混合碎屑岩-浊积岩环境中的深水沉积波：新西兰邦蒂扇

《Marine Geology》：Deepwater sediment waves in mixed contouritic-turbiditic setting: The Bounty Fan, New Zealand

　　摘要：沉积波是一种普遍存在的深海床形，其形成过程和岩性特征至今尚未完全明确。人们通常认为它们是由浊流、等深流、级联流以及内波活动等多种过程共同作用形成的，但在混合系统中这些机制的相对贡献仍存在争议。本研究聚焦于新西兰南岛以东的邦蒂扇体远端区域，该处邦蒂海峡复合体的北侧堤岸中暴露出约400米厚的沉积波层序。通过将高分辨率二维多道地震数据与海洋钻探计划第181航次1122号钻点的沉积学及岩性观测结果相结合，为直接将深海系统中的床形形态与内部地层结构联系起来提供了难得的机会。尤为重要的是，1122号钻点拥有超过400米的连续沉积波沉积物岩心记录，这是迄今为止发现的最为完整的深水沉积波地下档案之一。这些沉积波的波长约为1–3公里，高度约为30米，在地震数据中表现为堤岸沉积物中的横向连续的堆积体。

研究结果表明，邦蒂扇体的演化经历了不同的发育阶段，反映了浊流、沿坡底流、构造作用以及气候变化之间相互作用的不断变化。在晚更新世至早更新世边界时期，该区域发生了重大重组，出现了持续的通道-堤岸体系，并且沉积作用逐渐以浊积岩为主。在中更新世至晚更新世期间，沉积物通量增加，堤岸生长加快，浊流活动更为频繁，这可能与南阿尔卑斯山的构造抬升以及中更新世过渡期的气候变化有关。对1122号钻点的岩性分析表明，这些沉积波主要由层叠的浊积岩构成，说明其形成主要受重力驱动过程控制，而非等深流沉积作用。尽管等深流可能通过影响堤岸的不对称性以及长期通道迁移来对邦蒂扇体的地貌产生影响，但沉积波的内部结构和沉积物则反映了浊流的反复溢出作用。垂直相带分布和粒度变化趋势与浊流在超临界状态和亚临界状态之间转换时所产生的沉积周期性地层变化一致，即沉积波的迎风面具有更厚、粒度更大的浊积岩层以及更高的沉积速率，而背风面则逐渐变细、变薄。

本研究提供了迄今为止最完整的深水沉积波地层记录之一，并为了解其内部结构提供了直接的现场尺度依据。从更广泛的角度来看，它表明在这种环境中，沉积波主要是由浊流形成的，而等深流则可能在塑造通道-堤岸体系的地貌不对称性方面起次要作用。

引言：沉积波是一个通用术语，用于描述各种波动状的沉积床形，但并不特指某种特定的形成过程。这类三维结构广泛分布于大陆边缘及全球的深海环境中。由于它们的三维几何形状，只有当二维地震剖面以非0°的角度与波峰线相交时，才能看到其波动特征；而要准确描述其形态，则需要采用与波峰垂直的剖面。因此，要了解控制沉积波形成的过程，就需要（1）分析其内部结构与迁移模式，（2）确定其岩性组成。通常，向下游迁移的床形被解释为沙丘，而向上游或逆流方向迁移的沉积波则常与超临界流动条件下形成的反沙丘或周期性地层相关（Parker, 2008; Kostic et al., 2010, Kostic, 2011）。

在深水环境中，沉积波的形成与多种沉积过程有关，包括浊流（Lonergan et al., 2013; Migeon et al., 2000; Nakajima and Satoh, 2001; Babonneau et al., 2012）、等深流（Hernández-Molina et al., 2018; Masson et al., 2002; Miramontes et al., 2021; Oiwane et al., 2014）、浊积岩与等深流混合体系（Miramontes et al., 2020a, Miramontes et al., 2021; Rodrigues et al., 2022a, Rodrigues et al., 2022b）、级联流（Ribó et al., 2018）以及内波（Ribó et al., 2016; Van Haren and Puig, 2017; Miramontes et al., 2020b）。在混合系统中，向下游移动的浊流与沿坡移动的等深流在沉积波形成过程中的各自作用仍存在争议。虽然向上游迁移的沉积波通常被解释为超临界浊流在周期性水力跃变过程中形成的沉积产物，但也有研究在等深流环境中观察到了类似的形态。然而，大多数研究缺乏直接的岩性证据，这使得难以确定其形成过程。

事实上，目前所记录的沉积波大多是通过地震和测深数据来描述的，很少有研究能提供关于其沉积相和粒度组成的直接信息（Migeon et al., 2000, Migeon et al., 2001）。缺乏岩性参照是理解其沉积过程以及判断这些沉积物是以砂质为主还是以泥质为主的一个重大限制。这类信息尤为重要，因为沉积波既可能成为潜在的储层，也可能起到封隔层的作用。

本研究聚焦于新西兰南岛以东的邦蒂扇体远端区域（图1）。在更新世之前，该扇体远端的沉积作用主要受西部深层边界流的影响，从而形成了多个等深流沉积体（Carter et al., 1999a, Carter et al., 1999b, Carter et al., 2004; Horn and Uenzelmann-Neben, 2015, Horn and Uenzelmann-Neben, 2016）。然而，在晚更新世至今，沉积作用逐渐由通过邦蒂海峡系统输送的浊流主导（Carter et al., 1987, Carter et al., 1990）。这些沉积波形成于海峡复合体的左侧堤岸，并在海洋钻探计划第181航次1122号钻点处被完整钻探到。该钻探获得的层序记录了近400米厚的沉积波层序，为通过时间维度将地震尺度的形态特征与岩性观测结果直接关联起来提供了独特机会。据我们所知，这是首项通过地震数据和岩心数据共同约束的、连续数百米厚的深水沉积波层序的研究。

通过结合地震解译与ODP 1122号钻点的沉积学分析，本研究旨在：（1）确定深水沉积波的岩性结构是否反映了浊积岩与等深流混合体系中的沉积过程变化；（2）探究沉积物供应、沉积过程以及底流活动如何随着时间推移控制深水沉积波的生成与演化；（3）判断沉积波的发育是由单一主导过程驱动，还是由浊流与等深流之间的相互作用共同作用的结果。

区域背景：邦蒂扇体是一个位于新西兰南岛以东的大型浊积岩体系，属于新西兰东部海洋沉积系统的一部分（ENZOSS）（Carter et al., 1996, Carter et al., 2004）。该体系在邦蒂海槽内延伸超过1000公里，这一海槽是白垩纪晚期形成的一个未完全发育的裂谷分支，形成于约8000万年前，当时新西兰岛与南极洲开始分离（Nelson et al., 1993; Carter et al., 1994; Grobys et al., 2007; Horn and Uenzelmann-Neben, 2015; Strogen）

材料与方法：本研究基于二维地震反射数据与ODP 1122号钻点获取的618米岩心数据的整合（图1，图3）。共使用了两组地震数据。第一组二维地震数据是在1988年由新西兰海洋研究所（NZOI，即现在的NIWA前身）开展的CR2023海上调查中获得的（Carter et al., 1999a, Carter et al., 1999b）。这些数据是通过使用40英寸3的Bolt气枪和SECO水听器阵列采集的单道地震剖面。

地震特征：来自邦蒂扇体远端的二维地震反射数据显示出三种主要的地震特征（图4，图5）：
• 沉积波：振幅较高到中等，呈连续的波动状反射，高度为8–25.6米（10–32毫秒等效波速），且具有向上游迁移的趋势（图4）。这些特征与以往的研究结果一致，那些研究也报告了类似的振幅、形态和迁移模式（Migeon et al., 2001; Slootman and Cartigny, 2019; Symons et al., 2016），从而支持了我们的研究结论。

邦蒂扇体地层演化的时间与控制因素：邦蒂扇体的发育受到构造重组以及气候变化导致的沉积物通量变化的共同影响，这两者共同决定了该系统的形成时机及其后续发展。ODP 1122号钻点的数据为了解邦蒂海槽外部的沉积物供应情况以及浊积岩活动的起始时间提供了重要依据（图12，图16）。根据沉积结构的地貌特征，可以推断出邦蒂扇体的演化过程。

结论：ODP 1122号钻点提供了极为罕见的、几乎独一无二的完整深水沉积波层序记录，为了解数百米范围内堤岸沉积波的岩性及内部地层结构提供了直接依据。这一出色的数据集首次实现了对深水沉积波从形成至今的长期演化过程的记录，同时也为相关理论模型提供了宝贵的现场尺度参考。

作者贡献声明：Séverine Russo：撰写——初稿。Julien Bourget：撰写——审阅与编辑，指导。Thierry Mulder：撰写——审阅与编辑，指导。Gabriele Uenzelmann-Neben：撰写——审阅与编辑。

未引用参考文献：Bouma, 1962；Carter and Carter, 1996；Carter and Gammon, 2004；Carter and Wilkin, 1999；Carter et al., 1986；Cattaneo et al., 2004；Dunlap et al., 2013；Habgood et al., 2003；Hansen et al., 2015；Kuang et al., 2014；Lang et al., 2020；Maxwell Gage and Suggate, 1958；Middleton and Hampton, 1973；Migeon et al., 2012；Mulder and Alexander, 2001；Normark et al., 2002；Paull et al., 2013；Potter and Szatmari, 2009；Rebesco and Camerlenghi, 2008；Rebesco et al., 2014；Sisavath et al., 2011；Suggate, 1990

利益冲突声明：SéVERINE RUSSO表示她获得了TotalEnergies SE的财政支持。其他作者均声明没有已知的、可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢：我们衷心感谢TotalEnergies对本次研究的资助。此外，本研究还得益于海洋钻探计划（ODP）提供的数据。我们要感谢德克萨斯州大学城的海湾海岸储藏库，正是他们允许我们使用对这项研究至关重要的沉积岩心。同时，我们也对阿尔弗雷德·韦格纳研究所提供的地震剖面表示诚挚的感激，这些剖面对我们的分析起到了重要作用。我们还要感谢NIWA以及……

Séverine Russo | Julien Bourget | Thierry Mulder | Gabriele Uenzelmann-Neben
TotalEnergies，法国波城