重力流沉積:理論研究與野外識(shí)別①

李 林 曲永強(qiáng) 孟慶任 武國(guó)利

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

重力流沉積:理論研究與野外識(shí)別①

李 林1,2曲永強(qiáng)1孟慶任1武國(guó)利1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院 北京 100049)

重力流沉積是(半)深海和深湖環(huán)境中一種重要的沉積現(xiàn)象,因此準(zhǔn)確識(shí)別重力流沉積對(duì)恢復(fù)古代沉積環(huán)境具有重要意義。從沉積物重力流的基本理論出發(fā),介紹四類重力流沉積的特點(diǎn)和野外鑒別特征。碎屑流沉積表現(xiàn)為顆粒大小混雜,底面平坦,板條狀礫石平行層面排列;超高密度流沉積的砂巖呈厚層狀或塊狀,砂巖內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)較大礫石或泥巖碎片,泄水構(gòu)造和液化構(gòu)造常見(jiàn),具逆粒序的顆粒流也屬于超高密度流;高密度流沉積兼具超高密度流和濁流沉積的特點(diǎn);鮑瑪層序Ta-d段是一次濁流事件的產(chǎn)物,但只有Ta段為濁流沉積,Tb-c段為牽引流沉積,Td段為懸浮沉積。在重力流發(fā)展過(guò)程中可出現(xiàn)各種流動(dòng)轉(zhuǎn)換。底流和過(guò)路流對(duì)重力流沉積的改造也是一種普遍現(xiàn)象。

沉積物重力流 碎屑流 濁流 底流 鮑瑪層序

自Kuenen和Migliorini[1]的開(kāi)創(chuàng)性工作以來(lái),沉積物重力流的研究已進(jìn)行了60年,其基礎(chǔ)理論已發(fā)展的相當(dāng)完善[2-7]。然而,自20世紀(jì)90年代晚期,對(duì)沉積物重力流的研究遇到許多新問(wèn)題[8～13],主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:1)由于存在多種建立在不同標(biāo)準(zhǔn)之上的分類體系[3,5,11],造成不同研究者之間交流的障礙;2)對(duì)同一沉積現(xiàn)象存在概念性的偏差,如砂質(zhì)碎屑流[8],超高密度流[11]和泥漿流[14],實(shí)際上指的是同一種流體;3)對(duì)一些重力流沉積現(xiàn)象的理論解釋存在爭(zhēng)論,如逆粒序的成因[15～18]、鮑瑪層序Ta段的解釋[4,6,9～11,19]、以及塊狀砂巖的成因[8,20～22]等。

由于對(duì) Normark[23],Mutti、Ricci-Lucchi[24]和Walker[25]等人建立起來(lái)的水下扇體系開(kāi)始重新思考,從而在重力流沉積理論方面引發(fā)了激烈的爭(zhēng)論。經(jīng)典的理論或被拋棄[26,27],或正受到挑戰(zhàn)[28～35]。因此,如何合理地劃分和解釋重力流沉積已成為研究重力流沉積體系的關(guān)鍵。本文的目的是對(duì)當(dāng)前沉積物重力流的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié),闡述不同類型重力流的流動(dòng)機(jī)制和它們的典型沉積特征,同時(shí)探討如何在野外對(duì)不同重力流沉積進(jìn)行鑒別。

1 沉積物重力流的分類

Dott[2]最早按照流體的流動(dòng)機(jī)制將沉積物重力流劃分為塑性流(碎屑流)和黏性流體流(濁流)兩大類。隨后,Middleton和Hampton[3,4]將顆粒的支撐機(jī)制作為劃分依據(jù)引入到沉積物重力流的分類中,分別是:以流體擾動(dòng)為主要支撐機(jī)制的濁流,以向上運(yùn)動(dòng)的流體所產(chǎn)生的孔隙壓力為主的液化流,以顆粒間相互作用為主的顆粒流,以及以基質(zhì)強(qiáng)度支撐為主的碎屑流.owe[5,6]綜合了前兩者的優(yōu)點(diǎn),他首先依據(jù)流體的流動(dòng)狀態(tài)將沉積物重力流劃分為流體流和碎屑流兩大類,然后再根據(jù)不同的顆粒支撐機(jī)制,細(xì)分為濁流、流體流、液化流、顆粒流和黏性碎屑流等五類。

Middleton和Hampton[3,4]以及Lowe[5,6]的分類囊括了絕大多數(shù)野外所能觀察得到的重力流沉積,并具有較強(qiáng)的實(shí)用性,然而卻存在兩個(gè)問(wèn)題:首先,塊狀砂巖沉積不能歸入以上任何一類重力流沉積.tow等[22]認(rèn)為高密度濁流或砂質(zhì)碎屑流可以形成塊狀砂巖,后文將說(shuō)明即使這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)實(shí)際上也并不恰當(dāng);其次,上述分類中都包含了液化流(流體流),而實(shí)際上液化流并不是一種獨(dú)立的流體[11]。液化流沉積是由重力荷載或地震等誘發(fā)的液化現(xiàn)象改造早期重力流沉積而形成的。液化前的沉積物既可能是濁積巖,也可能是塊狀砂巖。

Mulder和Alexander[11]提出了新的沉積物重力流分類方案,該方案首先根據(jù)沉積物顆粒是否具有黏結(jié)性,將沉積物重力流分為黏結(jié)流(cohesive flow)和摩擦流(frictional flow)兩大類;再根據(jù)流體中沉積物顆粒的含量和主要的顆粒支撐機(jī)制將摩擦流細(xì)分為超高密度流(hyperconcentrated density flow),高密度流(concentrated density flow)和濁流三類(圖1)。

圖1 沉積物重力流的分類及基本特征(總結(jié)自Middleton和Hampton,1976;Lowe,1982;Shanmugam,2000;Mulder和Alexander,2001[4,6,11,36])Fig.1 Classification and essential characteristics of sediment-gravity flows (Summarized from Middleton and Hampton,1976;Lowe,1982;Shanmugam,2000;Mulder and Alexander,2001[4,6,11,36])

2 重力流沉積作用分析

2.1 碎屑流沉積

碎屑流是沉積物顆粒由基質(zhì)支撐的一種流體,基質(zhì)由粒間流體和細(xì)粒沉積物混合而成[11]。這里所描述的碎屑流與Lowe[6]命名的泥流和黏結(jié)碎屑流相同,即基質(zhì)以黏結(jié)性泥為主,顆粒以礫石為主的礫質(zhì)碎屑流[37],而不包括顆粒以砂為主,基質(zhì)中黏結(jié)性泥含量較少的砂質(zhì)碎屑流[8,37]。碎屑流不僅形成于陸上沖積扇環(huán)境[38,39],也廣泛發(fā)育在深水環(huán)境[3,40]。

從流動(dòng)機(jī)制上講,碎屑流屬于塑性流(賓漢姆流)[41](圖1)。塑性流的特點(diǎn)是具有一定的屈服強(qiáng)度,只有當(dāng)外加應(yīng)力超過(guò)流體的屈服強(qiáng)度時(shí),流體才發(fā)生運(yùn)動(dòng)。當(dāng)外加應(yīng)力小于流體屈服強(qiáng)度時(shí),整個(gè)碎屑流就會(huì)以整體凝結(jié)(en masse freezing)的形式沉積下來(lái)[42]。以這種方式形成的沉積物表現(xiàn)為厚層或塊狀,沉積層內(nèi)部礫石大小混雜,一般不具沉積構(gòu)造(圖2A,B)。根據(jù)礫石的支撐機(jī)制,可以將碎屑流沉積分為兩類[6]:一類基質(zhì)含量較多,礫石之間相互不接觸或基質(zhì)支撐(圖2A);另一類的基質(zhì)含量較少,礫石相互之間接觸或顆粒支撐(圖2B)。這里提到的顆粒支撐為碎屑流沉積下來(lái)以后的支撐形式,與流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的基質(zhì)支撐并不矛盾。顆粒支撐的碎屑流沉積中的泥質(zhì)基質(zhì)雖然含量較少,但同樣起到潤(rùn)滑礫石,防止摩擦鎖定(frictional locking)的作用[6]。

另一方面,碎屑流也屬于黏結(jié)流(圖1)。這類流體在流動(dòng)過(guò)程中,由于黏結(jié)性的細(xì)?；|(zhì)具有凝聚力,阻止外部水體的進(jìn)入,從而維持了流體的整體性[11]。進(jìn)入碎屑流底部的水分很難刺穿流體從頂部釋放,從而在碎屑流底部形成一層水膜。這層水膜將上部的黏結(jié)性流體與下伏沉積層隔開(kāi),從而大大降低了下伏層對(duì)上部流體所施加的拖拽阻力。憑借這種滑水機(jī)制(hydroplaning)[43],碎屑流不僅可以流動(dòng)的很快[44]、很遠(yuǎn)[45],而且對(duì)下伏層基本沒(méi)有侵蝕性[38]。因此,碎屑流沉積的又一特點(diǎn)就是底部較為平坦和不具侵蝕性(圖2C)。

由于碎屑流內(nèi)部表現(xiàn)為一種層流狀態(tài)[12,46](圖1),碎屑物質(zhì)在流體內(nèi)順層運(yùn)移,因此板條狀的礫石在流體內(nèi)部剪切力的作用下將發(fā)生旋轉(zhuǎn),并最終平行于層面排列[4](圖2C,D)。需要指出的是,并不是所有板條狀的礫石在碎屑流沉積物中都是平行層面排列。如果沉積時(shí)板條狀的礫石還沒(méi)旋轉(zhuǎn)完全,或者剪切力較小,板條狀礫石的長(zhǎng)軸將會(huì)與層面斜交,并且其扁平面的傾向流體指向上游方向(圖2D),可以用于判定古流向。

圖2 典型碎屑流沉積Fig.2 Typical debris flow deposits

2.2 超高密度流沉積

下面要介紹的三類沉積物重力流都屬于摩擦流。摩擦流中的沉積顆粒是分散的,顆粒之間不具有黏結(jié)性,在流動(dòng)過(guò)程中不能阻止外部水分的進(jìn)入。因此,摩擦流的流動(dòng)特征與流體中水分和顆粒含量的比例密切相關(guān)。相比之下,碎屑流的顆粒含量雖然在較大的范圍內(nèi)變化,但其流動(dòng)性質(zhì)并不發(fā)生明顯的改變[11]。

超高密度流是顆粒含量最高的一類摩擦流,雖然其沉積物含量與碎屑流有重疊[11],但相比于碎屑流,超高密度流中的黏結(jié)性泥顆粒較少,主要由砂質(zhì)構(gòu)成(個(gè)別情況下礫石占主導(dǎo)),表現(xiàn)在流體機(jī)制上就是:超高密度流雖然已不再是黏結(jié)流,但還屬于塑性流(圖1),因此流體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中雖然以顆粒之間的相互作用(分散壓力)為主要支撐機(jī)制,但同時(shí)基質(zhì)強(qiáng)度支撐也起到一定作用[11]。

超高密度流沉積物的沉降機(jī)制有受阻沉降(hindered setting)[47,48]和摩擦固結(jié) (frictional freezing)[6,11]兩種,以受阻沉降為主。在受阻沉降機(jī)制的作用下,不同大小的沉積物顆粒以相同的速度沉降而形成塊狀砂巖。這些塊狀砂巖內(nèi)部不具粒序?qū)雍推渌练e構(gòu)造(圖3A),但通常含直徑0.5～10 cm不等的礫石(圖3B)或者1～30 cm大小的泥巖碎片(圖3C)。礫石和泥巖碎片可以出現(xiàn)在塊狀砂巖層的不同位置,呈分散狀,或集中出現(xiàn)在某一部位。不同類型的泥巖碎片,反映不同沉積過(guò)程和沉積環(huán)境[49]。

如果塊狀砂巖沉積較快,未固結(jié)的砂巖會(huì)發(fā)生液化而在內(nèi)部形成泄水構(gòu)造,如碟狀構(gòu)造和近直立的泄水通道等。如果液化作用強(qiáng)烈,則可造成砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)混亂(圖3D)。此外,厚層砂巖也會(huì)對(duì)下伏泥巖產(chǎn)生較大壓力,從而在砂巖底部出現(xiàn)重荷模,以及由于泥巖向砂巖底部刺入而形成火焰構(gòu)造。

與碎屑流類似,超高密度流也屬于層流,因此其內(nèi)部板條狀礫石或泥巖碎片也大都平行于砂巖層面分布(圖3C),并且底面平坦,對(duì)下伏沉積物不具侵蝕性(圖3C)。然而,由于超高密度流缺少底部的滑水機(jī)制,其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)對(duì)底部沉積物產(chǎn)生牽引,從而誘發(fā)下伏地層發(fā)生不同程度的軟沉積物變形,形成不對(duì)稱褶皺。這種不對(duì)稱褶皺的軸面倒向與流體運(yùn)動(dòng)方向是一致的(圖3E)。

圖3 典型超高密度流沉積及構(gòu)造Fig.3 Typical hyperconcentrated density flow deposits and sedimentary structures

Shanmugam[8]將超高密度流命名為砂質(zhì)碎屑流(sandy debris flow)。這里我們棄用這個(gè)術(shù)語(yǔ),因?yàn)椤八樾剂鳌北旧砭哂小梆そY(jié)流”的含義,而形成塊狀砂巖的超高密度流屬于非粘結(jié)流(摩擦流)。因此,為了不造成概念上混亂,建議使用“超高密度流”這一術(shù)語(yǔ)。

超高密度流除了形成塊狀砂巖外,如果流體中局部區(qū)域砂的含量較高(通常在超高密度流的底部可以達(dá)到這種要求),在分散壓力的作用下可以形成逆粒序砂巖(圖3F)。這種沉積在以前的文獻(xiàn)中被稱為顆粒流沉積[4,6]。逆粒序的成因可以用牽引氈(traction carpet)模式來(lái)解釋[18,50-51]。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō),牽引氈是高密度的顆粒層,并可分為以顆粒連續(xù)接觸為特征的下部摩擦區(qū)和以顆粒相互碰撞為特征的上部碰撞區(qū)[18]。摩擦區(qū)通過(guò)動(dòng)力擠壓作用將較大的顆粒向上擠出,而碰撞區(qū)通過(guò)動(dòng)力篩作用使得較小的顆粒向下運(yùn)動(dòng)。上、下兩個(gè)區(qū)的共同作用可促使逆粒序?qū)拥男纬蒣51]。

雖然砂質(zhì)顆粒流中的逆粒序可以用牽引氈模式解釋,但厚層礫巖中逆粒序的成因卻存在爭(zhēng)議。一種看法認(rèn)為礫巖中的逆粒序是由于沉積物供給體系中沉積物顆粒不斷增大造成的[50,52],另一種觀點(diǎn)認(rèn)為礫巖中的逆粒序是一種受密度改造的顆粒流沉積[53-54]。野外觀察更傾向于后一種解釋。

2.3 高密度流沉積

高密度流的沉積物含量介于超高密度流和濁流之間,其與超高密度沉的區(qū)別在于流動(dòng)機(jī)制已經(jīng)從塑性流變?yōu)榱黧w流,流體狀態(tài)也從層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?圖1)。

實(shí)驗(yàn)研究表明[55],高密度流的結(jié)構(gòu)可分為上、下兩層:上部沉積物顆粒的含量較低,處于紊流狀態(tài),類似于濁流;下部沉積物顆粒的含量較高,其流動(dòng)機(jī)制類似于超高密度流。高密度流可以看成是上部類似濁流與下部類似超高密度流的綜合流體,是一種過(guò)渡性的流體.owe[6]將這種流體稱為“高密度濁流”。然而,這個(gè)命名不太合適,因?yàn)樗鼘崃鞯暮x擴(kuò)大了,這樣做的一個(gè)直接后果就是對(duì)深水沉積相的解釋陷入“扇模式”的誤區(qū)[9,36,56].hanmugam[36]建議將兩部分拆開(kāi),上部為濁流,而下部為砂質(zhì)碎屑流(即本文的超高密度流)。這個(gè)建議并沒(méi)有解決實(shí)際問(wèn)題,因?yàn)殡m然高密度流上、下兩部分的性質(zhì)分別類似于濁流和超高密度流,但這兩部分并不相互獨(dú)立,而是緊密聯(lián)系的。上部不僅給下部提供沉積物質(zhì),而且產(chǎn)生額外的剪切力來(lái)牽引下部流體[11,55]。因此本文建議使用“高密度流”這一術(shù)語(yǔ)。

圖4 典型高密度流沉積Fig.4 Typical concentrated density flow deposits

由于其特殊的流體結(jié)構(gòu),高密度流的特征兼具濁流和超高密度流的特點(diǎn)(圖1)。其沉積物也是如此,既形成超高密度流的典型沉積構(gòu)造,如塊狀砂巖和逆粒序,也發(fā)育濁流沉積的正粒序(圖4A)。高密度流上下兩層形成的不同沉積物相互組合就可以構(gòu)成多種特殊類型的沉積物,如逆粒序?qū)由喜刊B加正粒序?qū)?圖4B),但通常情況下正粒序?qū)酉啾饶媪Ｐ驅(qū)影l(fā)育較好;或者塊狀砂巖上部出現(xiàn)平行層理(圖4C)。還可以見(jiàn)到逆粒序?qū)舆B續(xù)出現(xiàn)(圖4D),這是由于高密度流中的下部層位由上部層位不斷補(bǔ)充沉積物的結(jié)果[6,18]。

圖5 典型濁流沉積及構(gòu)造Fig.5 Typical turbidity current deposits and sedimentary structures

高密度流沉積中出現(xiàn)逆粒序?qū)拥拇瓜虔B加以及逆粒序?qū)优c正粒序?qū)庸采?這兩個(gè)特征可以將其與超高密度流沉積區(qū)分開(kāi)來(lái)。此外,超高密度流形成的塊狀砂巖頂部也不會(huì)出現(xiàn)體現(xiàn)牽引流特征的層理構(gòu)造,除非經(jīng)歷底流改造。

2.4 濁流沉積

濁流是摩擦流中沉積顆粒含量最低的一個(gè)端員組分[11],其內(nèi)部的顆粒以水流擾動(dòng)來(lái)支撐。濁流內(nèi)部完全紊亂,而不像高密度流那樣只是上部處于紊亂狀態(tài)。濁流屬于牛頓流體,因此不具有任何屈服強(qiáng)度,一旦受到外力作用就會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng);或者說(shuō),只要外力不為零,濁流就不會(huì)停止運(yùn)動(dòng),只會(huì)隨著外力的逐漸降低而通過(guò)懸浮沉降的方式卸載其內(nèi)部的沉積顆粒。

濁流大多數(shù)是一類短暫的脈動(dòng)型流體[58]。一個(gè)完整的脈動(dòng)型濁流可以分為頭部、體部和尾部三部分,其中頭部流動(dòng)最為紊亂,體部和尾部的流動(dòng)則相對(duì)較為平穩(wěn)[3-4]。流體擾動(dòng)使得聚集在頭部的顆粒不斷被向外拋出,較粗的顆粒由于自身重力較大又掉落回頭部,這就造成頭部不斷聚集較粗的顆粒,而較細(xì)小的顆粒主要出現(xiàn)在體部和尾部。頭部相對(duì)較粗的顆粒以較快的速度發(fā)生懸浮沉降并形成正粒序(圖5A,B);體部及尾部細(xì)小的顆粒由于沉降速度慢并被逐漸稀釋,而演化成牽引流,形成平行層理和斜層理等沉積構(gòu)造[19](圖5C,D)。如果出現(xiàn)部分液化,還可形成包卷層理。因?yàn)闈崃黝^部與體部和尾部的流動(dòng)狀態(tài)不同,因此有可能頭部還在流動(dòng)前進(jìn)的同時(shí),后部已開(kāi)始發(fā)生沉積,這或許可以解釋正粒序和牽引流形成的平行層以及交錯(cuò)層在野外較少同時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象。此外,由于濁流頭部的紊流強(qiáng)度大,會(huì)侵蝕下伏地層,從而形成各種侵蝕構(gòu)造,如槽模(圖5E),溝模和工具模等,其中槽?？梢杂脕?lái)恢復(fù)古水流的方向[59]。

鮑瑪層序曾被認(rèn)為是濁積巖所特有的沉積構(gòu)造[60]。一個(gè)完整的鮑瑪層序自下而上可分為T(mén)a、Tb、Tc、Td、Te五段(圖5F),其中Te段是遠(yuǎn)洋或半遠(yuǎn)洋懸浮沉積,而對(duì)Ta-d段的成因存在不同的觀點(diǎn).iddleton和Hampton將Ta-d段完全歸因于濁流沉積[3,4].owe則認(rèn)為T(mén)a段為高密度濁流沉積,而Tbd段為低密度濁流的產(chǎn)物[6].hanmugam對(duì)上述觀點(diǎn)提出了質(zhì)疑[9],認(rèn)為只有具正粒序的Ta段才是濁流沉積,呈塊狀的Ta段應(yīng)為砂質(zhì)碎屑流(即超高密度流)沉積,發(fā)育平行層理的Tb段和交錯(cuò)層的Tc段是深水底流對(duì)下伏濁積巖和砂質(zhì)碎屑流沉積改造的結(jié)果,具水平紋層的Td段屬懸浮沉積。

Shanmugam的觀點(diǎn)雖然對(duì)鮑瑪層序的認(rèn)識(shí)提出了質(zhì)疑和挑戰(zhàn),但他的新解釋也有待商榷.b和Tc段的沉積特征指示它們是牽引流沉積,從Ta段到Tb-c段的沉積機(jī)制變化可以用流動(dòng)轉(zhuǎn)換來(lái)解釋,不一定是底流改造的結(jié)果。雖然鮑瑪層序不同層段的沉積機(jī)制不同,但它們呈連續(xù)過(guò)渡沉積,總體上應(yīng)是一次濁流事件的產(chǎn)物。

正粒序是鑒定濁流沉積最重要的依據(jù)[9],但高密度流也可以形成正粒序。二者形成的正粒序區(qū)別在于:濁流由于其紊亂狀態(tài)比高密度流強(qiáng),形成彌散式正粒序(distribution normal grading)[4](圖5A,B);而高密度流常形成粗尾式正粒序(coarse-tail normal grading)(圖4A)[4]。

3 與重力流沉積相關(guān)的沉積現(xiàn)象

3.1 底流改造

野外經(jīng)?？梢砸?jiàn)到一些正粒序砂巖頂部直接出現(xiàn)交錯(cuò)層,形成僅由Ta和“Tc”構(gòu)成的不完整鮑瑪層序(圖6A);還有一些Tb-“Tc”的組合,但是“Tc”中的層理比較混亂,出現(xiàn)雙向交錯(cuò)層,或者交錯(cuò)層切割Tb的平行層理(圖6B)。這類沉積實(shí)際上不是原始沉積的鮑瑪層序Tb-c,而是受底流(bottom current)[61～64]改造的結(jié)果[37]。

原始鮑瑪層序的Tc段是由基質(zhì)含量較多的細(xì)砂巖和粉砂巖組成,內(nèi)部不僅發(fā)育交錯(cuò)層,而且經(jīng)常出現(xiàn)包卷層理和變形層理,與上覆泥質(zhì)沉積物呈過(guò)渡關(guān)系,且不會(huì)對(duì)下伏Ta或Tb段發(fā)生侵蝕。上面所提到的Ta-“Tc”以及Tb-“Tc”組合中的“Tc”段交錯(cuò)層細(xì)砂巖不僅分選好,而且交錯(cuò)層直接切入到下伏的正粒序中(圖6A),或出現(xiàn)雙向交錯(cuò)層(圖6B)。這些特點(diǎn)表明“Tc”并不是鮑瑪層序中原始沉積的Tc,而是后期底流改造的結(jié)果。“Tc”段與上覆泥巖界限截然的現(xiàn)象也進(jìn)一步指示二者不是在一次沉積事件中形成的。不完整和不同形式的鮑瑪層序是由于底流對(duì)原始鮑瑪層序Ta-d段進(jìn)行不同程度改造的結(jié)果[37]。依據(jù)改造的程度,可以出現(xiàn)Ta-Tb-“Tc”,Ta-“Tc”或者僅有“Tc”(圖6C)的“鮑瑪層序”。

另外,經(jīng)常在塊狀砂巖頂部出現(xiàn)的沙紋狀交錯(cuò)層也應(yīng)是底流改造的結(jié)果。但也不能一概而論,如圖4D中的塊狀砂巖和平行層理的組合就不是塊狀砂巖受底流改造而形成的,而應(yīng)為高密度流的產(chǎn)物。因?yàn)閳D4D中的平行層理及上部層位泥質(zhì)含量較高,而如果是受底流改造的話,則這些細(xì)粒泥質(zhì)物將會(huì)被沖走,留下較為純凈的平行層理砂巖。

底流本身并不攜帶碎屑物質(zhì),它只是對(duì)原始沉積進(jìn)行改造。如果底流改造作用強(qiáng)烈,則原始沉積層的成因難以識(shí)別,只能稱此類沉積層為底流沉積。底流沉積具有以下特點(diǎn)[37]:巖性主要為細(xì)砂巖和粉砂巖,內(nèi)部發(fā)育平行層理和交錯(cuò)紋層,交錯(cuò)層多為低角度、少數(shù)為陡傾的變形層理;底面與下伏地層為侵蝕接觸;較厚的細(xì)砂巖和粉砂巖(5～15 cm)在側(cè)向上連續(xù)性非常好,內(nèi)部結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出兩種情況:1)結(jié)構(gòu)成熟度較好,底面具明顯侵蝕性,而且頂面截然;2)基質(zhì)含量較高,經(jīng)常顯示由平行層理、沙紋交錯(cuò)層、水平紋層的向上變化趨勢(shì)。粒度向上變細(xì),頂界呈過(guò)渡性。相對(duì)較薄的細(xì)砂巖和粉砂巖分選較好,但側(cè)向連續(xù)性較差,經(jīng)常呈不連續(xù)的夾層存在于泥質(zhì)沉積物之中。部分細(xì)砂巖和粉砂巖表現(xiàn)為透鏡狀或饑餓交錯(cuò)沙紋層。一些細(xì)砂巖和粗粉砂巖中的交錯(cuò)層系之間夾有不連續(xù)的泥質(zhì)層,表現(xiàn)為夾有泥質(zhì)細(xì)脈的沙紋狀交錯(cuò)層。

圖6 與重力流沉積相關(guān)的水下沉積現(xiàn)象Fig.6 Special submarine sedimentary phenomena relevant to gravity flow sediments

3.2 流體過(guò)路

流體過(guò)路(flow bypass)指的是流體在向前運(yùn)動(dòng)路徑上的某些點(diǎn)只通過(guò)而沒(méi)有發(fā)生沉積。一個(gè)沉積層序中是否發(fā)生過(guò)流體過(guò)路,主要是看過(guò)路流是否留下了可以識(shí)別的痕跡,如侵蝕構(gòu)造等。如圖6D,塊狀砂巖的頂部出現(xiàn)侵蝕溝槽,但是其上覆為泥巖,而泥巖為懸浮沉積,不可能對(duì)下伏塊狀砂巖產(chǎn)生侵蝕,因此在泥巖沉積之前,一定有侵蝕性流體(如濁流)通過(guò),但通過(guò)的濁流沒(méi)有發(fā)生沉積。至于后期形成的泥巖,既可能是濁流后部的細(xì)粒沉積物通過(guò)懸浮沉降形成的,也可能是濁流事件結(jié)束后深?；虬肷詈腋〕练e的結(jié)果。

因?yàn)榇嬖诹黧w過(guò)路的現(xiàn)象,所以盡管濁流可以形成槽模,但槽模并不是鑒定濁流沉積的決定性標(biāo)志。濁流形成的沖槽如果被濁流沉積物覆蓋,那么在濁積巖底部會(huì)出現(xiàn)槽模;但是如果濁流在形成沖槽后并沒(méi)有發(fā)生沉積,而是繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),這些沖槽就會(huì)被隨后其它成因的沉積物所覆蓋,如超高密度流形成的塊狀砂巖。野外經(jīng)常可以見(jiàn)到一些塊狀砂巖的底部出現(xiàn)槽模和工具模,可以用流體過(guò)路的理論進(jìn)行解釋,它們并不是濁流沉積物。

表1 重力流沉積和相關(guān)水下沉積的典型特征及沉積環(huán)境1,*Table1 Typical identification characteristics and sedimentary environment of gravity flow sediments and relevant submarine sediments

3.3 流動(dòng)轉(zhuǎn)換

流動(dòng)轉(zhuǎn)換(flow transformation)在沉積重力流沉積中是一種相當(dāng)普遍的現(xiàn)象,它是指一類流體可以在其遷移過(guò)程中轉(zhuǎn)換為另一類流體.isher總結(jié)了碎屑流與濁流之間的四種轉(zhuǎn)換方式[65]:體轉(zhuǎn)換,重力轉(zhuǎn)換,表層轉(zhuǎn)換和液化轉(zhuǎn)換。其中只有重力轉(zhuǎn)換描述的是濁流向碎屑流的轉(zhuǎn)換,其它三種方式都可以使碎屑流轉(zhuǎn)換為濁流。從高密度的層流(碎屑流)向低密度的紊流(濁流)轉(zhuǎn)換比較容易,從理論上也證明了這一推論[66]。表層轉(zhuǎn)換可能最為普遍,因?yàn)楦呙芏鹊牧黧w隨著外部水分的不斷進(jìn)入,或者通過(guò)自身沉積物的不斷卸載,使得其密度不斷降低而轉(zhuǎn)化為低密度的流體[67]。研究表明,即使沉積物密度保持不變,只要碎屑流的速度變得足夠快,也可以轉(zhuǎn)變?yōu)榉丘そY(jié)的超高密度流[65,68]。

反過(guò)來(lái),濁流向碎屑流的轉(zhuǎn)變則似乎不那么常見(jiàn).alling等報(bào)道了在距海岸線1 500 km之外的深海由濁流轉(zhuǎn)換成碎屑流的現(xiàn)象[69]。這種轉(zhuǎn)換被認(rèn)為與濁流的侵蝕性相關(guān):濁流在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,侵蝕下伏巖層,并將侵蝕下來(lái)的物質(zhì)裹入其內(nèi)部,從而使得濁流的密度不斷加大。由于濁流自身的紊流狀態(tài)被擬制,逐漸向高密度流轉(zhuǎn)換,繼而形成超高密度流。如果濁流侵蝕下來(lái)的物質(zhì)具有較大黏結(jié)性(如泥巖),那么濁流將最終可能轉(zhuǎn)換成碎屑流[69～71]。這種流動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)制可以很好的解釋前面提到的塊狀砂巖中泥巖碎片的成因(圖3C)。

一類容易被忽視的流動(dòng)轉(zhuǎn)換是在脈動(dòng)型濁流事件中濁流向牽引流的轉(zhuǎn)換:濁流內(nèi)部顆粒在大量沉降后,其密度會(huì)不斷降低,從而演變?yōu)闋恳鳌?/p>

4 小結(jié)

本文所描述的4類沉積重力流的理論(圖1)及典型沉積特征(圖2-圖6,表1)是在野外劃分重力流沉積巖相的基本依據(jù)。然而,野外重力流沉積往往是很復(fù)雜的,如不同類型重力流沉積特征出現(xiàn)在一個(gè)沉積相中;此外,還經(jīng)常受到底流,過(guò)路流等的改造。因此,為了野外更好的識(shí)別重力流沉積,不僅要熟知不同類型重力流沉積的典型特征,更要了解產(chǎn)生這些沉積特征的理論基礎(chǔ)。只有這樣,才能在野外合理解釋復(fù)雜沉積層的形成機(jī)理。對(duì)于濁流,應(yīng)該遵循其最原始的定義[1,60],不應(yīng)無(wú)限擴(kuò)大其含義。如將塊狀砂巖與逆粒序砂巖都?xì)w為濁流成因[20],將造成對(duì)深水沉積環(huán)境的解釋陷入“水下扇模式”的思維程式。正如Shanmugam[9]所指出的那樣,濁流沉積并不像扇模式所暗示的那樣大規(guī)模存在,碎屑流沉積、超高密度流沉積和底流改造沉積可能占有更大的比例。我們的野外工作也支持這種觀點(diǎn)。

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Gravity Flow Sedimentation:Theoretical Studies and Field Identification

LILin1,2QU Yong-qiang1MENG Qing-ren1WU Guo-li1,2
(Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100029; Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

As an important sedimentary phenomenon,gravity flow sedimentation is widespread in deep-marine and deep-lacustrine environments.Obviously,differentiation of different types of gravity-flow sediments is crucial for reconstructing paleo-depositional environment.Four distinct types of gravity flows and their diagnostic sedimentary structures are introduced,which can be used as guide for field identification.Debris flow depositions are characterized of their disorganized internal texture,flat bed base,and parallelism of planar clasts to bedding.Thick-bedded and massive sandstones are usually formed by hyperconcentrated density flow;typified by occurrence of out-sized clasts,ripup mudstones,water escape structures and other liquefaction-related structures.Grain flow is a subtype of hyperconcentrated density flows,and inverse grading is characteristic of its deposits.Concentrated density flow possesses the depositional characteristics of both hyperconcentrated density flow and turbidity current.Ta-d divisions in Bouma sequence are the products of one turbidity currentevent,butonly Ta is formed from turbidity current.Tb-c divisions are actually generated from traction flow,whereas Td division is fallout deposits.Flow transformation can occur in the processes of gravity flows,and the gravity-flow sediments are often reworked by bottom currents and bypass flows to varying degrees.

gravity flow;debris flow;turbidity current;bottom current;Bouma sequence

李林 男 1986年出生 碩士研究生 大地構(gòu)造與盆地分析 E-mail:li.lin8611@gmail.com

P512.2

A

1000-0550(2011)04-0677-12

①國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40830314)和中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程重要方向項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):KZCXZ-YW-Q05-02)聯(lián)合資助。

2010-03-30;收修改稿日期:2010-06-23