淺談沉積物重力流分類與深水沉積模式

李相博，衛(wèi)平生，劉化清，王菁

中國石油勘探開發(fā)研究院西北分院，蘭州 ，730020

內(nèi)容提要：從濁流理論創(chuàng)立到現(xiàn)在的60余年時間里，深水沉積學研究已經(jīng)取得了長足進展。但由于水下過程的復(fù)雜性，對沉積物重力流及沉積模式的認識存在頗多分歧。本文在對深水沉積研究歷史與進展進行回顧與總結(jié)的基礎(chǔ)上，對重力流各種分類方案及相應(yīng)沉積模式進行了對比分析，認為：① 人們對深水沉積的認識經(jīng)歷了一個螺旋式上升旋回；Bouma序列成因存在多種解釋；砂質(zhì)碎屑流概念是對Bouma序列、扇模式的發(fā)展。② 沉積物重力流分類必須遵循流變學和沉積物搬運機制的重力流分類方法。③ Shanmugam新近建立的碎屑流主導斜坡模式解決了斜坡區(qū)的砂體成因分布問題(原來認為此處“過路不?！睙o砂質(zhì)沉積)。④ 地震沉積學的發(fā)展與應(yīng)用必將促進人們對深水沉積的認識，從而建立更合理的深水沉積模式。

深水沉積領(lǐng)域是當前全球油氣勘探與研究的前緣(龐雄等，2007)，然而，目前國內(nèi)外對深水沉積過程、沉積作用及沉積模式的理解存在較大分歧(李祥輝等，2009；李云等，2011；李存磊等，2012),表現(xiàn)在近年來文獻中出現(xiàn)了許多新名詞，如高密度濁流、低密度濁流與砂質(zhì)碎屑流等，再如海底扇、深水扇與濁積扇等。其實有些術(shù)語描述的是同一沉積過程或現(xiàn)象，而有些術(shù)語雖然大家都用，但含義卻各有所指(如濁積巖)。過多的分類和名詞術(shù)語，容易造成對同一地質(zhì)現(xiàn)象的概念偏差和誤解及認識分歧。

當前，我國深水(包括深海地區(qū)與陸相盆地半深湖—深湖區(qū))油氣勘探在即，客觀上要求對深水砂巖儲層進行準確預(yù)測，而實現(xiàn)這一目的關(guān)鍵是對深水沉積作用及其過程理論體系的精細研究。本文在查閱大量文獻資料基礎(chǔ)上，對沉積物重力流研究歷史與進展進行了簡要回顧與總結(jié)，試圖通過對重力流各種分類方案及相應(yīng)沉積模式等基礎(chǔ)問題的對比分析，理清存在的問題和分歧原因，并提出自己的看法，以期對促進我國陸相湖盆深水沉積研究有所裨益。

1 深水沉積研究歷史回顧

深水沉積體系的研究始于對濁流的認識和相關(guān)突破，其中1950年Kuenen和Migliorini(1950)聯(lián)名發(fā)表的“濁流是遞變層理的形成原因？”一文具有劃時代意義，它突破了傳統(tǒng)的機械沉積分異觀點，標志著濁流理論的正式建立，從此揭開了深水沉積學研究的新篇章。而在這之前,地質(zhì)學家普遍認為深海平原是一個寧靜世界,僅僅接受遠洋懸浮沉積(Shanmugam ,2000)。

從濁流理論建立至20世紀末期，深水沉積學研究取得了極大的豐富和進展，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是在20世紀60年代初，Kuenen的學生Bouma(1962)根據(jù)野外觀察, 對濁流沉積形成的垂向上的沉積結(jié)構(gòu)、巖相組合特征進行了系統(tǒng)分析和總結(jié)，建立了著名的Bouma序列,這一相模式至今仍在沉積巖研究中得到廣泛的應(yīng)用。二是在Bouma序列研究基礎(chǔ)上，建立了多個深水沉積的扇模式，如Normark (1970，1978)的現(xiàn)代扇模式(Modern-fan model)、Mutti(1977)及Mutti和Ricci (1972)的古代扇模式(Ancient-fan model)、Walker(1978)的綜合扇模式(General-fan model)以及Vail等(1991)的層序地層模式(Sequence-stratigraphic models)等，其中以Walker(1978)的綜合扇模式最為經(jīng)典，被廣泛使用。這些扇模式的建立將濁流與濁積巖研究推向了高潮，可以說在上世紀70～80年代，Bouma序列和各種扇模式是深水沉積中最有影響的研究工具，在深水(海)油氣勘探實踐中發(fā)揮了積極作用(Shanmugam,2000)。

然而，隨著人們對深水牽引流沉積的深入研究, Bouma序列的多解性顯得越來越明顯(張興陽等，2001)。其實，從上世紀60年代中期開始,對濁流的定義和理解就產(chǎn)生了分歧和爭論(Sanders, 1965)，到80年代關(guān)于Bouma序列、扇模式和濁積巖相模式的一些基礎(chǔ)性問題被提出(Shanmugam and Moiola,1985; Shanmugam ,1990)，而且在首屆扇學術(shù)會議(COMFAN)上，Bouma(1983)就指出現(xiàn)代和古代扇系統(tǒng)比預(yù)想的要復(fù)雜得多。盡管存在這些問題，扇模式還是一直支配深水沉積學的發(fā)展，并推動著深水油氣勘探。到90年代，人們開始反思、質(zhì)疑直至否定扇模式，提出質(zhì)疑的也正是一些曾經(jīng)支持濁流理論的學者，如Shanmugam 和 Moiola (1995)、Shanmugam(1996)、Normark(1991)、Walker(1992a, 1992b)等。進入21世紀前后，一些沉積學家(Shanmugam,1996,2002;Ben?and Mason,2005)陸續(xù)否定了這一傳統(tǒng)認識，提出在海相深水區(qū)發(fā)育大規(guī)模塊體搬運及砂質(zhì)碎屑流的新認識(詳見后文)。其實，我國學者王德坪(1991)很早就注意到在東營漸新世斷陷湖盆中存在這類沉積，只是沒有引起人們的重視而已。他們的這一新認識都源于其實驗(Jeffrey and Peter,2001；Rafael?et al.,2010)、剖面的詳細描述和對沉積作用過程的精細研究(Shanmugam，2000)，目前代表了近10年來深水沉積研究領(lǐng)域的最新進展。

需要說明的是，Shanmugam在提出砂質(zhì)碎屑流新認識的同時，對濁流理論的基礎(chǔ)“Bouma序列”提出了嚴厲批評，并在其發(fā)表的“濁積巖十大神話”論文中徹底否定了“Bouma序列是濁流成因”的著名論斷(Shanmugam,2002)。但從我國60年深水沉積研究歷史看，有關(guān)濁積巖與Bouma序列的典型范例非常之多(李繼亮等，1978；孫樞和陳海鴻，1987；李禎等，1995；李文厚等，1997；雷懷玉等，1999；陳全紅等,2006；鄭榮才等,2006；夏青松和田景春,2007；孟慶任等，2007；傅強等,2008)，筆者在鄂爾多斯陸相湖盆延長組深水砂體的露頭和巖芯中也見到過具有典型Bouma序列的濁積巖(李相博等，2009，2010a，2010b，2011；Li Xiangbo et al.,2011)，因此，筆者認為“Bouma序列”的客觀存在是不容置疑的，只不過其成因可能存在多解性，既可以由濁流作用在一次事件中產(chǎn)生，也可以像Shanmugam認為的由碎屑流與底流共同作用而產(chǎn)生(Shanmugam ，2000)。

綜上所述，從上世紀50年代初期開始認識濁流，到60～80年代Bouma序列和相關(guān)扇模式的建立與廣泛使用，再到90年代對Bouma序列與相關(guān)扇模式的質(zhì)疑與否定，最后到21世紀今天砂質(zhì)碎屑流概念與模式的提出，深水沉積研究經(jīng)歷了一個認識上的螺旋式上升旋回。

2 沉積物重力流分類

進行科學的分類是地學研究的重要內(nèi)容之一，過去60年來，沉積學家在不同階段從各自不同角度出發(fā)，建立了各種不同的沉積物重力流分類方案。

2.1 早期流變學或支撐機制分類

Dott(1963)最早按照流體的流動機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(1973)將顆粒的支撐機制作為劃分依據(jù)引入到沉積物重力流的分類中，將沉積物重力流沉積系統(tǒng)劃分為 4個類型,即泥石流(或碎屑流)、顆粒流、液化沉積物流和濁流。由于這些分類僅考慮了單一因素情況，后人在其基礎(chǔ)上進行了修改。

表 1 Lowe 的沉積物重力流分類表(據(jù)Lowe ,1982)Table 1 Classification of sediment gravity flow, according to Lowe(1982)

2.2 流變學與支撐機制的綜合分類

圖1 Mulder的沉積物重力流分類(據(jù)Mulder and Alexander,2001 )Fig. 1 Classification of sediment gravity flow (after Mulder and Alexander, 2001)

Lowe(1979,1982)綜合了Dott(1963)與Middleton 和 Hampton(1973)的分類優(yōu)點，他首先依據(jù)流體的流動狀態(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)不同的顆粒支撐機制，細分為濁流、流體化流 、液化流、顆粒流和黏性碎屑流等5類(表 1)。Lowe(1979)區(qū)分了通常當作同義詞使用的液化流( liquefied flow )和流體化流( fluidized flow )，在液化流中，顆粒僅受到向上逃逸流體的部分支撐(流體阻力) ,而在流體化流中,顆粒受到向上逃逸流體的完全支撐。

上述Middleton 和 Hampton(1973)以及 Lowe(1979,1982)的分類具有一定實用性(李林等，2011)。然而，這些分類本身存在著如下無法克服的問題: ① 通常只考慮了單一支撐機制的情況，然而在自然流體中涉及的支撐機制絕對不止一個；② 僅考慮的是沉積物在搬運過程中的支撐機制,然而研究人員面對的沉積物反映的卻是在沉積階段的支撐機制；③ 如何根據(jù)沉積記錄確定搬運機制是一個問題，目前人們可以利用沉積特征推斷在沉積作用的最后階段占優(yōu)勢的作用,但是這些特征不一定與整個搬運過程有關(guān)，目前還沒有一個公認的標準從沉積物中確定搬運機制(Shanmugam,2000)。

2.3 Mulder的新分類

新世紀初期，Mulder 和 Alexander(2001)根據(jù)流體的物理性質(zhì)和顆粒搬運機制,提出了一種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制將摩擦流細分為超高密度流( hyperconcentrated density flow) ，高密度流( concentrated density flow) 和濁流3類( 圖1)。

Mulder的分類基本遵循了Kuenen和Migliorini(1950)及Bouma(1962)等人對濁流的原始定義，將濁流限定在牛頓流體范圍內(nèi)，指出正粒序是鑒定濁流沉積最重要的依據(jù)，這無疑是正確的。然而在該分類中，碎屑流沉積被認為是由基質(zhì)支撐的一種流體，并不包括基質(zhì)中黏結(jié)性泥質(zhì)含量較少的砂質(zhì)碎屑流。而在超高密度流等摩擦流中，Mulder認為其沉積顆粒是分散的，顆粒之間不具有黏結(jié)性(Mulder and Alexander，2001)。顯然，按照這一分類思想，近年來人們在鄂爾多斯盆地延長組中發(fā)現(xiàn)的粘塑性且多數(shù)具顆粒支撐結(jié)構(gòu)的塊狀砂巖沉積(李相博等，2009； Li Xiangbo,et al.,2011；鄒才能等，2009)不能歸入以上任何一類，因此該方案值得商榷。

2.4 Shanmugam新流變學分類

Shanmugam ( 2000)將沉積物重力流劃分為牛頓流體(Newtonian flows)和塑性流體(plastic flows)，強調(diào)了流變學(rheology)在重力流分類中的重要性。

需要說明的是，雖然Dott(1963)最早也以流變學為基礎(chǔ)將沉積物重力流劃分為塑性流和黏性流體流，但其分類過于簡單化沒有被后人廣泛認可。Shanmugam(1996)也不認可Lowe(1982)將濁流分為高密度濁流與低密度濁流的觀點, 因此他在修改Shultz(1984)分類的基礎(chǔ)上，增加了砂質(zhì)和泥質(zhì)碎屑流(圖2), 認為濁流只有低密度而無高密度, 所謂的高密度濁流實際上是砂質(zhì)碎屑流成因，與低密度濁流本身沉積機理完全不同。

圖 2 Shanmugam的沉積物重力流分類三角圖(據(jù)Shanmugam, 1996)Fig. 2 Classification triangle diagram of sediment gravity flow (after Shanmugam, 1996)

砂質(zhì)碎屑流的概念內(nèi)涵包括以下幾個要點: ① 塑性流變；② 多種沉積物支撐機制(內(nèi)聚強度、摩擦強度及浮力)；③ 塊體搬運方式；④ 砂和礫大于25%～30%；⑤ 25%～95%沉積物(碎石、砂、泥)體積濃度；⑥ 可變的粘土含量(比重低到0.5% )。

Shanmugam(2000)認為砂質(zhì)碎屑流中的術(shù)語“碎屑流”既表示重力流沉積產(chǎn)物，也表示了形成這種產(chǎn)物具有的塑性流變學過程，認為流變學特性對砂質(zhì)碎屑流的控制方面比粒度分布更為重要。砂質(zhì)碎屑流可以在任何粒級(從細砂到礫)、 任何分選(或差或好)、 任何黏土含量(或低或高)以及任何模態(tài)(單峰或雙峰 )的泥漿中發(fā)育。理論上，顆粒流(非黏性碎屑流)和泥質(zhì)碎屑流(黏性碎屑流)可以認為是塑性流的二個端元組分,砂質(zhì)碎屑流是介于顆粒流和泥質(zhì)碎屑流的中間產(chǎn)物(Shanmugam ,2000)。

顯然，Shanmugam的“砂質(zhì)碎屑流”術(shù)語不是一個簡單巖石名稱，而是代表了一個在組分、結(jié)構(gòu)以及強度等方面的沉積序列，而且在這個沉積序列中有一個共同特性，即塑性流變特征。

筆者認為，Shanmugam基于流變學和沉積物搬運機制的重力流分類值得推廣，其優(yōu)點在于：① 明確指出沉積物重力流只包括濁流、顆粒流、砂質(zhì)碎屑流與泥質(zhì)碎屑流4個類型，其他液化流、流體化流、高密度濁流、低密度濁流、高濃度流、超高濃度流、變密度顆粒流、非粘性碎屑流、牽引毯、滑塌濁流等術(shù)語或者不是獨立流體(Mulder and Alexander，2001)、或者由于本身含義不明已涵蓋在“砂質(zhì)碎屑流”概念中(Shanmugam ,2000)，這樣就減少了術(shù)語泛濫和人們的理解混亂現(xiàn)象；② 砂質(zhì)碎屑流由于是多種沉積物支撐機制，其形成既不要求像顆粒流所需的陡坡環(huán)境，也不要求像粘結(jié)性碎屑流所需的高基質(zhì)含量(Shanmugam, 2000)，這樣一個含義廣泛的概念可能更符合現(xiàn)今條件下對深水沉積的理解；③ Shanmugam的分類及砂質(zhì)碎屑流概念較好地解釋了深水沉積中無沉積構(gòu)造的塊狀砂巖，因而目前已被我國學者接受并運用(鄒才能等，2009)。

3 深水沉積模式

圖 3 Shanmugam的碎屑流沉積模式(據(jù)Shanmugam, 2000)Fig. 3 Model of debris flow deposits (after Shanmugam, 2000)

沉積模式的作用在于預(yù)測。傳統(tǒng)濁積巖理論及海底扇模式的吸引人之處就在于深水砂巖儲層能被預(yù)測，在進入21世紀前，全世界應(yīng)用該模式在>500m水深的海域已經(jīng)獲得了約580億桶油氣當量的可采儲量(龐雄等，2007)。但人們總是希望在深水區(qū)能夠發(fā)現(xiàn)更多的濁積巖，然而在20世紀90年代，傳統(tǒng)濁積巖理論在指導深海油氣勘探實踐時未能發(fā)揮出預(yù)期的作用，這極大地動搖了曾廣為流行的海底扇沉積模式(即具有濁積水道沉積與其前端的葉狀體沉積)在深水砂巖解釋中的地位，于是人們開始懷疑這一理論的正確性，對 Normark(1970)，Mutti 和Ricci(1972)，Walker(1978)等人早期建立起來的水下扇體系進行了反思(Bouma ，1983；Normark，1991；Walker，1992a，1992b)，并引發(fā)了激烈的爭論(Shanmugam and Moiola, 1985； Shanmugam，1990，1996)，一些經(jīng)典的理論幾乎到了被放棄的地步(Shanmugam, 2000)。

與此同時，以Shanmugam等為代表的一批學者，通過對一些經(jīng)典古代濁積巖露頭和現(xiàn)代濁流沉積重新研究后，認為大部分并不是濁積巖而是砂質(zhì)碎屑流和底流改造沉積(Shanmugam，1988；Shanmugam and Moiola ，1995a)。Shanmugam進一步對全世界范圍多個地區(qū)的巖芯與露頭進行了仔細觀察與描述，歷經(jīng)十余年，終于在21世紀到來的2000年前后提出了碎屑流主導的深水斜坡模式(slope model)(Shanmugam, 2000)(圖3)。正像具有水道與葉狀體的扇模式是專門為濁流沉積作用所設(shè)計的一樣，斜坡模式是專門為滑塌與碎屑流等復(fù)雜沉積過程而設(shè)計的。Shanmugam進一步將斜坡模式劃分為非水道體系(non-channelized)和水道體系(channelized) 兩種類型，前者如現(xiàn)代北海深水儲集砂體，后者如現(xiàn)代的密西西比外扇和尼日利亞海岸的 Edop 油田。

在碎屑流主導的斜坡模式中，陸架的性質(zhì)(富泥與富砂)、海底地貌(光滑與復(fù)雜)、沉積過程(懸浮沉降或凍結(jié))控制著砂體的分布與幾何形態(tài)。尤其頻繁的流體活動有助于形成平面連續(xù)、席狀展布的混合碎屑流沉積(amalgamated sandy debris flows)。與濁流形成的水道、葉狀體沉積不同，砂質(zhì)碎屑流在平面上主要形成3種不規(guī)則舌狀體: 孤立舌狀體、疊加舌狀體和席狀舌狀體， 相應(yīng)在剖面上分別呈孤立的透鏡狀、疊加的透鏡狀和側(cè)向連續(xù)的席狀。

Shanmugam(2000)認為，由于存在滑水機制(hydroplaning)，水下碎屑流可以沿很緩的斜坡(gentle slopes)搬運很遠的距離，而陸上碎屑流卻不能。一些富砂大陸架下面發(fā)育的混合碎屑流沉積可能就是這種原因形成的。

雖然砂質(zhì)碎屑流的沉積是復(fù)雜的，但是它們能在巖石記錄中形成席狀幾何體。所有碎屑流是不連續(xù)的、難以發(fā)現(xiàn)的觀念是不正確的，因為碎屑流的混合沉積物(amalgamated deposits)能夠形成側(cè)向連續(xù)的砂體。

碎屑流儲層儲集性能不好的傳統(tǒng)觀念也是不正確的，國外有這樣的例子，滑塌與碎屑流成因的砂體，其孔隙度高達27%～32%，滲透率高達900～4000 md(Shanmugam et al.,1995)。

由此看來，過去曾經(jīng)認為深水斜坡對沉積物而言總是過路不停(by passing)的觀念是不正確的，新模式與眾多實例都指示斜坡地區(qū)有可能發(fā)育好的儲集砂體，一些學者也指出斜坡是21世紀非常重要的勘探靶區(qū)(Shanmugam，2000；Stow et al.,1998)

需要說明的是，由于濁流模式在人們的頭腦中根深蒂固，過去一般認為深水砂巖都是濁流形成，這顯然夸大了濁流的作用。但Shanmugam ( 2000)似乎又走向了另一個極端，幾乎把所有濁積巖都認為是碎屑流與底流改造沉積。實際上，僅陸相湖盆而言，我們的研究表明既存在大量塊體搬運和碎屑流，也發(fā)育濁積巖。因此，試圖用一種模式來解釋復(fù)雜的深水沉積系統(tǒng)，這在實踐中肯定是行不通的。

4 結(jié)論

(1)20世紀50年代濁流理論的建立對深水沉積研究具有劃時代意義，60年來濁流理論在爭論中發(fā)展，人們對深水沉積的認識經(jīng)歷了一個螺旋式上升旋回。Bouma序列是客觀存在的，只是其成因存在多種解釋。目前的砂質(zhì)碎屑流概念是對Bouma序列與相關(guān)扇模式的補充，表明深水沉積研究又進入了一個新階段。

(2)沉積物重力流分類應(yīng)嚴格遵循流變學和沉積物搬運機制的重力流分類方法，包括濁流、顆粒流、砂質(zhì)碎屑流與泥質(zhì)碎屑流4個類型。其中濁流是指具有牛頓流變學特性、呈湍流狀態(tài)搬運的沉積物重力流；濁流不必要區(qū)分高低密度。

(3)由于深水沉積的復(fù)雜性以及不同歷史時期認識受到的限制,不論濁流主導的扇模式還是碎屑流主導的斜坡模式都不可避免地存在一些問題。

就前者而言，雖然不少學者甚至放棄之前建立的扇模式，但由于濁流作用存在的客觀性，筆者認為扇模式對今后深水油氣勘探研究仍有指導意義。同時，由于扇模式本身可能是多種流態(tài)形成，筆者贊成一些學者提出的放棄“濁積扇”這一術(shù)語的建議(李祥輝等，2009)，籠統(tǒng)采用“深水扇”、“湖底扇”、“海底扇”較為合適。

就后者而言，雖然Shanmugam 所建立碎屑流主導斜坡模式是其針對某些區(qū)域?qū)嶋H工作的總結(jié)，是否具有普遍意義有待于驗證。但筆者認為，僅就斜坡模式給人的思路與啟發(fā)來說，它完全可以與當初的濁流理論相媲美。如果說濁流理論的誕生解決了深海平原的砂體成因分布問題(原來認為無砂質(zhì)沉積)，砂質(zhì)碎屑流概念及斜坡模式的提出則解決了斜坡區(qū)的砂體成因分布問題(原來認為“過路不?！睙o砂質(zhì)沉積)。

(4)我們知道，就海底地形、沉積過程、幾何形態(tài)及堆積樣式而言，深水系統(tǒng)是非常復(fù)雜的(王英民等,2007)，目前還沒有一個單一相模式能夠解釋復(fù)雜深水環(huán)境下的所有變化，正如Shanmugam(2000)所言:我們對于深水環(huán)境下沉積作用和砂體分布的理解仍很幼稚。但是，我們在深水地質(zhì)資料(地震與巖芯資料)、理論思考以及水槽實驗方面已經(jīng)取得了長足進步，尤其近10年來地震沉積學理論和技術(shù)方法的發(fā)展(曾洪流，2011；宋小勇，2010), 為人們在三維空間對重力流內(nèi)部沉積單元進行解剖提供了方便，目前在古代陸相湖盆(董艷蕾等，2008；張義娜等，2009；劉化清等，2012)及現(xiàn)代海洋沉積方面(王大偉等，2011；馬宏霞等，2011；李磊等，2012)均有不少這方面的成果，這必將促進人們對深水沉積的認識，從而建立更合理的深水沉積模式。

注釋/Notes

? Ben K, Mason D. 2005. Mass Transport Deposits and Slope Accommodation. AAPG Calgary, Alberta, June 16～19.

? Rafael M,Jaco H B,Rogério M.2010.A First Experimentally Derived Classification of Submarine Sediment Gravity Flows.AAPG Annual Meeting New Orleans USA April 11th to 14th .