楚科奇海北部浅地层结构对古冰川活动的指示

李官保,周庆杰,华清峰,王景强,刘晨光,刘保华

(1.自然资源部 第一海洋研究所,山东 青岛266061；2.自然资源部 海洋地质与成矿作用重点实验室,山东 青岛266061；3.国家深海基地管理中心,山东 青岛266237)

在第四纪冰期,南北极地区的冰川活动多次扩展至陆架地区,甚至抵达陆架外缘[1-4]。陆架冰川活动在海床表层和浅层留下了大量特征性地形和沉积体,随着后期被海水覆盖而得以保存下来,成为认识古冰川作用的重要依据[5-6]。利用浅地层剖面探测和多波束测深等声学方法,能有效地识别海底的古冰川记录及其特征,从而可以探究古冰川影响范围、冰流方向及其与海床的相互作用过程[7],这对现代冰川演化的预测以及气候变化研究都具有重要意义[8-9]。

楚科奇海是北冰洋诸多边缘海之一,地处太平洋与北冰洋水体交换的关键位置。楚科奇海北部的楚科奇隆起(Chukchi Rise,CR)(图1)是楚科奇陆架与楚科奇海台(Chukchi Plateau,CP)之间的水下高地,南接楚科奇陆架,两者之间没有明显的界线,向北经一个狭窄的通道连接楚科奇海台。楚科奇隆起和楚科奇海台共同与其东侧的北风海盆(Northwind Basin,NB)和北风海脊(Northwind Ridge,NR)一起构成楚科奇边缘地(Chukchi Borderland,CB)两脊夹一盆的地形地貌格局。根据北冰洋水深图[10],楚科奇隆起的水深均在600 m以浅,与其东西两侧水深超过2 000 m的北风海盆和楚科奇海盆形成明显对比。隆起中部存在一条近南北向、略向东突出的弧形水深梯度带,将其分为东深西浅的两部分,西部水深多在300 m以浅,最浅处约160 m,其西侧陆坡等深线在76°N附近整体向NW方向凸出；东部水深为450～600 m,呈现为倾向NE的水下平台,其西南侧伸入楚科奇陆架,形成一个NE向开口的宽阔海槽(图1)。

研究表明楚科奇海在第四纪曾受到冰川作用的影响,但相对于巴伦支海、格陵兰周边海域以及加拿大北极群岛附近海域等地,楚科奇海的古冰川研究尚处于起步阶段,以往的研究多集中在地质取样分析方面[10-13],基于声学方法的调查与研究较少[4]。早在20世纪60年代就有关于楚科奇海底古冰川活动遗迹研究的文献[15],但对其的大量研究却主要是在进入21世纪之后。Jakobsson等[16-17]基于SCICEX计划在楚科奇海台和北风海脊获得的浅剖和多波束数据,识别出一系列冰川活动造成的海底大型线理和沉积体。Polyak等[18]提出楚科奇边缘地的冰川来自劳伦泰冰盖和楚科奇陆架两个方向。但由于楚科奇海沿岸以及弗兰格尔(Wrangel)岛一直未发现冰盖存在的证据[19],因此后来的研究多认为楚科奇边缘地的冰川来自劳伦泰冰盖,而楚科奇边缘地可能存在小型的冰帽[20-21]。之后,Niessen等[22]根据楚科奇海盆西侧阿利斯海台(Arliss Plateau)的声学探测结果提出涵盖东西伯利亚-楚科奇的大型陆架冰盖(图1a)的观点,并得到了随后在楚科奇隆起开展的调查结果的支持,该航次在5 000多km的声学测线上发现了大型冰成线理、冰碛脊和冰成碎屑流等多种类型的冰川活动记录,指示了楚科奇海域可能存在大型冰盖[4,23]。最近几年,楚科奇海盆西侧的东西伯利亚陆架边缘陆续发现了更多的冰川活动证据[24-25],但未见关于海盆东侧的楚科奇边缘地的研究进展。

2019年中国第十次北极科学考察时,在楚科奇海北部完成了浅地层剖面测量(图1b),这是我国实施北极科考以来首次开展该项调查。获取的高分辨率浅地层剖面数据清晰地揭示了调查区的浅部地层结构,显示出其受古冰川活动影响的特征,为进一步认识该区的第四纪冰期演化提供了条件。

图1 楚科奇隆起及测线位置Fig.1 Location map of the Chukchi Rise and the survey lines

1 方法与资料

中国第十次北极科学考察使用了常规调查船——“向阳红01”船,利用船载全海深浅地层剖面仪系统(Kongsberg TOPAS PS18型)探测海底浅部地层结构。调查中使用TOPAS浅地层剖面仪的辅助频段(0.5～6.0 k Hz),实际发射2～6 k Hz的调频信号以便压制低频干扰[26]；采集端采用36 k Hz采样率,800 ms记录长度,并根据多波束系统输入的水深自动追踪海底和调整采集延迟。利用TRITON软件对输出的SEGY格式数据进行了滤波、自动增益、反射界面追踪和数字化等处理。处理后的时间剖面需要进行时间-深度转换,以反映反射地层的相对埋深。由于缺少研究区海底地层的声速资料,因此采用前人的简化处理方式[22,24],以声速1 500 m/s对剖面进行了转换,同时在剖面上标注了双程反射时间(Two-Way Travel Time,TWTT)以便对照。

测量获得总长约700 km的浅剖测线,主要位于楚科奇隆起及其临近的陆坡上,其中2段跨陆坡剖面分别呈近NS向和NW-SE向穿过楚科奇陆架与楚科奇海盆之间的陆坡以及楚科奇隆起与楚科奇海盆之间的陆坡,并在海盆底部水深约2 000 m处交汇(图1b)。剖面数据总体正常,但调查船在楚科奇陆架北坡转向东南航行时(图1b中的A—B段),海况较差,导致传递给浅剖系统的多波束水深数据不正常,影响了对海底反射面的自动跟踪和剖面采集效果,后改为手动跟踪海底后有所改观。由于浅剖测线多数为定点测量站位之间的航渡测线,因此站位作业期间的船体漂移导致测线发生不同程度的弯折。

2 结 果

2.1 浅部声学地层特征

2.1.1 隆起浅水区

一套平均厚度约20 m的透明反射层广泛见于隆起浅水区的剖面上,其上界面为海底反射面。在水深约330 m以浅,海底反射面呈剧烈的不规则波状起伏,呈“V形”深切入透明反射层,形成的沟槽底部多见抛物线状绕射波(图2a～图2d和图3b)；在约330 m以深直至陆架坡折,海底反射面起伏较平缓,间或形成下切较浅的宽缓凹槽(图3a～图3d、图4a和图5a)。透明反射层底界面反射强度变化较大,多数为中强反射,局部则显著增强或不可识别；总体较为平直或有轻微起伏,局部呈“U”形或“W”形下凹,导致上覆透明反射层显著增厚,底部偶见层状弱反射(图2c和图2d)。该界面之下,为透明反射,偶见不连续的近水平反射面(图2c和图2d)。

图2 浅水区的冰山犁痕和冰成混杂堆积物Fig.2 The iceberg ploughmarks and the underlying diamictons

在隆起东南部的宽海槽处(图3a、图3c和图3d),局部低洼处海底面较为平滑,其下伏为与海底近平行的层状反射,呈侧向加积或上超反射结构,最厚处约15 m,向两侧减薄,并逐渐楔入透明反射层,两者呈不整合接触关系(图3a和图3c)。靠近宽海槽边坡,层状反射呈透镜状被透明反射完全包围(图3d)),两者之间的界面不规则。透明反射层底界面在洼地两坡反射较强,也较为平直,中央部位则不可识别,其下的反射层偶见连续性较好的水平弱反射,并且随着水深较小,这些水平反射层强度增加(图3b)。

图3 宽海槽处的平缓海底面和冰下水流沉积Fig.3 The sub-glacial water flow deposits in the wide-flat bathymetric trough

2.1.2 陆架边缘与陆坡区

在楚科奇隆起西侧的跨陆坡剖面上(图4a和图4b),海底反射面在靠近陆架坡折处的起伏变宽缓,其下的透明反射层厚度逐渐减小并尖灭；透明反射底部反射面强且平直,其下可见向陆坡方向倾斜的连续、层状弱反射,在陆架坡折处直接出露海底,在陆架坡折以下则与海底面斜交。在陆坡中下部,可见平行于海底面的厚层状强反射,内部反射面可连续至陆坡底部的海盆中,其底界面不可见。在1 200～1 800 m水深,层状反射呈连续波状起伏,最大幅度超过50 m。

图4 楚科奇隆起西侧陆架坡的浅地层剖面Fig.4 Shallow sub-bottom profiles on the western slope of the Chukchi Rise

在近NS向的跨陆坡剖面上(图5a和图5b),陆架坡折部位可见厚层透明反射与层状反射互层,上下两套透明反射体之间夹着一套层状反射体,近似呈“三明治”结构。透明反射体呈楔状,最厚处超过30 m,位于上部的透明反射体厚度略小,沿陆坡向下逐渐减薄至尖灭；下部透明反射体最厚处相对远离陆坡,其底部可见数个连续反射面,与其上覆的层状反射体一起呈披盖状沿陆坡向下延伸,直至坡底,层状反射体则可连续追踪至隆起西侧陆坡剖面下部的层状反射。

图5 楚科奇陆架北坡的浅地层剖面Fig.5 Shallow sub-bottom profiles on the northern slope of the Chukchi Shelf

2.2 声学地层的地质解释

2.2.1 隆起浅水区

浅水区广泛分布的近海底透明反射(图2、图3和图6)是极地陆架海底十分常见的声学反射相[1,27-28],一般解释为冰下海床形变产生的混杂沉积,在北风海脊以及南极半岛等地的取样分析显示其为杂基支撑的含岩屑粉砂或黏土沉积。混杂沉积往往内部均匀、无分层结构[1,20],由于缺少波阻抗界面导致无法形成声学反射。该混杂沉积的底反射面多显示为中、高反射强度,但局部也存在显著增强或不可识别的现象,对该反射界面目前有2种解释:一种解释为软、硬混杂沉积之间的分界,两者之间存在显著的结构和力学性质差异[1]；另一种解释为是基岩的顶面[3]。由于缺少深达混杂沉积底面的地质钻孔资料,仅根据声学反射相尚无法对这种解释进行取舍。

透明反射顶部凹凸不平的海底反射面,根据其“V”形外形、规模(数十到数百米宽、数米到20～30 m深)以及与混杂沉积伴生的特征(图2a～图2d和图3b),推测应为大型接地冰山漂移过程中刮蚀海底所形成的所谓“犁痕”,通常形成于冰川回退后的冰海环境[3,28]。Dove等[23]测得的多波束地形图上显示其具有长度较短、平面上相互交错、多呈弧形和新月形弯曲形状等特征,区别于具有线性外形和较长延伸距离的大型冰成线理。

隆起东南部宽海槽处的“U”或“W”形宽缓谷地(图2c、图2d、图3a、图3c、图3d和图6),其成因归结为冰下水流作用[29-32],其中充填的透明反射和层状反射透镜体大致符合理想的冰退沉积地层序列[28],即在冰下成因的混杂沉积(透明反射)上覆盖了一套远冰端形成的泥质沉积(层状反射),而泥质沉积上覆的混杂沉积则可能反映了之后的又一次冰下沉积过程,在宽海槽两坡水深较浅处,混杂沉积完全覆盖了早期的泥质沉积,形成了埋藏水道(图2c、图2d、图3d和图6)；而在中央水深较深处,未被混杂沉积影响,早期沉积直接出露于海底(图3a、图3c和图6)。

图6 主要冰成沉积沿测线的分布Fig.6 Distribution map of various glacial features along the survey lines

2.2.2 陆架边缘与陆坡区

NS向剖面上陆架坡折处的两套透明反射体均呈非对称的楔状外形,向海侧坡度大于向陆侧,且具有前积反射结构和削蚀的顶界面(图5a),这些都属于典型的接地带楔状体(Grounding-zone Wedge,GZW)的特征[33]。GZW是极区陆架边缘较为常见的海底沉积体,其成因与临海冰盖向海一侧的接地带处冰成碎屑物质的间接性快速堆积有关,显示冰川回退过程中的准稳定阶段冰成沉积的大量堆积。GZW多数呈埋藏状态,或者直接出露于海底,但其声学结构特征基本一致。GZW在声学剖面最典型的识别标志是其非对称外形,向海侧坡度大于向陆侧,指示沉积作用主要发生在向海侧。GZW多为透明到半透明相,也可见杂乱反射相,这与其组成物质主要为冰成碎屑混杂沉积有关。图5a中的GZW底部可见向海倾斜的内部弱反射,这与冰成碎屑物质向海连续推进导致的前积与楔状增生沉积过程有关[28,33]。上下两套GZW之间的层状反射则解释为半远洋沉积(图5a),在理想冰退沉积地层序列[28]中对应冰川回退后的开阔海洋环境的细粒沉积物。相对而言,楚科奇隆起西侧陆架坡折处并未形成GZW,混杂沉积的尖灭以及向海倾斜的底部层状反射(根据[34],可能为前冰期具前积结构的中新统沉积岩)在海底的直接出露(图4a),显示其长期处于海底侵蚀的环境。

GZW沿陆坡向下延伸,形成的透明反射层的厚度间或发生改变,近似呈叶瓣状,并最终在陆架底部尖灭(图5b),这是极地陆坡形成的冰成碎屑流沉积的典型特征[22,24-25,35]。冰成碎屑流沉积同GZW一样主要为混杂沉积,是被冰川搬运至陆架边缘并堆积的碎屑物失稳后沿陆坡向下快速流动所致,为几十年到百年尺度的沉积作用过程[35],间歇性的失稳流动过程则造成数套冰成碎屑流沉积在垂向上的叠置,且因陆架边缘物质供应量的差异导致在陆坡上出现不同的覆盖范围(图5b)。

层状反射结构的半远洋沉积呈披盖状遍布陆架和深海盆地,且厚度在上、下陆坡变化不大(图4b、图5a和图5b)。半远洋沉积厚度在楚科奇隆起西侧陆坡远大于楚科奇陆架北部陆坡,其下伏未发育冰成碎屑流沉积(图4b),这与其陆架坡折处缺少GZW相对应,进一步说明来自陆架的冰成碎屑物的供应量较少,因此推测隆起西侧陆坡下部沉积层的波状起伏不是上陆坡物质快速向下输运产生的浊流或高密度流所致,而是等深流形成的沉积物波,这也与浅剖上显示的沉积物波的产状特征向吻合[36-38]。等深流引起的陆坡侧向物质输运可以解释楚科奇隆起西侧陆坡增厚的半远洋沉积的发育。

3 讨 论

楚科奇海域是否存在古冰川活动仍需要更多外业调查资料的支持[4,23],基于此才有可能进一步探讨其冰川来源、冰流方向等问题。本研究揭示了在楚科奇陆架北部边缘发现的上下两套GZW的组合及其在陆坡上产生的冰成碎屑流沉积(图5和图6),为研究区古冰川活动的存在提供了有力的证据。对比Dove等[23]发现的陆架边缘类似GZW或冰碛脊,本次发现的GZW特征更为典型。GZW被视为判断冰川活动存在的关键指标[28,33],表明冰川接地带曾推进到陆架边缘,从而引起大量冰成物质在此堆积。剖面上揭示的被半远洋层状沉积隔开的上下两套GZW(图5)表明,研究区可能发生过至少2期冰川扩张事件,且其冰川前缘均曾扩展至陆架外缘；考虑到上部GZW的厚度及其向陆坡延伸的冰成碎屑流沉积范围均小于下部GZW,因此推测较近的这次冰川扩展在强度上弱于较早的一次。

大部分GZW形成于冰川在陆架上运移的通道—跨陆架槽(Cross Shelf Trough,CST)的前端,而冰成碎屑流沉积通常是CST外缘沉积中心—槽口扇(Trough Mouth Fan,TMF)的组成部分[33,35],目前有限的资料尚不足以确认研究区是否有CST和TMF的存在,而浅水区海底广泛发育的冰川犁痕抹去了早期冰川活动在海底的印记,也为两者、特别是CST的识别造成了困难[4,35]。但最近的研究表明东西伯利亚陆缘的德隆海槽是一个位于陆架边缘的、宽阔且短促的非常规CST[24],由此推测,似乎可以将近NS向剖面穿过的楚科奇陆架北缘的这个距离短但宽阔的海槽(图6)作为未来研究CST的目标,利用包括多道地震、浅地层剖面和多波束测深在内的多种声学探测方法开展调查,以寻找冰川活动在海底和沉积层中遗留的印记。

此外,楚科奇隆起东南部的宽海槽中发现的冰下水流沉积也为本区的古冰川活动提供了证据。发育“U”形宽谷和层状沉积的位置现处于水深300 m以深(图3和图6),即便考虑冰期低海面因素,该处也一直处于水面线之下。虽然也有因陆缘物质大量输入产生的高密度流在陆架和陆坡上形成大型下切谷的情况[39],但楚科奇海周边并无可提供大量陆源物质的河流存在,因此其不能是因常规河流冲积形成的。所以,推测认为该处曾被接地的冰川所覆盖,冰川底部的融水常年作用形成冲刷和沉积充填。类似的沉积结构在南极周边和格陵兰地区大量发现[32,40],显示冰下水流作用是极地冰川活动的一种重要形式。Dove等[23]也提到海槽局部的海底多波束影像上发现多处走向NE的大型冰川线理,是最近一次冰川快速流动的证据。因此,该海槽也是未来研究楚科奇冰川活动的一个关键地区。

GZW和冰下水流沉积的结构都指示本区可能受不止一次古冰川作用影响,周边海域的钻孔研究结果也显示东西伯利亚-楚科奇海域晚更新世以来发生了多期冰川活动[41-42],但本文现有资料尚不足以对此做进一步分析。未来在楚科奇隆起的东西两侧,特别是水深350 m以浅未受冰山犁痕影响的区域,开展浅地层剖面和更大穿透深度的高分辨率反射地震调查,可望查清冰成沉积结构和沉积体的分布规律。而通过在海槽和陆架边缘开展地质取样或大深度的钻孔岩芯取样,基于气候旋回理论建立本区中晚更新世的年代地层学框架,并结合声学地层探测结果进行综合研究,则有望在冰川活动期次及其影响范围方面取得更深入的认识。

4 结 论

基于中国第十次北极科学考察获得的高分辨率浅地层剖面数据,分析了楚科奇海北部的浅部地层结构特征及其对古冰川活动的指示,得到如下结论:

①浅地层剖面揭示了多种类型的冰成结构与沉积体,包括陆架浅水区的冰下混杂沉积和冰川犁痕、冰下水流沉积,以及陆架外缘和陆坡区的接地带楔状体和冰成碎屑流沉积,显示研究区曾受到古冰川作用的影响；

②陆架坡折处被半远洋沉积隔开的上下两套接地带楔状体、隆起东南宽海槽中冰成混杂沉积中的层状泥质透镜体都指示研究区存在不止一期古冰川活动,且均曾扩展到楚科奇陆架边缘。