沉積物重力流研究進(jìn)展

宋 平

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

沉積物重力流是指向深水環(huán)境中輸送沉積物的主要過程[1]。沉積物重力流在以下幾個(gè)方面的特征受到人們的重視:(1)重力流所攜帶的砂體在深?；蛏詈鄮r中沉積，成為烴源巖中的儲(chǔ)集體;(2)重力流所形成的的“塊狀砂體”成為油氣儲(chǔ)存的有利空間，其厚度大、分布廣、砂質(zhì)純成為重力流儲(chǔ)層勘探的重點(diǎn);(3)“自生自儲(chǔ)”模式使得重力流沉積砂體不但擁有持續(xù)的油氣源供給，而且周圍泥巖的封堵成為油氣得天獨(dú)厚的保存空間;(4)水平壓裂技術(shù)的不斷發(fā)展，儲(chǔ)量可觀的重力流儲(chǔ)集層成為產(chǎn)量上升的另一突破點(diǎn)?；谝陨蠋c(diǎn)，重力流的研究不斷的細(xì)化。

1 沉積物重力流分類

Kuenen等在1950年第一次提出“濁積巖”的概念[2]，成為重力流研究的起始點(diǎn)。隨后眾多學(xué)者開始對(duì)“濁積巖”與“濁流”進(jìn)行研究?！磅U馬序列”在1962年由 Bouma提出，并詳細(xì)描述了一次完整的濁流沉積序列包含 Ta、Tb、Tc、Td和Te五個(gè)部分，以此成為濁積巖的識(shí)別特征[3]。Middleton等在1973年引入了“沉積物重力流”的概念，并且依據(jù)沉積物支撐機(jī)理將沉積物重力流劃分為濁流、碎屑流、液化流和顆粒流四種類型[1]。然而 Middleton分類存在一些質(zhì)疑，由于自然界中重力流往往具備多種搬運(yùn)機(jī)制，因此 Lowe在1979年和1982年結(jié)合流變學(xué)和搬運(yùn)機(jī)制提出新的分類方案(見表1)。Nemec等在1984年提出碎屑流不全為賓漢塑性體，非粘性碎屑流也并非都是顆粒流，因此將碎屑流劃分為粘性流和非粘性流[4]。Shanmugam在1996年引入了泥質(zhì)碎屑流和砂質(zhì)碎屑流2個(gè)概念，認(rèn)為Lowe的高密度濁流實(shí)際上是砂質(zhì)碎屑流沉積[5]。

國內(nèi)學(xué)者對(duì)沉積物重力流也進(jìn)行了深入的研究，吳崇筠根據(jù)濁積砂體在湖盆中所處的位置和形態(tài)，將湖相濁積巖體系歸納為六種成因類型[7]。基于對(duì)東部斷陷盆地的研究，認(rèn)為湖盆陡坡帶邊界大斷層的下降盤廣泛發(fā)育近岸濁積扇體;湖盆緩坡廣泛發(fā)育帶供給水道的遠(yuǎn)岸濁積扇，兩種扇體可細(xì)分為內(nèi)扇、中扇與外扇三個(gè)相帶。不同學(xué)者對(duì)于深水重力流的劃分有著不同的認(rèn)識(shí)，主要運(yùn)用遠(yuǎn)源與近源、薄層與厚層、粗粒與細(xì)粒、典型與非典型、坡移與滑塌等術(shù)語進(jìn)行描述和分類[8]。濁流與碎屑流作為主要的重力流類型，其常成為優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的出現(xiàn)而受到學(xué)者的廣泛研究。

表1 Lowe[6]沉積物重力流劃分類型(引用李云，2011)

1.1 濁流

濁流作為重力流的重要成員，一直以來成為沉積學(xué)家爭論的焦點(diǎn)，上世紀(jì)60年代以前認(rèn)為濁流是具紊亂流動(dòng)狀態(tài)、逐漸減速、懸浮搬運(yùn)和牛頓流變性質(zhì)的流體，其主要沉積物為具有正粒序的非潔凈砂巖。70年代到90年代，濁流認(rèn)識(shí)發(fā)生改變，濁流被認(rèn)為是水上具層流狀態(tài)、逐漸加速、在床底搬運(yùn)和塑性流變性質(zhì)的流體，其主要沉積物為具有塊狀層理或逆粒序的潔凈砂巖，Shanmugam等認(rèn)為塊狀層理的潔凈砂巖實(shí)為砂質(zhì)碎屑流沉積[9]。國內(nèi)學(xué)者對(duì)濁流的認(rèn)識(shí)亦各有差異，姜輝(2010)從動(dòng)力學(xué)機(jī)制角度出發(fā)對(duì)濁流的流變方式、流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制進(jìn)行詳細(xì)的闡述，認(rèn)為濁流由動(dòng)力侵蝕帶、前部調(diào)節(jié)帶、沉積卸載帶、后部調(diào)節(jié)帶、動(dòng)力平衡帶5個(gè)動(dòng)力變形部分組成[10]。高紅燦(2012)認(rèn)為濁流是一種具牛頓流變性質(zhì)和紊亂狀態(tài)的沉積物重力流，其沉積物支撐機(jī)制是湍流。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為濁流是由湍流懸浮的沉積物形成的密度流，具有牛頓流和湍流狀態(tài)，湍流是主要的支撐機(jī)制[7－12]。

1.2 碎屑流

碎屑流是粘性密度流的一種，沉積物主要由基質(zhì)強(qiáng)度支撐。碎屑顆粒以礫石等粗碎屑為主，泥質(zhì)或細(xì)粒成分為支撐基質(zhì)，粗碎屑顆粒懸浮于基質(zhì)之中，碎屑流的濃度較濁流高出1～3倍不等，為非牛頓流體，呈層流流動(dòng)狀態(tài)[9]。李林(2011)對(duì)碎屑流特征進(jìn)行詳細(xì)分析，指出碎屑流的塑性流、粘結(jié)流與層流特征對(duì)應(yīng)著碎屑流屈服強(qiáng)度、凝聚力與層狀結(jié)構(gòu)特征，隨之產(chǎn)生凝結(jié)沉積、滑水機(jī)制與層面排列等現(xiàn)象。砂質(zhì)碎屑流作為碎屑流中的一種，其為顆粒以砂為主，基質(zhì)中黏結(jié)性泥含量較少的碎屑流[13]。鮮本忠(2014)對(duì)砂質(zhì)碎屑流的發(fā)展及特征進(jìn)行了深入探討，總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上辨析了高密度濁流與砂質(zhì)碎屑流的概念，并闡述了砂質(zhì)碎屑流的滑水機(jī)制[14]。

1.3 濁流與砂質(zhì)碎屑流區(qū)別

砂質(zhì)碎屑流與濁流的區(qū)分一直受到學(xué)者廣泛關(guān)注，通過對(duì)最新研究成果的總結(jié)，主要區(qū)分有一下幾個(gè)方面:(1)流態(tài)特征，濁流以紊流為主，砂質(zhì)碎屑流以層流為主;(2)流變學(xué)特征，濁流以牛頓流變特征，砂質(zhì)碎屑流具塑性流變或非牛頓流變特征;(3)流體濃度，濁流的濃度為1% ～23%，砂質(zhì)碎屑流的濃度為25% ～90%;(4)沉積物支撐機(jī)理，濁流支撐機(jī)理主要為流體湍流向上的分力，砂質(zhì)碎屑流支撐機(jī)理主要為基質(zhì)強(qiáng)度、分散壓力和向上浮力;(5)沉積韻律，濁流沉積為正韻律沉積，與上覆沉積物呈漸變接觸關(guān)系，濁流的侵蝕作用常形成侵蝕底，與下覆沉積物呈突變關(guān)系。砂質(zhì)碎屑流發(fā)育平行碎屑結(jié)構(gòu)與逆粒序結(jié)構(gòu)[8，9]。

2 研究手段

目前對(duì)于沉積物重力流的研究主要是結(jié)合露頭數(shù)據(jù)、水下鉆井測井和巖心、地震反射剖面、現(xiàn)今海底成像和取樣、實(shí)驗(yàn)室水槽試驗(yàn)和數(shù)值模擬的研究[17]。

2.1 野外露頭與巖心

野外露頭與巖心一直是觀察與研究沉積物重力流的第一手資料，也是最直觀的沉積展示?？梢哉f研究者對(duì)沉積物重力流的認(rèn)識(shí)都是從野外地層中的沉積現(xiàn)象中思考，得到啟發(fā)，從而進(jìn)行下一步的研究。但野外露頭的表現(xiàn)也具有局限性，首先野外露頭所能出露地表的厚度有限，地層追蹤受到地貌狀態(tài)的影響;其次，野外露頭所展示出的是成巖之后的沉積現(xiàn)象，它集中了多種作用的結(jié)果，不可將現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的沉積物重力流形成的巖層簡單的認(rèn)為是重力流最初沉積后的樣貌。巖心觀察在縱向上連續(xù)性較強(qiáng)，方便觀察，但橫向不具規(guī)模，無法直觀的看到其橫向變化規(guī)律。

2.2 地震反射剖面

地震剖面是研究沉積物重力流的重要手段，以更大的尺度反映重力流沉積的空間分布特征和受控地形起伏。袁圣強(qiáng)(2010)通過地震反射剖面對(duì)南海陸坡區(qū)深水水道沉積體系進(jìn)行研究，識(shí)別出沉積物重力流的滑動(dòng)峽谷以及搬運(yùn)水道，通過地震剖面和相干時(shí)間切片時(shí)空分析，得到研究區(qū)水道主要的侵蝕期和充填期[12]。

2.3 水槽實(shí)驗(yàn)

水槽實(shí)驗(yàn)的不斷發(fā)展，成為沉積物重力流的研究的主要途徑，根據(jù)不同濃度和粘度砂泥混合流體實(shí)驗(yàn)，可以半定量化研究不同性質(zhì)的流體對(duì)沉積物搬運(yùn)的方式以及各種流體的沉積特征。Hedda Breien通過嚴(yán)格的規(guī)劃沉積物的成分、比例、粒度以及水槽坡度、槽底摩擦力等因素，借助高速照相機(jī)與壓力檢測儀對(duì)不同粘土含量流體的運(yùn)動(dòng)過程、沉積過程和演化過程進(jìn)行觀察、分析(見圖1)。通過不同性質(zhì)流體的沉積過程及其沉積物特征與野外沉積層相比較，解釋沉積物重力流的形成及沉降特[15]。

圖1 水槽實(shí)驗(yàn)流體流動(dòng)過程(引用Hedda Breien，2010)

3 沉積模式

Walker(1978)提出海底扇沉積模式[16]與 Bouma(1962)提出的濁流沉積特征相結(jié)合成為最初的沉積重力流沉積模式(見圖2)，得到當(dāng)時(shí)沉積學(xué)者普遍認(rèn)同。這種沉積模式適用于具光滑盆底的坡底環(huán)境，在盆地形成濁流沉積的朵狀體[9]。濁流沉積在湖盆半深湖到深湖區(qū)亦有發(fā)育，國內(nèi)學(xué)者將海底扇引入湖盆內(nèi)，吳崇筠(1988)根據(jù)濁積砂體在湖盆中所處的位置和形態(tài)，將湖相濁積體系歸納為六種成因類型[17]。Reading等(1994)提出了點(diǎn)物源、線物源和多物源三種重力流物源類型。陳全紅(2007)根據(jù)深湖內(nèi)濁積砂體的物源類型劃分為坡移濁積扇與滑塌濁積扇，坡移濁積扇為點(diǎn)物源，有固定河道，滑塌濁積扇以線物源補(bǔ)給，無固定河道[18]。

Shanmugam(2000)提出了砂質(zhì)碎屑流沉積模式，認(rèn)為深水扇主要為砂質(zhì)碎屑流，濁流很少發(fā)育。砂質(zhì)碎屑流沉積模式適合于盆地和斜坡沉積環(huán)境，可劃分為水道化和非水道化2種類型[19]，其所形成的塊狀砂體并非濁流 Ta段沉積，而是砂質(zhì)碎屑流沉積，這種塊狀砂體成為有利的油氣儲(chǔ)層。高紅燦(2012)總結(jié)前人的研究成果指出現(xiàn)代海洋盆地中可觀察到塊狀流體的搬運(yùn)過程，即碎屑流等，而很少看到濁流搬運(yùn)過程[9]。李祥輝(2009)對(duì)深海沉積發(fā)展做出了詳細(xì)闡述，指出應(yīng)廢棄單一濁流形成的“濁積扇”，采用多種流體相作用的“深海扇”或“海底扇”。濁流與砂質(zhì)碎屑流均可產(chǎn)生對(duì)油氣儲(chǔ)層具有較大貢獻(xiàn)的塊狀砂體[20]。鄒才能(2009)對(duì)鄂爾多斯盆地深水沉積研究認(rèn)為塊狀砂體的大量發(fā)育多為砂質(zhì)碎屑流的沉積，并提出“水下坡折帶”沉積模式[8]。

圖2 深水扇沉積模式(Walker，1978)

4 研究中存在問題

沉積物重力流的發(fā)展取得了顯著成就，但仍存在許多問題，值得沉積學(xué)家進(jìn)一步研究。主要存在問題:(1)重力流沉積過程隨借助水槽實(shí)驗(yàn)與海底沉積觀測已取得部分認(rèn)識(shí)，但水槽試驗(yàn)的限定條件與實(shí)際沉積過程依然存在較大差異。需不斷完善水槽實(shí)驗(yàn)的限定因素與控制參量;(2)重力流沉積現(xiàn)象存在一定的多解性，多流體性作用的沉積現(xiàn)象需進(jìn)一步研究;(3)內(nèi)陸湖相沉積與海相沉積環(huán)境因素差異較大，深海重力流沉積模式能否符合深湖重力流沉積模式值得進(jìn)一步研究;(4)沉積重力流的命名依然處于爭論階段，統(tǒng)一的定義及命名十分必要。

5 結(jié)語

深海(水)沉積物重力流及其潛力巨大的油氣地質(zhì)意義是目前油氣勘探的一個(gè)新方向，已經(jīng)引起了國內(nèi)外高度關(guān)注，深海(水)大型油氣田的發(fā)現(xiàn)業(yè)已證實(shí)了這一點(diǎn)。但是由于地質(zhì)條件及技術(shù)條件的限制，沉積物重力流研究的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎我們的想象。沉積物重力流的認(rèn)識(shí)在不斷深化，從野外露頭的觀察到實(shí)驗(yàn)室沉積過程模擬，從宏觀的現(xiàn)象描述到流體力學(xué)的分析。由于沉積物重力流的控制因素較多，因此在重力流的概念、分類與成因上依然存在許多爭議。水槽實(shí)驗(yàn)的不斷發(fā)展，成為沉積物重力流的研究的主要途徑，根據(jù)不同濃度和粘度砂泥混合流體實(shí)驗(yàn)，可以半定量化研究不同性質(zhì)的流體對(duì)沉積物搬運(yùn)的方式以及各種流體的沉積特征，但實(shí)驗(yàn)?zāi)M依舊存在很多問題，需不斷完善水槽實(shí)驗(yàn)的限定因素與控制參量，有待今后科研工作者的解決。

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