研究沉积环境论文

吴能友段威武蔡秋蓉

摘要南极布兰斯菲尔德海峡晚更新世以来沉积物具有明显的冰川－海洋环境标志，为典型的冰海沉积物。本文通过43个站位表层和柱状沉积物的粒度、成分、结构构造、微体古生物、石英颗粒表面结构等特征综合分析，对研究区的冰海沉积物类型及其分区和沉积环境进行初步研究，并讨论间冰期/高水位和冰期/低水位的沉积模式。冰海沉积物可分为残副冰碛物和混合副冰碛物两类；不同类型的冰海沉积物有着不同的介质条件和相应的生物组合，反映一定的沉积环境，研究区现代冰海沉积物类型可分为7个特征明显不同的区域；间冰期/高水位和冰期/低水位的沉积模式具有明显不同的特征，受控于全球气候演变和岸线轮廓、海底地形及水文条件等环境因素的制约。

关键词冰海沉积环境沉积模式布兰斯菲尔德海峡南极

1前言

南极大陆边缘沉积的最主要特征之一是受冰川影响十分强烈，冰川作用不仅直接塑造了沉积特性，而且通过海流作用对海底沉积物进行不断地改造。冰海沉积物是由冰川筏运入海的冰碛物经消融而下沉，与海洋沉积物相混合，再经同生或后生海洋营力不同程度改造后的产物。Anderson等（1980）综合不同学者意见将冰海沉积物定义为：由冰川和海洋作用叠加堆积于海底，经历冰川、冰架或有关水流搬运的沉积物，其中含有冰川、冰筏带来的未经分选、粒径大小各异的岩石物质。因此，冰海沉积物是一种混杂沉积物，在粒度、成分、结构、构造等方面兼备冰川与海洋的双重成因特征。

布兰斯菲尔德海峡位于南极南设得兰群岛与南极半岛之间，地理位置为61°30′～64°00′S、62°00′～54°30′W，属于高纬度亚南极区，临近南极大陆，是一种典型的冰海沉积环境（Jeffers,1988;Jeffers等，1991），为研究构造活动盆地冰海沉积作用和冰期、间冰期沉积模式的理想场所之一。

1990～1991年南大洋夏季，中国第七次南极考察队原地质矿产部“海洋四号”船在南极布兰斯菲尔德海峡进行地质、地球物理调查，在海峡不同地貌单元——岛架、岛坡、海槽、陆坡、陆架采集了43个站位的表层和柱状沉积物样品。本文根据表层和柱状沉积物的粒度类型、成分、结构构造、微体古生物、石英颗粒表面结构等特征综合分析，初步研究布兰斯菲尔德海峡的冰海沉积物类型、沉积环境及其分区，并探讨高水位/间冰期和低水位/冰期的沉积模式。

2现代沉积学背景

布兰斯菲尔德海峡每年有6个月（6～11月，南极冬季）被冰雪覆盖，另外6个月（12月至次年5月，南极夏季）为冰雪融化季节，是沉积物搬运和沉积的活跃时期。实际上，研究区是南极半岛西北部海域中受不同水团控制、地形多样的复杂海区。

因受岛屿和地形的影响，布兰斯菲尔德海峡的夏季水团和环流分布异常复杂。海峡中除局地效应外，还有三种不同性质的水侵入，影响海峡的水文状况。它们是低温、盐度稍高的威德尔海表层水、来自别林斯高晋海的夏季表层水和靠近南极半岛的低温别林斯高晋海夏季表层水（羊天柱等，1989）。其中前两种水团是影响海峡内水文状况的主要成分。海峡内的水体流动主要以北东向为主。南极绕极深层水可部分地到达海峡的西部，进入海峡后呈变性深层暖水，温度要高、盐度稍大，但水平环流分析表明，这种文化似乎不会改变海峡内流动的总趋势，而只会改变局部区域流的大小。海峡内按海域主要可分为：海峡北部、海峡南部和海峡中央，三者的温盐特性有较大差异。海峡北部是以别林斯高晋海表层水为主要成分，呈高温、低盐特性；海峡南部以威德尔海水为主体，呈低温、高盐特性；而海峡中央的底层水，为一盐度稍高的冷水团。

布兰斯菲尔德海峡是一个狭长的大型水下槽地，总体为北北东向延伸，其东北端转为北东东向，长约400km，最大宽度（麦克斯韦尔湾至南极半岛）为100km。南侧南极半岛是南极大陆往北伸长的呈S型的半岛；北侧南设得兰群岛由史密斯岛、洛岛、斯诺岛、欺岛、利文斯顿岛、格林威治岛、罗伯特岛、纳尔逊岛、乔治王岛等北东向链状排列的岛屿组成.在海峡中形成多个天然峡湾，如利文斯顿湾、马克斯韦尔湾等。海底从东北、西南两侧向中间倾斜。北侧分布着狭窄的岛架和岛坡，南侧分布着较为宽阔的陆架和陆坡，中部为海槽。南北两侧和东西两端的海底地形相差悬殊，呈不对称状，北陡南缓，西高东低。北部1000m等深线接近岸边，岛架的宽度不足5km，南部相对较平缓，水深较浅，南极半岛陆架宽达45km。大致以60°W经线为界，研究区分为东北和西南两部分。东北段地形走向为北东东—南西西，长约360km，最大水深2784m，它是海槽的主体部分，海底从东北、西南两侧向中部呈阶梯状下降，南北两侧地形明显不对称，北陡而南缓。西北坡平均坡降为（84～192）×10-3（4°50′～10°54′）；东南坡平均坡降为（38～81）×10-3（2°10′～4°40′）。该段次级地形则呈北北西—南南东向排列，诸如两侧槽坡上各岛屿之间的小海峡及海底谷等。西南段水深较浅，绝大部分水深小于1000m，地形变化较复杂。地形走向仍以北东—南西向为主，北西—南东向次之。岛架和陆架、岛坡和陆坡，乃至底部沟槽呈网格状相交。总体来看，该区地形从浅至深呈阶梯状下降，即由宽窄不一的陆架和岛坡到较为宽阔的台地，到台地边缘地形又变陡，直到最深初又转为平缓的洼地。从地形地貌特征来看，布兰斯菲尔德海峡实际上为一海槽，并可划分为三个次海槽：北部次海槽、中部次海槽和南部次海槽。北部海槽的水最深，最深处达2784m。南部次海槽的水深最浅，小于1000m。

3冰海沉积物类型

根据表层和柱状沉积物特征研究，结合区域地质背景资料，布兰斯菲尔德海峡沉积物的陆源碎屑和火山物质绝大部分来自无地表径流的南极半岛和南设得兰群岛（王光宇等，1996）。南极半岛和南设得兰群岛基岩岩性复杂，主要由中、新生代的火山岩和变质岩组成，基岩不断遭受冰川的冻融、刻蚀和研磨，冰筏携带大量碎屑物质入海，在布兰斯菲尔德海峡形成冰海沉积物。根据表层和柱状沉积物的类型、粒度、成分、微体古生物、石英颗粒表面结构等特征综合分析，布兰斯菲尔德海峡晚更新世以来沉积物具有明显的冰川－海洋环境标志，为典型的冰海沉积产物。

由于环境要素的差别，不同区域可以出现特征各异的冰海沉积物类型。Harland（1966）通过南大洋冰海沉积物的系统研究，将冰海沉积物分为正冰碛物（orthotill）和副冰碛物（paratill）。前者系搁浅冰架融化后沉积的产物，特点是缺乏分选、无层理、不含海洋生物化石以及几乎未受底流的改造；而后者则指冰架或冰山、浮冰融化后所形成的沉积物，主要特点是沉积颗粒经受过不同程度的海流改造，并含丰富的海洋生物化石。Anderson等（1977,1980）通过威德尔海和罗斯海冰海沉积物的研究，以及根据砾、砂和泥的含量变化、沉积物粒度参数、层理、有孔虫相对丰度，将副冰碛物进一步划分为以细粒泥、粉砂组分为主的混合副冰碛物（compound paratill）和以砂砾为主的残副冰碛物（residual paratill）。

根据表层沉积物和柱状沉积物特征，参考Harland（1966）、Anderson等（1977,1980）提出的标准，布兰斯菲尔德海峡的冰海沉积物可分为残副冰碛物和混合副冰碛物两类。表1为研究区冰海沉积物的分类特征。残副冰碛物以砂砾为主，粉砂次之，泥含量很低，粗细分一般分选好，细组分分选差，主要分布于南部陆架－上陆坡、东部陆架、北部岛架－岛坡区，硅藻含量相对丰富，有孔虫和放射虫含量较低，有孔虫以硅质壳为主；混合冰碛物以粉砂和泥为主，砂砾含量很低，细组分分选好，粗组分反之，主要分布在中央海槽－南部下陆坡、南设得兰群岛海湾和海峡西南部陆架区，硅藻含量相对丰富。由表1可见，布兰斯菲尔德海峡的残副冰碛物、混合副冰碛物的粒度组成和特征与Anderson等（1980）所论述的稍有差异。根据研究区表层和柱状沉积物的粒度组成特征，残副冰碛物可进一步划分为基本缺乏粉砂、泥和含粉砂、泥两类；混合副冰碛物又可分为含砂砾与基本缺乏砂砾两种。

表1布兰斯菲尔德海峡冰海沉积物分类特征

4现代冰海沉积物类型分区和沉积环境

冰海沉积物的类型分区主要受岸线轮廓、海底地形及水文条件等环境因素的制约。不同类型的冰海沉积物有着不同的介质条件和相应的生物组合，反映特定的沉积环境。图1展示了布兰斯菲尔德海峡现代冰海沉积物类型的分布情况。

图1布兰斯菲尔德海峡冰海沉积物类型分布图

distribution of glacial-marine deposits in the Bransfield Strait,Antarctica

根据表层沉积物特征，将布兰斯菲尔德海峡现代冰海沉积物类型分区、沉积物基本特征和所反映的沉积环境简述如下。

残副冰碛物沉积区（Ⅰ）

ⅠA区：位于南部陆架－上陆坡环境。沉积物以砂砾为主，含少量泥和粉砂，分选差。组分中玄武岩岩屑含量高，火山玻璃含量较低，重矿物以橄榄石、辉石、角闪石和磁铁矿为主，粘土矿物以伊利石含量高于其他区域、蒙脱石含量低于其他区域为特征，表明陆源碎屑物质主要来自南极半岛西部。石英颗粒表面擦痕、撞击坑发育，部分已明显磨损圆化。硅藻和硅质壳有孔虫发育。本区临近南极半岛，搬运介质显然以冰川和冰筏为主，同时受到威德尔海冷水支流的强烈影响，水动力条件相对较强。

ⅠB区：位于海峡西北岛架－岛坡带和纳尔逊岛与罗伯特岛之间区域，北侧发育开放性海湾，为一种无或弱屏障环境。沉积物以砂砾为主，基本缺乏泥和粉砂，分选差。组分岩屑和火山玻璃含量高，重矿物以橄榄石、辉石、角闪石和磁铁矿为主，粘土矿物蒙脱石含量高，硅藻以深水组合为主，有孔虫以硅质壳、钙质壳和胶结壳混合组合为特征，石英颗粒机械作用结构特征清晰，表明陆源碎屑物质主要来自其北侧岛屿，水动力能量较高，后期海流改造作用较强。

ⅠC区：位于海峡东部，为一种无屏障开放性海洋环境。沉积物以砂砾为主，基本缺乏泥和粉砂，表层沉积物薄或缺失，分选性差，岩屑含量高且成分复杂，重矿物成分复杂，除常见的不稳定矿物外，还含较多的石榴子石、金红石和锆石，说明物源复杂，海流改造作用强烈，与本区可能是南极底层水流和威德尔海水流流经处，或者是一个高密度寒冷水团有关。

混合副冰碛物沉积区（Ⅱ）

ⅡA区：位于海峡中央海槽和南部下陆坡环境。沉积物以硅藻软泥或硅质泥粉砂为主，无砾石，主要由硅藻为主的生物硅质组分、陆源石英粉砂和火山物质三种成分组成，硅藻质量分数＞30%，最高达70%，说明海流冲刷作用相对较弱，沉积环境较为稳定，少量陆源物质来自南极半岛和南设得兰群岛。

ⅡB区：位于乔治王岛—纳尔逊岛格林威治岛一线以南岛架－岛坡带，北侧发育半封闭海湾与峡湾。沉积物以泥和粉砂为主，含少量砂砾。重矿物以橄榄石、辉石、角闪石和磁铁矿为主，硅藻以深水组合为主，钙质壳有孔虫有一定的地位，见低等植物根茎，说明控制沉积作用的主要因素是冰川，海流为次。据Kin等（1991）研究，马克斯韦尔湾为典型的冰川U型谷，谷底中部深500m，其中全新世沉积具有季节性纹泥层，为典型的冰海沉积。

ⅡC区：位于海峡西南部陆架－陆坡区。据黄惠玉等（1989）、林澄清等（1989）研究，该区沉积物为以泥和粉砂为主的混合副冰碛物。

火山喷出物沉积区（Ⅲ）

位于海峡西侧欺岛附近，为岛架环境。沉积物以火山碎屑物质（包括砾、砂和粉砂粒级）为主，火山玻璃质量分数高达72%～80%，物源显然与1969～1971年欺岛海底火山活动有关，当然也不能排除南设得兰群岛的火山碎屑物质来源，并受到冰筏和海流的改造作用。

布兰斯菲尔德海峡残副冰碛物和混合副冰碛物的分界，在海峡南部大致相当于上、下陆坡的分界，水深为700～800m；而其北界变化较大，在无开放性海湾地带，分界线相当于海冰带的前滨至滨外区，在有开放性海湾岛架－岛坡带，分界线接近岛坡下缘。

5沉积模式探讨

高水位/间冰期的沉积模式

根据布兰斯菲尔德海峡现代冰海沉积物类型分区和沉积环境，综合高水位/间冰期的沉积模式如表2，并阐述如下：

间冰期，海流侵蚀冲刷了水深小于约250m的陆架－上陆坡区（浅滩和台地），产生主要由冰筏粗碎屑和火山砾组成的残副冰碛物沉积作用；在水深更大区域，海流对沉积作用的影响明显减弱，主要发生源自浅滩和台地上侵蚀作用的砂、粉砂沉积作用，沉积物往往是泥质砂和砂质泥，且随着水深的增大而逐渐变细（图1，表2）。在深水区沉积物中，冰筏产生的细－中砾仍然存在，但组成比例比浅水区低得多。在较陡的陆坡、岛坡上，沉积物重力流沉积作用普遍存在，产生近源沉积相；粗碎屑颗粒再沉积重新组合为砾石和粗砂（Jeffers,1988;Jeffers等，1991）。

表2布兰斯菲尔德海峡高水位/间冰期沉积模式

在中央海槽和南部下陆坡区（通常称为布兰斯菲尔德盆地的底部），沉积物主要由三种组分构成：最主要的为硅质生物组分，通常为硅藻；陆源碎屑组分，主要为石英质粉砂.在陆坡底部最为丰富；火山碎屑组分（包括火山灰），往往来源于邻近海底和陆地火山喷发，以沉积物中的浸染层和独立的火山灰层（有时达数厘米厚）出现。典型的盆底沉积物为含火山灰的硅质泥和软泥。火山岛屿、海山和轴向火山脊（可能为弧后扩张中心）产生沉积物的次级坡向迁移作用，堆积了火山碎屑沉积物（如欺岛附近的火山喷出物沉积区Ⅲ）。盆底轴向火山脊可作为盆地内沉积物横向迁移的屏障（Jeffers等，1991），因此，来自南设得兰群岛的火山碎屑组分往往与盆底的火山碎屑、硅质碎屑组分相分隔。

南设得兰群岛的海湾和岬角及其南侧的海底峡谷向邻近盆底输送了大量南设得兰群岛上的火山碎屑沉积物，形成扇形沉积区：相反，南极半岛陆架上的沟槽似乎并没有为盆底输送大量的陆源碎屑沉积物（Jeffers,1988;Jeffers等，1991），南极半岛下陆坡上同样沉积了硅质泥和软泥。柱状沉积物中出现间冰期的粗碎屑组分，可能是由陆架－陆坡上的沟槽沉积物滑塌堆积作用产生。南部陆架－上陆坡的残副冰碛物说明，南极半岛上的冰川似乎未产生大量的细颗粒沉积物或冰融水，输送细颗粒组分至其北侧的海底沉积。

低水位/冰期的沉积模式

由于柱状沉积物取样数量和测试分析资料的限制，本文无法勾绘出冰期冰海沉积物的类型分区。现根据柱状沉积物特征和地震剖面资料，综合收集到的国外文献，将低水位/冰期的沉积模式归纳如表3，并简单探讨如下：

表3布兰斯菲尔德海峡低水位/冰期的沉积模式

冰盛期，南极半岛陆架和南设得兰群岛岛架（台地）为席地冰盖所覆盖。在南设得兰群岛岛架，冰盖席地线大致位于现代海平面以下200～375m水深之间（Anderson,1989）；而推测南极半岛陆架上可能存在更厚的冰盖，席地线大致可达陆架外缘，陆架上的沟槽也许为席地冰盖所覆盖。地震记录显示，南极半岛陆架沟槽前缘存在沉积物楔状体，并可能达到750m水深，形成一个水深更大的台地。假如南极半岛的陆架一直为冰盖所覆盖，那么这些沉积体系可能将继续接受沉积。由此可见，在陆架、岛架浅水台地区，主要发生冰川侵蚀作用和砂砾等粗碎屑的沉积作用，而南设得兰群岛的海湾、岬角区遭受冰川作用的强烈侵蚀，粗碎屑沉积物向海方向迁移；在陆坡区，以陆架区侵蚀而来的沉积物前积于缺乏沟、槽的区域为特征；在中央海槽和南部下陆坡区（盆底），深海生物沉积作用明显减弱，局部存在浊积层。地震资料显示，在盆底现代深海沉积地层之下具有一套超覆层序，解释为浊积层，是一种槽谷口的前积沉积，其成因可能始于滑塌、滑坡和碎屑流。

参考文献

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PRELIMINARY DISCUSSION ON THE SEDIMENTARY ENVIRONMENT AND SEDIMENTATION MODEL OF THE BRANSFIELD STRAIT,ANTARCTICA

Wu Nengyou,Duan Weiwu and Cai Qiurong

（Guangzhou Marine Geological Survey,Ministry of Land and Resources,Guangzhou 510760）

Abstract

Bransfield Strait,located in the high-latitudes of sub-Antarctica,is an actively-spreading back-arc basin and the ideal area for study of the marine-glacial sedimentation and sedimentary environments of the types of marine-glacial sediment and their distribution on Bransfiled Strait,Antarctica since Late Pleistocene were inferred based upon various data such as the lithology,composition,microbiological thanatocoenoses and surface texture of quartz gra in of 43-site samples of superficial and core sediments recovered during HY4-901 cruise,1990～ to the features above,the sedimentary environments and depositional models during the high-stand water（interglacial stage）and low-stand water（glacial stage）were preliminarily marine-glacial sediments may be divided into two types:residual paratill and compound different types of marine-glacial sediment that show the different environments are of the various medium conditions,lithology·composition and microbiological present marine-glacial sediments may be divided into 7 data h ave provided us with an opportunity to examine the marine-glacial sedimentation models for a tectonically active basin in glacial and interglacial addition to obvious tectonic and glacial influences,the sedimentation models emphasize the influence of eustatic changes on sedimentation.

Key words:marine-glacial sedimentary environment,sedimentation model,Bransfield Strait,Antarctica

注释