东海陆架与台湾海峡地层中混合事件层的发现与意义

单 新，石学法*，金丽娜，乔淑卿，刘升发，党 院

（1. 自然资源部 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；
2. 自然资源部 海洋地质与成矿作用重点实验室，山东 青岛 266061；
3. 崂山实验室 海洋地质过程与环境功能实验室，山东 青岛 266235）

沉积物重力流是全球大体积碎屑沉积物远距离搬运的最重要方式（Talling et al, 2007; 徐景平,2014）。水下沉积物重力流将巨量沉积物、有机碳甚至微塑料、垃圾搬运至深海，影响全球地球化学循环（Kane et al, 2019）。一次大型水下沉积物重力流可携带超过100 km3的沉积物，超过全球河流一年入海沉积物总量（Talling et al, 2007）。远距离搬运的巨量碎屑沉积物可在深海堆积形成海底扇，易成为重要油气储层（庞雄等, 2005; 朱伟林等, 2012）。另外，水下沉积物重力流频发，可危害深水油气平台、油气管线、海底通信电缆等海底设施（Pope et al, 2017）。可见，海底沉积物重力流搬运过程不仅是海洋地质学和沉积学的基础科学问题，更与人类的日常生活密切相关。

传统研究认为，海底垮塌形成的滑动、滑塌在搬运过程中吸纳海水，导致流体中悬浮沉积物浓度降低，由层流向紊流转化，即由滑动、滑塌、碎屑流向浊流转化（Haughton et al, 2003; Haughton et al, 2009）。然而，许多沉积物重力流沉积的平面分布并非按此规律有序排布（图1）。学者们通过大量露头、岩芯和地震剖面的研究发现深海平原、大陆坡底部和深水扇的边缘也广泛发育碎屑流沉积，这与深海沉积环境以浊流沉积为主的传统观点不同（Kane et al, 2012）。深海沉积中的碎屑流沉积常常夹在两层浊流沉积之中，组成一个事件层，不符合“鲍马序列”或碎屑流沉积序列（图1）。由于浊流沉积和碎屑流沉积存在同一事件层中，表明浊流与碎屑流的形成与演化具有成因上的联系，因此，这种沉积被称为混合事件层或混合重力流沉积（Kane et al, 2012）。混合事件层的发现标志了一种新的沉积物顺坡搬运方式，是21世纪初沉积学理论的一次重要突破。学者们认为混合事件层的成因包括（Talling et al, 2004; Pierce et al, 2018）：①浊流通过侵蚀泥质底板导致流体的雷诺数升高，驱使流体由紊流向过渡流体类型甚至层流（碎屑流）转化；
②过渡流体类型的重力流通过大颗粒沉降形成混合事件层；
③垮塌或者碎屑流局部转化为浊流，浊流的速度快，先沉积下来，碎屑流的速度慢，在浊流沉积之上叠覆，形成混合事件层。

图1 深水扇中流体由近端浊流向远端碎屑流转化形成大量混合事件层沉积过程示意图Fig. 1 The generation of hybrid event beds by flow transformation from proximal to distal of submarine fan system

Haughton等（2009）总结多类混合事件层，提出了混合事件层的经典“5段式”正韵律沉积序列（图2），从底到顶分别是: 无沉积构造的块状砂（H1, 高密度浊流沉积）、带状砂（H2, 过渡流体类型的沉积）、与H1段具有成因联系的碎屑流沉积（H3）、平行层理或者流水砂纹砂/粉砂（H4, 低密度浊流沉积）和悬浮沉降泥（H5）。

图2 混合事件层的5段式序列Fig. 2 Five divisions of a typical hybrid event bed

混合事件层主要发现于深湖相和深海相地层（谈明轩等, 2016; 操应长等, 2017），如我国灵山岛白垩系深湖相沉积等（Yang et al, 2018）。滨浅海相沉积中常见异重流、垮塌和风暴激发的重力流的沉积记录，理应发生重力流流体转化并有可能形成混合事件层，但是目前并没有见到相关报道。本文以东海中部陆架和台湾海峡内三角洲沉积中发现的混合事件层为例，介绍滨浅海相沉积中混合事件层的沉积特征，分析沉积过程，阐述浅海相地层中混合事件层发现的意义。

东海陆架是世界上最宽广、平坦的陆架之一，宽度约600 km，平均坡度约0.02°～0.03°，平均水深72 m（图3）。该陆架受到长江和黄河两条世界级大河的供给。东海陆架沉积物的研究多与季风演化、物源历史等相关，相对地忽视了重力流沉积及其形成过程的研究。台湾海峡位于台湾岛和大陆之间，连通东海与南海。台湾海峡宽130～420 km，平均水深约60 m，北部至中部地形平坦，平均坡度为0.03°（图3）。台湾海峡中部至东部的沉积物主要来自台湾河流（Liu et al, 2008），海峡西部的沉积物主要来自我国东南沿岸河流与长江。东海陆架与台湾海峡最主要的海流包括浙闽沿岸流、台湾暖流和黑潮（图3）。

图3 东海陆架附近海域地形和主要流系分布及钻孔位置Fig. 3 The topography, main current systems and drilling cores in the East China Sea shelf and adjacents regions

中石化海洋石油工程有限公司上海物探分公司在2009年10月和2013年10月利用“勘407”船在东海中部陆架水深78 m处（125°45′E, 31°54′N ）钻取DH01孔（孔长100 m）、在台湾海峡中部水深75 m处（119°48′E, 25°00′N）钻取MZ04孔（孔长30 m）。钻孔的取芯方式导致在回收过程中废弃了近海底0.5～1.5 m的岩芯。在航次期间，随船工程师将钻孔封好并打蜡。随后岩芯样品被运往位于青岛的中国大洋样品馆并在4 ℃库中保存。岩芯打开后用鱼线拆分为两半：一半用于照相和描述沉积物的结构、构造；
另一半用于取样，粒度取样间隔为10 cm。基于研究目的，本文关注DH01孔岩芯上部4.9 m和MZ04孔岩芯上部5.1 m。

粒度测试：先利用0.5 mol/L的盐酸去除碳酸盐岩，然后利用10% H2O2去除有机质。前处理后的样品在Malvern Mastersizer 3000激光粒度仪进行测试，重复3次。粒度测试的一个重要目的是明确各个岩相的黏质泥含量。黏质泥的定义为＜30 μm的碎屑颗粒。由于黏质泥在重力流中能够有效抑制紊流，因此其含量是重力流流体类型的重要参考依据。

本研究根据突变界面识别将DH01钻孔上部4.9 m的沉积物重力流沉积划分为4个沉积单元（图4），采用Haughton等（2009）提出的混合事件层的分段划分方案，使用H1～H5来描述事件层内部的不同段。

图4 东海中部陆架混合事件层的沉积特征Fig. 4 Sedimentary characteristics of hybrid event beds from the middle East China Sea Shelf

3.1 东海中部陆架混合事件层特征

3.1.1 岩相类型

东海中部陆架的混合事件层中共识别出块状砂、混乱泥和均质泥三种岩相类型（表1）。①块状砂底部为侵蚀界面，砂中未见沉积构造，泥质含量较高（黏质泥含量为17%～33%），同时含有大量泥砾和贝壳碎片，未见任何陆源植物茎干碎片。可能由于在流体搬运过程中细粒物质含量较高，抑制了紊流的发生，因此并未形成交错层理等沉积构造。泥砾顺层排布表明块状砂并非同时沉积下来，而是一层一层沉积而成，因而推测为浊流沉积。②混乱泥中漂浮着大量的砂球、砂屑、砂带等，分选极差，为2.0～2.9。由于泥质含量高、缺乏分选作用，这些砂球、砂带等分布混乱无定向排列，因此推测沉积过程为流体同时沉积下来，属于碎屑流沉积。③均质泥中未见任何沉积构造和生物扰动，厚度通常大于5 cm。均质泥的分选是这3种岩相中最好的，为1.2～1.7。由于泥中未见任何沉积构造说明悬浮沉积物浓度高抑制紊流，缺乏生物扰动同样说明了高悬浮沉积物浓度抑制底栖生物活动，考虑到均质泥层的厚度大于5 cm，推测其成因为浮泥，可能由浓度大于10 g/L的泥质流体形成（Talling et al, 2012; Ichaso et al, 2009）。

表1 东海中部陆架混合事件层不同岩相的粒度特征Table 1 Grain size characteristics of lithofacies of hybrid event beds from the middle East China Sea Shelf

3.1.2 混合事件层类型

东海中部陆架发现的每个混合事件层包含块状砂、混乱泥、块状泥中的2～3个岩相（段），本文将这些混合事件层划分为2种类型（图5）：第一种从底至顶分别为块状砂、混乱泥和块状泥，如单元1、单元3和单元4；
第二种从底向上为混乱泥和块状泥，如单元2。

图5 东海中部陆架2类混合事件层与成因Fig. 5 Origin of hybrid event beds from the middle East China Sea Shelf

3.2 东海陆架混合事件层成因探讨

据笔者已发表的放射性碳定年与有机质碳同位素（δ13C）数据可知，这些重力流沉积的沉积年龄为1930—3890 a BP，因此推测这些混合事件层沉积时的海平面与现今大体一致（Ichaso et al, 2009），因而本文并未考虑海平面变化对重力流形成、演化的影响。

1）第一种事件层由块状砂、混乱泥和块状泥组成。由上述论述可知，块状砂代表高密度浊流沉积，块状砂之上叠置了混乱泥（碎屑流），表明同一事件层内同时存在浊流和碎屑流两种流体类型，因此该种事件层属于混合事件层沉积。块状砂内发现大量泥砾，说明浊流通过侵蚀作用增加了流体内的泥质含量，这些泥砾可能在流体搬运过程中被打碎，增加流体内的悬浮沉积物浓度，促使流体发生转化。碎屑流沉积在浊流沉积之上表明浊流先沉积下来。块状泥（浮泥）在混乱泥之上，表明在搬运过程中碎屑流上部可能与海水混合形成了浮泥，或者浊流与碎屑流的混合重力流流体的尾部存在浮泥流体。

2）第二种事件层由混乱泥和块状泥组成。混乱泥中可以见到直径超过岩芯直径的“漂砾”（图4中的单元2），表明了短距离搬运，也指示了这些重力流很可能来源于近源陆架内垮塌。混乱泥的底部没有见到块状砂可能表明形成混乱泥的悬浮沉积物浓度极高，抑制大颗粒沉降，亦或是碎屑流形成了浊流，但这些浊流继续向下游搬运，没有在近端（钻孔位置）沉积下来。

这些重力流沉积的δ13C约为−21.9‰（Shan et al, 2019），与济州岛西南泥质区表层样和长江三角洲前缘的δ13C一致，这表明重力流沉积中的有机质可能来自于这2个区域。由于三角洲前缘与该泥质区之间的碳同位素数值为−20.1‰～−20.9‰（Kao et al, 2003; Xing et al, 2011），这比东海中部陆架的混合事件层碳同位素平均值−21.9‰高许多。由于这些混合事件层一定来源于上坡位置，如果这些重力流来自于长江三角洲前缘，则一定会经过前缘与泥质区之间的宽阔区域，并或多或少携带这一区域的有机质。本文所测的约50个样品的碳同位素数值最高为−21.51‰（Shan et al, 2019），没有任何前缘与泥质区之间有机质的信号（−20.9‰～−20.1‰），表明了这些事件层中的有机质很可能来源于近源垮塌，这也与岩芯的解释一致（图5）。

为明确MZ04钻孔中事件层的物质来源，本文研究了该区已发表的地震剖面，发现反射同相轴位于台湾中部泥质丘形沉积体之下，同时位于末次盛冰期形成的下切谷之上，表明了该套地层发育时间为末次盛冰期之后、台湾中部泥质丘形沉积体形成之前（图6）。本文根据突变界面识别将MZ04钻孔上部3.2～5.2 m沉积划分为事件层1和事件层2共两个事件层（图7）。

图6 MZ04钻孔附近地震剖面和物源示意图Fig. 6 Seismic profiles near the MZ04 core and sediment provenance

图7 台湾海峡内三角洲混合事件层沉积特征Fig. 7 Sedimentary characteristics of hybrid event beds from deltas of the Taiwan Strait

4.1 台湾海峡内三角洲混合事件层特征

台湾海峡内三角洲沉积中发现的事件层的岩相类型与东海中部陆架的岩相类型有所区别。台湾海峡混合事件层中共识别出纯净块状砂（H1）、混乱泥质砂（H3a）和混乱泥（H3b）三种岩相类型。这些事件层都包含2～3个段，每个段指示的流体类型不同，单一事件层内既包括浊流沉积（H1），也包括碎屑流沉积（H3），为混合事件层（图7和表2）。

表2 台湾海峡混合事件层不同岩相的粒序特征Table 2 Grain size characteristics of lithofacies of hybrid event beds from the Taiwan Strait

纯净块状砂描述：单元3和单元4最底部的H1段为薄层（5～20 cm）、浅黄灰色、中等分选、无构造的纯净砂，底界面为突变界面，黏质泥平均质量分数为7.6%。该段可见大块的陆源炭化植物碎片（直径约4 cm）（图7）。

纯净块状砂解释：室内水槽实验结果和野外露头的研究均表明，厚层碎屑流沉积之下的薄层（＜20 cm）纯净砂层段（H1）很可能来自于碎屑流中砂粒级组分的垂直分离和沉降（Marr et al, 2001;Sumner et al, 2009）。由于在H1段有大量陆源植物茎干碎片，表明这些沉积物重力流很可能直接来源于异重流。异重流与大颗粒沉降的机制可以同时发生，并不冲突。

混乱泥描述：台湾海峡事件层中的混乱泥段可以进一步划分为混乱泥质砂（H3a）和混乱泥（H3b）两个亚段，这与东海中部陆架的混乱泥不同。H3a段和H3b段均含大量“漂砾”并以混杂结构和较差分选为特征，H3a段比H3b段的泥质含量低，这两段黏质泥含量分别为35%和50%（表2）。

混乱泥解释：根据Hussain等（2020）提出的模式，H3b段中粗粒组分的向下沉降以及黏质泥和细颗粒的向上运移产生了碎屑流垂向分层的结果。

4.2 台湾海峡混合事件层成因探讨

H1、H3a和H3b的有机碳同位素平均约为−22‰（Jin et al, 2021），这表明这些有机碳很大一部分来自于海源。块状砂（H1段）中见到的大量陆源碳屑指示了河流直接输入，结合台湾海峡两岸独特区域地质背景，笔者猜测在台湾海峡发现事件层中的有机质既来自于异重流直接输入，也来自于沿路侵蚀。当异重流（浊流）侵蚀泥质底质时增加了流体中的悬浮沉积物浓度，使流体类型向层流转化，这时过渡类型的流体或碎屑流也可能发生大颗粒沉降。因此，纯净砂的成因可能既包括碎屑流大颗粒沉降，也包括异重流（高密度浊流）直接沉积（图8）。

图8 台湾海峡内三角洲混合事件层的成因Fig. 8 Origin of hybrid event beds from deltas of the Taiwan Strait

混合重力流形成的混合事件层是深水扇边缘和深海平原沉积序列中的重要识别标志。前已述及，深水混合事件层通常包括5段（图1），从底向上分别为块状砂、带状砂、混乱泥、纹层砂/粉砂和块状泥。本次发现的浅水混合重力流沉积具有以下特殊特征：①碎屑流段较厚，而块状砂段相对较薄；
②碎屑流段之上没有见到纹层粉砂段（H4）；
③碎屑流段可能出现分层现象。浅海混合事件层内厚层碎屑流段的成因可能为混合重力流的流体黏度和流体厚度较大、吸纳周围海水的能力有限、未能在碎屑流之上和尾部通过吸纳海水形成浊流。这些原因致使在混乱泥之上未发现纹层砂（H4）。

前人很少提及碎屑流段分层的现象，本文发现的浅海混合事件层中碎屑流段分层是一个新的沉积现象。碎屑流分层总是以砂质碎屑流沉积在下、泥质碎屑流沉积在上的形式出现。由于碎屑流与浊流的沉积样式不同：碎屑流往往同时沉积下来，而并非像浊流一样一小层一小层堆积而成。因此，碎屑流分段的成因可能为：①碎屑流本身就垂向分层，砂质碎屑流在下，泥质碎屑流在上，由于坡度减缓，导致碎屑流同时堆积下来（图8）；
②碎屑流可能纵向分异，砂质碎屑流在前，泥质碎屑流在后，砂质碎屑流先沉积下来，泥质碎屑流在砂质碎屑流之上再沉积（图8）。砂质碎屑流在前的原因可能是其泥质含量相对泥质碎屑流低，具有更好的流动性和更快的流体速度。

本文对东海中部陆架和台湾海峡的事件层开展了沉积学研究，在全新世陆架/三角洲地层中发现了混合事件层沉积，每个混合事件层可以由块状砂（H1，浊流沉积）、混乱泥（H3，碎屑流沉积）和块状泥（H5，浮泥）组成。本文发现了浅海混合事件层内碎屑流段（H3）分层的新现象，即碎屑流段可以细分为砂质碎屑流亚段和泥质碎屑流亚段，阐述了其成因可能为碎屑流垂向分层或纵向分异，该认识丰富了混合事件层的类型与沉积过程。

本次混合事件层的发现突破了混合事件层仅出现在深海沉积中的传统认识，明确了浊流与碎屑流之间的过渡流体类型是浅海区域重要的一种沉积物搬运方式，揭示了陆架/三角洲混合事件层的触发机制可能为陆架内垮塌或异重流。

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