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浊流及相关重力流沉积的研究摘要：沉积物重力流是一种在重力作用下发生流动的弥散有大量沉积物的高密度流体，碎屑流和浊流较为常见沉积物重力流的流体特征即流变特征，为此我们为重力流的分类和特征进行专门的研究。人们对浊流的认识,最早可以追溯到一个世纪以前,但是直到本世纪50年代,浊流作为一种重要的沉积物搬运和沉积机制才得到广大地质学家们的承认,浊流理论得以正式建立,并由此引发了沉积学界的一场革命。浊流理论的建立具有划时代的意义。浊流沉积的研究已经进行了半个多世纪,从理论到实践都取得了巨大的进展。特别是海洋浊流的研究与海洋资、能源海洋灾害防护等等应用性研究息息相关。我就对现有的资料和学习进行某一方面的综述。1几个相关的概念1.1重力流和牵引流从沉积学的角度来看,自然界的流体有两种基本类型:重力流和牵引流，前者为一种重力驱动的流体,即由密度差异而产生的流体,后者为惯性力所驱动的流体(牛顿流体),其流体力学性质存在很多本质差别。牵引流为牛顿流，流体粘性变化符合粘性定律，驱使碎屑搬运的力为牵引力。碎屑颗粒的搬运和沉积方式为滑动、滚动和跳跃三种。而重力流为非牛顿流体，流体粘性变化不符合粘性定律，驱使碎屑搬运的力为重力。碎屑颗粒的搬运和沉积方式以悬浮为主。1.2重力流的分类沉积物重力流是指泥、砂、砾混杂的，重力驱动的，悬浮搬运的高密度底流。形成条件是：较大的水深；足够的坡度角和足够的密度差；充沛的物源；一定的激发机制。对于重力流类型的分类方案,种类繁多,并且随着研究的不断深入,也出现了许多新的名词,例如高密度浊流、低密度浊流以及砂质碎屑流等等,一直是国际学术界争论的焦点和热点。米德尔顿和汉普顿按支撑机理把水底沉积物重力流沉积系统划分为4个类型,即泥石流(或碎屑流)、颗粒流、液化沉积物流和浊流。Lowe等根据沉积物-流体混合物的流变学特征———流体性或塑性,以及质点支撑机理,提出了沉积物重力流的分类和命名:先根据流变学性质,划分出塑性流和液性流两大类。塑性流和液性流按照沉积物支撑机理可以进一步细分,液性流包括浊流、液状流和部分液化流;塑性流包括碎屑流、颗粒流和部分液化流。碎屑流是高浓度的沉积物分散体，具有屈服强度和高的粘性，是水和粘土杂基支撑碎屑物质的块体流；颗粒流是一种由无凝聚力颗粒（主要是砂、砾）所组成的重力流；液化沉积物流即由超孔隙压力支撑沉积颗粒漂浮的重力流；浊流是由悬浮积物扩散引起的一种含有大量泥沙并在重力作用下沿着盆地底部流动，形成的水下沉积物重力流或水下密度底流。1.3浊流的定义浊流是密度流（turbiditycurrent）或重力流（gravitycurrent）的一种，其高密度来源于体内在湍流作用下的高悬砂浓度。浊流的名称是由Lamont的Johnson首先在1939年提出的，在此之前，科学家曾经用的名字包括密度流或悬浮颗粒流。多数浊流源自陆坡（坡度大）或河口（沉积物快速堆积，故不稳定），不稳定沉积体在外力（如地震）作用下产生水下滑坡，滑坡体在朝深水移动的过程中与周围水体混合形成浊流（如图1）。浊流的传输距离一般远远大于初始滑坡体的运动距离，可达几百甚至上千公里，直达深海海盆。当浊流进入深海海盆，地形坡度减小，其速度随之降低，造成浊流体内的泥沙有序沉降，形成粒度向上变细的（graded）砂质浊积岩。浊积岩的名称是由荷兰地质学家Kunene在1957年首先提出的。此外，浊流也极大地影响了深海海盆生态环境。一方面浊流带来了大量的陆源营养盐，另一方面浊流也在其途经之地对底栖生物造成了破坏和掩埋。还有学者认为这些浊流与底栖生物之间的相互作用与在浊流沉积体内发现油气资源不无关系。浊流是地球上大体积碎屑沉积物远距离搬运的最重要过程。一次大型浊流的沉积物搬运量甚至超过了全球所有河流一年入海沉积物的总和。几百万立方米的物质在短时间内被搬运到上百公里以外的深海盆地，形成富含地球上最的沉积物堆积体－海底沉积扇，极易成为油气资源储集层。但是，浊流也是不可忽视的海洋地质灾害。浊流的强大破坏力对海底设施，如油气开采平台、海底通信电缆等形成直接的威胁。目前，几乎所有连接中国与全球的通信（电话、互联网、金融市场信息等）全部依靠海底电缆。2009年台湾南部地震触发的浊流切断了数根海底通信电缆，严重影响东南亚甚至全球通信达２个多月之久【1】。浊流为重力流的一种特殊形式,它是由于流体中湍动悬浮着的沉积物所造成的密度差异而引起流动的水流，其内颗粒的支撑方式是流体搅动支撑,即浊流内部的沉积颗粒处于一种自悬浮状态。而从流变学上看，浊流应为一种流体态流。除浊流以外,重力流还可划分为其它几种流体。而关于沉积物重力流的划分方案,长期以来一直存在着争议根据流体的流变学特征将沉积物重力流划分为流体态流(fluidalflow)和碎屑流(debrisflow)，前者表现出流体流变学特征,后者则表现出塑性流变学特征。另有一类流体介于两者之间,称之为液化流(liquifiedflow)，它兼具流体流变学特征和塑性流变学特征，然后再根据流体内沉积物颗粒的支撑机制进一步细分为:①浊流(turbiditycurrent);②液化流(fluidizedflow);③颗粒流(grainflow);④泥流(mudflow)或凝滞性碎屑流(cohesivedebrisflow)【2】。（ａ）大陆边缘（包括陆架、陆坡和深海盆地）与浊流关系密切的地形地貌单元。（ｂ）典型的浊流形状示意图和无量纲流速（ｕ）和密度（γηο）垂直剖面。ｕｆ是浊流的锋面位移速度。2浊流及相关重力流沉积研究的进展2.1浊流理论的兴起及国外研究进展20世纪50年代初浊流理论的建立,开辟了沉积学研究的一个新领域,被认为是沉积学的一次大革命。这次大革命经历了长时间的酝酿、观察和研究,最早可追溯到1887年瑞士自然科学工作者F.A.Forel对当时流入日内瓦湖的罗纳河的研究,他观察到流入日内瓦湖的罗纳河携带着大量悬浮物质,沿湖底流入湖内,他称之为密度底流或水下密度流。1936年,哈佛大学教授R.A.Daly提出水下高密度浊流具有很强的侵蚀能力,并以此解释了海底峡谷成因。Kuenen(1937)对Daly的这一假说用水槽试验进行了验证Stetson等(1938)认为浊流是深海细粒沉积物搬运的营力。Johnson(1939)提出用浊流这一术语,表示那些由大量悬浮物质而不是由于盐度差和温度差引起的密度流。40～50年代,在长期的野外观察和一系列水槽试验的基础上,浊流研究取得了巨大进展,划时代的事件当属荷兰人Kuenen和意大利人Migliorini于1950年联名发表的《浊流是递变层理的成因》一文，认为浊流可以在深海中形成砂质沉积。这是十分重要的见解,它突破了传统的机械沉积分异学说,标志着浊流理论的正式建立。20世纪50～60年代浊流理论得到了极大的丰富和发展，人们认识到浊流不仅是海底峡谷和递变层理成因的主要机制,而且也是现代海洋乃至所有沉积盆地中搬运和沉积物的重要活动营力。60年代初,Kuenen的学生Bouma(1962)根据野外观察,对浊流沉积构造和浊积岩层序进行了全面和详细的总结,建立了著名的Bouma序列,这一浊积相模式至今仍在沉积岩研究中得到广泛的应用。Walker(1965)和Middleton(1967)通过野外观察结果和现代实验研究,依据流态概念对Bouma序列形成的水动力条件进行了解释。与其同时,许靖华教授和其他学者在研究美国加利福利亚洲文图拉盆地和洛杉矶盆地第三系时,发现油气储层不是盆地边缘的三角洲砂体,而是盆地中央的浊积砂体。并由此带来了巨大的经济效益。70年代，G.V.Middleton和M.A.Hampron(1973,1976)对重力流类型进行了卓有成效的研究,Lowe(1979,1982)对浊流的研究贡献突出,并明确地引进许多牵引流作用的名称和其所形成的牵引层理构造,并表示了它们在垂向上的演化层序。同时,意大利人Mutti和Rucci-Luchi(1972),美国人Normark(1978)以及加拿大人Walker(1978)对海底扇沉积相模式进行了研究,其中以Walker的海底扇模式最为经典,应用也最为广泛。80年代，人们对浊流的沉积体系做进一步的研究，除了海底沉积扇之外，还对非扇浊积岩模式、碳酸盐斜坡重力流沉积模式进行了探讨。Stow(1986)等人还对深海沉积进行了研究,提出了包括浊积岩在内的所有深水沉积相的划分方案,并对其中每个相的形成机制进行了探讨,可以说,这一划分方案是对浊流及相关重力流沉积研究比较全面的概括。除此而外,人们还对浊流的形成与演化机理进行了进一步研究,提出了新的浊流触动机制,探讨了浊流的运动学特征及其对沉积物的搬运和沉积的控制机制。近年来,以Shanmugam和Moioal等为代表的一批学者,在对经典的古代浊积岩和现代浊流沉积重新研究后,认为其大部分浊积岩实际上应该为砂质碎屑流和底流构造成因,并提出了鉴别标志,同时,在对传统海底浊积扇模式进行重新研究的基础上提出了海底碎屑流模式。这可能代表了当今世界关于浊流沉积研究方面的最新进展。2.2国内的研究我国自60年代中期才引进浊流理论,而实际研究工作是从70年代才开始,较国外晚了近20年，而且这期间只有李继亮等(1978)公开发表过浊积岩方面的论文。但是从70年代末至80年代初开始并迅速掀起了浊流研究的热潮,1983年召开的全国浊流沉积学术会议使这一研究达到了高潮,很快就跟上了国外的步伐。一方面,展开了包括浊流在内的多种类型重力流沉积特征的研究;另一方面,十分重视重力流沉积模式的研究,不同的学者根据其研究区的资料,先后提出各种地方性或区域性的重力流沉积模式,同时也非常重视碳酸盐岩重力流沉积及沉积模式的研究;再一方面,对重力流含矿性的研究也取得了一定的进展,自50年代早期许靖华等发现浊积砂体可成为油气重要的储集层之后,浊积砂体作为油气储层在世界各地陆续被发现,使浊积砂体成为继三角洲之后又一找油的重要领域,我国许多学者先后在辽河油田、渤海湾盆地等许多地方发现了与重力流有关的油气藏。90年代以来,我国对浊流沉积的研究主要体现在对其内部的层序结构、物源方向及沉积盆地水深的研究方面,有的学者还从储油物性、生储盖组合的空间演化与构造的关系来对深水扇进行研究。由此可见30多年来,浊流沉积的研究已经成为我国沉积学一个非常重要、非常活跃的研究领域。总结浊流沉积的研究历史,可以看出,人们对浊流及相关重力流沉积的研究和认识不外乎以下三个方面:①对浊积岩形态学的研究和认识:包括对浊积岩的内部结构、构造及其垂向组合序列的识别,对浊积相的划分及其相模式的建立。这方面的认识是浅层次的,表面的,但也是最基础的。②从运动学的角度研究浊流的搬运与沉积过程,包括对浊流性质、流态及其在流动过程中变化情况的研究,由此来解释浊积岩的形态学特征；而对于古代浊流沉积来说,这一过程是无法通过沉积物记录进行研究的,只有通过现代一些浊流实验模拟来加以研究、推断。③从动力学角度出发研究浊流的成因,包括其触发机制,搬运机制与沉积机制的研究,由此而解释浊流的运动学机制。以上三个方面的研究,也是浊流研究中的三个不同层次,由表及里,正符合人们认识事物的一般规律。3沉积物重力流随着科学技术的发展以及海洋和湖泊研究的深入,特别是通过大量的现代沉积、野外露头和岩心观察,以及水槽模拟实验,对浊流的流动机制和沉积作用有了许多新的认识,从而大大地充实了对深水浊流沉积的看法,使浊流概念发展成为沉积物重力流(Sedimentgravityflow)的概念。但是长期以来,关于沉积物重力流的划分方案一直存在争议,G.V.Middleton和M.A.Hampron(1973,1976)发表文章指出:沉积物重力流(Sedimentgravityflow)是指沉积物或沉积物与水的混合物在重力作用下，顺斜坡运动形成流动,简称沉积物流，也称块体流。按支撑沉积物的颗粒机制的差异，可分为4类：a.浊流(Turbiditycurrent)：沉积物主要由流体湍流的向上的分力支撑；b.液化沉积物流(Liquefiedorfluidi