张瑨宇

德州经济地质调查局，德州大学奥斯丁分校

层序地层学和海底扇的形成

在石油大学读本科时，我曾在图书馆翻出了一本层序地层学的译本慢慢阅读，现在只能依稀记得那本书是上世纪八十年代中国地质大学的老师翻译的。如果问我对层序地层学的最初感受是什么？我一定会回答：深奥难懂。本科生的我把书读了一遍，只能大概理解相对海平面的定义。的确，层序地层学产生了太多新的术语和概念，他们中的有一些甚至到现在都没有严谨的定义。后来我来到德州大学奥斯丁分校读研究生，层序地层学作为研究生课程，任课教师是美国工程院院士William Fisher教授，他在1967年定义了后来层序地层学的重要概念‘Systems tract’。第一堂课讲层序地层学的历史，九十年代层序地层学的主要研究进展竟然是各流派间关于各种术语和概念的争吵。有趣的是，后来我上过ExxonMobil层序地层学的短期培训课程，Victor Abreu提到曾经把不同流派的学者请到一起解释同样的一张地震剖面，几乎得到了相同的解释结果。也许因为英语是我的第二语言，我对严谨地使用层序地层学术语一直不是那么感兴趣，更让我着迷的是控制因素、沉积过程及其与地层记录之间的关系。

我的研究方向真正和层序地层学产生交集，是有关海底扇形成机理这个问题。我最初的认识和很多人一样，也来自于Peter Vail为代表的ExxonMobil地层研究组所提出的主要理论，他们认为海平面是控制层序发展和海底扇形成的主控因素。海平面的升降控制了沉积物由陆向海输送的过程，其中的低位体系域是海底扇发育的主要机制，在海平面/湖平面低水位时，下切谷的形成为沉积物由海岸线运移至深水区提供了良好的传送通道。然而，下面的这几篇文章逐渐改变了我的认识（图1）。

图1. 2000-2010年间有关海底扇形成和海平面变化关系的几篇重要文章。从这几篇文章的标题可以一目了然地看出研究者们渐渐发现海底扇形成和海平面变化并无因果关系

海底扇形成和海平面变化的关系：2000-2010年的研究进展

‘低位域并不总有海底扇形成？’          -- Plink-Björklund and Steel，2002，Geology

‘海平面上升时也可以形成海底扇？’   -- Carvajal and Steel，2006，Geology; Covault et al.，2007，Geology

‘海底扇形成和海平面变化并无特定关系.’ -- Covault and Graham, 2010, Geology

第一篇文章来自于目前在科罗拉多矿业学院任教的Plink-Björklund教授。2002年，当时在德州大学Ronald Steel研究组做博士后的她正在北极圈内的Spitsbergen岛开展露头研究。她发现，即使在浅水地层中找到了海平面下降的证据，与之等时的深水地层中也未必总是存在对应的富砂质海底扇沉积物（Plink-Björklund and Steel，2002，Geology）。而当时在同一研究组读博士的Cristian Carvajal利用美国Washakie盆地的数百口测井曲线重建了该盆地的沉积演化历史。他发现，在沉积物供给充足的情况下，即使海平面处于上升或高位阶段，也能形成海底扇（Carvajal and Steel，2006，Geology）。这是因为即使在海平面高位时，拥有充足沉积物供给的河流也能够将三角洲推进至大陆架边缘，从而将沉积物传送至深水中。几乎在同时，在斯坦福大学Steve Graham教授和Donald Lowe教授领导的深水沉积研究组就读的Jacob Covault等人，利用高分辨率地震资料和岩心记录重建了4万年以来加利福尼亚海底扇与海平面变化曲线之间的关系。他们的研究结论与Washakie盆地研究获得的结论相似，即海底扇在海平面高位期间也能形成（Covault et al.，2007，Geology）。值得一提的是，很多针对深时地层的研究也会尝试将地层（或地层特征）的形成时间与全球海平面变化曲线进行对比（比如，很多研究会尝试将层序界面的形成时间与海平面下降的时间相联系）。然而，深时地层的定年误差较大，海平面曲线本身的时间分辨率也很粗，这些尝试存在很大的不确定性，往往是不可靠的（感兴趣的读者可以参见Miall, 1992, Geology）。如果说Plink-Björklund and Steel (2002), Carvajal and Steel (2006), Covault et al. (2007) 这三篇文章只是隐隐暗示着海底扇的形成与海平面的变化并无直接关联，Covault接下来的工作更是直接验证了这一结论。在2010年的综述文章中，Jacob Covault和Steve Graham通过研究全球22个海底扇的文献资料发现，海底扇沉积在高位体系域、低位体系域和海侵体系域都可以发育，部分海底扇甚至主要在高位体系域发育（Covault and Graham, 2010, Geology）。这篇综述文章更进一步指出构造与气候控制下的沉积物供给的变化，以及古地形的变化（如大陆架的宽度），都是控制海底扇发育的重要因素。

海底扇形成机理的分类：可容空间主控和沉积物供给主控

受到包括上述四篇文章的前人研究的启发，我发现可以将海底扇形成机理分类为可容空间主控和沉积物供给主控（Zhang et al., 2019, Geology）。虽然两类体系都可以形成海底扇，但是他们的主控因素却有所不同。如何来区分他们呢？实际上，不论海平面如何变化，只要当河口位置（或者海岸线位置）距离大陆架边缘或者海底峡谷很近时（i.e., 对于泥质沉积物来说为40 km以内，对于砂质沉积物来说为5公里以内，见Sweet and Blum, 2016, JSR），沉积物都将被持续地传送至深水盆地中。河口位置既可以由可容空间所控制，也可以由沉积物供给所控制。在可容空间主控的体系中，海平面下降可以促使河口前进至大陆架边缘或者海底峡谷。在沉积物供给主控的体系中，无论海平面上升还是下降，携有充足沉积物供给的河口一直位于大陆架边缘，仅随海平面变化做短距离的迁移。两者之间最大的区别在于，在海平面上升时，沉积物供给主控的体系内会形成高位域陆架边缘三角洲（Highstand shelf-edge deltas），而在可容空间主控的体系内，由于沉积物供给小于可容空间的增量，海岸线退积。

控制高位域陆架边缘三角洲形成的主要因素是什么呢？ 2016年我花了半年时间收集陆架边缘三角洲的地貌数据，在此基础上，我建立了可以模拟高位域陆架边缘三角洲形成过程的几何数值模型（Zhang et al., 2017, Geology）。同时，我对各参数进行了敏感性分析，发现大陆架的宽度相较于海平面变化更影响高位域陆架边缘三角洲的形成。在相同沉积物供给的情况下，窄陆架和温室气候条件下的低海平面变化幅度更有利于高位域陆架边缘三角洲的形成。

如何来预测可容空间主控体系和沉积物供给主控体系呢？在2017年Geology文章的基础上，我和当时在德州大学做副教授的Wonsuck Kim合作，利用他在博士阶段开发的几何模拟程序来区分不同的主控因素。我们提出了用陆架空间与沉积物供给的比值（shelf-accommodation/supply ratio, 即SASR）来预测可容空间主控体系和沉积物供给主控体系（Zhang et al., 2019, Geology）：

SASR = (W * A) / Qs

其中W为陆架宽度（单位为km），A为海平面变化的幅度（单位为km），Qs为沉积物供给体量（在二维模拟中单位为km²）。我们的数值模拟结果显示当SASR小于0.4时，更容易形成沉积物供给主控体系，当SASR大于0.4时，更容易形成可容空间主控体系。这一模拟的结果和我们在Washakie，Orinoco 和New Jersey Shelf三个盆地的26个源汇体系的测试结果相吻合。

沉积物供给的重要性和重建手段

在上述的公式中，我们可以看到，沉积物供给和可容空间的变化是天平的两端，他们有着同等重要的地位。在早期的层序地层学文献中，海/湖相地层的演化也被认为是由多种因素所控制（即沉积物供给，沉降速度和海平面变化），但是在之后的很多层序地层学研究中，来自物源区的沉积物供给的作用常常被弱化，而盆地一侧相对海平面变化的作用往往被过分强调。在天平两端的沉积物供给和海平面变化同样重要的道理大多数人都明白，沉积物供给的作用之所以常常被人们忽略，一个很重要的原因是学术界在很长一段时间内不知道如何去量化沉积物供给的变化。我曾经在为AAPG Bulletin审稿时向一位作者提出，不能一味强调海平面的变化，也要注意沉积物供给的变化。然而，作者在回复中表示不知道有什么手段可以去重建沉积物供给。实际上，随着最近几年源汇体系分析的流行，越来越多的方法被应用在深时源汇体系中去重建沉积物供给。在沉积学研究中较为简单易行的方法包括： Tor Somme提出的地貌比例关系 (Somme et al., 2009， Basin Research), 我们提出的结合BQART模型和蒙特卡洛模拟的重建方法（Zhang et al., 2018, AAPG Bulletin），John Holbrook提出的基于古水动力学的支点法（Holbrook and Wanas, 2014, JSR）。

展望未来：源汇体系分析

我第一次完整地接触到源汇分析的概念是在2013年，时任挪威石油公司总地质师的Ole Martisen来我校讲授源汇体系分析短期课程。挪威石油公司长期赞助着卑尔根大学和帝国理工学院的源汇研究工作（例如Somme et al., 2009， Basin Research），自身也有很强的科研实力。这一课程给我留下深刻印象的有两件事。第一件是关于源汇分析的概念，Martisen认为源汇分析涵盖了沉积学、构造地貌学、层序地层学和盆地分析等多个地学分支。第二件是当被问及源汇分析对能源公司有没有帮助时，Martisen提到他们曾经在三天内，利用源汇体系分析方法预测了海底扇的大致范围，从而在短时间内帮助该公司完成了一个油田区块的收购。

源汇体系分析综合利用沉积学、构造地质学和地貌学的知识，可以全面、动态、定量地分析从源到汇的剥蚀-沉积过程（图2，图3）。对于海底扇的形成这一问题，不管是利用源汇分析的思想还是应用传统层序地层学的方法，都需要我们完整地考虑沉积物供给和可容空间的控制影响。然而，用源汇分析的思想来研究海底扇形成机理等一类沉积学问题的更大优势在于，它需要研究者（1）更加全面地考虑从源到汇各个地质参数对整个源汇体系的影响；（2）理解隐藏在沉积物供给和可容空间之后的构造、气候和地表过程等控制因素之间的动态作用；（3）能够量化阐述地形地貌和沉积系统对大地构造、气候和侵蚀-沉积等作用变化的响应。这些优势能够让研究者在更高的时空精度上预测源汇体系的演化过程和构造气候背景的变化，更能防止研究者陷入仅考虑少数几个主控因素的怪圈。源汇体系分析的迅速发展也意味着沉积学和构造地貌学、地球动力学等学科间的关系越来越紧密，沉积学家需要掌握的知识和方法也日益广泛（包括地貌学、构造地质学、低温热年代学、沉积过程数值模拟和大陆动力学数值模拟等）。近年来越来越多针对深时海底扇的研究应用了源汇体系分析的思想，他们或利用海底扇的沉积记录去反推源区的构造气候变化（如Mason et al., 2019, Geology）, 或利用源区的构造气候条件去推测深水扇的不同响应（如Zhang et al., 2021, Geology）。同时，针对不同时空尺度的源汇体系研究和应用也越来越多，这些跨度广泛的研究对解读沉积记录具有重大的启示意义。

图2. 和很多理论一样，源汇体系分析也并非一个全新的概念, 图为上世纪70年代源汇体系的概念图，和现今的认知并无不同。图片源自著名学者Stanley Schumm教授在1977年出版的教科书‘The Fluvial Sysmtem’。在这副图中，越朝上（上游）越需要构造地貌学的知识，越朝下（下游）则更需要沉积学的知识。开展全面的源汇体系分析需要结合构造地质学、地貌学和沉积学知识

图3. 虽然源汇体系并非一个全新的概念，但是技术的进步让开展源汇研究越来越便捷。低温热年代学、沉积过程数值模拟和大陆动力学数值模拟等技术都被越来越多地应用在源汇研究中。图为全球尺度的地貌模拟结果，图中蓝色为剥蚀区（图2中的Zone1），红色为沉积区（图2中的Zone3），我们可以轻松地通过这些技术去预测世界上的哪个角落更有可能发育海底扇。图片取自悉尼大学Tristan Salles的GitHub页面

本文作者系德州大学奥斯丁分校德州经济地质调查局副研究员。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱jinyu.zhang@beg.utexas.edu与本人联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。感谢南京大学胡修棉，赖文，刘群，中国地质大学（北京）徐杰，中国石油杭州地质研究院许小勇等老师对本文提供的宝贵意见。

参考文献：

[1]  Carvajal, C.R. and Steel, R.J., 2006. Thick turbidite successions from supply-dominated shelves during sea-level highstand. Geology, 34(8), pp.665-668.

[2]  Covault, J.A., Normark, W.R., Romans, B.W. and Graham, S.A., 2007. Highstand fans in the California borderland: The overlooked deep-water depositional systems. Geology, 35(9), pp.783-786.

[3]  Covault, J.A. and Graham, S.A., 2010. Submarine fans at all sea-level stands: Tectono-morphologic and climatic controls on terrigenous sediment delivery to the deep sea. Geology, 38(10), pp.939-942.

[4]  Holbrook, J. and Wanas, H., 2014. A fulcrum approach to assessing source-to-sink mass balance using channel paleohydrologic paramaters derivable from common fluvial data sets with an example from the Cretaceous of Egypt. Journal of Sedimentary Research, 84(5), pp.349-372.

[5]  Mason, C.C., Romans, B.W., Stockli, D.F., Mapes, R.W. and Fildani, A., 2019. Detrital zircons reveal sea-level and hydroclimate controls on Amazon River to deep-sea fan sediment transfer. Geology, 47(6), pp.563-567.

[6]  Miall, A.D., 1992. Exxon global cycle chart: An event for every occasion?. Geology, 20(9), pp.787-790.

[7]  Plink-Björklund, P. and Steel, R., 2002. Sea-level fall below the shelf edge, without basin-floor fans. Geology, 30(2), pp.115-118.

[8]  Sømme, T.O., Helland‐Hansen, W., Martinsen, O.J. and Thurmond, J.B., 2009. Relationships between morphological and sedimentological parameters in source‐to‐sink systems: a basis for predicting semi‐quantitative characteristics in subsurface systems. Basin Research, 21(4), pp.361-387.

[9]  Zhang, J., Steel, R. and Olariu, C., 2017. What conditions are required for deltas to reach the shelf edge during rising sea level?. Geology, 45(12), pp.1107-1110.

[10] Zhang, J., Covault, J., Pyrcz, M., Sharman, G., Carvajal, C. and Milliken, K., 2018. Quantifying sediment supply to continental margins: Application to the Paleogene Wilcox Group, Gulf of Mexico. AAPG Bulletin, 102(9), pp.1685-1702.

[11] Zhang, J., Kim, W., Olariu, C. and Steel, R., 2019. Accommodation-versus supply-dominated systems for sediment partitioning to deep water. Geology, 47(5), pp.419-422.

[12] Zhang, J., Sylvester, Z. and Covault, J., 2020. How do basin margins record long-term tectonic and climatic changes?. Geology, 48(9), pp.893-897.