劉喆昊，張建興,宋永東,莊麗華，欒振東,3**，閻 軍

(1.中國科學(xué)院海洋研究所，中國科學(xué)院海洋地質(zhì)與環(huán)境重點實驗室，山東青島 266071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心，山東青島 266071)

南海是西太平洋地區(qū)最大的邊緣海，位于歐亞板塊、太平洋板塊和印澳板塊的交匯處，地質(zhì)構(gòu)造活動十分豐富，一直以來都是海洋地質(zhì)學(xué)者重要的研究對象[1,2]。陸坡是大陸邊緣的重要組成部分，它承接陸架的地形趨勢，與深海盆地相連[3]。南海北部陸坡是華南大陸與南海海盆重要的物質(zhì)傳輸通道，歷史時期曾發(fā)生過珠瓊運動、白云運動等構(gòu)造運動，使得這里的地貌形態(tài)異常復(fù)雜[4]。前人對南海北部陸坡進行了分段研究，并通過類比不同坡段的差異與控制因素，闡述了南海北部陸坡整體的地貌形態(tài)[5,6]。本研究利用海底高程地形數(shù)據(jù)與多波束實測數(shù)據(jù)，從地貌類型的角度對南海北部陸坡區(qū)的整體地形地貌特征進行分析，并討論它們的成因與控制因素。本研究有助于深化對南海北部陸緣地質(zhì)演化過程的了解，并可以為資源勘探與工程建設(shè)等活動提供基礎(chǔ)地質(zhì)信息支撐。

1 研究區(qū)概況

本文的主要研究區(qū)域是南海的北部陸坡區(qū)，其西部邊界在海南島以南，呈條帶狀向東北延伸到東沙群島和臺灣島之間，經(jīng)緯度為110°-120°E，15°-22.5° N(圖1)。陸坡區(qū)全長1 400 km，寬140-400 km，在水深3 500 m左右進入深海平地。陸坡區(qū)的地形承接自南海北部大陸架，陸架坡折線后地形愈發(fā)陡峭，水深迅速增大，地貌也更加復(fù)雜多變，直至陸坡坡腳線進入深海平地后，地勢才趨于平緩，因此大陸坡可以被視為大陸架與深海盆地兩個平緩地形間的過渡。

圖1 研究區(qū)位置

南海處于歐亞板塊、澳大利亞板塊與太平洋板塊的匯聚帶，在長期內(nèi)外營力的作用下，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。中生代以來，南海經(jīng)歷了兩次擴張，伴隨著陸緣斷裂體系解體、板塊俯沖消減、造山運動等一系列復(fù)雜構(gòu)造演化過程，形成了深海平原、海底火山以及海溝等大洋型地貌和陸坡盆地、陸坡海臺等大陸型地貌。這種大陸與大洋兩種類型地貌并存的特征也是南海地貌最顯著的特點[7,8]。

研究區(qū)的表層流除了各種環(huán)流外，漂流和暖流也十分重要，其中黑潮在該區(qū)的影響值得特別注意。深層流的分布趨勢與研究區(qū)的表層流大體一致，包括深層南海暖流、黑潮南海分支以及水平密度環(huán)流等[9]。此外，南海北部入海的河流數(shù)量眾多，包括韓江、珠江、南渡江及廉江等。這些河流徑流量較大，攜帶有大量泥沙，為北部陸緣提供了豐富的沉積物源，深刻影響了陸坡區(qū)的地形地貌發(fā)育[10]。在南海北部陸坡最主要的沉積區(qū)是鈣質(zhì)生物沉積區(qū)，基本覆蓋了陸源沉積外所有的區(qū)域，底質(zhì)主要是生物碎屑，水深范圍大致為200 m到3 000 m。此外，在大陸坡底，水深3 000 m處附近，也有小部分硅質(zhì)生物沉積[11]。

2 數(shù)據(jù)處理與研究方法

本研究的海底水深數(shù)據(jù)主要來源于網(wǎng)格分辨率為1弧分的全球水深地形圖(General Bathymetric Chart of the Oceans，GEBCO)數(shù)據(jù)，以及中國科學(xué)院海洋研究所2010-2019年在南海北部實測的多波束水深數(shù)據(jù)。利用CARIS HIPS等軟件對多波束數(shù)據(jù)進行處理，具體工作內(nèi)容包括剔除噪聲以及對潮位、聲速等進行校正。利用Surfer軟件將處理后的多波束數(shù)據(jù)通過空間插值得到數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)數(shù)據(jù)。使用GMT圖像處理工具將GEBCO數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)合并，并利用Global Mapper等地圖繪制軟件，對選定的不同尺度的研究目標(biāo)進行地貌圖、地形剖面圖以及三維地形圖的繪制工作，并對圖件進行標(biāo)注與解釋。

3 地形特征與地貌類型

3.1 地形特征

南海北部陸坡水深介于200-3 500 m，地形起伏大，且變化非常復(fù)雜。陸坡區(qū)引人注目的是東沙東到臺灣淺灘南有一條規(guī)模宏偉、等深線密集的陡坡帶(圖2)，大致以東沙海臺東側(cè)為界分為西南和東北兩段。西南段陸坡水深900-2 000 m，從南向北由NE向轉(zhuǎn)為近NS向之后又轉(zhuǎn)為NE向，其坡度大部分在5°左右，有海山、海丘、海底峽谷分布。陸坡水深2 000-2 500 m和3 000-3 500 m內(nèi)的地形坡度略陡，而水深2 500-3 000 m內(nèi)的地勢非常平緩，坡度在30′到1°30′之間，可能是坡積物大量堆積的陸隆地形。東北段陡坡帶水深500-2 000 m，先以NEE向延伸到119°E附近后又轉(zhuǎn)為NE向直至臺灣西南，地形上陡(5°到10°)下緩(5°左右)，也有小型的海丘和海底峽谷分布。

Steep slope zone is shown as the white dotted line area

3.2 地貌分類

目前國內(nèi)外對于地貌分類的原則尚未完全統(tǒng)一，但根據(jù)地貌形態(tài)反映成因和成因控制形態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，而普遍采用形態(tài)-成因的分類原則和分類-分級相結(jié)合的綜合分類方法是合適的[12]。成因是導(dǎo)致地貌發(fā)育的方向和趨勢；而形態(tài)是組成物質(zhì)、結(jié)構(gòu)和外部幾何圖形的集合體，也是地貌分類的最簡明標(biāo)志。因此,將形態(tài)與分類和分級相結(jié)合是制定地貌單元和類型劃分的有效方法[13]。本研究根據(jù)上述分類原則和“1∶100萬海洋區(qū)域地質(zhì)調(diào)查規(guī)范”[14]，結(jié)合南海北部水深和地貌形態(tài)特征，劃分為5個主要的地貌類型。

3.2.1 海臺

東沙海臺北緣承接自北部外陸架的坡折處，其他3個邊緣則均呈坡狀，且位置沿著該處的斷裂線，組成了北部陸坡的臺階面，使得其表現(xiàn)為一沿大陸坡向南突出的臺地(圖3)。其形狀近菱形，呈NE-SW走向，面積約為1.3×104km2。東沙海臺頂部地形平坦，坡度平緩，水深在100 m以內(nèi)。東沙環(huán)礁、南衛(wèi)灘環(huán)礁、北衛(wèi)灘環(huán)礁等共同組成的東沙群島，即發(fā)育在該海臺的頂部。

東沙海臺不同邊緣的坡面坡度有一定的差異，從水深圖可以看出，海臺西部與南部邊緣的水深線比東部和北部邊緣密集(圖3)。在NS向與WE向的地形剖面圖中，可以更明顯的看出南部邊緣相比北部邊緣陡峭，東部邊緣相比西部邊緣緩和(圖3剖面AA′、BB′)。

圖3 東沙海臺水深地形圖與剖面AA′、BB′

3.2.2 海山和海丘

在研究區(qū)的中部以及南部，分布了一定數(shù)量的海山和海丘，它們往往共同表現(xiàn)成一系列NE-SW向排列的鏈狀海山。這些海山距海底的高度一般都在1 000 m以上，其中有的海山相對高度甚至能達到3 000 m，而海丘則多在200 m和500 m之間。這些鏈狀海山構(gòu)成了南海北部陸坡最重要的海山景觀，使得該區(qū)的地形更加復(fù)雜多變，一般將它們劃分為尖峰-北坡鏈狀海山以及筆架鏈狀海山兩個部分(圖4)。

圖4 尖峰-北坡鏈狀海山與筆架鏈狀海山三維地形圖

尖峰-北坡鏈狀海山位于南海北部陸坡東北部，由東沙海臺以東的北坡海山、以南的尖峰海山及這兩座海山之間的眾多海丘共同組合而成，此段陸坡的水深范圍是2 000 m到2 500 m。尖峰海山由噴出巖構(gòu)成，平面形狀近長條狀，長軸為NE向，在海山山峰與海面最近處約1 500 m。北坡海山也是由噴出巖構(gòu)成，平面上呈近橢圓型，有兩個高點，分別位于南北兩側(cè)，相對高度都大于1 600 m。

筆架鏈狀海山的展布方向與尖峰-北坡鏈狀海山相近，位于東沙海臺東南陸坡水深更深處，約2 500 m和3 000 m之間，由一系列相對高度超過500 m的海丘和位于東北的筆架海山共同組合而成。筆架海山有5個較為平緩的山峰，距離海面2 000 m到2 500 m。

3.2.3 海槽

海槽是一種在海底發(fā)育的較寬的長條狀負(fù)地形，一般可被分解為平坦的槽底和陡峭的槽坡兩部分，地形剖面表現(xiàn)為“U”型。西沙海槽是南海北部陸坡最典型的海槽，它位于海南島的東南方向，西沙群島北、西兩面被其所環(huán)繞，其形狀仿佛弓形，通常自西向東劃分成3個部分，走向分別為NE向、EW向以及NEE向(圖5)，地形地貌有較大差異(圖5剖面CC′-EE′)。西沙海槽長約621 km，寬度在6-14 km，自西向東寬度逐漸變小，但槽底的水深卻從陸坡處1 500 m逐漸增加到3 500 m進入深海平地，平均坡度約0.17°。西沙海槽的槽坡形態(tài)并不對稱，西北部槽坡規(guī)模較大，地形變化明顯，坡折線開始水深迅速下降；而東南槽坡則坡面窄且不連續(xù)，坡折也不明顯，坡度要遠小于西北槽坡(圖5)。西沙海槽的槽底十分平坦，槽底向東北方向有很小坡度的傾斜。

圖5 西沙海槽水深等值線圖與剖面CC′-EE′

西沙海槽的形成與南海新生代以來的擴張活動息息相關(guān)，記錄了南海的構(gòu)造活動歷史，故對其成因的研究有著重要意義。綜合前人的研究可以看出[15,16]，西沙海槽是在拉張作用下形成的裂谷，它記錄了南海海底擴張的歷史。從西沙海槽的不同分段走向的差異來看，西沙海槽的發(fā)育過程可能是多階段的，反映出南海構(gòu)造演化過程的復(fù)雜性。

3.2.4 海底峽谷

海底峽谷是一種特殊的海底地貌類型，主要發(fā)育在陸架中部以及大陸坡，在島弧處也有出現(xiàn)[17]。該種類型的地貌一般表現(xiàn)為長條狀的狹窄下切負(fù)地形，長度可達數(shù)百公里，深度亦可達數(shù)百米。海底峽谷的谷壁十分陡峻，剖面形態(tài)常常呈“U”型或“V”型，這兩類形態(tài)也反映了該海底峽谷是堆積狀態(tài)還是侵蝕狀態(tài)[18,19]。本研究在南海北部陸坡區(qū)選取臺灣淺灘南海底峽谷、澎湖海底峽谷以及神狐海底峽谷進行分析。

臺灣淺灘南海底峽谷(圖6)始于臺灣淺灘并最終匯入馬尼拉海溝，一般依據(jù)走向從北向南被劃分為3段。上段由東、西兩條分別自200 m與30 m水深處起始的水道呈樹枝狀組合構(gòu)成，剖面主要呈“V”字型。兩條水道匯聚在水深2 000 m處，從此處開始是峽谷的中段。中段走向為NW-SE向，具有西南谷壁陡峭而東北側(cè)緩的特點，因而地形剖面呈不對稱的“U”字型(圖6剖面FF′)。下段始于水深3 000 m處，此處峽谷走向發(fā)生了變化，變?yōu)榻麰-W向，最后于水深3 500 m處匯入馬尼拉海溝。

圖6 臺灣淺灘南海底峽谷與澎湖海底峽谷水深地形圖以及剖面FF′-HH′

澎湖海底峽谷(圖6)位于臺灣淺灘南海底峽谷以東，全長180 km，起于陸坡并最終匯入馬尼拉海溝，與臺灣淺灘南海底峽谷的尾部相連接。澎湖海底峽谷一般被分為兩段，上段頭部為多頭分枝狀，可以辨別出多條分支峽谷與其相連。上段的走向大致為N-S向，谷壁較陡，剖面呈“V”字型(圖6剖面GG′)。在水深2 500 m處，峽谷的走向轉(zhuǎn)變?yōu)镹NW向進入下段。與上段相比，下段呈現(xiàn)出“U”字型的特點，寬度變寬，坡度趨于平緩，最終通向馬尼拉海溝(圖6剖面HH′)。

神狐海底峽谷表現(xiàn)為由一系列密集且近平行排列的、限制于陸坡之上的小型海底峽谷共同組成的海底峽谷群。這些小型海底峽谷長度自20 km到55 km不等，有的呈樹枝狀，有的呈直線狀，分別在末端相連形成東、西兩個水道，大體走向都為NNW-SSE向，剖面皆呈“V”字型(圖7)。由于我國在神狐海域首次成功開展了天然氣水合物的試采，故而針對這里的海底峽谷地貌與天然氣水合物成藏關(guān)系，已經(jīng)有不少學(xué)者進行了研究[20,21]。

圖7 神狐海底峽谷三維地形圖

Harris等[22]依據(jù)峽谷與河流以及陸架的關(guān)系，將海底峽谷分為3類：與陸上河流相連接的被劃分為Ⅰ型，除此之外依據(jù)是否與陸架相切劃分為Ⅱ型和Ⅲ型。它們分別被稱為河流連接的陸架切入型峽谷、陸架切入型峽谷和陸坡限制型峽谷。Chiang等[23]在臺灣西南海底峽谷群的分類工作中也采用了類似的分類方法。本研究依據(jù)Harris的分類方法，結(jié)合本研究對各海底峽谷各段地形剖面圖的分析，也將南海北部陸坡的代表性海底峽谷分為3類(表1)。

從本研究繪制的南海北部陸坡3條代表性峽谷群的地貌及地形剖面圖，以及依據(jù)Harris等[22]的分類方法對它們進行的分類描述可以看出，研究區(qū)海底峽谷的形態(tài)差異較大，可能代表了不同的成因類型。由于臺灣淺灘南海底峽谷始于臺灣淺灘，寬度較窄，且與陸上河流相連，推測其成因為海平面變化后被淹沒的河谷。澎湖海底峽谷與陸架相切，不與河流相連且形態(tài)與珠江口外海底峽谷相近，因此其成因應(yīng)該是受重力流控制。

表1 南海北部陸坡海底峽谷類型與剖面形態(tài)對比

神狐海底峽谷群與其他兩個海底峽谷不同，其海底峽谷數(shù)量密集且規(guī)模較小。神狐海底峽谷群東部的8條峽谷并沒有直接與海盆相連，也并未切入陸架，而是被相對孤立地限制在陸坡上。利用高分辨率的多波束測深數(shù)據(jù)繪制的三維地形圖可以發(fā)現(xiàn)，在神狐海底峽谷群峽谷通道之間的陸坡上，發(fā)育有數(shù)量眾多的麻坑地貌，且分布區(qū)域與神狐海底峽谷群高度重合(圖7)。因此，神狐海底峽谷群的形成可能是天然氣水合物的分解導(dǎo)致的。天然氣水合物分解造成海底地表凹陷形成麻坑，一些規(guī)模較大且較深的麻坑可以相連，在重力作用下碎屑沿陸坡的地形趨勢向下搬運，造成進一步的侵蝕。在神狐海底峽谷群東北的區(qū)域Ⅰ(圖7)，麻坑的密度明顯比同水深其他海底峽谷間的區(qū)域要小，這可能導(dǎo)致該區(qū)域沒有海底峽谷發(fā)育，使該區(qū)域兩側(cè)海底峽谷間距大于西側(cè)。同理，區(qū)域Ⅱ(圖7)相較東部同水深的區(qū)域，發(fā)育了一定數(shù)量的麻坑，使該處海底峽谷的長度相比東部得到了延長。這兩個區(qū)域都印證了麻坑的破壞與連接極有可能是神狐海底峽谷群的成因。

3.2.5 海底冷泉地貌

在南海北部陸坡，海底甲烷滲漏現(xiàn)象十分常見，是研究區(qū)地貌形態(tài)重要的控制因素。水和甲烷等組成的流體被稱為冷泉，是活躍海底天然氣滲漏的代表[24]。從地形地貌上來看，海底冷泉最顯著的特征即是形態(tài)各異的自生碳酸鹽巖，它們不僅是海底冷泉區(qū)復(fù)雜多變的地貌形態(tài)的主要構(gòu)成，還可以指示冷泉區(qū)流體滲漏的歷史。在我國已發(fā)現(xiàn)的海底冷泉區(qū)，除在沖繩海槽和南沙海域各有一個海底冷泉系統(tǒng)外，其他皆位于南海北部陸坡[25]。其中，位于瓊東南海域的海馬冷泉區(qū)和臺西南海域的福爾摩沙海脊冷泉區(qū)這2個冷泉系統(tǒng)的流體活動最活躍。福爾摩沙海脊冷泉區(qū)的發(fā)育在原侵蝕殘余的海脊正地形之上的山脊處(圖8)，地貌特征表現(xiàn)為冷泉碳酸鹽巖以各種產(chǎn)狀分布，丘狀體雜亂排列，其中還發(fā)育了許多裂隙[25]。

圖8 福爾摩沙海脊冷泉區(qū)鄰近區(qū)域三維地形圖

4 影響南海北部陸坡地形地貌發(fā)育的因素

海底地形地貌的形成發(fā)育離不開各種控制因素的共同影響。其中，地球內(nèi)部營力作用會控制和限制某一地區(qū)的大、中型地貌單元的形成以及總體分布格局，而外部營力作用直接對海底進行改造，繼而塑造出千變?nèi)f化的地貌形態(tài)。因此對南海北部陸坡區(qū)的地形地貌成因進行分析的時候，對內(nèi)外營力的分析十分重要。

4.1 內(nèi)營力對研究區(qū)地形地貌發(fā)育的影響

南海北部陸坡地處南海北部陸緣，有著復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史。伴隨著太平洋俯沖減弱背景，在多次伸展活動下，該處地殼拉張進而減薄，使得華南古陸從原本的擠壓向張裂轉(zhuǎn)變，發(fā)生擴張、伸展斷裂與沉陷，進而形成了南海北部陸緣這一被動大陸邊緣[26,27]。白堊紀(jì)晚期以來的斷陷運動，包括神狐運動和兩次珠瓊運動產(chǎn)生了眾多NE向和NNE向的大斷陷，并不斷擴大，影響著各大地貌單元的形態(tài)，成為現(xiàn)今控制南海北部陸坡地貌的主要構(gòu)造格局[4]。之后的南海運動使得斷陷向坳陷轉(zhuǎn)化，形成EW向斷裂，產(chǎn)生玄武質(zhì)火山活動，發(fā)生大規(guī)模的海侵[5]。繼而在白云運動下，南海擴張軸位置發(fā)生改變，白云凹陷陸坡向北遷移，沉積物源發(fā)生突變，奠定了現(xiàn)今的沉積格局。之后中新世以來的東沙運動使得塊段升降，產(chǎn)生一系列張扭性斷裂，伴隨活躍的巖漿活動。

西沙海槽是南海擴張背景下形成的裂谷，其后的拉張應(yīng)力對它進一步加寬，基本成為了現(xiàn)今的樣貌[15,16]。海底火山活動造成巖漿侵入并噴發(fā)，形成海山、海丘等地貌單元[28]。在南海北部陸坡東部，菲律賓海板塊的擠壓使該區(qū)域以SN向構(gòu)造斷裂為主，限制了臺灣西南海底峽谷群的整體基本走向[18]。從這些不同地貌單元形態(tài)的塑造過程中可以看出，南海北部多期構(gòu)造活動帶來的各種地球內(nèi)部營力的作用，無疑是北部陸坡現(xiàn)今復(fù)雜地形形態(tài)最主要的控制因素。

4.2 外營力對研究區(qū)地形地貌發(fā)育的影響

外營力主要表現(xiàn)為對海底地形的侵蝕、搬運與堆積作用，是對內(nèi)營力奠定的基本地形地貌格局的進一步改造，在南海北部陸坡地形地貌的塑造過程中也有著不可忽視的影響。這首先體現(xiàn)在沉積物的供給差異上。如東沙群島附近陸坡極為寬闊，卻鮮有大型河流補充沉積物，使得其深水陸坡形態(tài)明顯表現(xiàn)出原本構(gòu)造格局的半圓狀；而珠江口外陸坡也十分寬闊，但得益于珠江水系強大輸送能力搬運的物質(zhì)，大量的陸源沉積物進入深海盆地并形成深海扇[5]。此外，水動力條件如海流和內(nèi)波也對南海北部陸坡形態(tài)塑造有一定的貢獻，特別是在臺灣西南，東沙群島以東的陸坡處，受到從巴士海峽進入南海的黑潮影響，海底遭受了強烈侵蝕[29]，各種表層洋流也控制著陸坡上部地貌如水下沙丘等的形態(tài)。冰期海平面的變化造成的影響也不可忽視。當(dāng)海平面下降時，大規(guī)模的沉積物搬運可能形成具有破壞性的重力流，形成海底峽谷侵蝕陸坡。有時海平面甚至可下降到坡折處，改變各種水動力作用方式[6]。

需要特別強調(diào)的是流體活動對南海北部陸坡地貌的影響，其作用方式主要分為兩種。除形成各種微地貌類型如冷泉系統(tǒng)等直接影響海底地貌形態(tài)外，也可通過觸發(fā)海底滑坡等重力流間接地改造海底地貌，如神狐海底峽谷等。

5 結(jié)論

基于GEBCO數(shù)據(jù)和多波束實測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)南海北部陸坡地貌類型豐富，包括海臺如東沙海臺、海山和海丘如筆架鏈狀海山、海槽如西沙海槽以及海底峽谷如臺灣淺灘南海底峽谷等。地球內(nèi)部營力作用是南海北部陸坡地形地貌形成的主要控制因素，構(gòu)造活動和火山活動奠定了該研究區(qū)的整體格局。而沉積作用、各種水動力作用、冰期海平面變化及甲烷流體也對該區(qū)地貌進行了改造，其中海底甲烷滲漏可通過直接形成冷泉系統(tǒng)等微地貌以及間接觸發(fā)重力流兩種形式影響海底形態(tài)。

致謝

本文全球水深地形數(shù)據(jù)由GEBCO(www.gebco.net)提供，在此特別感謝。