海洋地球物理与海底构造学 (20)

1、三、三、 海洋沉积海洋沉积海洋沉积是海洋地质与海洋地球物理的主要研究海洋沉积是海洋地质与海洋地球物理的主要研究内容。大洋底部的沉积物性质和沉积作用的研究为内容。大洋底部的沉积物性质和沉积作用的研究为大洋形成及其环境演化和全球气候变化以及海底矿大洋形成及其环境演化和全球气候变化以及海底矿产资源的开发提供了重要的信息，特别是产资源的开发提供了重要的信息，特别是1968年以年以来所开展的一系列大洋区的钻探计划，为大洋沉积来所开展的一系列大洋区的钻探计划，为大洋沉积研究提供了丰富的基础资料，推动了整个海洋学科研究提供了丰富的基础资料，推动了整个海洋学科的发展。的发展。1.2海洋的基本知识3.海洋地质与

2、地球物理学概述海洋沉积物的分类海洋沉积物的分类远洋沉积物远洋沉积物 生物源沉积生物源沉积 无机沉积无机沉积 自生沉积自生沉积 火山沉积火山沉积陆源沉积物陆源沉积物 陆源泥陆源泥 滑移沉积滑移沉积 浊流沉积浊流沉积 冰川沉积冰川沉积海洋沉积物的分类1891年，默莱年，默莱(Murray)与伦那德与伦那德(Renard)第一次综合地研究了第一次综合地研究了海洋沉积物。他们分析研究了一万二千多个样品，有些样品海洋沉积物。他们分析研究了一万二千多个样品，有些样品是是“挑战者挑战者“号调查船获取的。这两个早期的海洋学者提出号调查船获取的。这两个早期的海洋学者提出了一种分类法，至今仍然行之有效了一种分类法

3、，至今仍然行之有效。海洋沉积物可分成两大类：海洋沉积物可分成两大类：远洋沉积、陆源沉积远洋沉积、陆源沉积。这种分类方。这种分类方式既与沉积物形成的来源有关，也与沉积物的沉积方式有关。式既与沉积物形成的来源有关，也与沉积物的沉积方式有关。远洋沉积物远洋沉积物 生物源沉积生物源沉积 无机沉积无机沉积 自生沉积自生沉积 火山沉积火山沉积远洋沉积物发现于远离陆地的深海部分。它们是远洋沉积物发现于远离陆地的深海部分。它们是被强流沉落在水中的。这些沉积一般是植物被强流沉落在水中的。这些沉积一般是植物(主要是浮主要是浮游植物游植物)与动物的残骸或者是细粒粘土。这些粘土是从与动物的残骸或者是细粒粘土。这些粘土

4、是从陆地来的，由风、水、或流或者三者同时带到它们沉积陆地来的，由风、水、或流或者三者同时带到它们沉积的地点。细粒粘土的其他来源是火山和陨石的碎屑。的地点。细粒粘土的其他来源是火山和陨石的碎屑。海洋生物主要生活在海洋生物主要生活在500水深以水深以浅的海域，每年总生物产量约浅的海域，每年总生物产量约150亿亿吨，河流每年向海区供给吨，河流每年向海区供给7亿吨有机亿吨有机营养盐类，生物消耗不足的营养盐由营养盐类，生物消耗不足的营养盐由浮游生物死亡后补充。浮游生物死亡后补充。能构成大洋沉能构成大洋沉积的生物碎屑主要是微体钙质生物，积的生物碎屑主要是微体钙质生物，如有孔虫、翼足目和超微生物等，硅如有孔

5、虫、翼足目和超微生物等，硅质生物有放射虫和硅藻等质生物有放射虫和硅藻等。这些生物。这些生物体死亡后，它们的骨骼和壳体等成为体死亡后，它们的骨骼和壳体等成为大洋沉积物的一部分。大洋沉积物的一部分。远洋沉积物（远洋沉积物（1） 生物源沉积生物源沉积生物源沉积，包含有生物源沉积，包含有30以上的残骸以上的残骸(各种植物和动物各种植物和动物的碎屑或壳体的碎屑或壳体)。生物源沉积也常包含有无机物，如褐。生物源沉积也常包含有无机物，如褐粘土。粘土。 最普遍的有机物质为软泥最普遍的有机物质为软泥. 最有代表性的是有孔虫软泥、颗石藻软泥、最有代表性的是有孔虫软泥、颗石藻软泥、翼足类软泥、放射虫软泥以及硅藻软泥

6、。所有这些有机物都是浮游生物；硅翼足类软泥、放射虫软泥以及硅藻软泥。所有这些有机物都是浮游生物；硅藻和颗石藻是植物藻和颗石藻是植物(浮游植物浮游植物)，而其他是动物，而其他是动物(浮游动物浮游动物)。放射虫和硅藻具有。放射虫和硅藻具有含硅物质外壳含硅物质外壳, 其他则具有钙质壳体。其他则具有钙质壳体。 这些有机物大部份生长在海洋表面水层，当它们死亡后，其壳体就沉这些有机物大部份生长在海洋表面水层，当它们死亡后，其壳体就沉落到海底，构成了沉积物。落到海底，构成了沉积物。出现在海底的这些沉积物一般反映了海表面的状出现在海底的这些沉积物一般反映了海表面的状况，说明了壳体下沉到深海海底的速率足够迅速，

7、有机物不致从其生存的水况，说明了壳体下沉到深海海底的速率足够迅速，有机物不致从其生存的水域中水平位移到远处。钙质软泥比硅质软泥更易在浅水区内发现，因为钙质域中水平位移到远处。钙质软泥比硅质软泥更易在浅水区内发现，因为钙质软泥比硅质软泥更容易溶解。溶解度随深度而增加，而且随温度而减小；因软泥比硅质软泥更容易溶解。溶解度随深度而增加，而且随温度而减小；因此钙质沉积物往往很少发现在深于五千米的海底，由于钙质壳在这个深度以此钙质沉积物往往很少发现在深于五千米的海底，由于钙质壳在这个深度以内便溶解了。内便溶解了。 生物沉积物在高产生物区是很普遍的生物沉积物在高产生物区是很普遍的，如上升流区、别类沉积物不

8、存，如上升流区、别类沉积物不存在或沉积速率较慢的地区。生物沉积物的在或沉积速率较慢的地区。生物沉积物的沉积速率是每沉积速率是每1000年约年约15厘米厘米，与无机物粘土相比，这个沉积速是相当高的。与无机物粘土相比，这个沉积速是相当高的。对海洋学来说，生物源沉积物是很有价值的，因为它对海洋学来说，生物源沉积物是很有价值的，因为它们可用以了解有机物生存的环境。们可用以了解有机物生存的环境。 最适合于作这种研究的是生长在海洋表层的远洋有孔虫软体动物。最适合于作这种研究的是生长在海洋表层的远洋有孔虫软体动物。有有的种类是低纬度温暖水中的典型，而另一些种类则是中纬或高纬度寒冷水中的种类是低纬度温暖水中的

9、典型，而另一些种类则是中纬或高纬度寒冷水中的典型。在许多情况下，不同深度的有孔虫软泥的样品表明主要种属随深度的典型。在许多情况下，不同深度的有孔虫软泥的样品表明主要种属随深度变化。变化。 有些种属有孔虫有进化过程，因而可作为年代的标志。有些种属有孔虫有进化过程，因而可作为年代的标志。用碳用碳1414测定测定可以确定出各种不同种属有孔虫所标志的变化年代。可以确定出各种不同种属有孔虫所标志的变化年代。 有些有孔虫外壳的螺线改变方向，反映着它们生存地点的水温变化。有些有孔虫外壳的螺线改变方向，反映着它们生存地点的水温变化。 还有一种研究古环境的技术是测量外壳的同位素成份氧还有一种研究古环境的技术是测

10、量外壳的同位素成份氧1818氧氧1616的比的比例，可用于测定有机物生存的水温例，可用于测定有机物生存的水温( (参看稳定同位素参看稳定同位素) )。综合所有这些技术，可以研究近代海洋的变化。例如，通过可海洋生物源综合所有这些技术，可以研究近代海洋的变化。例如，通过可海洋生物源沉积物研究，最末冰河期约在沉积物研究，最末冰河期约在11000年以前结束，自那以后海洋表层水温就变暖年以前结束，自那以后海洋表层水温就变暖了。在最末冰河期以前，是了。在最末冰河期以前，是60000年以前结束的称为间冰期的温暖期。从年以前结束的称为间冰期的温暖期。从11000年年前到前到6万年前海洋是较冷的。从万年前海洋是

11、较冷的。从6万年以前开始的温暖期再回溯到万年以前开始的温暖期再回溯到10万年以前又是万年以前又是上一个冰河期。上一个冰河期。无机沉积物是在许多远离大陆的深海海盆中发现的非常无机沉积物是在许多远离大陆的深海海盆中发现的非常细的软泥。从定义出发，它们必须有小于细的软泥。从定义出发，它们必须有小于30%的生物源的生物源物质。由于被氧化了，往往呈现褐色。物质。由于被氧化了，往往呈现褐色。 有关这些粘土的起源知道得很少。有些人认为可能是从蒙古的戈壁沙漠有关这些粘土的起源知道得很少。有些人认为可能是从蒙古的戈壁沙漠来的，后来被风和海流带到北太平洋。其他可能的来源是陨石灰或火山灰。来的，后来被风和海流带到北

12、太平洋。其他可能的来源是陨石灰或火山灰。无机沉积物的沉淀速率是非常缓慢的，通常是每一千年无机沉积物的沉淀速率是非常缓慢的，通常是每一千年沉积一到二毫米，或一百万年沉积一米。沉积一到二毫米，或一百万年沉积一米。 像这样缓慢的沉淀速率限制了这种沉积的分布。显然，它们将被冲淡，像这样缓慢的沉淀速率限制了这种沉积的分布。显然，它们将被冲淡，并且在其他沉积物迅速堆积和形成的地方，它们可能被忽略。只有在远离任并且在其他沉积物迅速堆积和形成的地方，它们可能被忽略。只有在远离任何来自于陆地的沉积物的非常深的区域，以及许多钙质壳体被溶解掉的地方，何来自于陆地的沉积物的非常深的区域，以及许多钙质壳体被溶解掉的地方

13、，无机沉淀才是主要的。但是即使在这种受限制的条件下，也有很大一部份的无机沉淀才是主要的。但是即使在这种受限制的条件下，也有很大一部份的海洋，尤其是太平洋，存在着无机沉积。海洋，尤其是太平洋，存在着无机沉积。 远洋沉积物（远洋沉积物（2） 无机沉积无机沉积 自生沉积物是在本地形成而未被埋没的沉积物自生沉积物是在本地形成而未被埋没的沉积物 它们普遍地是直接从海水中沉淀出来的。在南太平洋大部份它们普遍地是直接从海水中沉淀出来的。在南太平洋大部份海区发现的钙十字沸石就属于这一种。有些沉积物堆积在海底后，海区发现的钙十字沸石就属于这一种。有些沉积物堆积在海底后，经历化学和物理的转换过程，这种转换与自生沉

14、积的形成过程是经历化学和物理的转换过程，这种转换与自生沉积的形成过程是不同的。不同的。 其他有意义的自生沉积还包括锰结核其他有意义的自生沉积还包括锰结核 在大部分海洋中都可发现它们，从经济上来说，它是深海中在大部分海洋中都可发现它们，从经济上来说，它是深海中最重要的沉积物。它们通常以棒球大小的结核群出现，也可在岩最重要的沉积物。它们通常以棒球大小的结核群出现，也可在岩石上成片的存在或形成岩石的表皮。结核经常在海底的小物体如石上成片的存在或形成岩石的表皮。结核经常在海底的小物体如鲨鱼齿或鱼的耳骨周围形成。因为沉积是从海水中沉淀而成的，鲨鱼齿或鱼的耳骨周围形成。因为沉积是从海水中沉淀而成的，当结核

15、或岩石被别的沉积物所覆盖时，它们的沉积就将停止。当结核或岩石被别的沉积物所覆盖时，它们的沉积就将停止。远洋沉积物（远洋沉积物（3） 自生沉积自生沉积锰结核一般只存在于具有低沉积速率的海区或强流能锰结核一般只存在于具有低沉积速率的海区或强流能防止别的沉积物沉淀的海区。防止别的沉积物沉淀的海区。有经济价值的其他自生沉积是磷钙土。有经济价值的其他自生沉积是磷钙土。这种矿物的沉积在深海并不普遍，而被限制在这种矿物的沉积在深海并不普遍，而被限制在500米左右的米左右的水深内。它可形成于海盆或缺氧的环境中当表面水层产生的大水深内。它可形成于海盆或缺氧的环境中当表面水层产生的大量有机物质下沉并在深水中氧化时

16、，氧气耗尽，缺氧的环境。量有机物质下沉并在深水中氧化时，氧气耗尽，缺氧的环境。每年因海底喷发和海底扩张，使海底增加每年因海底喷发和海底扩张，使海底增加30亿吨喷发物亿吨喷发物质。质。其中大部分是熔岩，也有相当数量的玄武质火山灰弥散在水体中，然后其中大部分是熔岩，也有相当数量的玄武质火山灰弥散在水体中，然后沉入洋底成为海底火山碎屑岩，大量集聚在火山周围，少部分也可飘移很远，沉入洋底成为海底火山碎屑岩，大量集聚在火山周围，少部分也可飘移很远，当高温的火山灰与海水接触，可能形成新的矿物，如绿泥石和沸石等。当高温的火山灰与海水接触，可能形成新的矿物，如绿泥石和沸石等。 来源于火山的沉积物来源于火山的沉

17、积物(如火山灰如火山灰)在深海中是很普遍的。在深海中是很普遍的。 有些人可能会提出异议，它们实质上并不是纯粹的远洋沉积物有些人可能会提出异议，它们实质上并不是纯粹的远洋沉积物(由于火山由于火山可能在陆地上可能在陆地上)。但是事实上许多火山却位于海底。无论是那钟情况，微粒沉。但是事实上许多火山却位于海底。无论是那钟情况，微粒沉落不受陆地的影响，所以归入远洋沉积也是合理的。在有些海洋中，火山灰落不受陆地的影响，所以归入远洋沉积也是合理的。在有些海洋中，火山灰迅速沉落，例如东太平洋的大片海域，覆盖着很明显的灰层。有些层次与过迅速沉落，例如东太平洋的大片海域，覆盖着很明显的灰层。有些层次与过去的火山爆

18、发有关，因此可作为方便的参考时间与其他沉积物相比较。去的火山爆发有关，因此可作为方便的参考时间与其他沉积物相比较。 近代的火山爆发，如近代的火山爆发，如1883年的喀拉卡托火山；形成了遮盖世界许多地方年的喀拉卡托火山；形成了遮盖世界许多地方的灰尘云。较重的物质就降落并堆积在爆发区附近。能漂浮的浮岩漂着，直的灰尘云。较重的物质就降落并堆积在爆发区附近。能漂浮的浮岩漂着，直至吸饱水而下沉。在爆发地点附近的灰层一般由火山物质的碎屑及较小的火至吸饱水而下沉。在爆发地点附近的灰层一般由火山物质的碎屑及较小的火山岩碎块组成。在更远的地方，常发现细粒的火山物质，这些物质往往变得山岩碎块组成。在更远的地方，常

19、发现细粒的火山物质，这些物质往往变得面目全非。面目全非。 远洋沉积物（远洋沉积物（4） 火山沉积火山沉积海洋沉积物的分类海洋沉积物的分类远洋沉积物远洋沉积物 生物源沉积生物源沉积 无机沉积无机沉积 自生沉积自生沉积 火山沉积火山沉积陆源沉积物陆源沉积物 陆源泥陆源泥 滑移沉积滑移沉积 浊流沉积浊流沉积 冰川沉积冰川沉积陆源沉积物陆源沉积物 陆源泥陆源泥 滑移沉积滑移沉积 浊流沉积浊流沉积 冰川沉积冰川沉积 陆源沉积物显然来自陆地，它们存在于毗邻大陆的海陆源沉积物显然来自陆地，它们存在于毗邻大陆的海盆边缘附近，具有各种大小的颗粒。迅速沉积的陆源沉积盆边缘附近，具有各种大小的颗粒。迅速沉积的陆源沉

20、积物冲淡了沉积缓慢的生物源物质，生物源物质很少。物冲淡了沉积缓慢的生物源物质，生物源物质很少。估计每年从大陆剥蚀、侵蚀到海洋中去的沉积物总量为估计每年从大陆剥蚀、侵蚀到海洋中去的沉积物总量为200亿吨亿吨（其中河流带去的达其中河流带去的达177亿吨，海岸侵蚀的约亿吨，海岸侵蚀的约5亿吨这两项陆源碎屑的绝大部分亿吨这两项陆源碎屑的绝大部分堆积在滨岸和浅海陆架区，堆积成三角洲和沿岸沙堤等，只有其中的堆积在滨岸和浅海陆架区，堆积成三角洲和沿岸沙堤等，只有其中的13亿吨悬移亿吨悬移组分能进入深海区，沉积在大洋底。）组分能进入深海区，沉积在大洋底。）另外，还有另外，还有2亿吨冰筏沉积物从高纬度向低纬度搬

21、运，冰山和冰亿吨冰筏沉积物从高纬度向低纬度搬运，冰山和冰块中的陆源碎屑待冰融化后便沉入海底块中的陆源碎屑待冰融化后便沉入海底(2亿吨冰筏沉积物中，大约亿吨冰筏沉积物中，大约1/2在浅海处沉积，还有在浅海处沉积，还有1亿吨沉入大洋底亿吨沉入大洋底)陆源沉积陆源沉积Sourcesofterrigenoussediments.Riversarethemainsourceofterrigenoussediments.Thisphoto,takenfromspace,showssedimententeringtheGulfofMexicofromtheMississippiRiverWindalsotr

22、ansportsparticles.AhugecloudofduststreamsovertheAtlanticfromAfricasSaharadeserton26February2000.Theparticleswillfalltotheoceansurfaceanddescendslowlytothebottom.另有另有1616亿吨风尘物质从亿吨风尘物质从大陆各大沙漠直接搬运大陆各大沙漠直接搬运到深海中沉积。到深海中沉积。 如赤道非洲的撒哈如赤道非洲的撒哈拉沙漠中的细组分被风拉沙漠中的细组分被风收到大西洋中部，使那收到大西洋中部，使那里的海水呈黄色。里的海水呈黄色。风尘沉积物可以提供白

23、风尘沉积物可以提供白垩纪以来全球大气环流垩纪以来全球大气环流演化信息。演化信息。陆源泥一般有不同的颜色陆源泥一般有不同的颜色 这是泥源或沉积环境不同造成的。例如，有大量有机物质这是泥源或沉积环境不同造成的。例如，有大量有机物质但在供给它氧化的氧气不足的海区，其泥一般为黑色的，而红色但在供给它氧化的氧气不足的海区，其泥一般为黑色的，而红色或褐色泥是充分氧气地区的典型。或褐色泥是充分氧气地区的典型。陆源泥可含有水晶石、长石及云母等典型的陆地岩石。陆源泥可含有水晶石、长石及云母等典型的陆地岩石。 将物质搬运到深海主要是靠海流，其次是靠风。沉积的速率将物质搬运到深海主要是靠海流，其次是靠风。沉积的速率

24、依据来源的远近而异。然而，沉积速率比远洋沉积物要高几倍。依据来源的远近而异。然而，沉积速率比远洋沉积物要高几倍。在大河流附近，一般每一千年沉积一百厘米。在大河流附近，一般每一千年沉积一百厘米。陆源沉积物（陆源沉积物（1） 陆源泥陆源泥滑移沉积是由于某种机理或从高地下移或下滑的沉积物。滑移沉积是由于某种机理或从高地下移或下滑的沉积物。 通过地震反射剖面可以识别，尤其在大陆隆，存在大片从较通过地震反射剖面可以识别，尤其在大陆隆，存在大片从较高的大陆斜坡滑跌并变形了的沉积物。高的大陆斜坡滑跌并变形了的沉积物。在某种条件下，滑移的物质可构成浊流在某种条件下，滑移的物质可构成浊流 这时沉积物就以单个的质

25、点运动，而不是成大块运动。这时沉积物就以单个的质点运动，而不是成大块运动。陆源沉积物（陆源沉积物（2） 滑移沉积滑移沉积夹带在细泥层间的粗粒沙与粉沙层大多是浊流带来的，称为浊流夹带在细泥层间的粗粒沙与粉沙层大多是浊流带来的，称为浊流沉积。沉积。在深海的许多海域是很普遍的。浊流或软泥几厘米到几米，往往越深在深海的许多海域是很普遍的。浊流或软泥几厘米到几米，往往越深颗粒越大，较粗的物质在下层，较细的物质在上层。颗粒越大，较粗的物质在下层，较细的物质在上层。浊流沉积一般包含木质碎块、生长在浅水区的有机物外壳、及其浊流沉积一般包含木质碎块、生长在浅水区的有机物外壳、及其他从浅水来的物质。他从浅水来的物

26、质。特别是在大的海底峡谷，深海的大片面积被这些沉特别是在大的海底峡谷，深海的大片面积被这些沉积物质填成平坦的深海平原。积物质填成平坦的深海平原。有关浊流的冲蚀和携带能力引起了很大争论。有关浊流的冲蚀和携带能力引起了很大争论。 浊流用于解释海底峡谷和海底的其他地貌的起源。浊流存在的证据是不浊流用于解释海底峡谷和海底的其他地貌的起源。浊流存在的证据是不得不承认的；主要的疑问是它们以多快的速度运动，并且它们是否能引起那得不承认的；主要的疑问是它们以多快的速度运动，并且它们是否能引起那么强有力的冲蚀作用。么强有力的冲蚀作用。浊流的沉淀速率是非常迅速的。浊流的沉淀速率是非常迅速的。一旦浊流足够缓慢，沉积

27、物在重力的作一旦浊流足够缓慢，沉积物在重力的作用下将很快地沉淀下来。用下将很快地沉淀下来。陆源沉积物（陆源沉积物（3） 浊流沉积浊流沉积大陆架的许多地区都有来自于冰川的沉积物。冰川沉积大陆架的许多地区都有来自于冰川的沉积物。冰川沉积物也常在深海中发现。物也常在深海中发现。 可根据其高含量的沙、粉沙及偶然出现的砾石来识别它。达可根据其高含量的沙、粉沙及偶然出现的砾石来识别它。达些沉积物最初是由冰川带来的。冰川延伸时，部分破碎，并终将些沉积物最初是由冰川带来的。冰川延伸时，部分破碎，并终将进入海洋。进入海洋后，碎块就被海流带走，而当冰川碎块最终进入海洋。进入海洋后，碎块就被海流带走，而当冰川碎块最终融化时，它们携带的任何沉积物或碎屑就必然落到海底。融化时，它们携带的任何沉积物或碎屑就必然落到海底。陆源沉积物（陆源沉积物（4） 冰川沉积冰川沉积海底岩石海底岩石裸露在海底的许多岩石为火山岩，而不是如陆裸露在海底的许多岩石为火山岩，而不是如陆地上发现的典型花岗岩地上发现的典型花岗岩。 海底主要的火山岩是玄武岩，即主要由长石