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  • CN 62-1091/P
  • ISSN 1001-8166
  • 月刊 创刊于1986年
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地球科学进展, 2019, 34(11): 1111-1119 doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2019.11.1111

综述与评述

海底峡谷科学深潜考察研究现状

钟广法,1,2

1. 同济大学海洋地质国家重点实验室,上海 200092

2. 南方海洋科学与工程广东省实验室(珠海),广东 珠海 519080

Current Status of Scientific Deep-diving Investigations in Submarine Canyons

Zhong Guangfa,1,2

1. State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China

2. Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory (Zhuhai), Guangdong Zhuhai 519080, China

收稿日期: 2019-10-10   修回日期: 2019-11-01   网络出版日期: 2019-12-30

基金资助: 国家自然科学基金项目“南海深海平原浊流沉积及其构造意义”.  41676029
“南海北部洋陆过渡带的重力流沉积”.  41876049

Received: 2019-10-10   Revised: 2019-11-01   Online: 2019-12-30

作者简介 About authors

钟广法(1964-),男,湖南临澧人,教授,主要从事地球物理数据解释及深海沉积学研究.E-mail:gfz@tongji.edu.cn , E-mail:gfz@tongji.edu.cn

摘要

海底峡谷是大陆边缘重要的海底地貌形态,也是沉积物从浅海向深海搬运的重要通道和生物多样性热点,对海底科学研究、海底资源开发利用及海底基础设施建设与安全运营具有重要意义。载人深潜和以遥控潜器(ROV)和自主潜器(AUV)为代表的无人深潜技术为人类探索现代海底峡谷提供了重要途径。海底峡谷的深潜科学考察始于1940年代后期,最初为潜水员下潜考察,1960年代开始各种载人和无人潜器逐步应用于海底峡谷的科学探索。载人潜器能将科学家带至海底进行实地观察和精准取样。无人潜器的优点是:成本低、效率高,无人员安全之忧,水下作业时间长,且可以到达人类难以企及的极端海域。深潜技术在海底峡谷地学研究中的应用主要包括海底地形地貌和底质调查,各种侵蚀和沉积底形及其成因分析,块体搬运和流体动力学过程研究,冷泉、冷水珊瑚等生物群落分布及海底生物侵蚀作用研究。欧美发达国家过去70余年在海底峡谷科学深潜考察研究方面所积累的经验和成果对于我国正在兴起的深海深潜科学考察具有重要的启示和借鉴意义。

关键词: 海底峡谷 ; 科学深潜考察 ; 海底地貌 ; 沉积过程 ; 生物栖息地

Abstract

Submarine canyons represent one of the most important geomorphologic features in continental margins, act as one of the most important conduits of seafloor sediment transporting from shallow waters into the deep sea, and are also biodiversity hotspots. Submarine-canyon investigations are therefore significant for seafloor scientific research, submarine mineral and resource exploitation, and the construction and safety operation of submarine infrastructures. Deep-sea diving by manned submersibles and robot submersibles represented by Remotely Operated Vehicles (ROV) and Autonomous Underwater Vehicles (AUV) provides an important approach to the investigation of modern submarine canyons. The biggest advantage of manned submersibles is that they can bring scientists to the deep sea for in-place observations and precise sampling, while the robot deep-sea diving has the advantages of low cost, high efficiency, no personnel safety concerns, and the ability to reach the extreme sea areas that are difficult for humans to reach. Deep-sea diving has found broad applications in the geo-scientific research of submarine canyons. These studies cover seafloor topography and geomorphology, seafloor sediments, erosional and depositional bedforms, mass transport processes and flow dynamics, cold springs, cold-water corals and other biological habitats, as well as seafloor biological erosion. The research experience and scientific findings in scientific diving investigation of submarine canyons accumulated by the developed countries in Europe and the United States over the past 70 years are of great reference and significance to the emerging scientific deep-sea diving in China.

Keywords: Submarine canyons ; Scientific diving ; Seafloor geomorphology ; Sedimentary processes ; Biological habitats.

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钟广法. 海底峡谷科学深潜考察研究现状. 地球科学进展[J], 2019, 34(11): 1111-1119 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.11.1111

Zhong Guangfa. Current Status of Scientific Deep-diving Investigations in Submarine Canyons. Advances in Earth Science[J], 2019, 34(11): 1111-1119 doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2019.11.1111

海底峡谷是大陆边缘最显著的地貌形态之一,是陆架与深海联系的重要通道,经由海底峡谷搬运至深海的沉积物形成了地球上规模最大的沉积体——海底扇[1],而通过海底峡谷输送至深海埋藏下来的陆源有机质对全球碳循环具有重要意义[2]。海底峡谷因其地形崎岖、水体相对动荡、营养物质供应丰富而成为重要的生物多样性热点[3]。地质历史时期的海底峡谷及有关海底扇沉积是深海油气资源勘探的潜在目标。此外,海底峡谷中的滑坡和浊流等灾变事件对于海底管线和通讯等基础设施的安全运营构成威胁。因此,海底峡谷无论在科学上还是工程上都具有极其重要的研究价值。

人类对海底峡谷的认识主要通过地球物理遥测(多波束测深和反射地震等)、海底底质取样、古代沉积记录分析及物理和数值模拟等手段而获得。科学深潜为实地考察并了解现代海底峡谷地质过程及有关的地貌、动力、沉积和生物响应提供了重要途径。本文拟在文献调研基础上,对欧美等发达国家过去70余年利用深潜技术开展海底峡谷科学考察研究的经验和成果进行分析,以期为国内近年来兴起的深海深潜考察提供参考和借鉴。

1 海底科学深潜考察技术概况

海底峡谷科学深潜考察大致始于1940年代后期的美国,最初采用潜水员携带氧气瓶下潜方式(scuba diving)进行考察,由专业潜水员或经过专业潜水训练的科学家执行下潜任务,其下潜深度有限,一般不超过50~60 m[4]。1960年代开始,各种科学载人潜器陆续出现,满足了科学家对普通潜水难以企及的、水深更大的海底峡谷区进行探索的需要,下潜深度不断增加,从最初数百米逐步扩展至4 000~5 000 m或更深。1990年代以来,以遥控潜器(Remotely Operated Vehicle,ROV)和自主潜器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)为代表的无人潜器越来越多地应用于海底科学考察。

载人潜器的最大优势是能将科学家带至海底,对各种地质现象进行近距离的实地观察和高精度定点取样,如同地质学家在陆地上进行野外露头调查一样[5]。利用安装在潜器前方、左右舷及底部等不同部位的多套高清照相、摄像系统,可以获取潜器所经过海底的全程高清视频记录;利用潜器上配备的机械手和各种取样工具,可以获取海底岩石、沉积物、水体及生物样品;利用潜器上搭载的多波束和侧扫声呐系统可以获取海底高精度水深和地形地貌数据;还可以根据需要在潜器上搭载专门的科学仪器对海底沉积物及底层海水实施观测,获取各种原位观测数据。这些样品、视频资料和观测数据可用于航次后进一步的科学研究。载人潜器需要水面船舶的支持,水下作业时间有限,一般控制在十多个小时以内[5]

ROV是一种遥控式无人水下机器人。它通过一组称为“脐带”(umbilical)的电缆与母船相连,从母船获取动力供应,其运行也完全由母船上的操作员控制,操作员与潜器之间可以通过脐带缆进行视频和数字信号传输。ROV最早出现于1960年代,用于军事目的(包括救援行动和扫雷等),70~80年代逐步应用于工业界及科研领域。ROV的基本配置与载人潜器类似,包括1台或多台摄像机、1个或2个机械手、1个或多个用于储存样品或工具的设备,还可以视需要搭载一系列传感器、科考仪器和工具,包括小型温盐深剖面仪(Conductivity-Temperature-Depth profiler,CTD)、多波束测深及浅剖等原位观测、地形测量和底质调查设备。ROV 可在一定范围内进行精细作业,其下潜的深度和水下作业范围受脐带缆的约束。

AUV是一种无人无缆水下自动机器人。它们从母船释放或发射之后,完全根据电脑程序预设的指令自主运行,前往指定的海区,到达预设的深度,完成预订的调查任务。由于与母船间缺少电缆连接,AUV下水后与母船之间的通信完全依靠声学方法。AUV可分为巡航式(cruising)和悬停式(hovering)两种。巡航式AUV一般为鱼雷型,由单一推进器驱动,移动速度可达2 m/s,适合沿预设路径进行长距离运行[6]。悬停式AUV很像ROV,安装有多个推进器以确保它们可以在任意方向上移动,因而具有良好的操控性,它们主要是为需要精细操作、慢速运动调查(如海底摄像)及在三维复杂地形条件下工作(如热液喷口或珊瑚礁周围)而设计的。由于AUV与母船为无缆连接,缺乏来自母船的电力供应,限制了各种传感器的电力消耗和潜器活动的持久性。与ROV类似,AUV可以携带多波束声呐和浅剖等多种科学仪器进行水下作业。总体而言,AUV更适合进行较大范围的水下探测,沿平滑的、预先设定的路径获取各种观测数据,不具备取样等作业能力。

近年来新开发出了一种兼有ROV和AUV功能的混合式无人自主/遥控潜器(Autonomous & Remotely Operated Vehicle,ARV)。它既可以通过光缆与母船连接,建立实时通信连接,以ROV模式完成水下局部区域的精确调查和定点取样等作业;也可以自带能源,采用AUV模式实现较大范围的自主海底调查和探测,通过水声通信将采集到的数据传至水面。与AUV相比,ARV不仅实现了实时数据交互,还可以完成水下轻作业,提升了系统的作业能力;相对于ROV,ARV可携带长距离光纤微缆,扩大了其水下作业范围,降低了对支持母船的要求[7]。伍兹霍尔海洋研究所(The Woods Hole Oceanographic Institution,WHOI)设计的Nereus H-ROV两用机器人潜器是ARV的代表,不幸的是该潜器2014年在Kermadec海沟进行考察时失踪[8]

较之载人潜器,ROV和AUV等无人潜器具有很多优点,主要表现在:成本较低、效率高,无人员安全之忧,水下作业时间较长,尤其是可以到达人类难以企及的特殊和复杂地形海域(如热液喷口)。载人潜器与AUV和ROV无人潜器的技术特点及优缺点概括如表1所列。

表1   载人潜器与无人潜器的技术特点与优缺点

Table 1  The technical characteristics and advantages of manned submersibles and robot submersibles

潜器类型主要技术特点优势不足之处
载人潜器潜器由潜航员操控,可视科学家需要进行考察和取样等作业载人实地考察;精准取样需要母船支持;水下作业时间较短;难以到达恶劣海底环境
ROV潜器通过脐带缆与母船连接,其运行完全由母船控制;依靠光缆与母船进行实时通信可代替载人潜器完成海底调查和取样等作业;可以达到特殊和复杂地形海域;水下工作时间较长;安全、经济、高效需要母船支持;脐带缆限制了潜器的活动范围
AUV潜器完全根据预设指令独自运行;靠声学方法与母船进行通信;适合进行长距离测量作业具备近底多波束等高精度地形地貌探测功能;无需母船支持,可独自进行较长距离的测量作业;可以到达特殊和复杂地形海域;水下工作时间较长;安全、经济、高效缺乏来自母船的电力供应,限制了潜器活动的持久性;与母船无光缆连接,通讯完全依赖声学方法

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2 早期的潜水考察

早期的潜水员下潜考察受下潜深度限制,多集中在海底峡谷头部的浅水区,在海底峡谷科学研究中的应用有限。

美国著名海洋地质学家Francis Parker Shepard(1897—1985年)大概是最早利用潜水方法开展海底峡谷地质调查的科学家。1940年代后期,他与美国前海军潜水员Frank Haymaker 合作采用潜水方法对位于加州La Jolla岸外的Scripps和La Jolla两条海底峡谷的头部进行了调查[4]。由Frank Haymaker执行下潜任务,Shepard则通过电话对其海底考察进行专业上的指导。1946年10月首次下潜,此后1年内共执行了62次下潜,最大下潜深度为58 m。通过下潜考察,对上述两条海底峡谷头部谷底和谷壁地形进行了观察、描述和照相,发现了垂直的甚至向外突出的峡谷壁、网状的分支峡谷及大量的谷壁冲沟和悬谷,还在谷壁发现了富含粗砾的冲积层及谷底砂砾质沉积物。

1960年代Dill[9]也在Scripps和La Jolla海底峡谷的头部进行了大量的潜水考察,期间发生过3次震级为5.0~6.3级的较强地震。他在震后5小时内对峡谷头部进行下潜考察,主要目的是研究震后海底峡谷地形的变化及地震对充填于峡谷内沉积物的影响。结果表明,这3次地震在峡谷头部均未触发沉积物失稳,由此推测,峡谷头部沉积物向深水的搬运可能并非地震触发的浊流所为,而是其他块体搬运过程的结果。

Reimnitz[10]在墨西哥Rio Balsas海底峡谷上游一条名为Cañón de la Necesidad的支流进行潜水考察期间,在水深18 m的头部遭遇到流速大于1 m/s、富含悬浮沉积物且顺谷流动的具有浊流性质的脉冲式底流,该底流的厚度大于3 m,其成因可能与沿岸涌浪引起的裂流有关。

Dingler等[11]采用潜水方法在加州南部Carmel海底峡谷头部进行4次人工触发颗粒流实验,以考察砂粒在峡谷头部发生崩落时的搬运行为及由此形成的沉积物的内部构造。Carmel峡谷的头部由极粗砂组成,坡度正好等于休止角(34o),水深很浅,仅15~20 m,是进行此类砂质颗粒流原位实验的绝佳地点。他们先将3种不同粒度的沙粒染上不同颜色,并按不同的比例进行混合;再由潜水员将染色砂粒倾到在峡谷头部的砂质斜坡上,然后观察沙粒的运动情况。待沙粒完全沉积后,顺坡而下按1 m的横向间距进行取样,研究沉积物的粒度和沉积构造沿坡向的变化。结果表明,每次颗粒流都形成了一个反粒序层,层内砂粒的粒度中值顺坡而下逐渐增大。染色砂沉积物的特征与Carmel峡谷头部斜坡上天然砂沉积物一致,表明颗粒流是峡谷头部斜坡上砂质沉积物搬运的一种重要机制。

3 载人深潜考察

1960年代中期开始,载人深潜技术在海底峡谷科学考察中逐步得到应用。载人深潜技术在海底峡谷考察中的应用方式主要有现场考察、照相和摄像,定点取样,过程观测等。相关资料主要用于以下几方面的研究:海底地形地貌及谷底岩石和地层的出露情况;谷底侵蚀和沉积底形的类型、特征及分布;谷底底质分布情况和沉积物的性质;海底滑坡、浊流等沉积过程及海底峡谷的活动性;底流流速和流向估计;底栖生物和海底生物侵蚀作用(潜穴和觅食);冷泉和冷水珊瑚群落的类型、特征及分布等。

Shepard等[12]租用法国的两人潜器对Scripps和La Jolla海底峡谷水深300 m以浅的谷底进行了8次下潜考察。他们下到了以前用潜水方法难以到达的峡谷谷底,证实以前根据潜水所发现的谷壁陡崖向深海方向至少可以一直延伸至300 m水深处,并在多处发现了流速达10 cm/s的顺谷底流,还在水深140~170 m的3个地点观察到了弱的逆谷底流。

Shepard等[13]使用Trieste I,II 及Deepstar-4000载人潜器在La Jolla扇谷进行了16次深潜,由其合作者Dill担任深潜员,下潜深度为585~1 219 m,主要考察该扇谷的地形地貌特征和底质分布情况。通过下潜,他们观察到了陡峭的悬崖和高达50 m的直壁,近水平的更新世半固结沉积物及前更新世岩石露头,谷壁滑坡,谷底大的滑塌岩块和漂砾,扇谷外侧波长15~30 m、波高达1 m的大型砂波,漂木及大量的深水底栖生物和潜穴,还遇到了流速达30 cm/s的潮汐底流。

Trumbull等[14]1966年采用Alvin深潜器下潜至Oceanographer峡谷,这是美国东部海底峡谷的首次载人深潜考察。他们在水深1 460 m处的谷底观察到了大的滑塌岩块,推测这里曾经发生过顺谷的块体搬运过程;还在1 460~1 310 m的谷壁见到更新世或更年轻的沉积物露头,推测其为先前充填于峡谷的沉积物。

Ross[15]在1967年利用Alvin深潜器在Corsair峡谷轴部1 600 m水深附近进行了一次下潜,其目的是调查峡谷壁,并对谷壁露头进行定位、照相和取样,发现谷底被细粒砂纹状沉积物覆盖,砂纹的走向垂直于峡谷轴向;见到了谷底大漂砾(直径50 cm,最大2.5 m),漂砾被沉积物部分覆盖,周围被冲坑包围;在谷壁底部还见到大的棱角状垮塌岩块。综合多种证据推测,该海底峡谷的谷底应存在间歇性的顺谷流动的较强底流活动。

Palmer[16]使用Deepstar 2000潜器在La Jolla峡谷两处陡峭的谷壁露头区进行了2次下潜,下潜深度分别为340和460 m,其主要目的是考察生物侵蚀作用。他发现了大量与海底底栖生物活动有关的微地貌,包括丘体、蠕虫管、粪粒、潜穴和虫迹等,观察到了由谷壁底栖生物侵蚀作用(潜穴和觅食)引起的谷壁滑塌在谷底堆积形成的碎屑裙,还观察到了流速极低(2~4 cm/s)且逆谷流动的潮汐底流。

Hughes Clark 及其合作者[17,18]于1985—1986年利用Pisces IV和Alvin深潜器对Laurentian海底扇的东谷进行了一系列考察,其主要目的是验证根据多波束资料解释得出的与1929年Grand Banks大地震所触发的海底滑坡和浊流事件有关的侵蚀和沉积地貌。东谷是Laurentian海底扇上3条主要扇谷中最大的一条,其平均宽度为25 km,天然堤最大高度达950 m。该峡谷可以划分为上游(2 000 m以浅)、中游(2 000~4 300 m)和下游(4 300~4 900 m)3段。Pisces IV的下潜深度极限为2 000 m,主要执行东谷上游的4个潜次(水深为800~2 000 m),中下游则采用Alvin深潜器。在上游谷底识别出与谷底侵蚀作用有关的砾状泥岩露头,观察到了成分为砾状泥岩的粗砾和漂砾,横向砾石波和砂波底形,及半固结泥岩滑塌构造[17]。在扇谷中游4 000 m处的谷底见到了下切至薄互层递变泥质砂和薄层砾岩中的水道壁,观察到了高达30 m的新鲜露头。深潜考察与多波束资料解释相结合,证实东谷的上游和中游谷底侵蚀作用明显,发育有大范围的谷底侵蚀水道,水道内不对称的横向砾石波底形被改造为滞留砾石;下游则未见广泛的侵蚀特征,主要为厚层块状砾石沉积物,其中发育有对称的横向底形,推测为减速浊流沉积产物。谷底下切水道从上游开始出现,到中游不断加深,至下游逐渐消失,表明浊流的侵蚀能力从上游开始逐渐增强,到中游达到顶峰,至下游则逐渐减弱直至消失[18]

1988年10~11月,美国地质调查局采用Alvin深潜器沿Monterey海底峡谷—扇体系进行了10个潜次的考察,包括5个生物潜次和5个地质潜次[19~21]。地质潜次的主要目标,一是调查谷底现代侵蚀和沉积过程,评价谷底有无最新的浊流活动;二是研究谷壁侵蚀出露的老地层的岩性和年代,采集出露于海底的最老的海底扇沉积物样品[19];三是调查冷泉生物群落的特征与地质背景[20]。5个地质潜次中,3个位于Shepard湾,另2个位于水深较浅、谷壁较陡的峡谷段。根据深潜资料,McHugh等[21]对Monterey 峡谷—扇体系内不同地貌单元包括谷壁、阶地、中泓线谷底及天然堤的特征和平面形态进行了详细研究,以评估该海底峡谷目前的活动性;Embley等[20]则对Shepard湾冷泉生物群落进行了较为系统的研究。Shepard 湾是一个马蹄形湾,直径约7 km,轴部水深为3 360~3 500 m,谷底最大侵蚀幅度位于3 000 m水深附近的坡底。在Shepard湾附近的下潜考察证实了Monterey和Ascension扇谷的侵蚀性质。扇谷谷底被未固结的泥层覆盖,泥层表面布满了蠕虫、海参、海葵和鱼类等生物,生物扰动强烈,没有发现近期浊流活动痕迹,也没有观察到粗粒沉积物底形。谷壁底部发育有近直立的悬崖,显示出明显的侵蚀下切证据。悬崖上出露的地层为平行层状的泥和粉砂,可能为较老的天然堤或越岸沉积。谷壁相邻垂直陡壁之间被坡度较缓的阶地分隔,阶地上散布着从上方陡壁垮塌下来的固结沉积物碎块。弱的流体活动、平坦的谷底、生物扰动的泥质底质、缺乏冲刷及长满底栖生物的滑塌岩块或谷壁露头等多种证据表明,Shepard湾附近的扇谷已经有一段时间没有出现大型浊流事件了。与Meander湾目前安静的扇谷环境不同,Monterey峡谷上游1 200~2 000 m水深段的2次下潜表明,这里存在较强的流体活动和活跃的沉积物搬运,其谷底主要为中—粗砂,表面发育大量波痕,见白色棱角状花岗岩漂砾及人为碎屑和树干;还见到一个大的白色花岗岩漂砾区,推测由发生在上游峡谷的滑坡搬运而来。

McHugh等[22]利用Alvin深潜器对新泽西大陆边缘下陆坡的海底峡谷进行了考察。这些峡谷下切至下伏硅质白垩或白垩等碳酸盐沉积物中,具有陡峭的谷壁及平直的谷底,峡谷横剖面呈U型,缺乏分支冲沟,明显不同于发育在同一大陆边缘中—上陆坡区的海底峡谷。后者切入下伏陆源碎屑沉积物中,横剖面呈V型,中泓线狭窄而弯曲,且发育分支状冲沟。他们对上述峡谷中的各种地貌单元,包括陡峭的谷壁、平坦的谷底和阶地、线性冲槽、节理等进行了观察和取样,研究成岩作用和基岩物理性质对碳酸盐海底峡谷形成和演化的影响。结果表明,硅质白垩在渐进埋藏过程中发生了蛋白石A向蛋白石C的成岩转变,导致流体排出、体积缩小,有利于岩石中裂隙的形成,并最终引发滑坡,导致了峡谷的形成。

1993年9月,Orange等[23]和McAdoo等[24]对Oregon中部海域Cascadia增生复合体底部进行了9次海底深拖照相和Alvin号深潜考察,以研究冷泉喷口与海底峡谷及滑坡之间的相互关系。他们先用深拖照相和摄像系统扫描峡谷及峡谷间区,一旦发现冷泉便执行下潜对其进行详细考察。他们发现,所有的冷泉证据均与峡谷有关,而峡谷间区则未发现流体活动。但并不是所有峡谷都有冷泉活动,且冷泉的位置和特征也因峡谷而异。有的冷泉以营化学光合作用的喷口蛤、管状蠕虫及广泛分布的自生碳酸盐岩为特征,但有的冷泉只有喷口蛤群落。

2002—2004年,Hissmann等[25]使用德国载人深潜器Jago,结合ROV无人深潜对Greater St Lucia Wetland Park地区12条规模较大的海底峡谷进行了深潜考察,共执行了47个潜次,下潜深度为46~359 m,其主要目的是研究这些海底峡谷内腔刺鱼(coelacanths)的习性、分布和数量。他们在3条峡谷中鉴别出了24个种,主要分布于峡谷边缘水深96~133 m、温度16~22.5 °C的洞穴内或其附近。

4 无人深潜考察

1990年代以来,以ROV和AUV为代表的无人深潜技术在海底峡谷科学研究中得到了越来越广泛的应用。ROV可以代替载人潜器完成常规深潜考察及取样任务;AUV多用于定高航行获取海底高精度地形地貌和水深数据。总体来看,目前无人深潜在海底峡谷科学考察中的应用主要涉及以下3个方面:谷底微地貌和沉积底形;峡谷内底栖生物群落调查,特别是冷泉和冷水珊瑚生物群落;生物侵蚀作用。

4.1 谷底地貌和底形

根据ROV和AUV采集的近底多波束或声呐测深数据,可以得到分辨率极高的海底数字地形模型,为研究海底峡谷中的各种微地貌及侵蚀和沉积底形提供了重要素材。

美国蒙特利湾海洋生物研究所(Monterey Bay Aquarium Research Institute)利用Ventana,Tiburon和Doc Ricketts等ROV潜器在蒙特利湾(Monterey Bay)开展生物调查已有20多年的历史,累计执行了4 000多个潜次,其中有一小部分用于研究Monterey峡谷系统的地貌和底质。Paull等[26]利用这些ROV深潜资料,结合多波束数据,对发育于Monterey峡谷谷底的新月形底形(Crescent-Shaped Bedforms, CSB),反向弯曲底形(Reverse Curvature Bedforms, RCB)及出露于谷底的露头进行了研究。他们先根据多波束资料挑选出感兴趣的地貌或底形,然后对其进行ROV观察和取样,验证多波束地貌解释结果,研究地貌或底形的成因。Monterey峡谷新月形底形很发育,一般分布于谷底轴部水道下切最深部位,顺谷而下至少延伸至水深2 100 m处。Carmel峡谷下游也见有新月形底形。这两条峡谷目前仍有活跃的粗粒沉积物搬运。Soquel峡谷则缺乏新月形底形,其谷底较平坦,主要由细粒沉积物组成,缺乏活跃的现代沉积物搬运。Monterey峡谷1 280 m以浅部位,新月形底形的波形不对称,顺谷侧较陡,逆谷侧较长,近水平或逆坡倾斜。Paull等[26]根据多波束资料在该峡谷160~1 280 m深度段内沿峡谷中泓线统计出了371个新月形底形,其间距为12~167 m。关于这些新月形底形的成因尚有争议,Paull等[26]认为,不能排除超临界浊流周期阶坎底形(cyclic steps)的可能性,但他们更倾向于将其解释为与后退式滑坡有关的溃决(breaching)过程的产物。Monterey峡谷上游谷底还发育有大量的反向弯曲底形,主要分布于以下2个深度段:一个为1 265~1 284 m,正好位于峡谷轴部一个比较大型的收窄部位(Navy滑坡体)的上游;另一个为1 810~1 875 m,该区域上游峡谷壁张开成一个宽约1 km的盆地。与新月形底形不同,反向弯曲底形与谷底局部下切无关。相反,反向弯曲底形的脊部在横向上逐渐减弱直至消失,而不是像新月形底形那样终止于水道边缘的滑坡面。反向弯曲底形的规模较大,高度可达10 m,长度可达 120 m;与新月形底形相比,更不对称,且缺乏新月形底形特有的顺坡翼的陡壁。此外,Monterey峡谷的谷底还分布有一些前峡谷期基岩露头,表现为不连续的脊或隆起,或从峡谷边缘延伸至峡谷内的岬角,一般高出周围谷底数米至125 m。ROV观察和取样分析表明,这些基岩露头的岩性主要为花岗闪长岩、碳酸盐胶结的块状砂岩等,基岩露头表面有明显的流体冲刷痕迹。

Paull等[27]利用Doc Ricketts潜器在La Jolla峡谷内执行的6个ROV潜次,用于近底观察和取样,了解峡谷内特定地貌及其形成过程。每个ROV潜次沿250~800 m长、水深585~727 m的断面连续摄像观察并取样。ROV观察证实,沿着峡谷轴部与阶地之间的过渡部位发育有大量的滑坡面,其表面被数量不等的沉积物覆盖。部分新鲜滑坡面处,可以看到由水平中层状地层组成的露头,滑坡面底部还可见到由黏性泥块组成的棱角状碎屑。取自轴部水道边缘阶地表面的岩心含有向上变细的中—细粒石英砂薄层(≤10 cm),被半远洋富黏土层分隔。砂层顶部含有0.1~12.0 cm厚的表面泥质盖层。而取自峡谷轴部水道的岩心,其表面通常都有约1 cm厚的泥质盖层,其下伏为大于1 m的厚层石英砂。部分岩心内部含有多个向上变细单元。砂层内偶见棱角状黏性泥片,推测为峡谷侧壁侵蚀产物。La Jolla峡谷较新(<1.23 Ma),目前仍在活动。该峡谷发育有一条弯曲的轴部水道,被砂质重力流沉积物覆盖。轴部水道底部发育有大量新月形底形,其成因可能与溃决或其他块体失稳过程有关。沉积物失稳可能是海底峡谷中除浊流外另一种重要的沉积物搬运机制。

4.2 冷泉生物群落

ROV观察和取样与多波束资料的分析证实,Monterey峡谷—扇体系内的块体搬运主要发生在峡谷上游2 000 m以浅的海域。14C测年表明,过去100年间,发生在峡谷上游的块体搬运并未影响到水深大于2 000 m的峡谷下游及扇体部位。蒙特利湾海洋生物研究所在Monterey峡谷—扇体系内执行了大量的ROV下潜,考察峡谷内底栖生物的分布,得出了详细的营化学光合作用生物群落(Chemosynthetic Biological Communities,CBC)的分布情况。Paull等[28]将上述两方面工作结合起来,研究幕式块体搬运事件与CBC分布之间的关系。结果表明,CBC在Monterey峡谷轴部主要分布于峡谷水深大于2 500 m的区域,深度小于2 000 m的区域未见分布;但在峡谷壁,CBC在任何深度都有分布,且主要见于年轻(数百年历史)的滑坡面上。CBC的分布为研究海底块体搬运扰动历史提供了证据。大的块体搬运事件将破坏其沿途经过的生物群落,而与大的块体搬运事件有关的侵蚀作用导致含甲烷的新鲜地层出露,会形成有利于CBC发育的环境,这种情况在谷壁滑塌事件或大的重力流事件侵蚀谷底后均可能出现。

4.3 冷水珊瑚及有关的生物群落

海底峡谷因其复杂而崎岖的海底地形被认为是潜在的适合冷水珊瑚生长的海区,谷壁陡直甚至向外突出的悬崖为冷水珊瑚附着生长提供了坚硬的底座,而峡谷内局部增强的流体活动(如内潮和内波等)和有机碳的顺坡搬运与汇集为冷水珊瑚及有关的生物群落生长提供了理想的环境条件[3,29]

Biscay湾大陆边缘发育有大量的海底峡谷,是冷水珊瑚的重要栖息地。Huvenne等[29]在Biscay湾北部Whittard峡谷内进行了一项基于ROV的生物栖息地填图计划,覆盖了水深500~4 000 m的峡谷段,其主要目标是寻找该峡谷内各种生物特别是冷水珊瑚群落的栖息地,并评估其生存状况,特别是人类活动对它们的影响。研究结果表明,该峡谷内发育有多个冷水珊瑚栖息地,分布于水深880~3 300 m;多数珊瑚分布于陡坡部位,包括悬崖、岩架(ledges)或大的漂砾等,也有少数见于相对较缓的海底。

Baker等[30]使用加拿大的Ropos ROV潜器在Newfoundland南部Grand Banks陆坡区3条海底峡谷(Haddock水道,Halibut水道和Desbarres峡谷)执行了7个潜次,发现了160 000个珊瑚栖息地,共28个珊瑚种。最大珊瑚的高度超过2 m。珊瑚的分布覆盖了航次所及的全部深度范围(351~2 245 m)及所有底质类型,但最丰富的是漂砾栖息地。

Robert等[3]对大西洋东北部Whittard峡谷的4条主要支流进行填图,以考察先前预测的具有较高生物多样性区域的环境变量。采用ROV对13个峡谷断面进行了摄像,在水深650~4 000 m范围内收集了总共超过100小时的视频资料,用于研究大的底栖无脊椎生物种及其地理分布。结果发现,垂直的峡谷壁具有最高的生物多样性,其冷水珊瑚最发育。

Brooke等[31]先后在2012年和2013年2个航次中使用Kraken II和ROV Jason II ROV潜器在Norfolk和Baltimore两条海底峡谷内考察深水珊瑚栖息地的生态学和生物学特征。他们发现珊瑚的分布因峡谷而异:Baltimore峡谷中分布最多的是八放珊瑚;而Norfolk峡谷则是石珊瑚,反映了两条峡谷之间环境条件特别是浊度的差异。部分种的分布范围广,而另一些种则局限于特定的栖息地和深度带。

4.4 海底生物侵蚀作用

大的海底滑坡可以将数十米厚的海底松散未固结沉积物移除,导致其下伏较固结地层大范围出露海底。很少有人关注这些暴露于海底的滑坡面的后续演化问题。多波束资料揭示,Monterey峡谷下游北岸存在多个大型滑坡面,最大的为Tubeworm滑坡面,其东侧还有另外2个新出现的滑坡面。Paull等[32]在2000—2002年利用Tiburon ROV潜器对上述3个滑坡面(水深2 000~2 500 m)进行了7次下潜考察,对这些滑坡面的主壁、侧壁及底部进行了视频观察和沉积物取样分析,研究这些海底滑坡面形成后的的演化历史。结果表明,这些滑坡面在形成后遭受了持续的生物侵蚀作用改造。滑坡面特别是滑坡主壁上发育有大量的营化学光合作用的深海生物群落,主要由菌垫、巨蛤和蠕虫等生物组成,它们靠从新鲜海底渗漏出来的甲烷和硫化氢生存。这些生物通过潜穴方式追踪不断后退的氧化还原界面。它们在坡脚处不断向沉积物内部掘进,形成了很多小的洞穴,导致海底被侵蚀剥蚀,强度减弱。

5 结 语

从1940年代中后期Shepard与Frank Haymaker 合作在La Jolla附近开展海底峡谷潜水考察算起,海底峡谷科学深潜考察已走过70余年的发展历程,经历了潜水员潜水、载人深潜和无人深潜3个发展阶段。海底峡谷深潜考察的科学目标也从最初单纯的海底地形地貌观察、描述和照相,逐步发展到海底高清摄像、高精度近底声学成像、地质和生物取样、沉积物和水体的原位观测等,这些资料被用于研究海底峡谷地形地貌、底质、各种侵蚀和沉积底形、块体搬运及流体动力学行为、冷泉、海底生物侵蚀作用、冷水珊瑚及其他生物群落等方面。

无人潜器的出现改变了我们考察海底地貌和各种海底地质过程的方式,使得海底地质填图不再局限于各种船载和深拖测量。ROV和AUV可以在近底环境下利用高频声呐对海底进行极高精度的成像,从而改变和加深了我们对各种深海微地貌及有关海底地质过程的认识。此外,无人潜器还有一个突出的优势,即可以在人难以到达的极端深海环境下工作(如海底热液喷口等)。无人深潜代表了未来深潜科学考察的一个重要方向。

多种深潜技术的结合,包括ROV与AUV深潜的结合、载人与无人深潜的结合,这方面的研究实例还不多,应该是未来科学深潜考察研究的另一个重要方向。此外,由于深潜考察的成本很高,潜器上应尽可能搭载多种科学考察仪器,以确保每次下潜都能尽可能采集多方面的参数和信息。包括海水、海底表面和浅层沉积物在内的三维立体深潜探测很可能代表了未来深海深潜科考技术发展的又一个方向。最后,深潜科学考察的成本很高,不宜当做深海地学普查和填图方法来使用,应该在船测多波束和地震等遥测地球物理资料分析基础上有针对性地筛选感兴趣的科学目标,利用深潜技术进行定点考察。

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