天文节律调控的弱层沉积对海底沉积物失稳的预条件作用

本研究通过地球物理和海洋钻探数据，揭示了南海北部大陆坡广泛海底滑坡的滑移面具有高蛋白石含量、粒径和孔隙度特征，这些特性降低了不排水剪切强度(Su)。研究阐明了米兰科维奇时间尺度调控的弱层沉积与冰期-间冰期海平面波动及冬季风增强的关联，为理解气候如何通过弱层形成影响全球大陆坡稳定性提供了新机制。

　　

在深邃的海洋深处，大陆坡的稳定性关乎着沿海地区的安全。当海底沉积物突然滑塌时，可能引发毁灭性海啸，而这一切往往与埋藏在沉积层中的"弱层"密切相关。这些弱层就像隐藏的"定时炸弹"，一旦触发就会导致大规模海底滑坡。然而，科学家们长期以来对弱层形成的控制机制知之甚少，特别是气候因素如何通过影响沉积过程来预条件化海底沉积物的稳定性。

中国地质调查局等机构的研究人员通过分析南海北部大陆坡的地球物理数据和海洋钻探计划(ODP)1146站位的岩芯样本，揭示了中更新世转型(MPT)后冰期-间冰期旋回如何通过调控弱层沉积来影响海底稳定性。这项发表在《Nature Communications》的研究发现，天文节律驱动的气候变化是控制大陆坡稳定性的关键因素。研究人员运用了多波束测深、二维多道地震反射剖面、ODP岩芯的物理性质测试（包括阿特伯格界限测定）、主成分分析(PCA)等关键技术方法，并结合了来自ODP1145和1146站位的δ¹⁸O、蛋白石含量和粒度等数据。

研究结果显示，在南海北部识别出16个海底滑坡体(MTDs)，这些滑坡主要发生在中更新世转型后的冰期阶段。通过地震-钻孔关联，研究人员确定了6个区域性地震界面(SH0-SH5)，其中SH1-SH5对应着滑坡的滑移面。ODP1146站位的分析表明，这些滑移面具有三个显著特征：蛋白石含量高达7%、粗颗粒组分（19μm模式）增加、以及孔隙度升高（达70%）。通过Skempton(1957)方法估算的不排水剪切强度(S_u)与垂直有效应力(σ'_v)的比值显示，这些层位确实构成了力学上的弱层。

主成分分析(PCA)揭示了控制沉积物变化的两个主要因素：PC1（解释48.84%的变异）与海平面波动密切相关，表现为冰期高值；PC2（解释20.80%的变异）则反映了东亚夏季风(EASM)减弱背景下冬季风(EAWM)增强的影响。这种天文节律调控的沉积过程导致了冰期特有的沉积组合：高蛋白石含量（主要由硅藻和放射虫组成）、粗颗粒输入增加以及高沉积速率（达460m/Myr）。

讨论部分强调，中更新世转型后增强的海平面波动幅度（达120米）是弱层形成的关键驱动力。冰期低海平面时期，暴露的大陆架增加了陆源物质供应，同时增强的冬季风和上升流促进了海洋初级生产力，导致生物硅沉积增加。当蛋白石含量低于10-25%时，不仅不会像高含量那样通过颗粒互锁增强强度，反而会因增加孔隙度而降低剪切强度。这种周期性弱层沉积为后续海底滑坡提供了理想的滑移面，解释了为什么南海北部大规模滑坡集中出现在MPT之后。

该研究的创新性在于首次建立了从天文节律驱动的气候变化到弱层形成，再到大陆坡失稳的完整机制链条。这不仅为理解全球大陆坡稳定性提供了新视角，也为预测潜在海底滑坡危险区域提供了科学依据。特别是提出的利用阿特伯格界限和塑性指数(PI)估算历史沉积物强度的方法，为利用现有ODP/IODP岩芯开展全球海底稳定性评估开辟了新途径。