南海位于亚洲大陆、中印半岛、加里曼丹岛、菲律宾群岛及台湾岛之间, 为半封闭深水海盆, 总体为北东— 南西走向。其构造位置处于欧亚大陆的东南缘, 邻近欧亚、太平洋、印度洋— 澳大利亚3大板块的交汇处, 是西太平洋中最大的边缘海(李立, 2002)。

南海北部大陆边缘东起台湾岛, 西部为越南, 南部和南海深水平原相接, 大致呈北东向展布, 长约1500 km, 宽约600 km, 总面积约9× 10⁵ km², 约占整个南海面积的1/4(王宏斌等, 2003)。本次研究区主要位于东沙群岛周缘、西沙群岛周缘, 水深约1200~3000 m(图 1)。

南海环流系统比较复杂, 垂向上整体呈“ 三明治” 式(Yuan, 2002), 大致可分为表层水、中层水及深层水(Wyrtki, 1961; Chao et al., 1996; Chen and Huang, 1996; Fang et al., 1998; Chen, 2005)。

南海表层水受季风的影响明显, 其在冬季从北部流向爪哇海, 总体呈逆时针方向运动, 而在夏季时呈顺时针方向运动(Shaw and Chao, 1994; Wang et al., 1995; Hu et al., 2000; Fang et al., 2009)。另外, 黑潮及沿岸流对表层水的影响较为明显(Liang et al., 2003)。黑潮是北太平洋中重要的西边界流之一, 其通过吕宋海峡后以顺时针方向进入南海(Li and Wu, 1989; Xue et al., 2004), 可进一步演变成北东向的南海暖流(图 2)。

图1

Fig.1

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	图1 南海北部位置及等深线(底图自Wang et al., 2010, 有修改)Fig.1 Location and isobath of northern South China Sea(base map modified from Wang et al., 2010)

图2

Fig.2

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	图2 南海北部现今海洋学特征(据Fang et al., 1998; Lü dmann et al., 2005; 谢玲玲, 2009; Zhu et al., 2010; 底图据Wang et al., 2010, 有修改) 1— 黑潮环流; 2— 南海暖流支流; 3— 南海暖流; 4— 广东沿岸流Fig.2 Characteristics of modern oceanography in northern South China Sea(modified from Fang et al., 1998; Lü dmann et al., 2005; Xie, 2009; Zhu et al., 2010; base map modified from Wang et al., 2010)

南海中层水研究相对较少, 一般认为其可通过吕宋海峡流入西太平洋, 总体呈顺时针运动特征(Fang et al., 1998; Yuan, 2002; Chen, 2005; 谢玲玲, 2009)。目前, 多认为中层水的顺时针运动与反气旋涡相关(Yuan, 2002)。

南海深层水主要为北太平洋深层水经吕宋海峡进入南海海盆, 沿陆架向西作逆时针运动, 其流速在0.15~0.3 m/s之间(Chao et al., 1996; Yuan, 2002; Lü dmann et al., 2005; Qu et al., 2006; Shao et al., 2007; 谢玲玲, 2009; Wang et al., 2010; Zhu et al., 2010; Huang and Wan., 2011; Gong et al., 2012)(图 2), 并可形成一系列等深流沉积(Lü dmann et al., 2005; Shao et al., 2007)。

大型长条状漂积体是典型的等深流沉积, 其外形为丘状、长条形, 大致平行于陆坡分布, 顶部上凸, 多平滑。水道(moat)发育, 水道处侵蚀、收敛, 上坡迁移特征明显, 见削截、下超及上超特征, 代表高能环境。底部沉积边界明显, 可分为多个沉积单元, 内部多具平行— 亚平行、中等— 弱、连续性较差的地震反射特征, 局部为杂乱或空白反射(图 3)。该类型漂积体在挪威海北部(Laberg et al., 2001)、加的迪斯海湾(Faugè res et al., 1999)、北大西洋(McCave and Tucholke, 1986; Laberg et al., 2001)均有发育。Wang等(2000)首先报道了南海中沙群岛南部的大型长条状漂积体。随后, Shao等(2007)及Lü dmann等(2005)对南海北部丘状漂积体进行了研究。

限制型漂积体多沉积于海山或地形隆起之间, 其顶部较为平坦、平滑, 水道多发育在靠地形突起一侧, 底部沉积边界清晰, 内部沉积期次明显。多具平行或亚平行、中— 弱、连续性中等— 好、部分连续性差的地震反射特征, 在水道处见收敛及侵蚀现象(图 4), 局部发育沉积物波。限制型漂积体在地中海科西嘉岛盆地(Roveri, 2002)、西西里岛海峡(Reeder et al., 2002)、新西兰陆架(Carter and McCave, 1994)及福克兰海槽(Cunningham and Barker, 1996)等地广泛发育。

陆坡席状漂积体外形为席状, 顶部平坦、光滑。底部沉积边界清晰, 内部沉积期次明显。少量漂积体发育水道, 多为连续性中— 差、中等— 弱反射, 部分为杂乱或空白的平行或亚平行地震反射特征(图 5)。席状漂积体在加的斯海湾(Kenyon and Belderson, 1973; Habgood et al., 2003)、巴西陆架(Viana et al., 1998)及赫布里底群岛陆架(Howe et al., 1994)等地有报道。

南海北部陆坡发育大面积的沉积物波, 波形不对称, 部分具有上坡迁移特征, 其内部为平行— 亚平行、中等— 弱反射地震特征(图 6)。沉积物波波长达数千米, 波高为数十米, 部分沉积物波与漂积体伴生 (图 6-B)。目前, 有人认为北大西洋加地斯海湾(Habgood et al., 2003)、巴哈马外海脊(Hollister et al., 1974)及蒙特里海底扇(Normark et al., 1980)的沉积物波为等深流成因。

通过典型地震相特征, 文中对南海北部水深约1200~3000, m之间的等深流漂积体分布进行了识别。南海北部第四系等深流沉积在西沙群岛周缘主要为大型长条状漂积体和小规模限制型漂积体; 东沙群岛附近发育大型长条状漂积体、限制型漂积体、陆坡席状漂积体及沉积物波(图 7)。其中, 大型长条状漂积体主要分布在地形变化相对较大地区, 多在中陆坡, 如东沙群岛西南部及西沙群岛周缘; 而限制型漂积体主要发育在中陆坡地势相对低洼处; 陆坡席状漂积体则多在地势开阔及平坦区域发育, 主要在下陆坡沉积(图 7)。

图3

Fig.3

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	图3 大型长条状漂积体特征(剖面位置见图1)Fig.3 Characteristics of giant elongated drift(profile location in Fig.1)

图4

Fig.4

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	图4 限制型漂积体特征(剖面位置见图1)Fig.4 Characteristics of confined drifts(profile location in Fig.1)

图5

Fig.5

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	图5 陆坡席状漂积体(剖面位置见图1)Fig.5 Characteristics of slope sheet drift(profile location in Fig.1)

图6

Fig.6

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	图6 沉积物波特征(剖面位置见图1)Fig.6 Characteristics of sediment wave(profile location in Fig.1)

图7

Fig.7

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	图7 南海北部第四系等深流沉积分布特征(底图自Wang et al., 2010, 有修改)Fig.7 Distribution characteristics of the Quaternary contourites in northern South China Sea(base map modified from Wang et al., 2010)

目前, 对于等深流沉积的研究主要体现在形态、内部结构、分布特征、等深流运移路径及模式方面(Stow, 1982; Viana et al., 1998; Faugè res et al., 1999; Rebesco and Stow, 2001; Faugè res and Stow, 2008; Stow and Faugè res, 2008; Rooij et al., 2010), 而关于等深流沉积的形成过程国内外研究较少。Faugè res等(1999)讨论了水道型的限制环境和非水道型的非限制环境中漂积体的形成, 但其仅强调了科里奥利力作用。Herná ndez-Molina等(2008)在总结陆坡等深流沉积模式时, 运用了“ 螺旋型” 和“ 层状” 水流概念, 但是未对等深流漂积体的形成过程进行分析。

在水力学中按流体质点本身有无旋转可分为有涡流和无涡流两类。有涡流是指流体流动时质点存在绕自身轴旋转运动, 也称为涡流、有旋流及螺旋流等, 反之则为无涡流(层流)(吴持恭, 2003; 李大美和杨小亭, 2004; 刘亚坤, 2008)。螺旋流与层流决定于流体本身质点是否围绕自身轴旋转, 与其运动轨迹无关(吴持恭, 2003; 李大美和杨小亭, 2004)。

等深流在运动过程中也可表现为螺旋流及层流两种方式。螺旋型等深流主要在地形变化较大的地方出现, 其主要有3方面的原因。首先, 北半球运动的等深流受科里奥利力的影响具有向“ 右” 运动的趋势。其次, 当等深流在地形变化较大的位置(如陡坡带)运动时, 由于水体两侧流体所受摩擦力不同(靠陡坡一侧大于靠海盆一侧), 而具有不同的剪切速度。最后, 地形变化可使等深流运移路径发生弯曲, 形成类似曲流河弯曲部分的次生单向环流。上述3种因素共同作用可导致等深流具有螺旋流特征, 进而形成次生环流。而层状等深流主要出现在地形相对宽缓地带, 水体具有层状结构, 次生环流少见。相对而言, 等深流在运动过程中以层状水流为主, 在局部地区表现为螺旋型水流。

南海北部陆坡水深约1200~3000, m之间区域发育大型长条状漂积体、限制型漂积体、陆坡席状漂积体及沉积物波, 说明深层等深流在该区域活跃。而对于南海北部深层等深流的运动特征, 国内外学者已进行了长时间的研究, 多认为其为太平洋深层水经巴士海峡进入南海, 并沿南海北部陆架做逆时针方向运动(Lü dmann et al., 2005; Shao et al., 2007; Wang et al., 2010; Gong et al., 2012)。

南海北部深层等深流在由北东向南西运动的过程中, 受科里奥利力的影响, 整体具有“ 右” 偏的趋势; 其次, 当深层等深流在沿陆架运动过程中, 由于北部陆坡相对较陡, 南部靠近向海相对平缓, 导致等深流北侧与南侧流体受摩擦力不同而具有不同的剪切速度; 第三, 南海北部地形向海盆凸出、凹进程度不一。东沙群岛、西沙群岛向海盆凸出明显, 而东沙群岛西部地形相对向陆凹进, 这可使等深流的运移路径发生弯曲变化(图 1)。上述3种因素可能导致深层等深流在南海北部地形变化明显区域内形成螺旋型等深流, 进而产生顺时针旋转的次生环流。次生环流在深层等深流运动过程中, 侵蚀北部的陡坡并在南部形成沉积, 最终形成大型长条状漂积体(图 8-A, 8-B)。次生环流作用明显处主要表现为侵蚀特征, 多形成水道(moat), 而在水道一侧形成丘状漂积体。漂积体不同部位也具有明显不同的沉积速率(图 8-B, 沉积速率2> 3> 1)。因此, 南海北部陆坡大型长条状漂积体主要发育在地形变化相对较大区域, 水道与其伴生(图 7)。限制型漂积体的形成过程与大型长条状漂积体类似, 同时, 由于环流的作用可在漂积体一侧或两侧形成水道(图 8-C, 8-D)。而在地势相对平坦或等深流能量降低时, 等深流主要为层状水流特征, 因不能或很少形成次生环流而使得等深流沉积总体为席状, 水道不发育(图 8-E, 8-F)。

沉积物波的成因一直是深水沉积研究的热点, 也是难点之一。目前, 沉积物波的成因主要有等深流成因、浊流成因、内波成因、滑塌成因及复合成因(高振中等, 1996; Faugè res et al., 2002; Lee et al., 2002; Wynn and Stow, 2002; 王青春等, 2004; Herná ndez-Molina et al., 2006; Mulder et al., 2008; 李华等, 2010)。

图8

Fig.8

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	图8 等深流沉积形成过程示意图Fig.8 Sketch showing sedimentary process of contourites

本次发现部分沉积物波具有上坡迁移特征(图 6-A), 并且少量沉积物波与等深流漂积体伴生(图 6-B; 图7)。王海荣等(2007)基于岩性、粒度、含沙率及地震反射特征认为该区沉积物波为等深流成因。等深流形成沉积物波的过程研究有两种观点(Wynn and Stow, 2002)。一种是运用Lee波模式进行解释(Flood, 1988), 认为等深流在早期波状地形运动过程中, 由于地形的影响, 使得流体在迎流面和背流面具有不同的速度, 进而导致沉积速率不同而形成迁移现象明显的沉积物波, 迁移方向与等深流运动方向相反。Lee波模式仅能解释波脊线与等深流方向垂直的情况, 并不能很好地解释上坡迁移型沉积物波。另一种观点认为等深流成因的沉积物波形成过程与浅水波痕类似, 沉积物波的波脊线垂直于等深流运动方向, 其迁移方向与等深流运动方向大致相同(高振中等, 1996; Wynn and Stow, 2002; 李华等, 2007), 但仍不能很好地解释上坡迁移型沉积物波。浊流形成的沉积物波迁移方向与浊流流动方向基本相同, 多沿斜坡向下。滑塌作用是否能形成大规模、外形特征规则、平行— 亚平行内部反射结构的沉积物波有待商榷。而内波作用可以形成大规模的上坡迁移型沉积物波。但是, 关于内波成因的上坡迁移沉积物波报道相对较少(Flood, 1978; Tucholke and Mountain, 1986; 高振中等, 1996; 张兴阳等, 1999, 2002; 李华等, 2007, 2010)。研究区的沉积物波与地中海西西里岛斜坡及切法鲁盆地的沉积物波具有类似的外形、迁移特征、地震反射结构及地质背景(高振中等, 1996), 其可能也为等深流与内波共同作用而形成的。但研究区内波及内波沉积研究工作开展很少, 关于沉积物波的成因还需进一步的研究及证实。

图9

Fig.9

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	图9 南海北部深层等深流沉积模式Fig.9 Depositional model of contourites in northern South China Sea

基于南海北部等深流沉积特征、类型、分布及形成过程研究, 建立了第四系深层等深流沉积综合模式(图9)。南海北部陆坡第四系等深流沉积主要为逆时针方向运动的深层等深流作用而成。在中上陆坡, 由于地形相对较陡, 坡度变化较大, 局部形成螺旋型等深流, 次生环流作用明显, 形成大规模的大型长条状漂积体; 其外形为丘状, 水道在靠陆一侧发育。同时, 受地形影响, 螺旋型等深流可能出现分支, 在地形凸起之间的相对低洼处形成限制型漂积体, 外形较为平坦, 水道在靠近隆起的两侧或一侧发育, 规模相对较小。而在地势相对开阔、平坦的下陆坡, 等深流表现为层状水流特征, 次生环流不明显, 进而形成席状漂积体, 水道不发育。