近日，我院吴南研究员与合作者在国际著名地学期刊Earth and Planetary Science Letters上发表了题为Transformation of dense shelf water cascade into turbidity currents: Insights from high-resolution geophysical datasets的研究成果，揭示了陆架瀑布流向浊流转换的过程及控制机制，在深水重力流沉积领域取得重要进展。
在浅海陆架地区，表层海水夏季经历剧烈蒸发，并在冬季因冷却而下沉，形成高密度和高盐度的底部水团，并在冬季沿着温盐梯度流动，这一独特过程被称为陆架瀑布流(Dense Shelf Water Cascade)。陆架瀑布流广泛存在于全球多个大陆边缘地区，是浅海陆架与深海平原之间物质交换的重要过程（图 1A）。物理海洋观测研究发现，陆架瀑布流具有强烈的侵蚀能力，可对海底地形造成剧烈破坏，并携带陆架沉积物长距离搬运至深海（图 1B）。尽管物理海洋观测对陆架瀑布流的流域、流速和活跃周期等进行了详尽研究，然而对陆架瀑布流侵蚀海底的过程及其远距离搬运机理的认识仍很不足。
图1.（A）陆架瀑布流广泛发育于全球不同大陆边缘的浅海陆架地区。（B）陆架瀑布流在搬运过程中可以侵蚀陆架地区沉积物，并将侵蚀沉积物从陆架搬运至陆坡及深海平原地区
针对上述问题，该研究选取发育季节性陆架瀑布流Bass Cascade Current（BCC）的澳大利亚东南大陆边缘Gippsland盆地作为研究区域。BCC的存在使得该盆地内陆架地区形成一系列复杂的海底地貌形态（图2）。三维地震反射数据解释结果表明，陆架地区发育一条长约70公里的海底滑坡头部断层（图2）。断层西北侧（向陆一侧）海底地貌平整，不发育侵蚀成因的海底地貌底形；断层东南侧（向海一侧）则发育一系列侵蚀成因的海底地貌底形，包括不规则冲坑、串状排列及水道化周期阶坎、水道等（图2）。这些侵蚀型地貌底形的存在，反映该区域持续发育顺坡流动和高能态的海底重力流体系，而周期阶坎的存在则表明这类重力流体系处于超临界流态。
图2.Gippsland盆地陆架地区三维地震海底地貌图
岩芯分析揭示研究区主要发育两种岩相类型：第一类岩相以粗粒沉积物为主，发育Ta型鲍马序列，代表着典型的浊流成因类型（图3A），近年来的研究表明，Ta型鲍马序列多是超临界浊流经历水跃后所形成的产物；第二类岩相以细粒半远洋泥质沉积为主，代表稳定、低能的深海沉积环境（图3B）。基于岩芯解释，研究区域内发育的重力流体系可归类为浊流。同时，Ta型鲍马序列及周期阶坎等特征，表明研究区的沉积过程以超临界浊流为主。
沉积物粒度分析数据显示，海底滑坡头部断层两侧沉积物粒度存在显著差异：断层西北侧（BCC影响区域），沉积物以沙粒（<2mm）及泥质（<65um）为主；断层东南侧（浊流影响区域），沉积物以粗砾为主（>2mm）（图3C）。沉积物粒度的显著变化不仅指示了滑坡头部断层两侧流体能量存在差异，同时也揭示了海底滑坡头部断层处可能存在流体间的相互转换。
图3.（A）岩相1的岩心描述图。（B）岩相2的岩心描述图。（C）陆架区沉积物粒度分布图
沉积物粒度的定量计算分析显示，BCC在搬运过程中能够侵蚀粒径小于2.036 mm的海底沉积物颗粒，涵盖了陆架地区大部分海底沉积物，导致形成在海底上方悬浮的底部致密水团，极有可能成为触发浊流的机制。综合研究表明，BCC在搬运过程中可与海底滑坡头部断层相互作用，转换为（超临界）浊流；转换后的浊流能够延伸数百公里，构成了从浅海到深海环境中沉积物搬运的重要机制。
论文第一作者和通讯作者为我院吴南研究员，合作者包括我院钟广法教授，澳大利亚西澳大学Yakup Niyazi研究员，我室王毕文博士后，印度尼西亚国家石油大学Harya Nugraha研究员，以及壳牌石油伦敦研究中心Michael Steventon研究员。该研究受上海市自然科学基金面上项目、海洋地质国家重点实验室自主课题项目和澳大利亚地学中心(Geoscience Australia)共同资助。
全文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0012821X23005587