大陆坡的大型海底滑坡——地质灾害、甲烷释放和气候变化

苗淼? 译 代金友 审

开放性大陆斜坡上形成的海底滑坡可达到非常大的规模,而引发破坏性极大的海啸。很多大型海底滑坡的陡壁在水下位置太深,并不会被天然气水合物分解所触发。现有证据既无法证明滑坡发生与海平面变化或大气甲烷丰度有着密切联系,也无法使我们精确定位开放大陆斜坡发生滑塌的时间。同样,我们并不能推断出滑坡在甲烷释放所引起的气候变化中是否起着重要作用。

1 前言

本文首先评价了用于证实大陆坡滑塌的先决条件及其最终发生滑塌的证据。随后概述了滑坡如何移动及其对海啸形成的影响。然后对滑坡频率的主要研究成果进行了总结。同时,文章也简要阐述了对未来滑坡频率的影响。最后,我们对大型大陆坡滑坡是大气甲烷浓度的主要决定因素这一观点是否存在有力的证据支持进行了评价。

2 大型大陆坡海底滑坡的成因

海底或陆上环境中斜坡崩塌的关键成因之一是沉积物中的过剩孔隙压力超出了支撑沉积物负荷的流体静水孔隙压力。

2.1 上覆海水重量形成的孔隙压力

海水的重量可能是海底斜坡滑塌的成因之一,这种滑塌在海平面上升时更容易发生。如果海平面上升的速度快于正常水平,且沉积物的渗透性较低,则会产生短暂的过剩孔隙压力。

2.2 快速沉降和流体流动导致过剩孔隙压力

低渗透沉积物的快速沉降是最常被提及的导致大陆坡中产生高过剩孔隙压力的作用因素。如果径向排水渗透率低,则会导致流体消散的速度过慢,进而产生过剩孔隙压力(图1)。
图1
图1 (a):上覆总应力(σ)和过剩孔隙压力(μ)的关系与滑坡面及剪切强度(τ)呈正相关。(b):湿(水饱和)性土的原理诠释,其中颗粒接触承担上覆(总应力)。(c):海底上覆总应力(σ)、流体静水孔隙压力、过剩孔隙压力(μ)和垂直有效应力(σ-μ)随海水深度变化的一般示例。

2.3 缓慢沉降区域的滑坡:是由于沉积层结构缺失吗?

沉积物缓慢淤积(速度小于0.3米/千年)的区域也可能发生大型海底滑坡,沉降缓慢和快速区域发生的滑坡形态相似。这表明,如果沉积物的不渗透性足够强,沉降速度慢的区域也会产生较高的过剩孔隙压力。

2.4 周期性的波浪荷载

周期性的波浪荷载通常会引发浅水区(<200米)相对较小的海底滑坡。然而,几乎所有大型滑坡的陡壁都位于风暴潮波底的正下方,说明波浪荷载一般并不能引发这些滑坡。

2.5 地震

众所周知,大型地震可以诱发大型的海底滑坡。然而,并非所有的特大地震都会导致大型大陆坡滑坡。

2.6 天然气水合物

压力-温度机制的扰动会导致天然气水合物的分解,在沉积物中释放出天然气和水。固体胶着的水合物流失也可能导致沉积物的快速凝结,产生高过剩孔隙压力。天然气水合物稳定带和不稳定带的界线位于300~900米深的海底。大洋变暖导致水合物稳定带在更深的海域发生移动,而海平面上升则会使水合物变的稳定(图2)。
图2
图2 (a)根据先前推论,可能引起海底滑坡或导致甲烷排放的天然气水合物溶解过程总结。(b)此大陆滑坡剖面展示了天然气水合物稳定区域的变化情况右侧为大西洋西部大型滑坡的陡壁水深(橘黄色柱形图)。

2.7 脆弱层

最近对挪威Finneidfjord浅水区(<60米)的小型滑坡(0.001立方千米)的研究表明,滑坡发生在细砂岩及泥岩之间的交界面(为敏感地层)。

3 滑坡移动和海啸灾害

Storegga滑坡的余波显示,大型大陆坡有可能引发毁坏性非常大而且影响距离特别远的海啸。然而,是否所有大型大陆斜坡滑坡都能引发大型海啸尚不得而知。

4 滑坡频率

已有的研究工作表明,根据滑坡编年,大型滑坡的频率在海平面较低或上升时会偏高。这一观点已被用于支撑滑坡和天然气水合物分解之间的关系或大陆架洪流导致的地震增多。然而,一旦将实际误差线导入可获得的滑坡年代进行分析,滑坡频率和海平面并没有较强关系,可用的滑坡日期也无法精确界定(图3)。同时,在滑坡频率是否与大气甲烷浓度存在相关关系上也存在不确定性。
图3
图3 关于大型水下滑坡的重现间隔时间和频率分布的最新认识

5 滑坡在甲烷释放和大气变化中的角色

一些大型滑坡和富含甲烷的沉积物有关联,但是很多大型水下滑坡却又发生在天然气水合物很稳定的水深,意味着很多滑坡并不是由水合物分解引发的。

6 结语

近年来,在监测孔隙压力和其他影响斜坡稳定性的关键技术参数上已取得了较大进展。理解其他地质背景下,极高的过剩孔隙压力会在哪里出现需要进一步的原地检测。近期在挪威Finneidfjord的研究工作显示滑坡发生之处的特征是地层薄弱。理解大型和深水斜坡崩塌需要对滑移面进行相似研究。与海床调查共同决定大型地震之后是否发生滑坡崩塌。冰芯中氘同位素里大气甲烷来源研究证明滑坡并非气候变化的原因。Storegga滑坡的年代显示,滑坡和重大气候事件或快速海面上升存在关联。对大量滑坡时间的研究也许会揭开气候变化和滑坡的一致性联系,但是这些额外的时间信息需要同样的精准性。

资料来源:Talling, P.J., M. Clare, M. Urlaub, E. Pope, J.E. Hunt, and S.F.L. Watt. 2014. Large submarine landslides on continental slopes: Geohazards, methane release, and climate change. Oceanography 27(2):32–45, http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2014.38.

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