水下碎屑流沉積：深水沉積研究熱點與進展

鮮本忠，安思奇，施文華

1）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京，102249；

2）中國石油大學（北京）地球科學學院，北京，102249

內(nèi)容提要：自20世紀50年代以來，作為沉積物搬運兩大主要動力之一的重力流因其在記錄地質(zhì)事件、改造地表地貌和勘查油氣資源方面的特殊意義而引起廣泛關(guān)注。重力流研究歷史經(jīng)歷了現(xiàn)象觀測、概念體系建立、沉積模式建立、工業(yè)應用與質(zhì)疑和碎屑流研究深化5個階段。近期，以深海水下碎屑流為核心的研究重建了“砂質(zhì)碎屑流”概念，新建立了以碎屑流細分為主要內(nèi)容的3套重力流分類，提出并討論了水下碎屑流“滑水”搬運機制特征、形成條件，系統(tǒng)分析沉積物濃度、粘土含量及成分對水下重力流性質(zhì)及搬運沉積過程的影響。繼20世紀60～70年代重力流研究熱潮后，1996年以來水下碎屑流為主的研究再次掀起新一輪研究熱潮。綜合沉積物重力流研究現(xiàn)狀、進展和當前油氣工業(yè)勘探開發(fā)需求，指出未來水下碎屑流研究動態(tài)包括：①水下碎屑流成因分類體系的建立及重力流分類體系的完善；②實地觀測與模擬實驗結(jié)合下水下碎屑流發(fā)育機制深化；③重力流泥巖沉積機制及油氣意義和④水下碎屑流主控型重力流沉積模式的建立及其在油氣勘探開發(fā)中的應用。

河流和水下重力流是沉積物搬運的兩大主要動力，其沉積作用也極大地改造著地貌形態(tài)。由于直接觀測的困難和模擬實驗的局限性，人們對水下重力流的搬運、沉積過程及其動力學特征的研究遠落后于河流。隨著人們認識自然界愿望的日益增加，尤其是地質(zhì)災害防治和油氣資源勘探方面的迫切需求，推動了深水重力流沉積的研究，人們也日漸意識到其重要的科學、社會和經(jīng)濟意義（Amy et al.，2009）。

工業(yè)生產(chǎn)的迫切需求是促進科學研究的重要動力。隨著全球深水油氣勘探的促進，深水沉積成為當前地質(zhì)學領(lǐng)域研究的熱點（蔣恕等，2008）。過去20多年，在南美、西非大西洋沿岸、墨西哥灣、北海及我國南中國海、鄂爾多斯盆地、渤海灣盆地深水沉積的油氣勘探都證實，儲層的預測是深水沉積重力流砂巖油藏勘探、開發(fā)的關(guān)鍵（龐雄等，2012，2007）。截止目前，我國在珠江口盆地（龐雄等，2012；李磊等，2012；吳時國等，2011）、鄂爾多斯盆地（李相博等，2011；鄒才能等，2009）和渤海灣盆地東營凹陷（董冬，1999；王德坪，1991）、南堡凹陷（鮮本忠等，2012）深水沉積區(qū)的油氣勘探均取得重要突破。僅鄂爾多斯盆地和東營凹陷就在深水砂巖中探明石油地質(zhì)儲量超過6×108t。國內(nèi)外勘探實例均展現(xiàn)了深水沉積油氣勘探的巨大潛力，促進了重力流沉積研究不斷進步，同時也暴露出一些問題。主要表現(xiàn)在對已發(fā)現(xiàn)油氣儲層的成因解釋混亂和預測性地質(zhì)模型缺失、對泥質(zhì)異地沉積及其對頁巖氣資源影響研究的忽略和對水下碎屑流搬運、沉積機制及發(fā)育模式認識程度偏低，在工業(yè)影響上集中反映為早期油氣勘探“泛濁流”的偏見。本文擬從重力流研究歷程入手，介紹水下碎屑流沉積研究進展，分析水下碎屑流沉積研究中存在的問題及發(fā)展動態(tài)。

1 重力流沉積研究階段

自Kuenen和 Migliorini（1950）提出“遞變層理是濁流標志”并建立濁流經(jīng)典模式（Bouma，1962）之后，以濁流理論為核心的重力流研究迅速發(fā)展，沉積學界、油氣工業(yè)界“濁流革命”持續(xù)發(fā)酵、影響至今（汪品先，2009）。

據(jù)統(tǒng)計，2000年以來 Elsevier Science和 GSW出版的期刊中重力流沉積年發(fā)論文數(shù)量從20世紀90年代平均每年35篇左右一舉增長至每年350篇左右（李祥輝等，2009），繼20世紀60～70年代之后又一次掀起了重力流沉積研究熱潮。參考Shanmugam（2000）對重力流沉積研究歷史的回顧和2000年之后的研究進展，筆者將重力流沉積研究的歷史劃分為5個階段（圖1）。

（1）1950年以前，隨機觀察階段。以 Forel（1887）對瑞士湖密度流現(xiàn)象的描述、Milne（1897）對水下垮塌沖斷電纜的首次發(fā)現(xiàn)、Johnson（1938）引入濁流（Turbidity Current）概念為代表。

（2）1950～60年代，概念體系建立階段。以Kuenen和Migliorini（1950）濁流是正遞變層理的成因的提出為起點，以現(xiàn)代海洋濁積巖的發(fā)現(xiàn)（Heezen and Ewing，1952），顆粒流（Bagnold，1954）、濁積巖（Turbidite）（Kuenen，1957）、碎屑流（Crowell，1957）概念的提出以及“鮑瑪序列”的建立（Bouma，1962）為核心內(nèi)容。

（3）1970年代，沉積模式建立階段。以Normark（1970）引入的現(xiàn)代水下扇模式為起點，Mutti和Ricci（1972）提出的水道—朵葉體水下扇模式，Walker（1978）提出的綜合水下扇模式是這一階段的代表。同時，Hampton（1972）首次對水下碎屑流的模擬實驗，Hampton（1975）基于模擬實驗首次提出的“砂質(zhì)碎屑流”概念，開始吸引人們對水下碎屑流研究的關(guān)注。

（4）1980～1995年，工業(yè)應用與質(zhì)疑階段。以Kvenvolden（1981）對深海成因的油氣成因探討為起點，開始根據(jù)實際資料不斷修正早期模式，建立新的沉積模式。從垂向模式看，Bouma（1962）的“鮑瑪序列”建立之后，Lowe（1982）針對礫質(zhì)和砂質(zhì)“高密度濁流”，Stow和Piper（1984）針對細粒低密度濁積補充建立了對應相序模式。在立體模式方面，開始認識到重力流沉積的復雜性，Reading和 Richards（1994）提出基于沉積物組成和供給系統(tǒng)的重力流沉積模式是其反映；Shanmugam（2000）強調(diào)了滑塌巖和碎屑流占主導的斜坡模式。

（5）1996年后，碎屑流研究階段。雖然碎屑流的研究在20世紀70、80年代已多有開展，但除了針對地質(zhì)災害的研究外，在深水沉積中引起的關(guān)注有限。在 Postma等（1988）和 Oakeshott和 Ivry（1989）的物理模擬結(jié)果基礎(chǔ)上，將碎屑流從高密度濁流研究中剝離出來（Shanmugam，1996），引起學界的關(guān)注。此外，Iverson（1997）對碎屑流過程的物理學系統(tǒng)總結(jié)，Marr等（1997）的低粘土含量水下碎屑流第一次模擬實驗及Mohrig等（1998）水下碎屑流“滑水機制”的提出，以及Ilstad等（2004）物理模擬實驗中沉積物中粘土礦物含量對滑水機制形成影響的討論，Elverhoi等（2005）對海底碎屑流頭部滑水機制動力學數(shù)值模擬從物理機制、物理模擬、數(shù)值模擬驗證等進行的理論完善和大量水下碎屑流沉積實例的解 剖 （Gee et al.，1999；Marr et al.，2002；Georgiopoulou et al.，2010；Talling et al.，2007），不斷深化碎屑流理論研究的同時，再次掀起了重力流研究的熱潮。

另外，參考的科學發(fā)展階段劃分可將目前沉積物重力流的研究進程分為隨機觀察（Random observation）、第 一 范 式 （First paradigm）、質(zhì) 疑（Crisis）和革新（Revolution），認為 1996年以來水下碎屑流的深入研究突破了原有理論、認識，正處于革新的階段之中（圖1）。

2 水下碎屑流研究進展

20世紀90年代中期以來的研究發(fā)現(xiàn)，之前很多利用濁流理論解釋的露頭、鉆井資料中越來越多地識別出大量碎屑流沉積，不斷修正著人們對深水沉積過程和沉積規(guī)律的認識。自Shanmugam（1996）明確提出并建立其砂質(zhì)碎屑流概念，將碎屑流研究從高密度濁流研究中剝離出來以來，水下碎屑流研究很快成為沉積學研究的熱點。

最早對碎屑流開展系統(tǒng)研究的是Johnson（1965）和Hampton（1970）的博士論文研究。之后，Johnson（1970）發(fā)文明確了碎屑流的流變模型；Hampton（1972）報道了水下碎屑流模擬實驗、動力學特征和滑動—碎屑流—濁流之間的過渡關(guān)系。以此為起點，水下碎屑流研究陸續(xù)取得重要進展，介紹如下。

2.1 重建了砂質(zhì)碎屑流概念及理論體系

砂質(zhì)碎屑流并不是一個新的概念。早在1972年Hampton（1972）就通過模擬實驗，并基于低粘土含量的碎屑流實驗分析，首次提出了“砂質(zhì)碎屑流”的概念。后來，通過模擬實驗認識到“高密度濁流”可以分為下部碎屑流和上部濁流兩部分（Postma et al.，1988）。Shanmugam（1996）明確提出“高密度濁流”并非一種單一流體，而是由砂質(zhì)碎屑流和“低密度濁流”復合的新認識（圖2）。

圖1 重力流沉積研究重要進展與階段劃分（據(jù)Shanmugam，2000修改）Fig.1 Key progresses and stages division of studies on sediment gravity flow（modified from Shanmugam，2000）

圖2 基于物理模擬的砂質(zhì)碎屑流與濁流分層解釋模型（據(jù)Postma et al.，1988；Shanmugam，1997）Fig.2 Two-layer interpretation model for sandy debris flow and turbidity current based on physical modeling（from Postma et al.，1988；Shanmugam，1997）

Shanmugam（1996，2000）提出的“砂質(zhì)碎屑流”是相對于傳統(tǒng)認為的“泥質(zhì)碎屑流”而言的。在具體劃分標準上，砂質(zhì)碎屑流的劃分是在 Shultz（1984）提出的沉積物重力流分類體系基礎(chǔ)上進行綜合的結(jié)果（圖3）。

Hampton（1975）的實驗表明，在海底砂質(zhì)沉積物中粘土含量在2%甚至更低的情況下，仍然可能快速流動形成碎屑流沉積。由于其粘土含量低，砂質(zhì)顆粒含量高而被稱為“砂質(zhì)碎屑流”（Shanmugam，1996）。砂質(zhì)碎屑流很好地解釋了基質(zhì)含量極低的、潔凈的水下塊狀砂巖的成因。為了進一步理解“砂質(zhì)碎屑流”在重力流沉積中的地位和相對復雜的支撐機制，Shanmugam（1997）討論了顆粒流和碎屑流（現(xiàn)在稱為泥質(zhì)碎屑流）的支撐機制、流變學特征和存在的問題，指出“砂質(zhì)碎屑流”是介于傳統(tǒng)（泥質(zhì)）碎屑流和顆粒流之間的過渡類型，代表了粘性和非粘性碎屑流之間的連續(xù)作用過程，從流變學特征看屬于塑性流，其沉積物支撐機制包括基質(zhì)強度、分散壓力和浮力。

明確了砂質(zhì)碎屑流與“高密度濁流”的關(guān)系，建立了其與顆粒流、濁流、泥質(zhì)碎屑流的關(guān)系和分類圖版，明確了其在流體性質(zhì)、流動狀態(tài)、搬運和沉積機制方面的特殊性，也就建立起了砂質(zhì)碎屑流的概念及理論體系（Shanmugam，1996，2000）。后來，模擬實驗（Marr et al.，1997）及在 Canary島0.05度的微斜坡上觀測到的400km砂質(zhì)碎屑流搬運（Gee et al.，1999）均驗證了砂質(zhì)碎屑流的存在及解釋的合理性。

圖3 沉積物重力流組成及砂質(zhì)碎屑流定義圖示（據(jù) Shanmugam，1996重繪）Fig.3 Classification scheme for sediment gravity flow and definition of sandy debris flow（modified from Shanmugam，1996）

在中國東部渤海灣盆地（董冬，1999；鮮本忠等，2007，2012）和中部鄂爾多斯盆地（鄒才能等，2009；Li XB et al.，2011）的重力流沉積中識別出“砂質(zhì)碎屑流”或“碎屑流”沉積并探討了其物性和含油氣意義，拓寬了陸相盆地勘探領(lǐng)域。

2.2 圍繞水下碎屑流，重新建立了重力流分類體系

科學分類體系的建立既是知識規(guī)律化、條理化的需要，也是對客觀事物屬性、發(fā)展規(guī)律科學認識的體現(xiàn)。沉積物重力流研究之初，Middleton和Hampton（1973）建立的沉積物重力流四分體系影響最廣。后來，Shanmugam等 （1994）認為顆粒流非常少見、液化流并非一種獨立的流體，并根據(jù)沉積物重力流形成過程提出滑動、滑塌、碎屑流和濁流四分的體系，強調(diào)了碎屑流和濁流在海底沉積物重力流中的重要意義。由于對（水下）碎屑流沉積過程和內(nèi)部機制認識的匱乏，長時間以來一直視其為一種類型，并未細分。

Shultz（1984）終于打破這一僵局，提出了碎屑流、顆粒流、濁流的沉積物重力流三端元劃分方案，并根據(jù)屈服強度、流體紊動性和顆粒間相互作用，進而將碎屑流細分為4種類型：①塑性碎屑流（plastic debris flows），屈服強度高、層流和雜基支撐，塊狀雜基支撐雜礫巖沉積；② 富碎屑碎屑流（clast-rich debris flows with either plastic or pseudoplastic），高屈服強度高、層流和顆粒碰撞支撐，反遞變碎屑支撐雜礫巖沉積；③ 假塑性碎屑流（pseudoplastic debris flows），屈服強度低、層狀或紊狀流動、雜基支撐，沉積物包括塊狀碎屑支撐雜礫巖和遞變雜基支撐雜礫巖；④ 慣性推移質(zhì)假塑性碎屑流（Pseudoplastic debris flow with inertial bedload），屈服強度低、層狀或紊狀流動、顆粒碰撞支撐，反遞變碎屑支撐雜礫巖，與第2種流體相似。雖然受限于其沖積扇背景，這里的沉積產(chǎn)物均為雜礫巖，并不能完全代表水下碎屑流沉積特征，但該分類第一次依據(jù)支撐機制、流動狀態(tài)和流體性質(zhì)對碎屑流進行分類，具有重要意義。

王德坪等（1987）報道了東營凹陷的水下碎屑流沉積，提出了“內(nèi)成碎屑沉積”的概念，認為該沉積與“真正泥石流（碎屑流）”不同（王德坪，1991），總結(jié)了其中泥質(zhì)撕裂塊、砂質(zhì)礫屑和粉砂質(zhì)團塊方面的識別標志；結(jié)合流變學中對賓漢流體內(nèi)部分層結(jié)構(gòu)特征，總結(jié)其自下而上的流動阻滯段、層流段和剛性筏沉積韻律性特征。

之后，Postma（1986）擯棄了重力流分類傳統(tǒng)的流變學和主控支撐機制標準，提出基于流體類型、流體行為和沉積物濃度的新分類體系。由于低沉積物濃度條件下難以形成層流，實際可能存在的流體類型只有6種。再考慮到實際發(fā)育程度，較多見的流體類型只有3種：低沉積物濃度非粘滯性紊狀的濁流、高沉積物濃度粘滯性層流狀的碎屑流和高濃度非粘滯性層流狀“非粘滯碎屑流”。Coussot和Meunier（1996）利用流體中固體含量和物質(zhì)類型，提出了泥流（mudflow）和（顆粒質(zhì)）碎屑流（granular debris flow）。

經(jīng)過20世紀80～90年代的積累，Mulder和Alexander（2001）基于流體密度、顆粒支撐機制提出了水下沉積密度流從濁流、濃密度流、超濃密度流到碎屑流的四分體系（圖4）。與上述討論中認為碎屑流存在非粘結(jié)性的認識不同，作者強調(diào)了只有粘結(jié)流體方可稱為碎屑流。該分類很簡單，體系完整，回避了“高密度濁流”中流體分層后底部層流部分流體性質(zhì)的問題，但“濃密度流”的識別標志不清楚，在實際操作中識別難度較大。其次，超高密度流與Shanmugam（1996）討論的“砂質(zhì)碎屑流”相當，其中無礫部分的塊狀砂巖到底為顆粒流還是砂質(zhì)碎屑流成因有待明確，含漂浮礫石部分是否歸為碎屑流沉積也存在爭議。

與 Mulder和 Alexander（2001）不同的是，Tailling等（2012）根據(jù)深水密度流沉積過程提出的從碎屑流到濁流的沉積分類體系中認為碎屑流可以分為粘結(jié)性碎屑流、弱粘結(jié)性碎屑流和非粘結(jié)性碎屑流（圖5）。其中，又將粘結(jié)性碎屑流細分為低強度、中等強度和高強度粘結(jié)性碎屑流，其沉積產(chǎn)物分別為低強度（DM-1）和高強度泥質(zhì)碎屑流（DM-2）沉積，前者泥質(zhì)含量低、漂浮碎屑含量也低，砂質(zhì)雜基支撐為主；后者泥質(zhì)含量增加、漂浮碎屑含量提高，碎屑粒徑和流體密度都增大；弱粘結(jié)碎屑流中粘結(jié)強度不足以支撐砂質(zhì)顆粒，產(chǎn)出潔凈砂質(zhì)碎屑流沉積（DCS）；非粘結(jié)性碎屑流中不含粘結(jié)性泥，孔隙壓力快速遞減，搬運距離短，可產(chǎn)出非常潔凈砂質(zhì)碎屑流沉積（DVCS）。此外，密度流形成的泥巖中除了濁流成因的 TE-1和 TE-2以外，還發(fā)育碎屑流成因（TE-3），其層流泥層可遠距離搬運至盆地低洼處形成巨厚泥巖沉積。所以，Tailling等（2012）實際劃分出了4類5種碎屑流沉積類型（圖6）。關(guān)于作者提出的平行層理砂巖層（TB-3），文中將其解釋為濁流成因并認為通常位于濁流底部的遞變層理砂巖（TA）之下（圖5），這很難理解。本文認為其應為碎屑流沉積，其中的“平行層理”實際上是碎屑流下部的“層流塞（laminar plug）”中長條狀碎屑的定向排列或“面狀結(jié)構(gòu)”，這與TB的平行層理砂巖有根本差別。按理說，“層流塞”上部應該存在“剛性筏”段，可能因其薄而被作者忽略。但從該文圖24對應圖中右側(cè)給出的相序剖面中發(fā)現(xiàn)在下部塊狀或“平行層理”的頂部存在漂浮狀礫石層，這可能就是其中的“剛性筏”段。

圖4 根據(jù)沉積物濃度、流變行為和顆粒支撐機制的沉積物密度流分類圖解（據(jù)Mulder and Alexander，2001）Fig.4 Classification scheme of sediment density flow according to sediment concentration，rheological behavior and grain support mechanism（from Mulder and Alexander，2001）

2.3 深化了水下碎屑流發(fā)育機制認識，提高了沉積解釋能力

嚴格地說，水下碎屑流發(fā)育機制應分為形成機制、搬運機制和沉積機制。因為現(xiàn)場（海底、湖底）直接測量的困難，實驗室物理模擬仍然是獲取流體內(nèi)部流變學特征、流體性質(zhì)及沉積產(chǎn)物特征的主要手段。盡管尺度（比例）的合理性和深水高壓環(huán)境是目前實驗室物理模擬難以克服的兩大障礙，應用模擬實驗仍然在水下碎屑流搬運和沉積機制方面取得了重要的進展。

圖5 水下密度流術(shù)語、分類體系及顆粒支撐機制（據(jù)Tailling et al.，2012）Fig.5 Terminology and classification scheme of subaqueous density flows and their sediment support mechanism（from Tailling et al.，2012）

在形成機制方面，除了地形坡度外，流體中沉積物濃度和成分對水下碎屑流的形成具有重要的影響。學界對此問題的研究集中在兩個方面，一是流體中沉積物濃度（或密度）對碎屑流形成的影響，二是沉積物的組成（泥、砂比例與粘土礦物類型）流體性質(zhì)及沉積特征的影響。為了方便，下面分開討論。

2.3.1 沉積物濃度（或流體密度）對水下碎屑流形成的影響

重力流是一種密度流體。沉積物和水混合物的流變學性質(zhì)主要取決于沉積物濃度，其次在較小程度上也受到沉積物顆粒大小、物理和化學性質(zhì)的影響（Shanmugam，1996）。顆粒濃度高不僅增加了密度，而且增加了流體的粘度和分散壓力。流體的高密度或濃度趨向于抑制湍流，而湍流正是區(qū)別濁流與其他沉積物重力流的重要屬性。

圖6 碎屑流的搬運、沉積狀態(tài)及沉積特征（據(jù)Tailling et al.，2012）Fig.6 Transport phase，depositional phase and deposit characteristics of debris flows（from Tailling et al.，2012）

目前為止，對于重力流或水下碎屑流形成的最低沉積物含量或流體密度要求尚沒有一個統(tǒng)一的認識。Kuenen（1966）提出將1.1g/cm3作為低密度流和高密度流的分界值。1.1g/cm3大致相當于6%固體體積濃度，即認為6%體積濃度以上便是一種高密度流體了。后來，Lowe（1982）提出高密度濁流的起始沉積物濃度必須高于20%～30%；Shanmugam（2000）提出了砂質(zhì)碎屑流沉積物體積濃度＞25%、泥質(zhì)碎屑流＞50%（顆粒流也要求＞50%，但其中泥或粘土含量不同）的認識。Mulder和Alexander（2001）系統(tǒng)總結(jié)了前人提出的沉積物濃度（體積）與沉積物重力流類型之間的關(guān)系，分別定義濁流、濃密度流、超濃密度流和粘結(jié)性流的沉積物體積含量為9%以下、9%～40%、40%～70%和35%～85%。后兩種在沉積物體積濃度上存在明顯重疊，可能與粘土含量及組成有關(guān)。

2.3.2 粘土礦物對水下碎屑流形成的影響

目前比較一致地認為，粘土礦物對水下碎屑流，甚至是所有重力流的形成都具有重要影響，但其影響程度并無統(tǒng)一的認識。具體而言，粘土礦物的影響體現(xiàn)在兩個方面：粘土含量（或沉積物中泥、砂比例）和粘土礦物的類型。

2.3.2.1 沉積物含量及泥、砂相對比例對流體性質(zhì)及沉積特征的影響

為了探索不同砂泥比例條件下沉積物重力流沉積規(guī)律及沉積特征上的差異，Amy等（2006）利用34組不同泥、砂比例沉積物在不同鹽度水體中的懸浮沉積實驗，將沉積產(chǎn)物分為5種類型：I遞變層理潔凈砂層，II底部塊狀上部遞變潔凈砂層，III遞變泥質(zhì)砂層，IV塊狀潔凈砂層和V塊狀泥質(zhì)砂巖層（圖7）。據(jù)圖可知：①泥質(zhì)含量較低且穩(wěn)定時，隨著流體中砂質(zhì)含量增高，濁流成因的遞變層理砂巖開始向分層的高密度流（下部為碎屑流、上部為濁流）、“砂質(zhì)”碎屑流轉(zhuǎn)換；②砂質(zhì)含量一定，隨著泥質(zhì)含量增加砂質(zhì)濁流向泥質(zhì)碎屑流轉(zhuǎn)化；③類型I和V之間可能存在突變接觸，說明濁流成因的貧泥遞變砂和碎屑流成因的富泥塊狀泥質(zhì)砂可近于同時發(fā)生，這為重力流沉積結(jié)構(gòu)中的雙峰現(xiàn)象提供的合理的解釋；④濁流中泥質(zhì)含量的小幅度增大可轉(zhuǎn)換形成碎屑流，為海底濁流搬運中下蝕海底泥質(zhì)物而導致其中泥質(zhì)含量增加、產(chǎn)生碎屑流的解釋提供了依據(jù)。值得注意的是，由于沒有考慮流體運動的影響，本實驗結(jié)果可能與較高水壓條件下的海底或湖底碎屑流沉積過程存在差異。

圖7 不同泥、砂含量的流體懸浮沉降后沉積類型劃分圖版（據(jù)Amy et al.，2006修改）Fig.7 Settling regimes and the resulting deposit types after suspension of different sand and mud contents（Modified from Amy et al.，2006）

為了進一步討論沉積物體積濃度相同（體積濃度為65%，流體密度為1.69g/cm3）、但泥砂比例不同的碎屑流（通過剪切應力測量可知）的搬運、沉積過程的差異性，Ilstad等（2004）開展了粘土體積濃度條件下水槽實驗模擬研究。實驗證明，粘土礦物含量高的高粘結(jié)性流體，更易于形成底部的“滑水作用”，搬運更遠的距離，導致粘土相對含量高者沉積速率相對越快（Ilstad et al.，2004）。

2.3.2.2 粘土礦物成分對水下碎屑流形成的影響

目前對粘土礦物成分差異對水下碎屑流形成和搬運過程、沉積過程的影響的研究相對缺乏。Marr等（2001）通過對富砂水下重力流的實驗，探索了不同粘土礦物成分對碎屑流形成的影響。實驗結(jié)果表明，當水含量在25%～40%（沉積物質(zhì)量百分比60%～75%）時，0.7%～5%質(zhì)量百分比的斑脫巖粘土或者7%～25%質(zhì)量百分比的高嶺土條件下便可生成粘結(jié)性重力流。這說明不同成分的粘土礦物，其形成碎屑流的最低要求存在較大差異，對于斑脫土其質(zhì)量百分含量最低要求為0.7%，而對于高嶺土則最低質(zhì)量百分含量要求為7% （Marr et al.，2001）。

2.3.3 “滑水機制”的提出和完善深化了水下碎屑流搬運機制的認識

Mohrig等（1998）通過模擬實驗首次提出了水下碎屑流“滑水機制（hydroplaning）”，認為水下碎屑流前端滑翔碎屑流和滑塊之下的潤滑水層（薄層水膜）的存在減少了阻力，提高了流頭速度，導致水下碎屑流在低角度坡度下長距離、弱侵蝕搬運成為可能。Gee等（1999）報道的0.05°微斜坡上砂質(zhì)碎屑流的搬運超過了399km；Carter（2001）報道的流經(jīng)新西蘭聚合板塊邊緣由幾期滑塌構(gòu)成的太平洋深層西部邊界流（DWBC）流程達200km；Marr等（2002）報道的含有大量粘土和粉砂的大規(guī)模沉積物在Bear島附近搬運了100～200km；Georgiopoulou等（2010）報道的西北非Sahara大型海底沉積物搬運近900km；Talling等（2007）報道了目前水下碎屑流最遠搬運距離（1500km）的北非海底扇。以上實例都證實了該搬運機制的合理性，也突顯了水下碎屑流沉積的規(guī)模。

之后，Harbitz等（2003）用力學方法分析了該機制的形成條件；Elverhoi等（2005）用數(shù)值方法建立了實際海底下碎屑流頭部形成滑水機制后的動力學模型；Ilstad等（2004）用模擬實驗得出了只有沉積物中粘土礦物含量足夠高的碎屑流才容易形成滑水機制的新認識，提醒人們并非所有的碎屑流均可形成滑水機制。

3 研究動態(tài)

結(jié)合目前國際沉積學界沉積物重力流相關(guān)研究進展和目前油氣工業(yè)界在深水砂巖、碳酸鹽巖和頁巖中油氣的勘探開發(fā)，筆者認為以水下碎屑流為核心的深水沉積將在以下4方面取得進展。

3.1 水下碎屑流流體及沉積的成因分類體系及重力流分類體系的完善

水下碎屑流是當前重力流研究中的薄弱環(huán)節(jié)。由于對其沉積過程及相關(guān)動力參數(shù)變化規(guī)律認識程度較低，目前對水下碎屑流及其沉積的分類比較亂。反之，合理的水下碎屑流成因體系的建立，不僅有助于分類型建立不同碎屑流沉積的沉積特征和典型識別標志，為研究者提供深入研究的工具，促進其在工業(yè)界、環(huán)境界的科學推廣；還有助于完善沉積物重力流分析系統(tǒng)，促進沉積物重力流相關(guān)理論研究。

3.2 結(jié)合實地觀測數(shù)據(jù)和物理、數(shù)值模擬實驗結(jié)果，深化水下碎屑流搬運與沉積機制研究

早期的水下碎屑流發(fā)育機制研究是在露頭或鉆井巖芯描述基礎(chǔ)上結(jié)合實驗室模擬進行的，已在沉積物濃度與流體性質(zhì)、粘土含量與流體性質(zhì)和高強度粘結(jié)流體“滑水作用”搬運機制方面取得了重要進展，但由于難以獲取深海高壓、高速條件下流體相關(guān)參數(shù)和過程，其模擬結(jié)果與實際流體可能存在差異，需要在深海實測輔助下改進相關(guān)物理和數(shù)值模擬，深化深海水下碎屑流及濁流發(fā)育機制研究。

此外，由于根據(jù)沉積產(chǎn)物反演沉積過程方法自身的局限性，其對沉積物重力流搬運過程，尤其是在此過程中流體的轉(zhuǎn)換過程常常無能為力。不同重力流流體之間的轉(zhuǎn)換及其沉積之間的組合關(guān)系作為重力流沉積的基礎(chǔ)問題，也有待大量實地觀測數(shù)據(jù)標定基礎(chǔ)上的物理和數(shù)值模擬精度的提高。

3.3 重力流泥質(zhì)沉積機制及油氣資源評價研究

長期以來油氣工業(yè)更多地關(guān)注深水環(huán)境中的粗粒砂質(zhì)沉積，常常忽視了其中的重力流成因的泥質(zhì)沉積。一方面，加強重力流成因的泥巖的發(fā)育機制和沉積特征研究有助于完善沉積物重力流理論；另一方面，頁巖油、氣資源的巨大經(jīng)濟效益也要求對深水背景下頁巖、泥巖中有機質(zhì)富集規(guī)律進行研究，進而改進頁巖油氣資源評價和勘探部署。

3.4 水下碎屑流主控型重力流沉積模式的建立及油氣勘探開發(fā)

20世紀70年代以來建立了3類重力流沉積模式：扇—朵 葉體 模 式 （Normark，1970；Walker，1978）、斜坡扇—舌狀體模式（Shanmugam，2000）以及考慮物源成分和供給條件的組合模式（Reading and Richards，1994）。當越來越多地面對海（湖）底朵狀—扇形、斜坡堆積裙、峽谷—水道充填體、崗堤狀復合體、楔狀砂體、席狀披覆砂體、舌狀丘形體及改造型不規(guī)則等沉積形態(tài)和復雜多變的沉積特征時，我們發(fā)現(xiàn)深水沉積極其復雜，目前對深水環(huán)境下沉積作用和砂體分布的認識仍很幼稚（Shanmugam，2000）。其中，水下碎屑流沉積特征的多樣性是導致深水沉積模式復雜多變的重要原因。另外，在勘探初期對于滑動、滑塌、碎屑流成因混雜的“塊體搬運沉積（MTDs）”的研究難以滿足油氣開發(fā)階段對油藏內(nèi)部儲層分布、性能及滲流規(guī)律認識的要求，這也要求精細的儲層構(gòu)型研究工作以輔助開發(fā)部署及提高油氣采收率。

4 結(jié)論

（1）沉積物重力流的研究經(jīng)歷了5個階段：1950年之前自由觀察、1950～60年代理論體系建立、1970年代沉積模式建立、1980～1995年工業(yè)應用與質(zhì)疑和1996年后的水下碎屑流研究階段，其中水下碎屑流的研究進展不斷修正著前期認識，成為當期沉積物重力流中最具活力的研究領(lǐng)域。

（2）以流變學性質(zhì)和沉積物支撐機制審視“高密度濁流”及其相關(guān)解釋基礎(chǔ)上，重建了“砂質(zhì)碎屑流”概念和識別標志，為大套深水砂質(zhì)儲層的成因解釋、儲層評價和勘探前景帶來新的思路。

（3）圍繞著碎屑流細分，新建立了3套沉積物重力流分類體系：（a）以 Shultz（1984）和 Shanmugam（1996）為代表的濁流—顆粒流—碎屑流3分體系（碎屑流再 4分或 2分）；（b）Mulder和 Alexander（2001）為代表的濁流—濃密度流—超濃密度流—碎屑流四分體系和（c）Tailling等（2012）為代表的濁流—碎屑流兩分體系，其中碎屑流再細分為3類5種。

（4）“滑水作用”是水下碎屑流搬運的重要機制之一，是低坡度深水盆地中大規(guī)模沉積物長距離、弱侵蝕搬運的重要原因。粘土礦物含量高、高強度粘結(jié)性水下碎屑流更易于底部“滑水作用”的形成；沉積物濃度、粘土礦物含量、粘土礦物成分是決定沉積物重力流性質(zhì)（類型）的3大核心因素。

（5）未來水下碎屑流研究將可能在（a）水下碎屑流成因分類及重力流分類體系的完善，（b）水下碎屑流發(fā)育機制，（c）泥質(zhì)水下碎屑流（及濁流）沉積及油氣和（d）水下碎屑流主控型重力流沉積模式的建立方面重點發(fā)展。

致謝：感謝美國德州大學奧斯汀分校（UT at Austin）的David Mohrig教授和Wonsuck Kim博士在問題討論和論文撰寫過程中提出的意見。