海相風暴沉積研究技術方法探討

孫文軒 付志強

新疆大學 新疆 烏魯木齊 830046

大氣強烈擾動的氣象高能環境稱作風暴，如熱帶氣旋、溫帶氣旋和冬季風暴，已被認為是影響濱岸和淺海沉積的主要因素。海相環境中的風暴事件沉積大多產生于風暴浪基面附近至高潮線之間的沉積區域。風暴驅動波浪改造原地質條件，在海洋和盆地中形成的沉積巖被稱為風暴巖或風暴沉積。20世紀60至70年代，地質學家對現代陸源風暴沉積進行了大量的研究，70至80年代進入第一次研究熱潮，重點是丘狀交錯層理（Hummocky Cross Stratification，HCS）的形態和起源。同時期風暴流理論逐漸建立，成為50年代濁流理論成立后的又一個劃時代突破。過去風暴沉積證據在不同沉積環境下被識別、解釋和分析，相應的技術手段包括傳統的巖石學分析、微化石分析、地球化學分析、室內模擬分析，以及最新使用的探地雷達技術和礦物發光特性分析。根據最近的文獻報告，風暴活動與全球氣候變化的關系已成為前沿方向。本研究總結這些技術手段，以期建立風暴沉積模型，迎合未來減少極端熱帶氣旋的破壞和經濟損失的急切需求，拓寬風暴沉積在地質領域的寬度和廣度[1]。

1 海相風暴沉積研究技術方法

現代風暴事件機制有較詳細直觀的現場觀測數據，而古代風暴沉積研究無法提供此條件，使用水槽實驗和數值模擬在區域尺度上的限定條件下建立預期的沉積模型，與根據風暴沉積物建立的風暴地質模型相印證，可以為風暴沉積應用研究提供幫助。

1.1 現場觀測技術

據已有的現代風暴潮觀測統計數據，自1880年至2015年有700多次的浪涌事件，其中大多數發生在北大西洋西部，其次是大洋洲、北太平洋西部和北印度洋北部。這些通常依靠永久性潮汐計和大量移動式測量儀進行水位觀測和高水位現場調查。新技術機載和衛星測高仍處于開發階段中，并用于測量大范圍的風暴潮淹沒現象。目前為止包含所有的風暴潮觀測結果大部分被收集于全球風暴潮數據庫SURGEDAT中。其他方面，三維地面激光掃描儀通過收集選定區域在風暴前后的位置數據，可以檢測風暴引起的岸面形態變化。處于大陸架環境特別是在風暴氣候條件下，使用配備物理和光學傳感器的有源聲學水下滑翔機可以很好地研究大陸架沉積物再懸浮的空間和時間變化。但風暴事件期間運輸條件的實時和原位觀測總體較難以獲得。

1.2 微化石追蹤技術

微化石追蹤技術包含生物相分析和遺跡化石分析。其中生物相（biofacies）反映一定沉積環境的生物群的生態特征。研究風暴沉積常用的生物化石包括孢粉、有孔蟲、硅藻土、魚類、無脊椎動物碎片、貝殼。El-Ayyat 和Kassab（2004）通過對雙殼牡蠣Lopha villei（Coquand）的貝殼層進行巖相和生物地層分析，為埃及馬斯特里赫特階時期的古代風暴沉積建立一個風暴巖模型，并解釋了這種風暴地層的形成模式和理想化的事件沉積序列。在索爾巴斯盆地（西班牙東南部）最上層-最下層的邁錫尼亞溫帶碳酸鹽巖斜坡沉積物中，存在不同類型的貝殼床。所有這些殼床都與高能事件有關，其中大部分是由風暴搬運沉積在中內斜坡的風暴巖。

遺跡化石（trace fossil）包含了各種生物成因的沉積構造和生物侵蝕構造，是分析地質歷史時期中形成的風暴沉積的重要指示標示。但風暴沉積中遺跡化石的綜合研究起步較晚，相比較濁流沉積中的遺跡屬數量也少很多。因此在常規巖心樣品中識別遺跡化石組合，依然是重建沉積環境的重要手段，特別是受風暴影響下濱面沉積的沉積環境，可以量化風暴波對正常沉積的影響。

綜合生物相分析和遺跡化石分析兩種方法，如Liu等人解釋了寒武紀后生動物、微生物和微生物墊之間相互作用非常復雜的疑問。通過識別疊層石和后生動物在風暴沉積中位置，確定多級風暴的水動力條件對微生物和后生動物的發育有明顯的控制作用，因此，最終形成了以墊地和混合場交替為特征的寒武紀沉積環境[2]。

1.3 地球化學分析

無機地球化學指數（如Sabatier 課題組（2012）；Degeai課題組（2015）和有機地球化學指數（如Das課題組（2013）；Lambert課題組（2008））有助于更好地了解與風暴相關的沉積過程和環境變化。

無機地球化學指數分析通常使用高分辨率XRF巖心掃描儀，通過無損獲取沿海海洋沉積物中元素輪廓和射線照相信息獲取風暴記錄，例如Itrax用于識別過去的風暴潮沉積物和風暴潮的發生時間，從而確定風暴潮的頻率和規模。使用能量色散X射線熒光（ED-XRF）光譜儀，分析沿海瀉湖中可能存在的風暴沉積序列，例如根據地中海西北部巴格納斯池塘（the Bagnas pond）中的瀉湖序列，重建了過去3000年的風暴活動。另外Benamri等人（2023）在研究摩洛哥拉巴特西（Rabat，Morocco）南部的Harhoura礦床的極端高能風暴事件的特征時，綜合包括主微量和稀土元素的地球化學、古生物學和巖石學特征，證實了風暴沉積物的來源為沿海海洋，并確定了第二條源-匯通道的沉積過程[3]。

1.4 室內模擬分析

應用簡單的平流沉降模型，可以計算風暴事件期間風暴潮和波浪的高度。Fritz課題組（2010）使用ADCIRC代碼（Luettich et al，1992）創建了阿拉伯海的高分辨率數值風暴潮模型，以模擬Gonu的風暴潮分布，但該模型中未添加內陸淹沒事件的影響。另有Ge等人開發的高分辨率、基于非結構化網格的三維（3D）建模系統FVCOM應用于風暴事件模擬。

Wanstrath最先提出了一個二維、伴隨時間的、開放海岸、長波、淺水模型。該模型采用了帶有伸縮計算單元的正交曲線坐標系，其集中在近岸沿海地區的波浪分辨率更高。Massel在研究沿海流體動力學時，分析總結了表面波理論，為后續模型構建提供了良好的理論基礎。Drummond和Sheets（2001）為了研究肯塔基州北部奧陶紀Kope組風暴巖的沉積學和地層特征，建立了沉積和風暴驅動的再沉積的二維正向模型，由兩個獨立的算法、100個單元的沉積表面和2000次的沉積迭代的模型運行長度組成，確定了風暴復發的參數和風暴強度-頻率分布的定量描述，并計算了風暴巖所有殼層的平均回流量指數，進而得到Kope大陸架中風暴巖的形成和火山灰巖降解，與沉積表面上的殼層密度無關的結論[4]。

1.5 探地雷達

探地雷達（Ground Penetrating Radar，縮寫GPR）又稱亞表面界面雷達（Sub-Surface Interface Radar），是以地下不同介質電磁性質的差異為物理依據的一種高頻電磁探測技術。人們在微波技術發展的基礎上開發了GPR技術，但由于地下介質的復雜性、非均質性、無規律性及多變性，一直未投入使用。

近年來，隨著探地雷達系統的可用性和性能的不斷提高，以及成本的不斷降低，該系統允許在一系列沿海環境中進行快速、非侵入性的地層調查。Pitman等人（2019）在研究新西蘭坎特伯雷全新世MSG進積灘脊系統的內部地層環境時，使用探地雷達在探測不同粒度或礦物學沉積物之間的急劇變化方面特別有效，包括與沿海風暴沉積等高能事件相關的沉積物。通過假設是高能構造活動（如霍普斷層或波特山口斷層）后的快速進積的結果，可以準確辨明大規模風暴事件。因為該事件可能是在相對海平面下降的背景條件下，海灘山脊顯著升高的觸發因素。而我國還未有相關應用的案例，因此將探地雷達系統應用于沿海風暴沉積研究具有未來可行性。

1.6 礦物發光特性

通過利用礦物顆粒的發光特性（不同溫度下測量的鉀長石K-feldspars的發光信號）可以診斷潮間帶環境中的不同沉積模式，并從中識別出風暴活動的存在，特別是在部分長期沉積物記錄中使用傳統技術（地球化學和粒度分析），因沉積物成分沒有變化而無法檢測到風暴驅動的流體動力學變化。這種診斷方法提供了修改已建立的海岸變化沉積檔案的可期望性，并更加確定風暴在氣候變暖期間長期控制海岸變化的重要性[5]。

2 風暴沉積與全球氣候

人為氣候變化引起的海面溫度升高可能導致強熱帶氣旋的頻率增加，但因儀器記錄時間太短而無法得到證實，而保存在地層中的風暴沉積物可以為更長時間尺度上氣候條件與風暴之間的關系提供證明條件。在地質歷史時期，早期的古近紀超熱事件，包括古新世 - 始新世熱最大值（PETM）長期以來一直被視為人類現代全球變暖的類似事件。類似的晚寒武紀超變暖事件和全新世西印度洋的SST在7.8至4.7 ka BP之間較暖，與風暴沉積的強度、頻率、發生事件之間可以有較強的聯系。因此結合現代全球氣候變暖趨勢，可以為未來極端氣候事件作出預測和防范[6]。

但是，Donnelly and Woodruff認為頻繁的強風暴也可能與厄爾尼諾/南方濤動變化和西非季風強度的大氣動力學相關，而與高海面溫度關聯度較低。同樣，在摩洛哥高阿特拉斯盆地（High Atlas Basin of Morocco）潮汐主導的T-OAE爆發期間，風暴相關沉積物的出現增加的記錄與平均風暴浪基面的迅速加深有關[6]。因此未來該方向的研究需要更加嚴謹的證明。

3 結束語

地質標本分析是研究風暴沉積的最直接手段，建立的沉積模型為地質意義研究提供借鑒。在鑒別和研究風暴沉積時，以現場觀測技術追蹤現代風暴沉積，微化石追蹤技術溯源古代風暴沉積。地球化學分析能精確區別沉積環境，可以較準確重建古風暴事件。通過水槽實驗、數值模擬建立預期的沉積模型互相印證為相關研究提供理論支撐。探地雷達、礦物發光特性首次應用于風暴沉積研究，有潛力修改已確立的研究成果和推動分析方法的不斷進步。

研究風暴沉積，可以提供古氣候和古生態信息。海面溫度升高可能導致強熱帶氣旋的頻率增加，并與印度洋偶極子（IOD）強正異常時期相關，進而將風暴活動與全球未來氣候相聯系，這已成為風暴沉積研究的前沿領域。綜合古代全球氣候超熱事件與風暴強度、頻率和形成時間的關系，可以減少極端熱帶氣旋的破壞和經濟損失，有益于拓寬地質研究領域的深度和廣度。