周 偉

1 成都理工大學(xué)能源學(xué)院，四川成都 610059 2 油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室，成都理工大學(xué)，四川成都 610059

1 概述

深水水道是發(fā)育在大陸坡和深海盆地的一種常見海底伸長狀負(fù)地貌。作為大陸邊緣淺水物質(zhì)向深海盆地搬運的主要通道，深水水道在被動大陸邊緣盆地“源-匯”系統(tǒng)研究中占有重要地位(Piper and Normark，2001;Allen，2008)。同時，深水水道是深海領(lǐng)域油氣重要的富集單元之一(Mayalletal.， 2006)。因此，深水水道受到了學(xué)術(shù)界和油氣工業(yè)界的密切關(guān)注。

1—中國南海北部珠江口盆地(Zhu et al.， 2010;Gong et al.， 2013;Li et al.， 2013;Zhou et al.， 2015)；2—中國南海北部瓊東南盆地(He et al.， 2013)；3—格陵蘭伊爾明格盆地(Rasmussen et al.， 2003)；4—西非下剛果盆地(Gong et al.， 2016)；5—西非加蓬盆地(Séranne and NzéAbeigne，1999)；6—巴西坎波斯盆地(Viana et al.， 1999)；7—加拿大新斯科舍陸緣(Campbell and Mosher，2016)；8—坦桑尼亞外海Tanzania Coastal盆地(Sansom，2018)；9—莫桑比克Rovuma盆地(Chen et al.， 2020； Fonnesu et al.， 2020)。底圖來自美國國家地球物理數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站(http: //www.ngdc.noaa.gov/mgg/global/global.html)，作者為Varner J 和 Lim E圖 1 單向遷移水道在世界海洋中的分布Fig.1 Distribution of unidirectionally migrating channels in the world’s oceans and seas

深水水道按照成因可以分為重力流水道(或濁積水道)、底流水道及重力流與等深流交互作用成因水道。其中重力流水道(或濁積水道)主要沿著垂直陸坡走向發(fā)育，具有典型的“V”形、“U”形或“鷗翼狀”水道橫剖面形態(tài)，主要表現(xiàn)為順直(低彎度)或高彎度雙側(cè)遷移(擺動)特征，為重力流侵蝕—沉積作用形成(Abreuetal.， 2003;Fildanietal.， 2013;Loweetal.， 2019;李華和何幼斌，2020)。底流水道主要沿著平行陸坡走向發(fā)育，常具順直(低彎度)特征，表現(xiàn)為壕溝(moat)或等深流水道(contourite channel)，其發(fā)育往往與等深流漂積體(contourite drift)相伴生，主要為平行陸坡走向流動等深流侵蝕作用形成(Hernndez-Molinaetal.， 2008;Rebescoetal.， 2014;Miramontesetal.， 2021)。通常，深海重力流與底流作用并非完全是孤立存在的，在特殊的環(huán)境下兩者可以同一時間、同一地點發(fā)生交互作用。深水水道是重力流與底流發(fā)生交互作用最有利的場所(Shanmugam，2003；Rebescoetal.， 2014)。特別是沿水道向下坡方向流動的濁流與底流(如平行陸坡走向的等深流、沿水道軸向往復(fù)流動的潮汐底流等)的交互作用最為普遍。其中，Gong 等(2013)首先定義了重力流與等深流交互作用成因的一種側(cè)向上向一個方向遷移的水道類型——深水單向遷移水道。深水單向遷移水道主要沿著垂直陸坡走向發(fā)育，具有典型的非對稱“U”或“V”形、非對稱“鷗翼狀”水道橫剖面形態(tài)，整條水道均表現(xiàn)為持續(xù)向一側(cè)遷移特征(李華等，2013;Gongetal.， 2013，2018;Sansom，2018;Chenetal.， 2020;Fonnesuetal.， 2020;Fuhrmannetal.， 2020)。深水單向遷移水道作為重力流與等深流交互作用最典型產(chǎn)物，其在中國南海北部珠江口盆地、中國南海瓊東南盆地、西非下剛果盆地、西非加蓬盆地、東非莫桑比克Rovuma盆地、東非坦桑尼亞Tanzania Coastal盆地、格陵蘭伊爾明格盆地、巴西坎波斯盆地和加拿大新斯科舍陸緣均有發(fā)育(Séranne and NzéAbeigne，1999;Vianaetal.， 1999;Rasmussenetal.， 2003;Zhuetal.， 2010;Heetal.， 2013;Lietal.， 2013;Gongetal.， 2013，2016;Zhouetal.， 2015;Campbell and Mosher，2016;Sansom，2018;Fonnesuetal.， 2020;Chenetal.， 2020)(圖 1)。近年來，單向遷移水道因其獨特的建造特征(如單向遷移、非對稱侵蝕—沉積剖面建造等)得到了學(xué)界廣泛的關(guān)注(Rebescoetal.， 2014;Gongetal.， 2018;Chenetal.， 2020;Fuhrmannetal.， 2020;Miramontesetal.， 2020)。因莫桑比克北部Rovuma盆地深水超巨型天然氣田群(總儲量超過80 TCF)的發(fā)現(xiàn)，濁流與等深流交互作用成因深水砂巖被有關(guān)學(xué)者認(rèn)為是一種新型的世界級的深水油氣儲集體(Fonnesuetal.， 2020)。

目前，國內(nèi)外對單向遷移水道的成因分歧不大，主流觀點均認(rèn)為單向遷移水道為濁流與等深流交互作用的產(chǎn)物。但關(guān)于單向遷移水道的遷移—建造特征與等深流的運動方向之間的關(guān)系，以及其形成所涉及的濁流與等深流交互作用動力學(xué)機(jī)制目前還處在爭論之中。因此，其形成所蘊(yùn)含的古海洋學(xué)意義也存在一定爭議。作者在系統(tǒng)梳理目前該領(lǐng)域相關(guān)觀點的基礎(chǔ)上，重點結(jié)合近5年濁流與等深流交互作用研究進(jìn)展，總結(jié)認(rèn)識及存在的主要問題，希望有助于提高對濁流與等深流交互作用的認(rèn)識。

2 單向遷移水道遷移—建造特征

根據(jù)單向遷移水道遷移方向與等深流運動方向之間的關(guān)系，單向遷移水道存在2種截然不同的遷移模式，其一為下游遷移模式，其二為上游遷移模式。這2種模式下單向遷移水道的建造特征明顯不同。

2.1 下游遷移

下游遷移，主要表現(xiàn)為水道的遷移方向與等深流的運動方向一致，即水道向等深流流動的下游方向遷移。這種類型的遷移模式以中國南海北部珠江口盆地和瓊東南盆地、西非下剛果盆地、格陵蘭伊爾明厄盆地和巴西坎波斯盆地為代表(圖 2)?！跋掠芜w移型”單向遷移水道建造特征主要表現(xiàn)為： (1)橫剖面形態(tài)：具非對稱“U”或“V”形，水道堤岸表現(xiàn)為等深流迎流岸陡、背流岸緩；(2)平面形態(tài)：據(jù)中國南海北部珠江口盆地(Zhuetal.，2010；Gongetal.，2013；Lietal.，2013；Zhouetal.，2015)和瓊東南盆地(Heetal.，2013)的研究實例，“下游遷移型”單向遷移水道在平面上主要表現(xiàn)為順直—低彎度特征；(3)建造特征：以水道內(nèi)的下切—充填建造的主，缺乏外堤岸沉積建造，因而與深水重力流彎曲水道所特有的“鷗翼狀”地貌特征明顯不同；(4)水道內(nèi)充填結(jié)構(gòu)：水道底部以底流改造砂(bottom-current reworked sands，簡稱BCRSs)沉積為主，水道背流岸以泥質(zhì)等深流漂積體(contourite drifts)沉積為主，迎流岸以侵蝕作用為主；(5)遷移特征：向等深流下游方向單向遷移。

A—中國南海珠江口盆地(據(jù)Zhou et al.， 2015)；B—中國南海瓊東南盆地(據(jù)He et al.， 2013)；C—西非下剛果盆地(據(jù)Gong et al.， 2018)； D—巴西坎波斯盆地(據(jù)Viana et al.， 1999)；E—格陵蘭伊爾明格盆地(據(jù)Rasmussen et al.， 2003)圖 2 “下游遷移型”單向遷移水道典型剖面樣式Fig.2 Typical seismic profile patterns of downstream unidirectionally migrating channels

2.2 上游遷移

上游遷移，主要表現(xiàn)為水道的遷移方向與等深流的運動方向相反，即水道向等深流流動的上游方向遷移或“溯源遷移”。這種類型的遷移模式以東非莫桑比克Rovuma盆地和東非坦桑尼亞Tanzania Coastal盆地為代表(圖 3)?！吧嫌芜w移型”單向遷移水道建造特征表現(xiàn)為： (1)橫剖面形態(tài)：非對稱鷗翼狀，其中遠(yuǎn)離等深流來源方向的鷗翼發(fā)育更完整，靠近等深流來源方向的鷗翼因外堤岸欠發(fā)育而不全；水道內(nèi)堤岸表現(xiàn)為迎流岸緩、背流岸陡；(2)平面形態(tài)：據(jù)莫桑比克Rovuma盆地(Chenetal.，2020； Fonnesuetal.，2020)和坦桑尼亞Tanzania Coastal盆地(Sansom, 2018)的研究實例，“上游遷移型”單向遷移水道在平面上主要表現(xiàn)為低彎度—高彎度特征；(3)建造特征：發(fā)育非對稱的水道—堤岸體系，其中遠(yuǎn)離等深流來源方向的堤岸相對更厚；(4)水道內(nèi)充填結(jié)構(gòu)：水道底部主要為底流改造砂沉積，遠(yuǎn)離等深流來源方向的堤岸以泥質(zhì)等深流漂積體沉積為主，靠近等深流來源方向的堤岸以侵蝕作用為主；(5)遷移特征：向等深流上游方向“溯源遷移”。

A—東非莫桑比克外海Rovuma盆地(據(jù)Fonnesu et al.， 2020)；B—東非坦桑尼亞外海Tanzania Coastal盆地(據(jù)Sansom，2018)； C—東非莫桑比克外海Rovuma盆地(據(jù)Chen et al.， 2020)圖 3 “上游遷移型”單向遷移水道典型地震剖面樣式Fig.3 Typical seismic profile patterns of upstream unidirectionally migrating channels

圖 4 深海泥波生長過程的“Lee Wave”作用模式 (據(jù)Flood，1988)Fig.4 Lee wave model of deep-sea mudwave growth process (after Flood，1988)

3 單向遷移水道沉積動力學(xué)模式

3.1 “Lee Wave”模式

“Lee Wave”模式最早用于解釋深海環(huán)境下泥質(zhì)沉積物波的上游遷移現(xiàn)象(Flood，1988)(圖 4)。 “Lee Wave”是一種地形波，主要在近海底層流越過弧形海底地貌或孤立海脊時產(chǎn)生?！癓ee Wave”的流場特征導(dǎo)致位于泥波的水流上游側(cè)或迎流側(cè)的底層流流速相對較低而具相對較低的床面剪應(yīng)力，因此具備更高的沉積速率，主要表現(xiàn)為沉積作用；泥波的水流下游側(cè)的底層流流速較高即具相對較高的床面剪應(yīng)力，因此具備更低的沉積速率或者具備較高的侵蝕能力，主要表現(xiàn)為侵蝕作用。因此在“Lee Wave”動力學(xué)機(jī)制下，深海泥波在等深流作用下具有上游遷移或“溯源遷移”特征。

除了解釋深海泥波的形成機(jī)制，“Lee Wave”模式近年來被有關(guān)學(xué)者應(yīng)用來解釋深水單向遷移水道的成因機(jī)制。Campbell和Mosher(2016)用“Lee Wave”模式解釋了加拿大新斯科舍陸緣新生代的“上游遷移型”深海單向遷移水道的形成機(jī)制，認(rèn)為該地區(qū)單向遷移水道主要形成于等深流越過海底水道侵蝕地貌所產(chǎn)生的“Lee Wave”與受北半球科氏力偏轉(zhuǎn)的水道內(nèi)下坡濁流的共同作用。Fuhrmann等(2020)基于“Lee Wave”模式，利用巖心巖相、高分辨率海底地形地貌和近海底流體原位觀測等資料的綜合分析，認(rèn)為西非莫桑比克Rovuma盆地和坦桑尼亞Tanzania Coastal盆地發(fā)育的“上游遷移型”深水單向遷移水道建造來自于長期、半穩(wěn)定的等深流與幕式、不穩(wěn)定的濁流的交互作用(圖 1，圖 3)。在該模式下，水道的背流岸等深流因下坡加速導(dǎo)致沉積速率低，因此主要為侵蝕作用、堤岸沉積缺乏而表現(xiàn)為陡岸；水道的迎流岸等深流因上坡減速，載荷力降低，反而負(fù)載來自濁流的細(xì)載荷部分，因此大量的細(xì)粒物質(zhì)因等深流載荷力降低得以卸載沉積，主要表現(xiàn)為加積作用，因此堤岸沉積較發(fā)育而表現(xiàn)為緩岸，在幕式濁流與長期半穩(wěn)定等深流的交互作用下，水道因堤岸的“溯源”加積而被動向等深流的上游方向單向遷移。

A和A′—牽引流成因的曲流河(據(jù)Armstrong，2012;Jobe et al.， 2016)，河道內(nèi)次生環(huán)流方向據(jù)Bathurst等(1977)；B和B′—濁流成因的深水彎曲水道(據(jù)Abreu et al.， 2003)，水道內(nèi)次生環(huán)流方向據(jù)Keevil 等(2006)；C和C′—濁流與等深流交互作用成因的單向遷移水道及其次生環(huán)流樣式(據(jù)Gong et al.， 2016，2018)圖 5 不同沉積環(huán)境下次生環(huán)流樣式及產(chǎn)物Fig.5 Secondary circulation patterns and products in different depositional environments

3.2 次生環(huán)流模式

為了解釋等深流流動方向與水道遷移方向一致的、缺乏外堤岸建造的“下游遷移型”單向遷移水道的形成機(jī)制，近年來國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者做了許多工作，比較有代表性的實例為中國南海北部珠江口盆地和西非下剛果盆地的單向遷移水道建造(Zhuetal.， 2010;Heetal.， 2013;Gongetal.， 2016，2018)。類似于陸上曲流河點砂壩、深海彎曲濁積水道側(cè)積體(Lateral Accretion Packages，簡稱LAPs)沉積的動力學(xué)機(jī)制，濁流和等深流交互作用成因深海單向遷移水道也具有次生環(huán)流水動力機(jī)制(圖 5)(Gongetal.， 2018)。Gong等(2018)通過數(shù)值模擬指出沿水道軸向流動的滿岸超臨界濁流(弗勞德數(shù)Fr=1.11～1.38，流速1.72～2.59 m/s)與橫跨水道的穩(wěn)定低速等深流(流速0.10～0.30 m/s)同時交互作用下會在濁流與等深流之間形成流體厚度達(dá)7.07 m的密度躍層。該密度躍層在多數(shù)情況下所產(chǎn)生的次生環(huán)流——氣旋型渦流“開爾文—亥姆霍茲漩渦”(Kelvin-Helmholtz billows and bores)(用于描述具有剪力速度的連續(xù)流體內(nèi)部或有速度差的2個不同流體界面之間發(fā)生的不穩(wěn)定現(xiàn)象)——以0.87～1.48 m/s流速、4.0°～19.2°角度流向水道陡岸，導(dǎo)致陡岸流體流速高傾向于侵蝕/沉積粗碎屑、緩岸流體流速低傾向于卸載/沉積細(xì)碎屑的非對稱剖面結(jié)構(gòu)，水道因持續(xù)的陡岸侵蝕、緩岸沉積而主動向等深流的下游方向單向遷移(Gongetal.， 2018)。

3.3 沿水道軸向的螺旋流作用模式

在?？寺\動(Ekman motion)的推動下，大陸架區(qū)表層水團(tuán)會向離岸方向運動，造成淺海表層水團(tuán)的虧空，這導(dǎo)致廣海朝近海方向形成一個水壓梯度，那么陸坡區(qū)的中層水團(tuán)則在此壓力梯度的作用下向陸架區(qū)運動形成向上坡方向流動的、與上升流有關(guān)的底流。受限制性地形地貌、科氏力的聯(lián)合作用，水道內(nèi)向上坡方向流動的底流會發(fā)生偏轉(zhuǎn)形成螺旋形水流，從而在水道內(nèi)形成非對稱的侵蝕—沉積剖面形態(tài)。Séranne和NzéAbeigne(1999)基于該模式解釋了西非加蓬盆地單向遷移水道的形成機(jī)理(圖 6)。需要指出的是，該單向遷移水道的形成并不需要下坡濁流的參與，而只與沿著水道的上升底流作用有關(guān)，因此水道內(nèi)主要沉積細(xì)粒的等深積巖。但該模式存在明顯的不足： (1)無法解釋該區(qū)單向遷移水道底部的砂質(zhì)沉積；(2)科氏力的強(qiáng)弱與緯度有關(guān)，其在該研究區(qū)(南緯3°～4°)的作用可能較弱；(3)該區(qū)還存在不能忽視的平行陸坡走向的等深流的作用，并非只有上升流(Stramma and England，1999;Mercieretal.， 2003)。因此該模式可能并不能作為單向遷移水道成因的動力學(xué)機(jī)制。

圖 6 西非加蓬盆地與上升流有關(guān)螺旋形底流形成單向遷移水道的模式(據(jù)Séranne and NzéAbeigne，1999)Fig.6 Model of formation of unidirectionally migrating channels by upslope，upwelling-related spiral bottom currents in Gabon Basin，West Africa(after Séranne and NzéAbeigne，1999)

4 關(guān)鍵科學(xué)問題及發(fā)展方向

4.1 深水單向遷移水道體系濁流與等深流交互作用的機(jī)制

圖 7 深水水道體系的濁流與等深流交互作用模式(據(jù)Shanmugam，1993)Fig.7 Model of interaction of turbidity flows with contour currents in a deep-water channel system(after Shanmugam，1993)

圖 8 不同時間尺度下深水重力流與底流交互作用過程及產(chǎn)物概念模型(據(jù)Fonnesu et al.， 2020；有修改)Fig.8 Conceptual models of deep-water processes and products for interaction of gravity flows and bottom currents at different temporal scales(modified from Fonnesu et al.， 2020)

自Shanmugam等(1993)首次示意深水水道體系中濁流與等深流交互作用以來(圖 7)，關(guān)于深水水道體系濁流與等深流交互作用的機(jī)制及產(chǎn)物研究近30年產(chǎn)出了豐碩的成果(Shanmugametal.， 1993;Rebescoetal.， 1996;Rasmussenetal.， 2003;Zhuetal.， 2010;徐尚等，2012，2013;李華等，2013;Heetal.， 2013;Gongetal.， 2013，2016，2018;Zhouetal.， 2015;Sansom，2018;李俞鋒，2019;Chenetal.， 2020;Fonnesuetal.， 2020;Fuhrmannetal.， 2020;Miramontesetal.， 2020)。深海環(huán)境下，底流主要對濁流具有淘洗、改造作用，形成受底流改造的濁積砂，簡稱“底流改造砂”(Shanmugametal.， 1993)。而底流捕獲的濁流的細(xì)載荷部分是深水霧狀層的一種成因機(jī)制(Puigetal.， 2004)。近5年以來，深水單向遷移水道體系的交互作用成因機(jī)制在國際學(xué)界中產(chǎn)生了激烈的爭論。Gong等(2018)通過數(shù)值模擬提出“下游遷移型”深水單向遷移水道的形成源于高速濁流(流速1.72～2.59 m/s)與低速等深流(流速0.10～0.30 m/s)同時交互作用。而Fonnesu等(2020)提出存在2種不同時間尺度的濁流與等深流交互作用模式： (1)濁流與等深流異時交替作用，如早期等深流漂積體地貌對后期濁流路徑及沉積場所進(jìn)行控制，或先存的濁流沉積在后期等深流過程改造下再分布，其中“下游遷移型”深水單向遷移水道為該機(jī)制下的典型產(chǎn)物；(2)等深流與濁流同時交互作用，其典型產(chǎn)物為“上游遷移型”深水單向遷移水道(圖 8)。Fuhrmann等(2020)通過海底原位底流觀測及地質(zhì)—地球物理綜合研究指出，“上游遷移型”單向遷移水道的沉積學(xué)模式受到幕式、不穩(wěn)定濁流與半穩(wěn)定底流的交互作用控制，在濁流爆發(fā)期以濁流主控的水道下切、過路和充填為主，在濁流寧靜期以底流主控的等深流漂積體沉積及底流改造為主，交互作用控制了水道向上游單向遷移。近期國外的室內(nèi)水槽模擬實驗研究指出，“上游遷移型”深水單向遷移水道在實驗室中可再現(xiàn)(圖 9)(Miramontesetal.， 2020)。而“下游遷移型”深水單向遷移水道所需要的次級環(huán)流還需水道內(nèi)海底原位流體觀測或水槽模擬實驗來證實。因此，交互作用成因的深水單向遷移水道存在的截然不同的2種遷移模式及相似的沉積動力參數(shù)表明其形成所需的濁流與等深流交互作用的機(jī)制目前還存在較大爭議(表 1)。

4.2 古代深水單向遷移水道的古海洋學(xué)意義

等深流沉積因具備長時、高分辨地層記錄屬性而具有重大的海洋學(xué)意義，特別是對古代大型等深流沉積建造——等深流漂積體的識別促進(jìn)了對全球大洋水團(tuán)循環(huán)的認(rèn)識(Knutz，2008)。全球大洋水團(tuán)循環(huán)路徑在漫長的地質(zhì)歷史中并不是一成不變的，其往往受到板塊運動驅(qū)動的重要海洋海道(ocean gateways)的開啟—關(guān)閉過程所控制，因此當(dāng)今全球大洋循環(huán)路徑或方向在部分海區(qū)有可能與古代的有所不同。典型的例子是中美洲海道(又稱巴拿馬海道)的開啟和關(guān)閉過程對太平洋、大西洋大洋環(huán)流體系的控制(Hernndez-Molinaetal.， 2009)。

4.3 現(xiàn)代化的模擬實驗和近海底原位流體觀測是打開單向遷移水道成因之謎的鑰匙

圖 9 濁流與等深流交互作用水槽模擬裝置及結(jié)果 (據(jù)Miramontes et al.， 2020)Fig.9 Equipment and results of turbidity flow and bottom current interaction flume-tank experiment(after Miramontes et al.， 2020)

5 結(jié)語

深水單向遷移水道的形成主要受控于濁流與等深流的交互作用。當(dāng)前國際學(xué)界上爭論較大的“上游遷移型”與“下游遷移型”2種截然不同的單向遷移水道發(fā)育模式表明，深水單向遷移水道的濁流與等深流交互作用的具體方式及動力學(xué)模式還存在較大爭議?，F(xiàn)代化的模擬實驗、地表露頭分析、海底原位流體觀測可能是今后解決該爭議最有效的途徑，并在最終有利于深水單向遷移水道古海洋學(xué)意義的呈現(xiàn)。

致謝審稿專家及期刊編輯對本文提出了寶貴的意見和建議，在此表示衷心的感謝。