瓊東南盆地陵水凹陷海底周期階坎底形的特征及成因

程琳燕，李磊，高毅凡，張威，龔廣傳，楊志鵬，王潘,3

1. 西安石油大學地球科學與工程學院，西安 710065

2. 陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，西安 710065

3. 中國石油東方地球物理公司研究院地質研究中心，涿州 072750

周期階坎是海底陸坡常見的地貌單元，以連續的波狀底形為特征，是深水沉積體系的重要場所，是現今海洋學研究的熱點。周期階坎一般發育環境分為海底和陸上兩類，其中在海底陸坡和坡折位置處向上游遷移的長波狀底形最為常見。國外學者Paker 和他的助手首先在明渠模擬實驗中觀察到一系列向上游遷移的臺階狀底形，并正式提出“周期階坎（cyclic steps）”一詞[1]。國內鐘廣法等[2-3]最早發現并報道了南海東北部陸坡區海底峽谷谷底、越岸區和出口部位存在大量超臨界流成因的大型沉積物波，將其解釋為“周期階坎”。大多學者對海底周期階坎進行了研究[2-5]，但對于瓊東南地區現今海底周期階坎的研究頗少。在瓊東南地區，以往學者更加關注于海底峽谷的研究，并發現在海底峽谷或水道中常伴生一種類似臺階狀的底形，且都有規律地朝一個方向運動，最初認為這種底形為海底沉積物波[6]。然而關于瓊東南陵水凹陷現今海底是否為周期階坎還有待考究，研究區域內階坎底形和其形成機制有助于理解海底流體活動，并為其他區域海底地貌單元識別提供參考。

本文基于瓊東南盆地陵水凹陷淺層285 km2三維地震數據，對周期階坎的構型和形成原因進行了分析。南海陸坡周期階坎研究對加深海底地貌單元以及重力流沉積發育控制因素具有重要的意義。

1 地質概況

瓊東南盆地位于南海北部大陸邊緣，地質構造復雜多變，屬于陸架較窄和陸坡較陡的非典型被動大陸邊緣性盆地[7]。物源主要來自越南和海南島的雙物源供給，發育滑塌體、峽谷和海底扇等沉積體系[7-8]。陸坡自西北向東南坡度整體逐漸變緩，陸坡海底發育大量的水道和大規模的重力流沉積[9]。

瓊東南盆地陸坡區自西向東按照陸坡的寬度、有無明顯的坡折帶和陸坡傾角大小，分為盆地西部、盆地中部和盆地東部。陵水凹陷研究區位于瓊東南盆地中部、水深700～1500 m 的上陸坡區，坡度大約為2°～16°（圖1a）。

2 數據和方法

本研究所使用的數據主要源于中國海洋石油有限公司從瓊東南盆地獲得并擁有的約300 km2的三維地震數據。研究區三維地震數據面元大小為12.5 m×12.5 m（Inline×Crossline），采樣率為2 ms，頻帶寬度為6～90 Hz，主頻約45 Hz，最大垂向分辨率（λ/4）約15 m。

利用GeoFrame 軟件對研究區現今海底淺層目的層同相軸進行解釋，解釋的網格精度為10×10（CDP），并將解釋的層位進行時深轉換，提取地震屬性傾角、方位角和均方根（圖2a 為傾角屬性平面圖）等。利用解釋的三維地震層位數據結合Surfer軟件繪制了現今海底地形圖（圖1b）。研究區海底地形圖揭示現今海底發育階梯狀地貌，陸坡上存在多條小水道和一條清晰的大型水道（由兩支小水道復合而成即水道復合體），水道壁附近臺階形態雜亂（圖1b））。

圖1 瓊東南盆地位置圖（a）及研究區海底地形圖（b）L1 測線號6053，研究區最西側；L2、L3 測線號分別為6353、6653，依次靠近水道左側區域；L4 測線號6953，左側水道壁附近；L5 測線號7253，水道內部；L6 測線號7553，右側水道壁附近；L7 和L8 測線號分別為7854、8147，研究區最東側。Fig.1 The location map（a）and the 3D topographic map of the study area（b）L1 inline 6053, on the westernmost side of the study area; L2, L3 inline 6353 and 6653, respectively, close to the left side of the channel;L4 inline 6953, near the left side of the channel wall; L5 inline 7253, channel Inside; L6 inline 7553, on the right side of the channel wall;L7 and L8 inline are 7854 and 8147 respectively, the easternmost side of the study area.

3 周期階坎底形的識別及特征描述

周期階坎的識別依據主要基于三點：① 周期階坎經常發育在高坡度和坡折帶區域[10-16]；② 當坡度超過0.6°時，濁流可能達到超臨界流狀態[16-18]；③ 周期階坎發育的波長較長，多為鏈狀，不對稱，向上游遷移，形態似臺階狀[16-17,19]。研究區發育的底形所處位置、坡度以及形態特征與形成“周期階坎”的條件吻合。

NW-SE 向剖面上周期階坎（圖2b）表現為波狀亞平行結構地震相，多組同相軸互相平行并呈波浪狀起伏，波形起伏較小，不對稱，波脊逆坡遷移。波狀底形是由波脊和波谷相間構成，似階梯狀，高度為6～10 m。周期階坎類型為長波形、不對稱、似正弦曲線多數向上游遷移，部分向下游遷移的新月形。

由于海水與地層之間的密度差，上下地層的振幅反射特征發生了明顯變化，波阻抗系數增大，因此地震同相軸連續性較好，利于研究周期階坎的具體形態特征。選取8 條測線（圖1b 中L1—L8）計算和分析每一測線上周期階坎的幾何構型（圖2c）。使用幾何構型參數（波長（L）、傾角（θ）、波高（H）、迎流面長度（Lstep）、背流面長度（Llee）、迎流面夾角（α）、背流面夾角（β）以及迎流面與背流面長度的比值（R）），刻畫海底階梯形態。

圖2 瓊東南盆地現今海底階梯地形分析圖a. 傾角屬性平面圖（紅色線是地震剖面所在位置圖），b. 典型地震剖面圖，c. 階梯幾何構型圖。Fig.2 Present submarine cyclic step topography of the Qiongdongnan Basina. dip_ attribute map, b. typical seismic profile, c. stepped geometric configuration diagram.

數據統計結果表明：單個周期階坎波高4～10 m，波長20～150 m，傾角2°～14°，波長/波高為4～30。研究區自西向東（自L1到L8）階坎波長隨著坡度變緩依次增加（圖3），即區域內周期階坎之間的間距不等。研究區水道內部的階坎波長（L5）較水道外部波長變化曲線趨勢更加明顯。水道壁附近（L4、L6）波長隨深度變化數據有跳躍變化。單個周期階坎的迎流面與背流面隨深度變化：① 長度：迎流面長20～140 m，背流面長10～40 m。迎流面長度波動范圍更廣，背流面長度變化則更加集中（圖4）；②角度：迎流面角度0.1°～0.15°，背流面角度0.2°～0.8°。整個曲線趨勢總體是背流面角度遠大于迎流面，極少數迎流面角度大于背流面角度。隨深度變化整個8 條測線上的周期階坎：① 迎流面和背流面長度均逐漸增加，但迎流面長度增長趨勢遠大于背流面；② 迎流面角度變化集中，背流面角度波動范圍更廣。

圖3 波長隨深度變化曲線圖（測線位置見圖1b）Fig.3 The relation between wavelength and depth

圖4 迎流面、背流面長度隨深度變化曲線圖測線位置與圖1b 中L1—L8 測線位置一致。Fig.4 The relation of the length of stoss and lee sides with depthThe position of survey line is consistent with the position of survey line L1-L8 in Fig. 1b.

4 討論

瓊東南盆地陵水凹陷現今海底開放陸坡上分布成片大面積的周期階坎底形是如何形成的？有哪些有利條件導致了這些底形的形成？針對這些問題，在前人的研究基礎之上綜合研究區所處地質環境對形成區域周期階坎底形的形成過程和成因機制進行了詳細的探究。陵水凹陷現今海底發育的周期階坎底形分布范圍廣、數量多、類型多而集中。

4.1 周期階坎形成過程

周期階坎的形成與流體動力學有關。區域內發育的周期階坎底形是由于濁流攜帶的陸源碎屑物質通過海底峽谷或水道重力流流體通道從陸架途徑陸坡向下游搬運，在搬運途中隨流體動力學參數弗勞德數（Fr=U/√RCgD，其中，R：濁流中沉積物折算密度，C：濁流中平均體積濃度，D：濁流的厚度）變化而形成的一種階梯狀底形[20]。研究區成片大面積分布的周期階坎底形足夠說明水流攜帶的泥沙等碎屑物質能量強。靠近上陸坡區，濁流能量強，單位時間內形成的周期階坎底形數目多，在立體圖上顯示出它們之間排列更加緊湊（圖1b）。靠近下陸坡區，坡度減小，水動力減弱，沉積物沉積厚度變薄，單位時間形成的周期階坎數目減小，故形成的周期階坎底形在下陸坡間距增大（圖1b）。單獨一條測線上形成的周期階坎形態類同，但大小不同。一個完整的周期階坎形成，需要兩種水流流態：① 水流攜帶的泥沙等碎屑物質從階梯底部向頂部運動過程中，由于水流流速不斷地減小，流體從上一個階段的超高速超臨界流結束不斷地向亞臨界流轉化，一部分水流動能被紊流消散，剩余的動能轉化為位能，會導致液面升高，即水流產生的慣性小于流體自身的重力，形成亞臨界流，此時Fr＜1[4,21]。② 當Fr＞1 時，水流向下游流動的慣性大于向上游傳播的波速，產生超臨界流，此時不可能有向上游移動的波[22]，從而形成長波長的迎流面。理想狀態下，流體從第一個階坎底部向頂部水力跳躍完成第一個周期階坎，接下來將剩余的能量用來完成第二個周期階坎，依次類推，直到水躍能量消失，底形將不存在。周期階坎的形成是濁流從超臨界流到亞臨界流過程中水力躍變形成的底形。

周期階坎由一系列連續的陡峭背流面和平緩迎流面組成，并且經常在背流面與迎流面轉換區域形成沖溝或深坑[20]。依據侵蝕作用的強弱，分為三種類型：① 沉積型周期階坎。水流中攜帶的沉積物很難被帶走從而在迎流面卸載，當超臨界流流經每個階梯底部時，向亞臨界流轉化并產生水躍。水流繼續沿著迎流面上傾方向流動，流速逐漸減緩，水流能態進一步降低，水流侵蝕作用被削弱因而以沉積作用為主[18,23]。② 過渡型周期階坎。水流能態不足以達到超臨界流形成水躍，沉積作用與侵蝕作用相當。③ 侵蝕型周期階坎。當水流經過階梯頂點后位能最大，位能沿背流面下傾方向不斷加速轉化為動能，即水流流速逐漸增大使得濁流攜帶的碎屑物質很難被保留下來，其水流流態從亞臨界流向超臨界流轉化，因此以侵蝕作用為主，從而形成的階坎底形背流面陡峭[24]。長波狀周期階坎的形成，迎流面以沉積作用為主，背流面以侵蝕作用為主。

研究區周期階坎迎流面長度主要大于背流面長度，在規模上屬于中型沉積型周期階坎。隨深度的增加，沉積物在平緩的一側不斷加積，使得周期階坎迎流面一側長度不斷變長。周期階坎平緩的迎流面和陡峭的背流面，使得沉積物發生了沉積/侵蝕差異作用，最終沉積波向濁流上游方向遷移逐漸形成月牙狀[4,23,25-26]。另外，迎流面長度與背流面長度比值大于數值1，即周期階坎底形呈不對稱性。周期階坎迎流面主要是以亞臨界流沿上傾方向加速沉積形成的平緩狀斜坡，而背流面是超臨界流沿下傾方向水躍侵蝕作用形成的陡峭坡[18,23]，說明迎流面沉積粒度比背流面粗。周期階坎呈現的有規律的向下游排列的線性構造底形指示沉積物向下游搬運，其沉積波上游方向粒度最粗，向下游方向粒度逐漸變細。

4.2 周期階坎的成因機制

近年來，眾多學者研究認為周期階坎在海底廣泛 存 在[4,16,18]。Cattane 等[20]研 究 認 為 周 期 階 坎 的 形成可能是濁流與原先存在的不規則地形之間相互作用，但Kubo 等質疑Cattane 等只是簡單地夸大了地形對形成周期階坎的影響，并沒有考慮到濁流水力躍變輸送的能量。之后，Spinewine 等[27]實驗結果和Kostic 等[24]數值模擬結果均一致表明持續的濁流易于形成周期階坎，與預先存在的地形沒有直接的聯系。王海榮等[28]認為濁流形成的沉積波具有遷移特征，周期階坎的形成是多種成因共同的結果。在前人的研究基礎之上，筆者從濁流和坡度兩方面對研究區的周期階坎進行了分析。

4.2.1 濁流

濁流是重力流的一種表現形式，濁流的流體動力學影響了深水沉積體系結構單元的演化，可以分為超臨界流和亞臨界流兩種。濁流內部攜帶的碎屑物質屬于高密度流體，流速一般很大[29]。研究區沉積波的地震剖面顯示下切水道十分發育，周期階坎的形成是濁流作用的結果。

周期階坎與濁流有關的因素有：① 與濁流中高密度流體密切聯系。陵水凹陷現今海底陸坡區靠近物源，地形高差大，偶然的事件沉積（異重流）引起泥砂混雜持續性、密度高的沉積物容易形成周期階坎底形，且Cartigny 數值模擬實驗[12]證實，沉積物濃度是發生水力躍變的有力因素。水躍往往發生在沉積物濃度確定的范圍內，濃度越大，形成周期階坎的個數越多，規模越大[14]。② 與濁流粒度和沉積速率有關。豐沛的碎屑物質從“源”系統途經研究區匯入到深海盆地，沉積物沉積速率逐漸降低，沉積物粒度由粗變細。整個周期階坎的迎流面長度自L1到L8不斷地變長，其中沉積物的沉積厚度迎流面比背流面厚，形成的周期階坎底形往往不穩定。研究區西部沉積物粒度比東部粗，西部沉積物的沉積速率比東部高。高的沉積速率易于波狀底形的完整保存，而且容易形成不對稱底形[14]。③與濁流的流量和流速有關。隨流速的增加底形會依次出現：無顆粒運動的平坦床沙、沙紋、沙浪、沙丘、過渡丘（或低角度沙丘）、平坦床沙、周期階坎、流槽和凹坑[22,30-31]。隨濁流流量的增加，超臨界流的侵蝕能力逐漸增強，形成水力躍變的可能性越高，更容易形成周期階坎底形。在前人理論研究基礎之上，筆者認為研究區濁流的流速高而穩定，因此形成了大范圍的周期階坎底形。

周期階坎的形成、演化過程與發育在陸架邊緣斜坡和峽谷水道中的濁流體系密不可分[32]。到目前為止，部分學者已經證實了濁流形成的沉積波能夠 以 周 期 階 坎 底 形 出 現[2,19, 21,33]。周 期 階 坎 底 形 甚至在高山流水、冰川中都可以出現。

4.2.2 坡度

地形坡度是控制超臨界流體發生水躍形成周期階坎底形的關鍵因素。地形坡度較大時，濁流攜帶的沉積物位能高，其沿斜坡分力較大，侵蝕作用明顯，因此形成侵蝕型和粗粒度的沉積型周期階坎；隨研究區域坡度的變緩，濁流所攜帶的沉積物能量逐漸遞減，流體的搬運能力相應地也逐漸減弱，水力跳躍后在階梯頂部需要的能量更大，其緩沖距離加大，大量的沉積物開始堆積，粒度較細的沉積物開始沿著上傾斜坡不斷地堆積形成長高比不斷增大的沉積型周期階坎[23,34-35]。魯勇的水槽實驗表明，在坡道轉換處會發生水躍，其水躍強度隨坡度的增加而增加。在坡度、水流量和體積比濃度相等的情況下，坡上的平均沉積厚度小于坡下平均沉積厚度，即迎流面沉積速率與背流面的沉積速率不同[34]。一般情況下，陡峭的坡度和高密度的弗勞德數有利于周期階坎的形成[36]。然而，坡度超過0.92°形成周期階坎底形可能性會降低。坡度越陡，流體重力沿斜坡的分量增大促使流體不斷加速，從而抑制流體內產生水躍的能量且增大了轉化為亞臨界流的可能性[18]。

坡度是超臨界流水形成周期階坎底形的前提要素[3,18]。在一定的條件下，由陡峭的斜坡過渡到相對平緩的斜坡可能會導致濁流發生水力躍變[37]。

5 結論

（1）陵水凹陷現今陸坡海底具備的坡度較陡、近物源等為周期階坎底形的發育提供了有利條件，周期階坎底形是構成深水沉積體系的重要沉積單元。

（2）陵水凹陷現今海底發育一條寬約6.5 km 具有明顯侵蝕特征的大型水道，是構成“源-匯”系統的重要通道。水道內外發育的周期階坎底形在地震剖面上表現為連續波狀亞平行強振幅地震相。周期階坎的發育指示現今海底濁流流速急劇，流量大。

（3）通過對周期階坎底形形成機制進行分析，認為濁流和坡度是形成周期階坎的最主要的因素。周期階坎在坡度適中、濁流發育的地帶容易形成。