馮 斌，李 華,2,3，何幼斌,2,3*，蘇帥亦

(1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100； 2.長江大學(xué) 沉積盆地研究中心，湖北 武漢 430100；3.長江大學(xué) 油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100)

0 引 言

近半個(gè)多世紀(jì)以來，深水沉積的等深流及等深流沉積研究已從萌芽階段日趨成熟[1-8]，現(xiàn)代等深流沉積在油氣勘探領(lǐng)域逐漸展示出了巨大潛力，等深流沉積的研究有助于了解古海洋、古氣候和古構(gòu)造等多方面的信息。中國在對(duì)古代等深流沉積研究中的等深流沉積特征、沉積類型、沉積模式以及主控因素等方面取得了一系列重要成果[2-5]，但對(duì)于等深流是否受到地球軌道周期影響方面仍存在一定分歧。段太忠等研究湘北九溪白巖剖面盤家咀組時(shí)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)約每0.1 Ma出現(xiàn)一次等深流強(qiáng)化期，接近地球軌道短偏心率周期(0.1 Ma)，進(jìn)而首次提出二者是否具有因果關(guān)系的疑問[6]；丁海軍在賀蘭坳拉谷桌子山剖面借助Fischer圖解識(shí)別出米蘭科維奇特性，但未對(duì)二者是否存在因果關(guān)系進(jìn)行解釋[8]。如果等深流和地球軌道周期存在普遍的必然聯(lián)系，則可以借助米蘭科維奇天文標(biāo)尺定量估算等深流沉積發(fā)育時(shí)限和沉積速率，也能以更高精度探討等深流沉積發(fā)育演化規(guī)律及其軌道尺度的控制影響因素。

陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組發(fā)育多種類型深水沉積，包括斜坡原地沉積、碎屑流沉積和等深流沉積[4-5,9]。前人在該區(qū)做過大量相關(guān)工作：楊式溥基于趙老峪組筆石、放射蟲等古生物化石資料探討了趙老峪組所屬地質(zhì)時(shí)代[10]；吳素娟等利用SHRIMP鋯石U-Pb定年資料確認(rèn)趙老峪組凝灰?guī)r時(shí)代應(yīng)屬晚奧陶世[11]；黃偉等在趙老峪組剖面識(shí)別并劃分出等深流沉積、碎屑流沉積等多種沉積類型，并初步探討了古氣候?qū)Φ壬盍鞒练e作用的影響[5]；李華等借助巖相特征、沉積構(gòu)造及地球化學(xué)測(cè)試分析資料，對(duì)各類沉積作用與氣候變化的響應(yīng)關(guān)系做了一定探討[3-4]。但目前仍然存在一些問題需要解決：①常規(guī)定年方法無法精確測(cè)定陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組發(fā)育年限及沉積速率；②研究區(qū)等深流活躍周期尚不明確；③對(duì)于等深流沉積中特殊的、不同級(jí)次的細(xì)→粗→細(xì)垂向沉積序列的影響因素尚待進(jìn)一步探討；④等深流強(qiáng)度多周期遞變的控制影響因素不明。本文在前人研究基礎(chǔ)上，結(jié)合旋回地層學(xué)及米蘭科維奇理論，嘗試建立深水沉積地層，尤其是等深流沉積與米蘭科維奇理論的關(guān)系，推算研究區(qū)實(shí)測(cè)部分發(fā)育年限，分析不同沉積類型對(duì)海平面變化的響應(yīng)，探討等深流強(qiáng)度與地球軌道影響下古氣候的關(guān)系以及等深流強(qiáng)度多周期變化的軌道尺度控制影響因素。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于鄂爾多斯盆地南緣陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組，晚奧陶世處于銅川淺水碳酸鹽巖臺(tái)地東南側(cè)的古斜坡環(huán)境，南部為深水盆地地區(qū)，實(shí)測(cè)趙老峪組剖面位于富平深水斜坡(圖1)。

自早奧陶世到中奧陶世，鄂爾多斯盆地南緣由被動(dòng)大陸邊緣逐漸演化為主動(dòng)大陸邊緣，其古地理環(huán)境也由水體深度較淺的廣海陸架演變?yōu)椤癓”形邊緣海，沉積環(huán)境則演化為末端逐漸變陡的繼承性碳酸鹽巖緩坡[9,12]。晚奧陶世，鄂爾多斯盆地南緣繼續(xù)變陡，發(fā)育的深水斜坡相沉積包括滑塌堆積、重力流沉積、等深流沉積以及內(nèi)波內(nèi)潮汐沉積；至晚奧陶世末期，加里東運(yùn)動(dòng)開始，構(gòu)造活動(dòng)明顯增強(qiáng)，致使華北地塊整體抬升，地層缺失嚴(yán)重[3]。

鄂爾多斯盆地南緣上奧陶統(tǒng)自下而上可分為麻川組、水泉嶺組、三道溝組、平?jīng)鼋M及背鍋山組[13]。20世紀(jì)80年代初，梅志超等在趙老峪地區(qū)將平?jīng)鼋M及背鍋山組合并劃為趙老峪組[14]。本次研究目的層段即為上奧陶統(tǒng)趙老峪組，實(shí)測(cè)剖面厚度114.58 m，巖性則以泥晶灰?guī)r及礫屑灰?guī)r為主。

圖件引自文獻(xiàn)[9]、[13]，有所修改

2 巖相特征

陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組剖面出露巖層成層性良好，旋回性較強(qiáng)，各類沉積構(gòu)造發(fā)育，根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造垂向演化特征自下而上可劃分為3段(圖2)。

第一段厚63.35 m，巖性主要為灰黑色薄層含泥灰?guī)r、深灰色薄層泥晶灰?guī)r、黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖和少量深灰色筆石頁巖。泥晶灰?guī)r中夾黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖、深灰色薄層頁巖和少量白云巖。泥晶灰?guī)r和黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖中常發(fā)育水平層理。泥晶灰?guī)r偶見腕足類、三葉蟲、介殼類及海百合等生物化石碎片，硅質(zhì)巖中含大量放射蟲化石，頁巖中見豐富筆石。

第二段厚31.25 m，巖性主要為深灰色薄層泥晶灰?guī)r、中—厚層礫屑灰?guī)r和少量紋層狀含泥灰?guī)r。泥晶灰?guī)r和含泥灰?guī)r層面波狀起伏，常見縫合線構(gòu)造。礫屑灰?guī)r分選磨圓較差，發(fā)育滑塌變形構(gòu)造。該段偶見少量介殼類生物化石。

第三段厚19.98 m，巖性主要為深灰色薄層泥晶灰?guī)r、深灰色薄層含泥灰?guī)r和深灰色中—厚層礫屑灰?guī)r。下部泥晶灰?guī)r夾黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖，泥晶灰?guī)r中常見流水波痕及小型交錯(cuò)層理。上部泥晶灰?guī)r層面波狀起伏，以大量發(fā)育的生物擾動(dòng)構(gòu)造及流水波痕與第一、二段發(fā)育的泥晶灰?guī)r相互區(qū)別。礫屑灰?guī)r中發(fā)育滑塌變形構(gòu)造。

結(jié)合巖性、沉積構(gòu)造、古生物等特征，可將研究區(qū)劃分為3種典型巖相，即泥晶灰?guī)r夾硅質(zhì)巖、頁巖相，生物擾動(dòng)泥晶灰?guī)r相和塊狀層理礫屑灰?guī)r相。

2.1 泥晶灰?guī)r夾硅質(zhì)巖、頁巖相

泥晶灰?guī)r為深灰色，多呈毫米級(jí)的紋層狀或厘米級(jí)的薄板狀，滑塌變形構(gòu)造發(fā)育。泥晶灰?guī)r層間常夾有泥質(zhì)條帶，部分與薄層粉屑灰?guī)r伴生，構(gòu)成毫米級(jí)韻律層。泥晶灰?guī)r中發(fā)育水平層理，巖層面發(fā)育Nereites古網(wǎng)跡遺跡化石。泥晶灰?guī)r巖層較薄，表明其為低能且水體相對(duì)較深環(huán)境的產(chǎn)物，且Nereits古網(wǎng)跡遺跡化石多發(fā)育在較深水盆地環(huán)境中[10]。

硅質(zhì)巖新鮮面呈黑色，單層厚度一般為2～6 cm，層內(nèi)發(fā)育毫米級(jí)水平紋層，層面多平直，有時(shí)隨相鄰層面有所起伏，或側(cè)向尖滅形成長條狀透鏡體，層間具硅質(zhì)頁巖和泥質(zhì)夾層[圖3(a)]。硅質(zhì)巖中含大量放射蟲化石，多呈圓形或橢圓形[圖3(b)]，直徑0.1～0.2 mm，呈星點(diǎn)狀分布于硅質(zhì)巖中，另見少量介殼類生物化石。層狀硅質(zhì)巖中散布大量放射蟲化石，表明其可能為距物源區(qū)較遠(yuǎn)的碳酸鈣補(bǔ)償深度(CCD)界面之下的產(chǎn)物[15]。

頁巖呈深灰色，常呈薄夾層狀產(chǎn)出，見豐富筆石，發(fā)育水平層理，為水動(dòng)力較弱、滯留缺氧還原的較深水環(huán)境產(chǎn)物。

綜合上述特征，泥晶灰?guī)r夾硅質(zhì)巖、頁巖相沉積環(huán)境水動(dòng)力相對(duì)較弱，但泥晶灰?guī)r中發(fā)育滑塌變形構(gòu)造[圖3(h)]。結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造背景及古地理資料，認(rèn)為該巖相形成于深水盆地邊緣至深水斜坡環(huán)境，應(yīng)為斜坡原地沉積。

地球化學(xué)資料引自文獻(xiàn)[4]；顏色編號(hào)12為灰黑色,13為深灰色

圖3 主要巖石類型、沉積構(gòu)造及等深流沉積序列Fig.3 Main Rock Types, Sedimentary Structures and Contour Current Sedimentary Sequence

2.2 生物擾動(dòng)泥晶灰?guī)r相

生物擾動(dòng)泥晶灰?guī)r呈深灰色，單層厚度為毫米級(jí)至厘米級(jí)，發(fā)育于剖面中部及頂部，單層厚度較薄，層面大致平行，呈厚→薄→厚旋回垂向疊置發(fā)育[圖3(e)]。該巖相中生物擾動(dòng)構(gòu)造極為發(fā)育，常見古網(wǎng)跡遺跡化石、流水波痕[圖3(d)]及少量小型交錯(cuò)層理，且該巖相橫向變化明顯，外形多為透鏡狀或橢圓狀。其波痕外形不對(duì)稱，波峰、波谷圓滑，波長2～4 cm，波高0.2～0.4 cm，波痕及交錯(cuò)層理反映古水流方向?yàn)镹NW—SEE，其方向大致平行于斜坡。

顯微鏡下觀察，生物擾動(dòng)泥晶灰?guī)r又可分為含泥泥晶灰?guī)r和含粉屑泥晶灰?guī)r。二者垂向上呈交替發(fā)育，粒度上呈現(xiàn)細(xì)→粗→細(xì)旋回，而厚度上則體現(xiàn)為薄→厚→薄旋回。單層巖層內(nèi)部亦呈現(xiàn)細(xì)→粗→細(xì)旋回特征。含泥泥晶灰?guī)r中常見1、2條泥質(zhì)條帶，而含粉屑泥晶灰?guī)r中多發(fā)育粉屑條帶。間歇發(fā)育的泥質(zhì)條帶和粉屑條帶在垂向上構(gòu)成了多個(gè)最小尺度的細(xì)→粗→細(xì)變化特征[圖3(f)]。

生物擾動(dòng)泥晶灰?guī)r相與泥晶灰?guī)r夾硅質(zhì)巖、頁巖相的泥晶灰?guī)r區(qū)別在于該巖相中發(fā)育流水波痕、小型交錯(cuò)層理、生物擾動(dòng)構(gòu)造，且流水波痕所指方向平行于斜坡走向，巖層橫向變化明顯，多呈透鏡狀產(chǎn)出并呈現(xiàn)出3種不同尺度(多層巖層組合、單層巖層、單層巖層內(nèi)部)的細(xì)→粗→細(xì)旋回，這些特征表明該巖相可能為等深流沉積[3-5]。

2.3 塊狀層理礫屑灰?guī)r相

塊狀層理礫屑灰?guī)r相巖性主要為團(tuán)塊狀灰白色礫屑灰?guī)r，發(fā)育于剖面中部，規(guī)模自下而上逐漸減小。巖層橫向厚度差異較大，內(nèi)部不具層理，無定向排列，無生物擾動(dòng)構(gòu)造，滑塌變形構(gòu)造較為發(fā)育。礫石主要為泥晶灰?guī)r的薄板狀角礫，大小混雜堆積，無粒序，分選、磨圓極差[圖3(g)]。綜合研究區(qū)構(gòu)造背景、巖性、沉積構(gòu)造等特征，該巖相為碎屑流沉積。

2.4 展布規(guī)律

陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組剖面第一段以斜坡原地沉積為主，第二段主要發(fā)育等深流沉積和碎屑流沉積，第三段則以等深流沉積為主，自下而上等深流沉積逐漸增多，碎屑流沉積逐漸減少。根據(jù)不同剖面平面巖相分布規(guī)律[4-5,16-17]，重力流沉積(包括碎屑流沉積、濁流沉積)自西向東規(guī)模逐漸增大。結(jié)合研究區(qū)古地貌、波痕遷移方向及交錯(cuò)層理傾向[4,16]，等深流大致由東向西流動(dòng)，平行于斜坡走向。綜合鄂爾多斯盆地南緣上奧陶統(tǒng)多條剖面[4-5,16-17]及郭彥如等研究成果[13,18]，分析并重建了該地區(qū)巖相古地理(圖4)。

1為陜西富平地區(qū)趙老峪剖面；2為陜西銅川地區(qū)桃曲坡水庫剖面(錦陽湖風(fēng)景區(qū))；3為陜西涇陽地區(qū)東陵溝剖面；4為陜西禮泉地區(qū)唐王陵剖面；5為陜西岐山地區(qū)曹家溝剖面；6為甘肅隴縣地區(qū)石灣溝剖面；7為甘肅平?jīng)龅貐^(qū)太統(tǒng)山剖面；圖件引自文獻(xiàn)[4]、[5]、[13]、[16]～[18],有所修改

3 旋回分析

米蘭科維奇旋回在地層中最基本的響應(yīng)單元為米級(jí)旋回。米級(jí)旋回多指地層記錄中在露頭上能直接識(shí)別的、厚度在厘米級(jí)至米級(jí)的地層堆積作用單元[19-20]。在地層記錄中，單個(gè)米級(jí)旋回常由4個(gè)或5個(gè)垂向有序疊加構(gòu)成更大一級(jí)的旋回。這種1∶4或1∶5的疊加形式反映了米蘭科維奇特性，前者可能為地球軌道長偏心率(周期為0.4 Ma)和短偏心率(周期為0.1 Ma)共同作用的結(jié)果，而后者則可能為短偏心率(周期為0.1 Ma)和歲差(周期為20 ka)共同作用的產(chǎn)物[21]。

陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組沉積環(huán)境為深水斜坡，整體水體較深，物源供給相對(duì)較匱乏，水動(dòng)力作用相對(duì)較弱，各類巖層成層性良好，縱向巖性變化頻繁，巖層面多為突變接觸，旋回性較強(qiáng)。與淺海環(huán)境碳酸鹽巖米級(jí)旋回相比[21]，研究區(qū)旋回單元厚度較薄，且旋回種類較少，較難識(shí)別各類沉積間斷面(瞬時(shí)淹沒間斷面、瞬時(shí)暴露間斷面)，為野外深水沉積地層旋回識(shí)別及劃分帶來了一定難度。

基于梅冥相等提出的碳酸鹽巖米級(jí)旋回分類及劃分方案[21]，根據(jù)研究區(qū)特殊的沉積環(huán)境、巖性組合以及沉積作用類型，針對(duì)斜坡原地沉積及碎屑流沉積共識(shí)別并劃分出3種灰?guī)r-泥巖型米級(jí)旋回：①含泥灰?guī)r-泥晶灰?guī)r型，于趙老峪組廣泛分布，其下部單元為黑色薄層含泥灰?guī)r，上部單元為深灰色薄層泥晶灰?guī)r，上部單元碳酸鹽巖組分含量較下部多，旋回頂部偶見中—厚層礫屑灰?guī)r，旋回整體厚度一般為5～15 cm；②白云巖-泥晶灰?guī)r型，于趙老峪組分布極少，其下部單元為深灰色薄層泥晶灰?guī)r，上部單元為黃灰色薄—中層粉—細(xì)晶白云巖，旋回整體厚度為7～22 cm；③泥晶灰?guī)r-硅質(zhì)巖型，主要分布于趙老峪組剖面第一段頂部，旋回下部單元為黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖，上部為深灰色薄層泥晶灰?guī)r，旋回整體厚度為10～20 cm?；谏鲜龇治?，硅質(zhì)巖可能為大洋碳酸鈣補(bǔ)償深度界面之下的產(chǎn)物，其發(fā)育過程中可能不受海平面小幅度波動(dòng)影響，對(duì)此類旋回的識(shí)別及分類有待進(jìn)一步探討。

考慮到等深流沉積特殊的沉積作用及其標(biāo)志性的、不可分割的多級(jí)次特殊細(xì)→粗→細(xì)垂向沉積序列[1-7]，基于巖性組合的不同，將其劃分為兩種對(duì)稱型碳酸鹽巖米級(jí)旋回：①含泥泥晶灰?guī)r-含粉屑泥晶灰?guī)r-含泥泥晶灰?guī)r型，自下而上由含泥泥晶灰?guī)r、含粉屑泥晶灰?guī)r和含泥泥晶灰?guī)r垂向順序疊置，構(gòu)成一個(gè)對(duì)稱的細(xì)→粗→細(xì)旋回，旋回厚度較薄，多為3～10 cm；②含粉屑泥晶灰?guī)r-粉屑灰?guī)r-含粉屑泥晶灰?guī)r型，自下而上由含粉屑泥晶灰?guī)r、粉屑灰?guī)r和含粉屑泥晶灰?guī)r垂向順序疊置，構(gòu)成一個(gè)對(duì)稱的細(xì)→粗→細(xì)旋回，旋回厚度一般為5～15 cm。

為探討研究區(qū)趙老峪組深水沉積地層與相對(duì)海平面變化的耦合關(guān)系，在旋回單元識(shí)別劃分工作的基礎(chǔ)上，實(shí)測(cè)并統(tǒng)計(jì)所有實(shí)測(cè)剖面中旋回單元厚度，采用Fischer圖解，刻畫相對(duì)海平面變化曲線并劃分旋回級(jí)次，討論相對(duì)海平面變化對(duì)深水沉積地層的影響，重點(diǎn)探討等深流沉積與相對(duì)海平面變化的耦合關(guān)系及其垂向沉積序列主控因素。

4 Fischer圖解曲線形態(tài)與沉積類型演化關(guān)系

4.1 繪制方法

Fischer圖解最早由Fischer提出[22]，又經(jīng)過多人對(duì)其適用性、使用條件、坐標(biāo)軸表示方案以及旋回劃分方案對(duì)圖解曲線形態(tài)的影響進(jìn)行多次討論和改良，目前多被用來討論相對(duì)海平面變化以及識(shí)別米蘭科維奇旋回。本文采用經(jīng)Sadler等改良的繪制方案[23]，橫坐標(biāo)表示旋回?cái)?shù)，縱坐標(biāo)表示旋回累積平均厚度偏移。首先，對(duì)陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組剖面進(jìn)行詳盡實(shí)測(cè)、描述，測(cè)量并記錄了所有旋回單元厚度；然后，以此繪制Fischer圖解，并展開進(jìn)一步分析。本次野外實(shí)測(cè)共劃分旋回單元1 413個(gè)，由于篇幅所限，僅列出剖面頂部地層旋回單元實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(表1)。

由于陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組水體深度相對(duì)較深，水體絕對(duì)深度復(fù)原難度較大，而且矯正巖層原始厚度的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)難以獲取。相對(duì)于水體絕對(duì)深度，此次研究更側(cè)重沉積時(shí)的相對(duì)海平面變化與沉積相垂向演化關(guān)系，故本文在繪制Fischer圖解過程中略去了壓實(shí)矯正環(huán)節(jié)，所得圖解反映了非定量的相對(duì)海平面變化，對(duì)其客觀性和實(shí)用性沒有影響[8,21]。

Fischer圖解(圖2)曲線形態(tài)自下而上逐漸升高，曲線的一次上升和下降即為一次海平面升降旋回[24]，據(jù)此可以識(shí)別出4個(gè)完整旋回和1個(gè)上升半旋回。這與基于地球化學(xué)的海平面變化曲線對(duì)比[4]，二者形態(tài)較為匹配，所反映曲線變化特征較為吻合(圖2)。上述特征表明Fischer圖解在研究區(qū)深水沉積地層中可以客觀、準(zhǔn)確地刻畫相對(duì)海平面升降。

為探討等深流沉積與相對(duì)海平面變化的關(guān)系以及各類沉積作用對(duì)相對(duì)海平面變化的響應(yīng)，選取等深流沉積最為發(fā)育、地層連續(xù)性好、植被覆蓋少、出露性強(qiáng)、代表性高的剖面頂部地層(第28層至第36層)進(jìn)行重點(diǎn)精細(xì)圖解繪制分析(圖5)。

表1 Fischer圖解旋回單元參數(shù)Tab.1 Parameters of the Cycle Units of Fischer Diagram

根據(jù)曲線形態(tài)能夠反映相對(duì)海平面變化趨勢(shì)與剖面頂部地層沉積類型演化關(guān)系，高海平面時(shí)期主要發(fā)育斜坡原地沉積，海平面上升時(shí)期主要發(fā)育等深流沉積，而海平面下降至低海平面時(shí)期主要發(fā)育碎屑流沉積(圖5)，與前人研究成果[2-5,7,25]較為吻合。

根據(jù)Fischer圖解旋回劃分方法[26-28]，遵循曲線原始形態(tài)，曲線的一次上升和下降即為一次海平面升降旋回。剖面頂部地層Fischer圖解可劃分為4個(gè)長期旋回或16個(gè)中期旋回(圖5)。4個(gè)中期旋回垂向疊置構(gòu)成1個(gè)長期旋回，長期旋回和中期旋回呈1∶4的數(shù)量關(guān)系，這與地球軌道長偏心率周期(0.4 Ma)和短偏心率周期(0.1 Ma)的比例關(guān)系十分吻合，表明該段地層中極有可能記錄了米蘭科維奇特性，其比例關(guān)系可能為長、短偏心率相互作用的結(jié)果。依據(jù)米蘭科維奇天文標(biāo)尺，上述長、中期旋回分別受長、短偏心率影響，單個(gè)長期旋回和中期旋回周期分別為0.4 Ma和0.1 Ma。剖面頂部地層可以劃分為4個(gè)跨時(shí)0.4 Ma的長期旋回或16個(gè)跨時(shí)0.1 Ma的中期旋回，以此估算該段地層發(fā)育年限約為1.6 Ma。

根據(jù)梅冥相等提出的旋回級(jí)別劃分法則(表2)[29-31]可以看出：四級(jí)旋回由長偏心率旋回造成，形成時(shí)限為0.4 Ma；五級(jí)旋回由短偏心率旋回造成，形成時(shí)限為0.1 Ma；六級(jí)旋回受歲差旋回影響，形成時(shí)限為0.02～0.04 Ma。因此，研究區(qū)剖面頂部地層中識(shí)別出的跨時(shí)0.4 Ma的長期旋回應(yīng)為四級(jí)旋回，跨時(shí)0.1 Ma的中期旋回為五級(jí)旋回。

表2 旋回層序劃分及相應(yīng)的層序地層術(shù)語Tab.2 Cycle Sequence Division and Corresponding Sequence Stratigraphic Terminology

4.2 長期旋回分析

圖5 剖面頂部地層柱狀圖、Fischer圖解以及海平面變化曲線理想化模型Fig.5 Histogram of the Topside Section, Fischer Diagram and the Idealized Model of Sea Level Change Curves

為進(jìn)一步探討海平面變化對(duì)等深流沉積的影響，根據(jù)Fischer圖解曲線原始形態(tài)，對(duì)曲線頻率、振幅理想化處理，參考Tucker等提出的軌道旋回研究方法[32]，將其變換為多周期疊加的正弦曲線。為保證客觀、準(zhǔn)確地處理原始曲線，理想化曲線及疊加曲線形態(tài)均由公式計(jì)算得出，各級(jí)別曲線初始相位則結(jié)合層序地層學(xué)海平面變化理論，與現(xiàn)代海洋學(xué)研究結(jié)果保持一致[33-35]，以此建立理想化數(shù)學(xué)模型(圖5)。

根據(jù)米蘭科維奇旋回周期疊加原理，4個(gè)五級(jí)旋回垂向疊置構(gòu)成1個(gè)更大一級(jí)的四級(jí)旋回，據(jù)此分別繪制了兩種旋回對(duì)海平面作用的曲線及疊加曲線(圖5)。在長偏心率及短偏心率的共同作用下，疊加曲線形態(tài)既保持了長偏心率周期的整體趨勢(shì)，又呈現(xiàn)短偏心率周期的波動(dòng)性。這種波動(dòng)性在疊加曲線中體現(xiàn)為：在曲線整體上升趨勢(shì)中出現(xiàn)的反相位“Z”字形下降波動(dòng)；在曲線整體下降趨勢(shì)中出現(xiàn)的反相位“Z”字形上升波動(dòng)(圖5)。

對(duì)比該段剖面沉積相及巖性發(fā)育特征，斜坡原地沉積多發(fā)育于高海平面時(shí)期，碎屑流沉積發(fā)育于海平面下降及低海平面時(shí)期，等深流沉積則發(fā)育于海平面上升時(shí)期，且海平面先上升后小幅度下降又再次上升(圖5)。等深積巖粒度整體細(xì)→粗→細(xì)遞變，可能受軌道旋回(長、短偏心率)影響，由海平面上升過程中出現(xiàn)的小幅度反相位下降波動(dòng)造成。

4.3 中、短期旋回分析

在長期旋回分析的基礎(chǔ)上，引入歲差對(duì)海平面的作用(六級(jí)旋回)，并對(duì)比等深流沉積特征，進(jìn)一步研究等深流沉積特征與海平面變化的中、短期對(duì)應(yīng)關(guān)系。

截取小級(jí)別中期旋回2(圖5)，對(duì)應(yīng)剖面第29層等深流沉積，保持其旋回曲線相位和頻率，引入歲差對(duì)海平面的影響(六級(jí)旋回)，分析二者共同作用下的海平面變化，得到復(fù)合海平面變化曲線(圖6)。

圖6 剖面第29層等深流沉積特征及海平面變化曲線理想化模型Fig.6 Sedimentary Characteristics of the 29th Layer Section and the Idealized Model of Sea Level Change Curves

在短偏心率和歲差對(duì)海平面的共同作用下，復(fù)合海平面變化曲線既保持了五級(jí)旋回的形態(tài)，又記錄了六級(jí)旋回的高頻波動(dòng)性，整體表現(xiàn)為1次中期旋回和5次短期旋回(波動(dòng))。復(fù)合海平面變化曲線中心部位同為五級(jí)和六級(jí)旋回下降部分，其下降趨勢(shì)被短偏心率旋回和歲差旋回疊加效應(yīng)放大，相對(duì)最為劇烈(圖6)。

結(jié)合第29層等深流沉積巖石剖面特征，其整體可劃分為兩種類型(Ⅰ、Ⅱ型)5個(gè)沉積序列(圖6)。鑒于等深積巖特殊的垂向?qū)ΨQ細(xì)→粗→細(xì)沉積序列，將Ⅰ、Ⅱ型序列整體劃分為兩種對(duì)稱型短期旋回。兩種旋回分別由單層含泥泥晶灰?guī)r、含粉屑泥晶灰?guī)r和含泥泥晶灰?guī)r、粉屑灰?guī)r垂向疊置而成。巖石剖面分別在多個(gè)旋回垂向疊置，單個(gè)旋回單元及單層巖層內(nèi)部呈現(xiàn)出3個(gè)不同級(jí)別的細(xì)→粗→細(xì)變化。

巖石剖面中5個(gè)短期旋回垂向疊置構(gòu)成更大一級(jí)的中期旋回，這種數(shù)量關(guān)系接近地球軌道短偏心率周期(0.1 Ma)與歲差周期(0.02 Ma)比值，表明其可能受到了短偏心率和歲差對(duì)海平面的共同影響。而兩種旋回單元中出現(xiàn)的細(xì)→粗→細(xì)遞變可能是由短偏心率和歲差疊加效應(yīng)影響下的海平面反相位波動(dòng)造成。其中粒度相對(duì)最大的沉積序列Ⅱ，同處兩級(jí)海平面下降相位內(nèi)，受短偏心率和歲差對(duì)海平面的疊加效應(yīng)影響，海平面下降程度相對(duì)最為劇烈(圖6)，這表明等深積巖粒度的大小可能與海平面波動(dòng)幅度有關(guān)，而粒度遞變則可能由海平面周期性波動(dòng)導(dǎo)致。

等深積巖中一個(gè)完整的細(xì)→粗→細(xì)沉積序列可以劃分出5個(gè)小一級(jí)別的細(xì)→粗→細(xì)沉積序列，兩種尺度垂向疊置比例關(guān)系為1∶5，與米蘭科維奇旋回中短偏心率周期(0.1 Ma)和歲差周期(0.02 Ma)的比例關(guān)系十分吻合，且與米蘭科維奇理論——“旋回包含旋回”的概念相同。Ⅰ、Ⅱ型沉積序列和其垂向疊加構(gòu)成的完整沉積序列受到了米蘭科維奇旋回影響，兩種沉積序列可能是歲差旋回的產(chǎn)物，旋回整體則同時(shí)受到了歲差及短偏心率旋回的影響。據(jù)此推斷，研究區(qū)等深流沉積中記錄了米蘭科維奇特性，其粒度垂向遞變與海平面周期性波動(dòng)有關(guān)，且海平面波動(dòng)程度越大，等深積巖粒度越大。研究區(qū)Ⅰ型和Ⅱ型沉積序列應(yīng)為六級(jí)旋回，發(fā)育時(shí)長為0.02 Ma；由5個(gè)兩種沉積序列垂向疊置構(gòu)成的完整等深積巖沉積序列應(yīng)為五級(jí)旋回，發(fā)育時(shí)長為0.1 Ma。

5 討 論

5.1 等深流沉積與米蘭科維奇旋回的因果關(guān)系

等深流是一種深水牽引流，其沉積物垂向粒度變化由流體強(qiáng)度變化導(dǎo)致。流體強(qiáng)度增大時(shí)，其沉積物粒度垂向呈逆遞變，反之則為正遞變[6]。因此，陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組等深積巖粒度多級(jí)次遞變則是由等深流強(qiáng)度多周期遞變?cè)斐伞?/p>

米蘭科維奇核心理論認(rèn)為，地球軌道三要素會(huì)周期性地改變太陽對(duì)地球輻射量，導(dǎo)致氣候的周期性波動(dòng)，進(jìn)一步影響兩極冰蓋周期性消長，海平面周期性升降[36]。而等深流是深水環(huán)境中由溫鹽引起的自轉(zhuǎn)型底層環(huán)流[37]。這種環(huán)流多是當(dāng)氣候變寒冷時(shí)，兩極冰蓋增長，海平面降低，而海水結(jié)冰的脫鹽作用使得兩極冰蓋之下海水鹽度增高，溫度降低，形成部分海水密度變大的水團(tuán)。等深流的強(qiáng)化不必依賴于冰量的高度發(fā)育，而更可能與成冰的速率及溫鹽水團(tuán)與周圍水體作用密切相關(guān)[38]。軌道驅(qū)動(dòng)的高頻氣候波動(dòng)會(huì)對(duì)兩極冰蓋成冰速率及冰蓋之下水團(tuán)的物理性質(zhì)(溫度、鹽度、密度)造成影響；同時(shí)，等深流水團(tuán)受地球自轉(zhuǎn)影響，由水團(tuán)和周圍水體密度差產(chǎn)生的密度力驅(qū)動(dòng)[39]。等深流水團(tuán)溫度越低，鹽度越高，密度越大，則等深流強(qiáng)度越高[5]。因此，等深流強(qiáng)度受地球軌道三要素影響(米蘭科維奇旋回)，呈現(xiàn)出大、中、小尺度的弱→強(qiáng)→弱周期性遞變。

研究區(qū)Fischer圖解中，海平面的小幅度波動(dòng)反映了氣候的小幅度變化，冰蓋之下水團(tuán)物理性質(zhì)(溫度、密度、鹽度)相應(yīng)隨之波動(dòng)。結(jié)合等深流強(qiáng)度強(qiáng)化機(jī)制[38-39]，這種氣候波動(dòng)導(dǎo)致了等深流強(qiáng)度弱→強(qiáng)→弱遞變。綜合長偏心率與短偏心率(圖5)、短偏心率與歲差(圖6)對(duì)海平面的影響，相對(duì)海平面變化中存在的中、短期旋回性波動(dòng)，造成了等深流強(qiáng)度的大、中尺度弱→強(qiáng)→弱遞變。

現(xiàn)代海洋研究結(jié)果表明[33-34]，海平面下降是一個(gè)復(fù)雜的過程。在單個(gè)軌道周期內(nèi)，海平面變化曲線類似正弦曲線[29,40-41]，其變化速率與時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系是非線性的。海平面下降初期變化速率較慢，中期較快，而后期較慢[41]。這導(dǎo)致等深流水團(tuán)內(nèi)部物理特性存在小尺度波動(dòng)，而等深流強(qiáng)度也隨之呈現(xiàn)出最小級(jí)別的弱→強(qiáng)→弱變化特征。

導(dǎo)致海平面變化的影響因素較為復(fù)雜，主要因素為構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及氣候波動(dòng)，沉積物供給、沉降速率等因素次之?，F(xiàn)代冰川研究結(jié)果表明，氣候?qū)Ｆ矫娴挠绊懣赡懿⒉粊営谌驑?gòu)造運(yùn)動(dòng)[42]。而古氣候研究一般可分為構(gòu)造尺度、軌道尺度和亞軌道尺度3個(gè)尺度[40]，其中軌道尺度和亞軌道尺度氣候變化是疊加在構(gòu)造尺度上的一種高頻小幅度氣候波動(dòng)，它們共同影響著全球氣候變化。等深流沉積多見于海平面上升時(shí)期，但氣候由暖轉(zhuǎn)寒時(shí)等深流強(qiáng)度大，其主要原因有兩點(diǎn)。第一個(gè)原因是觀測(cè)尺度不同。沉積物、地球化學(xué)氣候資料及Fischer圖解中同時(shí)記錄了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和氣候?qū)Ｆ矫娴挠绊懀鄬?duì)海平面變化宏觀趨勢(shì)受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制，其細(xì)節(jié)波動(dòng)規(guī)律受軌道尺度氣候影響，且現(xiàn)階段尚無法將二者分離。海平面上升時(shí)期著眼于整體趨勢(shì)(構(gòu)造尺度)，由暖轉(zhuǎn)寒側(cè)重于高頻波動(dòng)(軌道尺度)，二者觀測(cè)尺度不同。第二個(gè)原因是分析主體不同。雖然等深流可以穩(wěn)定持久地活動(dòng)、搬運(yùn)并卸載沉積物，但低海平面時(shí)期重力流比較發(fā)育，此時(shí)形成的等深流沉積不易保存下來，而高海平面時(shí)期，沉積物供給減少，等深流沉積也不甚發(fā)育。因此，研究區(qū)等深流沉積多見于海平面上升時(shí)期，但氣候變寒冷時(shí)等深流變強(qiáng)，其形成的沉積物粒度較粗。

綜上所述，研究區(qū)等深流沉積中記錄了米蘭科維奇特性，等深流沉積旋回特征主要受短偏心率及歲差旋回影響，其細(xì)→粗→細(xì)遞變則由米蘭科維奇旋回影響下的海平面高頻低幅波動(dòng)造成。

5.2 等深流強(qiáng)度變化規(guī)律與米蘭科維奇旋回的必然聯(lián)系

目前對(duì)發(fā)育于深水斜坡至盆地邊緣的半遠(yuǎn)洋相灰?guī)r的研究較為成熟，且對(duì)半遠(yuǎn)洋相灰?guī)r中韻律形式的成因已經(jīng)基本達(dá)成了共識(shí)，即各種深水米級(jí)旋回是高頻冰川型海平面旋回(米蘭科維奇)導(dǎo)致[43-45]。而等深流沉積中的旋回單元、單元厚度及旋回疊置關(guān)系與半遠(yuǎn)洋相灰?guī)r較為類似[45-46]。因此，地球軌道影響下的高頻冰川型海平面旋回(米蘭科維奇)可能是等深流沉積特殊垂向序列的成因之一。

對(duì)比前人研究成果，陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組總厚度約350 m，劃分為3個(gè)三級(jí)層序，跨時(shí)10～15 Ma[13]。本次實(shí)測(cè)趙老峪組出露厚度114.5 m，推測(cè)出露地層發(fā)育年限為3～5 Ma，而剖面頂部巖層厚度約14 m，依據(jù)米蘭科維奇天文標(biāo)尺推算其發(fā)育年限約為1.6 Ma，其沉積速率相對(duì)較為緩慢；推測(cè)實(shí)測(cè)趙老峪組巖層粒度較細(xì)，巖層厚度自下而上逐漸變薄，水體深度逐漸增加，物源供給逐漸變少，沉積物堆積速率相應(yīng)逐漸減慢，加之剖面頂部地層發(fā)育多種沉積類型，各種沉積作用的沉積方式、沉積速率不盡相同，不可簡單地采取算數(shù)平均。根據(jù)現(xiàn)代等深流沉積研究成果，等深流沉積速率比較緩慢，為0.6～20.0 cm·ka-1，一般為2～12 cm·ka-1。因此，計(jì)算趙老峪組剖面頂部地層發(fā)育時(shí)間約為1.6 Ma可能較為合理。

結(jié)合研究區(qū)等深流沉積旋回性，5個(gè)小級(jí)別旋回垂向順序疊置，構(gòu)成大一級(jí)別旋回，依據(jù)米蘭科維奇天文標(biāo)尺進(jìn)一步推算研究區(qū)單個(gè)等深流沉積序列發(fā)育時(shí)長約為0.1 Ma。據(jù)段太忠等研究成果，在1個(gè)經(jīng)典等深流沉積層序中，垂向均可劃分出5個(gè)次一級(jí)層序[6,39]。這種1∶5的數(shù)量關(guān)系，正是短偏心率周期(0.1 Ma)與歲差周期(0.02 Ma)的比例。這表明研究區(qū)等深流沉積中體現(xiàn)出的米蘭科維奇特性可能并非偶然。段太忠等于湘北九溪下奧陶統(tǒng)等深巖丘中證實(shí)，在跨時(shí)約5 Ma的地層中連續(xù)發(fā)育了53個(gè)等深積巖層序，平均約0.1 Ma出現(xiàn)一次等深流強(qiáng)化期，接近地球軌道短偏心率周期(0.1 Ma)[6]；丁海軍于賀蘭拗拉谷北段桌子山地區(qū)奧陶系等深流沉積中借助Fischer圖解識(shí)別到了米蘭科維奇特性及長、短偏心率周期[8]；李向東等在桌子山地區(qū)中奧陶統(tǒng)克里摩里組下段等深流沉積中，基于巖層垂向厚度變化，結(jié)合稀土元素特征等資料揭示了米蘭科維奇旋回是等深流沉積垂向沉積序列的主控因素之一，且等深流強(qiáng)度受米蘭科維奇旋回影響[47-48]。

綜上所述，陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組深水沉積地層中記錄了米蘭科維奇特性，該區(qū)等深流沉積中的旋回性由米蘭科維奇旋回造成。研究區(qū)等深流強(qiáng)度多周期遞變受米蘭科維奇旋回影響，依據(jù)米蘭科維奇天文標(biāo)尺推算等深流強(qiáng)化周期約為0.1 Ma。

但目前階段，在軌道尺度對(duì)古代等深流沉積開展的工作較少，而現(xiàn)代等深流強(qiáng)度與氣候、海平面變化等因素關(guān)系的觀測(cè)歷史較短，不同尺度的氣候周期波動(dòng)對(duì)等深流水團(tuán)溫度、鹽度和密度的影響有多大以及這些影響對(duì)等深流強(qiáng)度和等深流沉積的控制又有多少尚不得而知。因此，等深流的強(qiáng)化及等深流沉積垂向?qū)有蚴欠癖厝皇苊滋m科維奇旋回影響及其是否存在普遍的必然聯(lián)系，仍需研究人員進(jìn)一步研究。

6 結(jié) 語

(1)對(duì)比地球化學(xué)特征及陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組Fischer圖解曲線形態(tài)，表明Fischer圖解可以客觀、準(zhǔn)確地刻畫深水沉積地層相對(duì)海平面變化特征。

(2)通過分析Fischer圖解曲線形態(tài)，發(fā)現(xiàn)陜西富平地區(qū)上奧陶統(tǒng)趙老峪組深水沉積地層受到地球軌道三要素影響，并記錄了米蘭科維奇特性。

(3)研究區(qū)等深流沉積垂向沉積序列受米蘭科維奇旋回影響，其旋回性由米蘭科維奇旋回造成。

(4)氣候周期波動(dòng)(軌道尺度)是等深流強(qiáng)度呈現(xiàn)中、長尺度弱→強(qiáng)→弱周期性遞變的原因之一。海平面變化速率非線性，可能導(dǎo)致了等深流最小尺度的弱→強(qiáng)→弱周期性遞變。

(5)據(jù)米蘭科維奇天文標(biāo)尺推算研究區(qū)等深流強(qiáng)化周期約為0.1 Ma，剖面第28層至第36層發(fā)育時(shí)長約為1.6 Ma。