亚洲大陆边缘海底峡谷的形态、分布及演化进程

王雁冰，韩喜彬，胡智龙，赵 宁， 阳凡林，葛 倩，许 冬，高金耀

(1.山东科技大学 测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590；2.自然资源部 海底科学重点实验室， 浙江 杭州 310012；3.自然资源部 第二海洋研究所，浙江 杭州 310012)

0 引言

海底峡谷是大陆边缘显著的负地形，一般呈窄而深的长条状，长度几十至上百公里，宽度几百至几千米，跨深几百至上千米，横剖面常呈现“V”字型、“U”字型，及“VU”复合型[1-2]，常分布在大陆架、大陆坡及陆架坡折带，如亚洲大陆边缘的白令海[3]、东海[4]、南海[1,5-6]以及孟加拉湾[7]等海域。海底峡谷是陆缘沉积物输移至深海的主要通道之一[4]，因内部极易形成滑坡和侵蚀性浊流/重力流而产生形态演化[8-9]。

一些学者对亚洲大陆边缘部分海底峡谷的分布及形态演化开展了研究[1,3-9]，但是受数据质量或获取条件等的限制，对诸如千岛盆地、日本海、马来群岛岛礁区以及亚洲大陆南部边缘等大范围海域内峡谷的认知仍存在不足，需要通过更多方法和手段来获取峡谷的信息。一些研究探索了识别峡谷的方法，如栾坤祥[10]以SRTM15_Plus与多波束水深数据为基础，构建了具有较高准确度的基于人工监督的自动识别方法；HARRIS et al[11]基于ETOPO1数据，利用地形表面流水分析的方法实现了全球海域内大型峡谷的识别；还有学者建立了基于地表几何形态分析和图像处理技术等的峡谷识别方法[12-13]。

本文采用地形表面流水分析与等高线几何分析相结合的方法，基于SRTM15_Plus数据，对亚洲大陆边缘的海底峡谷进行识别和分类统计，根据峡谷的形态与分布，结合区域构造背景分析其形态演化进程，为海底峡谷等地貌的形成和演化提供参考。

1 区域地质背景

大陆边缘通常指大陆与洋盆之间的过渡地带，具有大陆架、大陆坡、大陆隆、岛弧以及深海海沟等地貌单元。亚洲大陆边缘位于欧亚板块、太平洋板块和印度-澳大利亚板块三大板块的碰撞、汇聚区，是全球独特的复合型大陆边缘，存在众多海底峡谷，近深海侧以海沟地貌为陆缘边界(图1)。

图1 研究区位置及构造简图(据文献[14-15]修改)Fig.1 The location and structural map of the study area(modified from references[14-15])

亚洲大陆东部边缘是世界上构造最复杂的陆缘之一，属于西太平洋主动大陆边缘，在西太平洋板块的俯冲与回卷作用下，形成了众多沟-弧-盆体系[16]。南部陆缘属于被动大陆边缘，在印度洋板块俯冲作用下形成众多沟-弧体系，发育一系列大陆边缘盆地[14]。在板块挤压和碰撞等作用下，区域内形成一系列环太平洋地震带，地震带自阿留申群岛、勘察加半岛、千岛群岛至日本群岛南端分两支延伸，一支向西南经琉球群岛，至菲律宾转向东南至苏拉威西岛，又经所罗门群岛、新赫布里底群岛至新西兰；另一支向东南经马里亚纳群岛、关岛至雅浦岛[17]。

2 数据与方法

2.1 数据

本文采用SRTM15_Plus全球测深和地形数据(https:∥docs.gmt-china.org/5.4/dataset/earth_relief/)，范围为40°E—180°E，15°S—60.5°N，其中海底深度数据由船舶探测与卫星测高预测深度结合生成，高程模型使用15″的采样间隔，空间分辨率为0.5 km[18]。本文将研究区分为：东北海域(118°E—180°E，28.5°N—60.5°N)、东南海域(91°E—180°E，15°S—28.5°N)和西南海域(40°E—91°E，15°S—28.5°N)3个区域(图1)。利用Global Mapper 20软件进行数据切割和统一坐标系，得到3个区域的数字高程模型。

2.2 海底峡谷识别

以数字高程模型为基础，采用地形表面流水分析与等高线几何分析相结合的方法[11,13]，将海底峡谷模拟成地表径流，汇水线作为峡谷中轴线的参考线[13]，根据等高线剔除不合理的参考线[11]。提取峡谷的中轴线长度(L)、头部深度(Do)、尾部深度(De)和头尾直线距离(Lc)信息(图2)，根据峡谷中轴线长度与头尾直线距离计算峡谷的弯曲度(tor=L/Lc)，中轴线的识别和弯曲度的计算均通过ArcGIS软件实现。利用Global mapper软件对峡谷宽度W、下切深度D等地貌因子(图2c)进行提取。依据以下4条标准[11]判断“峡谷中轴线”是否为海底峡谷：(1)峡谷头部在大陆架、大陆坡、陆架坡折带或海底高原等位置；(2)峡谷的头部水深Do不超过4 500 m；(3)峡谷跨深Dc(Do—De)大于1 km；(4)峡谷宽深比小于150∶1，即峡谷的100 m等深线向陆弯曲的部分大于15 km，并且峡谷的最大下切深度大于100 m。

图2 海底峡谷相关特征因子展示Fig.2 Display of related characteristic factors of submarine canyon (图中Do为峡谷头部深度，L为中轴线长度，De为峡谷尾部深度，Dc为峡谷跨深，Lc为峡谷头尾直线距离， W为峡谷宽度，D为峡谷下切深度。) (Do is the depth of the canyon head, L is the length of the central axis, De is the depth of the canyon tail, Dc is the depth range of the canyon, Lc is the straight line distance from head to tail, W is the width of the canyon, D is the down cutting depth of the canyon.)

赵月霞 等[9]按平面形态将峡谷分为直线型、蛇曲型、树枝型。直线型和蛇曲型同属于支谷不发育的线型峡谷，二者的弯曲度不同，直线型的弯曲度一般小于1.15，蛇曲型的一般大于1.2。树枝型则发育有若干支谷。本文以弯曲度1.2区分直线型与蛇曲型，以是否发育支谷判别直线型/蛇曲型与树枝型，树枝型峡谷的主干谷和支谷的形态示意图见图3。通过ArcGIS软件将峡谷的中轴线形态展示出来(图4)，并将每一条峡谷的位置、长度、跨深以及形态等信息录入数据库，用于分布特征的分析。在树枝型峡谷的数量统计中，将主干谷和支谷视为单一峡谷计数，如图3中A、B和C为一组树枝型峡谷，包括1条主干谷和2条支谷，图3中树枝型峡谷数量总计为3条。

图3 树枝型峡谷模型Fig.3 The model of dendritic canyon

图4 3种形态的海底峡谷Fig.4 Three types of submarine canyons

2.3 海底峡谷识别验证

通过对比图像识别峡谷与实际区域内已知峡谷的分布，来验证该分析方法的可靠性与准确性。图5为南海东北部图像识别峡谷群与该区域实际澎湖峡谷群[6]的对比。澎湖峡谷群已知的峡谷为18条，本文识别出15条，识别准确率为83.33%。图中1～3号峡谷未能识别出；4～6号峡谷虽然在长度上与已知峡谷存在一些差异，但主干谷的位置均可对应；7号峡谷的识别结果精确地显示了支谷的中轴线。对比图像识别结果与同经纬度位置的地形地貌(图6)，发现峡谷的中轴线可以准确表现峡谷的地貌形态，证明图像识别结果是准确的。

图5 海底峡谷识别验证Fig.5 The verification of identify results of submarine canyon (已知的峡谷分布引自文献[6]) (The definite canyon distribution are cited from reference[6])

3 结果

在亚洲大陆边缘共识别出531条海底峡谷，以直线型最为发育，树枝型次之，蛇曲型最少，数量分别为239条、217条和75条(表1)。另外分别对东北、东南和西南海域内树枝型峡谷的主干谷和支谷的数量进行统计,结果见表2。

表1 亚洲大陆边缘3个海域内的海底峡谷类别及数量Tab.1 The category and number of submarine canyons in three sea regions on the edge of the Asian Continent

表2 3个海域内树枝型峡谷主干谷与支谷数量Tab.2 The number of main and branch valleys of dendritic submarine canyons in the three sea regions

在东北海域共识别出245条海底峡谷，以直线型最为发育，树枝型次之，蛇曲型最少(图7)，分别有143条、84条和18条。直线型主要分布在白令海、千岛盆地与日本海，总体呈现W—E走向、NW—SE走向和WSW—ENE走向；树枝型主要分布在南海海槽、日本海沟与伊豆小笠原海沟交界海域，主干谷共有32条，其中26条为直线型，6条为蛇曲型，总体呈现W—E走向，少数呈现N—S走向；蛇曲型散乱分布在白令海和千岛海沟附近。

图7 亚洲大陆边缘东北海域海底峡谷分布Fig.7 The distribution of submarine canyons in northeastern Asian Continent Margin

日本沟-弧-盆及周围海域内峡谷数量最多，包括88条直线型、61条树枝型和6条蛇曲型；白令海沟-弧-盆海域次之，包括29条直线型、13条树枝型和10条蛇曲型；千岛沟-弧-盆海域也较多，包括26条直线型、10条树枝型和2条蛇曲型。

在东南海域共识别出235条海底峡谷(图8)，以树枝型最为发育，直线型次之，蛇曲型峡谷最少，3种峡谷分别有113条、70条和52条。直线型散乱分布在南海周缘与马来群岛岛礁区；树枝型主要分布在南海与苏门答腊俯冲带，主干谷共有42条，其中14条为直线型，28条为蛇曲型，在南海东北部与东南部呈现近NW—SE向，在苏门答腊俯冲带呈现NE—SW向与NNE—SSW向；蛇曲型主要分布在孟加拉湾东部区域，呈现近NNW—SSE向与NW—SE向。

图8 亚洲大陆边缘东南海域海底峡谷分布Fig.8 The distribution of submarine canyons in southeastern Asian Continent Margin

在亚洲大陆东南区域，马来群岛岛礁区内识别出的峡谷数量最多，包括28条直线型、23条树枝型和11条蛇曲型；南海海域次之，包括17条直线型、27条树枝型和7条蛇曲型；在苏门答腊俯冲带识别出9条直线型、28条树枝型和13条蛇曲型；在孟加拉湾东部海域识别出8条树枝型和15条蛇曲型；在冲绳海槽东侧识别出的海底峡谷包括1条直线型与2条树枝型；在东海识别出4条直线型和5条树枝型；在吕宋岛弧东侧识别出4条直线型和2条树枝型；在珊瑚海周围识别出7条直线型、18条树枝型和6条蛇曲型。

在亚洲大陆西南海域共识别出51条海底峡谷(图9)，以直线型最为发育，树枝型次之，蛇曲型最少，数量分别为26条、20条和5条。直线型与蛇曲型峡谷在阿拉伯海周缘散乱分布，总体呈现NE—SW走向；而树枝型主干谷共有8条，7条为直线型，1条为蛇曲型，总体呈现WSW—ENE走向，主要分布在阿拉伯海区域。

图9 亚洲大陆边缘西南海域海底峡谷分布Fig.9 The distribution of submarine canyons in southwestern Asian Continent Margin

阿拉伯海西北部海域内峡谷数量最多，包括7条直线型、18条树枝型和1条蛇曲型；其他海域内海底峡谷数量较少，呈散乱分布。

4 讨论

已有的研究表明，在浊流/重力流冲刷[8]或断裂构造[19-20]等作用下，海底会形成冲沟或张性断层等地貌。直线型峡谷与冲沟和张性断层在形态上高度相似。亚洲大陆边缘海底的直线型峡谷密集分布在千岛盆地、白令海盆地以及南海等海域，已有的研究表明在这些区域内断裂活动与浊流侵蚀活动强烈[3,5,21]。根据形态和区域地质背景分析，直线型峡谷很可能是冲沟和断层等地貌在浊流冲刷和块体搬运作用下形成的早期峡谷形态。

在峡谷的演化中可能存在“直线型—蛇曲型”的进程。如台湾浅滩南峡谷，受NW向断裂构造作用形成了峡谷雏形，经沉积流的长期侵蚀，峡谷表现为直线型，随着浊流的持续侵蚀，峡谷延伸至下陆坡区，受海山的阻隔转为近E—W向[5]，总体呈现为蛇曲型。一些研究发现海山、泥底辟和构造台地等海底地形会改变峡谷的路径，使峡谷的弯曲度增大[20]，这可能也体现了峡谷“直线型—蛇曲型”的演化。本文识别显示，在亚洲大陆边缘，蛇曲型峡谷数量极少，主要集中分布在孟加拉湾东部俯冲带。该区域内构造变形活动强烈，如在中上新世形成NW—SE向的苏门答腊右旋走滑断裂以及在早更新世形成的若开褶皱带[22]，该褶皱带上存在众多走向上叠置与分叉的背斜构造[23]。根据构造活动发生的时期推测，该区域在走滑断裂作用下形成了早期峡谷，后因构造变形作用，海底地形发生剧烈改变，峡谷的走向发生突变或多变，即从直线型逐渐演化为蛇曲型。该演化进程与毛凯楠 等[20]研究结果基本一致。

赵月霞 等[9]研究东海陆坡区的树枝型峡谷时，发现主干谷形态多数为蛇曲型，推测可能存在“蛇曲型—树枝型”的演化进程，断裂和浊流侵蚀使蛇曲型峡谷与邻近沟谷相连接逐步演化为树枝型。本文识别的树枝型峡谷密集分布在日本海沟、伊豆小笠原海沟和南海海槽交界处，南海以及苏门答腊俯冲带海域，这些区域是地震和火山活动频发区[24-26]。研究发现[17,27]海底地震会诱发侵蚀型浊流/重力流的产生，火山活动为浊流提供物源。推测这些区域的峡谷在地震、火山引发的浊流的侵蚀下，逐渐与周围沟谷相连接演化为树枝型。本文研究发现树枝型峡谷的主干谷存在直线型与蛇曲型两种形态，可能也与该演化进程有关。

5 结论

本文利用地形表面流水分析与等高线几何分析结合的方法在亚洲大陆边缘共识别出531条海底峡谷，将其分为直线型、蛇曲型与树枝型，分别有239条、75条和217条。每种形态的峡谷分布存在区域性，直线型峡谷主要分布在白令海盆地、千岛盆地、南海等区域；蛇曲型峡谷主要分布在孟加拉湾东部俯冲带海域；树枝型峡谷主要分布在在日本海沟、伊豆小笠原海沟和南海海槽交界处，南海以及苏门答腊俯冲带海域。根据峡谷的分布与形态，结合研究区的地质构造背景等，认为峡谷可能存在“直线型—蛇曲型”和“直线型/蛇曲型—树枝型”的形态演化，直线型峡谷在海底地形的影响下可能会演化为蛇曲型，直线型/蛇曲型峡谷在浊流/重力流侵蚀的作用下，与邻近沟谷相连接演化为树枝型。