基于水下自主航行器（AUV）的神狐峽谷谷底塊體搬運沉積特征及其對深水峽谷物質輸運過程的指示

劉錚，陳端新，朱友生，張廣旭，董冬冬

1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司，深圳 518054

2.中國科學院海洋研究所海洋地質與環境重點實驗室，青島 266061

3.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋地質過程與環境功能實驗室，青島 266071

4.南方海洋科學與工程廣東省實驗室（廣州），廣州 511458

5.中國科學院海洋大科學研究中心，青島 266071

6.中海油田服務股份有限公司，天津 300459

7.青島海洋科學與技術國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室，青島 266061

海底峽谷通常發育在陸架陸坡區，是陸源物質向深海運移的重要通道[1]。海底峽谷既可發育于主動大陸邊緣，又可發育于被動大陸邊緣[2]。濁流通常被認為是峽谷內部物質輸運的主要營力，尤其對于那些與陸地河流連接的峽谷。Xu等監測到蒙特利峽谷最大的濁流速度可達2.60 m/s[3]；Paull等推算的濁流的前鋒可以達到7.2 m/s，并且濁流能夠以至少4 m/s的速度搬運 800 kg的物體[4]。2006年臺灣西南恒春地震引起了多處的滑坡和濁流，有序切斷了1 500～4 000 m 水深的 14 條電纜，其中 6 條在峽谷外，估算的流速為3.7～20 m/s[5]。同樣的事情發生在2009年，莫拉克臺風引起的高密度流/濁流有序切斷了多條海底通訊電纜，計算的最大速度達16.6 m/s[6]。

南海神狐峽谷群是垂直陸坡方向發育的多條近似平行的限制型海底峽谷（圖1a、b）。神狐峽谷群遠離陸地，更新世以來沉積速率較高（20～34.16 cm/ka）[7]，海底發育了總面積超過 1 000 km2的滑動、滑塌、碎屑流等塊體搬運沉積（MTDs, Mass Transport Deposits）[8-9]。與同處南海北部陸緣且有大量碎屑物質輸入的臺灣高屏海底峽谷相比，陸坡限定性峽谷內濁流發生的頻率相對較小[5]。

以往對深水區地層結構的探測主要依賴二維、三維（2D/3D）反射地震資料和淺地層剖面；前者探測深度幾千米，分辨率較低，在數米至數十米之間；后者探測深度較淺，幾十米到幾百米，容易受到能量吸收和復雜作業環境干擾，設備分辨率較高，但實際獲取的數據質量較差。即便是能量和探測精度更高的電火花震源，其分辨率也只有約2 m。這對于研究深水區海底沉積層的精細結構是不夠的。AUV探測是加載各種探測設備的自主水下航行器保持與海底幾十米的距離并按照設定的路由線路進行數據采集，具有很好的橫向和縱向的分辨率，例如中海油服3 000 m級AUV攜帶的EdgeTech2200-M淺剖儀的垂向分辨率可達6～10 cm[10-11]。國際上AUV探測已經越來越多地應用到深海沉積研究中[12-14]。國內也研發出多套AUV設備，但應用范圍有限[15]。

圖1 研究區位置a.神狐峽谷群的位置，b.神狐峽谷群海底地形圖，c.基于三維地震資料的研究區海底地形圖，d.基于AUV采集的多波束的研究區海底地形圖。Fig.1 Locations of the study area a.The location of the studied slope confined canyons, b.the bathymetric map of canyons, c.the bathymetric map of the studied canyon segment based on 3D seismic reflection data, d.the bathymetric map of the studied canyon segment based on multi-beam data acquired by AUV.

對于神狐峽谷群，以往的研究主要集中在滑坡廣泛發育的崎嶇的峽谷脊部，但對較為平坦的峽谷谷底研究較少。本文利用AUV獲取的地球物理資料刻畫神狐峽谷谷底沉積特征，對研究陸坡限定性峽谷的物質輸運過程具有重要意義。

1 地質概況

神狐峽谷群分布在珠江口外海陸坡區，具體位于珠江口盆地的白云凹陷。珠江口盆地所在的南海北部經歷古近紀的裂陷期和新近紀―第四紀的裂后期[16]。在約23.8 Ma的漸新世末期，受南海擴張中心南向躍遷的影響，陸架坡折帶從白云凹陷的南部退移到目前的位置[17]。神狐峽谷群開始于13.8 Ma的中中新世，經歷了4個期次的北東向遷移發育，峽谷覆蓋面積從Ⅰ期（13.8～12.5 Ma）、Ⅱ期（12.5～10.5 Ma）到Ⅲ期（10.5～5.5 Ma）逐漸增大，再到Ⅳ期（1.8 Ma～）縮小[18-19]。濁流、底流及兩者之間的相互作用被認為影響了峽谷的遷移發育[20-22]。

2 數據和方法

研究使用了三維地震數據和AUV資料進行對比分析。三維地震數據的時間采樣間隔2～4 ms，空間采樣間隔 6.25 m×12.5 m，上部 1 500 m 地層主頻約為40 Hz。三維地震數據中的海底反射時間經時深轉換生成水深圖（海水聲速取值 1 500 m/s）。AUV 資料使用 Echo Surveyor III（Kongsberg Hugin 1000 AUV）采集，主要加載了多波束、旁掃聲吶和淺地層剖面儀等設備。多波束為Kongsberg EM2000，聲脈沖頻率平均 2 Hz，掃描寬度為 240 m，水平分辨率可以達到0.6 m；旁掃聲吶用來反映地形變化和底質類型，采用Edgetech全譜旁掃聲吶，頻率105/410 kHz，聲脈沖頻率 3 Hz，脈沖長度 9 ms/2 ms，掃描范圍221 m/100 m；淺地層剖面儀為 Edgetech 全譜線性調頻剖面儀，頻率范圍2～16 kHz，實際工作頻率2～10 kHz，地層分辨率可達 3～4 cm，聲脈沖頻率3 Hz，記錄長度 143 ms。作業時 AUV 在距海底 35 m的水深處以3～4節的速度航行。2010年在水深1 302.21 m的塊體搬運沉積體上實施了重力柱狀取樣（GC-3），取樣長度3.6 m。基于AUV獲取的旁掃聲吶、淺地層剖面和多波束等高分辨率地球物理數據，對第14條峽谷進行了海底地貌和部分谷底的淺地層分析。

3 結果

3.1 峽谷地形地貌特征

神狐峽谷群水深 200～2 000 m，由 19 條近似平行的峽谷組成。峽谷起源于陸坡的上部，向深水逐漸加寬，最下端匯聚到珠江大峽谷。峽谷長3.6～36 km，寬 1～5 km，深 100～400 m。峽谷脊部地形崎嶇不平，溝壑陡崖普遍發育，峽谷谷底較為平坦（圖1）。基于三維反射地震可以在峽谷谷底觀測到巨大的陡崖和大型的溝槽，可以大體分辨邊界明顯的MTDs（圖1c）。基于AUV獲取的旁掃聲吶圖則更加清晰地展示了所選取峽谷谷底的精細地貌特征（圖1b，圖2a）。MTDs在谷底廣泛分布，總面積近 17 km2。MTDs在峽谷頭部的弧形斜坡和谷底都有分布，MTDs呈不規則的圓形展布，其表面起伏不平（圖2b）；在峽谷中下游MTDs沿著谷底狹長條帶狀分布（圖2c-e）。基于AUV的多波束數據（圖1d）和旁掃聲吶數據（圖2d），選取了峽谷下游水深1 280～1 360 m、距離峽谷出口 10～15 km 的 MTDs典型發育區進行了詳細分析。3個MTDs分別位于不同臺階上（圖3，圖4）。MTDs的上面發育了數量眾多的寬 3～10 m、長 20～700 m、深 5～20 cm 的沖蝕溝槽（圖3）。MTDs的厚度都在8.4 m及以下，這在常規2D/3D地震資料上是難以分辨的（圖4）。

3.2 MTD1

MTD1位于谷底的最西邊，是峽谷谷底主水道的位置，中間寬、上下兩端窄，在下部受到突出的水道堤岸的阻擋而改變方向且寬度變窄。MTD1的上部可以識別出狹長的渠道狀的物質輸運后的殘留物（圖3），而在MTD1鄰近的峽谷翼部沒有識別出明顯的滑坡體或滑坡遺跡。MTD1長5.00 km，頭尾兩端厚度小，中間厚度大，厚度最小1.30 m，最大8.40 m，面積 0.90 km2，體積約 4.37 km3（表1）。MTD1可以清晰識別出連續的底邊界反射指示底部剪切面，其反射強度低于海底反射但明顯高于其他正常地層反射。MTD1內部為振幅較弱的雜亂反射（圖5），僅在底部的局部位置有少量的長度有限的連續反射軸（圖5c）。沉積體上發育了大量平直的沖蝕溝槽，尤其在主水道上更為低洼的地方（圖3）。基于AUV的旁掃聲吶圖（淺色）指示整條峽谷谷底淺表層主要由軟的沉積物組成（圖2）；重力柱狀取樣結果證實MTD1沉積體由很軟的高可塑性的灰綠色粉砂組成，含非常少的砂（圖2f——g）。

圖2 峽谷的旁掃聲吶圖和巖心圖a.研究區所在峽谷的旁掃聲吶圖，b——e.局部放大的旁掃聲吶圖，f——g.MTD1上GC-3站位的部分重力柱狀巖心樣品。虛線多邊形指示MTDs的位置。Fig.2 The side-scan sonar map of the canyon floor and sections of the gravity core acquired from the canyon floor a.The side-scan sonar map of the studied canyon, b-e.amplified side-scan sonar maps of the study area, f-g.sediment samples from the gravity core GC-3 over MTD1 at 1.25 m and 3.25 m, respectively.The dashed polygons denote locations of MTDs on the canyon floor.

圖3 研究區3個典型MTDs的地形立體圖及穿過MTDs的地形變化曲線Fig.3 Stereo views of three MTDs and bathymetric curves crossing these MTDs

圖4 過同一峽谷位置的三維反射地震剖面和AUV淺地層剖面a.反射地震剖面，b.AUV淺地層剖面。Fig.4 The seismic profile exttracted from the 3D seismic data and sub-bottom profiles acquired by AUV crossing the same section of the canyon a.The seismic profile, b.The AUV based sub-bottom profile.

表1 峽谷谷底MTDs的幾何參數Table 1 Geometric parameters of MTDs on the canyon floor

3.3 MTD2

MTD2位于峽谷谷底中部的臺階上，平面上呈不規則梯形展布（圖1d，圖2d，圖3）。MTD2并非直接出露在海底，上部覆蓋了一層厚約0.6 m的沉積層。MTD2寬度變化不大，為260.0～350.0 m；長750.0 m；厚 0.90～3.20 m；面積較小，為 0.28 km2；體積約 0.58 km3（表1）。MTD2 沉積體上面也發育有沖蝕溝槽，此外在沉積體頭部發育了更多的沖溝。MTD2同樣可以識別出強反射的底邊界和弱的頂界面。底邊界并非平直光滑，而是出現了大量的凹槽，這些凹槽寬 5.0～20.0 m，高 0.375～0.75 m，其寬度明顯大于沉積體上面的沖蝕溝槽，推測是由塊體搬運沉積體在運動過程中侵蝕海底形成的侵蝕溝。不同于MTD1兩端較小的厚度，MTD2從頭部到尾部厚度逐漸減小（圖6）。

3.4 MTD3

MTD3位于谷底最東側的臺階上。頭部寬度小，中部和尾部寬度大。MTD3 長 2.0 km，寬 70～600 m，厚 1.2～3.0 m，面積 1.10 km2，體積約 2.31 km3。垂直于峽谷走向，沉積體呈楔形展布，整個沉積體分布在中間低兩側高的大型凹槽中（圖3，圖7a——b）。MTD3在大型凹槽東側寬度大于其西側寬度，且東側厚度逐漸變薄。沿著峽谷走向，沉積體厚度在中部最大，頭部稍小，尾部最薄。MTD3底部反射較為平滑，反射強度較強，但明顯小于MTD1和MTD2的底部反射強度。

圖5 過 MTD1 的 AUV 淺地層剖面圖a.上部橫剖面，b.中部橫剖面，c.下部橫剖面。Fig.5 AUV based sub-bottom profiles across MTD1 a.The upper profile perpendicular to the strike, b.the middle profile perpendicular to the strike, c.the lower profile perpendicular to the strike.

圖6 過 MTD2 的 AUV 淺地層剖面圖a.橫剖面，b.縱剖面。Fig.6 AUV based sub-bottom profiles across MTD2 a.The profile perpendicular to the strike, b.the profile parallel to the strike.

圖7 過 MTD3 的 AUV 淺地層剖面圖a.上部橫剖面，b.下部橫剖面，c.縱剖面。Fig.7 AUV based sub-bottom profiles across MTD3 a.The upper profile perpendicular to the strike, b.the lower profile perpendicular to the strike, c.the profile parallel to the strike.

4 討論

4.1 峽谷谷底MTDs的形成

通過對MTDs埋深的分析，推斷MTDs形成的時間距今不遠，因為在MTD1和MTD3上面沒有識別出正常沉積的地層。MTD2的上部發育厚約0.60 m的沉積地層（圖6），明顯晚于MTD1和MTD2。

基于AUV的地球物理資料對MTDs特征的分析結果，我們推測峽谷中下游大多數MTDs并不是直接從鄰近的峽谷脊部上搬運下來，而是從上游通過滑塌-碎屑流的形式運移下來。首先，除了峽谷頭部弧形斜坡分布有大量不規則圓形展布的MTDs，峽谷中下游的MTDs大都沿峽谷走向狹長展布，并不是垂直峽谷走向展布（圖2）。雖然脊部沉積物滑移后可以繼續通過谷底向下繼續運移，但在谷底兩側靠近坡腳的位置并沒有發現較厚塊體搬運沉積體的存在，在鄰近的脊部也沒有發現物質滑移的證據，相反，我們在MTD1上部發現了明顯的物質輸運后的殘留遺跡（圖5a）。MTD2具有較小的長寬比以及逐漸減小的厚度，說明該沉積體搬運的距離并不遠（表1，圖6），推測其是從鄰近的谷底陡坡上搬運下來。MTD3 沉積體在大型凹槽東側寬度要大于西側，且東側的沉積厚度向東逐漸變薄，說明MTD3不是直接來源于峽谷東側的脊部，這表明峽谷上游比中下游發生滑坡的概率更大。三維反射地震資料的解釋也表明MTDs在峽谷上游的數量更多，分布面積更廣（圖2a）[8-9]。雖然三維反射地震資料也顯示峽谷中下游的脊部有大量MTDs，但這些MTDs厚度較大，在幾十米以上，很多MTDs的內部地層變形不嚴重，反映了塊體滑移或程度較弱的滑塌，但不能反映當前較小時間尺度內峽谷谷底的沉積過程。相比較而言，基于AUV的高分辨地球物理資料更真實反映了峽谷內部的沉積特征和過程，即當前或較短時間內峽谷谷底分布著大量小規模的沿峽谷走向呈狹長展布的MTDs。

研究區聲學剖面上的塊體搬運沉積體可能是一次塊體流沉積的結果，也可能是多次塊體流沉積的結果，但塊體流間隔的時間較短，沒有形成聲學可識別的正常沉積地層。MTD1所處的谷底主水道位置更容易匯聚長距離搬運下來的碎屑流沉積。

4.2 峽谷谷底的物質輸運

神狐峽谷群距離陸地近250 km，河流高懸浮物注入引起的濁流對峽谷影響很小，在MTD1上GC-3站位細粒粉砂沉積物也指示缺少陸源粗粒沉積物的輸入。前人的研究表明峽谷坡度較陡的脊部發育了大量的MTDs，形成了起伏不平的地貌[23]，谷底地形相對比較平坦。通過以上對AUV獲取的高分辨率地形和淺部地層資料的解析，我們認識到峽谷谷底并不像它的地表那么簡單，而是在平坦的地表下發育了MTDs。這些MTDs的面積和厚度遠沒有峽谷脊部的大，但在峽谷谷底大量分布。峽谷中下游谷底的大多數MTDs并不是直接來源于峽谷脊部，而是來自MTDs的上部。這指示了峽谷谷底的物質輸送的一種重要途徑可能是通過不斷重復的發生塊體搬運沉積的形式進行的。滑坡并引起濁流被認為是陸坡限定性峽谷物質輸運的主要營力，這種情況下濁流的產生通常是伴隨著滑塌-碎屑流的產生而產生。在高海平面的情況下，以紊流為支撐力的濁流會侵蝕并攜帶部分沉積物流向下坡方向輸運，但很難將垂直峽谷走向的MTDs完全改造成沿峽谷走向展布而不留下痕跡，除非發生大規模的滑坡事件。但高分辨率AUV資料表明目前的峽谷中下游的谷底只是分布著大量的小規模MTDs，而不是大量的濁流沉積體。據此，我們認為AUV可辨識的較小的時間尺度范圍內，在特定沉積環境下（比如高海平面時期），神狐峽谷內物質輸運的主要營力不只是濁流，還應該考慮峽谷谷底不斷重復進行的塊體搬運沉積過程。AUV資料和三維反射地震資料的解釋結果并不沖突，只是存在空間尺度和時間尺度的不同。新形成的MTDs的表面通常會有沉積物堆積造成的凹凸不平，但谷底MTDs的表面只發育了大量小型沖蝕溝槽，這很可能是峽谷內部的較強的水動力對MTDs表面進行了改造。前人研究表明，神狐峽谷內部具有復雜的海洋水動力環境，其中內潮普遍發育且能量最大，峽谷內部發育的內潮最大流速可達50 cm/s，沿著峽谷軸向往復運動[24]。MTDs沉積體上面的沖溝是由潮流、余流還是其他類型的水體運動造成的還不明確。

5 結論

（1）基于AUV的高分辨率多波束，旁掃聲吶和淺地層剖面數據對峽谷整體和局部的MTDs進行了精細刻畫，在峽谷谷底識別了常規地球物理資料不能辨識或不能清晰辨識的大量MTDs的分布。峽谷上游弧形斜坡和谷底分布著大量不規則圓形展布的MTDs，峽谷中下游的MTDs多在谷底呈狹長展布。

（2）對MTDs典型發育區的研究表明，MTDs沉積體的厚度在8.4 m及以下，沉積體內部為反射強度較弱的雜亂反射，推斷為經過一定搬運距離而充分混合的碎屑流。

（3）通過分析MTDs沉積體的形態、沉積厚度變化并結合谷底兩側峽谷脊部的地層反射特征，認為谷底分布的MTDs主要來源于其上部，而不是鄰近的峽谷脊部。在特定沉積環境和較小時間尺度范圍內，除了濁流外，從峽谷上游到下游的塊體搬運沉積過程的重復發生很可能是峽谷物質輸運的另一種重要形式。