孟加拉扇沉积作用与古气候研究进展

李景瑞, 刘升发, 吴建政, 冯秀丽, 孙兴全, 曹 鹏, 王宇童, 石学法



孟加拉扇沉积作用与古气候研究进展

李景瑞1, 2, 刘升发2, 3, 吴建政1, 冯秀丽1, 孙兴全1, 曹 鹏2, 王宇童4, 石学法2, 3

(1. 中国海洋大学 海洋地球科学学院, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 山东 青岛 266100; 2. 国家海洋局第一海洋研究所, 海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室, 山东 青岛 266061; 3. 青岛海洋科学与技术国家实验室, 海洋地质过程与环境功能实验室, 山东 青岛 266061; 4. 青岛二中, 山东 青岛 266200)

“气候-构造-沉积”耦合问题是全球变化研究的重要内容, 孟加拉深海扇作为世界第一大浊积扇, 沉积物主要来自喜马拉雅山及青藏高原的侵蚀物质, 且处于亚洲两大季风区之一的印度季风区, 是研究三者相互关系的天然实验室。通过总结该区前人研究成果, 对孟加拉扇沉积作用与古气候研究现状进行了综述, 提出了该区尚存争议的主要科学问题并展望了今后的研究方向。研究认为, 除来自喜马拉雅山和青藏高原的物质外, 孟加拉扇还受到印度、东南亚大陆等源区的影响, 另外还有少量生物沉积和火山来源物质等。孟加拉扇沉积物以细粒物质为主, 扇体表面遍布浊流通道。浊流和等深流是孟加拉扇主要的沉积动力机制。目前对孟加拉扇扇体沉积模式及其在青藏高原隆升、孟加拉扇“源-汇”过程、“气候-构造-沉积”耦合研究中的作用仍存在不同见解, 尚需更加深入的研究。

孟加拉扇; 高原隆升; 印度季风; “源-汇”; 沉积记录

孟加拉扇, 1953年首次由Dietz发现, 1971年由Curray和Moore组织进行了第一次系统调查和研究, 命名为孟加拉扇并一直沿用至今[1]。孟加拉扇是世界上最大的海底扇, 长3 000 km多, 宽1 000 km左右, 最大厚度达16.5 km[1-3]。孟加拉扇的形成与印度和亚洲板块的碰撞有关, 发育自早始新世时期, 主要是恒河和布拉马普特拉河(流经中国境内部分称为雅鲁藏布江, 以下简称“布河”)输运的喜马拉雅山及青藏高原物质经由浊流作用搬运沉积而成[4]。对于浊流活动的强度随时间的变化、水道的分布和迁移、物质来源组成等科学问题前人都已做过相关研究[5-9], 如Emmel和Curray[9]认为自最后一次海平面上升以来主要水道已被遗弃; Weber等[5]指出浊流沉积在海平面上升时期及高水位期仍然活跃, 生长发育的峰值在新仙女木期的末期; Tripathy等[6]认为其主要源区为喜马拉雅山, 同时还有印度大陆等次要物源区等等。喜马拉雅山及青藏高原物质侵蚀并经河流输运至孟加拉扇沉积是一个典型的“源-汇”过程, 高原隆升的不同阶段和不同强度导致侵蚀物质通量的差异必然会在孟加拉扇沉积中得到记录, 因而扇体沉积包含着丰富的高原隆升信息, 而该过程又不可避免地受到气候的影响。此外, 海洋沉积物还记录了海洋物理化学过程以及全球变化信息[10]。然而, 目前关于青藏高原隆起的时代、形式、高度及对亚洲季风乃至全球古气候演化的影响尚存分歧, 这也导致近年来“气候-构造-沉积”三者之间的耦合关系成为孟加拉湾研究的热点问题。本文比较系统地总结了孟加拉扇沉积特征、浊流及等深流沉积、扇体沉积模式、“源-汇”过程及扇体沉积对构造和气候变化尤其是季风变化的响应等方面的研究进展, 并评述其现存问题和未来发展方向。

1 孟加拉扇沉积环境与特征

1.1 地形地貌与构造地质演化

孟加拉湾位于印度洋的东北部(图1), 周边被斯里兰卡、印度、孟加拉国、缅甸、安达曼海、巽他弧和苏门答腊岛围绕。孟加拉湾陆架范围较小, 北部和东北部陆架相对西部陆架为宽。向海一侧陆架平均水深183 m, 陆坡发育有大型海底峡谷——“无底大峡谷”, 该峡谷头部深刻入陆架, 头部水深约为38 m, 峡谷向南持续约160 km, 作为一个长而直的水道到达水深1 400 m处, 平均梯度8.2 m/km, 由此输运沉积物至陆坡下形成了世界第一大深海扇—孟加拉扇, 它基本覆盖了整个孟加拉湾20°N~7°S之间的1 400~ 5 000 m的水深范围[1, 11]。孟加拉扇发育自早始新世时期, 与印度和亚洲碰撞后隆升而形成的喜马拉雅山和青藏高原有关[4]。孟加拉湾地处印度板块东缘, 其东为印度板块向欧亚板块俯冲的碰撞消减带。东北印度洋的演化可分为4个阶段[12-13]: (1)127~85 Ma: 印度开始与澳大利亚和南极洲分离, 分离方向几乎与NE-SW延伸的印度大陆边缘垂直, 孟加拉湾新海底开始形成; (2)90~53 Ma: 板块边缘重组, 分离方向转为近N-S方向, 印度大陆迅速向北移动, 于早始新世与欧亚板块碰撞; (3)53~32 Ma: N-S向扩张结束, 澳大利亚和南极洲开始分离, 印度洋东南扩张脊形成, 东印度洋沿此在NE-SW方向扩张, 印度、南极洲、澳大利亚进一步分离; (4)32 Ma以来: 东印度洋沿东南印度洋底扩张脊增生, 并于巽他俯冲带消减形成现今格局。尽管印度和亚洲大陆的软碰撞时期(~59 Ma)可以视为孟加拉扇的初始发育点, 但主要的沉积物供应还是始于中中新世时期的硬碰撞(~15 Ma)之后, 孟加拉扇向南部持续进积[3]。

A. 青藏高原及喜马拉雅山; B. 印度大陆; C. 斯里兰卡; D. 东南亚; E. 印尼(多巴湖火山); F. 中印度盆地

A. the Tibetan plateau and the Himalayas; B. Indian continent; C. Sri Lanka; D. Southeast Asia; E. Indonesia (Toba volcanic); F. Central Indian Basin

1.2 输运系统与动力特征

孟加拉湾主要入海河流如图1所示。恒河和布河是本区最主要的两条河流, 具有本区最高的沉积物供应速率[14], 其他较大的河流包括克里希纳河、戈达瓦里河、默哈纳迪河、伊洛瓦底江等(图1, 表1)。孟加拉湾表层环流受印度季风控制, 呈现明显的季节变化: 冬季盛行东北风, 表层环流呈逆时针方向; 夏季盛行西南风, 表层环流呈顺时针方向(图2)。邱云等[15]总结了孟加拉湾上层环流研究的主要成果并指出, 孟加拉湾上层环流与季风转换并不完全同步, 在西南季风期间, 南、北海区各有一气旋式环流; 在东北季风期间, 气旋式环流减弱北移, 南部则为一反气旋式环流控制; 在秋季和春季过渡期间, 分别形成海湾尺度的气旋式环流和反气旋式环流。东印度沿岸流的季节变化与季风转换也不同步, 局地风、内部Ekman抽吸、远地沿岸风及赤道远地作用的影响对沿岸流周年变化有重要作用。由于受观测所限, 目前对孟加拉湾上层季节环流的认识还不完全, 尤其缺乏对其年际、年代际变化的相关研究成果, 因此尚需更为系统的观测分析和深入的理论研究。在深海动力方面, 方念乔等[16-17]从沉积物角度指出, 东北印度洋主要存在3种深水动力沉积机制: 由重力滑塌作用诱发的浊积活动、由南大洋洋流体系引导并控制的等深积活动以及由生物壳体堆积、雾浊层、风生堆积和火山灰堆积联合作用下的远洋/半远洋沉积活动。浊流活动主要位于陆坡地带, 等深流活动受90°E海岭所阻, 主要位于其西侧, 并折返南下[16-17]。对于大洋深层水对本区的影响, Ahmad等[18]通过对浮游和底栖有孔虫O和C的研究证实其受到来自北大西洋深层水和南大洋深层水的影响, 而现代东北印度洋13C 值反映了北大西洋深层水和南大洋深层水之间的平衡[18-20]。