近日，地学期刊《Earth and Planetary Science Letters》在线发表了海洋地质国家重点实验室赵玉龙副教授等题为“Sediment remobilization over subaqueous sand waves: in-situ observation in the northern South China Sea”的研究成果，揭示了内孤立波和内潮共同控制下的水下沙波沉积动力机制。
图1. ROPOS ROV所拍海底照片，显示（1）三脚架布设于两个沙脊之间（一个位于其后）、（2）三脚架附近的沙脊
水下沙波是极强水动力条件下形成的一类海洋沉积体，类似于陆地上的沙丘（图1）。前人通过高分辨率海底地形、浅地层剖面扫描等手段，发现南海北部陆坡广泛分布着波高十几米、波长达数百米的大型海底沙波，并推测其成因与南海北部强盛的内孤立波活动有关，但缺乏直接观测证据。此外，前人对内波影响海底沉积过程的动力机制也存在很多争议。
图2. 原位观测三脚架在南海北部的布设位置(a)及其结构(b)。黄色阴影区示海底沙波大体分布范围
针对上述问题，该研究利用加拿大ROPOS无人遥控深潜器在南海北部上陆坡沙波区开展了超高分辨率三脚架原位观测（图2）。结果显示，观测位置底层水每日周期性地出现高悬浮沉积物浓度（SSC），发生时间与沿陆坡向下的退潮流相对应。此周期性高SSC发生期间，未观测到原位的沉积物再悬浮，因此推断其沉积物来源主要为侧向搬运。结合区域海流特征，发现沉积物主要源自坡折带及临近上陆坡区域，在内潮临界反射作用下发生再悬浮，并被沿陆坡向下的退潮流携带至观测点。在三脚架布设位置，由于海底沉积物粒度极粗（细砂至中砂），内潮的能量不足以引起其再悬浮。
图3. 内孤立波经过时的沉积动力过程。(a, b) 分别为水平和垂直流速，正值分别代表沿内波传播方向和向上流速；(c) 为海底以上10-90 m范围内SSC变化；(d) 为近海底（海底以上0.26 m）的SSC变化；(e) 为Shields参数，反映海底沉积物的初始启动
在天文大潮（2018年5月1至5日）期间，观测到多次短暂但强劲的海底沉积物再悬浮，并形成覆盖海底以上约70 m水层的高SSC事件（图3）；分析海流数据发现，其发生与下陷型内孤立波的经过存在良好对应，说明内孤立波经过是造成海底沉积物再悬浮及底层水高SSC事件的主要诱因。在内孤立波经过期间，最大水平流速高达>1.3 m/s，最大垂向海流约0.2 m/s。
该研究揭示了海底沉积物再悬浮动力机制具体包含两个独立子过程：（1）初始启动，即离开海底进入底边界层，（2）继续上移，即离开底边界层进入上覆水层；且这两个子过程受控于不同的物理机制。
初始启动阶段，沉积物再悬浮仅与近海底高流速造成的底剪切应力上升有关，无论其流向与内波行进方向相同（分离泡）或相反（内波中心）。目前主流的观点认为，下陷型内孤立波尾部经过时近海底分离泡发育造成的全局不稳定性是引起海底沉积物再悬浮的主要因素。此次研究揭示，该过程主要影响初始启动过程，即沉积物克服重力离开海底进入底边界层的过程。
驱动沉积物离开底边界层的主要因素，则是内孤立波经过引起的底混合层厚度变化。内孤立波前部经过时，向下的垂向流速造成其厚度压缩；内波中心经过后，垂向流速转变为向上，底混合层厚度极速扩张，是引起再悬浮沉积物离开底边界层，并在底层水中形成高SSC事件的主要动力机制。前人研究对这两个子过程的混淆，是造成内波沉积动力机制争议的根源。
综合以上结果，该研究对内波影响南海北部海底沙波的沉积动力机制及海底沙波的形成和迁移机制提出了新的见解，所解析的沉积物再悬浮详细动力过程对更广泛背景下的海洋环境沉积动力研究也具有重要借鉴意义。
论文第一作者和通讯作者为我室赵玉龙副教授，合作者包括我室张艳伟教授、马鹏飞副研究员、张晓栋博士及刘志飞教授。该项研究得到国家自然科学基金（41776047，42188102）的资助，观测数据的获取依托2018年国家自然科学基金委南海遥控深潜航次。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.epsl.2024.118927