Topography characteristics and the origination of valleys at the upper edge of continental slope in the northern East China Sea
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摘要:
东海陆坡上缘区处于东海陆架与冲绳海槽两大地貌单元的过渡带，对其地形特征及成因的研究，对于深入理解两单元相互作用和晚更新世晚期的海平面变化有重要意义。多波束测深和浅地层剖面调查揭示了东海北部陆坡上缘沟，平均距离陆架坡折线约7 km，走向为NNE-SSW，分为单沟和双沟（局部），宽约400～
1600 m，沟深一般为20～25 m，单沟的等深线顺直，沟底地形平缓，双沟的地形比较复杂，发育顺坡次级沟、沟底频繁起伏等。浅地层剖面揭示上部10～15 m为向东倾斜的前积反射结构，属于晚更新世晚期的古长江三角洲前积层。静力触探试验表明海底表层为松散的粉砂质砂，往下3 m为粉砂/黏土与砂的互层。侧扫声呐影像显示海底沙波发育，波高约0.5 m，波长6～9 m。推断陆坡上缘沟的位置和走向受陆坡正断层的影响；结合沉积物14C测年和海平面变化曲线，推测沟主要形成于17.4～14.5 kaBP，也就是末次盛冰期海平面回升的初期阶段，为滨浅海环境，受潮流的冲刷侵蚀所致，为断裂冲沟；双沟内复杂的海底地形与滑坡有关。实测200 m等深线主要位于陆坡上缘沟内，北部处于沟的东侧附近，与沟相交；两者走向相近，与区域构造的影响有关。Abstract:The upper edge of the continental slope of the East China Sea is a transitional zone between two main geomorphological units: the continental shelf of the sea and Okinawa Trough. Research into its geomorphological characteristics and origination is meaningful for better understanding the interaction between these two units, and the sea level changes during the late period of Late Pleistocene. Multibeam sounding and subbottom profile surveys revealed sea bottom valleys at the upper edge of the continental slope in the northern East China Sea. The valleys extend in NNE-SSW direction in quasi-parallel to the continental shelf break with an average distance of about 7 km. The depth of the slope break is about 150 m on average. It is also generally parallel to normal faults in the continental slope. They can be subdivided into single valleys and locally double-valleys. The later ones consist of a main west valley and an auxiliary east valley with an interval about 2km. All the valleys have a higher west slope and a lower east one, 400～1600 m wide and 20～25 m deep in general. The single valleys have straight depth contours and gentle bottom topography, while the double-valleys have rather complicated topography, with minor gullies cutting down valley slopes and frequently uneven bottom and so on. Subbottom profiles across the west valley show the upper 10～15m strata having parallel reflection waves, forming an eastward-dipping structure, which is the paleo-Changjiang prodelta of the late period of Late Pleistocene. Cone penetration pest (CPT) measurements of 3m deep at 170 m depth west of the west valley are interpreted as surficial loose silty sands, and interbedded silt/clay with sands downward. Side-scan sonar images near the CPT site showed sea bottom sandwaves with amplitude about 0.5 m and wave length of 6～9 m. It is inferred that the location and layout of the valleys were affected by normal faults in the continental slope related to the third phase of the Okinawa Trough expansion. Taking into account the shell 14C dating of nearby borehole samples and sea level change curves, the valleys were formed mainly during 17.4～14.5 kaBP, which is the early stage of sea level rising after the last glacial maximum (LGM), when the area was in offshore-shallow sea environment and underwent tidal current scouring. Therefore, these valleys are fault-scouring valleys. The complicated topography of the double-valleys was related to submarine landslides of paleo-Changjiang predelta deposits. The measured 200 m depth contour lines of sea bottom are mostly within the west valley but partly to the east of the valley, resulting in the intersection of each other; and their similar stretching directions were considered to be resulted from the regional tectonic framework.
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东海陆坡介于宽广的东海陆架与冲绳海槽之间，也是冲绳海槽西坡（图1）。冲绳海槽是琉球岛弧的弧后裂谷盆地，处于扩张初期，其发育与菲律宾海板块向西俯冲于欧亚板块之下，引起陆壳张裂有关[1-5]。扩张运动造就了冲绳海槽内众多海底峡谷、海山、洼地和台地等构造地貌，对海槽的海底地形地貌形态产生了影响。海底峡谷地形特征显著，很多从陆架外缘延伸到海槽底部，横切陆坡[1-2, 4, 6-7]。陆坡上缘区作为两大地貌单元（陆架与陆坡）的过渡带，地貌部位和地理位置特殊，研究者关注到其海底坡度由缓变陡的显著变化，而对于进一步的地形地貌特征和区域性差异的认识还缺乏研究。范奉鑫和林美华[8]根据东海北部的浅地层和同步海底地形测线，得出陆坡上缘沟位于陆架坡折线附近，两者平行（称其为陆架外缘沟），走向NNE，断续延伸长达150 km，水深160～230 m，沟深12～55 m，宽0.3～2.3 km[8]，但是对于沟的研究还很少，诸如对于沟的水深/地形特征、成因和年代等缺乏了解。本文主要根据多波束测深资料，分析陆坡上缘沟的地形形态特征，探讨沟的成因和发育过程，这对于增进认识冲绳海槽扩张运动对陆坡上部地形地貌的影响是有意义的，对于我国深远海工程也有指导意义。
1. 区域地质概况
东海陆架平均宽达415 km，地形平缓；陆坡位于陆架东（南）侧，长约1 000 km，宽约40～50 km，呈狭长弧形向东南凸出、倾斜，水深为200～1 000 m；总体上，冲绳海槽北部走向为NNE-SSW，南部转为近E-W[1]。陆坡坡脚水深自北向南逐渐加深，北段约800 m，中段约1 000 m，南段最大水深已接近2 000 m[9]（图1）。冲绳海槽北部的张裂可以分成三幕，I幕为中—晚中新世，II幕为早更新世，III幕为晚更新世至现在[3-4]。研究区位于东海北部，横跨陆坡上部和陆架外缘海域（图1、图2）。坡折线是陆架与陆坡的海底地形分界线，由西向东跨越坡折线后海底地形明显变陡。
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东海陆坡由于断裂发育，导致大量形成海底峡谷、阶梯式台地等地貌；以28°N为界，北部陆坡相对较宽，地形较为平缓，平均坡度约1°[1，3]。陆坡上部为简单斜坡带，从坡折线至水深250～350 m，其中在28°03′～31°35′N海域（研究区位于该范围内，图1和图2），为堆积型陆坡斜坡，覆盖松散沉积物，主要为晚更新世低海面时期古长江等河流携带泥沙进入冲绳海槽；陆架外部区域海底为陆架侵蚀-堆积平原，是冰后期海进以来遭受侵蚀作用形成的残留地貌，表层沉积物以细砂为主[1]。
2. 资料和方法
本文主要基于多波束测深资料，结合浅地层剖面、静力触探（Cone penetration test，CPT）和侧扫声呐调查资料进行研究。调查区为4个长条形海域，跨越坡折，各长约40 km，陆架端宽0.6～1.3 km，陆坡端宽1.2～2.2 km，多波束测深全覆盖，在图3c所在海域，沿双沟（见下文）走向，测深延伸约10 km，各宽约1 km（图2），沿测区走向布置浅地层剖面/侧扫声呐测线5条、 CPT试验3站。测深采用EM302多波束测深仪，浅地层剖面和侧扫声呐为EdgeTech2000-DSS一体机，其中浅地层剖面频率为100/400 kHz。CPT为Neptune3000，海上作业时，CPT系统由电缆与调查船相连接，系统的水下单元座底后，自动将圆锥形探头插入海床至设计深度，获得连续的沉积物锥尖阻力、不排水剪切强度等力学参数，用于土类判别和土层划分等。
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图 3 典型海底地形断面位置见图2。Figure 3. Typical sections of sea bottom topographyLocations are shown in Fig.2, hereinafter.3. 结果
3.1 陆坡上缘沟的地貌部位
陆坡坡折的平均水深约150 m（图3a-d），陆坡上缘沟位于坡折东侧，沟西坡顶距离坡折约3～9 km，平均约7 km。在坡折以西，海底平缓地向东（南）倾斜，局部稍有起伏，平均坡度约2′～3′，在坡折以东，坡度增加到平均20′～30′以上。东海北部陆坡上缘沟处于29°N以北海底[8]，图3d处于该纬线之南（图2），未见陆坡上缘沟。
3.2 陆坡上缘沟的地形特征
陆坡上缘沟有单沟（图3a-b）和双沟（图3c），双沟有东、西两条，平行相距约2 km，单沟的海底地形比较简单，双沟则相当复杂。
3.2.1 沟的断面特征
受陆坡海底倾斜地形的影响，沟的横断面都是西（北）坡高，东（南）坡低，呈不对称“V”形或“W”形。单沟的宽度变化较大，窄的400～500 m，宽的
1100 ～1 600 m，双沟的沟宽度一般为400～500 m，宽的700～800 m。西坡（包括单沟和双沟之西沟）高约30～35 m，东坡高20～25 m，沟深20～25 m，但是双沟中的东沟之西坡高度降为20～25 m，东坡降为10～20 m，沟深10～20 m；沟的西坡坡度一般为5°～10°，在西沟最陡可达25°，东坡坡度约4°～10°，局部15°，缓的稍大于1°。沟的典型断面特征见图3a-c。3.2.2 沟的平面特征
沟的走向总体为NNE-SSW，局部为近NE（图4a-c），基本平行坡折线（图2），西坡顶部大体沿180～195 m等深线延伸，（东）北段最浅，中段最深，（西）南段（即西沟）较浅。对于东坡顶部，北段和中段各沿190 m和210 m 等深线延伸，而南段的等深线延伸性差，多呈排列不齐的系列圈闭，大小约为100～200 m，坡顶呈浑圆“城垛”状特征，“垛口”高差小于5 m，圈闭顶部水深约205 m，总体走向为NNE向。双沟中的东沟，其西坡顶部约沿245 m等深线，而东坡顶部等深线呈圈闭状，但排列性较好，圈闭顶部水深约253 m，呈扁长形，长约300～500 m，一般高差小于5 m，个体走向为N-NE向，总体走向为NNE向。
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图 4 多波束测深显示的沟的地形简图a、b： 单沟，c： 双沟，d： 西沟局部放大。Figure 4. Simplified topography of valleys interpreted by data of multibeam soundinga and b: Single valleys, c: double-valleys, d: enlarged part of the west valley of double-valleys.总体上，单沟的等深线顺直、密集、相互平行，西坡由于较陡，这些特征更明显，沟轴线（深泓线）的连续性和方向性稳定，沟底地形平缓（图4a-b）；北段的轴部水深为200～213 m；中段水深225～230 m；南段双沟的海底地形比较复杂，西沟又甚于东沟（图4c）。西沟的等深线密集，弯曲多变，沟坡等深线不规则地伸缩，形成顺坡次级沟地形，宽100～400 m，长300～500 m；沟底水深一般在215～225 m之间频繁起伏，形成大量地形圈闭，排列较乱，局部上凸较甚，水深不到200 m，将沟轴线错断，偏移可达150～250 m，导致凹坑成断续串珠状排列；受沟底凸起影响，形成沟中沟，横断面呈“W”形（图4c-d、图5）；地形总体走向为NNE。东沟的等深线变化相对较弱，沟轴线连续性较好，水深在260～275 m之间凹凸变化，凹坑呈长串珠状排列。从地形特征上判断，西沟为主沟，东沟为副沟，西沟较长，可达约150 km[8]。双沟的实测长度超过10 km，沿程特征未见明显变化，因此东沟向两端的延伸长度尚难确定。
3.3 西沟的浅地层剖面特征
图5浅地层剖面横切双沟中的西沟，剖面上部10～15 m记录比较清晰，反射波平行，连续性较好，振幅中等—较强，为向东倾斜（斜交）前积反射结构，是三角洲前积层的标志性结构，为晚更新世低海面时期的古长江三角洲沉积[7，9-11]，也可能包括古黄河泥沙[11]。倾斜前积层向东延伸不远，过渡为无反射结构，向西朝陆架方向厚度减薄；海底因侵蚀凹凸起伏，在图5剖面的左端，可以清晰地看到顶部的斜层理（反射波）被小洼坑中断，陆坡上缘沟深切入三角洲前积层。在东、西两条沟之间，海底分布有小片基岩区，与周边海底面基本齐平。局部剖面的沟坡有滑动迹象。
3.4 浅表层沉积物和海底微地貌
在研究区，常规的重力柱状和蚌式底质采样困难，与水深较深、底质较粗、海底倾斜等因素有关，因此CPT成为了解海底沉积物性质的有效手段。图6的CPT曲线是在西沟西侧的陆坡海底取得的，水深170 m，插入深度3 m，沉积物的锥尖阻力（tip resistance，TR）和不排水剪切强度（undrained shear strength，USS）跳跃或波动变化。除了表层厚约10 cm沉积物的TR和USS均为零外，TR变化范围为0.30～2.50 MPa，USS为0～115 kPa。锥尖阻力与岩性有关，砂性土的锥尖阻力大，黏性土的锥尖阻力小，随着锥尖阻力的增大，岩性由黏性土向砂性土变化[12-14]。图6解译为表层为松散的粉砂质砂，往下为粉砂/黏土与砂的互层，与浅地层剖面的三角洲层理相对应，也与古三角洲钻孔揭示的岩性特征相近，这种层理的形成与长江洪、枯季流量和泥沙含量的变化有关系[10]。该站附近的侧扫声呐记录显示（图7），海底沙波发育，波高约0.5 m，波长6～9 m，波峰走向N-NNE向，体现了底流对海底微地貌的塑造作用。黑潮是冲绳海槽的主要水体，具有流速强、流量大的特点，主流沿陆架坡折带向东北流动，并跨过200 m等深线侵入陆架[15-16]，沙波的走向与流向基本垂直[17]，推断沙波的形成与黑潮向西流入陆架有关。沙波的存在表明底质以砂为主[17]，与CPT结果吻合，也与前人资料相符[1，18]。底质类型与现在的沉积环境不符[18-20]，原始沉积物为古长江三角洲前积层[8，10-11]，晚更新世末期海平面上升后，研究区处于滨浅海环境，受潮流冲刷和波浪淘洗作用，细颗粒泥沙被带走，留下相对较粗的成为残留沉积物（残留砂），这与浅地层剖面的顶面特征（图5）是互相印证的。
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图 6 静力触探试验记录曲线a：锥尖阻力， b：不排水抗剪强度。Figure 6. CPT record curvesa: Tip resistance, b: undrained shear strength.4. 讨论
4.1 沟的构造活动因素
冲绳海槽原本为陆壳性质，由于菲律宾海板块向欧亚板块俯冲引起陆壳拉张变薄、断陷等，形成冲绳海槽[1-5]，海槽西坡即为东海陆坡（图1），因此陆坡上缘沟的发育从大的构造背景上与海槽的扩张运动有关。冲绳海槽北部至今处于张裂之中，北部陆坡被系列高角度正断层切割，倾向SE，在晚更新世以来的沉积层中可见微小断距的断层[4，6]；很多为继承性正断层，越向上断距越小[7]。辛立国等[21]根据地震剖面判读，密集的直立正断层使陆架外缘与陆坡上部区域在末次盛冰期（last glacial maximum，LGM）后发生沉降至今，水深150 m附近及以深区域下沉至少30 m。陆坡断裂多沿NE-NNE向展布[22]，也就是沿陆坡走向，与本文陆坡上缘沟的延伸方向（图2）基本相同，而且沟正好处于150 m等深线东侧附近，推测沟的位置和走向受冲绳海槽III幕断裂的影响。断裂破坏了地层的连续性和结构，造成滑动面和软弱面等，有利于在潮流冲刷作用下沿构造面形成侵蚀性负地形。双沟的地形主要特征相似，可能与两条同期发生的（小）断层有关。范奉鑫和林美华[8] 认为东海陆坡的上缘和下缘均受NNE向断裂带的控制，断裂是陆坡上缘沟的基础因素。
4.2 沟的成因和发育过程
在晚更新世晚期的低海面时期，东海陆架几次裸露成陆，最低的海岸线位于坡折线附近[10-11，21]，古长江口向东（南）延伸由此注入冲绳海槽，在陆坡上部形成至少两期海退古三角洲[7-8，10-11]。根据钻孔贝壳的14C测年，古三角洲年代为约42～28 kaBP[10]，陆坡上缘沟切割了三角洲前积层（图5），其发育年代应在三角洲之后，即晚于28 kaBP。可以根据晚更新世晚期的海平面变化曲线[21，23-25]进一步探讨古三角洲和沟的形成年代。在约22.0～19.5 kaBP期间海平面降到最低，海岸线位于坡折线附近（经海底沉降校正后，当时的海平面低于现在120 m[21]），是陆坡上部古长江三角洲前积层的主要形成期，因此陆坡上缘沟的发育晚于19.5 kaBP；至约18.8 kaBP，海平面缓慢地上升到约115 m的高度，根据海底地形推算，古长江口（海岸线）向西退缩约40～50 km，陆坡上缘的三角洲堆积过程基本结束；到约17.4 kaBP时海平面上升至约100 m高度，并且基本稳定至约14.5 kaBP，古长江口累计向西退缩约80～110 km，长江入海泥沙堆积在外陆架区，造成陆坡上缘区缺少泥沙供给，又处于滨浅海环境，潮流对海底的冲刷作用较强，受海槽西边界（陆坡）的约束，流向基本上为NE-NNE向，形成陆坡上缘沟；而后出现与融冰有关的海平面跃升（melt-water pulses，MWP）[26]的MWP-1A事件，在约13.4 kaBP，海平面快速上升到约70 m的高度，已靠近内陆架位置，陆坡上缘沟区水深在100～200 m以上，接近现在的沉积环境，海洋动力（海流）对于海底的冲刷侵蚀作用已相当微弱。综合起来推断，陆坡上缘沟主要形成于17.4～14.5 kaBP期间（图8），即末次盛冰期海平面回升的初期阶段，因此，其发育与晚更新世末期的海平面变化直接相关，主要由潮流冲刷塑造。
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陈珊珊等[27]根据东海北部SHD-1孔（29°55′16′′N、126°02′56′′E，水深84.1 m，孔深150.4 m）和过钻孔的电火花震源地震剖面，研究了外陆架晚更新世地层与沉积环境演变；地震剖面上部划分为4个地震单元，自下而上为SU4—SU1，结合SHD-1孔的同位素测年等资料，SU4和SU3为两期海平面下降时期发育的水下三角洲，钻孔年龄分别为74.8 ～63.1 kaBP和43.5 kaBP（分属于MIS 4和MIS 3期），SU2年龄约为22.5 kaBP（MIS 2），为陆相地层，SU1年龄约为13.1 kaBP（MIS 1），为全新世海相沉积；SU4的水下三角洲分布范围有限，而SU3的水下三角洲范围十分广阔，最大厚度可达60 m，在典型地震剖面上可见SU3单元从外陆架延伸进入陆坡上缘。上述地层层序和沉积环境演变与本文推断的三角洲前积层（图5）的发育年代吻合。在MIS 4与MIS 3期间，海平面呈波动下降趋势，最低在现海面下约80 m[23-24]，进入MIS 2（约27～13 kaBP）海平面强烈下降，至约20 kaBP低于现今约120 m，古长江泥沙由沉积于外陆架转而注入冲绳海槽（陆坡上部），形成同属于SU3单元[27]的三角洲体系，但是年代（年龄）上由西向东趋于年轻：在SHD-1孔为MIS 3[27]，至陆坡上缘（图5）为MIS 2，即出现地层单元的穿时现象。
东海陆坡海域地震活动频繁[28]，研究区海底坡度较大，而且在陆坡上缘区覆盖有较厚的晚更新世古长江三角洲前积层（图5），海底容易失稳，造成滑坡、崩塌等。范奉鑫等[11]的浅地层剖面揭示古三角洲以东的陆坡上部普遍存在滑坡现象，如陆坡上缘沟的东侧海底。在图4a中，沟的东侧海底起伏，可能就是这种滑坡现象的海底地形表现。在研究区的浅地层剖面中，沟坡局部也有滑动迹象。滑坡既可以造成顺坡次级沟，滑体堆积在沟底又会形成地形凸起，造成沟底起伏，因此推断双沟的复杂地形与滑坡有关系。Hu 等[28]根据多波束测量地形图，在东海陆坡辨识出小至0.06 km2的滑坡，本文顺坡次级沟与其大小相当，也可以作为滑坡的佐证。由此可见，这些沟主要与断裂和潮流冲刷有关，本文称为断裂冲沟。
4.3 断裂冲沟与实测200 m等深线的关系
200 m等深线是边缘海重要的海底地形特征线，一般将200 m等深线作为陆架坡折线[2，9]。在研究黑潮对东海的影响时，实际上也将200 m等深线作为东海陆架与冲绳海槽（陆坡）的分界线[15-16]。吴自银等[9]根据多源海底水深数据融合并编程计算后发现，东海坡折的平均深度为200 m，但在较多海底断面上水深小于200 m。陈珊珊等[27]得出东海北部陆架坡折水深为150～200 m。研究区的坡折平均水深约为150 m（图3a-d），实测200 m等深线与陆坡上缘沟均在坡折东侧（图3a-c），两者的相对关系如何呢？在北段（图4a），沟呈长扁舟状，最大水深213 m，局部形成闭合的200 m等深线，但是东坡顶部水深约190 m，因此陆坡200 m等深线位于沟的东侧下方海底，距离沟轴线一般约400 m。在中段（图4b）和南段（西沟，图4c），沟的最大水深为230 m，而且东坡顶部水深分别为210 m和205 m，200 m等深线位于沟的西坡，与沟轴线一般相距200～300 m。因此，200 m等深线主要位于陆坡上缘沟内，北部处于沟的东侧，与沟相交。总体上两者的走向相近，体现了区域构造对地形地貌的影响。
5. 结论
（1）东海北部陆坡上缘区发育海底沟，基本平行坡折线，距离坡折线平均约7 km；分为单沟和双沟（局部），宽约400～1 600 m，沟深约20～25 m。单沟的等深线顺直，沟底地形平缓，双沟的地形比较复杂，发育顺坡次级沟，沟底频繁起伏等。
（2）推断陆坡上缘沟的位置和走向受陆坡正断层的影响，沟主要形成于17.4～14.5 kaBP，即末次盛冰期海平面回升的初期阶段，研究区处于滨浅海环境，在潮流的冲刷作用下形成，为断裂冲沟。双沟内复杂的海底地形与古长江三角洲前积层的滑坡等地质作用有关。
（3）实测200 m等深线主要位于陆坡上缘沟内，北部处于沟外东侧，与沟相交，两者走向相近，与区域构造的影响有关系。
致谢：焦安志协助清绘图件，在此表示衷心的感谢。
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图 3 典型海底地形断面
位置见图2。
Figure 3. Typical sections of sea bottom topography
Locations are shown in Fig.2, hereinafter.
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图 4 多波束测深显示的沟的地形简图
a、b： 单沟，c： 双沟，d： 西沟局部放大。
Figure 4. Simplified topography of valleys interpreted by data of multibeam sounding
a and b: Single valleys, c: double-valleys, d: enlarged part of the west valley of double-valleys.
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图 6 静力触探试验记录曲线
a：锥尖阻力， b：不排水抗剪强度。
Figure 6. CPT record curves
a: Tip resistance, b: undrained shear strength.
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期刊类型引用(1)
1. 吴承强，董超，王建强，陈选博，周宇渤，张朋，仇建东. 瓯江口动力地貌演化的水沙环境研究. 海洋地质前沿. 2025(04): 60-70 . 
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