Acoustic detecting technology based on multibeam water column imaging and its application to cold seep plume
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摘要: 海底冷泉作为地球水圈与下伏岩石圈之间物质和能量交换的重要场所，其广泛发育于主动大陆和被动大陆边缘、深海扩张中心、汇聚板块边界、弧前盆地、断层以及泥火山发育区等区域。研究海底冷泉对于海洋工程安全、天然气水合物开发、海洋油气勘探、全球气候变化、碳循环和极端生物群落等方面具有重要意义。本文在系统总结海底冷泉探测技术方法的基础上，重点阐述了多波束水体声学探测技术及海底冷泉羽状流特征反演方法，对海底冷泉系统探测技术方法完善和应用具有重要意义。Abstract: As an important vehicle for material and energy exchange between the hydrosphere and the lithosphere of the earth, sea cold seeps are widely developed in various tectonic boundaries, such as active and passive continental margins, deep-sea spreading centers, converging plate boundaries, fore-arc basins, faults and mud volcanoes. It is of critical significance for marine engineering safety, gas hydrate development, marine oil and gas exploration, global climate change, carbon cycle and extreme biocenosis. In this paper, based on the systematic analysis of the current sea cold seep detecting technology, the acoustic detection and data processing technology of multibeam water column and the inversion method of the characteristics of cold seep plume are described and recommended, which is of great significance to the improvement and application of the deep-sea cold seep system detecting technology.
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相比于1995—2014年基准期，在中排放情景下，全球海平面在2030—2100年间将上升0.44～0.76 m[1]，沿河灌溉系统和大坝的修建会导致河流下游的输沙量减少。海平面长期上升和输沙量急剧降低导致了世界上众多河口及水下三角洲发生明显的侵蚀作用，如尼罗河[2]、密西西比河[3]、黄河[4]等，威胁着沿海人民和三角洲地区的生存发展。
长江三角洲作为中国东部滨海平原的重要组成部分，是连接海洋与内陆的关键地段。早—中全新世海平面的快速上升[5]，长江三角洲的海岸线自东向西逐渐迁移；中—晚全新世海平面在大尺度上趋于稳定[6]，在径流、海洋的相互作用下，海岸线自西向东迁移。因此，海平面的相对变化控制着三角洲的地貌演化[7]。基于多个钻孔及沉积物14C测年，学者绘制了长江三角洲下切河谷7.5、6.0、4.0、2.0、1.2、0.2 kaBP的海岸线变迁图[8]。张忍顺[9]根据对苏北沿海古墩台及地名进行现场考察和历史典籍考证，研究了新石器时期、2.0 kaBP以来历史海岸线的变迁。杨怀仁和陈西庆[10]根据苏北贝壳堤的分布特征和测试数据，明确了7.2、6.32、3.7 kaBP海岸线的位置，朱诚等[7]在此基础上，结合新石器文明遗址分布规律，进一步明确了7.0～3.2 ka4期（7.0～6.5、6.0～5.2、4.5～4.0、3.8～3.2 14C kaBP）海岸线的位置，但遗址点的发现存在偶然性，反映的海岸线位置存在较大的误差。
随着全新世沉积物测年精度的增加，学者在长江三角洲实施多个高分辨钻孔[11-21]，通过区域内大量钻孔滨海地层的横纵向分布特征，可获取准确海岸线位置和古地形地貌[22]。但大量已发表的钻孔位于南通一带及水下三角洲，长江三角洲顶端的钻孔相对较少，难以精确刻画该区域海进、海退历史。因此，本研究在长江三角洲顶端施工一个钻孔，建立全新世以来高分辨率的地层序列，并结合已发表的高分辨率钻孔，建立高程-年龄-沉积相等基本属性的数据集，揭示长江三角洲下切河谷海岸线变迁及沉积环境演化过程，并探讨三角洲的演变过程和影响因素。
1. 区域地质概况
长江三角洲地处扬子陆块东段，西部为郯庐断裂带、北部为苏鲁造山带。自元古代以来，区域经历了复杂的构造运动，产生了丰富多样的构造样式。燕山期火山活动较为强烈，是中国东部火山岩浆活动带的重要组成部分。长江贯通以后，携带了大量物质在长江三角洲地区迅速淤积，第四纪地层厚度为80～300 m，自西向东逐渐加深[23]。
在末次冰期最盛期（LGM），中国东部海平面下降至现今的−130～−140 m[24]，由于河流的下蚀作用，长江三角洲发育下切河谷。全新世以来，在海洋和径流的共同作用下，形成厚50～70 m的沉积地层，苏北平原和太湖平原位于下切河谷的两侧，湖相、漫滩相、海侵地层与“第一硬黏土层”呈不整合接触[25]。全新世最大海侵时期（8～7 kaBP），长江三角洲形成以扬州-镇江为顶点的漏斗状海湾，长江携带的大量泥沙在河口附近堆积，形成了红桥、黄桥、金沙、海门、崇明和长兴6个亚三角洲[8]。
与目前杭州湾的强潮区类似，三角洲顶部的红桥和黄桥砂体为潮成沙坝[26]。红桥和黄桥砂体顶部的高程为1～7 m。末次冰期以来经历了陆相河流、潮汐河流、河口湾、三角洲沉积体系的更迭，沉积环境依次为陆相、陆相向海相转变、海相、海相向陆相转变（图1c）[5]。
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图 1 长江三角洲下切河谷钻孔位置及联合剖面（N-S）a: 长江三角洲下切河谷地形图， b: 钻孔分布图， c: 北南向（N-S）联合剖面图，图中数据为年龄，单位为cal.aBP。Figure 1. The location of cores in the incised valley of the Yangtze River deltaa:Topographic map of the incised valley zone of the Yangtze River Delta, b: the locations of the cores distributed in the incised valley of the Yangtze River Delta, c: the north-south (N-S) inter-well joint section along the incised-valley axis, the data in the figure represents age, the uint of age is cal.aBP.2. 材料与方法
YZSW4孔（32°15′27″N、119°22′31″E，85黄海高程: 6.691 m）位于长江三角洲下切河谷的顶端（图1a)，江苏省地质调查研究院于2020年施工，钻进深度83.3 m，岩芯长73.64 m，采取率为88.4%。
2.1 AMS14C年代测定
AMS14C年代测定是全新世地层对比和沉积演化分析的基础。共有10件样品进行了AMS14C测试，将沉积物用超纯水溶解打散，过40目筛，烘干后选取直径较大的植物碎片、贝壳送往波兰AMS14C实验室进行测年（表1）。常规放射性年龄使用1 sigma的概率，对海相贝壳和植物碎片分别使用Marine 20 和 Intcal 20 校正数据集进行日历年龄的校正[27]。海洋“碳库效应”校正（△）参考台湾和青岛的加权平均值−85±58[28-29]。研究中，所有年代的校正结果，采用中位数及2σ区间表示，BP的现代时间起算点为1950 AD。
表 1 YZSW4孔AMS 14C 年龄Table 1. The AMS 14C ages dated from core YZSW4样品编号 深度/m 高程/m 测年材料 AMS14C (1σ)/a BP 日历校正年龄/cal.aBP 2σ 范围 中间值 YZSW4-1 7.04 −0.35 植物碎片 2835 ±303008 ～2858 2933 YZSW4-2 14.32 −7.63 植物碎片 3085 ±303372 ～3216 3294 YZSW4-3 24.85 −18.16 植物碎片 2900 ±303160 ～2955 3058 YZSW4-4 25.45 −18.76 贝壳 5250 ±305767 ～5011 5389 YZSW4-5 27.05 −20.36 贝壳 4555 ±354956 ～4143 4550 YZSW4-6 27.25 −20.56 贝壳 4360 ±354731 ～3889 4310 YZSW4-7 28.83 −22.14 贝壳 4915 ±355420 ～4630 5025 YZSW4-8 35.34 −28.65 植物碎片 8670 ±509771 ～9537 9654 YZSW4-9 37 −30.31 植物碎片 8050 ±509033 ～8722 8878 YZSW4-10 46.2 −39.51 植物碎片 9420 ±5010774 ～10506 10640 由于三角洲下切河谷地区受到潮流和径流的共同影响，水动力强，单个钻孔的沉积地层往往不连续，测年材料（贝壳、植物碎片）容易发生侵蚀再沉积，导致钻孔YZSW4的14C年龄局部存在倒转现象。使用线性内插计算沉积物年龄时，去除14C年龄为
2900 ±30BP、5250 ±30BP、4555 ±35BP、8670 ±50BP的数据。2.2 粒度分析
粒度是沉积物的属性之一，记录了水动力条件与沉积环境等综合信息。粒度分析采用Mastersizer 2000激光粒度仪，测试在南京大学海岸与海岛开发实验室完成。共有54件样品进行了粒度分析。粒度样品前处理方法的步骤：根据样品的成分及粒径，称取0.1～0.3 g样品放入离心管，先使用10%的双氧水去除有机质组分，再加入适量浓度为10%的盐酸除去样品中的碳酸盐组分，给离心管注满蒸馏水并离心抽去蒸馏水，将溶液洗至中性，加入10 mL浓度0.05 mol/L的六偏磷酸钠，并用超声波清洗机振荡10 min后上机测试，最后计算黏土（＜4 μm）、粉砂（4～63 μm）和砂质（＞63 μm）的含量。
2.3 海岸线和古高程图绘制
利用本次钻孔的分析测试结果，并结合收集钻孔、剖面的位置、高程、年代等基本信息（图1b，表2），建立高程-年龄-沉积相等基本属性的数据集，所有钻孔均有较详细的测年信息，将收集的AMS14C年龄用同样的方法进行日历年龄的校正，收集钻孔的光释光年龄使用来源文献中的年龄。将收集的高程均校正为1985国家高程基准，收集钻孔的高程使用文献中的精度。全新世以来，长江三角洲的新构造运动升降幅度尚未有精确的数据，此次工作不考虑新构造运动的影响。古高程的计算方法如下：根据测试年龄的线性内插计算出每个钻孔在11.0、10.0、9.0、8.0 、7.0 、6.0 、5.0、4.0 、3.0 、2.0 、1.0 ka的高程，再减去长江三角洲的古海平面高度[5]，其中11.0、10.0、9.0、8.0、7.0 ka的古海平面高度分别为−38、−29、−22、−6、0 m，由于7.0 ka以后海平面的高度变化幅度较小且难以准确量化，本研究中将其7.0 ka及以后的古海平面设为0 m。根据arcgis中的反距离权重法获得各个时期的古高程变化图，考虑到古地形的影响，在Corldraw软件中对局部区域的古高程变化进行修正，绘制11.0 ka以来千年尺度的古地理图以及海岸线变迁图。
表 2 长江三角洲下切河谷钻孔基本信息Table 2. The basic information of cores in the incised valley of the Yangtze River delta钻孔号 位置 高程/m 资料来源 钻孔号 位置 高程/m 资料来源 YZSW4 32.2575°N、119.3752°E 6.691 本研究 CJK09 30.91°N、122.25°E −11 [14] YZQK2 32.6089°N、119.6606°E 3.32 [5] CJK11 31.33°N、122.45°E −21 YZQK3 32.3717°N、119.5511°E 4.58 CJK10 30.61°N、122.6°E −25.3 YZSW2 32.4047°N、119.8214°E 9.91 H5 31.6567°N、122.15°E −6.11 [16] TZK6 32.45°N、120.1333°E 5.531 [21] ECS0702 31°N、122.67°E −22 [13] TZK2 32.3167°N、120.0833°E 4.63 CSJA6 32°N、120.3°E 5 [37] TZK1 32.0667°N、120.1833°E 3.349 HZK2 31.6236°N、122.007°E −5 [38] SPM1 32.7275°N、120.2197°E 5.535 [6] HZK8 31.1728°N、122.348°E −5 [22] PM4 32.5667°N、119.9333°E 1.758 [32] HZK11 30.6667°N、122.095°E −11 TZK3 32.3833°N、120.0833°E 5.687 [33] EGQD14 31.8932°N、121.617°E 3 [19] XJ03 32.3097°N、119.29556°E 4.8 [34] NT 32.0657°N、120.8567°E 3.99 [39] HQ98 32.25°N、120.2333°E 5.91 [11] HZK1 31.6906°N、121.7134°E −5 CM97 31.6167°N、121.3833°E 2.48 HM 31.957°N、121.0928°E 3.36 [17] JS98 32.0833°N、121.0833°E 4.2 CD 31.4044°N、120.844°E 2 [40] ZK01 31.8406°N、121.5567°E 2.05 [15] CXS 31.3789°N、120.792°E 2 ZK02 31.8797°N、121.1583°E 2.33 SQ 31.1972°N、121.107°E 2 [41] SD 32.3383°N、120.7792°E 4.87 [18] GFL 31.0644°N、121.192°E 1.4 [42] CJK07. 31.15°N、122.4°E −45.4 [14] TL 30.8867°N、121.312°E 2 [41] CJK08 30.97°N、122.92°E −41 [35] YZ–1 31.13361°N、121.1839°E 0.717 [43] ZK9 30.8°N、122.4°E −12.5 [36] T8 32.5833°N、120.817°E 6.5 [44] 全新世以来太湖平原的大部分区域以湖沼相沉积为主，仅太湖平原的北部和东部遭受了海侵，其物源来自长江。在绘制古地理图时，参考陈艇[30]文章中7500 a海岸线的位置，将CD、CXS、SQ的东侧，GFL、TL的西侧作为长江三角洲下切河谷的南边界。苏北平原的海岸线参考贝壳堤的位置和年龄[7,31]。根据钻孔的地理位置和沉积特征，在讨论时将钻孔自西向东分为红桥亚三角洲北侧、红桥亚三角洲、黄桥亚三角洲北侧、黄桥亚三角洲、金沙亚三角洲北侧、金沙亚三角洲、海门亚三角洲、崇明亚三角洲、启东、长江口外、太湖东侧等11个地理区。
3. 结果与讨论
3.1 YZSW4沉积相划分
根据沉积特征、AMS14C年龄、粒度的分布特征，YZSW4孔的沉积特征自下而上可分为以下4个沉积单元（图2、图3）：
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图 2 钻孔YZSW4典型沉积相照片a: 灰黑色黏土与粉砂互层，发育潮汐层理，呈“千层饼”构造；b: 灰色黏土与粉砂互层，发育潮汐层理，呈“千层饼”构造；c: 灰色黏土与粉砂互层，发育潮汐层理，呈“千层饼”构造；d: 灰色细砂；e: 灰色细砂，含大量贝壳；f: 灰色细砂；g: 灰色中粗砂；h: 灰色粗砂；i: 灰色砂砾层；j: 灰色砂砾层；k: 灰色砂砾层；l: 紫色中细粒砂岩。Figure 2. Photographs of representative sedimentary facies of core YZSW4a: grayish-black silt and clay interbedded, characterized by parallel bedding, bedding together with clay-silt couplets; b: gray silt and clay interbedded, characterized by parallel bedding, bedding together with clay-silt couplets; c: gray silt and clay, characterized by parallel bedding, bedding together with clay-silt couplets; d: gray fine-grained sand; e: gray fine-grained sand, consisting of a large number of shells; f: gray fine-grained sand; g: gray medium-coarse–grained sand; h: gray coarse-grained sand; i: gray sandy gravel; j: gray sandy gravel; k: gray sandy gravel; l: purple medium fine-grained sandstone.![]()
图 3 YZSW4孔岩性、中值粒径、黏土、粉砂、砂质含量垂向分布特征Figure 3. Stratigraphic column showing changes in clay content, silt content, sand content, and median grain size in core YZSW483.3～73.48 m：紫色中细粒砂岩（图2l），为白垩纪赤山组[23]。
73.48～34.8 m（?～9.3 ka）：以灰色细砂、中砂为主，含有少量砾石（图2g–k），砾石粒径以2～4 mm为主，局部段见1～3 cm的砾石，表明该时期水动力较强，自下而上中值粒径、黏土含量、粉砂含量、砂质含量的变化范围较大，分别为72.3～277.0 μm、1.4%～10.3%、10.1%～34.9%、55.9%～88.5%。46.2 m的日历校正年龄为
10640 ± 134 cal.aBP，该段沉积物的形成时间为末次冰期至全新世早期，为河床相沉积。34.8～16.3 m（9.3～3.0 ka）：以灰色粉砂、细砂为主（图2d–f），质纯，含大量云母碎片，自下而上中值粒径、黏土含量、粉砂含量、砂质含量的变化范围较大，分别为67.0～228.8 μm、1.0%～7.3%、10.6%～38.6%、56.2%～87.7%。25.45 、27.05 、27.25 、28.83 m处贝壳的日历校正年龄分别为
5389 ±378 cal.aBP、4550 ±406 cal.aBP、4310 ±421 cal.aBP、5025 ±395 cal.aBP，表明该时期为快速堆积期，水动力较强，为三角洲前缘相。16.3～0 m（3.0～0 ka）：以灰色黏土与粉砂互层为主（图2a–c），潮汐层理发育，中值粒径、砂质含量自下而上逐渐下降，变化范围分别为105.7～10.9 μm、78.9%～1.7%，黏土含量、粉砂含量自下而上逐渐增加，变化范围为3.3%～18.7%、17.7%～80.7%，表明水动力逐渐减弱。7.04 m和14.32 m的日历校正年龄分别为
2933 ± 75cal.aBP 和3294 ± 78 cal.aBP，该钻孔位于长江沿江一带，在全新世晚期受到潮汐作用的影响，为潮坪相，与泰州沿江一带TZK1孔在该时期的沉积环境一致[21]。3.2 全新世以来红桥、黄桥亚三角洲的沉积速率
全新世以来，红桥亚三角洲和黄桥亚三角洲的沉积速率呈现高-低-高-低的特征（图4、图5，表3）。
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图 4 红桥三角洲、黄桥亚三角洲主要钻孔11.0 ka以来的沉积速率Figure 4. Sedimentation rate of the Hongqiao subdelta and Huangqiao subdelta since 11.0 ka![]()
图 5 长江三角洲下切河谷11.0、9.0、7.0、4.0 ka古地理图红色虚线为海岸线。Figure 5. The paleotopography of the Yangtze River Delta in 11.0 , 9.0 , 7.0 , 4.0 kaRed dashed line represent the coastline.表 3 黄桥亚三角洲、红桥亚三角洲全新世以来的沉积环境和沉积速率Table 3. Sedimentary environment and sedimentation rate of Huangqiao body and Hongqiao body since the Holocenemm/a 位置 钻孔号 11.0～9.0 ka 9～7 ka 7～4 ka 4～0 ka 沉积速率 沉积环境 沉积速率 沉积环境 沉积速率 沉积环境 沉积速率 沉积环境 红桥亚三角洲北侧 YZQK2 0.50 陆相 5.10 盐沼 0.30 陆相 0.30 陆相 红桥亚三角洲 YZSW4 5.20 河床相 2.30 河口湾 3.60 三角洲前缘 5.60 三角洲平原 YZQK3 3.30 盐沼 1.70 河口湾 7.30 三角洲前缘 1.70 三角洲平原 YZSW2 13.20 潮汐河道 3.00 河口湾 6.40 三角洲前缘 1.20 三角洲平原 XJ03 4.00 河漫滩、潮汐河道 1.90 河口湾 3.70 三角洲前缘 1.80 三角洲平原 黄桥亚三角洲北侧 SPM1 1.20 陆相 1.20 湖相 0.60 湖相、盐沼、潮上带 0.60 泻湖、湖相. PM4 0.30 陆相 0.30 湖相 0.40 盐沼、湖相 0.20 潮上带、河漫滩、湖相 黄桥亚三角洲主体 TZK6 0.30 河漫滩 0.30 河漫滩 2.40 三角洲前缘 1.00 三角洲平原 TZK2 8.20 河漫滩、潮汐河道 2.50 河口湾 6.00 三角洲前缘 0.70 三角洲平原 HQ98 7.50 河漫滩、潮汐河道 2.00 河口湾 7.50 三角洲前缘 1.05 三角洲平原 TZK3 4.10 河床相、潮汐河道 1.60 河口湾 9.00 三角洲前缘 0.70 三角洲平原 沿江 TZK1 2.70 河床、潮汐河道 1.90 河口湾 1.30 河口湾 6.80 潮汐河道 亚三角洲主体及
沿江平均值4.21 1.98 4.04 1.80 11.0～9.0 ka，红桥亚三角洲和黄桥亚三角洲北侧的沉积环境为陆相，沉积速率为0.30～1.20 mm/a，沙坝主体沉积环境为河流及潮汐河流，平均沉积速率为5.4 mm/a，位于红桥亚三角洲的YZSW4、YZQK3、YZSW2、XJ03钻孔沉积速率较高，分别为5.20、3.30、13.20、4.00 mm/a，黄桥亚三角洲TZK2、TZK3、HQ98的沉积速率分别为8.20、4.10、7.50 mm/a。
9.0～7.0 ka，红桥亚三角洲和黄桥亚三角洲北侧的沉积环境为盐沼和湖相，沉积速率为0.40～5.10 mm/a。沙坝主体沉积环境为河口湾，遭受了强烈的侵蚀作用，沉积速率较低，红桥和黄桥的平均沉积速率分别2.20、1.70 mm/a。红桥沙坝XJ03（19.2 m）、黄桥砂坝的TZK2（20.8 m）、HQ98（29 m）孔均发育侵蚀面，分别缺失8.7～7.3 ka、8.7～4.4 ka、8.9～7.5 ka的地层，上覆地层为分选较好的砂层，含有大量有孔虫，为三角洲前缘相。YZQK3孔、YZSW2、TZK3、YZSW4孔虽无明显的侵蚀面，但分别在10.8～7.1 ka、8.0～4.2 ka、8.8～6.6 ka、9.6～5.0 ka的沉积速率均较低，分别为1.6～1.8 mm/a、1.6～1.8 mm/a、1.3 mm/a、1.4 mm/a。
7.0～4.0 ka，亚三角洲北侧的沉积环境为湖相、盐沼、潮上带，沉积速率为0.30～0.60 mm/a，亚三角洲主体沉积环境为三角洲前缘，该时期为黄桥砂体和红桥砂体的主要形成时期，沉积速率较高，平均为5.50 mm/a。
4.0～0 ka，黄桥和红桥亚三角洲北侧的沉积环境为陆相、潟湖，沉积速率为0.30～0.60 mm/a，亚三角洲的主体出露地表，发育三角洲平原。沿江一带（YZSW4和TZK1）的沉积速率较高，分别为5.60和6.80 mm/a。
3.3 红桥、黄桥亚三角洲发育过程及影响因素
11.0 ka时，长江三角洲的海平面高度约为−38 m[5]，海岸线位于海安-南通一带（图5a、图6a），海水深度自西向东逐渐加深。扬州-泰州-海安北部（XJ03、YZQK2、PM4、SPM1、TZK6、T8）的古高程大于10 m，最大可达36.6 m，下覆地层均为棕黄色、灰绿色黏土（第一硬黏土层）。扬州南部红桥亚三角洲（YZQK3、YZSW2、YZSW4）的古高程分别为4.1、−8.3、−3.1 m，岩性分别为黏土质粉砂、中粗砂、砂砾层，沉积相分别为盐沼、河床、河床相；泰州南部的古高程为0～5 m，沉积相为河床和河漫滩，黄桥亚三角洲沿江一带的TZK1为中粗砂、细砂的河床相，黄桥砂坝HQ98、TZK2钻孔为灰色黏土、黏土质粉砂的漫滩相[11,21]。海门亚三角洲HM孔50～60 m的岩性为细砂与泥质粉砂互层，细砂与粉砂质泥互层，有孔虫组合为沿岸浅水种[17]，启东HZK2、H5，海门亚三角洲ZK01、ZK02，长江口外CJK09、ZK9、CJK11、ECS0702在该时期为河口湾[13-15,35-36]，长江口外CJK10受古地貌的影响，在该时期的沉积相为河漫滩相，古高程为5.5 m；太湖东侧该时期均为陆相沉积，古高程为24.3～39.3 m。
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图 6 长江三角洲全新世以来千年尺度海岸线变化Figure 6. The coastline change in Yangtze River Delta since 11.0 ka (transgression)至9.0 ka时，长江三角洲的海平面高度约为−22 m[5]，海岸线向西向北迁移，海侵范围进一步扩大，形成以扬州-镇江为顶点的河口湾（图5b、图6）。扬州-泰州-海安北部（YZQK2、PM4、SPM1、TZK6）的古高程大于10 m，最大达21.2 m。向南部的古高程逐渐降低，红桥沙坝的XJ03、YZSW2的古高程分别为4.9 和2.1 m，其他区域均受到海洋不同程度的影响，海水深度向南向东逐渐增加。黄桥亚三角洲和金沙亚三角洲地区的海水深度为5～20 m，现代长江河口大部分区域的海水深度为20～50 m。太湖东侧该时期均为陆相沉积，古高程为8.6～23.3 m。9.0 ka，长江口位于扬州–镇江一带，在平面上呈喇叭形，外宽内窄，从湾外向湾顶高潮位抬高，低潮位下降，潮差逐渐增加，湾顶的潮差最强，类似现今的杭州湾[45]。9.0 ～7.0 ka，由于南部镇江基岩、扬州西部丘陵岗地的束缚，海岸线难以向西迁移，缓慢地向北移动，平均潮差与平均海平面呈正相关关系[46]，海平面快速上升，平均潮差也逐渐增加，形成强潮型的河口湾，湾顶区沉积速率较低、部分区域较老的沉积物被强烈的潮流作用所侵蚀，形成侵蚀面，潮汐流将细颗粒带到远离湾顶的海安一带，形成潮流沙脊（JS98、SD、HM）、河口湾和前三角洲沉积（CJK11、CJK07、CJK08）。
7.0 ka时，为长江三角洲最大海泛面时期（图5c、图6a），其后，海平面逐渐趋于稳定，落潮流速大于涨潮流速，涨潮时主流偏南，落潮时主流偏北，有利于泥砂在中间缓流区淤积。在长江径流和落潮流的共同作用下，红桥沙坝和黄桥沙坝逐渐开始形成。红桥沙坝的YZSW4、YZQK3、YZSW2、XJ03孔分别于9.3、6.0、5.5、7.4 ka发育三角洲前缘相，黄桥沙坝的TZK3、HQ98、TZK2分别于6.9、7.5、4.3 ka发育三角洲前缘相，于4.3 ka扩张至最北端的TZK6孔，河口和浅滩沉积的泥砂厚度逐渐增加，黄桥砂体和红桥砂体在7.6～4.0 ka快速堆积，海水逐渐变浅，砂体于4.0 ka左右逐渐出露地表（图5d、图6b）。表明红桥沙坝和黄桥沙坝是同时形成的，而不是相互衔接，性质为潮成沙坝[21, 33]，形成时间约为7.6～4.0 ka。
3.4 全新世以来长江三角洲的演化及控制因素
综合多个钻孔的AMS14C、OSL、岩性、沉积构造、有孔虫等特征，长江三角洲下切河谷的演化可分为5个阶段，分别为11.0～9.0 ka、9.0～7.0 ka、7.0～4.0 ka、4.0～2.0 ka、2.0～0 ka（图7、图8、表4）。
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图 7 全新世以来长江三角洲不同区域的平均沉积速率和岸线变迁a, b, c, d, e分别显示11.0～9.0 ka，9.0～7.0 ka，7.0～4.0 ka，4.0～2.0 ka，和2.0～0 ka的沉积速率及岸线。Figure 7. Average sedimentation rate and shoreline changes in different regions of the Yangtze River Deltaa, b, c, d, e show sedimentation rate and shoreline of 11.0～9.0 ka, 9.0～7.0 ka, 7.0～4.0 ka, 4.0～2.0 ka, and 2.0～0 ka, respectively.![]()
图 8 长江三角洲东西向联合剖面（钻孔位置图见图1b）Figure 8. West-east inter-well stratigraphic sections showing lithology, sedimentary facies, and age distribution in the Yangtze River Delta (see Fig.1b for the location of the boreholes)表 4 长江三角洲不同区域的平均沉积速率Table 4. Average sedimentation rate in different regions of the Yangtze River Deltamm/a 位置 年代/ka 11.0～9.0 9.0～7.0 7.0～4.0 4.0～2.0 2.0～0 红桥亚三角洲 6.4 2.2 5.2 3.4 1.8 黄桥亚三角洲 4.6 1.7 5.2 2.3 1.8 金沙亚三角洲 2.8 7.0 1.0 5.0 7.3 海门亚三角洲 3.3 4.3 2.0 6.5 6.6 崇明亚三角洲 6.7 2.2 1.6 1.1 7.9 启东 2.2 2.3 3.5 5.6 7.5 长江口外 3.9 3.1 1.9 1.5 4.0 太湖东侧 0.0 0.6 0.3 0.4 0.3 11.0～9.0 ka，海平面从−38 m上升至−22 m，平均上升速率为9 mm/a，11.0 ka海岸线位于南通—海安一带，此后海岸线逐渐向西迁移，下覆地层为末次冰期河床相的砂砾层。至10.0 ka，海水沿着下切河谷影响到扬州-泰州一带，形成潮汐河道，在沿江一带形成灰色黏土、黏土与黏土质粉砂的受潮汐影响的河漫滩和盐沼沉积（YZSW2、YZQK3、TZK1），古地势较高的地区则发育河漫滩沉积（XJ03、HQ98、TZK3、TZK6）。海安–南通一带在该时期为受潮汐影响的河漫滩、河口湾，HM孔岩性为泥砂互层，见贝壳碎屑与完整螺壳，开始出现有孔虫，属种单一且丰度低，以沿岸低盐浅水种为主[17]，HM南侧的ZK02孔，该时期岩性为砾质粗砂和青灰色细砂质中砂、粉砂质砂，ZK01为黏土夹砂质粉砂、粉砂质细砂[47]，发育潮汐层理。长兴岛上的CX03孔在该时期为潮坪相、河口湾相[48]；长江口外的CJK11、ECS0702、CJK08、CJK09、ZK9在该时期以黏土、粉砂互层的潮坪为主，夹潮下带、潮道砂质沉积。自口外至湾顶总能量先增加后降低，沉积物呈现细–粗–细的分布模式。大量沉积物在古河口附近堆积下来，口外至湾顶的沉积速率呈现低-高-低-高的变化特征（图7a）。
9.0～7.0 ka，海平面从−22 m上升至现今高度，海平面上升速率达11 mm/a，至9.0 ka，就形成了以扬州–镇江为顶点的古河口湾，由于过水断面面积较小，地形对潮流的束狭作用，潮差在湾内达到最大值，沉积物难以保存下来，扬州–泰州一带的沉积速率低。海安–南通一带在该时期为潮流沙脊、河口湾，金沙的SD孔发育潮流沙脊，海门期HM孔岩性为灰色砂泥，见贝壳碎屑，少见有孔虫，Sr/Ba值却达到全孔最高，海侵程度最强，为潮流沙脊[17]；HM南侧的ZK02孔，该时期岩性为灰色粉砂质砂与黏土，ZK01为黏土夹砂质粉砂、粉砂质细砂[14]，为河口湾相。长兴岛上的CX03孔在该时期为河口湾、浅海相[48]；长江口外CJK11、ECS0702、CJK07、CJK08、CJK09、ZK9在该时期为黏土夹较多的粉砂薄层，为河口湾相[14]。自口外至湾顶总能量先增加后降低，沉积物呈现细–粗–细的分布模式，CJK07、CJK08、CRE–
1402 缺失7.5、6.7、6.7 ka以后的地层。沉积物主要在远离湾顶区南通一带堆积，口外至湾顶的沉积速率呈现低-高-低的变化特征（图7b）。7.6～4.0 ka，海平面在宏观上保持稳定，在扬州、泰兴地区沉积细砂（YZQK3、YZSW2、XJ03、TZK2、TZK3、HQ98），形成黄桥沙坝和红桥沙坝，HM孔为潮流沙脊；HM南侧的ZK02孔，发育黏土与粉砂不等厚互层，局部夹细砂，“千层饼”构造，ZK01泥质黏土夹细砂、粉砂薄层和团，该时期为浅海相，长兴岛上的CX03孔在该时期为浅海相[48]；长江口外CJK11、ECS0702、CJK09、ZK9在该时期为黏土夹较多的粉砂薄层，为河口湾相[14]，自口外至湾顶总能量增加，沉积物呈现细–粗的分布模式。大量沉积物在古河口附近堆积下来，口外至湾顶的沉积速率呈现低-高的变化特征（图7c）。
4.0～2.0 ka，黄桥沙坝和红桥沙坝逐渐出露地表，长江古河口退至泰州东侧，黄桥沙坝、红桥沙坝南侧为潮汐河流，发育粉砂与黏土互层的潮坪相沉积（TZK1、YZSW4）。金沙以南–长江口地区，在前三角州泥质沉积之上开始发育砂质均匀的的三角洲前缘相，在金沙–海门一带形成河口沙坝，金沙SD在1.6 ka、NT在1.4 ka、JS98在2.8 ka、海门HM在3.1 ka、启东HZK2在2.2 ka、崇明CM97在1.8 ka开始发育三角洲前缘相，长兴岛上的CX03孔在该时期为河口沙坝[48]；长江口外HZK2、H5、CJK11、ECS0702、CJK09、ZK9在该时期为黏土夹较多的粉砂薄层，为河口湾相，自口外至湾顶总能量增加，沉积物呈现细–粗的分布模式。金沙期、海门期、崇明期、长兴期的沙坝并不是先后形成、依次排列的，长兴期在4.6 ka以后开始发育，金沙期、海门期在3.1 ka以后开始形成，于1.0 ka逐渐出露地表，崇明在1.8 ka以后开始发育[48]。大量沉积物在古河口附近堆积下来，口外至湾顶的沉积速率呈现高-低的变化特征。
4. 结论
（1）长江三角洲顶端YZSW4孔全新世以来自下而上的沉积环境分别为河床相（? ～9.3 ka）、三角洲前缘相（9.3～3.0 ka）、潮坪相（3.0～0 ka）。
（2）红桥亚三角洲和黄桥亚三角洲在11.0～9.0 ka、9.0～7.0 ka、7.0～4.0 ka、4.0～0 ka4个阶段的沉积环境为潮汐河道、河口湾、三角洲前缘、三角洲平原，沉积速率呈现高-低-高-低的特征，平均沉积速率分别为4.21、1.98、4.04、1.80 mm/a。红桥、黄桥沙坝并不是按照形成的先后相互衔接的，而是同时形成的，主体形成时间为7.6～4.0 ka。
（3）长江三角洲的演化可分为5个阶段：11.0～9.0 ka，自口外至湾顶总能量先增加后降低，沉积物呈现细-粗-细的分布模式，口外至湾顶的沉积速率呈现低-高-低-高的变化特征；9.0～7.0 ka，自口外至湾顶总能量先增加后降低，沉积物呈现细-粗-细的分布模式，口外至湾顶的沉积速率呈现低-高-低的变化特征；7.0～4.0 ka，自口外至湾顶总能量增加，沉积物呈现细-粗的分布模式，口外至湾顶的沉积速率呈现低-高的变化特征；4.0～2.0 ka，自口外至湾顶总能量增加，沉积物呈现细-粗的分布模式，口外至湾顶的沉积速率呈现低-高-低的变化特征；2.0～0 ka，口外至湾顶的沉积速率呈现高-低的变化特征。
（4）全新世以来，长江三角洲的堆积作用受控于古河口的位置、轮廓形状及海平面变化，11.0～9.0 ka，海平面快速上升，大量沉积物在古河口附近堆积下来；9.0～7.0 ka，为强潮型的河口湾，沉积物在远离湾顶的南通一带堆积；7.0 ka以后，海平面趋于稳定，在古河口附近堆积。
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图 1 多道反射地震剖面上的泥火山及冷泉羽状流
Figure 1. Mud volcano and plume of sea cold seep on multi-channel reflection seismic section
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图 2 斯匹次卑尔根海域浅地层剖面增强反射、声学空白带、羽状流等
Figure 2. Enhanced reflections, acoustic anomalies and plumes on the shallow profiles in Spitsbergen sea areas
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图 5 南海北部陆坡海底冷泉羽状流在多波束声呐图像上的形态特征
Figure 5. Shapes of plume of sea cold seep on the northern slope of the South China Sea in multi beam sonar images
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图 6 多波束水体探测过程中发现的数座海底泥火山同时喷发的冷泉羽状流
Figure 6. sea cold seep plumes erupted simultaneously with multiple submarine mud volcanoes during multi beam water exploration
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图 7 海底冷泉羽状流及ROV原位探测
左图：活动冷泉喷出的高浊度流体，右图：在海底960 m水深冷泉喷口原位合成天然气水合物。
Figure 7. Plumes of sea cold seep and in-situ detect by ROV
Left figure is high turbidity fluid ejected from active plumes of sea cold seep, right figure is in-situ synthesis of natural gas hydrate in the cold spring vent at 960 m depth.
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图 8 多波束水体数据异常“弧圈”检测与消除
Figure 8. Detection and elimination of abnormal “arc” in multi beam water body data
表 1 冷泉基本特征与探测方法
Table 1 Basic characteristics and detecting method of cold seep
位置 特征 描述 探测手段 探测方法 沉积层 泥火山 在正常沉积物表面由喷溢气体驱动形成的具有火山构造的泥质沉积 多波束、浅剖、多道地震 地球物理 泥底辟、泥海岭 由比泥火山小的气上升形成的正向隆起的海底沉积 碳酸盐丘 与石化冷泉有关的可高达300 m的沉积体 气烟囱 底部与顶部分别与底辟和麻坑相连，流体自深部向浅部渗漏和逸散 沉积物烃类异常 以甲烷为主的富烃类流体向海底运移过程会使还原沉积物中的硫酸盐浓度变低，钙、镁等离子也会出现异常[8] 地质取样（拖网、箱式取样、拖网取样、多管取样、重力柱状取样、海底钻探）；海底原位探测 地球化学 天然气水合物 浅表层富含由水和甲烷气组成的结晶状似冰状化合物 海底 麻坑 由于天然气、水等流体在海底表面逸散，带走部分沉积物颗粒而形成的海底凹坑 多波束、浅剖、多道地震 地球物理 冷泉碳酸盐结壳 海底的甲烷渗漏过程中, 向海底运移的富甲烷流体与上层海水扩散到沉积物中的硫酸盐发生甲烷厌氧氧化，生成甲烷成因自生碳酸盐岩 地质取样（拖网、箱式取样、拖网取样、多管取样、重力柱状取样、海底钻探）；海底原位探测 地球化学 生物礁 与浅层气或冷泉存在有关的似珊瑚的岩群 深水珊瑚礁 石化冷泉口,经常与碳酸盐丘共存 冷泉生物群落 海底菌席等微生物、双壳类、多毛类、虾蟹类、冷水珊瑚等组成的生态系统 水体 天然气渗漏/冷泉羽状流 肉眼可见从海底排溢出气体，这些气体通过泥火山、断层、裂隙等运移通道进入海水以气泡的形式上升运移，形成气泡羽流[9-10] 多波束、浅剖、多道地震 地球物理 近底层海水甲烷高浓度异常 由于沉积物下部甲烷渗漏活动造成的底层水甲烷高浓度异常[11] 吹扫-捕集法；海底原位探测 地球化学 海面 海面增温异常 近海临震前卫星热红外增温异常，指示临震前导致的油气渗漏和（或）水合物因断裂减压或受热分解的烃类气体沿着构造裂隙不断逸出、上升至海面[12] 热红外 卫星遥感 海面浮油 海底渗漏的烃类物质以气泡或油滴的形式垂直迁移进入水体，部分气体到达水面进入大气，而油则在水面扩散成薄且非常细长的可凝聚的油膜 合成孔径雷达 
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