Marine Geology

Formation and evolution of Yongle Submarine canyon in the Xisha Sea area, South China Sea*

  • CHEN Liang , 1 ,
  • LIU Shiqiao 1 ,
  • XIN Zhuo 1 ,
  • XING Zihao , 1 ,
  • ZHANG Jingwei 1 ,
  • LIU Liang 1 ,
  • JIN Jiapeng 2 ,
  • LI wei 3 ,
  • CHEN Wanli 4
Expand
  • 1. Haikou Center of Marine Geological Survey, China Geological Survey, Haikou 571127, China
  • 2. Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao) Function Laboratory of Marine Geo-Resource Evaluation and Exploration, Qingdao 266071, China
  • 3. Key Laboratory of Marginal Sea and Ocean Geology, South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510301, China
  • 4. Institute of Deep-sea Science and Engineering, Chinese Academy of Sciences, Sanya 572000, China
XING Zihao. email:

Copy editor: YIN Bo

Received date: 2021-12-14

  Revised date: 2022-03-08

  Online published: 2022-03-21

Supported by

Geological Survey Project of China Geological Survey(DD20191027)

Geological Survey Project of China Geological Survey(ZD20220606)

Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology, Chinese Academy of Sciences(OMG202010)

Abstract

Carbonate canyons are developed around isolated carbonate platforms in offshore environment. The study of these canyons is helpful to understand the “source-to-sink” system of carbonate clastic sediments and deep water hydrocarbon accumulation. Based on the data of multi-beam bathymetric, high-resolution 2D multi-channel seismic profiles, we depicted the geomorphic features and internal filling characteristics of the Yongle Submarine Canyon in the Xisha area, South China Sea. We attempted to reveal the sedimentary evolution process of the canyon, and analyze its genetic controlling factors and stability. The evolution of Yongle Submarine Canyon can be divided into three stages: Embryonic stage, Convergence stage and Expansion stage. The development scale and sediment transportation is increasing with canyon evolution. The formation and evolution of the Yongle Submarine Canyon is mainly affected by the negative topography formed by paleogeomorphic uplift and the erosion of sediment gravity flow. There are still obvious signs of activity of the canyon after the Quaternary. The Yongle Submarine Canyon is an important material transport channel in the Northwest Sub-basin, and the analysis of its sedimentary evolution and stability carry significant implications for the study of deepwater sedimentary processes, such as carbonate platform sediment transport and island construction.

Cite this article

CHEN Liang , LIU Shiqiao , XIN Zhuo , XING Zihao , ZHANG Jingwei , LIU Liang , JIN Jiapeng , LI wei , CHEN Wanli . Formation and evolution of Yongle Submarine canyon in the Xisha Sea area, South China Sea*[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2022 , 41(5) : 89 -104 . DOI: 10.11978/2021176

*感谢中国科学院海洋研究所王秀娟研究员对本文提出的指导性建议!感谢中国地质大学(武汉)王星星副教授在峡谷水道机理方面的指导和帮助!感谢评审专家和编辑对本文提出的宝贵建议!
海底峡谷体系是一种典型的长条形负地貌, 广泛发育在大陆边缘海洋环境中的大陆架、大陆坡、陆架坡折带、远海台地及岛弧等环境(Weimer et al, 1991; Allen, 2008; 苏明 等, 2013, 2014; 王雁冰 等, 2020)。切割陆架或陆坡的海底峡谷会将大量陆源碎屑或碳酸盐碎屑等以重力流形式搬运到深水洋盆, 因而海底峡谷是海洋重力流沉积体系中重要组成部分, 也是沉积物和陆源有机质向深海搬运的重要通道和深海油气资源储集的重要场所(Harris et al, 2011; Saller et al, 2012; 韩喜彬 等, 2010; 林畅松 等, 2015; 王振峰 等, 2016)。随着地震勘探、多波束、钻探等技术的快速发展, 深水峡谷体系得到了深入研究, 尤其是在地貌形态、成因控制、沉积演化、水合物赋存及灾害防控等方面(苏明 等, 2014; 赵家斌 等, 2018; 刘丛舒 等, 2019; Jin et al, 2020; 王星星 等, 2021)。我国南海北部发育多个大型海底峡谷或者一系列平行排列的海底峡谷体系, 其中研究最多的是珠江口盆地白云峡谷群和琼东南中央峡谷(韩喜彬 等, 2010; 丁巍伟 等, 2013; 苏明 等, 2014; 赵家斌 等, 2018; 刘丛舒 等, 2019; 张庆余 等, 2019; 王雁冰 等, 2020; Li et al, 2022), 它们与陆架相连, 沉积及搬运的沉积碎屑主要以陆源物质为主, 分别是水合物和深水油气重要储集单元, 具有良好的勘探前景。以碳酸盐岩碎屑输运为主的海底峡谷同样是深水重力流研究的一个重要组成要素, 然而现阶段对该类型峡谷研究较少(Mulder et al, 2014; Lu et al, 2018)。
永乐海底峡谷是在南海发现的最大碳酸盐型海底峡谷(图1)。前人以多波束数据为基础, 对该峡谷的地貌形态、输送模式、峡谷成因等方面进行详细描述(李学杰 等, 2017), 但前期资料相对单一, 对永乐海底峡谷的形成演化过程、内部充填特征刻画较为模糊, 对碳酸盐深水输运相关的“源-汇”过程分析不够详尽。本文利用西沙海域多波束、高分辨率二维多道地震资料对永乐海底峡谷地貌形态变化及地层特征进行深入剖析, 识别其内部结构, 分析沉积过程, 研究永乐海底峡谷时空演化, 并结合构造背景探讨其形成控制因素, 加强对碳酸盐岩海底峡谷的认识, 期望为西北次海盆沉积物质来源及碳酸盐台地对深海海盆沉积供给作用等提供参考。
图1 研究区位置图

a. 研究区域地质背景图。L1测线引自Wu等(2014), L2测线引自Lu等(2018), L3测线引自陈俊锦等(2021), 红色方框为图b区域; b. 研究区位置/多波束地形图

Fig. 1 Location map of the study area

1 地质背景

西沙隆起位于南海西北部陆坡区, 坐落于中建凹陷与西北次海盆之间(图1)。自新生代以来, 西沙及周围构造区经历了3阶段的构造演化(图2b), 分别是: 裂谷期(古新世—渐新世, 33.0Ma—23.0Ma)、热沉降期(上中新世—中中新世, 23.0Ma—11.6Ma)和加速沉降期(下中新世—全新世, 11.6Ma—至今)。在新生代裂谷时期, 断层活动强烈, 区域范围内形成受高角度正断层控制的地堑-地垒构造(杨涛涛 等, 2021), 该构造组合控制了西沙海域现今的地形地貌, 包括适合碳酸盐岩沉积和生物礁生长的局部隆起区域, 以及海底峡谷发育的局部负地形等(Wu et al, 2014; 钱星 等, 2017)。该地区发育地层可与西沙岛礁西永1井、西科1井(朱伟林 等, 2015; 罗威 等, 2018)、西琛1井(魏喜 等, 2008)和琛科2井(Fan et al, 2020)等钻井数据进行对比分析, 识别出多种沉积相, 包括滨海相沉积、生物礁-滩相、潟湖相, 以及滨海生物碎屑滩相等(图2b)。
图2 研究区地震层序划分表

a. 横跨西沙台地的地震剖面, 图中红色实线表示断层, 蓝色曲线区域为碳酸盐建隆, 黑色虚线为层序界面, 该剖面据Wu等(2014)修改。b. 研究区地震层序划分表, 其中西科1井岩性剖面引自罗威等(2018), 西沙海域相对海平面变化引自Shao等(2017), 图中红色实线为海平面总体升降趋势, 蓝色区域表示具体的相对海平面变化情况

Fig. 2 Seismic sequence of the study area

永乐海底峡谷位于西沙隆起的永兴岛与东岛之间, 起源于东岛海台北侧, 分割西沙台地和西沙东海脊, 北东向延伸至西北次海盆(图1)。受区域构造影响, 峡谷位于西沙隆起向西北次海盆及中沙海槽过渡的构造复杂地带(图1a), 早中新世以来的构造运动和古地貌条件为永乐海底峡谷的形成演化提供了重要基础, 使其成为西北次海盆沉积物质供应的重要通道之一(李学杰 等, 2017)。

2 数据和方法

本文数据主要来源于中国地质调查局海口海洋地质调查中心2019年在西沙群岛海域新采集的高分辨率二维多道地震数据以及前期的多波束水深地形数据(图1b), 地震测线长度1920km, 地震采集参数分别为多道采集, 道间距6.25m, 采样率1ms, 炮间距25m, 震源容量540Cu.in, 数据处理流程主要包括: 数据准备→定义观测系统→去涌浪噪声→自由表面多次波衰减(surface-related multiple attenuation, SRME)、波动方程多次波衰减(wave equation multiple attenuation, WEMA)→组合去噪→Radon变换去多次波→去残留多次波→叠前时间偏移→偏移叠加→叠后去噪→切除→SGY格式输出等步骤。利用Global Mapper软件对多波束测深数据生成三维海底地形图, 并对永乐海底峡谷进行地形剖面截取分析, 刻画地形地貌特征; 利用Petrel软件对高分辨率地震数据进行地层及构造解释。

3 峡谷的地貌特征

永乐海底峡谷起源于西沙群岛东岛海台, 横跨西沙隆起斜坡区, 形态呈“S”型(图3), 自西南—北东向延伸至西北次海盆, 其总长度150km (李学杰等, 2017)。受多波束资料范围限制, 本文对其资料范围内的125km的峡谷形态进行精细刻画。永乐海底峡谷主干道宽度范围为2~9km, 峡谷头部水深约770m, 末端水深3100m, 切割深度最大可达660m, 整体高程差大(图3b), 局部坡度较陡, 峡谷周缘滑坡分布广泛。根据峡谷形态及走向的转变, 永乐海底峡谷从上游到下游可分为3段, 上段位于东岛海台西北侧, 整体走向S—N—E, 由4条主要的分支峡谷汇入主干道; 中段位于东岛海台东北侧, 整体走向SW—NE, 由3条主要的分支峡谷流入主干道; 下段峡谷在经过向东侧的短距离转变后, 走向仍以SW—NE为主(图3b、3d)。
图3 永乐海底峡谷地貌特征图

a. 永乐海底峡谷坡度图。图中A~J为过峡谷横切剖面, Ⅰ~Ⅶ为峡谷上段分支峡谷。b. 峡谷中弘线深度图, 竖实线为对应分段边界。c. 各横切剖面宽深比, 竖虚线为对应分段边界。d. 各横切剖面形态变化图, 比例尺指示各峡谷的下切深度, 图中数字表示峡谷底部处的水深

Fig. 3 The geomorphic characteristics of the Yongle Submarine Canyon

在海底多波束测深地形坡度图上, 从峡谷上段到下段分别截取A~J共10个地形剖面, 可发现不同位置的横切剖面形态存在一定差异, 整体上峡谷下切深度逐渐降低, 宽度逐渐增加, 宽深比增大(图3c)。结合二维多道地震剖面, 峡谷上段形态以“V”和“U”型为主, 其主干道宽度2.5~5km, 下切深度达350~470m (图3d), 宽深比7~11 (图3c); 分支峡谷宽度1.5~2.5km, 下切深度200~260m, 宽深比6~12, 其在横切剖面B水深约1400m处汇集成一条主峡谷干道; 峡谷中段形态“U”型为主, 该段主干道宽度3.8~6.9km, 下切深度380~660m, 宽深比达8~13, 分支峡谷宽度1.7~2.6km, 下切深度128~195m, 宽深比12~17, 较之上段分支峡谷更宽缓, 形态更为对称; 峡谷下段形态以“U”型为主, 宽度6.1~8.8km, 下切深度410~460m, 宽深比达13~20, 坡度逐渐平缓(图3c、3d), 由SW—NE向汇入西北次海盆。峡谷形态变化初步表明在从上游到下游搬运的过程中, 沉积物对峡谷底部侵蚀作用减弱, 沉积作用逐渐增强。

4 地震反射特征及沉积演化过程

通过对研究区高分辨率二维单道-多道数据资料的地震精细解释, 结合西沙岛礁西科1井(罗威 等, 2018)以及前人在西沙台地(Lu et al, 2018)、西北次海盆(钱星 等, 2017)、中沙海槽(陈俊锦 等, 2022)的地层划分, 结合多道地震剖面地震反射特征, 识别研究区6个层序界面(Tg、T60、T50、T40、T30和T20)(图2图4), 研究永乐海底峡谷上段、中段和下段海底地貌特征、地震相、沉积相及组合构型变化, 分析峡谷的沉积过程及时空演化。
图4 研究区典型地震剖面(剖面位置见图1a)

a. 原始剖面; b. 解释剖面, 未指示红色粗实线表示断层

Fig. 4 Typical seismic profile in the study area

4.1 峡谷上段地震特征

永乐海底峡谷上段发育于东岛碳酸盐岩台地西北侧斜坡, 由多条分支峡谷组成(图5), 在水深1410m处汇入峡谷主干道(图6)。从海底地形图及地震剖面看, 4条分支峡谷I~Ⅳ起源于东岛边坡陡崖(图5)。地震剖面及其地层解释可发现Tg在分支峡谷I、Ⅱ和Ⅲ表现为明显下拉现象, 在T50和T40也可观察到侵蚀下凹特征(图4), 表明峡谷具有较强继承性。在分支峡谷Ⅳ下覆地层出现明显的掀斜上拉(图5), 表明永乐海底峡谷的发育与台地深部基底地形及后期岩浆改造作用有关。晚中新世(T40)早期以来, 地震反射为较连续—连续、中等—强振幅、平行—亚平行反射特征, 峡谷下部为明显下拉、杂乱反射, 表明该时期峡谷内部复合水道体系开始发育。至晚中新世(T40)晚期, 分支峡谷I、Ⅱ和Ⅲ出现较为明显的下切边界, 边界上下可识别出下超、削截等地震反射特征, 内部填充呈弱振幅、杂乱反射的沉积。峡谷两侧水道复合体发育, 部分峡谷开始下切时的边界上方呈现出楔状堤岸沉积特征, 即地震反射同相轴向远端尖灭(图5)。该时期受台地斜坡坡度影响, 台地上部沉积物失稳, 侵蚀早期形成的水道体系, 形成上段的分支峡谷雏形。上新世(T30)以来, 西沙海域相对海平面持续上升, 分支峡谷I、Ⅱ和Ⅲ再次下切充填, 分支峡谷Ⅳ开始形成, 地震反射显示为连续、中等—强振幅、平行反射特征, 沉积环境逐渐转变为半深海环境, 水道逐渐被充填, 峡谷宽深比变小, 峡谷内部地层受强烈侵蚀作用而缺失, 可见峡谷内滞留及浊流沉积体, 侧翼发育滑塌沉积体, 表现为较强的水动力环境。第四系(T20)以来, 分支峡谷Ⅳ再次发生下切冲蚀壮大以后, 峡谷上游台地北西侧分支峡谷逐渐趋于稳定并形成现今峡谷形态。
图5 峡谷上段台地北西侧分支峡谷地震解释剖面图

a. 剖面位置图, 黄色实线为测线具体位置, Ⅰ~Ⅳ表示分支峡谷; b. 原始剖面; c. 解释剖面图, 红色粗实线为岩体边界或断层, 黑色粗实线为指示沉积现象边界, 黑色细实线为水道内部反射特征, 箭头为接触关系, 黑色虚线为层序界面

Fig. 5 The interpreted seismic section across the upstream branch canyon in the northwest upper platform

图6 峡谷上段分支峡谷交汇处地震解释剖面图

a. 原始剖面图; b. 解释剖面图, 红色实线为断层或岩体边界, 黑色粗实线为图中指示沉积现象边界, 黑色虚线为层序界面, 黑色方框为图c区域; c. 分支峡谷Ⅰ局部放大, 图中红色实线为断层或岩体边界, 黑色粗实线为图中指示沉积现象边界, 箭头指示接触关系。 ①~③指示不同沉积期次; d. 剖面位置图, 黄色实线为测线具体位置, 白色空白区域为东岛海台, Ⅰ~Ⅳ表示分支峡谷

Fig. 6 The interpreted seismic section at the junction of the upstream branch canyon

从横切NW侧分支峡谷与主峡谷交汇处的地震剖面看, 该处峡谷形成与断层关系密切, 其内部形态宽缓, 沉积厚度走时达200ms, 两侧翼发育大量滑塌沉积体(图6)。地震剖面显示, T50—T30发育有3期水道下切-充填沉积层, 各期次底界面明显, 呈连续—弱连续的中强振幅反射特征, 下切边界见双向上超、削截等地震反射特征(图6b、6c)。峡谷早期形成于中中新世(T50)晚期, 上中新世早期受分支峡谷I北西侧正断层影响发生二次下切, 削蚀早期峡谷内部沉积, 地震反射呈弱连续、中—强振幅特征, 至上新世(T30)峡谷两侧沉积物在重力作用下滑塌, 再次下切冲蚀, 内部沉积呈强振幅、连续—弱连续反射, 其边界受峡谷两翼滑脱断层控制。从基底反射看, 峡谷整体发育于基底凹陷处, 3期水道垂向上相互叠置, 上新世以后峡谷中心呈现出侧向迁移的趋势。该剖面峡谷内部发育丘状堆积体, 其下界面呈现连续的强反射特征, 而内部反射振幅弱且杂乱, 可能受峡谷中沉积物改造作用, 结合多波束海底测深图, 发现其为高差约100m的分支峡谷I和分支峡谷Ⅱ之间的脊部(图6b、6d)。

4.2 峡谷中段地震特征

东岛台地周围发育多个峡谷, 图7为剖面横切峡谷主干道及峡谷上游东岛台地北东侧3条分支峡谷(分支峡谷Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ)。地震剖面显示, 此处峡谷主干道发育于上中新世(T40)中后期, 其底界面上下可见双向上超、削截等地震反射现象, 内部充填沉积体呈现弱连续—连续、中强振幅等特征, 底部见弱连续、杂乱—空白反射的块体搬运沉积, 沉积厚度较其上游大幅度减薄, 该处主干道下切深度、峡谷宽度及坡度明显增加, 下切冲蚀界面明显(图7e), 其内部被小型岩浆活动改造, 呈现出两边分离的形态特征。而NE侧分支峡谷形成时代晚于主干道, 分支峡谷V和分支峡谷Ⅵ发育于第四系(T20)以后, 分支峡谷Ⅶ则主要发育于上新世晚期(图7d)。3条分支峡谷形态均为对称的“U”型, 内部充填沉积物表现为连续、中强振幅的地震反射特征, 其底部均切割上新世地层。从地形坡度图上分析可以得出此处分支峡谷与峡谷主干道存在较大的坡度差(8°~12°), 于东岛台地坡底处与主干道交汇。此外, 分支峡谷Ⅵ、Ⅶ南东侧翼发育侧向增生楔状沉积, 内部沉积厚度变化不大, 峡谷两侧地层整体表现为垂向加积的半深海沉积特征, 其头部位于东岛台地半坡处, 无明显的沉积物源输送通道(图3a和图7a)。
图7 峡谷中段峡谷主干道及台地北东侧分支峡谷地震解释剖面图

a. 本剖面位置图, 黄色实线为测线具体位置, Ⅴ~Ⅶ表示分支峡谷; b. 原始剖面图; c. 解释剖面图, 其中实线方框为图d区域, 虚线方框为图e区域; d. 该剖面峡谷主干道局部放大; e. 分支峡谷Ⅶ局部放大。图中红色粗实线为断层或岩体边界, 黑色粗实线为图中指示沉积现象边界, 黑色虚线为层序界面, 黑色箭头为界面接触关系

Fig. 7 The interpreted seismic interpretation section of main road of canyon in middle section and branch canyon on northeast platform

图8横切斜峡谷中段主干道, 整体走向平直,受上游分支峡谷汇入影响, 其深度、宽度及沉积厚度均大幅度增加, 剖面形态表现为深切且对称的“U”型, 峡谷侧壁平滑, 发育多套断层控制的侧向滑塌沉积体(图3a和图8)。从地震反射界面上可见, 早中新世—中中新世早期, 受NW侧基底隆起影响, 多套重力滑塌沉积体顺坡降而下, 随后其上发育大规模的斜坡水道复合体, 有利于峡谷的形成; 中中新世(T50)末期峡谷开始形成, 其底部下切至早中新世地层, 内部反射特征为连续—弱连续、中—强振幅、弱平行—杂乱反射; 上新世(T30)以来, 受峡谷两侧边界断层控制, 峡谷再次下切充填, 形成较为明显的底界面, 其西北侧残留滑塌沉积块体, 内部充填浊流沉积体; 第四纪(T20)以来, 沉积逐渐趋于稳定。该处峡谷早期发育受控于基地的构造形态, 后期则受边界断层影响较大, 峡谷中心呈现向东南侧偏移的趋势。
图8 峡谷中段主干道地震解释剖面

a. 剖面位置图, 黄色实线为测线具体位置; b. 原始剖面图; c. 解释剖面图, 红色粗实线为断层, 黑色粗实线为图中指示沉积现象边界, 黑色虚线为层序界面

Fig. 8 Interpreted seismic section of main road in middle canyon

4.3 峡谷下段地震特征

峡谷下段横剖面中可以观察到峡谷下切深度变浅, 但宽度更宽, 峡谷SE侧翼发育多套滑塌体(图9图10c)。从地震反射剖面上看, 峡谷开始发育于上中新世(T40)早期, 底部下切至中中新世地层, 峡谷西北侧下切边界上部见轴向发育的透镜状浊流沉积体, 侧边界不明显, 底部可见较明显水道侵蚀面, 峡谷内部沉积层以弱—中等振幅、连续性差的块体搬运沉积为特征; 第四系(T20)以来, 峡谷再次发生强烈的下切侵蚀, 底部发育少量峡谷滞留沉积, 随后水动力逐渐减弱, 峡谷两侧受断层影响发生滑塌, 多套滑塌体堆积充填在峡谷两侧与内部, 峡谷两侧垂向加积的深海沉积中可见少量沉积物波构造。
图9 峡谷下段地震解释剖面

a. 本剖面位置图, 黄色实线为测线具体位置; b. 原始剖面图; c. 解释剖面图, 红色粗实线为岩体边界或断层, 黑色粗实线为图中指示沉积现象边界, 黑色虚线为层序界面

Fig. 9 The interpreted seismic section of the downstream of the canyon

图10 峡谷不同段位坡度图

a. 上段, 据秦志亮等(2014)修改; b. 中段; c. 下段。图中Ⅰ~Ⅶ表示峡谷上段分支峡谷编号, 红色虚线表示滑坡边界

Fig. 10 Slope map of different sections of the Canyon

5 讨论

5.1 永乐海底峡谷成因及控制因素分析

研究表明峡谷的形成是多种因素长期作用的结果, 构造运动、海平面升降、沉积物供应、古气候等是峡谷发育的重要影响因素(丁巍伟 等, 2013; 赵家斌 等, 2018; 王玉宾 等, 2020; Tian et al, 2021)。永乐海底峡谷是典型的碳酸盐岩斜坡限制型峡谷(Cronin et al, 2005; 李学杰 等, 2017; Li et al, 2019), 从地震剖面反射特征看, 其形成与早期西沙台地的形成演化有关。西沙碳酸盐岩台地发育于裂谷期构造运动形成的断阶高地上, 晚始新世至中新世的差异沉降作用控制了碳酸盐台地的分布(Wu et al, 2014; 杨振 等, 2016; 吴时国 等, 2020), 而同步形成的负地形为峡谷的发育创造了良好的地形条件。永乐海底峡谷不同位置的高分辨率多道地震剖面显示, 峡谷主干道始终发育于早期形成的负地形之上(图5~图9), 其内部浊流沉积受两侧正地貌阻止难以侧向扩散, 而顺坡降输送至更远的区域, 从而形成横跨西沙碳酸盐岩台地斜坡的走向特征(图3a)。该负地形两翼较高的坡度差也为重力流发育提供了有利场所, 中中新世末期以来南海北部相对海平面的整体上升(Wu et al, 2014)使峡谷中上段高地势位置的沉积物失稳, 从而发生破坏后退以调整至新的平衡(图7图8图10b、10c), 在坡度图上可识别出多个裂点(图3b和图10a、10b), 滑塌体同时混合来自台地上方的生物礁及火山碎屑等沉积物形成浊流沉积体, 在重力势能及水动力的共同作用下, 沿坡降进入构造凹地并进一步侵蚀海底地形。在浊流沉积物不断的“上溯下蚀”的复合运动过程中形成碳酸盐岩海底峡谷。
前人研究表明海底坡度、构造运动等是影响峡谷走向的重要因素(王玉宾 等, 2020), 永乐海底峡谷具有相似的控制因素, 但除此之外, 两侧台地地势差异和沉积物供应量同样对峡谷走向具有重要影响。从地形坡度分布图上看(图10), 峡谷上段主干道发生近90°的偏转, 峡谷走向由南东向转为近东西向, 随后环绕东岛台地倾伏端朝重力梯度最大的方向延伸, 呈现出构造转向型海底峡谷的特征(赵家斌 等, 2018)。峡谷上段西北侧紧邻永兴岛海底滑坡(图10a), 该滑坡长17.23km, 最大宽度14.51km, 局部坡度大于20° (秦志亮 等, 2014; 李学杰 等, 2017; 陈梅 等, 2022), 大规模的滑塌体沿坡降向下运输, 为峡谷上部提供了大量的物质来源, 壮大了原先峡谷支流, 并促进了大角度转向的发生。在峡谷中段, 其北西侧地势始终高于南东侧(图10b), 近峡谷两侧未发育底辟、海山、海丘等明显正地貌单元, 峡谷弯曲度变小, 走向相对平直, 但仍呈现沿地势低洼方向(南东侧)偏转的趋势; 至峡谷下段, 其东南侧地势较高, 峡谷走向朝北东侧偏转, 该段峡谷南边早期发育的西渡海山距离峡谷中泓线约11km, 对峡谷走向转变的关系不大, 但其靠近峡谷一侧发育的滑塌体则汇入峡谷主干道, 拓宽了峡谷的宽度(图10c)。因此, 峡谷两侧地势高地及沉积物供应量对峡谷走向及峡谷形态刻画也具有重要影响。

5.2 永乐海底峡谷沉积演化过程

通过峡谷不同位置沉积特征研究, 认为永乐海底峡谷的形成演化可分为3个阶段: 萌芽阶段、汇聚阶段、拓展阶段。

5.2.1 萌芽阶段

通过多道地震剖面对比, 我们认为中新世早期西沙碳酸盐岩台地隆起之间的负地形为峡谷发育提供地形条件; 而中中新世晚期, 永乐海底峡谷自东岛碳酸盐岩台地北侧坡底以及西渡海山东北侧负地形处发生滑坡破坏, 并顺坡度较陡的方向发生上坡侵蚀(图11a), 形成“两段式”的发育特征。晚中新世以来, 相对海平面快速上升, 碳酸盐岩台地开始向局部地势高点萎缩(Wu et al, 2014; 杨振 等, 2016; 陈梅 等, 2022), 该时期较大的沉积速率导致沉积物不断增厚, 引起台地斜坡坡度变大, 在较厚的沉积物及坡度变大两个因素的影响下, 东岛台地上部地层失稳, 沉积物在重力作用下沿台地斜坡侵蚀早期形成的复合水道体系, 形成上段的分支峡谷雏形, 并被上段发育的峡谷主干道捕捉, 朝北向发育; 此时峡谷下段在较大的坡度差下持续发生强烈的上坡侵蚀, 浊流沉积物在水动力的作用下顺坡降搬运(图11b)。
图11 峡谷形成演化过程示意图

a. 中中新世(T50—T40); b. 晚中新世(T40—T30); c. 上新世(T30—T20); d. 第四纪(T20—SB)。图中深棕色区域为基底, 橙色部分为碳酸盐台地, 蓝色为海水, 不同颜色深浅整体表现出海平面上升的趋势, 黄色为峡谷, 红色箭头为滑坡破坏方向, 橙色箭头代表沉积物输运方向

Fig. 11 Formation and evolution process of the Canyon

5.2.2 汇聚阶段

上新世时期, 东岛台地西北侧分支峡谷增加, 上段的峡谷主干道得到发育, 其走向在峡谷西侧大规模滑塌体等的作用下朝东侧偏转, 使其与峡谷中下段上溯侵蚀源头汇聚, 并形成永乐海底峡谷雏形, 该处侧翼陡峭, 周围伴随大量的海底滑坡沉积, 在地势差、水动力作用下逐渐发育壮大, 汇入西北次海盆(图11c)。

5.2.3 拓展阶段

第四纪以来南海经历了多次大的海平面变化, 使峡谷周缘不稳定性增加(王大伟 等, 2009), 在该影响因素的驱动下, 上段分支峡谷再次发生下切侵蚀(图5); 峡谷中心在交汇处朝东南侧略有偏转(图6); 峡谷中段上坡侵蚀加剧, 主干道内部浊流侧向扩散, 突破原有行进轨迹, 在坡度较陡处发生滑塌失稳, 并顺斜坡向上游侵蚀推进, 从而达到新的平衡而形成分支峡谷(图10b)。至第四纪晚期, 海平面进一步上升, 沉积环境逐渐稳定, 水动力作用减弱, 沉积作用增强, 峡谷上游东北侧分支水道逐渐被充填(图7), 峡谷主干道侧翼受底流及重力等作用影响发育大规模蠕变构造(图10b), 峡谷下段两侧滑塌体在重力作用下向下蠕动滑移, 发育多期次滑塌体充填至峡谷底部(图9图10c), 峡谷宽深比增加, 逐渐形成现今海底峡谷地貌特征(图11d)。

5.3 永乐海底峡谷的稳定性

随着岛礁生态保护、岛礁吹填及工程建设工作的推进, 碳酸盐岩台地边坡稳定性的研究显得尤为重要。碳酸盐岩型海底峡谷的形成与台地边坡的不稳定性息息相关, 未达到平衡状态的峡谷常常伴随着滑坡、断裂等多种灾害地质现象, 是造成碳酸盐岩台地失稳的潜在隐患。永乐海底峡谷西起东岛碳酸盐岩台地, 整体形态狭长而深切, 头部到末端高程差达2200m, 下切深度最大可达660m, 高分辨率地震解释结果显示, 峡谷两翼活动断层较发育, 且伴生多套滑塌沉积体(图6~图9)。前人研究表明, 水下斜坡的坡度达到1°~3°的时候就有发生滑坡的可能性(秦志亮 等, 2014), 永乐海底峡谷侧翼斜坡平均坡度5°, 局部坡度达25° (图3), 后续发生滑坡的可能性较大, 峡谷侧翼大范围的蠕动滑塌变形构造是其再次发生滑坡的前兆(图10b)。另一方面, 西沙海域受海底扩张、马尼拉海沟俯冲、台湾造山带的形成等多种构造作用影响火山活动明显(田洁 等, 2016), 相关研究显示西沙海域在23Ma、10.5Ma以及5.5Ma后均发育多期次的火山活动(冯英辞 等, 2017), 永乐海底峡谷周缘第四纪以来仍有较明显的构造运动, 更新世早期永兴岛东北侧发生过火山活动(陈俊仁, 1978), 而更新世后期由火山喷发形成的高尖石岛距离东岛仅有14km (吕迎秋 等, 2018), 同时根据中国地震台网地震目录, 1989年5月在东岛环礁附近海域发生过4.9 级地震, 震源深度31km (陈梅 等, 2022), 构造活动与相对海平面升降变化的共同作用, 诱发断层及海底滑坡的活动性, 促使峡谷的不稳定性增加。此外, 峡谷中段分支峡谷Ⅵ、Ⅶ现今表现为稳定充填现象(图7b), 且其头部位于台地斜坡区, 未见明显的物源供给通道, 推测在经历较长时期沉积后被废弃, 但同时也将在下一次构造运动或海平面升降等外界影响因素下成为主要的侵蚀通道, 是潜在的不稳定区。岛礁工程建设是国防安全的重要内容, 关于岛礁周缘斜坡发育地貌单元的稳定性评价, 还需结合工程地质数据对其内在机制进行定量模拟分析, 开展进一步的研究。

6 结论

永乐海底峡谷发育于西沙海域东岛碳酸盐岩台地斜坡附近, 是该地区重要的碳酸盐岩碎屑物质从浅水台地向深水洋盆中输运的通道。峡谷整体走向SW—NE, 沿走向平面形态呈“S”型, 受搬运过程中侵蚀和沉积作用影响, 横切剖面呈现“V”型或“U”型, 其坡度、宽深比及形态等地貌特征参数在峡谷不同段位游呈现规律变化。地震资料揭示永乐海底峡谷形成演化可分为3个阶段: 1) 萌芽阶段: 中中新世—晚中新世(T50—T40), 峡谷上段和中段同时发育; 2) 汇聚阶段: 上新世(T30), 峡谷上段NW侧顺坡降发育的分支峡谷与峡谷中下段“上溯下蚀”形成的峡谷主干道交汇, 并汇入西北次海盆; 3) 拓展阶段: 第四纪以来(T20), 峡谷两侧滑塌剧烈, 且发育大规模蠕变构造, 使峡谷逐渐壮大, 形成现今海底峡谷地貌。峡谷形成受古地貌隆起形成的负地形和沉积物重力流侵蚀作用影响较大。此外, 峡谷坡度、构造运动、沉积物输入及海底地势高低等因素控制了峡谷的整体走向和形态。峡谷整体稳定性较差, 第四纪以后仍有较明显的活动迹象。永乐海底峡谷是西北次海盆的重要物质输送通道, 其沉积演化过程及稳定性的分析对研究海洋环境下碳酸盐台地沉积物输运等深水沉积过程及岛礁安全具有重要意义。
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