人類賴以生存的地球表層系統(tǒng)（譬如深水濁流）所產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)[10,12,22]。此外，全球深水油氣資源依然是未來(lái)世界油氣勘探的主戰(zhàn)場(chǎng)，在全球925個(gè)已發(fā)現(xiàn)的濁積巖油氣藏中有43個(gè)油氣田的原油當(dāng)量超過(guò)了50 億桶[23]；而巴西外海已發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)量的約87.5%來(lái)自深水濁積巖。更為重要的是，陸相深水湖盆有利于非常規(guī)油氣資源沉積富集[24-25]，孕育了數(shù)個(gè)10 億噸級(jí)致密油、頁(yè)巖油大油田[26]。揭示深水沉積的沉積特征（如巖性、厚度和規(guī)模等）對(duì)氣候變化（事件）的沉積響應(yīng)可從成因上探討優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層發(fā)育機(jī)制，為有利儲(chǔ)層、非常規(guī)油氣甜點(diǎn)區(qū)（段）與資源分布預(yù)測(cè)提供依據(jù)，將具有重要的應(yīng)用前景[24-25]。

以外陸架為界可以將由陸到洋的源—匯系統(tǒng)劃分為“物源區(qū)—內(nèi)陸架”和“外陸架—深海盆地”兩個(gè)次級(jí)源—匯系統(tǒng)（圖1a）。本文無(wú)意對(duì)“由陸到洋的源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的過(guò)程響應(yīng)”這一領(lǐng)域作全面論述，而聚焦在外陸架—深水盆地子系統(tǒng)（深水源—匯系統(tǒng)）對(duì)多尺度氣候變化的過(guò)程響應(yīng)和反饋機(jī)制，僅就該領(lǐng)域內(nèi)的一些代表性研究成果和筆者的一些思考作簡(jiǎn)要論述，以期拋磚引玉。

1 深水源—匯系統(tǒng)的類型劃分及其形成條件

1.1 深水源—匯系統(tǒng)的類型劃分

由陸到洋的源—匯系統(tǒng)一般由物源區(qū)、過(guò)渡區(qū)和沉積區(qū)構(gòu)成（圖1a，圖2），過(guò)渡區(qū)對(duì)環(huán)境信號(hào)具有非線性的過(guò)濾作用，換言之“并非所有的氣候信號(hào)，如今日刮風(fēng)、明日下雨的高頻低幅天氣變化都能夠被深水源—匯系統(tǒng)響應(yīng)”[6,8,14]。基于此，我們將“過(guò)渡區(qū)對(duì)氣候信號(hào)的過(guò)濾，使其破壞甚至消失，從而不被深水源—匯系統(tǒng)所響應(yīng)的效應(yīng)”稱之為源—匯系統(tǒng)的濾波效應(yīng)（圖2）。

過(guò)渡區(qū)對(duì)氣候信號(hào)的濾波效應(yīng)取決于信號(hào)的時(shí)間尺度（Tp）與系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間（Teq，是指沉積物分散系統(tǒng)達(dá)到新的平衡狀態(tài)所需要的時(shí)間）之間的大小關(guān)系。自然界存在4 種尺度的氣候信號(hào)：邊界地質(zhì)條件長(zhǎng)期變化引起的百萬(wàn)年跨度的構(gòu)造尺度（Tp=106～9年），太陽(yáng)輻射變化驅(qū)動(dòng)的十萬(wàn)年跨度的軌道尺度（Tp= 104～5年），幾百到上萬(wàn)年的亞軌道尺度（Tp=103～4年）和年代際以及更短時(shí)間跨度的人類尺度（Tp≤103年）（圖1c，d）[27-28]。當(dāng)“Tp≥Teq”時(shí)，氣候信號(hào)能夠被沉積紀(jì)錄所記載；而當(dāng)“Tp≤Teq”時(shí)，氣候振蕩往往在沉積物分散系統(tǒng)中被“淹沒(méi)”[26]。據(jù)此，我們將不能響應(yīng)亞軌道—人類尺度氣候信號(hào)（Teq≥104年）的深水源—匯系統(tǒng)稱之為“遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)”（圖2a），而將能夠響應(yīng)亞軌道—人類尺度氣候信號(hào)（Teq≤104年）的深水源—匯系統(tǒng)稱之為“瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)”（圖2b）。

圖2 可容空間驅(qū)動(dòng)的緩沖響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（a）和物源供給驅(qū)動(dòng)的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（b）的組成要素Fig.2 Schematic illustrations of components of reactive S2S system (upper panel) and buffered S2S system (lower panel)

1.2 遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)的有利形成條件

以下兩種地質(zhì)背景條件使得積物分散系統(tǒng)的過(guò)渡區(qū)較寬，響應(yīng)尺度較大（Teq≥104年），常常不能對(duì)亞軌道—人類尺度的氣候波動(dòng)做出響應(yīng)，形成遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖2a）。

（1）寬陸架（≥50 km）且無(wú)峽谷水道延伸到內(nèi)陸架：如果陸架的寬度≥50 km，且無(wú)峽谷水道切割陸架坡折并延伸到內(nèi)陸架或河口；這樣的源—匯系統(tǒng)往往發(fā)育一個(gè)較寬的沉積物過(guò)渡區(qū)（譬如圖3a 所示紅河和珠江源—匯系統(tǒng)），而過(guò)渡區(qū)猶如信號(hào)濾波器一般，能夠?qū)δ冈磪^(qū)的氣候環(huán)境信號(hào)進(jìn)行濾波；從而將那些如臺(tái)風(fēng)、洪水等高頻（≤104年）低幅的亞軌道—人類尺度氣候信號(hào)過(guò)濾掉（圖2a）。母源區(qū)的氣候信號(hào)會(huì)遲滯、破損，甚至不被深水沉積所響應(yīng)，形成“遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)”（圖2a）。世界上絕大多數(shù)被動(dòng)陸緣，常發(fā)育一寬闊且平坦的大陸架（如圖3a所示的珠江和紅河源—匯系統(tǒng)），多為遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。

（2）冰室氣候：在冰室氣候背景下，冰蓋和冰川廣泛分布、全球氣溫大幅度降低，而海平面也以高頻（101～2次/千年）高幅（101～2m）的升降變化為主（如上新世—更新世的海平面變化）。冰室氣候期高頻高幅的海平面變化所誘發(fā)的快速可容空間上升使得源—匯系統(tǒng)的響應(yīng)尺度往往比較大（Teq≥104年），能夠?qū)Ω哳l（≤104年）低幅的氣候信號(hào)進(jìn)行濾波、屏蔽，形成遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖2a）。

1.3 瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)的有利形成條件

以下五種地質(zhì)條件使得積物分散系統(tǒng)的過(guò)渡區(qū)較為局限，響應(yīng)尺度往往也比較?。═eq≤104年），能夠?qū)嗆壍馈祟惓叨鹊臍夂虿▌?dòng)做出反饋，形成瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖2b）。

（1）窄陸架（≤20～50 km）：當(dāng)陸架寬度較窄時(shí)（如活動(dòng)陸緣），源—匯系統(tǒng)的過(guò)渡區(qū)往往較為局限，從而導(dǎo)致亞軌道和人類尺度的氣候環(huán)境變化（如D/O事件、厄爾尼諾和熱帶氣旋等）能夠被深水沉積所迅速反饋和響應(yīng)。窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的典型實(shí)例有南加州活動(dòng)陸緣的Santa Ana 和Santa Clara源—匯體系[14,29]，智利活動(dòng)陸緣[19,21]，北阿爾及利亞Bejaia 地區(qū)的Soummam Oued 峽谷[30]，菲律賓外海的Malaylay 峽谷[31]、坦桑尼亞陸緣[32]和東加拿大的圣勞倫斯灣[33]。

（2）溫室氣候：與冰期氣候條件顯著不同的是，溫室狀態(tài)下南北極冰蓋退縮、地球氣候更加溫潤(rùn)，而海平面也以低頻低幅升降變化為主（如晚始新世—早漸新世和晚白堊世—早古新世海平面變化曲線）。低頻低幅的海平面升降導(dǎo)致的可容空間以下降或緩慢上升為主，源—匯系統(tǒng)的響應(yīng)尺度往往也比較?。═eq≤104年），形成瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)（圖2b）。已有的溫室陸緣研究實(shí)例也表明溫室陸緣一般不發(fā)育高角度上升型陸架坡折遷移軌跡指示的快速空容空間上升[34]，在這樣的盆地中過(guò)渡區(qū)往往比較局限。

（3）峽谷頭部和河口相接或相鄰（≤30 km）：當(dāng)深水峽谷水道的頭部和河口相連或相鄰時(shí)，所形成的源—匯系統(tǒng)過(guò)渡區(qū)不發(fā)育或較局限，形成瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。峽谷頭部和河口相接（亦即峽谷頭部和河口之間的距離≤5 km）所形成的瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)的典型實(shí)例有我國(guó)臺(tái)灣的高屏源—匯系統(tǒng)（圖3a），剛果源—匯系統(tǒng)（圖4a）[35-36]，加州Monterey峽谷和法國(guó)外海的Var 峽谷[37]。峽谷頭部和河口相鄰（峽谷頭部和河口之間的距離介于5～30 km）時(shí)，過(guò)渡區(qū)較為局限，形成瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)，譬如恒河—雅魯藏布江瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)、Swatch of No Ground 峽谷和河口之間的距離約30 km 左右（圖4a，b）[38-39]。

（4）斷陷湖盆：湖盆一般缺少如海盆那樣寬闊且平坦的陸架區(qū)，源—匯系統(tǒng)的沉積物過(guò)渡區(qū)頗為局限，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間Teq也就比較小，能夠?qū)嗆壍馈祟惓叨鹊母哳l低幅信號(hào)做出迅速而快捷的響應(yīng)，形成常說(shuō)的“洪水期一片天、枯水期一條線”的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯響應(yīng)格局（譬如江西鄱陽(yáng)湖）。岷江在洪水期能夠?qū)氪ǖ卣鹚纬傻谋浪练e物迅速搬運(yùn)到紫坪鋪水庫(kù)[40]，而阿拉斯加Eklutna 湖忠實(shí)地記載了1917 年、1929 年、1964 年、1989 年、1995 年和2012年發(fā)生的6次大型洪水事件[41]，兩者都是瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的典型實(shí)例。

（5）陸架邊緣三角洲越過(guò)陸架坡折：一般而言，陸架寬度≥50 km且無(wú)峽谷延伸到內(nèi)陸架陸緣常常為遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。但在高速沉積物供給條件下，陸架邊緣三角洲越過(guò)先期陸架坡折，從而使得前陸架邊緣三角洲與陸坡水道的頭部相連（圖3b）。在這樣的地質(zhì)背景條件下，陸架邊緣三角洲和陸坡水道形成了一個(gè)閉合而聯(lián)通的沉積物分散系統(tǒng)，使得河流搬運(yùn)而來(lái)的沉積物即使在海平面上升時(shí)也有可能能夠被搬運(yùn)到深水盆地[15]。

圖3 （a）地貌圖示意了南海北部陸緣形成發(fā)育的紅河、珠江和高屏三大源—匯系統(tǒng)以及圖3b，5a，11a 和13a 的平面位置（地貌圖由曹立成博士提供）；（b）～（d）地震和鉆井剖面（剖面位置見圖3a）示意了珠江陸架邊緣三角洲—海底扇源匯系統(tǒng)的剖面地震反射特征和巖性特征Fig.3 (a) Topographic map (courtesy of Dr Licheng Cao) showing the occurrence of Red River, Pearl River, and Gaoping S2S systems along northern South China Sea margin and map-view locations of Figures 3b, 5a, 11a and 13a; (b)-(d) seismic and well-log sections showing cross-sectional seismic and lithological manifestations of Pearl River shelf-margin delta and deep-water fan S2S systems

2 遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的過(guò)程響應(yīng)

2.1 構(gòu)造—軌道尺度（≥104年）氣候變化的深水源—匯過(guò)程響應(yīng)

珠江口盆地現(xiàn)今陸架寬約100～200 km，陸坡水道終止在陸架坡折處，為一典型的遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖3a，圖5a）。珠江遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)忠實(shí)地響應(yīng)、反饋了構(gòu)造尺度的氣候事件（如中中新世變冷事件和中更新世氣候革命）和亞軌道尺度的氣候變化（如冰期—間冰期旋回）。

圖4 峽谷頭部和河口相鄰（圖a 和b）以及峽谷頭部和河口相接（圖c）所形成的瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)。（a）中的地形圖下載自谷歌，（b）（c）中的地形圖下載自ESRIFig.4 Examples of (a, b) Ganges-Brahmaputra and (c) Congo reactive S2S systems, formed in scenarios of the close proximity of canyon head to shoreline.(a) Google Earth image; (b)(c) ESRI Ocean images

（1）構(gòu)造尺度的中中新世變冷事件（MMC）：在中中新世，南極冰蓋逐漸擴(kuò)張并永久性形成，氣候也隨之顯著變冷，這一事件被稱之為“中中新世變冷事件”[42]。這一氣候事件使母源區(qū)機(jī)械風(fēng)化作用加強(qiáng)，與此同時(shí)南極冰蓋的擴(kuò)張導(dǎo)致海平面大規(guī)模下降（最大幅度可達(dá)80 m）[43]。大量沉積物（尤其是粗粒沉積物）在中中新世由物源區(qū)被搬運(yùn)到珠江口外陸架和前方的深水區(qū)（圖5），在白云深水區(qū)形成一大型富砂的陸架邊緣三角洲—海底扇沉積體系（圖5）[44]。在地震剖面上，下降體系域時(shí)期海底扇在地震剖面上表現(xiàn)為中振幅、雜亂的反射，而低位體系域時(shí)期海底扇在地震剖面上以中—強(qiáng)振幅、連續(xù)—雜亂反射為主，多期雙向下超特征明顯（圖5a）。在連井剖面上，中中新世珠江海底扇以低伽馬、箱型測(cè)井曲線響應(yīng)特征為主；而中中新世的珠江陸架邊緣三角洲以漏斗型的伽馬測(cè)井曲線響應(yīng)特征為主（圖5b）。

（2）軌道尺度的中更新世氣候革命（MPT）：在中更新世，全球氣候變化的周期由40 ka躍遷為100 ka，這一氣候事件被稱之為“中更新世氣候革命”[42]。在珠江源—匯系統(tǒng)的深水部分，珠江陸架邊緣三角洲自中更新世以來(lái)經(jīng)歷了早期進(jìn)積（MIS 20-12）、晚期加積（MIS 12-1）的發(fā)育演化過(guò)程；它們的前方分別發(fā)育進(jìn)積特征和退積特征明顯的深水扇（圖3b）[45]。研究表明中更新世氣候革命之前（MIS20-12）冬季風(fēng)盛行、氣候干冷，機(jī)械風(fēng)化作用增強(qiáng)但河流搬運(yùn)能力較弱，從而導(dǎo)致向珠江源—匯系統(tǒng)供給的沉積物量少但相對(duì)較粗（富砂）[45]。這一時(shí)期全球冰量的增加導(dǎo)致高頻（41 kyr）低幅的海平面變化（海平面平均高度約為-55.8 m，標(biāo)準(zhǔn)方差為±24.2 m，數(shù)據(jù)據(jù)Milleret al.[46]），從而使得沉積物能夠越過(guò)內(nèi)陸架、“駐留”在陸架邊緣向深水中輸送沉積物的頻次增多，形成進(jìn)積特征明顯且相對(duì)富砂的陸架邊緣三角洲—海底扇沉積體系（圖3b）[45]。中更新世氣候革命之后的MIS 12-1期，夏季風(fēng)盛行、氣候潤(rùn)濕，化學(xué)風(fēng)化和河流搬運(yùn)能力相應(yīng)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致向珠江源—匯系統(tǒng)供給的沉積物量多且相對(duì)較細(xì)（富泥）[45]。這一時(shí)期全球冰量減少造成低頻（100 kyr）高幅的海平面變化（海平面平均高度約為-62.7 m，標(biāo)準(zhǔn)方差為±33.2 m，據(jù)Milleret al.[46]），使得沉積物能夠越過(guò)內(nèi)陸架、“駐留”在陸架邊緣向深水中輸送沉積物的頻次減少，形成退積特征明顯但相對(duì)富泥的陸架邊緣三角洲—海底扇沉積體系。

（3）軌道尺度的冰期—間冰期旋回：在104～5年尺度的軌道尺度上，氣候變化最為顯著的特征是冰期、間冰期的周期性出現(xiàn)。陳芳等[47]認(rèn)為白云深水區(qū)的更新世沉積速率從3.14 到5.74 cm/kyr 不等；據(jù)此推測(cè)珠江峽谷的6 個(gè)柱狀樣中沉積物的年齡從6.42 到21.41 kyr 不等（圖6a～e，圖7）。其中如圖6b～d 所示的柱狀樣GC19，GC20和GC21中的沙層形成于MIS1和3末次冰期，而如圖6a所示的柱狀樣GC18中的沙層則主要形成于MIS2亞冰期。MIS1和3末次冰期間夏季風(fēng)增強(qiáng)、氣候潤(rùn)濕，化學(xué)風(fēng)化作用和河流搬運(yùn)能力較強(qiáng)，沉積物供給高[49-50]；高速沉積物供給能夠抑制海平面上升將沉積物搬運(yùn)到外陸架和白云深水區(qū)（圖6f，g）[15]。在這一高沉積物供給背景下，所形成的陸架邊緣三角洲越過(guò)陸架坡折達(dá)10～15 km，并和陸坡水道相連接，形成聯(lián)通而順暢的由源到匯的沉積物分散系統(tǒng)，使得在海平面上升的間冰期也發(fā)育濁積沙（圖6）[15]。需要指出的是，這一結(jié)論需要高精度的測(cè)年數(shù)據(jù)來(lái)證實(shí)或證偽[15]；這也是筆者承擔(dān)的自然科學(xué)基金項(xiàng)目“珠江峽谷末次冰期以來(lái)濁流活動(dòng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)尺度與反饋機(jī)制（41972100）”的立題依據(jù)之一，有待進(jìn)一步深入研究。

圖5 （a）珠江口盆地中中新世區(qū)域地震剖面（剖面位置見圖3a）和（b）連井沉積相對(duì)比剖面揭示了中新世珠江陸架邊緣三角洲—深水扇源—匯系統(tǒng)的沉積特征（原圖由徐少華博士提供）Fig.5 (a) Regional seismic line and (b) corresponding stratigraphic correlation (courtesy of Dr Shaohua Xu), showing sedimentological properties of middle Miocene Pearl River shelf-margin deltas and deeper fans systems

此外，更新世亞馬遜海底扇碎屑鋯石的鈾—鉛年代學(xué)研究表明，在兩次冰期（低位期），剝蝕作用強(qiáng)，大量源自安第斯山脈的碎屑顆粒被亞馬遜河搬運(yùn)到深水區(qū)，濱線向海進(jìn)積、亞馬遜海底扇活躍發(fā)育；而在間冰期（高位期），風(fēng)化作用減弱，亞馬遜源—匯系統(tǒng)由源到匯的沉積物搬運(yùn)分散能力減弱、濱線軌跡向陸退積，海底扇停止發(fā)育[51]。

2.2 亞軌道—人類尺度（≤104年）氣候變化的深水源—匯過(guò)程響應(yīng)

尼日爾三角洲盆地陸架寬約50～100 km，陸坡水道終止在現(xiàn)今陸架坡折，為一典型的遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在這樣的深水源—匯系統(tǒng)中，沉積物在外陸架—深水盆地的分散—堆積過(guò)程不能夠忠實(shí)地記載反饋亞軌道—人類尺度的氣候變化。在深海氧同位素MIS5 時(shí)期，尼日爾源—匯系統(tǒng)的母源區(qū)以“潤(rùn)濕氣候”為主，潤(rùn)濕氣候使得母源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化作用增強(qiáng)、河流搬運(yùn)能力增強(qiáng)；但寬闊的陸架和同期的海平面快速上升使得潤(rùn)濕氣候所造成的供給量增加被海平面上升所“淹沒(méi)”，從而導(dǎo)致深水水道內(nèi)濁流活動(dòng)停止，水道廢棄[52]。在深海氧同位素MIS3時(shí)期，海平面下降，使得尼日爾陸坡水道中的濁流活動(dòng)加劇且富砂[52]。由此可見，如經(jīng)典層序地層學(xué)理論所預(yù)測(cè)的那樣：在亞軌道—人類尺度上，沉積物在遲滯響應(yīng)的搬運(yùn)分散過(guò)程主要受海平面變化的控制，而氣候變化對(duì)其無(wú)明顯的調(diào)控作用（圖2a）。

此外，珠江源—匯系統(tǒng)的過(guò)渡區(qū)（陸架寬約100～200 km）較寬，在如圖7 所示來(lái)自珠江深水區(qū)的柱狀樣上，點(diǎn)狀磁化率、鋯/銣比、硅/鋁比的正異常以及鈦/鈣的負(fù)異常與濁流沉積有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如何通過(guò)多種手段重構(gòu)珠江峽谷內(nèi)外的濁流活動(dòng)史，進(jìn)而結(jié)合14C測(cè)年，揭示珠江峽谷末次冰期以來(lái)濁流活動(dòng)對(duì)亞軌道尺度氣候和海平面相互作用的響應(yīng)機(jī)制，將有望在深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的過(guò)程響應(yīng)與反饋機(jī)制方面取得進(jìn)一步的進(jìn)展。

3 瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的過(guò)程響應(yīng)

3.1 構(gòu)造—軌道尺度（≥104年）氣候變化的深水源—匯過(guò)程響應(yīng)

前已述及，溫室氣候期低頻低幅的海平面升降使得源—匯系統(tǒng)的響應(yīng)尺度往往比較?。═eq≤104年），形成瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)；它們忠實(shí)地響應(yīng)了構(gòu)造—軌道尺度的氣候變化（如古新世—始新世極熱事件和漸新世初大冰期事件）。

圖7 珠江深水源—匯系統(tǒng)沉積區(qū)深海柱狀樣P1（柱狀樣位置見圖3a）的Geotek 巖芯掃描照片及其對(duì)應(yīng)點(diǎn)狀磁化率和XRF 元素分析Fig.7 Facies log, magnetic susceptibility, and XRF elemental composition of piston core P1 from Pearl River deepwater S2S systems (see Fig.3a for location map)

（1）古新世—始新世極熱事件（PETM）：在古新世—始新世之交，全球溫度在短暫的一萬(wàn)年內(nèi)陡增了4 ℃～8 ℃，這一全球突然變暖事件被稱之為“古新世—始新世極熱事件”[42]。Clareet al.[53]通過(guò)對(duì)深水濁流事件的統(tǒng)計(jì)分析表明濁流活動(dòng)的頻率在極熱事件期間急劇減小，而在極熱事件后則顯著增加。Eggeret al.[54]認(rèn)為濁流的沉積速率在極熱事件期間從20 cm/kyr急劇減少到5 cm/kyr；而Schmitzet al.[55]研究表明在極熱事件期間巴斯克盆地（Basque Basin）濁流活動(dòng)的頻率也減少了10 倍。此外，S?mmeet al.[56]研究表明古新世—始新世極熱事件使得挪威外海的沉積物供給量相較于極熱事件前的Thanetian沉積期顯著減少了約10倍。Clareet al.[53]將這一“古新世—始新世極熱期濁流活動(dòng)顯著減弱”的現(xiàn)象歸因于干熱的氣候條件，認(rèn)為干熱的氣候?qū)е潞恿靼徇\(yùn)能力減弱，供給到陸架邊緣的沉積物也相應(yīng)減少；并最終使得沉積物在深水中的搬運(yùn)—分散過(guò)程也較弱。

（2）漸新世初大冰期事件（EOGM）：在始新世晚期—漸新世初期，環(huán)南極洋流阻止了南極底層水與赤道地區(qū)水體之間的交換，從而使得南極大陸在短時(shí)間內(nèi)急劇變冷，形成大規(guī)模冰蓋，這一事件稱之為“漸新世初大冰期事件”[42]。漸新世初大冰期事件所導(dǎo)致的氣候明顯變冷也被魯武馬盆地漸新世（窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)）海底扇所紀(jì)錄。具體來(lái)說(shuō)，在如圖8 所示的東非漸新統(tǒng)連井剖面上，1 井和5 井暖水種浮游有孔蟲和鈣質(zhì)超微化石的豐度顯著降低，是漸新世初大冰期變冷事件作用的結(jié)果[57]。相較于以灰綠色泥巖為主的始新世海底扇，漸新世初大冰期形成的海底扇以中粗砂巖為主；這一海底扇巖性變化可能響應(yīng)于寒冷干燥氣候（圖8）[57]。干冷的氣候使非洲大陸機(jī)械風(fēng)化作用加強(qiáng)，并伴隨著海平面急劇下降，從而導(dǎo)致更多的陸源物質(zhì)（尤其是粗粒物質(zhì)）由源到匯輸送搬運(yùn)到魯武馬深水區(qū)，形成富砂的海底扇（圖8）。

3.2 亞軌道—人類尺度（≤104年）氣候變化的深水源—匯過(guò)程響應(yīng)

與前已述及的“遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)對(duì)亞軌道—人類尺度響應(yīng)模式”不同的是，瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的過(guò)程響應(yīng)記錄了亞軌道—人類的氣候波動(dòng)。

（1）窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對(duì)亞軌道—人類尺度氣候波動(dòng)的響應(yīng)：在以下四個(gè)典型的窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，亞軌道—人類尺度的氣候波動(dòng)（如厄爾尼諾、Dansgaard/Oscheger事件、B?lling-Aller?d 事件、強(qiáng)臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴）對(duì)沉積物在深水中的搬運(yùn)分散過(guò)程有著明顯的調(diào)制作用。

在南加州Santa Ana 和Santa Clara 瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（陸架寬約5～30 km）：人類尺度的厄爾尼諾伴隨的潤(rùn)濕氣候使得母源區(qū)遭受強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化，同時(shí)河流搬運(yùn)能力增強(qiáng)，使得大量的沉積物被搬運(yùn)到南加州外海。所形成的Hueneme海底扇的平均堆積速率由中全新世的5～8 m/kyr激增到晚全新世厄爾尼諾氣候期的10～12.5 m/kyr；而Newport 海底扇的平均堆積速率也相應(yīng)從8～10 m/kyr增大到15～22 m/kyr[14,29]。

在北阿爾及利亞外海瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（陸架寬約5～20 km）：人類尺度的Dansgaard/Oscheger 暖事件使得D/O1-14 期間濁流的沉積速率是同一地區(qū)距今2215 年以來(lái)沉積速率的數(shù)倍。Giresseet al.[30]將D/O1-14 沉積期濁流沉積速率顯著增高的現(xiàn)象歸因于溫潤(rùn)的氣候：在溫潤(rùn)氣候條件下，水動(dòng)力強(qiáng)、河流搬運(yùn)能力大，更多的沉積物被搬運(yùn)到Soummam Oued 峽谷頭部堆積；而在距今2 215 年以來(lái)的干冷氣候條件下，水動(dòng)力較弱，河流搬運(yùn)能力小，向峽谷內(nèi)輸運(yùn)的濁流沉積物也隨之減少。

圖8 魯武馬盆地區(qū)域連井剖面（陳宇航等[57]，修改）及其與古氣候事件（Zachos et al.[58]）的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.8 Stratigraphic correlation showing the development of Oligocene‘greenhouse’submarine fans in Rovuma Basin and it relation to climatic changes

在坦桑尼亞窄陸架瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（陸架寬約5～10 km）：在Heinrich 亞冰期（19.3～14.6 ka，海平面低位期），由于干旱的氣候，使得坦桑尼亞陸緣的濁流活動(dòng)停滯[32]。在B?lling-Aller?d事件—早全新世（14.6～8.0 ka）：伴隨著回暖事件濁流活動(dòng)增強(qiáng)，濁流沉積的頻次、厚度和粒徑在新仙女木期（T2-T4）顯著增強(qiáng)，最后在早全新世濁流活動(dòng)再次增強(qiáng)。在中—晚全新世（8.0 ka 至今）：氣候變冷，濁流活動(dòng)也相應(yīng)減弱[32]。

在菲律賓Malaylay瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（陸架約5～10 km）：Sequeiroset al.[31]研究揭示Malaylay峽谷內(nèi)濁流活動(dòng)主要由2006年和2016年間的兩次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（Durian和Nock-ten）所致。與“高屏峽谷內(nèi)洪水成因的濁流”不同的是，Malaylay 峽谷的頭部未與河口相接，峽谷內(nèi)的濁流主要是由臺(tái)風(fēng)所誘發(fā)的巨浪使得峽谷外陸架沉積物被再次啟動(dòng)、搬運(yùn)到峽谷中所致。此外，東加拿大的圣勞倫斯灣（St.Lawrence Estuary）陸架寬度小于1 km，也為一典型窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在該源—匯系統(tǒng)中，Pointe-des-Monts峽谷中所觀測(cè)的濁流也是由風(fēng)暴作用所致[33]。

（2）峽谷頭部和河口相接成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對(duì)亞軌道—人類尺度氣候波動(dòng)的過(guò)程響應(yīng)：在以下幾個(gè)瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，沉積物向深水中的搬運(yùn)分散過(guò)程受到了亞軌道—人類尺度的氣候波動(dòng)（如末次冰期和間冰期、熱帶氣旋和洪水事件）的調(diào)控。

在我國(guó)臺(tái)灣的高屏瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（圖3a；峽谷頭部和河口之間的距離約為1.0 km）：亞軌道尺度的末次冰期和間冰期以及人類尺度的臺(tái)風(fēng)事件對(duì)峽谷內(nèi)的濁流活動(dòng)有明顯的調(diào)制作用。Yuet al.[59]研究表明MD3291 柱狀樣（區(qū)域位置見圖3a）34.0～15.3 m深度段僅出現(xiàn)兩層薄粉砂層和一層厚砂層，其年齡跨度為26 205～12 310 年（末次沃姆冰期）；而15.3 m 海底深度段累積出現(xiàn)四十余層濁積粉砂和一厚約幾十厘米的濁積沙，其形成年齡跨度為12 310～60 年（末次間冰期）。Yuet al.[59]將這一“海平面下降的末次冰期濁流頻次少活動(dòng)弱—海平面上升的末次間冰期濁流頻次多活動(dòng)強(qiáng)”現(xiàn)象歸因于末次間冰期以來(lái)的溫潤(rùn)氣候及其所伴隨的充沛的降雨。Zhanget al.[60]在高屏峽谷水深2 104 m的TJ-G斷面處（位置見圖3a）長(zhǎng)達(dá)3.5 年內(nèi)共監(jiān)測(cè)到16次以“高沉積物通量、高懸浮物濃度、溫度增加但鹽度降低”的濁流事件（圖9a～e），這16 次濁流事件與區(qū)域地震活動(dòng)并無(wú)匹配關(guān)系，而是由途徑臺(tái)灣的16 次強(qiáng)臺(tái)風(fēng)所致（圖9）。

此外，在法國(guó)外海的Var 峽谷（峽谷頭部和河口之間的距離僅為0.5 km）兩年的濁流觀測(cè)中，一共監(jiān)測(cè)到6次洪水事件所形成的濁流，這6次濁流事件將重達(dá)1.07 t 的沉積物搬運(yùn)到Nice 外海[37]。在下剛果盆地的剛果（圖4c；峽谷頭部和河口之間的距離約為1.0 km）峽谷水深3 420～4 790 m 深度段監(jiān)測(cè)到多次的濁流事件，這些濁流事件也被認(rèn)為是由剛果河2 000～2 005期間的洪水事件所致[35]。

（3）峽谷頭部和河口相鄰成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對(duì)亞軌道—人類尺度氣候波動(dòng)的過(guò)程響應(yīng)：恒河—雅魯藏布江瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的深水濁流活動(dòng)忠實(shí)地反映了亞軌道尺度的新仙女木事件和季風(fēng)波動(dòng)以及人類尺度的熱帶風(fēng)暴事件。

在恒河—雅魯藏布江瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中（圖4a，b）；峽谷頭部和河口之間的距離約為30 km），亞軌道尺度的新仙女木事件和季風(fēng)波動(dòng)控制了孟加拉扇上的濁流沉積。孟加拉扇的水道—天然堤沉積體系在末次盛冰期不發(fā)育，而在新仙女木事件結(jié)束的暖期（約9.7 kyr）濁流活躍、天然堤快速沉積建造[49]。在12.8～9.7 ka期間沉積建造的天然堤寬約13 km、高達(dá)50 m，平均沉積速率從0 劇增到300 cm/kyr（平均約130 cm/kyr）；而這一時(shí)期，海平面持續(xù)上升，從現(xiàn)今海平面以下-100 m左右上升到-45 m處[49]。此外，孟加拉扇中扇水道堤岸處MD12-3417柱狀樣14.5 ka至今的濁流活動(dòng)與印度季風(fēng)活動(dòng)（Indo-Asian monsoon）“休戚相關(guān)”。在9.2～5.5 ka 濁流活躍作用期：印度季風(fēng)增強(qiáng)、氣候潤(rùn)濕；物源區(qū)遭受劇烈的化學(xué)風(fēng)化且河流搬運(yùn)能力顯著增強(qiáng)；充沛的陸緣碎屑物質(zhì)被剝蝕搬運(yùn)到孟加拉灣，濁流活動(dòng)頻次高、活動(dòng)強(qiáng)（平均每500 年3 次）[39]。在5.5～4.0 ka 濁流活動(dòng)停滯期：印度季風(fēng)減弱、氣候干旱，恒河—雅魯藏布江搬運(yùn)能力變?nèi)酰徇\(yùn)分散到孟加拉扇的沉積物量顯著減少，濁流活動(dòng)近乎停滯[39]。在4.0 ka至今濁流活動(dòng)期：印度季風(fēng)增強(qiáng)，氣候潤(rùn)濕，物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化較強(qiáng)，大量的沉積物被搬運(yùn)到SoNG 峽谷內(nèi)，形成高頻的濁流（平均每100年1次）[39]。

圖9 （a～e）高屏峽谷TJ-G 觀察點(diǎn)（位置見圖3a）的16 次濁流活動(dòng)的沉積物捕獲量；（c）（d）和懸浮物濃度（e）及其與區(qū)域地震活動(dòng)（a）以及河流徑流量（b）的關(guān)系（據(jù)Zhang et al.[60]）；（f）～（i）CT 掃描照片揭示了阿拉斯加Eklutna 湖洪水型和滑塌型重力流沉積（據(jù)Vandekerkhove et al.[41]）Fig.9 (a)-(e) 16 turbidity current activity in Gaoping Canyon and their bottled sediment samples, vertical sediment flux, and relation to regional earthquakes and Gaoping River discharges (modified from Zhang et al.[60]).(f)-(i) X-ray micro-computed tomography(CT) scans of Eklutna turbidites, correlated to floods (hyperpycnal-flow deposits) and failures (slump turbidites) (modified from Vandekerkhove et al.[41])

除了上述亞軌道尺度氣候變化驅(qū)動(dòng)的深水源—匯過(guò)程響應(yīng)之外，風(fēng)力在10～25 m/s不等的熱帶風(fēng)暴或強(qiáng)熱帶風(fēng)暴也能夠驅(qū)動(dòng)孟加拉灣Swatch of No Ground 陸架峽谷中的沉積物搬運(yùn)—分散—堆積過(guò)程。風(fēng)暴使得三角洲前緣和內(nèi)陸架的沉積物被再次啟動(dòng)，搬運(yùn)到峽谷內(nèi)形成風(fēng)暴濁流[38]。這些風(fēng)暴濁流沉積可見粒序?qū)永怼⒁苑凵场硨訛橹鳌螌雍窦s2～4 cm，忠實(shí)地記錄了孟加拉灣自1970 年至今的風(fēng)暴事件[38]。

（4）湖盆瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對(duì)亞軌道—人類尺度氣候波動(dòng)的過(guò)程響應(yīng)：湖盆一般缺少寬闊的陸架區(qū)（過(guò)渡區(qū)較局限），所形成的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)能夠能對(duì)亞軌道—人類尺度的氣候波動(dòng)做出快速響應(yīng)，譬如洪水事件在阿拉斯加Eklutna 湖和我國(guó)龍門山地區(qū)的紫坪鋪水庫(kù)湖盆源—匯系統(tǒng)的深水沉積區(qū)都留下了“烙印”。在阿拉斯加Eklutna 湖，Vandekerkhoveet al.[41]識(shí)別了1989 年和1995 年的洪水型重力流（圖9f～g）以及1964年阿拉斯加大地震和1992 年大壩潰堤所致的滑塌型重力流沉積（圖9h～i）。美國(guó)阿拉斯加地區(qū)1917年以來(lái)的6次大型洪水事件（1917 年、1929 年、1989 年、1995 年和2012 年）在區(qū)域上具有橫向可對(duì)比性（圖10）[41]。汶川地震兩年后，由于強(qiáng)降雨帶來(lái)的洪水才將汶川地震崩塌的沉積物帶到位于龍門山地區(qū)岷江流域的紫坪鋪水庫(kù)中[40]。

4 深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的響應(yīng)機(jī)制

4.1 可容空間驅(qū)動(dòng)的遲滯響應(yīng)源—匯反饋機(jī)制

在構(gòu)造—軌道尺度上，遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（響應(yīng)時(shí)間Teq≥104年）能夠?qū)?gòu)造—軌道尺度的氣候變化（Tp≥104年）做出響應(yīng)和反饋（圖2a），這一過(guò)程響應(yīng)是通過(guò)氣候變化誘發(fā)的海平面升降（可容空間）來(lái)完成的（圖2a）。譬如，中中新世變冷事件導(dǎo)致珠江遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)在下降體系域和低位體系域形成大規(guī)模的富砂海底扇（圖8）；在這些冰期變冷事件過(guò)程中，海平面也隨之大規(guī)模下降，海底扇主要出現(xiàn)在海平面下降的背景條件下。這一觀點(diǎn)也被如圖11a所示的晚中新世—第四紀(jì)紅河遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖3a；現(xiàn)今陸架寬達(dá)100～450 km）和如圖12所示的上新世—第四紀(jì)冰室數(shù)模結(jié)果所佐證。晚中新世（10.5 Ma）—第四紀(jì)紅河遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)發(fā)育三期陸架坡折遷移軌跡（每期時(shí)間尺度約為106年）；海底扇（中連續(xù)、強(qiáng)振幅、中頻的下超反射）主要出現(xiàn)在構(gòu)造—軌道尺度的下降型陸架坡折遷移軌跡（示意可容空間下降）的前方（圖11a）。在上新世至今的冰室模擬陸緣上，海平面下降（約占模擬時(shí)長(zhǎng)的60%）也能夠驅(qū)動(dòng)三角洲越過(guò)內(nèi)陸架形成陸架邊緣三角洲并向深水中輸運(yùn)砂體，形成低位濁積沙（圖12）[61]。

圖10 區(qū)域連井剖面揭示了1917 年至今6 次大型洪水所形成的洪水型重力流以及1992 年大壩潰堤和1964 年阿拉斯加大地震所形成的滑塌型重力流（據(jù)Vandekerkhove et al.[41]）Fig.10 Stratigraphic correlation showing Eklutna turbidites triggered by six floods since 1917, and by the 1992 dam collapses and 1964 earthquake (modified from Vandekerkhove et al.[41])

在亞軌道—人類尺度上，氣候波動(dòng)（Tp≤104年）往往被快速海平面的上升所“淹沒(méi)”，對(duì)遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（響應(yīng)時(shí)間Teq≥104年）的深水沉積物搬運(yùn)分散過(guò)程沒(méi)有調(diào)制作用（圖2a）。如圖13a 所示的自紅河源—匯系統(tǒng)的地震剖面，瓊東南盆地現(xiàn)今陸架寬達(dá)100～450 km），為一典型的“遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)”（圖3a）。在紅河遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，每個(gè)上升—下降海盆坡折軌跡對(duì)的時(shí)間跨度約為104年，底積層出現(xiàn)在下降型陸架坡折遷移軌跡（橘紅色點(diǎn)）而非上升型陸架坡折遷移軌跡（藍(lán)色點(diǎn)）的前方（圖13a）。這表明正如經(jīng)典的Exxon 層序地層學(xué)理論所預(yù)測(cè)的那樣，在可容空間下降的干旱氣候期，底積層發(fā)育；而在可容空間上升的潤(rùn)濕氣候期，底積層不發(fā)育[15]。

由此可見，遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中沉積物在深水中的搬運(yùn)分散過(guò)程吻合經(jīng)典的Exxon 層序地層學(xué)理論，主要受到可容空間的驅(qū)動(dòng)（圖2a）。在構(gòu)造和軌道尺度上，全球變冷冰室氣候期濁流活動(dòng)較強(qiáng)、形成的沉積體相對(duì)富砂，而全球增溫暖室氣候期則使得濁流活動(dòng)較弱，形成的沉積響應(yīng)相對(duì)局限且富泥；在亞軌道—人類尺度上，氣候信號(hào)往往被快速海平面上升所“淹沒(méi)”（圖2a）。

4.2 物源供給驅(qū)動(dòng)的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯反饋機(jī)制

圖11 構(gòu)造—軌道尺度遲滯響應(yīng)（中新世—第四紀(jì)紅河，剖面位置見圖3a）和瞬態(tài)響應(yīng)（由序號(hào)1-20 沉積斜坡組成的早始新世Spitsbergen 陸緣）源—匯系統(tǒng)的過(guò)程響應(yīng)之對(duì)比（圖b 由美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Ron Steel 教授提供）Fig.11 Comparison of deepwater S2S processes and products between buffered S2S system (Miocene-Quaternary) Red River (location of seismic line in Fig.3a), and reactive S2S systems (early Eocene Spitzbergen Margin composed of 20 clinotherms, courtesy Ron Steel, Univ.Texas, Austin).NB in these low-supply scenarios, deepwater fans occur only in front of falling shelf edges of Icehouse margin, but in front of both falling and rising shelf edges of Greenhouse margins

在構(gòu)造—軌道尺度上，瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（Teq≤104年）能夠?qū)Υ蟪叨鹊臍夂蜃兓═p≥104年）做出響應(yīng)和反饋，這一過(guò)程響應(yīng)是通過(guò)氣候變化誘發(fā)的沉積物供給（物源供給）來(lái)調(diào)制的（圖2b）。譬如，構(gòu)造尺度的古新世—始新世極熱事件使得濁流活動(dòng)減弱，而漸新世初大冰期變冷事件使得魯武馬瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)的海底扇相對(duì)富砂（圖8）。如圖11b所示的早始新世Spitsbergen 陸緣，溫室氣候和窄陸架（陸架寬約20 km）形成一典型瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在Spitsbergen 下降型和上升型陸架坡折遷移軌跡的前方均發(fā)育海底扇，可見沉積物由陸架邊緣向深水中的搬運(yùn)分散獨(dú)立于海平面或可容空間變化，而主要受控于沉積物供給的變化（圖11b）。在如圖12 示的溫室（晚始新世—早漸新世和晚白堊世—早古新世）瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，海平面下降（低位期）和海平面上升（高位期）均能驅(qū)動(dòng)三角洲越過(guò)陸架形成陸架邊緣三角洲，且三角洲在外陸架“駐留”的時(shí)間亦較長(zhǎng)（約占模擬時(shí)長(zhǎng)的72%～75%）[61]。

在亞軌道—人類尺度上，瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（Teq≤104年）同樣能夠?qū)π〕叨鹊臍夂虿▌?dòng)（Tp≤104年）進(jìn)行響應(yīng)和反饋（圖2b）。多瑙河流域的Pannonian湖盆具有陸架—陸坡—盆底的三分地貌單元，陸架的寬度從30～60 km不等，是窄陸架成因的瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)（圖13b）[15]。在Pannonian 瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，每個(gè)上升—下降湖盆坡折軌跡對(duì)的時(shí)間跨度約為104年，底積層出現(xiàn)在上升型陸架坡折遷移軌跡（藍(lán)色點(diǎn)）而非下降型陸架坡折遷移軌跡（橘紅色點(diǎn)）的前方（圖13b）。這表明與經(jīng)典的Exxon層序地層學(xué)理論不同的是，在湖平面下降的干旱氣候期，底積層不發(fā)育；而湖平面上升的潤(rùn)濕氣候期，底積層則更發(fā)育[15]。此外，Liuet al.[32]利用柱狀樣（GeoB12624-1）重構(gòu)了坦桑尼亞末次盛冰期以來(lái)的三期濁流活動(dòng)史，認(rèn)為深水沉積物搬運(yùn)—分散—堆積的源—匯過(guò)程并非如經(jīng)典層序地層學(xué)所預(yù)測(cè)的那樣（海平面下降時(shí)增強(qiáng)），反而在海平面上升的潤(rùn)濕氣候期更加活躍。

圖12 （a）不同時(shí)期的冰室和溫室陸緣的地貌形態(tài)，（b）海平面變化情況和形成陸架邊緣三角洲的時(shí)間占比以及（c）深水沉積物分散模擬結(jié)果（據(jù)S?mme et al.[61]）Fig.12 (a) Bathymetric models, (b) sea-level fluctuations with the timing for development of shelf-margin deltas,and (c) simulated sediment partitioning in deepwater basins (modified from S?mme et al.[61])

由此可見，瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)對(duì)物源供給的變化則更為敏感，氣候變化能否在深水中被記載取決于其能否誘發(fā)沉積物供給的變化（物源供給驅(qū)動(dòng)）（圖2b）。不論是構(gòu)造—軌道尺度的氣候變化還是亞軌道—人類尺度的氣候波動(dòng)，只要其能夠誘發(fā)沉積物供給的脈動(dòng)，它們都能夠在瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中均能夠“雁過(guò)留痕，風(fēng)過(guò)留聲”（圖2b）。

5 討論與展望

“多尺度氣候變化的深水源—匯過(guò)程和響應(yīng)”是當(dāng)前沉積學(xué)領(lǐng)域頗為關(guān)注的科學(xué)命題，存在如下頗具爭(zhēng)議和亟待深入研究的重要命題。

5.1 深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的響應(yīng)機(jī)制

“多尺度氣候變化對(duì)深水源—匯系統(tǒng)的調(diào)制”是源—匯系統(tǒng)研究的重要命題，近年來(lái)人們?cè)凇吧钏练e對(duì)古氣候的反饋/響應(yīng)”取得了重要進(jìn)展[14,16-21,32]，但也存在如下有待深入研究的重要命題：

（1）多尺度氣候環(huán)境演變是如何調(diào)控沉積物在深水沉積環(huán)境中的搬運(yùn)—分散—堆積的地表動(dòng)力學(xué)過(guò)程？

（2）多尺度氣候環(huán)境變化是如何在外陸架—深水盆地的源—匯系統(tǒng)中傳輸、分散和保存的？

（3）多尺度氣候環(huán)境演變是如何調(diào)制深水源—匯系統(tǒng)構(gòu)成要素的沉積構(gòu)成樣式和發(fā)育演化過(guò)程？

盡管本文對(duì)“深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的過(guò)程響應(yīng)”做了簡(jiǎn)要的梳理，但這是一個(gè)長(zhǎng)期的研究課題。

圖13 （a）亞軌道—人類尺度遲滯響應(yīng)（第四紀(jì)紅河，剖面位置見圖3a）和（b）瞬態(tài)響應(yīng)（匈牙利Pannonian 湖盆）源—匯系統(tǒng)的過(guò)程響應(yīng)之對(duì)比Fig.13 (a) Comparison of process-product responses to suborbital-to historical-scale climatic fluctuations between (upper panel) reactive S2S systems from marine Qiongdongnan Basin, and (b) (lower panel) buffered S2S systems from lacustrine Pannonian Basin

5.2 “濁流活動(dòng)與氣候變化的源—匯響應(yīng)”之爭(zhēng)

氣候和海平面變化之間的相互作用控制著沉積物在深海環(huán)境中的搬運(yùn)—分散—堆積過(guò)程[16-18,62-63]，但目前濁流活動(dòng)（頻率、周期和堆積速率等）對(duì)氣候變化的源—匯響應(yīng)是一個(gè)頗具爭(zhēng)議的話題。具體說(shuō)來(lái)，以倫敦大學(xué)學(xué)院Mark Maslin 教授為代表的古氣候?qū)W家研究認(rèn)為氣候變暖會(huì)導(dǎo)致水合物分解和地震活動(dòng)劇增，從而誘發(fā)大規(guī)模的高頻濁流事件[64-71]。Mark Maslin 教授課題組研究證實(shí)：1）亞馬遜海底扇上第四紀(jì)大規(guī)模重力流滑塌事件是由氣候誘發(fā)的水合物分解（冰期）和沉積物過(guò)載（冰消期）所致[64]；2）北大西洋低緯度地區(qū)在1.5～1.3 萬(wàn)年前的陸坡滑塌事件顯著增多，這可能由B?lling-?ller?d 暖期充沛的物源供給所致[65]；3）過(guò)去4.5萬(wàn)年以來(lái)發(fā)生的陸坡滑塌事件中有近70%主要發(fā)育在1.5～1.3 萬(wàn)年和1.1～0.8 萬(wàn)年兩個(gè)時(shí)間段，這可能由B?lling-?ller?d 暖期和前北方期的兩次重大融雪洪水事件所致[65]。

與上述觀點(diǎn)截然不同的是，“暖濕氣候誘發(fā)大規(guī)模濁流”遭到了以英國(guó)杜倫大學(xué)Peter J.Talling 教授為代表的沉積學(xué)家的強(qiáng)烈質(zhì)疑[53,72-73]。Peter J.Talling教授課題組研究認(rèn)為：1）全球68個(gè)大型濁積事件的活動(dòng)頻率與氣候變暖并無(wú)直接關(guān)系[72-73]；2）始新世初期的全球極熱事件（Initial Eocene Thermal Maximum）并未導(dǎo)致全球出現(xiàn)大規(guī)模的濁流活動(dòng)[53]。此外，干冷氣候期劇烈的濁流活動(dòng)也得到了其他研究的證實(shí)：1）Bonneauet al.[74]利用四個(gè)重力活塞樣重構(gòu)了過(guò)去75 000年以來(lái)古里亞海的濁流活動(dòng)史，研究認(rèn)為Var峽谷天然堤的濁流活動(dòng)在干冷的丹斯果—奧什格爾冰階期（Dansgaard-Oeschger stadials）較為劇烈，而在濕潤(rùn)多雨的間冰階（Interstadials）則相對(duì)較為平緩溫和；2）高精度的定年數(shù)據(jù)（±150年）表明挪威外海的Storegga 滑塌體于8 200 年前的極冷氣候期形成[75]；3）孟加拉扇的天然堤沉積體系在溫度驟降的仙女木時(shí)期，快速沉積建造，在短短的3 000 余年內(nèi)形成寬達(dá)13 km，厚達(dá)50 m的天然堤[49]。這些研究表明大規(guī)模、高頻濁流事件也可能發(fā)生在干冷氣候期，其與氣候變暖并無(wú)直接的響應(yīng)關(guān)系。

此外，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為水合物分解導(dǎo)致滑塌失穩(wěn)，從而誘發(fā)大規(guī)模的濁流活動(dòng)[67-71]。譬如，冰期水合物分解是導(dǎo)致亞馬遜海底扇上第四紀(jì)大規(guī)模滑塌事件的重要原因[64]，水合物帶的超壓或游離氣體也是形成濁流事件的重要誘因[76-77]；而水合物分解導(dǎo)致固結(jié)的沉積物松散、產(chǎn)生游離氣、使流體壓力增大，這些因素都將導(dǎo)致沉積物的強(qiáng)度降低、進(jìn)而誘發(fā)滑塌和濁流[70]。這一“先水合物分解—后誘發(fā)濁流”的模式也遭到了眾多學(xué)者的質(zhì)疑[78-80]，譬如Maslinet al.[65]，Paullet al.[81]和Tallinget al.[80]研究指出陸坡滑塌是誘發(fā)水合物分解的重要機(jī)制，提出了“先滑塌誘發(fā)濁流—后水合物分解”的模式。

由此可見，“濁流活動(dòng)對(duì)氣候變化的源—匯響應(yīng)”是當(dāng)前頗具爭(zhēng)議的話題之一，也是深水沉積學(xué)領(lǐng)域重要的研究命題。尤其是探究濁流的活動(dòng)強(qiáng)度（頻率和堆積速率等）和沉積特征（砂泥比和單層厚度等）對(duì)古氣候變化如何反饋具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

5.3 如何甄別不同成因的濁流沉積

研究小尺度氣候變化的深水源—匯過(guò)程響應(yīng)的一個(gè)首要命題就是如何甄別不同類型（洪水型和滑塌型）的濁流沉積[41]。對(duì)于能夠用AMS14C 準(zhǔn)確定年（小于5萬(wàn)年）的沉積物來(lái)說(shuō)，其一般長(zhǎng)度從幾米到幾十米不等，大多數(shù)尚未固結(jié)成巖。故而，在大多數(shù)情況下，面對(duì)我們的將是肉眼難以準(zhǔn)確識(shí)別的濁流沉積；傳統(tǒng)的從巖芯描述、沉積構(gòu)造觀察推斷成因的研究手段已不再適用。“如何利用先進(jìn)的CT 成像等研究手段（圖9f～i），并集合傳統(tǒng)的粒度、XRF 元素和磁化率分析，準(zhǔn)確判識(shí)甄別洪水型和滑塌型濁流沉積，建立相應(yīng)的識(shí)別相標(biāo)志”將是開展氣候變化的深水源—匯過(guò)程與響應(yīng)研究的首要任務(wù)，也是我們面臨的另一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

Vandekerkhoveet al.[41]在美國(guó)阿拉斯加Eklutna湖的研究提出可以從“區(qū)域厚度變化，粒度特征，沉積物組成，有機(jī)質(zhì)降解，氧化還原條件和沉積構(gòu)造”六個(gè)方面區(qū)分洪水型重力流以及地震和大壩決堤誘發(fā)的滑塌型重力流。Kremeret al.[82]利用“鈣/鈦比（Ca/Ti）、磁化率、粒度、元素分析”恢復(fù)了瑞士日內(nèi)瓦湖（Lake Geneva）過(guò)去1 500年以來(lái)的濁流活動(dòng)史，甄別了洪水型和滑塌型濁流沉積。這些研究為我們甄別不同成因的濁流沉積并建立相應(yīng)的識(shí)別相標(biāo)志提供了重要的借鑒和范例。

5.4 利用深水沉積記錄重構(gòu)多尺度氣候變化及其在源—匯系統(tǒng)中的源匯過(guò)程？

深水沉積能夠提供從構(gòu)造尺度到人類尺度的氣候變化檔案，所記載的信號(hào)時(shí)間跨度大（圖1c）[13-14]。一般而言，湖相沉積物往往具有沉積的不連續(xù)性和沉積物定年的不確定性；而海洋沉積物具有相對(duì)連續(xù)沉積，所伴生的有孔蟲殼體能夠提供可靠的放射性AMS14C 年齡，因此提供了連續(xù)可靠且高分辨的區(qū)域古氣候檔案。在全球暖化的大背景下，“如何利用這些連續(xù)高分辨的深水沉積檔案重構(gòu)古氣候變化？”是一個(gè)重要的科學(xué)命題。對(duì)這一科學(xué)問(wèn)題的探討將有助于建立未來(lái)氣候變化的預(yù)測(cè)模型，具有重要的科學(xué)和社會(huì)意義[14,21,32]。

洪水型重力流與洪水作用密切相關(guān)、忠實(shí)地記錄了人類尺度的古氣候波動(dòng)[83-84]。我國(guó)斷陷湖盆中洪水型重力流異常發(fā)育，這些洪水型重力流不僅是重要的油氣儲(chǔ)集體，同時(shí)也是重要的古氣候檔案。利用洪水型重力流恢復(fù)古氣候、研究古洪水活動(dòng)規(guī)律，將有利于人們更好地認(rèn)知大自然和古氣候的演化規(guī)律。

5.5 深水源—匯系統(tǒng)對(duì)氣候變化研究的能源—環(huán)境效應(yīng)

全球海相深水油氣資源依然是未來(lái)世界油氣勘探的主戰(zhàn)場(chǎng)[23]；陸相湖盆深水也孕育了數(shù)個(gè)10 億噸級(jí)致密油、頁(yè)巖油大油田[25]，擁有非常的常規(guī)與非常油氣資源[24-25]。沉積物由源到匯的搬運(yùn)—分散—堆積過(guò)程所形成的粗粒和細(xì)粒沉積分別是常規(guī)與非常規(guī)油氣富集區(qū)。由此可見，揭示深水源—匯體系的沉積特征（如巖性、厚度和規(guī)模等）對(duì)氣候環(huán)境變化的沉積響應(yīng)是非常規(guī)油氣沉積學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一[25]，可從成因上探討優(yōu)質(zhì)粗粒和細(xì)粒儲(chǔ)層的發(fā)育機(jī)制，建立相應(yīng)的儲(chǔ)層發(fā)育模式。這將有望為有利儲(chǔ)層、非常規(guī)油氣甜點(diǎn)區(qū)（段）與資源分布預(yù)測(cè)提供依據(jù)，將具有重要的應(yīng)用前景[24-25]。

此外，深水沉積體系也是重要的自然災(zāi)害類型，沉積物由源到匯的搬運(yùn)—分散—堆積過(guò)程所伴生的滑塌能夠誘發(fā)大規(guī)模的海嘯和海底失穩(wěn)。在我們賴以生存的地球正在經(jīng)歷一個(gè)“從不太尋常的冰室氣候期進(jìn)入尋常的溫室氣候期”的全球暖化的背景下，開展深水沉積體系的由源到匯研究，揭示深水源—匯體系的能源與環(huán)境效應(yīng)，將有助于促進(jìn)深海/深湖油氣資源的高效利用與環(huán)境災(zāi)害的預(yù)測(cè)[10,12,21-22,24-25,62]。

6 認(rèn)識(shí)與結(jié)論

本文梳理了從構(gòu)造到人類尺度氣候變化的深水沉積響應(yīng)，探究了深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的響應(yīng)機(jī)制。

（1）當(dāng)“陸架寬度≥50 km 且無(wú)峽谷水道延伸到內(nèi)陸架或河口”或“冰室氣候期”時(shí)，一般形成遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，沉積物在外陸架—深水盆地的搬運(yùn)分散過(guò)程吻合經(jīng)典層序地層學(xué)理論、主要受可容空間變化的驅(qū)動(dòng)。構(gòu)造—軌道的變冷氣候期往往與濁流活動(dòng)的增強(qiáng)和富砂沉積響應(yīng)相伴生，而全球增溫氣候期（如古新世—始新世極熱事件）則使得濁流活動(dòng)減弱，形成的深水沉積相對(duì)局限且富泥。小尺度的亞軌道—人類尺度的氣候波動(dòng)，在海平面上升的高位和海侵期往往不被深水沉積所響應(yīng)。

（2）當(dāng)“陸架寬度≤20～50 km、峽谷頭部和河口相接/相近、溫室氣候、斷陷湖盆或三角洲越過(guò)陸架坡折”時(shí)，一般形成瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)。在瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，沉積物在外陸架—深水盆地的搬運(yùn)分散過(guò)程偏離經(jīng)典的Exxon層序地層學(xué)理論、主要受沉積物供給的驅(qū)動(dòng)。不論海平面是上升亦或下降，任何能夠誘發(fā)沉積物供給變化的氣候波動(dòng)，都可以被深水沉積所響應(yīng)。

（3）氣候信號(hào)能否被深水沉積所響應(yīng)首先取決于源—匯系統(tǒng)的類型，其次是信號(hào)的尺度。遲滯響應(yīng)深水源—匯系統(tǒng)過(guò)渡區(qū)較寬、響應(yīng)尺度較大（Teq≥104）；而瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)過(guò)渡區(qū)較局限、響應(yīng)尺度較小（Teq≤104）。當(dāng)信號(hào)的時(shí)間尺度≥104年（構(gòu)造—軌道尺度）時(shí)，它們均能夠?qū)Τ练e物在深水中的搬運(yùn)—分散—堆積過(guò)程起調(diào)制作用。當(dāng)信號(hào)的時(shí)間尺度≤104年（亞軌道—人類尺度）時(shí)，只有瞬態(tài)響應(yīng)源—匯系統(tǒng)才能對(duì)其做出響應(yīng)；而在遲滯響應(yīng)源—匯系統(tǒng)中，它們往往被海平面上升所“淹沒(méi)”，僅當(dāng)海平面下降時(shí)才能夠調(diào)制沉積物的搬運(yùn)—分散—堆積過(guò)程。

致謝 本文是第一/通信作者在美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Ronald Steel 教授課題組從事博士后（2014—2017）研究基礎(chǔ)上的進(jìn)一步梳理，也是課題組承擔(dān)的自然科學(xué)基金項(xiàng)目[中更新世以來(lái)珠江陸架邊緣三角洲—海底扇“源—匯同步”的形成機(jī)制（41802117）和珠江峽谷末次冰期以來(lái)濁流活動(dòng)對(duì)氣候變化的響應(yīng)尺度與反饋機(jī)制（41972100）]的初步認(rèn)識(shí)；邱振博士和兩位匿名審稿人的修改意見令本文增色良多。在此一并致以誠(chéng)摯的謝意。本文僅是筆者對(duì)“深水源—匯系統(tǒng)對(duì)多尺度氣候變化的過(guò)程響應(yīng)與反饋機(jī)制”的研究積累和相關(guān)思考，以期拋磚引玉。雖盡心竭力，奈何詮才末學(xué)，尤其是在古氣候方面知識(shí)的匱乏，多有紕漏，敬請(qǐng)諒解并指正。