王振，龚一鸣
1. 深水底流沉积
底流（bottom current）通常指深水沉积环境中能够持续作用于海底，可造成沉积物侵蚀、搬运和沉积的半永久性水流（如等深流、内波和内潮汐流等）（Rebesco et al., 2014）。由底流活动沉积或明显受到底流活动影响/持续改造而形成的底流沉积物通常称为等深积岩（contourite）（Rebesco et al., 2014; Stow and Smillie, 2020）。因其在古气候学、古海洋学、地质灾害评估以及油气资源勘探等领域具有重要的研究价值和经济价值，在过去近60年里深水底流沉积一直都是沉积学领域研究的热点和前沿。而且，随着一系列针对海洋深水底流沉积国际合作研究项目（如大洋综合钻探计划IODP339、IODP349）顺利的开展以及深海探测技术不断的发展，深水底流沉积在全球广大地区陆续地被发现和报道（图1）。
图1 深水底流沉积研究实例分布图（引自Rebesco et al., 2014）
2. 研究背景
深水环境是一个复杂的沉积系统，底流沉积、浊流（重力流）沉积、远洋沉积以及其相互作用形成的沉积在相同或相似沉积环境中均可以发生（Rebesco et al., 2014）。事实上，由下坡（浊流）和沿坡（底流）沉积过程相互作用形成浊积岩和等深积岩以及相关的深水相互层堆积或形成浊积岩-等深积岩混合沉积体系在许多陆架边缘地区是一种普遍的现象。尽管底流及其沉积物在现代深海环境中被广泛的发现和报道，并据此建立了等深积岩经典相模式（Gonthier et al., 1984; Stow and Faugères, 2008）（图2），但目前研究认识多数基于大尺度沉积特征（如沉积体系、二维和三维地震）和小尺度的岩心井资料，而来自野外露头记录的研究信息相对较少，这也使得基于沉积相尺度准确识别等深积岩仍然充满挑战和争议。
目前，等深积岩在沉积相尺度鉴别标志的争论主要集中在牵引流沉积构造和生物扰动构造作为识别等深积岩依据的有效性上（Rodríguez-Tovar and Hernández-Molina, 2018）。其中造成争议的一个重要的原因是缺乏对等深积岩开展系统的沉积物组构、微相和相尺度沉积学特征的综合研究，得出其与其它深水沉积的准确鉴别标志。因此，基于野外露头资料等深积岩相尺度的沉积特征详细研究不仅能够全面地表征等深积岩及其与其它深水沉积的准确鉴别，而且也能准确分析和鉴别下坡和沿坡沉积过程。
本文从华北克拉通（NCC）西缘阿拉善胡吉台和乌海桌子山地区多个出露良好的中奥陶世深水沉积序列入手（图3, 4），在综合考虑不同尺度和判别标准（露头特征、区域和古地理背景）的基础上，充分利用小尺度特征（如沉积组构、沉积微相和沉积相）和磁化率各向异性分析方法，详细探讨了沿坡底流沉积过程的本质以及等深积岩与其它深水沉积的识别标志。
图2 A. 标准等深积岩相序列（引自 Gonthier et al., 1984; Stow and Faugères, 2008）。B. 不同类型等深积岩相序列（引自 Stow and Faugères, 2008）
图3 研究区位置和地质简图（据 Wang et al., 2021, 2022修改）
A. 中国主要板块和华北克拉通位置。B. 华北克拉通西部构造单元。C. 贺兰山构造带地质简图，红色方框区域为本次论文重点研究剖面分布地区
图4 A. 显示了古生代克拉通主要构造事件的广义时间轴（据Hu et al., 2020 修改）。B. 华北克拉通西部鄂尔多斯地块及其邻区奥陶纪地层划分与对比（据Zhen et al., 2016 修改）
3. 华北克拉通西缘中奥陶世深水底流沉积典型沉积学标志
华北克拉通西缘胡吉台地区的中奥陶世樱桃沟组岩性主要为砂岩、页岩、泥岩等，并夹有数层厚层—巨厚层的滑塌砾屑灰岩，整体上为一套深水沉积背景下的陆源碎屑夹碳酸盐岩滑塌砾屑沉积。而桌子山地区的中奥陶世克里摩里组以灰色—深灰色薄—中层灰岩韵律发育为主，向上过渡为黑色笔石页岩。本研究通过高分辨率地层岩性、沉积结构、沉积构造、颗粒特征以及化石含量的分析对上述地层进行了沉积微相、沉积相以及相组合沉积序列的系统研究。结果表明，樱桃沟组和克里摩里组地层无论在野外露头尺度还是在薄片尺度均发育丰富的沉积构造类型（图5, 6），这些丰富的不同尺度的沉积构造特征可以作为深水底流沉积的识别标志（Wang et al., 2021, 2022）。
总体上，依据主要表现在：（ⅰ）在樱桃沟组和克里摩里组深水沉积地层中普遍发育不同尺度的反粒序、双级粒序及其沉积序列，这些沉积特征已被证实是等深积岩典型的识别标志（e.g., Gonthier et al., 1984; Stow and Faugères, 2008; Rebesco et al., 2014; Stow and Smillie, 2020）；（ⅱ）上述地层普遍发育牵引流沉积构造，如交错层理、平行层理、波状层理 、脉状或透镜状层理等，这反映了沉积过程中牵引流作用的证据。更为重要的是，上述这些牵引流沉积构造常见于反粒序、双级序沉积序列中；（ⅲ）上述地层岩层常具有渐变或突变的岩层界面接触关系，且常具有渐变的底面和突变的顶面，有时可以见到发育于岩层内部的小型侵蚀面，这些突变的边界接触与底流速度的震荡变化而形成的沉积间断面有关（Hüneke et al., 2021）。（ⅳ）岩层沉积组构微观尺度上连续韵律变化以及发育不同尺度的反粒序和双级粒序层理及其沉积序列，反映的是一种持续的、能量具有强弱变化的流水作用过程，这通常与底流流速周期性变化的特征相一致（Shanmugam, 2012）。（ⅴ）由上述地层牵引流恢复的古流向方向大致平行于陆坡方向，这也进一步表明深水底流沉积的存在。
此外，本次所识别出的等深积岩重要特征之一就是普遍缺乏生物扰动构造，我们认为这主要与华北克拉通西缘奥陶纪深水底栖生物迁移演化特征有关（Wang et al., 2021, 2022）。华北克拉通西缘奥陶纪深水遗迹化石最新研究表明，奥陶纪海洋动物迁移演化的高潮发生在晚奥陶世桑比期（Fan et al., 2021）。这也说明了以往研究可能过度强调了生物扰动构造作为等深积岩判别标志的重要性，生物扰动构造可以用于等深积岩的识别，但还需要综合考虑深水生物演化阶段、生物行为习性、古海洋、古生态等其他因素的影响。
图5 樱桃沟组深水底流沉积露头和薄片尺度典型的沉积特征（据Wang et al., 2021修改）
A. 双级粒序递变层理。B. 反粒序递变层理，由小型交错纹层和侵蚀面（Es）组成的波状层理（Wb）。C. 交错层理。D. 小型层内侵蚀面（Es）和压扁层理（Fb）。E. 交错层理。F. 下部平行层理与上部交错层理，二者表现出侵蚀接触。G. 双级粒序递变层理，较粗粒的颗粒长轴表现出优选取向（黄色箭头）。H. 层内小型侵不变面蚀面（白色箭头），发映出上部沉积水流速度增大，较粗粒的颗粒长轴表现出优选取向（黄色箭头）。
图6 克里摩里组深水底流沉积露头和薄片尺度典型的沉积特征（据Wang et al., 2022修改）
A. 具双级粒序递变层理的泥质灰岩，显示递变接触的底部和顶部。B. 具反粒序递变层理的泥晶灰岩，显示递变接触的底部和截切的顶部。C. 显示岩层底部渐变接触的特征（B中红框区域）。D. 具平行层理粒泥灰岩，显示突变接触的底部和顶部。E. 平行层理的薄片特征（D中红框区域），表现出富颗粒层与富泥晶层在垂向上互层发育。F. 具平行层理粒泥灰岩，显示渐变接触的底部和突变的顶部。G. 具粗糙波状纹层的泥晶灰岩，显示突变接触的底部和顶部。H. 薄片显示微弱的侵蚀面（图G中红框区域）。I. 具水平层理的泥晶灰岩。J. 具水平层理的泥晶灰岩，显示很薄的纹层。K. 显示水平纹层的特征（图J中红框区域），表现出水平纹层与均质层在垂向上互层发育
4. 华北克拉通西缘中奥陶世重力流-底流沉积相互作用过程
总体上，樱桃沟组沉积过程主要包括下坡的重力流沉积（碎屑流沉积、浊流沉积），沿坡的底流沉积以及远洋/半远洋沉积过程，并形成了樱桃沟组浊积岩-等深积岩混合沉积体系。我们提出了樱桃沟组浊积岩-等深积岩混合沉积体系沉积相互作用的沉积演化过程（图7）。
樱桃沟组大量发育的泥岩和页岩沉积表明，在浊流间歇期和极弱的底流作用影响下，深水沉积环境形成了以泥岩或页岩为主的细粒背景沉积（图7A）。当浊流将陆架碎屑沉积物搬运至深水区时，樱桃沟组下坡沉积发育的浊积岩下部沉积序列受底流的影响作用较小而得以保留，通常形成具有鲍马序列Ta段和鲍马序列Tab段的岩相类型，构成樱桃沟组浊流沉积相组合（图7B）。浊流间歇期，深水环境中底流活动将占据主导地位，主要表现为底流对由浊流搬运的细粒沉积物不断地受到来自沿坡底流的簸选、侵蚀、搬运和再沉积作用，形成等深积岩，构成樱桃沟组底流沉积沉积相组合（图7C）。起初较弱的底流改造粉砂级细粒沉积物，通常形成发育水平层理的粉砂质等深积岩沉积（图7C-5）。随着底流流速增强，在此过程中逐渐形成波状层理、透镜状层理等牵引流沉积构造（图7C-6）。当底流流速增大到足以改造细粒—中粒沉积物时，形成发育大型交错层理和平行层理的砂质等深积岩（图7C-7）。而后底流活动逐渐减弱，开始形成以发育水平层理和小型交错纹层等深积岩沉积（图7C-8），直至深水环境悬浮沉降开始占主导地位，最终形成樱桃沟组一个具有完整的双级序等深积岩沉积序列（C1–5）（图7D-9）。由于受浊流和底流活动频率、底流强弱变化和沉积物供应等因素的综合影响，使得樱桃沟组等深积岩表现出双级序沉积序列的某一部分岩相特征。
图7 华北克拉通西部樱桃沟组沉积相组合类型和沉积相互作用过程示意图（据Wang et al., 2021修改）
A. 沉积过程由悬浮沉降主导，形成沉积相组合类型4。B. 浊流沉积形成的浊积岩部分沉积序列得以保留，形成沉积相组合类型1。C. 细粒浊流沉积物受到底流活动的持续改造和簸选。D. 樱桃沟组等深积岩理想沉积序列
5. 华北克拉通西缘中奥陶世深水底流沉积演化过程
本次研究表明，奥陶纪华北克拉通西部斜坡深水环境存在沿坡的底流活动，甚至在克里摩里组沉积时期占据了主导地位，控制了碳酸盐岩深水斜坡的沉积相组合类型与沉积序列的演化。根据相组合类型在垂向上的叠置关系确定了克里摩里组3个主要的沉积演化阶段（图8）。
阶段1，为深水垂向加积占主导并伴有微弱底流活动（深水侧向加积）的沉积演化阶段（图8A）。在克里摩里组沉积初期，沿坡活动的底流较弱，此时沉积物受底流活动的影响非常有限，沉积过程以垂向加积为主，但是沉积物微观沉积组构特征体现了底流活动的波动变化。此时，垂向沉积序列的样式和演化主要受海洋初级生产力和海平面变化影响，形成以均质的灰岩垂向上叠置或向上层厚变薄为特征的垂向沉积序列。
阶段2，为深水侧向加积（沿坡底流）占主导的沉积演化阶段（图8B）。在克里摩里组沉积中期，沿坡底流活动显著增强。沉积物的沉积方式由侧向加积（床砂载荷）为主和垂向加积（悬移载荷）为主的交替变化，侧向加积的底流伴随明显的侵蚀和簸选过程，从而导致克里摩里组等深积岩多样的宏观和微观沉积组构特征。此时，垂向沉积序列的样式和演化主要受底流活动强弱变化控制，往往会形成反级序和双级粒序沉积序列，这主要与底流流速增加和降低的周期性变化有关。
阶段3，为深水垂向加积占主导的沉积演化阶段（图8C）。在克里摩里组沉积晚期，由于海平面持续升高，研究区克里摩里组沉积环境发生了变化，由斜坡深水沉积环境转变为深水盆地沉积环境。此时沉积过程主要由垂向加积控制，远洋/半远洋细粒沉积物在静水环境中形成黑色页岩堆积，而底流活动形成的等深积岩相消失。
图8 华北克拉通西部中奥陶世克里摩里组沉积过程与沉积演化模式图（据Wang et al., 2022修改）
A. 悬浮沉降主导的沉积过程并间歇性受弱底流活动影响。B. 沿坡底流活动主导的沉积过程，沉积物在底流作用下被床型载荷和悬浮荷载搬运沉积，形成并保存丰富的牵引流沉积构造。C. 完全由悬浮沉降主导的沉积过程。W, E分别代表西和东
6. 华北克拉通西缘奥陶纪深水底流流向重建
磁化率各向异性能够定量地测量磁性矿物颗粒的平均优选方向，是一种快速、准确地确定沉积物组构的方法（Lagroix and Banerjee, 2002）。这种方法建立的基础是流体能够定向磁性颗粒，而产生的磁化率各向异性椭球体能够反映流体对这些颗粒的定向作用（图9）。本次研究主要针对桌子山地区中奥陶世克里摩里组系统采集了114块新鲜圆柱形古地磁样品（直径为25 mm），在实验室里将样品加工成标准尺寸的岩石磁学样品（直径25 mm, 高22 mm的圆柱体）。样品制备后，在室温环境下用旋转卡帕乔磁化率仪（型号：AGICO MFK1-FA）对每个样品进行磁化率各向异性参数测量。
图9 由水流输送的沉积物中沉积磁性颗粒定向机制示意图（引自 Bradák et al., 2020）
A. 水流作用的沉积环境。B. 水流作用使磁性颗粒排列具有优选方向。C. 根据磁化率各向异性（AMS）恢复沉积时古水流方向
本次基于磁化率各向异性研究评估了中奥陶世克里摩里组底流活动的方向性，计算出由底流沉积形成的四种微相（MF1—MF4）最具代表性的底流活动方向分别为185°、191°、195°和210°，揭示了华北克拉通西缘中奥陶世呈SSW沿坡深水底流活动（图10C）。值得注意的是，这是现代坐标系下的水流方向，若要恢复克里摩里组沉积时的底流活动方向就必须考虑自奥陶纪以来华北克拉通的旋转。基于古板造重建证据认为，华北克拉通在奥陶纪时期处于南半球中低纬度地区（Pohl et al., 2016），并且奥陶纪以来顺时针大概旋转了120°–150°（Hu et al., 2020）。在这种情况下，华北克拉通的古北方相对于现代北方顺时针偏转了135°±15°（图10A, B）。因此，经过对华北克拉通奥陶纪以来的顺时针旋转120°–150°矫正后，相对于古北方，MF1–MF4沉积时的底流活动方向分别大致为35°–65°，41°–71°，45°–75°和60°–90°，大体呈NEE向（图10D）。本次研究表明，中奥陶世在南半球中低纬度地区可能存在自西向东活动的深海底流，并且该时期在中低纬度古特提斯洋地区的深海环境很可能发育大致呈顺时针运动的深海环流（图10D）。
图 10 奥陶纪古地理和底流活动特征
A和B. 华北克拉通在奥陶纪板块位置以及与现代地理方位的关系（据Hu et al., 2020 修改）。C. 现代坐标系下华北克拉通西部奥陶纪底流活动特征和流动方向（引自Wang et al., 2022）。D. 奥陶纪低纬度地区深海底流活动和预测的深海环流模式。 该图还显示了 Pohl et al.（2016）预测的奥陶纪表层环流模式：（1）北泛大洋表层环流，（2）南泛大洋表层环流，（3）南古特提斯洋表层环流，（4）北古特提斯洋表层环流，以及（5） 瑞亚克洋表层环流（据Pohl et al., 2016 修改）
7. 结束语
奥陶纪普遍被认为是海洋环流增强的时期，然而，由于缺乏直接的沉积学证据和可靠的表征指标，使人们对奥陶纪深水底流活动和深海环流系统知之甚少。因此，基于野外露头资料开展沉积组构、沉积微相和沉积相等多种尺度的高分辨率系统沉积学、沉积地质学研究不仅是在相尺度准确识别深水底流沉积的重要手段，而且也是准确分析深水底流沉积过程的有效途径。需要注意的是，目前关于奥陶纪古海洋环流系统的研究多是根据数值模拟和生物古地理分区来推测奥陶纪古海洋循环模式，这使得目前对于全球奥陶纪海洋环流认识具有高度的推测性。
磁化率各向异性可以作为研究深水底流沉积的一个重要的表征指标和技术手段，可以为查明深水底流活动时的古水流方向、沉积过程和演替提供客观和直接的科学依据。上述成果和认识不仅有助于深水底流沉积准确识别和沉积过程更加深刻的理解，而且有助于深入了解奥陶纪生物大辐射背景下古海洋环流的性质，同时为探讨该时期海洋生物的多样性演化与古海洋环流之间的关系提供一些新的证据和启示。
本文第一作者系中国地质大学（武汉）博士研究生，通讯作者为中国地质大学（武汉）教授，博士生导师。本研究获得国家自然科学基金项目（Nos: 41872034，42272014）资助，本文属作者认识。相关问题交流可通过邮箱wangzhencugb@126.com和ymgong@cug.edu.cn与作者联系。更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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