第九章 深海沉积

第九章深海沉积一、深海沉积物的来源二、深海沉积物的分类三、深海陆源沉积四、深海生物源沉积五、深海粘土和火山沉积六、深海沉积中的矿物七、海洋沉积地球化学的基本内容八、深海沉积层和沉积速率九、大洋沉积的分布规律十、大洋沉积作用一、深海沉积物的来源陆源物质：河流、海岸侵蚀、风、冰川、海流海洋源物质：生物沉积、海底风化、自生矿物其他来源物质：火山、宇宙物质1.陆源物质河流把陆源剥蚀产物输入海洋，它要先通过陆架，如陆架狭窄时可以快速输入深海，但是当通过宽缓的陆架时，所携带的大部分物质堆积在陆架上，当堆积到足够厚度时，在边缘容易产生液化、蠕动、滑塌或因地震引起的崩塌而形成浊流，再次搬运到深海。一部分悬浮物通过海流带到大洋各处，每年进入深海的悬浮物约有13亿吨。围绕大洋长44万公里的海岸线上，波浪和潮汐的侵蚀作用产物每年不足5亿吨，主要堆积于浅海，少量输入深海。风从陆上，主要从沙漠或半沙漠地区卷起的尘沙，随信风或季风飘向大洋。风尘物遍布于大洋沉积物中，每年约有16亿吨，远多于海岸侵蚀产物。大西洋和印度洋上空信风中尘沙的含量为0.68—7.7微克/立方米，邻近撒哈拉大沙漠的大西洋海区有“昏暗海”之称。太平洋信风带中的尘沙要少得多。中国海上空的尘沙微0.21微克/立方米，在西北太平洋深海沉积物中可以检出我国黄土高原的泥和蒙古戈壁的砂粒。2.海洋源物质海洋生物的遗骸，下沉到海底堆积而成为深海沉积物的一种主要来源。海洋生物主要有钙质（有孔虫、颗石等）和硅质（硅藻和放射虫等）的浮游生物，通常生活在水深500米以上水体内。底栖生物相对甚少。浮游生物的生长和繁殖依赖于陆地供应的营养盐（主要由河流输入），浮游动物吞食浮游植物和细粒悬浮物及吸取海水中的各种营养盐类，组成有机体、骨骼和壳体。浮游植物因为还要依赖阳光进行光合作用，所以通常生活在水深100米以内的表层海水中，作为海洋第一食物链，他的生产力影响着浮游动物的生长和繁殖。据估计，表层海水中浮游植物的生产力（初级生产力）每年约150亿吨碳，所消耗的营养盐大大超过了河流的供应量（约7亿吨有机质），所不足的营养盐是由浮游生物死亡之后，在下沉的过程中大部分（90％以上）被分解而使营养物质再进入海水来补充的。浮游生物的世代交替需要水体充分的对流和循环，并需要适于生物生长的温度和阳光的环境。在赤道带，尤其上升流幅散带，具有这样良好的条件，所以成为生物繁盛带（即高生产带），这是由于温暖的表层海水在地球自转和大气环境影响下，以暖性洋流运移方式向南北两极流去，而南北两极的海水由于温度低，密度高而下降，潜入海底，以冷性洋流运动的方式向赤道方向流去，所以洋流和气候带不但控制了浮游生物的生产力而且也控制了洋底生物源沉积的特点和分布。海底的基岩经过海解作用（海底的风化作用）形成的物质，也成为深海沉积的一部分。海底的海解速率远远低于陆上的风化。在大洋底流流经处，不但促使海解作用的加速进行，而且还把海解产物搬至较远处，碎屑颗粒的分选性和磨圆度也随之变好。在海水中，尤其在海水和沉积物之间的界面上，由于海解而溶于海水中的物质和陆源输入的溶解物质（包括海底火山喷出的）通过化学沉淀而析出各种水成矿物—海洋自生矿物，其中部分是固体物质水化蚀变而成。3.其它来源物质大洋周围和大洋内部（火山岛屿和海底火山）、火山喷发物每年约有30亿吨抛向海洋。枕状熔岩分布在海底火山附近；火山弹散落在火山周围数十公里的海域内；浮石在海面上可以漂浮很远；火山灰在大气中可以飘扬几千公里，甚至绕地球几圈后才慢慢散落入大洋。宇宙物质（陨石和尘埃），每年约有几千吨（每日约有1—2千万颗）落到地球表面。其中约有3/4落入海洋，主要见于沉积速率非常低的褐色粘土中。它们常呈直径0.1—0.5毫米的黑色强磁性小球，多者在每平方米内可发现20—30颗，甚至几千颗，从表层向下迅速减少，5米以下便难以查出，可能因石陨石不易和其它沉积物相区别，而铁陨石容易分解。二、深海沉积物的分类(一)以水深为主要依据的分类半深海沉积物深海沉积物1．蓝色软泥2．红色软泥3．绿色软泥4．其他沉积物(1)珊瑚碎屑(2)火山碎屑(3)冰碛物(4)浊积物1．深海陆源沉积物(1)浊积物(2)冰川沉积物(3)风运物2．深海生物源沉积物(1)硅质软泥①硅藻软泥②放射虫软泥(2)钙质软泥①有孔虫软泥②翼足类软泥③颗石藻软泥3．深海粘土4．锰结核5．多金属软泥默莱等(1891)、奈须纪幸(1976)的分类和沈锡昌(1988)的分类该分类型式的共同特点是，首先将沉积物分为半深海沉积和深海沉积二大类，然后再细分。谢帕德(1973)的分类也基本上属于此种分类。(二)以成分、粒度为主要依据的分类安德烈(T.H．V．Andre，1981)的分类和帕克(W．H．Berger，1974)的分类属于这种型式。该分类型式的共同特点是以沉积物颗粒成分、粒度及其百分含量为依据，不涉及沉积物的水深。这种型式的分类对大洋钻探样品进行自动化鉴定很适合，因此近年来在深海钻探及近海调查中被广泛采用。远洋粘土(硅质壳30％，自生组分常见)非常见沉积物陆源碎屑沉积物远洋硅质沉积物(CaC0330％，粉砂、粘土30％，硅质壳30％)过渡性硅质沉积物(粉砂、粘土30％，硅藻10％，CaC0330％火山碎屑沉积物(CaC0330％，硅藻10％，自生组分稀少)远洋钙质沉积物(粉砂、粘土30％，CaC0330％)过渡性钙质沉积物(粉砂、粘土30％，CaC0330％)据T．H．V．Andre，1981(三)以成因为主要依据的分类斯特拉勒(A．N．Strahler，1981)的分类和沈锡昌(1992)的分类(表9—3)属于这种型式。沈锡昌在表9—3中将深海沉积物划分为五大成因类型：陆源碎屑沉积、生物源沉积、火山碎屑沉积、深海粘土沉积和自生成因沉积。各大类下又分若干亚类。沉积物分类的最终目的是要了解各种沉积作用及其相互联系。因此，沉积学的一个重要目标就是发展一种既能反映沉积物成因又能反映其历史的分类系统。遗憾的是，至今对很多沉积过程的了解还很不够，而难以从一系列交替的过程中选择出单一的形成过程。所以，描述性分类目前仍然最广泛地得到利用。大类亚类大类亚类陆源碎屑沉积1．浊流沉积2．等深流沉积3．海洋冰川沉积4．风运沉积火山碎屑沉积火山灰沉积深海粘土沉积深海粘土沉积生物源沉积1．钙质软泥沉积(1)有孔虫软泥(2)颗石软泥(钙质超微化石软泥)(3)翼足类软泥2．硅质软泥沉积(4)硅藻软泥(5)放射虫软泥3．珊瑚碎屑沉积4．有机沉积自生成因沉积1．锰结核和锰结壳2．金属硫化物(多金属软泥和块状硫化物)3．磷块岩4．自生蒙脱石三、深海沉积物的分布研究表明钙质沉积物覆盖于洋隆或浅台之上，而红粘土则遍布于整个深海盆地。硅质沉积是生物高繁殖力地区，特别是大洋边缘，赤道幅散带，南极辐合带以南的特征产物。陆源沉积物是经过几种过程被搬运到海底去的，有些离来源区很远。这个图表明钙质软泥和粘土在整个洋盆内的分布主要受地形的控制。硅质软泥富集在高纬度区和赤道太平洋和印度洋以及诸如南美洲西部岸外等海岸上升流地区。冰川—海洋沉积物主要分布在高纬度地区。深海沉积作用有4种主要机制，即从水柱中沉降；重力流的底部搬运作用，包括浊流、碎屑流、颗粒流及滑坡；地转流的搬运作用，包括等深流；或洋底上的化学和生物沉淀作用。陆源沉积物是来源于陆地的沉积物，其中包括纵多的近岸沉积物，浊积物、水道沉积物以及风成和冰川海洋沉积物。生物沉积物是生物成因的。近岸生物沉积类型包括钙质砂和珊瑚、苔藓或软体动物的生物灰岩，而深海生物沉积类型则包括碳酸盐和硅质沉积物以及富有有机质沉积物。•远洋沉积物是通过水柱沉积的，并包括尘物物质、陆源粘土和粉砂，通过大气飞入大洋的火山碎屑物质，冰载碎屑物质以及宇宙物资。•半远洋沉积物是陆源和生物成因的物质的混合物。•火山成因沉积物包括风运火山灰，海底火山碎屑流，由喷发于海底的火山碎屑所构成的玻质碎屑以及改造过的火山碎屑物质。•多种物质是经过改造再沉积于洋底之上的，包括由重力流向陆坡下搬运的（主要由河流）陆源物质和由于海底火山活动和改造产生的火山物质以及由底层流改造再沉积的深海沉积物。三、深海陆源沉积浊流沉积浊流是发生于浅海的一种水和泥沙混杂的高密度的底流，它沿着陆坡向下流动，侵蚀海底峡谷，直到深海平原把泥沙沉积下来而消逝。1.浊流沉积1936年，戴利为解释海底峡谷的深海砂，提出了浊流的概念。1939年，约翰逊在讨论类似现象时，使用了“浊流”一词。其后许多学者对它进行了大规模的调查和模拟试验，直到1950年奎年等人提出浊流可导致沉积深海砂。模拟试验还证实了它具有巨大的破坏、搬运、沉积作用的能力，随之确立了浊流沉积作用的理论，并用它来重新认识大陆上复理石建造的成因。1957年奎年把已经固结的浊积层称为“浊积岩”。1962年，鲍马提出著名的浊积岩层的沉积序列。此后，不但在海洋中而且在湖泊中，不但在现代而且在古代（古生代以来）的沉积层中，发现越来越多的沉积层，是属于浊流成因的。浊流的形成浊流是由大量松散的沉积物和水混合，比重大于周围水体而向下流动的流体，主要有两种形成过程：1.洪水期河流携带大量泥沙穿过狭窄的陆架，直接顺着口外的峡谷向深海流去而形成浊流。这种浊流一般规模较小，但是发生的频率较高。但是如果河流因携带的物质量少且颗粒细小，成为密度小于海水的浑水流，则散流于海水表层，不成为浊流。2.河流把携带的泥沙大部分堆积在宽缓的陆架上，形成巨厚的沉积，由于自生液化，以及触发作用可导致滑塌而形成浊流。地震、火山爆发、海啸等可触发沉积物崩塌而产生浊流。暴风浪把大量近岸水下的泥沙席卷起来，亦可形成浊流，这类浊流一般规模大，但是频率低。2.浊流的流动浊流具有很高的流速和巨大的搬运侵蚀能力。纽芬兰大浅滩电缆的折断使得电讯中断而成为良好的时间记录，1952年的调查中测定了陆坡坡度和浊流搬运沉积物的距离而获得了时距剖面和曲线（如图）。可以计算出了流速及其变化。浊流在流动过程中本身逐渐形成头、身、尾三部分。头部含泥沙量高、粒度粗、流速大、具有侵蚀破坏能力。身部含泥沙的载体，涡动力把泥沙悬起，在流速加大时，沿途还席卷泥沙，在流速减慢时，泥沙逐渐沉积下来。尾部含泥沙量低，颗粒细，容易受周围水体的影响。到流动极缓慢时，形成大片的沉积。2.浊流的流动3.浊流的沉积作用当浊流流出峡谷口，由于坡度变小，流速减慢，所携带的泥沙在重力作用下沉积在深海平原上。浊流通常头、身、尾依次沉积，同时，其沉积物也先粗后细地依次沉积，细粒物往往超覆叠置在粗粒物之上，并且比粗粒物散布更远。因此，每一浊流沉积体，在垂向上和横向上沉积物粒度都由粗到细递变。浊流的堆积体常呈扇状，称为“浊积扇”，大小不等，其坡度一般小于2％。通常每次浊流的堆积厚度不大，浊积扇由浊流多次加积而成的。它与深海沉积常呈过渡或相关关系。3.浊流的沉积作用浊流沉积物的组成以砂和泥为主，基本上类似浅海沉积的陆源物质，不同于深海沉积物。它的矿物成分有石英、长石、云母、海绿石以及钙质和泥质物等。分选度和磨圆度中等至较好。粒度通常粗于深海沉积物，且常含有浅水生物群，甚至植物的枝叶等。浊积层与深海沉积层呈互层或过渡的关系。3.浊流的沉积作用海洋浊流沉积主要分布于大陆边缘，特别在大河口外和海底峡谷口外和深海盆间的宽缓地带，形成平坦地形或扇状地形，呈环太平洋的带状分布。如在太平洋东北部和印度洋的周围，大西洋的低平地带也广泛分布有浊流沉积。浊积层是世界上许多大油田的良好储集层。因为浊流把富含有机质的浅水沉积物大规模地搬到深水区，在该处浊流的快速的堆积，有机质被很快埋藏而有利于石油的形成，浊积物的颗粒又较粗，本身可以构成良好的储集层。浊流沉积的发育机制沉积物重力流有两种类型，包括湍流在内的由各种机制所支撑的高浓度沉积物流；浊流，它是由湍流支撑的低浓度沉积物流。高浓度沉积物流的密度稍小于未固结沉积物的密度（1.5—2.4g/cm3），而低浓度沉积物流（浊流）的密度往往是1.03—1.3g/cm3。梅德尔敦（Middleton&Hempton1976）根据