濁流相關(guān)問(wèn)題的初認(rèn)識(shí)

楊 銳，趙 敏，余尚江

(西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710069)

Forel(1985)首先在瑞士康士坦斯湖和日內(nèi)瓦湖中發(fā)現(xiàn)了包含懸浮物的高密度流，他將之稱為密度底流或水下密度流。Johnson(1939)引入濁流(turbidity current)的概念，用以表示那些由大量懸浮物質(zhì)而不是由鹽度或溫度差引起的密度流［1，2］。上世紀(jì)40—50年代，長(zhǎng)期野外觀察結(jié)合一系列的水槽實(shí)驗(yàn)使得濁流的研究取得了突破性的進(jìn)展，Kuenen和Migliorini(1950)認(rèn)為濁流可以在深海中形成砂質(zhì)沉積，這一見解突破了機(jī)械沉積分異學(xué)說(shuō)，標(biāo)志著濁流理論的建立［2］。該理論的建立為地質(zhì)學(xué)中長(zhǎng)期令諸多學(xué)者迷惑不解的海底峽谷的成因、深水環(huán)境中大套陸源粗碎屑沉積及遞變層理的成因等問(wèn)題提供了新的思路;濁流理論的建

立掀起了沉積學(xué)界的一場(chǎng)革命，極大地改變了人們認(rèn)識(shí)和研究沉積巖的傳統(tǒng)思想模式，極大地豐富了沉積學(xué)研究領(lǐng)域［3］。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，盡管各國(guó)學(xué)者對(duì)濁流的識(shí)別特征、形成條件、分布規(guī)律及濁流沉積與沉積礦產(chǎn)的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)詳盡的研究，然而現(xiàn)如今關(guān)于濁流沉積的研究依然是沉積學(xué)中研究的熱點(diǎn)之一。

1 濁流分類

濁流是重力流的一種形式，是沿水下斜坡或峽谷流動(dòng)的，發(fā)育于(半)深海和深湖環(huán)境中的攜帶大量泥沙的高密度底流;是由流體中懸浮的沉積物造成的密度差引起流動(dòng)的水流，其中沉積物顆粒的支撐方式為流體攪動(dòng)支撐［2-4］。

關(guān)于濁流的分類，不同學(xué)者從各自的角度和側(cè)重點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其分類也不盡相同，比較有代表性的為L(zhǎng)owe的分類;Lowe認(rèn)為濁流是一種流體態(tài)流，根據(jù)濁流中沉積物粒度、顆粒濃度和沉積物支撐機(jī)制將濁流分了三類:(1)低密度濁流(Low density turbidity)(約 1.03～1.2 g/mL)，濁流中所含的沉積物顆粒粒度群多為細(xì)粒級(jí)的泥、粉砂、細(xì)砂和中砂，沉積物由湍流支撐，與顆粒濃度無(wú)關(guān);(2)砂質(zhì)高密度濁流(Sandy high-density turbidity)(約 1.5～2.4 g/mL)，沉積物主要為粗砂至細(xì)礫級(jí)，也含泥、粉砂和中細(xì)砂，沉積物由湍流和分散應(yīng)力支撐;(3)礫質(zhì)高密度濁流(Gravelly high density turbidity current)，沉積物為細(xì)礫到巨礫，同時(shí)也還含有泥、粉砂和砂，沉積物由分散應(yīng)力和浮力支撐。該分類法可用(圖1)表示［5］。

圖1 濁流粒度成因分類法三角圖(據(jù)姜輝2010)

Lowe關(guān)于濁流的分類實(shí)際包含了所有沉積物重力流的支撐機(jī)制，而濁流普遍認(rèn)為是具有流體流變學(xué)特征，為一種流體態(tài)流(fluidal flow)［6，7］;G.Shanmugam 認(rèn)為高密度流是一種具碎屑流變特征的碎屑流，是介于粘性碎屑流與非粘性碎屑流之間的一種流體，因此他認(rèn)為稱高密度流為砂質(zhì)碎屑流(Sandy debris flow)［8］。

2 濁流及其沉積物

由濁流沉積形成的巖石組合即為濁積巖，狹義的濁積巖指可以用Bouma序列描述的、由經(jīng)典濁流沉積而形成的，而廣義的濁積巖則是指形成于深水環(huán)境的各類重力流沉積物及其所形成的沉積巖的總稱，它既包括典型濁積巖，也包含不能用Bouma序列描述的沉積組合［2］。

2.1 濁積巖的識(shí)別

2.1.1 構(gòu)造特征

遞變層理和疊覆遞變層理是濁流最重要的特征，典型濁積巖是可以用經(jīng)典的Bouma序列描述的，Bouma在野外觀察的基礎(chǔ)上總結(jié)了濁流沉積的構(gòu)造組合特征，建立了濁流沉積的特定層序，即鮑馬序列;該模式將濁積巖分為五段，自下而上依次為:Ta段為粒級(jí)遞變段或塊狀段，Tb段為下段平行紋層段，Tc段為流水波紋層段，Td段為上部平行紋層段，Te段為濁流間的泥巖段(圖3)［2］。通常情況下，在一個(gè)沉積體中很少有完整的Ta-e的組合，大多濁積巖序列都是不完整的。李林(2011)［9］認(rèn)為鮑馬序列只有Ta段為狹義的濁流沉積，Tb-c段為牽引流沉積，Td段為懸浮沉積;并且在流動(dòng)過(guò)程中可出現(xiàn)各種類型重力流的轉(zhuǎn)換。

圖2 鮑馬序列模式圖(內(nèi)部資料)

非典型濁流沉積也可發(fā)育一些較特殊的構(gòu)造單元，如疊瓦狀構(gòu)造、泄水管構(gòu)造，也可見交錯(cuò)層理和斜波狀層理，另外濁積巖底部常見各種印模構(gòu)造，如:槽模、溝模、重荷模(圖6)等，這些均可作為識(shí)別濁積巖的輔助標(biāo)志。這些構(gòu)造可能是由定向的濁流在尚未固結(jié)的軟泥表面侵蝕沖刷的凹槽被砂質(zhì)充填而成，或者下部沉積物處于塑性狀態(tài)時(shí)受到來(lái)自上部不均勻負(fù)荷，使上覆砂質(zhì)物壓陷進(jìn)入下伏泥質(zhì)物中產(chǎn)生的，巖心中常見火焰狀構(gòu)造、包卷層理等(圖6)。

圖3 鮑馬序列各段沉積特征(內(nèi)部資料)

2.1.2 結(jié)構(gòu)特征

濁積巖的結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)在其粒度分布上，粒度概率圖是根據(jù)數(shù)學(xué)的概率，將粒度分布圖的縱坐標(biāo)劃分為不等間距，中央部分百分比間距小，上下兩端百分比放大;因此，凡是一個(gè)正態(tài)總體就構(gòu)成一直線段，如樣品包含數(shù)個(gè)次總體，概率圖上則表現(xiàn)出數(shù)個(gè)直線段。莫斯(Moss.A)的研究表明，碎屑沉積一般包含三個(gè)次總體，這三個(gè)次總體是在搬運(yùn)過(guò)程中物質(zhì)呈懸浮、躍移、滾動(dòng)三種搬運(yùn)方式所決定［10］。

濁流密度大、流速快，因此濁流沉積物主要的搬運(yùn)方式都是懸浮搬運(yùn)，因此在概率圖上是一條直線(圖4)［2，3，10］。

圖4 濁積巖的粒度概率圖(據(jù)洪慶玉等，1979)

C-M圖為帕賽加(R.Passega)提出的一種綜合性的成因圖解，是應(yīng)用每個(gè)樣品的C值和M值繪成的圖形。C值是累積曲線上1%對(duì)應(yīng)的粒徑，M值是累積曲線上50%處對(duì)應(yīng)的粒徑。C值與樣品中最粗的粒徑相當(dāng)，代表了水動(dòng)力攪動(dòng)開始搬運(yùn)的最大能量;M值是中值，代表了水動(dòng)力的平均能量。對(duì)于每一個(gè)樣品都可以用其C值和M值，在以C為縱坐標(biāo)，以M為橫坐標(biāo)的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上投的一個(gè)點(diǎn)。由于濁流含有大量的泥、砂等懸浮物，在C-M圖上則是平行C=M基線的特有濁流圖形(圖5)［10］

圖5 濁積巖的C-M圖(據(jù)洪慶玉等，1979)

圖6 鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6砂巖底部重荷模構(gòu)造、火焰狀構(gòu)造、包卷層理(內(nèi)部資料)

2.1.3 生物特征

淺水和深水生物共生是濁積巖最主要的特征之一，而且砂體中常常含有淺水生物化石，而與之伴生的頁(yè)巖、泥巖中則常常保存有深水生物化石;另外，遺跡化石(如平行層面的爬跡、網(wǎng)狀跡、平行潛穴等)也是其良好的識(shí)別標(biāo)志。

淺水區(qū)夾雜在砂體中的生物化石被濁流以懸浮的方式搬運(yùn)至(半)深?；蚝c該處泥質(zhì)混合沉積，形成特殊的生物組合。

2.1.4 成分特征

濁積巖礦物成分和化學(xué)成分都比較復(fù)雜，以復(fù)成分礫巖和雜砂巖為最主要特征，雜基含量高，巖石組分結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度都比較低。

2.2 濁積巖相模式

濁積巖的相模式也是各國(guó)學(xué)者長(zhǎng)期爭(zhēng)論的焦點(diǎn)問(wèn)題之一，目前為止不同學(xué)者從不同角度、不同層次和規(guī)模，以及各自對(duì)相模式(facies model)的不同理解，提出了多種相模式劃分方案，這樣就造成了濁積巖相模式的多樣性。

Stow(1986)認(rèn)為相模式就是反應(yīng)沉積構(gòu)造和沉積特征標(biāo)準(zhǔn)層序，其中沉積物由同一事件或特定過(guò)程所產(chǎn)生，則最具代表性的當(dāng)屬Bouma所創(chuàng)立的相模式了，即鮑馬序列，這一相模式在解釋和描述典型濁流沉積時(shí)得到廣大學(xué)者的廣泛承認(rèn)與應(yīng)用。而自然界中廣泛發(fā)育的非典型濁積巖，如礫質(zhì)濁積巖就無(wú)法用鮑馬序列加以解釋;

Lowe(1982)建立了礫質(zhì)和砂質(zhì)高密度濁流相模式，他將一個(gè)完整的高密度砂礫質(zhì)濁流沉積層序自下而上共劃分為6個(gè)層:R1段為具牽引流構(gòu)造的粗礫巖;R2段為反遞變礫石層;R3段為正粒序礫石層;S1為具牽引流構(gòu)造的砂巖段;S2為薄層狀具反粒序的砂巖層;S3為塊狀或正粒序的砂巖段［2，3，6］。將 Bouma 和 Lowe 的相模式結(jié)合就可以很好的解釋粗碎屑濁積巖的相關(guān)問(wèn)題了。

在鮑馬序列濁積巖沉積模式解釋基礎(chǔ)上，Normark［11］在對(duì)加利福尼亞海岸 San Lucas扇和Navy扇等的研究過(guò)程中，首先提出了現(xiàn)代海底扇模式，目前已得到了廣泛的使用。Mutti at.el［12］通過(guò)對(duì)意大利和西班牙的野外露頭研究，提出了古代海底扇模式，使得有水道的海底扇概念和在下扇環(huán)境的沉積葉狀體的概念被廣泛應(yīng)用;Walker［13］綜合了現(xiàn)代扇模式的主要單元和古代扇模式的相概念，提出了一個(gè)綜合扇模式，綜合扇模式在油氣勘探中影響較大。

3 濁流與沉積礦產(chǎn)

上世紀(jì)50年代濁流理論的建立為沉積學(xué)的研究提供了新的思路，隨后許靖華等發(fā)現(xiàn)濁積砂體可以成為世界重要的儲(chǔ)集層之后，以濁積砂體作為油氣藏層在世界各地陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，使?jié)岱e砂體成為繼三角洲之后又一找油的重要的領(lǐng)域，我國(guó)許多學(xué)者先后在遼河油田、渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地等許多地方發(fā)現(xiàn)了與重力流有關(guān)的油氣藏。上世紀(jì)末，我國(guó)學(xué)者對(duì)濁流沉積的研究主要體現(xiàn)在對(duì)其內(nèi)部的層序結(jié)構(gòu)、物源方向及沉積盆地水深的研究方面，某些學(xué)者還從儲(chǔ)油物性、生儲(chǔ)蓋組合的空間演化與構(gòu)造的關(guān)系來(lái)對(duì)深水扇進(jìn)行研究，多年以來(lái)濁流沉積的研究已成為沉積學(xué)研究中相當(dāng)活躍的一個(gè)領(lǐng)域。

湖泊的深湖區(qū)離岸較遠(yuǎn)，為平靜缺氧的還原環(huán)境，主要是泥質(zhì)沉積，有機(jī)質(zhì)以浮游生物和藻類為主，有機(jī)碳含量高，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量好，成烴能力相對(duì)較高，是湖相中最好的生油相帶。由于濁積砂巖伸入到烴源巖豐富的深湖相暗色泥巖中，因此具有得天獨(dú)厚的儲(chǔ)油條件。同時(shí)，與深湖相頁(yè)巖共生的扇三角洲、辮狀河三角洲及曲流河三角洲前緣砂體厚度大，巖性較粗、泥質(zhì)雜基含量較少，原生孔隙和溶蝕孔隙較發(fā)育，孔隙度、滲透率較高，在構(gòu)造等因素的配合下，它們成為良好的油氣儲(chǔ)集體。

湖相濁流沉積與油氣的形成和儲(chǔ)集有著密切的關(guān)系，這在我國(guó)中新代陸相盆地中已得到證實(shí)，如在中國(guó)東部中、新生代陸相湖泊盆地深湖沉積體系中已見到湖湘濁積巖儲(chǔ)層，如勝利油田東營(yíng)凹陷難坡沙三中緩岸湖底扇(趙澄林等，1999)等［14］。作為儲(chǔ)集層的濁積巖由于伸入深湖腹地，可與烴源巖直接接觸，并充分吸取烴源巖提供的油氣，加之有泥巖作蓋層，因此常具有良好的生、儲(chǔ)、蓋組合。

4 結(jié)語(yǔ)

目前關(guān)于濁流相關(guān)問(wèn)題的研究爭(zhēng)論主要為:其一，濁流的分類，即傳統(tǒng)意義上的濁流與碎屑流的歸屬問(wèn)題;其二，沉積模式，由于對(duì)相模式的不同理解所引起;比較經(jīng)典的如鮑馬序列、濁積扇模式等，但也難以適用于復(fù)雜條件下各類濁流沉積的研究。

濁流在沉積過(guò)程中的復(fù)雜性，導(dǎo)致其研究方法的多樣的性，單一的分類方法和沉積模式難以滿足研究的需求;因此，在不同沉積環(huán)境下尋找適合研究區(qū)的研究方法才是正確和必要的。

［1］何起祥，等.湖泊相濁積巖的主要特征及其地質(zhì)意義.沉積學(xué)報(bào).1984(4):第33-46+132-133

［2］饒孟余，等.濁流沉積研究綜述和展望.煤田地質(zhì)與勘探.2004(6):1-5.

［3］方愛民，李繼亮與侯泉林，濁流及相關(guān)重力流沉積研究綜述.地質(zhì)論評(píng).1998(3):270-280.

［4］Middleton G V，H.M.A.，Sediment Gravity Flows:Mechanics of Flow and Deposition.1973.

［5］姜輝，濁流沉積的動(dòng)力學(xué)機(jī)制與響應(yīng).石油與天然氣地質(zhì).2010(4):428-435.

［6］Lowe，D.R.，Sediment Gravity Flows ⅠⅠDepositional Models with Special Reference to the Deposits of High-Density Turbidity Currents.Journal of Sedimentary Petrology，1982.52(1):p.279-297.

［7］Lowe，D.R.，sediment gravity flows their classification and some problems of application to natural flows and deposits.The Society of Economic Paleontologists and Mineralogists，1979(27):p.75-82.

［8］Shanmugam，G.，High-Density Turbidity Currents Are They Sandy Debris Flows PERSPECTⅠVES.Sedimentary Petrology and Processes，1996.66(1):p.2-10.

［9］李林，等.重力流沉積:理論研究與野外識(shí)別.沉積學(xué)報(bào).2011(4):677-688.

［10］洪慶玉，候方浩.桂西中三迭統(tǒng)濁積巖的初步研究.西南石油學(xué)院學(xué)報(bào).1979(1):16-30+82-83.

［11］Normark，W.R.，Growth patterns of deep sea fans.1970.54:p.2170-2195.

［12］F，M.E.R.L.，Turbidites of the northern Apennines introduction to facies analysis.Ⅰnternational Geology Review，1972(20):p.126-166.

［13］Walker，R.G.，Deep-Water Sandstone Facies and Ancient Submarine Fans Models for Exploration for Stratigraphic Traps.1978.62(6):p.932-966.

［14］劉憲斌，等.陸相濁流沉積體系與油氣.地球?qū)W報(bào).2003(1):61-66.