碳酸盐岩水下块体搬运沉积研究新进展

深水块体搬运（mass-transport processes）是深海沉积体系中的重要沉积过程，它被用来指代那些在重力控制下的滑移运动或表现出层流特性的沉积过程，包括滑坡（slide）、滑塌（slump）、碎屑流（debris flow）、密度流（density flow）等（Dott, 1963; Cardona et al., 2020）。深水块体搬运沉积过程深刻影响着海底地形和人类海底工程的安全性，其形成的水下块体搬运沉积物（mass-transport deposits, MTDs）还可以作为油气资源的重要储层和盖层，近几十年来备受国内外地质学者的关注。由于现代深海沉积过程难以被直接观察，研究工作一般基于声呐测深、地震剖面、钻井和水槽实验等进行。通过这些手段，多种水下块体搬运沉积物的宏观形态和运动学指标得以被研究，但是研究者对深水MTDs（尤其是碳酸盐岩MTDs）的流变学特征、沉积构造的组合特征以及演化规律了解甚少，这就导致对地史时期中的这类沉积地层的对比和展布预测依然存在困难。

合适的现代深水斜坡沉积类比物以及三维地层露头可以作为解决上述难题的重要研究材料。本文作者等对我国内蒙古西部乌海地区的中-上奥陶统碳酸盐岩-碎屑岩斜坡相地层中的多种MTDs进行系统的沉积学和地层学研究，在深水碳酸盐岩块体搬运沉积物研究领域取得了新的进展（Li et al., 2022）。

一、乌海地区中-晚奥陶世地质背景和研究方法

内蒙古乌海地区在构造上属于华北板块的西缘，在寒武-奥陶纪发育了巨厚的碳酸盐岩-碎屑岩沉积。在中奥陶世达瑞威尔中-晚期开始，该地区原来的台地相碳酸盐岩（桌子山组）发生了显著相变，自下而上发育了以深水碳酸盐岩和黑色笔石页岩为主的斜坡相-盆地相沉积——克里摩里组和乌拉力克组，记录了华北西缘在该时期由碳酸盐岩台地向深水碳酸盐岩-硅质碎屑岩斜坡以及前陆盆地转化的关键阶段。

其中，克里摩里组为薄板状灰岩夹黑色钙质泥岩和页岩，产笔石、深水相三叶虫和放射虫化石等，含多套滑塌构造、碎屑流沉积和等深流沉积。乌拉力克组底部为一套透镜状砾屑（角砾）灰岩，之上为黑色笔石页岩，上覆的拉什仲组相变为复理石沉积。乌海地区的中-上奥陶统之交整体表现为水体逐渐加深、碳酸盐岩减少和陆源碎屑增多的沉积序列。笔者等针对该地区发育多种MTDs的克里摩里组和乌拉力克组，选择两条相距约10 km的基干剖面（一线天和西来峰剖面）进行了沉积学和地层学研究（如图1）。

图1. 乌海西来峰剖面详细柱状图

二、碳酸盐岩滑塌构造及侧向演化序列

背景知识：滑塌构造

滑塌一般指塑性状态下的沉积物受重力作用沿斜坡向下滑动的过程，在运动过程中内部会形成大量的塑性-脆性变形构造，并且在水的参与下可能转化为碎屑流（Nichols, 2009）。前人通过对现代斜坡环境中的滑塌构造研究发现，依据其流变学特征可将一套完整的滑塌构造大致分为三个区域：受拉张应力控制而多发育正断层的头部（head）、受挤压应力控制而发育大量褶皱和逆冲构造的趾部（toe）、以及这两者之间可能未发生明显变形的平移区（translational zone）（Lewis, 1971）。通过这些应变特征，研究者可以在地震剖面上识别出现代和地史时期的滑塌构造宏观展布特征，并进一步判断斜坡倾向和构造活动强度等信息。

乌海西来峰剖面的克里摩里组薄板状灰岩层段发育有十数套滑塌构造，厚度从数厘米至~1米不等，其内部含有多种软沉积物变形以及少量脆性变形构造。软沉积物变形以褶皱为主，最常见平卧褶皱和倒转褶皱；此外也见以包卷层理和强烈变形的褶皱构成的混乱层（chaotic bed），指示该处主要记录了碳酸盐岩滑塌构造的趾部特征。由于该剖面出露极好且地层普遍可连续侧向追索，滑塌层趾部的多种独特的变形构造和不同构造之间的转换关系得以被深入研究。对这些滑塌构造的系统研究发现：（1）滑塌体趾部存在明显的侧向过渡序列，在滑塌作用逐渐停止的过程中，随着剪切应力的减弱，碳酸盐岩滑塌体趾部的变形构造沿古斜坡由上至下可大致分解为混乱层-倒转褶皱-S形及Z形（尖棱状）平卧褶皱-微弱变形纹层等若干部分。（2）由于碳酸盐岩早期胶结作用的存在和滑塌过程中对下伏地层的强烈剪切作用，在滑塌体趾部的中部和底部可发育大量逆冲构造（thrust）——叠瓦层（imbricated bed）（图2）。这些叠瓦层可存在于滑塌体的底部，与上覆塑性变形体以滑脱面接触；也可见于滑塌体内部，与塑性变形体侧向连续过渡（图2）。（3）不同期次的滑塌体之间以及滑塌体与碎屑流沉积物之间存在显著的相互作用，往往导致早期形成的滑塌构造被侵蚀或进一步变形，部分块体以碎屑流的方式混入后期的滑塌构造中，使沉积记录更为复杂多样（图3）。（4）通过统计同一剖面中不同层位滑塌体的厚度、内部变形构造的组合类型发现，地层由老至新，滑塌变形强度逐渐加大，厚度也有系统性增加的趋势，该纵向变化序列可能代表古斜坡逐渐变陡、或者影响斜坡-盆地演化的主控因素逐渐增强。

图2. 西来峰剖面克里摩里组128–130 m处的叠瓦层和强烈褶皱的滑塌构造（A）叠瓦层（Interval 1）和上覆强烈变形的滑塌构造（Interval 2）素描图；（B）被削截的倒转褶皱；（C）平卧褶皱及下伏的叠瓦层；（D）混乱变形层、未变形层和下伏叠瓦层的接触关系；（E）复杂变形的叠瓦层；（F）叠瓦层和滑塌构造变形层的侧向过渡，注意本图中的Interval 2和图（A）中的Interval 2为同一层。

图3. 西来峰剖面克里摩里组99.5 m处的碎屑流沉积物和滑塌构造（A）透镜状碎屑流沉积物与滑塌构造之间以削截面接触；（B）图（A）沿330 方向可见透镜状碎屑流沉积；（C），（D）滑塌构造内部的混乱变形特征；（E）图（A）碎屑流沉积内部特征；（F）图（B）碎屑流沉积物基质中的平卧褶皱。

三、深水斜坡水道内的碳酸盐岩密度流沉积

背景知识：重力流的分类方案

重力流是深海、半深海环境中的主要沉积过程之一，其运动特征及沉积物类型受物源特征、水的参与程度、流体流动速度等复杂因素控制，因此学术界对重力流的分类存在多种方案。为便于描述和解释乌海地区不同类型的重力流沉积过程，笔者等采用Mulder和Alexander（2001）对重力流的分类方案：基于流体中颗粒的主要支撑机制和理想化状态下的内部流速特征，将碎屑流的概念局限于指代杂基支撑的粘性非牛顿流体，而将那些含水量更多的、粘度和颗粒支撑类型向浊流过渡的“碎屑流”（有学者将此类称为砂质碎屑流，高密度浊流或超浓缩流等；即sandy debris flow，high-density turbidity current或hyperconcentrated flow）划分为密度流的范畴。Mulder和Alexander（2001）又将密度流中物理特性更靠近碎屑流的端元称为超浓缩密度流（hyperconcentrated density flow），在该种流体中杂基的支撑力和颗粒之间的碰撞共同出现，导致其成为一种不具有粘性的非牛顿流体，流速也较碎屑流更快，因此侵蚀性更强；随着更多水的加入，超浓缩密度流会发生稀释（这是一种常见且连续的密度流转化过程），使颗粒与颗粒之间的碰撞成为搬运过程中颗粒的主要支撑机制，流速进一步变快且流体变为牛顿流体，其上半部可能产生紊流，下半部颗粒会出现分选现象，此时该密度流便转换为了浓缩密度流（concentrated density flow）。尽管这两种密度流的分类界限较为模糊，但由于二者之间以及与碎屑流沉积物之间依然存在显著的区别，且这些区别都可在我们所研究的乌海地区中-上奥陶统中识别，因此笔者等采用了上述的分类标准进行进一步研究。

本文的研究区保存有多套以碳酸盐岩密度流和碎屑流沉积为主的重力流沉积物。其中，大量碎屑流沉积发育在克里摩里组薄板状灰岩内，常伴随上述的滑塌构造出现；密度流沉积则呈透镜状保存在乌拉力克组的黑色页岩的底部。

乌拉力克组密度流沉积仅存在于该组的底部，其结构和沉积构造在空间展布上有较大的变化。西来峰剖面（乌海南东）表现为多期砾屑灰岩夹一套颗粒灰岩，总厚约10 m，露头沿北东-南西向展布超过500 m，朝南东展布超过200 m（图4A）。砾屑灰岩底部见侵蚀面，角砾主要为来自下伏克里摩里组的薄板状灰岩，呈叠瓦状，见正粒序，颗粒支撑或基质支撑，基质主要为颗粒灰岩(图4B和C)。中部的颗粒灰岩槽状交错层理发育，偶含不连续的泥晶灰岩条带和平卧褶皱、包卷层理等软沉积物变形（图4D–G）。砾屑灰岩基质中大量的颗粒指示其原始的流体几乎不存在粘性，其颗粒（砾屑）支撑特征、下部的侵蚀面、以及上覆的紊流沉积物指示其整体为流速极快的牛顿流体，因此这套砾屑灰岩应属于浓缩密度流（concentrated density flow）沉积物。

一线天剖面（乌海北西）则表现为分布在几乎同一层的大量砾屑灰岩透镜体，厚0.7–2 m，砾屑分选极差且形态不规则，几无定向性，基质也与西来峰显著不同，为分布不均的泥晶灰岩或粉屑灰岩(图5–7)。部分砾屑灰岩顶发育薄层泥质、粉砂质盖层和“翼”（图5A）。许多灰岩透镜体呈深切状，有着较小的宽深比（0.5–2.6）（图7），部分透镜体侧向相连。这套砾屑灰岩杂基成分和粒度的不均一指示其粘性可能较差，应具有较快的流速和侵蚀性，深切下伏地层的宏观形态也支持这一判断；其分选差且杂乱排列的砾屑，指示其在多数阶段可能是作为一个整体沿斜坡向下运移的，整体表现为一类粘性很低的非牛顿流体沉积物特征——超浓缩密度流（hyperconcentrated density flow）沉积。此外，这些砾屑灰岩透镜体的特征与其露头走向也有强烈的相关性：大致沿北西-南东向，内部砾屑可见局部的叠瓦现象，露头普遍较宽（图5）；沿北东-南西向，砾屑的排列呈水平或杂乱无章，露头普遍较短——这与充填了这些重力流沉积物的海底水道的展布方向有显著关系（图6和7）。

通过对上述沉积物的结构、构造、宏观展布特征和古斜坡倾向（下文）的研究表明，西来峰剖面（乌海南东）的这套砾岩和颗粒灰岩代表着斜坡中上部的主要供给水道（main feeder channel）内的浓缩密度流沉积，而一线天剖面（乌海北西）则代表着斜坡中下部的分流水道（distributary channel），表现为小型冲沟（gully）内的超浓缩密度流沉积和上覆的小型朵叶体，属于西来峰水道沿斜坡向下的支流（图8）。结合研究剖面的直线距离和位置关系计算得出，该套碳酸盐岩海底水道-扇系统的纵长要显著大于10 km，不同于粗粒碳酸盐岩海底扇的普遍规模（< 10 km）。这些特殊的宏观沉积特征不仅直观地展现了深水斜坡环境碳酸盐岩重力流沉积的独特面貌，还指示了其形成的独特构造背景。

图4. 西来峰剖面的碳酸盐岩角砾和颗粒灰岩（A）乌拉力克组底部露头远观；（B）叠瓦状碳酸盐岩角砾和上部含槽状交错层理的颗粒灰岩；（C）砾屑灰岩内部的多种结构特征；（D）颗粒灰岩内部条带状、透镜状的泥晶灰岩薄层；（E）水道边缘的砾屑灰岩层以及上覆的槽状交错层理颗粒灰岩；（F）颗粒灰岩层中的软沉积物变形构造；（G）砾屑灰岩层面特征。

图5. 一线天剖面海底水道中的超浓缩密度流沉积特征（大致沿古斜坡倾向出露）（A）近似水道纵切面，见较大的宽深比、透镜状的几何形态以及上覆的薄层泥质盖层和“翼”；（B）沿320 方向出露的高角度排列的角砾；（C）沿320 方向出露的叠瓦状角砾。

图6. 一线天剖面海底水道中的超浓缩密度流沉积特征（大致沿古斜坡走向出露）（A）一个较大规模的水道横切面，可见对下伏地层的侵蚀作用（黄色箭头）；（B）图（A）局部放大，见低角度排列的灰岩角砾和黑色泥岩砾屑和粉屑灰岩杂基；（C）图（A）局部放大，底部见近水平排列的角砾，顶部杂基为钙质泥岩。

图7. 一线天剖面三维出露的水道沉积（A）不同规模的三维水道；（B）未被碳酸盐岩砾屑完全充填的小型水道，上部被细粒灰泥充填；（C）深切水道，具有很小的宽深比。

图8. 一线天剖面海底水道系统超浓缩密度流沉积模式图（A）和纵切面（B）

四、古斜坡倾向恢复

恢复古斜坡的倾向对于更好地解释不同岩相的展布规律和盆地构造演化历史有着重要的意义。由于上述的MTDs主要受重力控制而沿斜坡向下运移，因此他们的多种构造特征具有指示古斜坡倾向的能力。本研究在野外测量了六套指标用以辅助判断古斜坡倾向和流体的运动方向（图9）。

（1）滑塌构造中的平卧褶皱枢纽大致平行于斜坡的走向（Woodcock，1979），因此垂直于褶皱枢纽产状的两个方向便代表了古斜坡可能的倾向（12条数据）；

（2）西来峰剖面滑塌构造底部显著的叠瓦层形成于滑塌中的逆冲过程，因此其倾向与古斜坡倾向恰好相反（20条数据）；

（3）在西来峰剖面克里摩里组上部的灰岩层面上可见多条沟槽铸型，其走向也指示了古斜坡可能的倾向（11条数据）；

（4）乌拉力克组底部灰岩角砾的叠瓦状结构形成于流体的牵引作用，因此其倾向与古斜坡倾向恰好相反（100条数据）；

（5）一线天剖面的多条三维出露的小型水道的走向可直接测量，其数值应近似平行于古斜坡的倾向（14条数据）；

（6）上文提及，那些仅二维出露的水道沉积的规模（宽、深）与该露头的走向以及古斜坡产状的关系：平行于斜坡走向的露头有更多的机会横切多条水道，该方向的露头会较多，水道露头宽度较小，而垂直于斜坡走向的露头纵切水道的几率会较低，因此该走向的水道露头相对较少，但露头宽度则十分大，而沿其他方向斜切水道的露头特征则呈二者的过渡状态。由于一般情况下深水水道规模越大、横截面越宽，其深度也会越大，因此我们统计了几乎所有二维水道露头（26条数据）的宽深比及其剖面的走向信息，拥有较大的宽深比的走向更接近于水道的真实走向，这些走向上的统计点也更稀疏。

上述的数据成图后十分显著地指示该古斜坡倾向为北西西方向。

图9. 基于多种水下块体搬运沉积物特征判断古斜坡倾向

五、沉积盆地构造演化解释

乌海地区的在奥陶纪经历了从碳酸盐岩台地逐步演变为碳酸盐岩-硅质碎屑岩斜坡和前陆盆地等多个阶段。随着地形的变陡，该地区在达瑞威尔中期至桑比期由碳酸盐岩沉积逐渐转变为黑色页岩沉积，并阶段性地发育了碳酸盐岩碎屑流、滑塌及密度流等水下块体搬运沉积物，同时也保存了大量火山活动记录（图10）。

我们认为本文的这些水下块体搬运沉积物受控于华北板块与周边块体在奥陶纪中-晚期的碰撞所引发的大量火山-地震事件和地形的显著变化，依据有以下几点。（1）前人对乌海地区奥陶系碎屑锆石研究证明，在早中达瑞威尔期和桑比中期之间发生了一次显著的构造转换事件，华北西缘中奥陶世的被动大陆边缘逐渐转换为碰撞背景下的前陆盆地（Wang et al., 2016），本文这些独特的碳酸盐岩水下块体搬运沉积序列便出现在这一阶段；（2）华北西缘和南缘的中上奥陶统均记录了大量的火山灰，指示该时期频繁的构造-火山事件；（3）华北西缘、南缘的大量同期地层内也广泛发育大量的MTDs和软沉积物变形构造，指示相似的构造背景和触发因素；（4）华北西缘乌拉力克组内发育大量同沉积断层，也指示该时期的强烈构造活动。

通过对沉积序列、沉积构造和构造背景的综合研究，我们从沉积学的角度指出了华北西缘在中晚奥陶世所发生的台地淹没事件和显著地形变化，提出了该时期华北西缘地形显著变陡、碳酸盐岩工厂的关闭以及后续的火山频繁活动期等多个盆地演化阶段（图10）。提出乌海地区的这些独特的碳酸盐岩水下块体搬运沉积物和显著深切的水道形态形成于被动边缘向活动边缘转换的地质时期，可以应用于其他沉积盆地中类似构造转换背景的识别和地层对比。

图10. 乌海地区中晚奥陶世水下块体搬运沉积演化过程（A）碳酸盐岩台地阶段；（B）碳酸盐岩-硅质碎屑岩斜坡，发育碎屑流沉积；（C）碳酸盐岩-硅质碎屑岩斜坡，发育大量滑塌构造、碎屑流沉积和同期火山记录；（D）碳酸盐岩工厂关闭，沉积黑色笔石页岩；（E）被密度流沉积充填的海底水道系统发育在相对陡峭的斜坡上。

本文第一作者系中国科学院南京地质古生物研究所特别研究助理，第二作者为中国科学院南京地质古生物研究所研究员。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱wjli@nigpas.ac.cn或jtchen@nigpas.ac.cn与作者联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。

参考文献

【1】Cardona, S., Wood, L.J., Dugan, B., Jobe, Z., Strachan, L.J. and Baas, J. (2020) Characterization of the Rapanui mass-transport deposit and the basal shear zone: mount messenger formation, Taranaki Basin, New Zealand. Sedimentology, 67, 2111–2148.

【2】Dott Jr, R.H. (1963) Dynamics of subaqueous gravity depositional processes. AAPG Bull., 47, 104–128.

【3】Lewis, K.B. (1971) Slumping on a continental slope inclined at 1 –4 . Sedimentology, 16, 97–110.

【4】Li, W., Chen, J., Hakim, A.J., and Myrow, P.M. 2022. Middle Ordovician mass-transport deposits from western Inner Mongolia, China: Mechanisms and implications for basin evolution. Sedimentology 69, 1301–1338.

【5】Mulder, T. and Alexander, J. (2001) The physical character of subaqueous sedimentary density flows and their deposits. Sedimentology, 48, 269–299.

【6】Nichols, G. (2009) Sedimentology and Stratigraphy, 2nd edn. Wiley-Blackwell, Chichester, 1–419 pp.

【7】Wang, Z., Zhou, H., Wang, X., Zheng, M., Santosh, M., Jing, X., Zhang, J. and Zhang, Y. (2016) Detrital zircon fingerprints link western North China Craton with East Gondwana during Ordovician. Gondwana Res., 40, 58–76.

【8】Woodcock, N.H. (1979) The use of slump structures as palaeoslope orientation estimators. Sedimentology, 26, 83–99.

责编 | 陈吉涛

图文 | 李文杰 陈吉涛

审核 | 许艺炜 刘群

校稿 | 祝上

美编 | 李宇琦