丘狀交錯(cuò)層理的成因探討

賴志云（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023）

賴偉慶（中國石油天然氣海外勘探開發(fā)公司科技管理部，北京100034）

丘狀交錯(cuò)層理的成因探討

賴志云（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 荊州434023）

賴偉慶（中國石油天然氣海外勘探開發(fā)公司科技管理部，北京100034）

為探討丘狀交錯(cuò)層理的成因，在室內(nèi)通過渦流運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在水盆中心區(qū)形成微微上凸、向四周緩緩傾斜的丘狀沉積體。因此，提出丘狀交錯(cuò)層理成因的新觀點(diǎn)；同時(shí)，還應(yīng)用圓周運(yùn)動(dòng)理論解釋了風(fēng)暴巖沉積序列的形成機(jī)理。

丘狀交錯(cuò)層理；渦流；正常浪底；風(fēng)暴浪底；圓周運(yùn)動(dòng)

丘狀交錯(cuò)層理一詞是哈姆斯（Harms）于1975年正式提出的［1］。在這以前曾被不同學(xué)者賦予不同的名稱，如“不穩(wěn)定的層理”（Crazy－bedding）、 “切割的（浪成）波狀層理”（Truncated wave ripple lamination）［2］、“亞濱海帶席狀砂巖”（Sub－littoral sheet sandstone）［3］。然而，面對(duì)這種層理構(gòu)造進(jìn)行專門的研究是在1979年以后，如沃克等近年來做了大量工作。

1 丘狀交錯(cuò)層理特征

吳崇筠等［4］認(rèn)為：丘狀交錯(cuò)層理（圖1）是由一系列大型寬緩的波狀層系組成，層的曲面向上凸和向下凹的均有，波長大約1～5m；波高20～40cm；細(xì)層傾角小、很少超過8～10°；細(xì)層厚度從幾厘米到25cm；組成物質(zhì)較細(xì)，常為粉細(xì)砂，細(xì)層呈塊狀，或者不太明顯的平行層理（微彎曲）或不太明顯的遞變層理，粒度向上變細(xì)或變粗的均有。

圖1 丘狀交錯(cuò)層理幾何形態(tài)立體示意圖（據(jù)文獻(xiàn)［4］，有改動(dòng)）

丘狀交錯(cuò)層理的下界面清楚，可能為侵蝕沖刷面，但坡度很?。ㄐ∮?0°），其上部的細(xì)層與底界面平行或近于平行，上部層面微微凸起的圓丘狀，向四周緩緩傾斜（圖1）。在任何方向的垂直切面上均呈丘形或扇形，這是與牽引流形成的大型槽狀交錯(cuò)層理（Trough Cross Stratification，簡(jiǎn)稱TCS）的最大區(qū)別，后者在垂直水流方向的切面上呈槽形，在平行水流方向的切面上則呈向下游傾斜的層理。

2 前人成果

關(guān)于丘狀交錯(cuò)層理的成因（洼狀交錯(cuò)層理同樣），由于沒有人能從自然界直接觀察到，目前哈姆斯、沃克等人均根據(jù)其沉積特征、分布層位和其他沉積相的共生關(guān)系來推測(cè)的，他們認(rèn)為是在風(fēng)暴盛行的臨濱下部至濱外地區(qū)的沉積［1］。在這種地區(qū)風(fēng)暴引起的巨浪觸及海底的深度——風(fēng)暴浪底，要比晴天浪底（正常浪底）的深，如圖2所示。

暴風(fēng)（或颶風(fēng)）形成丘狀交錯(cuò)層理的過程是，暴風(fēng)掀起的巨浪強(qiáng)烈地沖刷海岸物質(zhì)，回流將這些物質(zhì)帶回海中，形成砂泥含量很高的密度流。當(dāng)這些密度流帶到風(fēng)暴浪底之下的安靜環(huán)境中，便形成具鮑馬序列的濁流沉積。當(dāng)密度流被帶到風(fēng)暴浪底與晴天浪底之間的海底地帶，由懸浮狀態(tài)沉積下來，觸及海底的巨浪的峰和谷在這些沉積物的表面經(jīng)過時(shí)，便將其刻塑成大型的平緩的波狀起伏的表面。由于巨浪無固定方向，故沉積物表面的起伏也不具有定向排列，而是一個(gè)個(gè)平緩的丘狀，向周圍緩緩傾斜。所以丘狀體不是由水流沙粒移動(dòng)形成的沙垅。晴天浪底以上的濱淺海，密度流沉積下來時(shí)不斷遭到波浪、潮汐、沿岸流和河流等作用，因而具有明顯的牽引流作用的槽狀交錯(cuò)層理和其他沉積構(gòu)造。

圖2 暴風(fēng)浪與密度流形成的關(guān)系示意圖（據(jù)文獻(xiàn)［5］，有改動(dòng)）

張金亮等［6］大多數(shù)研究者認(rèn)為，丘狀交錯(cuò)層理是振蕩水流或多向水流形成的。它形成于正常浪底之下，風(fēng)暴浪底之上。

如此看來，形成丘狀交錯(cuò)層理的水域，人們的看法是一致的。現(xiàn)在的問題是形成該水域內(nèi)沉積物表面一個(gè)個(gè)平緩丘狀體的水動(dòng)力條件是什么？這需要進(jìn)一步探討：假設(shè)水體作振蕩運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)水底沙粒運(yùn)動(dòng)，形成波狀起伏的沙波，其波脊在平面上呈直線型或曲線型展布，其結(jié)果是不能形成丘狀的（圖3）；如果是多向水流作用也只能形成像海灘沙常具有的交錯(cuò)層理（圖4），而不能形成丘狀交錯(cuò)層理。

圖3 板狀、楔狀、槽狀、波狀交錯(cuò)層理的剖面、平面特征（據(jù)文獻(xiàn)［7］，有改動(dòng)）

圖4 波浪波痕交錯(cuò)層理縱剖面特征

3 成因探索

筆者認(rèn)為螺旋式前進(jìn)的颶風(fēng)引起的海水（湖水）渦流，可能是形成丘狀交錯(cuò)層理的水動(dòng)力條件。為了驗(yàn)證，筆者做了這樣的試驗(yàn)：

用一個(gè)臉盆裝半盆水（內(nèi)徑32cm，水深7cm），抓一把沙子（100g）帶幾顆小礫石，沿著盆壁徐徐放入，沙子沿盆壁底下圍成一個(gè)圈，盆的中心區(qū)是無沙子的。試驗(yàn)開始時(shí)，在盆中心區(qū)用手撥動(dòng)水體做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，形成渦流，受離心力的影響，盆壁出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，水位升高，而中心區(qū)水位降低，于是造成水體在中心區(qū)與在盆壁所受到的壓力不等，盆壁水體所受的壓力大于中心區(qū)。這種壓差使得從盆壁流向中心的底流和從中心流向盆壁的表流構(gòu)成橫向環(huán)流（圖5），來自盆壁底流攜帶沙子向中心聚集。開始轉(zhuǎn)速較慢（前5圈平均流速0.376m/s），移動(dòng)的沙粒較細(xì)，也較少；隨著旋轉(zhuǎn)速度的加大（至第10圈平均流速0.507m/s），粒級(jí)也變粗，數(shù)量也增多。當(dāng)盆緣區(qū)已無沙礫時(shí)，停止撥動(dòng)水體，此時(shí)還見幾顆礫石（其中一顆礫石直徑為10mm）還在沉積體的邊緣移動(dòng)，有一些片狀礦物在沉積體表面微微顫動(dòng)。等水體完全平靜時(shí)，那個(gè)微微凸起的、向四周緩緩傾斜圓丘狀沉積體（直徑8cm）出現(xiàn)在水盆中心區(qū)（圖6）。

圖5 渦流運(yùn)動(dòng)形成的橫向環(huán)流

圖6 渦流運(yùn)動(dòng)形成的圓丘狀沉積體

通過上述試驗(yàn)，筆者認(rèn)為風(fēng)暴掀起的巨浪，強(qiáng)烈沖刷海岸（湖岸）物質(zhì)，回流將它們帶到正常浪底之下、風(fēng)暴浪底之上的區(qū)域，沉積下來的物質(zhì)表面被后來的旋渦運(yùn)動(dòng)的颶風(fēng)帶動(dòng)水體形成渦流，沉積物表面在螺旋式前進(jìn)的渦流作用下形成丘狀交錯(cuò)層理，如圖7所示。

圖7 丘狀交錯(cuò)層理成因示意圖

從圖7可以看出，前期1a、1b、1c、1d沉積之后，遭受渦流侵蝕沖刷作用，把丘狀體上凸部位沖刷掉，然后在丘狀體的凹部位沉積了后期的2a、2b、2c、2d細(xì)層系，結(jié)果在圖中A處出現(xiàn)了既有上凸又有下凹組成的丘狀交錯(cuò)層理。這就是通過上述試驗(yàn)對(duì)丘狀交錯(cuò)層理成因的新解釋。

丘狀交錯(cuò)層理成因的渦流，對(duì)張金亮等［6］提出的湖泊風(fēng)暴巖的沉積序列的形成機(jī)理給出了滿意的解釋。

按照?qǐng)A周運(yùn)動(dòng)公式v＝ω×r，設(shè)ω不變，v隨半徑增大而增大，把渦流的運(yùn)動(dòng)分為外、中、內(nèi)3個(gè)區(qū)。外區(qū)速度最大，侵蝕沖刷能量最強(qiáng)，能把早期沉積的泥質(zhì)層打碎，滾動(dòng)磨圓成為泥礫，在外區(qū)沉積了具有塊狀構(gòu)造的含泥礫砂層；在中區(qū)沉積了平行層理砂層；在內(nèi)區(qū)沉積了具丘狀交錯(cuò)層理的粉砂層。由于渦流作螺旋式的向前推進(jìn)，在外區(qū)沉積物上沉積了中區(qū)具有平行層理的沉積物，接著又沉積了內(nèi)區(qū)具有丘狀交錯(cuò)層理構(gòu)造的沉積物，以及具有透鏡及壓扁層理、波狀層理的砂泥互層和塊狀泥層。上述沉積物經(jīng)成巖作用成為各種巖石。就這樣形成了自下而上，由粗變細(xì)，中間夾有丘狀交錯(cuò)層理的完整的湖泊風(fēng)暴巖的沉積序列（如圖8）。

圖8 湖泊風(fēng)暴巖的沉積序列（據(jù)文獻(xiàn)［8］，有改動(dòng)）

4 結(jié) 論

1）丘狀交錯(cuò)層理形成于正常浪底之下、風(fēng)暴浪底之上的水域。

2）上述區(qū)域的沉積物表面，在風(fēng)暴引起的螺旋式前進(jìn)的渦流作用下，形成丘狀交錯(cuò)層理。

3）應(yīng)用圓周運(yùn)動(dòng)公式v＝ω×r，渦流作螺旋式的向前推進(jìn)，回答了自下而上中間夾有丘狀交錯(cuò)層理的風(fēng)暴巖的沉積序列。

在試驗(yàn)中遇到的問題，得到了高守雙（物理學(xué)副教授）及時(shí)解疑，居亞娟同學(xué)提供有關(guān)信息，在此表示衷心感謝！

［1］Harms J C.Stratification and sequence in prograding shoreline［Z］.Deposits Sac.Econ.Paleontologists Mineralogists Short Course 2，1975.8l～102.

［2］Campbell C V.Truncated wave－ripple laminate［J］.Journal Sedimentary Petrology，1966，36：7～26.

［3］Goldring R，Bridges P.Sublittoral sheet sandstones［J］.Journal Sedimentary Petrology，1973，3：736～747.

［4］吳崇筠，裘懌楠，朱國華.暴風(fēng)浪形成的丘狀交錯(cuò)層理和洼狀交錯(cuò)層理［J］.石油勘探與開發(fā)，1983，10（4）：80.

［5］Gilbert G K.Ripple－marks and cross－bedding［J］.Bull Gel.Soc.Amer.，1899，10：135～140.

［6］張金亮.陸相儲(chǔ)層沉積學(xué)進(jìn)展［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1996.

［7］路鳳香.巖石學(xué)［M］.北京：地質(zhì)出版社，2002.

［8］張金亮，秦建峰.東濮凹陷沙三段的風(fēng)暴沉積［J］.沉積學(xué)報(bào)，1988，6（1）：65～56.

Study on the Genesis of Moundy Cross－stratification

LAI Zhi－yun（College of Geosciences，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）
LAI Wei－qing（Overseas Petroleum Exploration and Development Company，CNPC，Beijing100034，China）

For the cause of hummocky cross－stratification，there was no experimental method to validate it by predecessors.Through a laboratory experiment of eddy current movement，it was found out that the moundy deposit slightly convexed upwards and slightly inclined around and formed in the laver center.Thus the new viewpoint of the cause of moundy cross－stratification is put forward.At the same time，the form mechanism of the storm depositional sequence is also explained by using the circle movement theory.

moundy cross－stratification；eddy current；normal wave base；storm wave base；circle movement

TE121.3

A

1000－9752（2010）05－0042－04

2010－03－01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40772078）。

賴志云（1930－），男，1953年中南礦冶學(xué)院畢業(yè)，教授，現(xiàn)主要從事碎屑巖儲(chǔ)層沉積學(xué)及湖盆沉積模擬試驗(yàn)研究工作。

［編輯］ 宋換新