白令海Navarinsky海底峡谷地震剖面解译

肖文涛，郑玉龙，张涛，高金耀

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012；2.国家海洋局海底科学重点实验室，浙江杭州 310012）

白令海Navarinsky海底峡谷地震剖面解译

肖文涛1，2，郑玉龙1，2，张涛1，2，高金耀1，2

（1.国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州 310012；2.国家海洋局海底科学重点实验室，浙江杭州 310012）

第五次北极科学考察在北极区的白令海首次进行了高分辨率单道地震作业。Navarinsky峡谷头部测线BL11－12剖面中部识别出不对称沙波，陡的一面朝向陆架，波高约为9 m、波长约为882 m。结合站位U1345的沉积速率及站位U1344表层纵波速率推测沙波沉积可以追溯到中更新世（距今约0.258 Ma），同时近陆架的洼地逐渐填平。将地层分为3个沉积层，分析沉积物变化情况，结合0.25 Ma以来白令海海平面变化历史，推测最大海退事件对应的界面。结合沙波的地理位置及海平面变化情况，认为内波对沙波的形成起主要作用。

Navarinsky海底峡谷；地震剖面；沙波

1 引言

海上单道地震具有技术系统、施工方法简单、配置灵活、激发能量强、探测范围广、高效且经济的特点，其应用范围也越来越广泛［1］。高分辨率的单道地震剖面可以较好的用来识别声学序列及深海底微小构造。通过白令海Navarinsky海底峡谷两条高分辨率地震剖面，识别出海底沙波及3个沉积层序。分析沙波形态特征，研究了沙波的成因。结合钻井资料及0.25 Ma以来海平面变化历史，初步推测了0.258 Ma以来该区地层的沉积过程。

2 研究区概况

陆架大部分被粉砂和黏土质粉砂覆盖，然而粉砂质砂和砂质粉砂区出现在沿着部分陆架坡折处和海底峡谷的头部［2］。Karl等分析在Navarinsky沙波区采集到的表层岩心样品，沉积物中包含的砂超过50%，平均粒径范围细砂－超细砂［3］。第五次北极科学考察在站位BL12、BL13（即测线BL11－12和BL12－13的末端）箱式取样得到的沉积物特征均为粉砂质黏土［4］。

陆架上有一个向北的流［5—6］；陆坡流西北方向，沿陆架坡折和陆坡，与等深线平行，平均流速5～10 cm／s［7—8］。

研究表明在Navarinsky海底峡谷存在大型床形单元［9］，波脊方向（走向北偏东5°）与等深线近似平行，与两个主要的峡谷轴部近乎垂直（见图1）。沙波区位于两条主要的峡谷轴线之间，沙波西北方向的峡谷轴线方向为55°，沙波东部的峡谷轴线方向70°。沙波区坡度约0.4°～0.5°。沙波区上部的外陆架坡度至少为0.2°，沙波区之下的上陆坡坡度为1°。沙波区面积约1 400 km2，限制在水深215～450 m，在水深300～350 m范围沙波发育最好［10］。更浅的水域沙波振幅明显减小，更深的水域床形单元通常被破坏成丘状形态。统计得到该区平均波长650 m，平均波高5 m；沙波单元得到的最大地层厚度为120 m，包含若干个交叉层（厚约20 m），不对称沙波更陡的一面指向陆架［3］。

图1 研究区概况及测线位置图（据文献［11］修改）Fig.1 Summary map of the study area and location of profile（modified from reference［11］）

IODP323航次在测线的东南方向30 km得到了站位U1345（图1），主要目的是研究邻近大西洋通道水深约1 008 m地方的高分辨率全新世－晚更新世古海洋。基于4个钻孔的研究，有孔虫生物地层基准（Lychnocanoma nipponica sakaii和Spongodiscua sp最近一次出现的时间）用来计算沉积速率［12］。单一的沉积速率28 cm／a似乎适合这个站位［13］。考虑到测线附近没有更相近的IODP／ODP站位，且U1345站位相邻近的地震测线W1174BS－001A与测线BL11－12难以做层位对比，文中只能将U1345的沉积速率用来对地层沉积时间做一个粗略的估算。参考同航次邻近站位U1344岩心前150 m的纵波速率，可以将测线表层150 m地层速率粗略定为1 569 m／s。据汤毓翔等［14］对白令海夏季水体温度的研究，白令海大部分水域温度垂直分布的突出特点是20～250 m中层水温度低于3℃。据水温与声速的一个简单关系，将研究区声速初步定为1 400 m／s。

研究区0.25 Ma以来出现3次最大海退（见图2），海平面变化统计特征见表1。NGDC下载的白令海水深数据，绘制出研究区水深图（见图3）。

表1 海平面变化统计Tab.1 Statistic for the change of sea level

图2 白令海0.25 Ma年以来海平面变化历史（据文献［15］修改）Fig.2 Sea level history in Beringia during the last 0.25 Ma（modified from reference［15］）

图3 研究区水深（数据来源NGDC）Fig.3 Bathygram of study area（data from NGDC）

3 调查方法

2012年7月初至9月底，第五次北极科学考察在白令海Navarinsky海底峡谷附近采集到两条单道地震的资料BL11－12和BL12－13，长度分别为56.0 km、96.4 km，后者格式转换后分为两段BL12－13_1－3000和BL12－13_3001－6456，通过SU软件将两段数据拼接起来。测线位置图如图1所示，附近有IODP站位U1345。

本次作业接收系统是Geo Resources公司的Mini－Trace I系统。单道缆采用Geo Resources的Geo－ Sense，电缆由甲板电缆、前导段、前部弹性段、工作段、尾部弹性段、尾绳及尾标等构成，有8个水听器接收阵，总长度为60 m。震源为PPC30000J等离子体脉冲震源，最大震源能量可达3万焦耳。放炮间距6 s，考察船航速5节，海况3～4级。

4 数据处理与剖面分析

4.1 数据处理

数据处理系统为Seismic Unix。BL11－12测线的原始剖面如图4所示，剖面前段数据质量太差，不能反映任何地层信息，因此截取地震道1647－3051，地层下部可以清析看到多次波，有效信息集中在上部，时间轴上截取0.3～1.0 s区间。

图4 BL11－12测线原始图Fig.4 Origin profile of BL11－12

随着能量的吸收衰减，震源信号越往下传播越弱，对数据进行增益处理（数据与时间幂相乘，幂取1），各层信号强度得到了一个很好的补偿。其后根据均方根值和均值进行到均衡，各道能量弱的地方得到补偿，使得剖面的连续性更好。最后对数据进行频谱分析，知道有效信号频率主要集中在250～800 Hz，设置带通滤波器200－250－800－900，滤波后的剖面如图4所示，干扰信号得到了很好的压制，地层更为清晰。

图5 测线BL11－12处理后的剖面Fig.5 Processed profile of BL11－12

测线BL12－13得到的原始剖面如图6所示，整条测线信号质量较好，可以清晰的看到有效信号层和多次波，与BL11－12测线相同进行数据增益，剖面上各层能量得到很好的均衡。接着对数据进行均衡处理，各道之间能量达到均衡，地层连续性更好。截取时间轴区间0.15～0.45 s的剖面，对信号进行频谱分析，有效信号能量主要集中在250～800 Hz，设置带通滤波器200－250－800－900进行滤波，得到剖面如图7所示。

图6 测线BL12－13原始剖面Fig.6 Origin profile of BL12－13

图7 测线BL12－13处理后的剖面Fig.7 Processed profile of BL12－13

4.2 剖面分析

由图1紫色线条圈闭区为Karl等勘察得到的沙波位置，测线BL11－12处理出来的资料1647－3051道刚好穿过Navarinsky峡谷头部沙波区，结合处理得到的剖面图，可以解释表面波浪形构造为沙波。由BL11－12剖面图，可以粗略的估计BL11－12所穿过的上陆坡坡度为0.57°，与Karl和Carlson得到的坡度约0.4°～0.5°相吻合；测线水深范围在465～252 m，其中沙波出现在水深403～252 m范围内。从剖面上统计得到沙波波高约9 m，波长约为882 m，与Karl和Carlson得到的该区域沙波描述基本吻合，陡坡角度约1°，对称指数（缓坡／陡坡）1.75，缓陡坡区别不太明显，对称性较好。理论上根据沙波的形态来区分其运动特性，测线BL11－12得到的沙波是不对称的，陡的一面朝陆架方向，一般认为是可移动沙波。沙波层向陆架方向相对减薄，下伏地层为平形反射层。

图8 BL11－12剖面地层划分Fig.8 Stratigraphic division of Profile BL11－12

图9 BL12－13剖面地层划分Fig.9 Stratigraphic division of Profile BL12－13

A1、A2、B1、C1、C2五层5 000炮之前的地层底面可以看到一些沙波构造，总体上沙波的波高和波长明显比BL11－12剖面上的小，规律性上也要差。A1层底面沙波波高最小，越往下沙波越为明显。2 500炮附近地层底面有一个大型沙波，波高约9 m，波长4 478 m。

5 000炮附近有一个明显的沉积洼地，总体长度约15 km，下凹约36 m，越往上部洼地越平坦，往下洼地越明显。可以设想这样一个沉积过程，中更新世0.237 Ma以来，最低海平面－122 m、－133 m条件下，陆架大部分暴露出来，大量从陆架来的沉积物迅速充填了该大型洼地。

5 Navarinsky峡谷沙波成因讨论

5.1 沙波特征统计

BL11－12测线1647－3051道剖面为穿过Navarinsky峡谷头部沙波区段（见图1），从剖面上统计得到沙波平均波高与Karl和Carlson得到的该区域沙波描述基本吻合（表2），陡坡角度1°，对称指数（缓坡／陡坡）1.75，缓陡坡区别不太明显，对称性较好。

表2 沙波特征对比Tab.2 Comparison of sand wave feature

测线BL11－12的地层划分如图8，沙波是多期次叠加形成的，从剖面上可以分出A、B、C 3个期次，D期次沙波结构模糊。A、B、C三层总厚度约72.1 m，总的沉积时间尺度约为0.258 Ma，说明沙波沉积可以追溯到中更新世。测线BL12－13剖面可以划分出A1、A2、B1、C1、C2 5个沉积层（图9）。五层总厚度约74.5 m，沙波总的沉积时间尺度约为0.268 Ma（见表3），沙波形成可以追溯到中更新世。

沙波区外的测线BL12－13处理后得到的剖面地层都非常清晰，BL12－13海底面没有出现沙波，下部地层出现沙波，总体上沙波的波高和波长明显比BL11－12剖面上的小，规律性上也要差，且越往下部沙波越明显。说明随着时间推移水动力条件越不适合大范围沙波的形成。两条测线剖面上沙波特征差异可能与所处陆坡坡度有关（表2），合适的坡度有利于营造形成沙波的水动力条件。

表3 地层统计Tab.3 Statistic for stratum

测线BL11－12、BL12－13之间只有很小的间隔，可以近似的认为是一条测线，地层上应该是连续的。比较测线BL11－12、BL12－13地层厚度，发现BL11－12剖面A层厚度与BL12－13剖面A1、A2层的厚度之和较为相近，可以近似认为是同一套地层。BL11－12剖面B层厚度与BL12－13剖面B1层厚度较为相近，可以近似认为是同一套地层。BL11－12剖面C层厚度与BL12－13剖面C1、C2层厚度较为相近，可以近似认为是同一套地层。

初步计算得到B、B1层底部对应的时间0.125 Ma，这个时间点对应倒数第二次冰期最大海退，这与B层底部与C层上部，B1层底部与C1层上部有沉积物组成上有明显不同相吻合。

5.2 物源距离

Navarinsky峡谷沙波区最近的沉积物源，北面是位于俄罗斯的阿纳德尔河，东面是阿拉斯加的育空河，距离超过400 km。少量碎屑可能来自St.Matthew岛和Pribilof岛，并且少量沉积物可能源于冬季冰的漂浮物。0.24 Ma以来周期性的海退、海进，且海退跨越的期间更长，海退期间大部分陆架暴露在外面，为沉积物的运移提供了通道，同时也缩近了陆源到沙波距离，使得细砂－超细砂运移到沙波区成为可能。沙波区与古海岸线的距离随着海平面波动不断变化（表4），低的海平面有利于粒度大的沉积物运移到沙波区，高的海平面表现为粒度细的沉积物运移到沙波区。

表4 海平面变化下测线与古海岸线距离Tab.4 Distance between the profile and paleoshore line with the changs of sea level

沙波是在0.25 Ma以来的历史产物，说明海平面降低有利于沙波的形成。研究区沉积物基本上由泥、砂组成，地层剖面上可以初步看到沉积物粒度变化，说明地层沉积物粒度对海平面变化有一个很好的响应。

5.3 沙波成因讨论

Hand［18］认为Navarinsky峡谷沙波是由浊流形成的，冬季陆架水足够的冷或高的盐度得到密度大于1.027 g／cm3的水体，该稠密的水体沉入海底，越过陆架边缘，在峡谷头部的陆坡获得一个约40 cm／s的速度，推测这些高速流一次持续数周。但是，冬季白令海陆架水体结构研究表明，该稠密的、长期的、高速底流不可能在陆架边缘出现。从历史记录来看，白令海冰缘从没有到陆架坡折外［19］，并且冰边缘区通常是融水区，密度明显低于1.027 g／cm3，从陆架的1.025 7 g／cm3到陆架边缘小于1.026 2 g／cm3［6］。Schumacher等［20］研究了圣劳伦斯岛南部白令海陆架冰间湖冰形成期间盐水排斥现象。冰的形成伴随了有力的风，确实产生了与流向白令海峡反向的密度驱动流。然而，这些倒转流的持续时间（几天）和流速（小于10 cm／s）远小于Hand设想的。

Karl［21］认为内波起源和浊流起源都是合理的，沙波出现在一个非常特殊的深度范围或峡谷头部附近，Hand的模型不能解释这两个事实，所以其更倾向于沙波在更新世期的低海平面时形成，并且内波流可能是形成沙波的主要机制。Southard和Caccione［22］在实验室证明破碎的内波能够产生床形单元。峡谷物理形态上的结构也能增大如日潮和半日潮的水运动［10］。表面潮和内潮产生的低频率双向水运动，能够产生对称沙波或产生沙波的高频率内波。与Navarinsky沙波在形状和大小上非常相似的沙波出现在远离France大陆边缘附近区域（La Chapelle bank）（见表2），它们被认为是由内波形成的［17］。

从上述内容可以认为沙波区沉积物粒度较附近其他区域大，说明沙波区水动力条件较强，且刚好适合细砂－超细砂的沉积。如果认为是潮汐作用形成沙波，那么潮汐强度应该是越靠近陆架越强。因此不认为沙波是潮汐作用形成的，而是在峡谷头部这一特殊区域能量显著增强的内波作用结果。

从图8、9剖面上，统计出沙波的水深范围（见表5）。即使海平面降低最大情况下，沙波最深的位置在270 m，这样的水深潮汐作用微弱，不可能有效作用于粒度为细砂－超细砂的沉积物。

表5 沙波水深统计Tab.5 Statistic for the depth of sand wave

从沙波区地震剖面图8得到，沙波是不对称的，Shepard等研究表明许多海底峡谷以往峡谷上或下的净流为特征，该现象可能是Navarinsky峡谷不对称沙波的原因。且陡坡在图8剖面基本上是指向上坡方向，结合沙波迁移方向与内波传播方向相反的特点，说明形成沙波的内波大体上是沿着下坡传播，也有沿着上陆坡传播的情况。结合图1知道沙波迁移方向与等深流几乎垂直，用等深流及浊流成因来解释这一现象较为困难。

综上所述，虽然大陆架上大小差不多的大型沙波和沙丘归因于单向流和非常强的潮汐，但是在白令海上陆坡Navarinsky峡谷头部的沙波不太可能是潮汐作用的结果。在所有可能形成沙波的流（边界流、气象驱动流、密度流、表面潮汐流）中，只有内波产生的底流才可能形成与上述沉积物波在形态、大小和位置方面相吻合的特征。

6 结论

（1）测线BL11－12水深范围在465～252 m，其中沙波出现在水深403～252 m范围内。统计得到沙波平均高度约9 m，平均波长882 m。陡坡角度1°，对称指数（缓坡／陡坡）1.75，陡的一面指向陆架方向，缓陡坡度区别不太明显，对称性好。测线BL12－13水深范围在232～137 m，海底面没有出现沙波，下部地层出现沙波，总体上沙波的波高和波长明显比BL11－12剖面上的小，规律性上也要差，且越往下部沙波越明显。说明随着时间推移，水动力条件越不适合大范围内沙波的形成。两条测线剖面上沙波特征差异可能与所处陆坡坡度有关，合适的坡度有利于营造形成沙波的水动力条件。

（2）剖面BL12－13上2500炮附近有地层底面有一个大型沙波，波高约9 m，波长4 478 m。5 000炮附近有一个明显的沉积洼地，总体长度约15 km，下凹约36 m。

（3）将剖面BL11－12划分为A、B、C、D四层，剖面BL12－13划分为A1、A2、B1、C1、C2五层。通过厚度上的比较，初步认为A层与A1、A2层为同一套地层，B层与B1层位同一套地层，C层与C1、C2层为同一套地层。

（4）分析A、B、C三层沉积物变化情况，结合0.25 Ma以来白令海海平面变化历史，推测B层底部对应海海平面最低的倒数第二次冰期最大海退。

（5）沙波总的沉积时间尺度约为0.258 Ma，说明沙波的形成可以追溯到中更新世。综合前面的结论认识，对于Navarinsky峡谷沙波成因上倾向于内波成因。

致谢：数据采集依托第五次北极科学考察，对参加航次的全体船员与考察队员表示感谢！

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Interpretation to the seismic profile of Navarinsky Canyon，Bering Sea

Xiao Wentao1，2，Zheng Yulong1，2，Zhang tao1，2，Gao Jinyao1，2

（1.Second Institute of Oceanography，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China；2.Laboratory of Submarine Geosciences，State Oceanic Administration，Hangzhou 310012，China）

High resolution single channel seismic operation was carried out in the Bering Sea during the 5th Chinese National Expedition.Asymmetric sand waves were identified on line BL11－12 seismic profilein the head of Navarinsky Canyon.The steep faces of asymmetric sand waves were on-shelf direction，the averaged wave height was 9 m and length was 882 m.There was a sedimentary depression at the end of line BL11－12 seismic profile.Combined the sedimentation rate of site U1345 and Vp of superficial sediment at site U1344，Infered that sand waves began deposit and sedimentary depression was filled since the Middle Pleistocene（about 0.258 Ma）.Stratum was divided into three sediments.Analyzing changes of grain size on the profile，we can speculate the surface relating to the maximum regression combined with the change of the bering sea level.Taking every aspect into consideration，draw conclusion that sand waves formed during the low sea level in Middle Pleistocene，and internal wave played a significant role.

Navarinsky Canyon；seismic profile；sand waves；5th Chinese National Arctic Expedition

P738

A

0253-4193（2014）10-0061-08

2013-12-25；

2014-07-25。

南北极环境综合考察与评估专项（CHINARE 2012－03－03）；中国极地科学战略研究基金（20100210）；海洋公益性行业专项经费项目（200905024－3）。

肖文涛（1989—），男，江西省樟树市人，主要从事海洋地质研究。E-mail：xwtaohd＠126.com

肖文涛，郑玉龙，张涛，等.白令海Navarinsky海底峡谷地震剖面解译［J］.海洋学报，2014，36（10）：61—68，doi.10.3969／j.issn.0253-4193.2014.10.007

Xiao Wentao，Zheng Yulong，Zhang Tao，et al.Interpretation to the seismic profile of Navarinsky Canyon，Bering Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（10）：61—68，doi.10.3969／j.issn.0235-4193.2014.10.007