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热带海洋学报 >

2017 , Vol. 36 >Issue 6: 27 - 38

DOI: https://doi.org/10.11978/2017012

海沟沉积物研究进展

  • 肖春晖 , 1 ,
  • 王永红 , 1 ,
  • 林间 2, 3
展开
  • 1. 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学海洋地球科学学院, 山东 青岛266100
  • 2. 美国伍兹霍尔海洋研究所, 马萨诸塞 伍兹霍尔02543
  • 3. 中国科学院南海海洋研究所, 广东 广州510301
王永红, 教授。海洋地质与环境研究。E-mail: yonghongw@ouc.edu.cn

作者简介：肖春晖(1991#cod#x02014;), 女, 山东省东营市人, 博士研究生, 海洋沉积学。E-mail:

收稿日期: 2017-01-23

  要求修回日期: 2017-08-14

  网络出版日期: 2018-01-18

基金资助

国家重点研发计划项目(2016YFC0402602)

国家自然科学基金(41376054、41176039、41410304022、91628301、U1606401)

国家海洋局公益性项目(201405037)

中国科学院项目(QYZDY-SSW-DQC005、Y4SL021001)

收起

Research progress on ocean trench sedimentation

  • XIAO Chunhui , 1 ,
  • WANG Yonghong , 1 ,
  • LIN Jian 2, 3
Expand
  • 1. Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques, MOE and College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China
  • 2. Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA 02543, USA
  • 3. South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
Corresponding author: WANG Yonghong. E-mail:

Received date: 2017-01-23

  Request revised date: 2017-08-14

  Online published: 2018-01-18

Supported by

National Key Research and Development Plan (2016YFC0402602)

National Natural Science Foundation of China (41376054, 41176039, 41410304022, 91628301, U1606401)

Public Welfare Project of the State Oceanic Administration (201405037)

Chinese Academy of Sciences Project (QYZDY-SSW-DQC005, Y4SL021001)

Copyright

热带海洋学报编辑部
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摘要

俯冲的大洋板块在自身的重力以及上覆板块的挤压下, 下潜时牵引洋底向下倾伏, 从而形成了深邃的海沟。板块及其所携带的沉积物在这里俯冲到地幔深处, 构成了全球物质循环的重要部分。海沟地处极端环境, 海沟沉积物的沉积作用不同于陆架和浅海地区, 其物源和水动力基本控制了沉积模式, 但海沟沉积物的物源、沉积环境和沉积机理则更为复杂。海沟沉积物受控于各种类型的构造运动, 包括由上覆板块刮削下来的深海沉积物和洋壳碎片堆积而成的沉积增生楔; 由海沟重力滑塌、地震等因素引发的浊流沉积; 以及由火山活动带来的火山物质等。同时, 海沟沉积物也受控于海沟逐渐形成过程中和形成后的各种沉积作用, 例如生物化学沉积和漏斗效应。由于海沟沉积物的沉积过程受到漏斗效应的影响, 使得海沟沉积一般比深海盆地堆积速度更快, 堆积厚度也更大, 但在海沟的不同位置或不同海沟之间, 堆积厚度也会有所不同。海沟的这些沉积机理和沉积过程的差异, 影响了海沟沉积物的性质, 包括沉积物粒度、矿物、生物等都有所差异。文章根据海沟以上的沉积特点, 分析了不同海沟之间和同一海沟内部海沟沉积厚度以及沉积物的粒度特征、矿物组成和生物特征的差异, 并总结了海沟重力滑塌、浊流沉积、火山活动、生物化学沉积、漏斗效应这五种海沟沉积机理对海沟沉积物沉积过程的影响。文章最后展望了海沟沉积物的研究热点, 希望在此基础上促进海沟沉积物的进一步研究。

关键词： 海沟; 沉积物; 物源; 沉积厚度; 沉积机理; 研究进展

本文引用格式

肖春晖 , 王永红 , 林间 . 海沟沉积物研究进展[J]. 热带海洋学报, 2017 , 36(6) : 27 -38 . DOI: 10.11978/2017012

Abstract

Under its own gravitational weight and interaction with the overriding plate, a subducting oceanic plate bends significantly, leading to the formation of a deep trench. Here the subducted plate brings sediments into the mantle depths, constituting an important part of the global cycling of Earth materials. At the extreme environment of the deep ocean trench, the sedimentation processes differ significantly from that in a continental shelf or a shallow water zone. In general, the sediment provenances, environments, and mechanisms are much more complex at ocean trenches. Sediment sources at trenches are linked strongly to trench tectonics including, for example, the formation of accretionary wedges composing of deep sea sediments scraped off the overriding plate; turbidity deposits triggered by trench gravity sliding and seismic events; and volcanic deposits. Meanwhile, trench sediment is also controlled by other sedimentation mechanisms, including biochemical sedimentation and funneling effect. As a result of the funneling effect, trench sediment deposition rate is typically faster and thus thickness is greater than that at abyssal basins. Trench sediment thickness, however, varies significantly both within a trench and between trenches. The differences in the sedimentation mechanism and process affect the properties of trench sediments, including sediment grain-size, mineralogy, and biology. This paper examined intra- and inter-trenches variations in sediment thickness, grain-size, mineral composition, and biological characteristics. Several trench sedimentation mechanisms were examined, including gravity sliding, seismically-induced turbidity deposit, volcanic activity, biochemical sedimentation, and funneling effect. We also discussed the current research focuses in trench sedimentation research and the outlook of future investigations.

Key words： trench; sediment; sediment provenance; sedimentary thickness; sedimentary mechanisms; research progress and outlook

海沟多发育于俯冲带中, 而俯冲带是全球物质再循环的重要场所, 亦常被称为#cod#x0201c;俯冲工厂#cod#x0201d;。板块俯冲是地球内部系统最核心的地质过程, 板块及其所携带的沉积物在海沟处俯冲到地幔深处, 经历了强烈变质变形和脱水作用, 发生显著的物质循环再造, 因此海沟是实现地球表面及其内部物质和能量交换、陆壳生长、壳-幔相互作用的重要场所, 进入海沟的沉积物也构成了全球物质循环的重要部分(Frezzotti et al, 2014; Yang et al, 2014; Xu, 2014; Xu et al, 2014)。同时海沟沉积物对火山和地震活动(Hanyu et al, 2014; Tatsumi et al, 2014)、矿产资源分布等具有广泛且深刻的影响(肖益林 等, 2015)。另外海沟沉积物储藏了大量的碳而影响着全球气候变化(Glud et al, 2013; Mikhail et al, 2013; Morrill et al, 2013; Duncan et al, 2014; Luo et al, 2017)。因此认识海沟沉积物的性质变化, 对于理解区域能量与物质交换有着重要的作用。目前, 对海沟沉积物的研究多集中于沉积物和构造运动关系的研究, 例如海沟沉积物的厚度对附近板块的弯曲度以及地震强度的影响关系的研究(Heuret et al, 2012), 海沟汇聚边缘前的构造侵蚀作用(von Huene et al, 1989)以及俯冲带地震海啸的研究(Monecke et al, 2008; Smith et al, 2013)等, 而对海沟内后期充填沉积的沉积环境和沉积特征等方面的研究仍较为薄弱, 受限于取样深度, 目前较普遍的研究手段也多以地球物理方法为主。

1 海沟的形成和分布

1.1 海沟的形成和形态

海沟是两板块相向汇聚的地方, 和同时形成的岛弧、弧后盆地共同形成了一组具有成生联系的沟-弧-盆体系。汇聚板块边缘有两种可能的构造特征: 1)在大陆汇聚边缘或活动大陆边缘, 大洋岩石圈俯冲到大陆岩石圈之下; 2)在大洋汇聚边缘, 大洋岩石圈俯冲到另一大洋岩石圈之下(任建业, 2008), 如马里亚纳海沟即太平洋板块俯冲到菲律宾板块之下形成的(Zhang et al, 2014; Zhou et al, 2015)。前者称智利型, 陆坡之下即为海沟(图1b), 后者即马里亚纳型, 依次发育边缘海盆、岛弧及海沟(图1a)。
海沟常见于深海的Abyssal Zone (4000~6000m)和Hadal Zone (#cod#x0003E;6000m)中, 该区域仅占全球海洋面积的1%~2%(Mulder et al, 2011)。海沟是两壁陡峭且狭窄的#cod#x0201c;V#cod#x0201d;形槽状洼陷, 常呈弧形或直线形展布, 一般长800~4500km, 宽40~120km, 较之毗邻洋底深2000~4000m(王琦 等, 1989)。海沟是海洋中最深的部分, 目前测得的海洋最深处位于马里亚纳海沟的挑战者深渊, 水深为10984#cod#x000b1;25m (Gardner et al, 2014)。
海沟两侧的斜坡, 近陆地的一侧称为#cod#x0201c;内坡#cod#x0201d;或#cod#x0201c;陆坡#cod#x0201d;, 较为陡峭, 近海的一侧称为#cod#x0201c;外坡#cod#x0201d;或#cod#x0201c;洋坡#cod#x0201d;, 地形坡度略缓(成国栋 等, 1979)。通常情况下, 沟坡的上部较缓, 下坡较陡, 整个坡度平均为5#cod#x000b0;~7#cod#x000b0;, 但个别海沟坡度较陡, 如汤加海沟的沟坡坡度可达45#cod#x000b0;, 波多黎各海沟内坡的平均坡度可达15#cod#x000b0;, 最陡处达24#cod#x000b0;~30#cod#x000b0;(Bowin et al, 1966; Chase et al, 1968)。海沟斜坡地形复杂, 切割强烈, 多见峡谷、台阶、堤坝和洼地等, 海沟底部海山、海丘普遍发育(张斌 等, 2014)。

1.2 海沟的分布

据统计, 全球共有40余条超过5000m的海沟, 已知的29条分布在太平洋边缘, 特别是西太平洋边缘; 印度洋有7条, 大西洋有5条, 北冰洋仅有两条, 且深度均小于5500m。研究程度相对较高且比较著名的海沟有27条(图2)。
Fig. 1 Two types (A-A#cod#x02032;: Mariana type; B-B#cod#x02032;: Chile type) of active continental margins. Terrain data source: Becker et al (2009)

图1 两种大陆活动边缘类型(A#cod#x02014;A#cod#x02032;: 马里亚纳型; B#cod#x02014;B#cod#x02032;: 智利型)

地形数据来源: Becker 等(2009)

Fig. 2 Global distribution of trenches

图2 全球海沟分布图

2 海沟沉积物的来源

进入海沟的沉积物主要包括两种来源: 1)俯冲大洋板块从海沟下潜时被上盘板块刮削下来的沉积盖层和洋壳碎片, 连同板块上的深海沉积物可堆积到海沟的向陆侧形成增生楔形体和混杂堆积(图3a), 是一种构造作用形成的堆积; 这部分物质大部分会随着板块进入地幔而消耗(图3a)。2)海沟逐渐形成后通过沉降以及其他各种沉积作用充填入海沟的沉积物(图3b#cod#x02014;3d)。相向汇聚的两板块间应力作用若强, 则有助于刮削俯冲板块上的深海沉积物, 甚至洋壳(图3a); 若弱, 则可允许沉积物俯冲于上地幔之中。因此, 智利型边缘是最易找到俯冲增生棱柱体的地方; 而在马里亚纳海沟、日本海沟、中美海沟、千岛#cod#x02014;堪察加海沟(图3b)、华盛顿#cod#x02014;俄勒冈海沟(图3c)、阿留申海沟(图3d)等地则不易发现俯冲增生棱柱体。这些海沟以后期远洋-半远洋以及陆源等充填沉积为主, 沉积物呈水平产出, 并具有正常地层层序, 仅在较陡峭的岛弧坡面发生滑塌堆积使得沉积层复杂化(#cod#x00412;#cod#x0043b;#cod#x00430;#cod#x00441;#cod#x0043e;#cod#x00432;, 1995)。
本文关注的主要是第二类沉积物的特征(图3b#cod#x02014;d)。海沟形成后充填的深海沉积物主要包括: 深海黏土、陆源碎屑、火山灰沉积、生物源(包括远洋钙质沉积、硅质沉积)、海洋自生物质和宇宙源(张富元 等, 2013)。
Fig. 3 Schematics of sedimentary types at different trenches (adapted from Scholl, 1974)

图3 不同海沟内充填的沉积物类型示意图(改自Scholl, 1974)

2.1 陆源物质

陆源沉积物可以来自大陆边缘悬浮沉积。悬浮的陆源物质在水中经过长时间停留后, 慢慢沉入洋底和附近海沟, 沉积速率较低, 形成深海黏土。这在许多海沟都有发现, 例如西太平洋马里亚纳海沟的黄褐色的深海黏土(王汾连 等, 2016)。东太平洋秘鲁#cod#x02014;智利海沟沉积物主要为橄榄绿色深海黏土(Bandy et al, 1964)。陆源物质也来自相邻的岛弧以及弧前地区、浊流沉积以及各种崩塌、滑塌堆积组成的碎屑沉积物。例如印度洋爪哇海沟的沉积物主要为陆源碎屑搬运的结果, 这些物源碎屑物主要来自印度洋东北部周缘的造山和火山区, 且绝大部分来自喜马拉雅抬升基底区(Mallik, 1976, 1978)。另外靠近陆地的海沟沉积物中陆源物质的输入也可以来自河流的搬运, 经过大陆斜坡或沿着平行海沟轴的洋流进入海沟。例如大西洋的波多黎各海沟的南端与奥里诺科河(Orinoco)三角洲相邻, 加之波多黎各岛(Puerto Rico)和伊斯帕尼奥拉岛(Hispaniola)为波多黎各海沟提供稳定的沉积物来源, 因而波多黎各海沟内沉积物较发育(Heezen et al, 1965)。而当远离陆地时河流贡献很小, 陆源碎屑则主要为风尘物质(例如中国黄土)(徐兆凯 等, 2008; 张富元 等, 2013)。Rea 等(1996)对12个海沟系统中的各个沉积物组分进行了定量的计算, 包括陆源颗粒、碳酸钙、蛋白石和水, 结果表明, 每年有1.4#cod#x000D7;1015g沉积物和0.9#cod#x000D7;1015g水进入海沟沉积层中, 而其中1.1#cod#x000D7;1015g#cod#x000b7;yr-1的沉积物为陆源物质, 其余成分中碳酸盐多于蛋白石。

2.2 火山物质

区域性构造运动和火山作用可以为海沟沉积物提供大量火山灰和火山碎屑。而沿海沟分布的地震带是地球上最强烈的地震活动带。马里亚纳海沟沉积物虽以深海黏土为主, 但仍可常见火山物质, 尤以2.2Ma之前较为发育, 说明马里亚纳海沟附近2.2Ma之前极有可能由于马里亚纳海槽扩张引起了规模较大的火山喷发活动 (Deng et al, 2016; 王汾连 等, 2016)。智利海沟沉积物的碎屑物质主要来自大陆架的浊积物沉积物质及火山碎屑物, 而其化学胶结物可以来自海水中溶解的物质, 海底拉斑玄武岩的海解物质及海底热泉等(肖荣阁 等, 2015)。日本海沟内坡上部除了接受半远洋沉积之外, 受火山源影响也较明显(成国栋 等, 1979)。

2.3 生源物质和自生矿物

生源物质主要来自海洋中生物体死亡后的沉降, 例如硅藻Ethmodiscus rex勃发可以给海沟沉积物带来大量的生源物质。这可能是因为陆源风尘物质输入带来的丰富Si和Fe造成了硅藻勃发事件(熊志方 等, 2010)。马里亚纳海沟沉积物也发现丰富的硅藻化石, 丰度可达165~5481个#cod#x000b7;克-1, 这是因为冰期时段南极深层水中较高的硅含量的流入会减弱硅藻溶蚀作用, 从而激发硅藻E. rex大量繁殖(王海峰 等, 2015; 张金鹏 等, 2016)。秘鲁#cod#x02014;智利海沟沉积物中可见大量砂级有孔虫, 而随着水深增加, 钙质沉积为主导的模式逐步转变为以硅质沉积为主, 在1500m以下, 放射虫的丰度通常为有孔虫的两倍(Bandy et al, 1964)。波多黎各海沟中, 分布在海沟斜坡上的全新世沉积物中含有棕色翼足类和有孔虫类的软泥(Conolly et al, 1967)。
马里亚纳海沟沉积物中细菌数量是周围深海平原沉积物的10倍, 这可能是因为沉到马里亚纳海沟陡峭面的海洋植物和鱼类残体经常会滑到沟底深处, 从而为微生物以及生物成因矿物的发育提供了条件(Glud et al, 2013)。此外, 自生矿物也是海沟沉积物的重要来源之一, 部分矿物源于界面水、间隙水和海底火山物质水解的析出物, 如微结核(卢效珍, 1992), 部分则是火山物质蚀变后的产物, 如蒙脱石、沸石(彭汉昌 等, 1992), 上述三种矿物在马里亚纳海沟沉积物中均可见到(朱坤杰 等, 2015)。

3 海沟的沉积厚度

海沟沉积一般堆积速度快, 是深海盆地的10倍。沉积复杂发育程度取决于俯冲角度的大小及聚敛速度的大小, 俯冲角越小, 堆积厚度就越大, 聚敛速度越小; 俯冲角越大, 堆积厚度就越小, 聚敛速度越快。海沟沉积物的厚度可以影响海沟附近板块的弯曲度(Contreras-Reyes et al, 2013), 也可能影响到俯冲带地震的发生和强度(Ruff, 1989)等。

3.1 不同海沟之间沉积厚度的差异性

不同海沟之间, 沉积物的厚度和沉积位置均存在较大差异, 受物源的影响, 有的海沟没有或仅有很少的沉积物覆盖, 例如大西洋中的南桑伟奇海沟地震剖面显示海沟斜坡几乎无沉积物, 这是因为南桑伟奇海沟的东端为斯科舍岛弧(Scotia Arc), 而岛弧的南端位于大洋中间, 无陆源碎屑供应, 因而海沟内几乎没有沉积物。新不列颠海沟也几乎未见沉积层(成国栋 等, 1979; 本座荣一, 1985); 太平洋雅浦海沟的底部沉积物厚度也较薄, 以海底藻类软泥为主(宋永东 等, 2016)。
但有的海沟沉积物可以很厚, 例如伊豆#cod#x02014;小笠原海沟在29#cod#x000b0;以北的海沟沉积物, 厚达1000m (#cod#x0041a;#cod#x00438;#cod#x00440;#cod#x00438;#cod#x0043b;#cod#x0043b;#cod#x0043e;#cod#x0044a;, 1992)。在马尼拉海沟, 地震资料表明海沟沉积物集中在海沟洼地内, 厚度可达1.2~2km, 自北向南减薄(李家彪 等, 2004; 朱俊江 等, 2005)。一般来说, 海沟沉积物的厚度小于1km。琉球海沟底部被沉积物充填并形成了10km宽的平坦面, 内有200~300m的深海水平层沉积(喻普之 等, 1992), 且连续性好, 未受扰动(林美华 等, 1998); 帕劳海沟北侧底部约600~700m厚的沉积物, 主要分布于海沟轴部, 沟坡上未见沉积物(#cod#x0041a;#cod#x00438;#cod#x00440;#cod#x00438;#cod#x0043b;#cod#x0043b;#cod#x0043e;#cod#x0044a;, 1992)。日本海沟沉积物主要发育于海沟轴部盆地和海沟内坡, 海沟外坡的沉积物比内坡少(成国栋 等, 1979)。

3.2 同一海沟内部沉积物的空间变化特征

同一海沟中, 沉积物厚度也分布不均匀。在琉球海沟靠近冲绳岛东侧沉积层薄, 几乎无沉积; 但在靠近台湾岛的南端, 存在600m厚的浊流层(林美华 等, 1998), 使海沟深度变浅。琉球海沟靠近奄美海台、南大东海岭和冲大东海岭区域的陆侧海沟斜坡上, 可见不规则分布的始新世以来的沉积层; 向海一侧岛坡面存在岩浆岩露头, 还有多处呈陡崖下降, 因而缺乏沉积(林美华 等, 1998)。在马尼拉海沟中, 总共有三个方向的物源供给将陆源物质输运至海沟堆积, 这三个物源分别位于海沟南端、海沟北端以及16#cod#x000b0;N左右的一处峡谷水道中, 其中以北端物源为马尼拉海沟最主要的沉积物输入区, 故而马尼拉海沟北段(18#cod#x000b0;N~20#cod#x000b0;N)沉积物较厚, 沉积物充填作用使其水深浅于4000m(熊衎昕 等, 2012)。

4 海沟沉积物的特征

全球海沟中对海沟沉积物特征的研究主要集中在太平洋地区, 尤其是马里亚纳海沟(Fang et al, 2000; Glud et al, 2013; Epping, 2013; Nunoura et al, 2015; Ichino et al, 2015; 张金鹏 等, 2015; 朱坤杰 等, 2015; 王汾连 等, 2016), 印度洋和大西洋中海沟沉积物的研究程度较低。但是就海沟沉积物特征的总体研究程度来说还是比较薄弱。

4.1 沉积物粒度特征

一般在海沟地区随着深度的增加, 水动力逐渐减弱, 因而深部的海沟沉积物直径中值呈递减趋势且分选性较差(Danovaro et al, 2002; Itoh et al, 2011; Kitahashi et al, 2013; Sattarova et al, 2015)。海沟沉积物直径中值与深度呈负相关(表1)。海沟沉积物分选中等#cod#x02014;很差, 且分选系数与深度呈正相关。马里亚纳海沟沉积物粒度分选系数为0.96~2.21#cod#x00424;, 平均为1.77#cod#x00424;, 偏度-0.07~0.19, 负偏#cod#x02014;正偏, 峰态0.74~1.07, 宽#cod#x02014;中等峰态(朱坤杰 等, 2015); 千岛海沟沉积物分选系数介于1.0~2.3, 且随着水深的增加呈现递增趋势, 水深大于5000m时, 分选系数#cod#x0003E;2.0。
Table 1 Variation of median grain size with depth in trench sediments

表1 海沟沉积物中值粒径随深度变化情况

水深/m 沉积物中值粒径/#cod#x003bc;m
千岛海沟
(Itoh et al, 2011)		 马里亚纳海沟
(朱坤杰 等, 2015)		 秘鲁#cod#x02014;智利海沟
(Danovaro et al, 2002)
#cod#x0003C; 2000 16~54 #cod#x02014; 100~250
3000~5000 10~16 4~63 #cod#x02014;
#cod#x0003E; 5000 <10 #cod#x02014; #cod#x02014;
#cod#x0003E; 7000 <5 #cod#x02014; 30

4.2 沉积物黏土矿物特征及碎屑矿物特征

在马里亚纳海沟, 沉积物类型以深海黏土为主, 含量可高达70%, 含硅藻软泥、远洋红黏土、铁锰氧化物与黏土夹层(张金鹏 等, 2015), 但几乎不见钙质生物, 推测其形成于碳酸盐补偿深度(carbonate compensation depth, CCD)界面之下, 属于典型深海黏土沉积(朱坤杰 等, 2015; 王汾连 等, 2016)。另外, 生物残渣约占15%~30%, 碎屑矿物含量为5%~20%, 主要包括磁铁矿、褐铁矿、赤铁矿、火山玻璃、绿泥石、微结核、沸石、辉石、角闪石; 偶见钛铁矿、云母、锆石; 轻矿物有石英、长石、硅质和鱼牙骨(朱坤杰 等, 2015; 王汾连 等, 2016)。
印度洋维马海沟的岩心柱状样品见重矿物砂层和超基性岩的砾屑, 它们局部可能来自于海沟壁, 该岩心的岩石学特征与大西洋的罗曼什海沟相似(Heezen et al, 1964)。

4.3 沉积物中的生物特征

4.3.1 海沟沉积物中软壳类有孔虫和极端嗜压菌发育
秘鲁#cod#x02014;智利海沟7800m的沉积物中发现了软壳类有孔虫(Sabbatini et al, 2002), 随后马里亚纳挑战者深渊底部的沉积物中也发现了活的软壳类有孔虫类, 它们体型微小, 432个有孔虫个体总共分布在不到12#cod#x003bc;m的横截面上。这类有孔虫生活于CCD界面之下, 缺少钙质外壳, 其中85%属于软壳类, 仅5%~ 20%接近海面的有孔虫群落, 正是得益于软壳对巨大压力的承受能力, 它们可以在1090倍海面压力的挑战者深渊中旺盛繁殖(Akimoto et al, 2001; Hopkin, 2005)。
极端嗜压菌Shewanella sp. DB21MT-2和Moritella sp. DB21MT-5分离自马里亚纳海沟沉积物中, 这种微生物的基因可能在低温和高压的作用下产生了变异, 相对于它们的非嗜压近缘种, 细胞膜中含有更高比率的单不饱和脂肪酸(18: 1和14: 1), 使其在脂肪酸的组成、压力调控机制、嗜压基因的表达、运动性等方面形成有别于常压微生物的独特机制(Fang et al, 2000)。查戈斯海沟柱状沉积物中的细菌和真菌研究表明, 孢子形式的真菌萌芽可以在100、300和500bar的静水压力与5℃的环境中生存, 证实了其耐高压性并且可推测其应该是诞生在深海沉积物中(Chandralata et al, 2004)。
4.3.2 海沟轴部较斜坡地区或海沟边缘有机质含量和生物量均明显富集
Glud 等(2013)对挑战者深渊沉积物(11000m)中微生物活动的研究表明, 该区的生物耗氧速率(154#cod#x000b1;48#cod#x003bc;mol#cod#x000b7;m-2d-1, n=51)超过了附近两个6000m水深站位的速率(85#cod#x000b1;38#cod#x003bc;mol#cod#x000b7;m-2d-1, n=36)。同时, 沉积物分析表明在挑战者深渊具有较高的微生物细胞浓度, 其平均原核细胞密度为0.97#cod#x000b1;0.004#cod#x000D7; 107cm-3 (n=2), 而6000m水深站位的平均原核细胞密度仅为0.14#cod#x000D7;107cm-3(n=1)(Glud et al, 2013)。Leduc 等(2016)也对汤加海沟10800m深的地平线号深渊(Horizon Deep)和6250m深的海沟边缘站位做了类似的对比试验, 且结果与Glud 等(2013)具有一致性。

5 海沟的沉积机理

5.1 海沟重力滑塌

滑塌堆积是由水下重力滑动和塌落的不同类型沉积物堆积而成的半流体沉积体, 缺乏层理但又夹在正常地层序列中的巨大透镜状地层单元。滑塌物多来源于弧前盆地。由于海沟内沟坡较陡, 在海沟内沟坡上的沉积物也会发生滑塌沉积。如马里亚纳海沟内壁的钻孔, 获得了重力滑塌沉积物, 其中既有晚白垩世的放射虫和晚侏罗世化石, 又有从第四纪到始新世所有时代的微体化石(Hussong et al, 1982; 林长松 等, 1992)。

5.2 浊流沉积

陆源沉积物以及海沟附近岛弧和海山的侵蚀产物在重力或水流的作用下, 以浊流形式搬运而沉积, 可为沉积物提供物源。另外海底滑坡、火山作用、偶发地震等也可以诱发泥石流或浊流, 使沉积物从陆地经过陆坡最终搬运至海沟(汪品先, 2009)。
印度洋马克兰海沟发育有大型浊积层楔状体(Kukowski et al, 2001; Schl#cod#x000fc;ter et al, 2002; Blumberg et al, 2008; Bourget et al, 2011)。太平洋伊豆#cod#x02014;小笠原海沟和琉球海沟中就发育厚层浊流沉积; 爪哇海沟和菲律宾海沟中的沉积物也主要为浊流沉积(Anikouchine et al, 1967)。马尼拉海沟沉积物以多层火山灰-浊流沉积为特征的粉砂质黏土为主, 说明海沟浊积层物质具有陆源和火山源性质(李家彪 等, 2004)。日本海沟尽管处于CCD界面之下, 但多数沉积物样品中都含有钙质微体化石, 推测其可能存在沉积物在重力作用下发生顺坡搬运作用(王琦 等, 1989)。台湾浅滩陆坡具有活跃的重力流活动, 这些超密度流(悬移物浓度36~53kg#cod#x000b7;m-3)有足够的能量挟带大量沉积物经海底峡谷运送至海沟。从陆架前缘#cod#x02014;陆坡#cod#x02014;马尼拉海沟发育了典型且壮观的重力流沉积体系, 可将台湾造山带的陆源沉积物传输到马尼拉海沟北部(王海荣 等, 2008a, b, 2009; 熊衎昕 等, 2012)。浊流发生受到地震和海啸的影响, 同时也受到气候和海平面变化的强烈影响(Blumberg et al, 2008; Bourget et al, 2011), 因此, 与气候变化, 海平面以及构造运动息息相关, 这些因素发生的频率、速率和沉积物的补给也会影响浊流体系中沉积物的分布模式(Bourget et al, 2011)。然而无论是诱发的泥石流、浊流还是超密度流, 使得远洋(包括海沟)沉积是以一种#cod#x0201c;事件#cod#x0201d;过程发生沉积。沉积速率会较大, 但是目前还没有长期定量的结果。

5.3 火山活动

海沟附近以深源地震频发和火山作用强烈为特征, 所以火山活动也是海沟沉积过程中的重要机理之一。智利海沟沉积物中火山岩屑和斜长石占主导部分(Heberer et al, 2010; 肖荣阁 等, 2015); 日本海沟钻探剖面中, 可见早中新世期间由强烈火山活动产生的绿色凝灰岩(von Huene et al, 1982); 在马里亚纳海沟南坡, 沉积物虽以深海黏土沉积为主, 但仍常见火山物质, 故推测马里亚纳海沟附近火山活动较频繁, 特别是2.2Ma之前, 沉积物受火山源影响明显, 且物源分析表明帕里西维拉海盆和西马里亚纳海脊火山物质对沉积物物质来源的贡献最大(Deng et al, 2016; 王汾连 等, 2016)。

5.4 海沟生物化学沉积过程

海沟沉积的生物地球化学过程, 既包含海洋生源沉积的埋葬问题又关乎全球碳循环的问题(汪品先, 2009)。在活动大陆边缘, 俯冲板片脱水产生的流体导致上覆板块的地幔橄榄岩发生蛇纹岩化, 在伸展构造作用下, 以泥质和碎屑状蛇纹岩为主的蚀变产物沿断裂通道上升, 可在弧前海底形成蛇纹岩泥火山 (Fryer, 2012) 。马里亚纳弧前发育7座蛇纹岩泥火山, 泥火山中的微生物种群均以古菌为主(Curtis et al, 2005) , 古菌依靠渗漏流体中的无机成因甲烷和营养物质生存, 并调控甲烷缺氧氧化(anaerobic oxidation of methane, AOM)作用, 在附近可形成碳酸盐岩和水镁石等自生沉淀, 并伴生有微生物席发育, 而蛇纹岩化伴生的碳酸盐岩在全球碳循环中扮演着颇为重要的角色(冯俊熙 等, 2016)。
在马里亚纳海沟挑战者深渊北坡水深5600m的海底形成了Shinkai渗漏场, 由于渗漏流体中富含CH4, 所以在渗漏场附近发育由巨蛤、海葵、六放珊瑚、栉水母等组成的化能自养生物群(冯俊熙 等, 2016); 日本海沟和千岛海沟地区, 在水深为6000m和5600m之间的向陆斜坡上也观察到蛤生物群体, 其中Calyptogena蛤占优势, 且总是与buccinid腹足、海参以及多毛类蠕虫相伴生, 且该底栖生物群附近的水样显示甲烷富集( Okada 等, 1989), 推测该地区也存在类似的蛇纹岩流体系统。

5.5 海沟漏斗效应

虽然在一般情况下, 生物总量和有机质量会随着水深减少, 但是由于海沟深部的漏斗状形态, 使得海沟底部成了沉积物和微生物的汇。研究发现海沟沉积物中生物总量及有机质的含量随着海沟深度的增加而增加, 而海沟轴部的含量最高。这个现象在多个海沟都有发现, 例如太平洋中的马里亚纳海沟(Glud et al, 2013)、千岛#cod#x02014;堪察加海沟(Itoh et al, 2011; Schmidt et al, 2015; Kharlamenko et al, 2015)、琉球海沟(Itoh et al, 2011; Kitahashi et al, 2014)、伊豆#cod#x02014;小笠原海沟(Wenzh#cod#x000f6;fer et al, 2016)、汤加海沟(Leduc et al, 2016)、秘鲁#cod#x02014;智利海沟(Danovaro, 2002)和大西洋中的南桑伟奇海沟(Vanhove et al, 2004)。针对这种海沟有机沉积物的#cod#x0201c;漏斗作用(funnelling)#cod#x0201d;, Ichino 等(2015)以克马德克海沟作为测试环境, 建立了一个沉积物在重力作用驱动下沿海沟斜坡运输的数学模型, 结果显示, 在重力和海沟斜坡坡度的驱使下, 海沟轴部表现出较高的有机碳含量和生物量, 且偶发地震活动和多次再悬浮-沉积作用也可能导致不稳定的沉积物颗粒沿斜坡向海沟轴部运移, 并在轴部表现出较快的沉积速率和更高的有机碳浓度。沉积物中过剩 210Pb(210Pbex)的分析表明, 挑战者深渊11000m站位沉积物中的210Pbex为50459#cod#x000b1;7967bq#cod#x000b7;m-2(n=2), 而6000m水深站位沉积物中的210Pbex仅为17880#cod#x000b1;933bq#cod#x000b7;m-2(n=2), 进一步证实了在海沟轴部有较多的有机质沉积(Glud et al, 2013)。海沟轴部有机碳的快速沉积有利于将大量的有机物在未遭受氧化的情况下迅速埋藏在地层中, 后期原位有机质的细菌降解作用可以为天然气水合物提供更多生物成因气源, 进而在原位或附近形成天然气水合物矿藏(陈志豪 等, 2010)。

6 结论

由于世界较深的海沟大多分布于西太平洋边缘, 因此关于海沟沉积物特征、沉积环境、沉积机理的研究主要集中于此处, 而关于大西洋和印度洋海沟沉积物的研究资料相对较少。对于超过6000m的海沟, 由于取样工作困难, 其沉积物特征及沉积过程的研究仍十分薄弱, 本文在总结海沟沉积物特征的基础上提出以下几点讨论, 以期为今后的海沟研究提供新思路和新方法。
1) 海沟沉积物受控于构造运动, 例如有些海沟中发育来源于板块及其所携带的深海沉积物从海沟下潜时被上覆板块刮削下来形成的增生楔形体; 有些海沟因重力滑塌、地震等引发浊流沉积; 有些海沟因火山活动带来大量的火山物质等, 而大部分海沟沉积物会受到以上几种运动的综合作用。同时海沟沉积物也受控于海沟逐渐形成过程中和形成后的各种沉积作用, 例如生物化学沉积。因此对于海沟内多种成因的沉积物的来源分析, 仍然是海沟沉积物研究的重要部分。
2) 智利型和马里亚纳型海沟的形成机制不同, 距离大陆的距离不同, 导致物源和海沟的沉积物特征不同。两种海沟之间, 沉积物的厚度和沉积位置均存在较大差异, 较厚的沉积物可以达到几千米, 有的海沟可能会因为远离大陆而没有沉积物。而同一海沟的不同段位沉积厚度也存在较大差异。因此研究不同类型海沟的物源差异和沉积过程的差异性, 将对理解海沟的沉积物沉积有重要的意义。
3) 海沟沉积物厚度可以影响海沟附近板块的弯曲度、俯冲带地震的发生和强度。同时海沟沉积物的来源可以是地震影响形成的浊流沉积。因此, 使用浊流沉积对古地震进行精确的恢复研究应该引起重视, 这也对预测区域地震具有重要的实际应用价值。
4) 前人研究中认识到海沟沉积物整体粒度较细, 以4~63#cod#x003bc;m为主, 且随着深度增加沉积物中值粒径呈递减趋势; 分选中等#cod#x02014;差, 分选系数与深度呈正相关。海沟沉积物的碎屑矿物以及黏土矿物的组成也有一定的认识。重大发现主要集中在沉积物中的生物和微生物的特殊性, 海沟沉积物中的生物和微生物都发育了适应高压条件的特性, 例如软壳类有孔虫和极端嗜压菌发育, 特征明显不同于其他浅水环境。6000m以下的沉积物研究成果更少。海沟沉积物由于处于较为极端的环境中, 其自生矿物以及生物成因矿物的特殊性应当予以重视。因此这方面的研究也将是今后的研究重点。
5) 由于海沟的漏斗状地貌形态, 海沟沉积物的沉积过程受到漏斗效应的影响, 例如海沟沉积一般较深海盆地堆积速度快, 且俯冲角越小, 堆积厚度就越大。海沟内坡较陡, 受到火山或地震的影响, 可引起海沟内的重力滑塌堆积或者浊流沉积, 从而形成堆积较厚的沉积物, 在沟底形成沉积物的#cod#x0201c;汇#cod#x0201d;, 使得微生物和有机质含量在底部增大。这种独特的漏斗效应, 将会在今后的海沟研究中得到进一步重视。
6) 大洋碳循环在全球碳循环中具有举足轻重的地位, 而海洋沉积物中的硅藻席在固碳作用中具有巨大贡献。由于目前全球海洋发现的硅藻席稀少, 很多硅藻碳循环的假说也一直缺乏合适的硅藻沉积物材料来予以验证, 而马里亚纳海沟内发育硅藻席, 可以据此开展硅藻席沉积的碳、硅循环过程及由其古海洋响应制约的沉积模式研究。

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