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热带海洋学报 >

2018 , Vol. 37 >Issue 4: 61 - 69

DOI: https://doi.org/10.11978/2017100

南海北部东沙海域天然气水合物分解事件及其与海底滑塌的关系

  • 黄怡 , 1, 2 ,
  • 王淑红 , 1 ,
  • 颜文 1, 2 ,
  • 程俊 1, 2
展开
  • 1. 中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室(南海海洋研究所), 广东 广州 510301
  • 2. 中国科学院大学, 北京 100049;
通讯作者: 王淑红, 女。E-mail: wshds@scsio.ac.cn

作者简介：黄怡(1994—), 女, 硕士研究生, 主要从事冷泉及天然气水合物研究。E-mail:

收稿日期: 2017-09-19

  要求修回日期: 2017-10-19

  网络出版日期: 2018-07-16

基金资助

国家自然科学基金项目(41576035);青岛海洋科学与技术国家实验室开放基金项目(QNLM2016ORP0204)

收起

Gas hydrate dissociation event and its relationship with submarine slide in Dongsha Area of northern South China Sea

  • HUANG Yi , 1, 2 ,
  • WANG Shuhong , 1 ,
  • YAN Wen 1, 2 ,
  • CHENG Jun 1, 2
Expand
  • 1. CAS Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Guangzhou 510301, China
  • 2. University of Chinese Academic of Sciences, Beijing 100049, China
Corresponding author: WANG Shuhong. E-mail:

Received date: 2017-09-19

  Request revised date: 2017-10-19

  Online published: 2018-07-16

Supported by

National Natural Science Foundation of China (41576035);Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology (QNLM2016ORP0204)

Copyright

热带海洋学报编辑部
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摘要

东沙海域是南海北部一个重要的天然气水合物成藏区, 其陆坡广泛发育滑塌构造。文章对采自东沙陆坡中部973-4柱样和下部平坦区973-5柱样开展了沉积学粒度、底栖有孔虫种属特征和稳定同位素等的综合分析。研究结果表明: 两个柱样中底栖有孔虫的δ13C在末次冰期均出现明显负偏现象, 同时δ18O增高, 指示该时期东沙海域存在持续的天然气水合物分解事件; 末次冰消期以来, δ13C负偏现象逐渐消失, δ18O值降低, 可能是由于海平面上升阻止了天然气水合物分解。973-4柱样仅在末次盛冰期对应层位440~600cm段存在明显的滑塌沉积, 且该层段对应的特征底栖有孔虫Uvigerina spp.和Bulimina spp.的数量突增, 推测该区的海底滑塌可能是由于末次盛冰期海平面大幅度下降引起天然气水合物大量分解诱发所致; 973-5柱样同样记录到了海底滑塌现象, 但其滑塌沉积晚于973-4柱样的滑塌时间, 且其规模较小。

关键词： 天然气水合物; 海底滑塌; 底栖有孔虫; 东沙海域; 南海北部

本文引用格式

黄怡 , 王淑红 , 颜文 , 程俊 . 南海北部东沙海域天然气水合物分解事件及其与海底滑塌的关系[J]. 热带海洋学报, 2018 , 37(4) : 61 -69 . DOI: 10.11978/2017100

Abstract

Dongsha area is a critical gas hydrate area of the northern South China Sea, and a submarine slide is extensively developed on its slope. In this paper, we analyzed the sedimentological particle size, species characteristic and stable isotope of benthic foraminifera in the cores 973-4 and 973-5, respectively, recovered from the middle of the slope and the flat area at the base. The results of the distinctly negative δ13C values and the heavier δ18O values in both cores in the Last Glacial period suggested that there were persistent gas hydrate dissociation events in the Dongsha area during this period. The δ13C negative gradually disappeared and the δ18O values decreased since the Last Deglacial period, indicating that gas hydrate dissociation was prevented because of global sea level rise. In the core 974, obvious submarine slide deposits only occurred in 440~600 cm according to the Last Glacial Maximum and the number of Uvigerina spp. and Bulimina spp. sharply increased in this location, which implied the submarine slide was probably caused by an intense methane release event induced by the descending sea level in the Last Glacial Maximum period. A smaller scale submarine slide was also recorded in core 973-5, but the deposition time was later than that of core 973-4.

Key words： gas hydrate; submarine slide; benthic foraminifera; Dongsha area; northern South China Sea

冷泉是指大陆边缘海底沉积物界面附近以甲烷为主要成分的流体的喷溢或渗漏活动(陈多福 等, 2002; Boetius et al, 2013)。冷泉附近的底栖有孔虫具有数量多、分布广、生命周期短、死后壳体能在沉积物中稳定保存的特点, 是记录天然气水合物分解过程的良好材料(向荣 等, 2010), 其稳定同位素组成能较好地记录地质历史时期海洋沉积物中的甲烷活动(Wefer et al, 1994)。冷泉系统中的甲烷厌氧氧化反应会导致孔隙水中溶解无机碳δ13C的明显偏负, 而底栖有孔虫通过摄入这类偏轻的HCO3-形成自身碳酸盐壳(Whiticar, 1999)或摄食嗜甲烷细菌微生物造成其偏低的δ13C (Rathburn et al, 2003; Hill et al, 2004; Panieri, 2006)。因此, 甲烷渗漏活动不仅会导致底栖有孔虫碳同位素值发生负偏(Rathburn et al, 2000、2003; Hill et al, 2003; Hill et al, 2004; Mackensen et al, 2006; Panieri, 2006), 同时也会对底栖有孔虫的种类组合产生影响(Panieri, 2005)。但也有研究认为, 底栖有孔虫碳同位素负偏与后期成岩作用(Torres et al, 2003)或其他地区有孔虫迁移(Herguera et al, 2014)有关, 因此其负偏不能记录当地的冷泉活动(Stott et al, 2002; Torres et al, 2003; Herguera et al, 2004、2014)。尽管目前对底栖有孔虫碳同位素负偏的原因是原生还是后期改造还存在争议(Consolaro et al, 2015; Panieri et al, 2017), 但受后期成岩改造的有孔虫微观结构和地球化学组成特征也能追踪地质历史时期的甲烷喷发事件(Schneider et al, 2017)。因此, 冷泉区的甲烷缺氧氧化信号确实可以被底栖有孔虫壳体保存和记录。
滑坡是海底普遍存在的一种地质现象, 是指海底岩土体受海洋环境动力(浪、潮和流)和内动力地质作用(地震、断裂、火山活动)等多种因素综合影响下发生失稳破坏, 并在自身重力作用下向下坡方向运动(滚动、滑动和流动)的地质现象(Locat et al, 2002)。天然气水合物分解使得沉积物孔隙中的含气量增加, 从而产生过高的孔隙压力, 降低沉积物的胶结强度。如果含水合物的沉积物层坡度较大, 或者水合物的分解量十分显著, 将造成含气沉积层的抗剪强度和承载能力降低, 被液化的分解带将形成一个向下的滑动面, 此时一旦受地震或者沉积载荷增大等因素触发, 甚至仅依靠沉积物自身的重量, 都可引起海底滑塌(Kayen et al, 1991)。世界上已识别出与天然气水合物分解有关的海底滑坡主要有挪威外陆架的Storegga滑坡、大西洋大陆斜坡上的Cape Fear、南美亚马逊冲积扇、加拿大西北岸波弗特海、地中海的Balearic巨型滑坡和西非大陆坡、哥伦比亚大陆坡、美国太平洋沿岸以及日本南海域的海底滑坡体等(Leynaud et al, 2004; Solheim et al, 2005; Chaytor et al, 2009)。天然气水合物分解与海底滑坡的关系研究已成为当今国际滑坡研究领域的最新方向之一。
东沙海域位于南海大陆坡东北部, 台湾西南部, 水深200~3400m。该海域具有沉积层厚度大、有机质丰富等特点, 海区内广泛发育气烟囱、海底滑塌体、泥底辟、泥火山以及断层-褶皱体系等地质构造环境及构造体, 有利于天然气水合物的形成与赋存(Yan et al, 2006; 栾锡武 等, 2010)。南海是一个天然气水合物异常发育的海区(陈多福 等, 2001; Chen et al, 2006; Li et al, 2011; Su et al, 2012), 也是一个海底滑坡多发的海区(Yan et al, 2006; 孙运宝 等, 2008; 吴时国 等, 2008; 李细兵 等, 2010; Li et al, 2013), 了解天然气水合物分解与海底滑坡之间的关系对开展南海海底天然气水合物资源的勘探和开采有着极其重要的意义。然而, 与国外相比, 我国在这方面的研究目前基本还处于空白。本文通过南海北部东沙海域973-4和973-5两个柱样的沉积物粒度、底栖有孔虫种属组成及其稳定碳、氧同位素分析, 旨在识别研究区的天然气水合物分解事件, 分析天然气水合物分解对特征底栖有孔虫种类组成的影响, 并重点探讨海底滑塌与天然气水合物分解的关系。

1 材料与方法

973-4、973-5柱样分别位于南海北部东沙海域陆坡区坡上及坡底平缓地区(图1), 受滑塌影响程度不同, 为“海洋四号”于2011年“973”搭载航次赴东沙考察时重力活塞所取。973-4站位(21°54′19.48″N, 118°49′4.91″E)水深为1666m, 柱样总长1385cm, 除顶部0~15cm以15cm间隔取样外, 其他层位均以2cm间隔取样。其岩心柱岩性主要分为3段: 1) 15~ 450cm层段为灰绿色粉砂质黏土; 2) 450~603cm层段主要为灰色黏土质粉砂, 其中530~603cm层段含有有孔虫; 3) 603~1385cm层段为致密灰色粉砂质黏土, 并见有不同程度黑色H2S侵染斑, 603cm以下层段有明显的H2S气味, 整个岩心未发现浊积层(曲莹, 2013)。973-5站位(119°11′0.40″E, 21°18′33.52″N)水深为2998m, 柱样总长925cm, 分样方法与973-4相同。其岩心柱岩性较为单一, 主要分为6段: 1) 0~95cm层段为灰绿色粉砂质黏土; 2) 95~317cm层段为灰绿色粉砂质黏土与灰黑色黏土质粉砂薄层互层; 3) 317~365cm层段缺失; 4) 365~459cm层段为灰绿色黏土质粉砂; 5) 459~655cm层段为浅灰色粉砂质黏土且其上部为角度不整合; 6) 655~925cm层段为灰黑色粉砂质黏土, 有浓烈的臭鸡蛋味。整个岩心未发现浊积层, 但0~459cm层段与下伏的459~925cm层段角度不整合(曲莹, 2013)。两个柱样均处于高速堆积体区, 沉积速率较快。
Fig. 1 Sampling station in the Dongsha area of the northern South China Sea

图1 南海北部东沙海域取样站位图
红色五角星表示站位

沉积物的全岩粒度测试在中国科学院南海海洋研究所完成, 测试仪器为英国马尔文公司Mastersizer 2000光衍射粒度分析仪, 测试范围0.02~2000μm。首先将柱样按2cm间隔取样, 将少量样品充分混合均匀后在80℃下烘干, 再取干样1g左右用蒸馏水浸泡并滴加0.05M六偏磷酸钠, 在烧杯中静置24h, 并用超声波振荡仪振荡15min然后上机测试。粒度分级1Ф [Ф=-log2d, d为颗粒直径(单位: mm)], 每个样品测试3次, 测试结果取平均值, 相对误差小于3%。沉积物样3次测试曲线基本吻合, 说明结果可信。中值粒径的物理意义是粒径大于它的颗粒占50%, 小于它的颗粒也占50%, 常用来表示粉体的平均粒度。
用来挑选底栖有孔虫种属组成及测试稳定同位素的样品准备和测试均在中国科学院南海海洋研究所完成。柱样按4cm间隔取样, 每个样品取大约15g, 采用标准的微体古生物学方法处理。用自来水浸泡24h, 不添加任何化学分散剂, 用63μm筛子冲样, 60℃烘干后, 从大于200μm粒级的样品中挑出所有Uvigerina spp.和Bulimina spp.壳体计数并对Uvigerina spp.进行稳定碳氧同位素分析测试。测试仪器为MAT253气体稳定同位素比质谱仪, 同位素值已通过NBS19标准转化为国际PDB值, 其中δ18O值的分析精度为0.03‰, δ13C值为0.08‰。

2 结果

2.1 沉积物粒度

室内分析按沉积物粒度的大小可以划分为3个粒组类型: 砂(>0.063mm)、粉砂(0.04~0.063mm)和黏土(<0.04mm)。973-4柱样中粉砂占优势, 含量为55%~75%; 其次为黏土, 含量为25%~35%; 砂含量少, 多数小于5%, 个别层位达10%以上, 甚至达到40% (如451~457cm层)。440~600cm层段存在一套滑塌沉积, 粗组分含量明显高于上、下层位(图2)。973-5柱样采自深水区, 粒度组分以中粉砂为主, 其次为黏土, 砂含量较少, 多数为2%~5%, 个别层位达20%左右, 上、下层位之间粗粒与细粒组分差别不大; 130~305cm处个别层位砂砾含量较高, 粒度较粗, 390~530cm以及600cm左右层位粗粒沉积出现小幅度增多, 但幅度远小于973-4柱样(图2)。
Fig. 2 Median particle size and gravel content of core 973-4 (a) and core 973-5 (b) in the Dongsha area

图2 东沙海域973-4 (a)和973-5 (b)柱样中值粒径与砂砾含量图
阴影部分表示粗粒组分增多层段

2.2 特征底栖有孔虫数量变化

每克样品中底栖有孔虫Uvigerina spp.和Bulimina spp.的个数统计结果显示(图3), 两个柱样中特征底栖有孔虫数量的增加段与沉积物粒度粗组分高含量段吻合。973-4柱样中, 两个种属在440~ 600cm层段以下均有不同程度的增加, 且在440~ 600cm段增幅最大, 尤其在600cm处两个种属均出现突增; Bulimina spp.在300~440cm层位有次一级的增加。973-5柱样130~305cm层位两个种属有数量上的突增, 该层位以下Uvigerina spp.和Bulimina spp.都存在小幅度的变动, 390~530cm以及600cm层位两个种属数量上出现小幅度的增多; 其他层位Uvigerina spp.数量变化不大, 而Bulimina spp.在突增段上部30~130cm层段有次一级的增加。
Fig. 3 Quantity change curves of benthic foraminifera in core 973-4 (a) and core 973-5 (b) in the Dongsha area

图3 东沙海域973-4 (a)和973-5 (b)柱样中特征底栖有孔虫数量变化曲线
阴影部分表示两个属种数量明显增多层段

2.3 底栖有孔虫碳氧同位素组成

973-4及973-5柱样中底栖有孔虫优势种Uvigerina spp.的碳、氧同位素组成结果显示(图4), 两个柱样都清晰地记录了末次冰消期(约18ka)以来δ18O偏轻的信号。973-4柱样中δ18O的变化范围为2.57‰~ 5.26‰, 380cm左右(约18ka)开始明显偏重, 偏移量约为2.69‰。973-5柱样中δ18O发生类似偏重的层位相对较浅, 约在330cm (约18ka)左右, 同时550cm层位以下底栖有孔虫记录的δ18O波动范围较大。
Fig. 4 Carbon and oxygen isotope composition curves of benthic foraminifera in core 973-4 (a) and core 973-5 (b) in the Dongsha area. The age data are from Suxin (2013)

图4 东沙海域973-4 (a)和973-5 (b)柱样底栖有孔虫碳氧同位素变化曲线[其中年龄数据引自文献(苏新, 2013)]
MIS表示深海氧同位素分期; 图中灰色横线表示MIS分界线; 图内数字表示该层位14C测年结果

两个柱样中底栖有孔虫的碳同位素变化趋势与氧同位素呈较好的负相关关系(图4)。973-4柱状样中的δ13C在-1.97‰~0.25‰之间变化, 平均值为-1.15‰, 末次冰消期以前(380cm以下)底栖有孔虫的δ13C整体偏负较大, 且仅有小幅度的波动。973-5柱样中δ13C位于-2.90‰~0.35‰之间, 平均值为-0.95‰, 末次冰消期之前(330cm以下) δ13C整体偏负。

3 讨论

3.1 天然气水合物分解事件及其对特征底栖有孔虫数量组成的影响

14C测年结果显示: 973-4柱样代表了深海氧同位素分期(MIS) 1~2期和部分MIS 3期以来的沉积, 200cm层位以上为全新世以来的沉积, 380cm层位为MIS 1/2界限(18ka); 973-5柱样中, 628cm以上为晚更新世约38ka以来的沉积, 628cm以下超过了14C年代学测试范围, 330cm层位对应着末次冰期的结束(苏新, 2013)。两个柱样MIS2与MIS3分界处均存在年龄的缺失。冷泉环境中甲烷的缺氧氧化(AOM)作用(CH4+SO44-→HCO3-+HS-+H2O)形成过饱和的HS-, 与海水中的Fe2+结合, 出现大量自生黄铁矿(蒋干清 等, 2006)。同时还会使生活在甲烷渗漏区的底栖有孔虫δ13C发生负偏。但正常海洋环境中, 有机碎屑的分解也能控制黄铁矿生成并引起底栖有孔虫碳同位素异常负偏, 在这种背景下, 沉积物总有机碳含量(TOC)与黄铁矿的S含量呈正相关关系(Berner, 1985)。而研究区两柱样的TOC与总硫含量(TS)相关性仅为0.02和0.22, 不存在明显的相关性(张必东 等, 2015), 说明研究区自生黄铁矿的形成和溶解有机碳(DIC)碳同位素异常并不是有机质厌氧氧化作用所引起。此外, 两个站位深部TOC/TS比值低于浅层正常海洋沉积物TOC/TS范围, 说明深部存在较强的甲烷厌氧氧化作用(AOM)作用和冷泉流体活动(张必东 等, 2015)。
正常海水中Uvigerina spp.的δ13C值在-0.1‰~ 1.0‰之间变化(McCorkle et al, 1997; Rathburn et al, 2003; Schmiedl et al, 2004; Fontanier et al, 2006)。973-4柱样380cm和973-5柱样330cm (对应着末次冰期的结束)以下层位中底栖有孔虫δ13C值几乎都小于-1‰, 呈明显的冷泉区稳定碳同位素特征。两个柱样碳同位素负偏的层段都同时出现氧同位素正偏, 973-4柱样MIS 2~3阶明显富集δ18O, 最大正偏幅度达2.69‰, 973-5柱样在MIS 2~3阶也开始出现氧正偏。沉积速率小于10cm•ka-1的海域沉积物中底栖有孔虫的同位素组成更易受到生物扰动的影响(Broecker et al, 2006), 而973-4与973-5均处于高速堆积体海区, 沉积速率远大于10cm•ka-1, 加之两个站位TOC质量浓度较低(973-4柱样沉积物TOC平均质量浓度为0.34%, 973-5柱样为0.77%)(张必东 等, 2015), 排除了有机碎屑氧化分解对底栖有孔虫壳体δ13C的影响, 因此这种连续的碳同位素负偏、氧同位素偏重的现象很可能与冰期时海平面下降导致天然气水合物稳定存在的压力条件降低, 使得天然气水合物失稳分解产生持续的流体活动有关。此外, 973-5柱样中部分层段含有H2S气味, 出现粥状沉积结构(苏新, 2013), 研究区邻近海域同水深柱样HD-319(21°54′48′′N,118°54′46.8′′E, 水深1730m)(邬黛黛 等, 2010)及GC-10 (21°18′27′′N, 119°11′49′′E, 水深3008m)(邬黛黛 等, 2013)孔隙水中SO42-浓度及甲烷异常等特征也佐证了该海域存在水合物分解事件。末次冰期时两个柱样碳同位素的大规模负偏表明, 此时天然气水合物分解强度较大; 而MIS 3碳氧同位素变化曲线均出现小幅度的波动, 这可能是由于该期存在的冷暖交替导致了天然气水合物分解强弱的变化, 但碳同位素总体仍呈现负偏, 说明天然气水合物分解现象一直存在。973-4柱样末次冰消期以来(0~380cm)中Uvigerina spp.的δ13C在-1.1‰~0.25‰之间; 973-5柱样末次冰消期以来(0~330cm)中Uvigerina spp.的δ13C在-1.2‰~0.22‰之间, 均表现为非冷泉活动区稳定碳同位素特征, 说明全新世以来两个站位天然气水合物分解及冷泉活动都逐渐减弱, 无法显著改变沉积物中DIC的碳同位素组成。δ18O值在末次冰消期(约18ka)变轻的信号指示温度逐渐回升, 但是δ13C值偏负程度逐渐变小, 表明全球冰量和底层水温的变化不是水合物分解的主导因素。而末次盛冰期以来海平面逐渐上升, 沉积物上覆静水压力增大, 水合物稳定带增厚才是造成冷泉活动逐渐减弱的最主要因素。
底栖有孔虫内生种Uvigerina spp.和Bulimina spp.被认为是特定的机会种, 它们在持续有机质供给的富营养环境下占优势, 在缺氧环境下又可以阶段性地迁移到沉积物的表面而生存, 使得它们能够适应高有机碳、低含氧量的现代冷泉甲烷渗漏环境(Abu-Zied et al, 2008)。Uvigerina spp.和Bulimina spp.是973-4和973-5柱样底栖有孔虫的两大优势种, 且其数量在末次冰期均有不同程度的增加, 而东沙海域甲烷流体对Uvigerina spp.的丰度和δ13C值的影响占主导地位(陈芳 等, 2007)。说明底栖有孔虫的数量变化与该时期的天然气水合物分解有关。末次冰期不同强度的甲烷渗漏事件对特征底栖有孔虫数量产生了不同程度的影响, 末次盛冰期较强的冷泉活动使得对应层位440~600cm段两种底栖有孔虫数量大幅度增加。但前人的研究表明, 一般的冷泉活动并不会明显地改变有孔虫的总丰度(Panieri et al, 2009)。因此, 973-4柱样末次冰盛期以前尽管受到天然气水合物分解的影响, 但Uvigerina spp.和Bulimina spp.两个种属的数量仅有小幅度的变化, 而末次冰盛期对应层段大规模的数量增多, 特别是这两个种属在600cm层位数量的突增, 除了受到天然气水合物大量分解的影响外, 还受到了突发地质事件的影响。持续的甲烷渗漏可为底栖有孔虫提供丰富的食物来源(Schönfeld, 2001), 而Bulimina spp.即使在浅层水域也能很好地适应冷泉区低氧高硫化物的环境(Panieri, 2006)。因此, 该种属对甲烷渗漏的高敏感性使得其数量在水合物大量分解的上部层位仍出现次一级的增加(图3)。

3.2 东沙海域海底滑塌的触发机制

973-3、973-4和973-5柱样分别位于东沙海域陆坡的上、中、下部。粒度结果显示, 处于陆坡上部的973-3柱样中220~770cm层位粗组分含量明显增多, 为一套滑塌沉积, 该柱状样0~405cm岩性复杂多变, 沉积物相对较粗, 由灰绿色粉砂质黏土夹薄层粉砂和有孔虫砂质粉砂组成; 405~1228cm岩性较为单一, 沉积物相对偏细, 由灰色粉砂质黏土夹薄层粉砂组成。813cm上下层位颜色发生明显变化; 813cm以下层位沉积物颜色偏黑, 具有浓烈的H2S, 指示该柱样可能受到天然气水合物分解影响(陈芳 等, 2014)。973-4与973-5柱样中均未见明显的浊积岩层, 两个柱样的沉积物粒度异常很可能是受到滑塌事件的影响。地势相对较高的陆坡中部973-4柱样(图2)中末次盛冰期对应层位处于滑塌段, 沉积物粒度混杂, 粗粒组分增多, 以含有孔虫灰绿色黏土质粉砂为主, 受滑塌影响的层位及程度小于坡顶; 973-5柱样(图2)取自滑坡下部的深海平坦地带, 与973-4站位滑坡同时段的390~610cm层位沉积物粒度变化不明显, 仅在390~530cm和600cm附近粗粒组分有小幅度的增多, 说明973-5柱样点受此次滑坡的影响较小, 在晚于滑坡事件的MIS 1阶对应层段部分层位(130~305cm)砂砾增多, 夹杂灰黑色黏土质粉砂薄层, 可能为滑坡物质搬运堆积的缘故。且973-5站位靠近南海北部东沙海域高速堆积体, 在末次盛冰期低水平面环境下, 陆架区的沉积物遭受剥蚀, 被强劲的冬季风带至陆坡区堆积(栾锡武 等, 2009), 故在973-5柱样中可见来自上陆坡区的沉积物。通过三个柱样沉积物粒度的对比分析发现, 本研究区的海底滑塌主要发育在上陆坡, 坡中强度减小, 坡底仅存在滑塌沉积。
973-3、973-4及973-5三个柱样在末次冰期以前一直存在碳同位素负偏和氧同位素正偏的现象, 说明研究区天然气水合物存在持续的分解, 但滑塌沉积仅在柱样的中部层段出现, 如973-3柱样220~770cm层段及973-4柱样末次盛冰期对应层段(440~600cm)为主要滑塌沉积段(陈芳 等, 2014), 973-5柱样在同时期对应层段受滑塌影响。由于天然气水合物稳定性受海平面变化影响, 海平面下降会加速天然气水合物分解(Paull et al, 1996)。而水合物分解会使得孔隙水剩余压力增大, 造成海底斜坡失稳, 引发滑塌(Sultan et al, 2010; Kwon et al, 2011)。晚更新世—全新世的海底滑塌主要由天然气水合物分解引起的(Owen et al, 2007)。研究区柱样中滑塌段位于末次盛冰期最低海平面时期, 此时的滑塌很可能是由于海平面的大幅度下降导致天然气水合物大量失稳分解引起的。因此, 末次盛冰期最后一次强度大、持续短的天然气水合物分解事件是研究区海底滑塌的最主要触发因素。
两个柱样滑塌段所对应的Uvigerina spp.和Bulimina spp.数量都出现明显增加, 这可能是天然气水合物分解强度增大和海底滑塌共同作用的结果。天然气水合物分解及冷泉流体活动可能悬浮、混合并改造当地的有孔虫, 但不会改变有孔虫数量所反映的地层信息(Panieri et al, 2009), 因此有孔虫种属的数量变化可以指示地质活动的发生。973-4柱样滑塌段上层受甲烷影响增多的有孔虫滑塌至下层堆积, 导致600cm处种属数量的突增, 而越到上层数量逐渐减少。因此, 973-4柱样滑塌段有孔虫数量的突增现象佐证了该区的海底滑塌发生在有孔虫受天然气水合物分解事件影响之后。973-5柱样滑塌沉积堆积段MIS 1阶对应层段部分层位中, Uvigerina spp.和Bulimina spp.在个别层位数量增多。当天然气水合物为海底滑坡的触发因素时, 塑性区最先从水合物层产生, 一旦水合物层对海底斜坡稳定性产生影响, 海底斜坡的滑动距离会变得很大(马云, 2014)。因此, 在离滑塌发育区较远的973-5柱样仍然受到滑塌沉积的影响, 但时间晚于滑塌发生期。

4 结论

1) 两个柱样MIS 2~3期(380cm、330cm以下)底栖有孔虫记录的δ13C持续负偏, 并伴随着δ18O明显偏重, 表明末次冰期以前该海域发生过多次天然气水合物分解事件, 并使得对应层位的Uvigerina spp.和Bulimina spp.数量出现不同程度的增加。从末次盛冰期(18ka)开始, δ13C负偏程度逐渐变小并恢复到正常海水范围, 这可能是因为海平面持续上升阻止了天然气水合物分解使得冷泉活动逐渐减弱。
2) 沉积物粒度结果显示, 位于陆坡中部的973-4柱样受海底滑塌影响较大, 而坡底973-5柱样主要存在滑塌堆积。研究区柱样下部层段一直存在碳负偏现象, 而滑塌仅在柱样中间层段存在, 说明滑塌前一直存在天然气水合物分解。两个柱样滑塌沉积段Uvigerina spp.和Bulimina spp.数量突增的现象进一步证实该区的海底滑塌发生在有孔虫受天然气水合物分解事件影响之后。两个柱样的滑塌段均位于末次盛冰期最低海平面时期, 说明末次盛冰期海平面大幅度下降引起的天然气水合物大量分解导致海底斜坡稳定性降低, 是诱发研究区海底滑塌的最主要因素。
3) 海底滑塌与天然气水合物分解之间因果关系的确定一直是国际上研究的重难点, 本文通过沉积物粒度、特定底栖有孔虫种属数量变化与稳定碳同位素组成进行对比分析, 为确定滑塌与天然气水合物分解事件发生的时间先后提供了新思路。

The authors have declared that no competing interests exist.

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