海底峡谷的形成，斜坡崩塌和洋流如何塑造海底

海底峡谷是大陆坡上的显著特征，在海洋沉积物输送、生态系统动态和沿海地质灾害的形成中发挥着关键作用。这些峡谷的形成主要受地质过程（如斜坡失效）与各种海洋过程（包括洋流、波浪和潮汐）相互作用的控制。控制海底峡谷形成和演化的机制仍然是一个活跃的研究领域，越来越多的研究集中于这些力量之间复杂的相互作用。

海底峡谷的形成

海底峡谷是形成于大陆坡并延伸至大陆隆起或深海平原的深而陡峭的山谷。这些峡谷充当着沉积物从大陆架输送到深海的通道，通常会显著改变海底的沉积环境。这些峡谷的结构和形态差异很大，取决于底层地质、沉积物供应速率和当时的海洋条件。

海底峡谷的形成主要由两个因素驱动：斜坡崩塌（大陆坡物质崩塌）和海洋过程（如洋流、波浪和沉积物输送机制）。这些因素共同塑造了峡谷的尺寸、形态和随时间的变化。了解这些过程如何相互作用对于评估海底峡谷的长期演变、其在沉积物输送中的作用以及其对海洋生态系统和地质灾害的潜在影响至关重要。

斜坡失稳：峡谷形成的首要诱因

导致海底峡谷形成的关键地质过程之一是斜坡崩塌。当大陆坡上的沉积物变得不稳定时，就会发生这种崩塌，通常是由于上覆物质的重量、地震活动或水压变化造成的。崩塌可能由多种因素引发，包括地震、沉积物负荷、海流和海底滑坡。

海底峡谷通常始于后退式斜坡崩塌，即斜坡顶部的崩塌向后移动，使峡谷加深加宽。这些崩塌可能由沉积物堆积或地震活动产生的应力累积引发。崩塌发生后，沉积物和碎屑沿斜坡向下移动，引发峡谷形成过程。该过程通常以一系列逐步崩塌为特征，每次后续崩塌都会进一步加深峡谷，并将其范围延伸至大陆坡。

大陆坡上沉积物的性质对于确定是否会发生斜坡崩塌至关重要。沉积物类型、孔隙度和内聚力对斜坡的稳定性都起着重要作用。松散、未固结的沉积物更容易在波浪、洋流或地震活动等外力的影响下崩塌。相比之下，黏土和泥岩等黏性更强的材料可能更耐崩塌。

此外，海底地下水流和生物地球化学过程在改变沉积物机械性质方面的作用。微生物群落可以影响沉积物的凝聚力，并在沉积物结构的稳定或不稳定效应中发挥作用，这可能是了解海底峡谷形成过程中边坡失效动力学的重要因素。

海洋过程和峡谷发展

海洋学过程在塑造海底峡谷的发展和动态方面发挥着重要作用。这些过程包括潮流、沿岸漂移、上升流和风暴引起的波浪，它们与海底相互作用，影响峡谷内的沉积物输送、侵蚀和沉积。

影响峡谷形成的最重要海洋因素之一是底流。这些由潮汐力、风暴和深水环流模式产生的洋流能够侵蚀和重塑峡谷底部。在底流强劲的地区，沉积物通常会从峡谷顶部被带走，并沉积在下游更远的地方，形成通道化流动。

有研究表明，底部水流与斜坡崩塌之间的相互作用是峡谷形态的主要驱动因素。底部水流可以通过侵蚀峡谷壁和底部来加深和拓宽峡谷，从而形成许多海底峡谷中观察到的独特形状和轮廓。

海底峡谷内的沉积物输送受到重力驱动过程（如浊流）和流体动力学过程（如沿岸漂移和上升流）的强烈影响。这些过程协同作用，将物质从大陆架输送到深海。浊流是重力驱动的携带沉积物的水流，可以在峡谷内形成深水道，进一步侵蚀峡谷壁，并将沉积物沉积在峡谷底部。

沿岸漂移流会沿海岸线移动沉积物，它还会通过重新分配沉积物和改变沉积物流动方向来影响峡谷系统的形成。

海底峡谷的生态系统和环境影响

海底峡谷不仅是重要的地质特征，也是海洋生态系统的重要栖息地。峡谷独特的地形创造了多样化的栖息地，支持着高度的生物多样性。除了作为沉积物运输的通道外，峡谷还在海洋营养循环和生物生产力中发挥着关键作用。

海底峡谷因其广泛的栖息地而经常被描述为生物多样性的热点地区。这些环境中的陡峭壁、深洼地和多变的水动力条件支持着各种海洋生物，包括深海珊瑚、鱼类和各种无脊椎动物。峡谷结构与海洋学过程之间的相互作用创造了支持这些生态系统的营养丰富的条件。

此外，营养物、有机物质和浮游生物通过峡谷系统的运动在碳封存中起着关键作用。因此，海底峡谷不仅支持着丰富的生物多样性，还为全球碳循环做出了贡献。

海底峡谷也存在重大地质灾害。斜坡破坏、沉积物输送和浊流过程可能导致水下滑坡和海啸。这些灾害对海上基础设施和沿海人口都构成威胁。此外，海底峡谷通常是石油和天然气勘探的重点区域，这进一步加剧了其环境和地质灾害风险。

新的研究发现

一项新的研究，利用高分辨率水深测量和 3D 地震反射数据集揭示了中部近海奥特威盆地中存在五个主要海底峡谷。

研究发现，退性斜坡失稳在海底峡谷形成过程中发挥了重要作用。由于重力作用于过陡的沉积物，大陆坡的大部分断裂并向下移动，就会发生后退性斜坡失稳。这一过程通常是峡谷形成的第一步，因为它会在大陆边缘形成最初的切口。一旦到达大陆架边缘，洋流的侵蚀和沉积物输送过程就会加深和加宽峡谷，从而形成永久性峡谷系统。

海洋过程，特别是沿岸漂移、深海洋流和浊流，在塑造峡谷的演化过程中起着至关重要的作用。一旦峡谷因斜坡失效而形成，这些洋流就会将沉积物输送到峡谷中，并影响其几何形状和沉积物分布。沿大陆架边缘的沿岸漂移洋流和潮汐流有助于沉积物再造，而浊流（即携带沉积物的流动）则有助于随着时间的推移使峡谷变宽变深。

沉积物重力流是峡谷系统沉积物输送的主要驱动因素，这种流动是由于沉积物负荷导致水密度增加而发生的。这些流动通常由斜坡失效引发，但受到海洋条件的影响，例如水流强度的季节性变化。这些重力驱动的流动与海洋过程的相互作用可能导致海底沉积物大规模重新分布，从而显著改变峡谷的形态。

这项研究结果对于理解控制海底峡谷形成和发展的机制及其形态具有重要意义，无论是在澳大利亚东南部近海，还是在世界各地大陆边缘的类似环境中。

思考

虽然后退性斜坡失效被认为是峡谷形成的关键诱因，但随着时间的推移，反复或多次斜坡失效在峡谷形态发展中的确切作用仍不清楚。累积失效如何影响峡谷系统的长期演变？

海底洋流、潮汐力和上升流等海洋过程会影响峡谷形态。然而，这些过程如何与斜坡失稳相互作用以推动峡谷形成的确切机制尚未完全了解。海洋洋流如何改变斜坡失稳的影响，反之亦然？

虽然已知沉积物特性（例如成分、孔隙度和含水量）会影响斜坡稳定性，但这些特性如何与当地海洋条件相互作用导致斜坡失效仍不太清楚。某些沉积物类型在特定海洋条件下是否更容易失效？

参考文献：Dicky Harishidayat, Yakufu Niyazi, Heather A. Stewart, Abdullatif Al-Shuhail & Alan J. Jamieson ，Submarine canyon development controlled by slope failure and oceanographic process interactions.  Scientific Reports volume 14, Article number: 18486 (2024)，doi. s41598-024-69536-8

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