重力流的分類及主要流體特征

宋 藝

（長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢430100）

1 重力流的分類

沉積物重力流是指泥、砂、礫混雜的，重力驅(qū)動的，懸浮搬運的高密度底流。形成條件是：較大的水深；足夠的坡度角和足夠的密度差；充沛的物源；一定的激發(fā)機(jī)制。

按沉積物支撐機(jī)理可分為碎屑流、顆粒流、液化沉積物流和濁流。碎屑流是高濃度的沉積物分散體，具有屈服強(qiáng)度和高的粘性，是水和粘土雜基支撐碎屑物質(zhì)的塊體流；顆粒流是一種由無凝聚力顆粒（主要是砂、礫）所組成的重力流；液化沉積物流即由超孔隙壓力支撐沉積顆粒漂浮的重力流；濁流是由懸浮沉積物擴(kuò)散引起的一種含有大量泥沙并在重力作用下沿著盆地底部流動，形成的水下沉積物重力流或水下密度底流。

由于重力流中的顆粒流和液化沉積物流在地質(zhì)歷史時期的實例少沉積體積小[1]和應(yīng)用價值不高故不受關(guān)注，而碎屑流（特別是砂質(zhì)碎屑流）和濁流及其沉積則是爭論的主題。

2 流體特征

2.1 流變學(xué)特征

流變學(xué)研究的是流體和固體形態(tài)物質(zhì)的流動和變形特征，即剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間的關(guān)系。流變特征是流體的基本特征，所有流體在流變學(xué)上可分為牛頓流體和非牛頓流體兩大類，凡服從內(nèi)摩擦定理的稱為牛頓流體，而不服從內(nèi)摩擦定理的稱為非牛頓流體。所謂服從內(nèi)摩擦定理是指在溫度不變的條件下，隨著流速梯度（或稱剪切變形率）的變化，其動力黏滯系數(shù)始終保持一常數(shù)，即在任意小的外力作用下即能流動的流體，剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間滿足線性關(guān)系；而非牛頓流體或者剪切應(yīng)力與剪切應(yīng)變率之間不滿足線性關(guān)系（如擬塑性流體和膨脹性流體），或者具有一定的屈服強(qiáng)度，當(dāng)外力大于其屈服力時,才開始像牛頓流體一樣流動（如塑性流體，或稱賓漢流體）。

流體的流變性質(zhì)主要由其沉積物濃度所決定，與其所搬運顆粒的大小及其物理化學(xué)特性相關(guān)較小。濁流的沉積物濃度較低（一般為1%~23%體積濃度），而碎屑流中沉積物濃度一般較高，其中，砂質(zhì)碎屑流體積濃度為25%~95%，泥質(zhì)碎屑流體積濃度為50%~90%。牛頓流體和非牛頓流體的邊界體積濃度值一般為20%~25%。碎屑流的最佳擬合流變模式是賓漢（Bingham）模式，即碎屑流是一種具有塑性流變或非牛頓流變性質(zhì)的流體，呈層流流動狀態(tài)；而濁流具牛頓流變模式，呈完全的紊亂流動狀態(tài)[2]。在沉積物沉積方式上,濁流表現(xiàn)為沉積顆粒由懸浮狀態(tài)的順序沉降,而碎屑流則表現(xiàn)為沉積物的整體凍結(jié)。

2.2 沉積物支撐機(jī)制

傳統(tǒng)上濁流的定義主要是基于流體流變學(xué)、流動狀態(tài)和沉積物支撐機(jī)制。認(rèn)為濁流是一種具牛頓流變性質(zhì)和紊亂流動狀態(tài)的沉積物重力流，其主要的沉積物支撐機(jī)制是流體湍流向上的分力。Middleton和Shanmugam認(rèn)為碎屑流中沉積物是靠基質(zhì)強(qiáng)度（黏土—水基質(zhì)的內(nèi)聚強(qiáng)度）、分散壓力（由顆粒碰撞產(chǎn)生的摩擦強(qiáng)度）和上浮力（由水和細(xì)粒物質(zhì)混合產(chǎn)生）支撐的；王德坪通過對渤海灣盆地東營凹陷古近系沙河街組中碎屑流沉積的研究，認(rèn)為雖然浮力的支撐作用對于陸上的泥石流較重要，但對水下碎屑流并不重要并進(jìn)一步對黏土—水基質(zhì)的作用進(jìn)行了深入探討，認(rèn)為在泥流和“真正的碎屑流”中，黏土—水基質(zhì)起了結(jié)構(gòu)意義上的基質(zhì)作用，表現(xiàn)為內(nèi)聚強(qiáng)度；而在黏土含量少只在顆粒接觸處存在的砂質(zhì)碎屑流中，黏土—水基質(zhì)起了成分意義上的基質(zhì)作用，表現(xiàn)為黏附強(qiáng)度。試驗也表明，顆粒支撐的碎屑流沉積中的黏土重量含量低至2%甚至0.5%，或泥基（黏土+水基質(zhì)）體積含量低至5%，也足以起到潤滑碎屑流中的顆粒以防止摩擦鎖定的作用，并能提供碎屑流自身的流體強(qiáng)度。

實質(zhì)上，碎屑流中沉積物的支撐機(jī)制主要由其塑性流變性質(zhì)所決定，與其所具有的屈服強(qiáng)度直接相關(guān)。一方面是黏土—水基質(zhì)所產(chǎn)生的基質(zhì)強(qiáng)度（包括內(nèi)聚強(qiáng)度和黏附強(qiáng)度）；另一方面是由顆粒碰撞所產(chǎn)生的摩擦強(qiáng)度[2]。

3 沉積特征

重力流沉積可分為以下4類，碎屑流沉積：粒徑范圍大，可含很粗礫石；支撐機(jī)制為浮力；支撐類型為雜基支撐。特征：粒級變化大，雜基多，無分選，顆粒分選磨圓差，可見反向粒度遞變層理。

濁積巖的沉積構(gòu)造主要有：（1）底痕：沖蝕痕與工具痕、槽模、溝模、錐模；（2）底痕：準(zhǔn)同生載荷構(gòu)造、重荷模、火焰構(gòu)造；（3）粒度遞變層理、分布遞變、粗尾遞變；以上三類沉積構(gòu)造在高、低密度濁流沉積中均可見到。（4）包卷層理；（5）交錯紋理；以上兩種沉積構(gòu)造主要見于低密度濁流沉積中。（6）中—大型交錯層；（7）逆行沙波交錯層理；以上兩種沉積構(gòu)造主要見于高密度濁流沉積中。

巖石記錄中所保存的沉積特征只能用于推斷沉積物在沉積之前最后很短時間內(nèi)的流動機(jī)理，而流體在搬運過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變的證據(jù)不能保存在最后的沉積物中，即巖石記錄不能直接揭示任何沉積物的遷移機(jī)理，也沒有確定的標(biāo)準(zhǔn)從沉積記錄中辨識其搬運機(jī)制，實際上，沉積過程和搬運過程常常并不是同一流體所為，將底部含有槽模和沖刷面的深水砂巖解釋為濁積巖，就值得懷疑，因小規(guī)模的沖刷面和槽?？捎晌蓙y流動狀態(tài)的流體產(chǎn)生，但這并不意味著沖刷面之上的砂就是從產(chǎn)生該沖刷面的流體中沉積的，沖刷面可由呈紊亂流動狀態(tài)的流體產(chǎn)生而后來被碎屑流或其他過程充填，現(xiàn)代未充填的海底水道和峽谷就是很好的例證。另外，沖刷面也可以由濁流外的其他過程產(chǎn)生，如等深流和其他底流，所以，深水砂巖成因的解釋應(yīng)根據(jù)其內(nèi)部沉積特征，而不應(yīng)根據(jù)砂巖底部的侵蝕接觸來判斷濁流和碎屑流都是深水沉積物重力流，特別是碎屑流是由未固結(jié)的沉積物再次搬運形成的，深水沉積背景是識別碎屑流沉積的前提條件，只有在上下層位均為深水沉積的條件下，其沉積才可能被解釋為碎屑流成因，僅由砂巖本身的特征并不能充分說明碎屑流沉積的存在。

4 結(jié)論

（1）沉積物重力流按沉積物支撐機(jī)理可分為碎屑流、顆粒流、液化沉積物流和濁流。其中碎屑流和濁流較為常見。

（2）流體的流變性質(zhì)主要由其沉積物濃度所決定，濁流的沉積物濃度較低，而碎屑流中沉積物濃度一般較高。

（3）濁流是一種具牛頓流變性質(zhì)和紊亂流動狀態(tài)的沉積物重力流，沉積物的支撐機(jī)制是單一的湍流，而碎屑流是一種具塑性流變性質(zhì)和層流流動狀態(tài)的沉積物重力流，沉積物的支撐機(jī)制主要由其塑性流變性質(zhì)所決定。

［1］李林，曲永強(qiáng)，孟慶任，等.重力流沉積：理論研究與野外識別[J].沉積學(xué)報，2011，29（4）：677-688.

［2］高紅燦，鄭榮才，等.碎屑流與濁流的流體性質(zhì)及沉積特征研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2012，27（8）：815-827.

［3］夏青松，田景春.濁積巖神話與砂質(zhì)碎屑流[J].沉積與特提斯地質(zhì)，2006，26（4）：105-108.

［4］李云，鄭榮才，朱國金，胡曉慶.沉積物重力流研究進(jìn)展綜述[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2011，26（2）：157-165.