问题
沉积物密度流（ρflow<ρwater, overflows or hypopycnal flows; ρflow>ρwater, underflows or hyperpycnal flows）是将陆地沉积物和有机碳从河流、海岸或大陆架输送到深水盆地的主要方式。我们对于现代密度流沉积过程与地质记录保存的沉积层之间的关联尚不清楚。因此，目前尚不清楚长期气候变化是否会影响沉积物密度流的强度与频率？如果会，又是通过什么机制影响的呢？
▲图1：现代密度流沉积过程与地质记录保存的沉积层有怎样的对应关系？
回答这些问题的途径之一是，分析可与现代密度流沉积过程进行可靠关联的高质量长尺度地层记录。为此，我们研究了取自死海（地球上最大最深的高盐度湖泊）沉积中心的ICDP岩芯（5017-1）。
地质背景
（一）死海冰期-间冰期环境变化
死海盆地位于死海断裂带中南部（图2a），在冰期-间冰期旋回中经历了显著的气候变化。死海是一个内流湖，季节性河流密布湖盆流域（图2b）。死海湖面与水体盐度在冰期-间冰期旋回中也发生了大幅度波动。比如在全新世，死海处于低湖面状态，湖面海拔<-380 m，水体盐度和密度分别为~300‰ （~200 kg/m3）和~1200 kg/m3。而在末次冰期，死海处于高湖面状态，湖面海拔>-300 m，水体盐度和密度分别为70-130‰ （50-100 kg/m3）和1050-1100 kg/m3（Begin et al., 2004; Lazar et al., 2014; Torfstein, 2019）。
▲图2：死海盆地位置、季节性河流分布、ICDP岩芯位置及洪水监测点（Lu et al., 2022）
（二）死海现代洪水沉积过程
洪水在沉积物搬运和死海盆地充填中起着关键作用。由于死海湖盆流域植被极为稀疏，该地区洪水的悬浮沉积物浓度非常高（Cohen and Laronne, 2005）。前人对1997年和2000年雨季（冬半年）发生在Nahal Qanna'im-Rahaf河口（图2b）附近的洪水的悬浮沉积物浓度进行了测量。在7次测量中，1次洪水的最大悬浮沉积物浓度为270 kg/m3，另外3次洪水悬浮沉积物浓度>50 kg/m3（Cohen and Laronne, 2005）。
洪水羽流（flood plumes）在死海雨季非常常见（图3a）。湖面遥感监测揭示，洪水发生期间洪水悬浮沉积物可直达湖心，浓度随离岸距离增加而降低（Nehorai et al., 2013）（图3b）。死海现代洪水沉积过程解剖如图3c所示，可分为湖面的表层流沉积过程和湖底的底流过程。由于死海的温盐分层仅存于夏季（Arnon et al., 2019），对于这些洪水而言，层间流（ρflow ≈ ρwater, interflows）沉积过程可以忽略。
▲图3：死海现代洪水羽流（a-b）及洪水相关沉积过程解剖（c）（Lu et al., 2022）
（三）死海ICDP岩芯
2010—2011年，ICDP项目在死海湖心钻取了一个深度超过450 m的连续岩芯（5017-1），它的年代为220-0 ka（图4）。
▲图4：死海ICDP5017-1岩芯年代（Lu et al., 2022）
该沉积序列的基本岩相包括石盐、石膏和文石-碎屑交替纹层。沉积物XRF扫描的Ti含量可以很好的指示流域盆地的沉积物输入，而Ca含量可以指示湖泊自生物质的贡献。不同类型的沉积物具有不同的Ti与Ca含量（图5）。
▲图5：死海ICDP岩芯的基本岩相及其XRF元素变化特征（Lu et al., 2022）
科学假设
在海洋环境中（盐度: ~35‰ 或35 kg/m3, 海水密度: ~1025 kg/m3），水体所含沉积物浓度达到~40 kg/m3时，河流羽流会在河口以异重流（hyperpycnal plunging）的方式直接引发浊流（Mulder and Syvitski, 1995）。 基于海洋环境的这个沉积物浓度阈值，我们推测死海在全新世和末次冰期，河流羽流在河口直接引发浊流所须的沉积物浓度阈值分别为：~200 kg/m3 和 ~50-100 kg/m3。因此，预期死海表层流（ρflow<ρwater）沉积在水体盐度和密度更大的间冰期更显著；与之相对，底流（ρflow>ρwater）沉积在水体咸度和密度更低的冰期更显著（图6）。
▲图6：科学假设的图示：死海表层流在间冰期更显著，而底流在冰期更显著（Lu et al., 2022）
验证假设
（一）分离岩芯中的地震事件沉积
作者此前已对死海ICDP岩芯开展了系统的地震事件沉积研究（Lu et al., 2017, 2020, 2021a, 2021b）。这些地震事件沉积包括：原位软沉积变形、大型滑塌沉积、大型泥质混杂沉积及浊流沉积（图7）。在此作者可以分离出地震驱动的浊流沉积，从而聚焦于非地震驱动的沉积层。
▲图7：从死海ICDP岩芯识别与分离出的地震事件沉积类型：原位软沉积变形（a; Lu et al., 2020）、大型滑塌沉积和泥质混杂沉积（b-c; Lu et al., 2017, 2021a）及浊流沉积（d; Lu et al., 2021b）
（二）非地震驱动的沉积层特征及其与沉积物密度流的关联
借助高分辨率岩芯图片、磁化率和XRF扫描结果（1 mm间隔）及粒度分析，作者从岩芯中识别出均质泥岩沉积（homogeneous mud）、浊流沉积（turbidite）及碎屑流沉积（debrite）等非地震驱动的事件层。均质泥岩，主要由细粉砂-粘土（<16 mm）组成，其粒度、磁化率及Ti与Ca含量显示出极小的波动（图8）。而浊流沉积层，由底部向上显示出正粒序结构、磁化率和Ti含量增加、Ca含量大幅变化。碎屑流沉积主要由粗砂组成，无粒序结构，磁化率、Ti与Ca含量很低。
▲图8：死海岩芯保存的非地震驱动的均质泥岩沉积（homogeneous mud）、浊流沉积（turbidite）及碎屑流沉积（debrite）（Lu et al., 2022）
在间冰期沉积序列中，会出现厚层的均质泥岩上覆于浊流沉积（图9）。此时，对于均质泥岩与浊流尾端（turbidite tail）的区分，是一个技术难点。我们的区分依据是：典型均质泥岩的粒度、磁化率、Ti和Ca含量波动很小；而浊流沉积从底部粒序层（TA-TD）到顶部尾端（TE），粒度、磁化率、Ti和Ca含量逐渐增加或降低。
▲图9：死海ICDP岩芯非地震驱动的均质泥岩与浊流沉积特征及其层位接触关系（Lu et al., 2022）
此外，典型的鲍马序列（Bouma, 1962）及Peter Talling等人修改后的鲍马序列（Talling et al., 2012），显示TE / (TA-TD)<1。而在死海研究案例中，上覆厚层的均质泥岩层厚度数倍于下伏浊流沉积尾端（TE）的厚度。因此，我们认为对浊流沉积尾端厚度测量的潜在不确定性，与上覆厚层均质泥岩的厚度相比，是次要的。
我们对近500米长的ICDP岩芯（含平行钻孔岩芯）序列中的毫米-分米级厚度的均质泥岩层、浊流沉积层及碎屑流沉积层进行了系统的统计分析（图9）。共计识别与测量出 >5000个非地震事件沉积层，建立了前所未有的超长、高分辨率密度流（特别是浊流）事件沉积序列。
基于前述已有的流域洪水检测（图3a）、现代湖面洪水监测（图3b）和湖心不同深度沉积物捕集结果（图3c），我们将死海湖心岩芯记录中的均质泥质沉积、浊流沉积及泥流沉积分别与现代表层流沉积过程、底流沉积过程相联系（图10）。更详细的沉积机制解析可见于Lu et al. (2022)。
▲图10：非地震驱动的沉积层（b）与沉积物密度流过程（a）的关联（Lu et al., 2022）
（三）非地震驱动的沉积层在冰期-间冰期的分布
均质泥岩层在水体盐度高、密度大的间冰期，出现的频率高且单层厚；而在水体盐度更低、密度更小的冰期，出现的频率更低且单层更薄（图11d-e）。而浊流沉积层，在间冰期出现的频率高、单层薄，而在冰期出现的频率更低但单层更厚（图11f-g）。
▲图11：均质泥岩层、浊流沉积层（非地震驱动）的厚度与频率分布（d-g），及其与全球（a）和区域（b-c）气候环境变化记录的对比（Lu et al., 2022）
此外，在间冰期，均质泥岩的厚度百分比在~40%-50%，远高于同期浊流与碎屑流沉积之和（图12a, c, e）。而在冰期，均质泥岩的厚度百分比仅在~25%，相当于甚至小于同期浊流与碎屑流沉积之和（图12b, d）。
▲图12：均质泥岩、浊流沉积和碎屑流沉积（非地震驱动）在冰期-间冰期的厚度百分比分布（Lu et al., 2022）
小结
基于死海ICDP岩芯建立的前所未有的超长、高分辨率密度流事件沉积序列，证实了前述假设：表层流沉积过程在水体盐度和密度更大的间冰期更显著，而底流沉积过程在水体盐度和密度更低的冰期更显著。通过与全球及区域气候环境记录对比，揭示轨道尺度气候变化会通过改变水体盐度、密度来影响密度流沉积过程及相应的地层记录。
启示与后记
本研究表明，即使在死海这种构造活跃环境中，浊流的沉积过程与历史，也会受到气候变化及相关联因素（如水体盐度、密度、水面波动等）的调制。暗示在水下环境中，要将史前浊流沉积作为可靠的古地震指示器，对特定水体的现代水下沉积过程的监测与综合理解是必不可少的。
此外，我们的数据显示，只有均质泥岩层的厚度与出现频率的变化和全球底栖有孔虫氧同位素的变化一致。这指示在各类型沉积物中，均质泥岩是咸水湖与深海环境中重建古气候的良好载体。类似的工作也有助于我们理解与物质输送相关的沉积动力过程。
本项工作报导了迄今数量最多的密度流沉积层，特别是浊流沉积层；并将长序列地层记录与现代沉积过程进行了可靠关联。本工作的开展得益于：（1）前人在死海地区开展了大量的现代洪水监测工作；（2）死海高质量的ICDP岩芯（沉积速率高、有文石-碎屑交替纹层作为背景沉积）有助于识别单个沉积层；（3）作者此前已对死海ICDP岩芯开展了系统的地震事件沉积研究，因此可以将地震驱动的浊流沉积从岩芯中分离出来。
作者简介：卢银，同济大学百人计划研究员，博导（海洋地质国家重点实验室），从事震积岩与事件沉积研究。曾获欧洲地球科学联合会 “地层学-沉积学-古生物学” 领域 “青年科学家奖” (2022)。邮箱：yinlu@tongji.edu.cn
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