海相风暴沉积研究技术方法探讨

孙文轩 付志强

新疆大学 新疆 乌鲁木齐 830046

大气强烈扰动的气象高能环境称作风暴，如热带气旋、温带气旋和冬季风暴，已被认为是影响滨岸和浅海沉积的主要因素。海相环境中的风暴事件沉积大多产生于风暴浪基面附近至高潮线之间的沉积区域。风暴驱动波浪改造原地质条件，在海洋和盆地中形成的沉积岩被称为风暴岩或风暴沉积。20世纪60至70年代，地质学家对现代陆源风暴沉积进行了大量的研究，70至80年代进入第一次研究热潮，重点是丘状交错层理（Hummocky Cross Stratification，HCS）的形态和起源。同时期风暴流理论逐渐建立，成为50年代浊流理论成立后的又一个划时代突破。过去风暴沉积证据在不同沉积环境下被识别、解释和分析，相应的技术手段包括传统的岩石学分析、微化石分析、地球化学分析、室内模拟分析，以及最新使用的探地雷达技术和矿物发光特性分析。根据最近的文献报告，风暴活动与全球气候变化的关系已成为前沿方向。本研究总结这些技术手段，以期建立风暴沉积模型，迎合未来减少极端热带气旋的破坏和经济损失的急切需求，拓宽风暴沉积在地质领域的宽度和广度[1]。

1 海相风暴沉积研究技术方法

现代风暴事件机制有较详细直观的现场观测数据，而古代风暴沉积研究无法提供此条件，使用水槽实验和数值模拟在区域尺度上的限定条件下建立预期的沉积模型，与根据风暴沉积物建立的风暴地质模型相印证，可以为风暴沉积应用研究提供帮助。

1.1 现场观测技术

据已有的现代风暴潮观测统计数据，自1880年至2015年有700多次的浪涌事件，其中大多数发生在北大西洋西部，其次是大洋洲、北太平洋西部和北印度洋北部。这些通常依靠永久性潮汐计和大量移动式测量仪进行水位观测和高水位现场调查。新技术机载和卫星测高仍处于开发阶段中，并用于测量大范围的风暴潮淹没现象。目前为止包含所有的风暴潮观测结果大部分被收集于全球风暴潮数据库SURGEDAT中。其他方面，三维地面激光扫描仪通过收集选定区域在风暴前后的位置数据，可以检测风暴引起的岸面形态变化。处于大陆架环境特别是在风暴气候条件下，使用配备物理和光学传感器的有源声学水下滑翔机可以很好地研究大陆架沉积物再悬浮的空间和时间变化。但风暴事件期间运输条件的实时和原位观测总体较难以获得。

1.2 微化石追踪技术

微化石追踪技术包含生物相分析和遗迹化石分析。其中生物相（biofacies）反映一定沉积环境的生物群的生态特征。研究风暴沉积常用的生物化石包括孢粉、有孔虫、硅藻土、鱼类、无脊椎动物碎片、贝壳。El-Ayyat 和Kassab（2004）通过对双壳牡蛎Lopha villei（Coquand）的贝壳层进行岩相和生物地层分析，为埃及马斯特里赫特阶时期的古代风暴沉积建立一个风暴岩模型，并解释了这种风暴地层的形成模式和理想化的事件沉积序列。在索尔巴斯盆地（西班牙东南部）最上层-最下层的迈锡尼亚温带碳酸盐岩斜坡沉积物中，存在不同类型的贝壳床。所有这些壳床都与高能事件有关，其中大部分是由风暴搬运沉积在中内斜坡的风暴岩。

遗迹化石（trace fossil）包含了各种生物成因的沉积构造和生物侵蚀构造，是分析地质历史时期中形成的风暴沉积的重要指示标示。但风暴沉积中遗迹化石的综合研究起步较晚，相比较浊流沉积中的遗迹属数量也少很多。因此在常规岩心样品中识别遗迹化石组合，依然是重建沉积环境的重要手段，特别是受风暴影响下滨面沉积的沉积环境，可以量化风暴波对正常沉积的影响。

综合生物相分析和遗迹化石分析两种方法，如Liu等人解释了寒武纪后生动物、微生物和微生物垫之间相互作用非常复杂的疑问。通过识别叠层石和后生动物在风暴沉积中位置，确定多级风暴的水动力条件对微生物和后生动物的发育有明显的控制作用，因此，最终形成了以垫地和混合场交替为特征的寒武纪沉积环境[2]。

1.3 地球化学分析

无机地球化学指数（如Sabatier 课题组（2012）；Degeai课题组（2015）和有机地球化学指数（如Das课题组（2013）；Lambert课题组（2008））有助于更好地了解与风暴相关的沉积过程和环境变化。

无机地球化学指数分析通常使用高分辨率XRF岩心扫描仪，通过无损获取沿海海洋沉积物中元素轮廓和射线照相信息获取风暴记录，例如Itrax用于识别过去的风暴潮沉积物和风暴潮的发生时间，从而确定风暴潮的频率和规模。使用能量色散X射线荧光（ED-XRF）光谱仪，分析沿海泻湖中可能存在的风暴沉积序列，例如根据地中海西北部巴格纳斯池塘（the Bagnas pond）中的泻湖序列，重建了过去3000年的风暴活动。另外Benamri等人（2023）在研究摩洛哥拉巴特西（Rabat，Morocco）南部的Harhoura矿床的极端高能风暴事件的特征时，综合包括主微量和稀土元素的地球化学、古生物学和岩石学特征，证实了风暴沉积物的来源为沿海海洋，并确定了第二条源-汇通道的沉积过程[3]。

1.4 室内模拟分析

应用简单的平流沉降模型，可以计算风暴事件期间风暴潮和波浪的高度。Fritz课题组（2010）使用ADCIRC代码（Luettich et al，1992）创建了阿拉伯海的高分辨率数值风暴潮模型，以模拟Gonu的风暴潮分布，但该模型中未添加内陆淹没事件的影响。另有Ge等人开发的高分辨率、基于非结构化网格的三维（3D）建模系统FVCOM应用于风暴事件模拟。

Wanstrath最先提出了一个二维、伴随时间的、开放海岸、长波、浅水模型。该模型采用了带有伸缩计算单元的正交曲线坐标系，其集中在近岸沿海地区的波浪分辨率更高。Massel在研究沿海流体动力学时，分析总结了表面波理论，为后续模型构建提供了良好的理论基础。Drummond和Sheets（2001）为了研究肯塔基州北部奥陶纪Kope组风暴岩的沉积学和地层特征，建立了沉积和风暴驱动的再沉积的二维正向模型，由两个独立的算法、100个单元的沉积表面和2000次的沉积迭代的模型运行长度组成，确定了风暴复发的参数和风暴强度-频率分布的定量描述，并计算了风暴岩所有壳层的平均回流量指数，进而得到Kope大陆架中风暴岩的形成和火山灰岩降解，与沉积表面上的壳层密度无关的结论[4]。

1.5 探地雷达

探地雷达（Ground Penetrating Radar，缩写GPR）又称亚表面界面雷达（Sub-Surface Interface Radar），是以地下不同介质电磁性质的差异为物理依据的一种高频电磁探测技术。人们在微波技术发展的基础上开发了GPR技术，但由于地下介质的复杂性、非均质性、无规律性及多变性，一直未投入使用。

近年来，随着探地雷达系统的可用性和性能的不断提高，以及成本的不断降低，该系统允许在一系列沿海环境中进行快速、非侵入性的地层调查。Pitman等人（2019）在研究新西兰坎特伯雷全新世MSG进积滩脊系统的内部地层环境时，使用探地雷达在探测不同粒度或矿物学沉积物之间的急剧变化方面特别有效，包括与沿海风暴沉积等高能事件相关的沉积物。通过假设是高能构造活动（如霍普断层或波特山口断层）后的快速进积的结果，可以准确辨明大规模风暴事件。因为该事件可能是在相对海平面下降的背景条件下，海滩山脊显着升高的触发因素。而我国还未有相关应用的案例，因此将探地雷达系统应用于沿海风暴沉积研究具有未来可行性。

1.6 矿物发光特性

通过利用矿物颗粒的发光特性（不同温度下测量的钾长石K-feldspars的发光信号）可以诊断潮间带环境中的不同沉积模式，并从中识别出风暴活动的存在，特别是在部分长期沉积物记录中使用传统技术（地球化学和粒度分析），因沉积物成分没有变化而无法检测到风暴驱动的流体动力学变化。这种诊断方法提供了修改已建立的海岸变化沉积档案的可期望性，并更加确定风暴在气候变暖期间长期控制海岸变化的重要性[5]。

2 风暴沉积与全球气候

人为气候变化引起的海面温度升高可能导致强热带气旋的频率增加，但因仪器记录时间太短而无法得到证实，而保存在地层中的风暴沉积物可以为更长时间尺度上气候条件与风暴之间的关系提供证明条件。在地质历史时期，早期的古近纪超热事件，包括古新世 - 始新世热最大值（PETM）长期以来一直被视为人类现代全球变暖的类似事件。类似的晚寒武纪超变暖事件和全新世西印度洋的SST在7.8至4.7 ka BP之间较暖，与风暴沉积的强度、频率、发生事件之间可以有较强的联系。因此结合现代全球气候变暖趋势，可以为未来极端气候事件作出预测和防范[6]。

但是，Donnelly and Woodruff认为频繁的强风暴也可能与厄尔尼诺/南方涛动变化和西非季风强度的大气动力学相关，而与高海面温度关联度较低。同样，在摩洛哥高阿特拉斯盆地（High Atlas Basin of Morocco）潮汐主导的T-OAE爆发期间，风暴相关沉积物的出现增加的记录与平均风暴浪基面的迅速加深有关[6]。因此未来该方向的研究需要更加严谨的证明。

3 结束语

地质标本分析是研究风暴沉积的最直接手段，建立的沉积模型为地质意义研究提供借鉴。在鉴别和研究风暴沉积时，以现场观测技术追踪现代风暴沉积，微化石追踪技术溯源古代风暴沉积。地球化学分析能精确区别沉积环境，可以较准确重建古风暴事件。通过水槽实验、数值模拟建立预期的沉积模型互相印证为相关研究提供理论支撑。探地雷达、矿物发光特性首次应用于风暴沉积研究，有潜力修改已确立的研究成果和推动分析方法的不断进步。

研究风暴沉积，可以提供古气候和古生态信息。海面温度升高可能导致强热带气旋的频率增加，并与印度洋偶极子（IOD）强正异常时期相关，进而将风暴活动与全球未来气候相联系，这已成为风暴沉积研究的前沿领域。综合古代全球气候超热事件与风暴强度、频率和形成时间的关系，可以减少极端热带气旋的破坏和经济损失，有益于拓宽地质研究领域的深度和广度。