密度羽流構型特征、控制因素及其對深水沉積的啟示
——對河口和其他環(huán)境中密度羽流進行的全球衛(wèi)星調查

SHANMUGAM G

（Department of Earth and Environmental Sciences, The University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA）

1 問題的提出

1999年以來，美國國家航空和航天局（NASA）[1]在線發(fā)布“地球觀測站”（Earth Observatory）存儲的大量密度羽流衛(wèi)星圖像。NASA用多種衛(wèi)星拍攝了這些照片，但未對世界各大洋和湖泊中密度羽流的自然構型變化進行系統(tǒng)的梳理和匯總。本文首次對全球 45個密度羽流實例的自然變化進行梳理（見圖1）[2-32]。Forel首先報道了瑞士日內瓦湖的密度羽流現(xiàn)象[33]，在此基礎上Bates[34]提出在河口三角洲環(huán)境中有3種類型的密度羽流：河水密度低于盆地水密度的低密度羽流（見圖2a）、河水密度與盆地水密度相等的等密度羽流（見圖2b）及河水密度大于盆地水密度的高密度羽流（見圖2c）。盡管人們更關注河口高密度羽流[35-36]，但其他環(huán)境中的羽流同樣重要。

本文的衛(wèi)星圖像記錄了密度羽流在河口及其他環(huán)境下的自然變化及其復雜性，有助于理解羽流的外部控制因素及羽流對異重流、海底扇和深水石油儲集層的影響。本文不僅采用NASA的衛(wèi)星圖像，也采用了一些其他公開發(fā)表的圖像。

圖1 海洋和湖泊環(huán)境45個密度羽流實例的位置圖

在實際研究中，傾向于將“重力流”和“羽流”這兩個術語看做同義詞。但是，這兩個術語并非完全一樣。在流體動力學中，羽流被定義為一種流體在另一種流體中的流動，本文采用羽流的廣義定義，即一種富含沉積物、灰分、生物或化學物質的流體進入另一種流體。本文將證明自然界中存在多種羽流類型。其中，河流羽流是最常見的。NOAA（美國國家海洋和大氣管理局）漁業(yè)術語表[37]將河流羽流定義為“通常位于河口或河道外的河流（河口）遠端，從陸地流出的渾濁淡水?！?/p>

在流體力學中，術語“重力流”指沉積物與水混合物在剪切應力作用下產(chǎn)生的連續(xù)、不可逆的變形，而該剪應力在大多數(shù)情況下是重力[38]。換句話說，并非所有的羽流都是重力流。例如，低密度羽流不是受重力驅動（見圖 2a）。但是，“重力流”和“羽流”這兩個術語都適用于異重流。

圖2 三角洲環(huán)境下的河流羽流密度變化類型示意圖（基于Bates[34]的概念）

因為異重流的原始概念與河流-洪水密切相關[34]，本文考慮了河口的密度羽流，并對全球21條河流的河口密度羽流進行了分析（見表1）。

2 全球密度羽流實例及其特征

本文列舉了世界各地 45個密度羽流實例（見表1），不僅包括傳統(tǒng)的河口羽流，還包括港灣、融水、風成、火山、氣旋、上涌等成因或環(huán)境的羽流。本文只選擇了某些能突出控制因素的實例。盡管筆者試圖根據(jù)羽流形狀描述羽流類型，但很多情況下羽流形狀過于復雜而無法描述。出于這個原因，按照起源對所選的羽流進行了分類（例如火山羽流、融水羽流、塵埃羽流等）。

2.1 偏轉型羽流

美國墨西哥灣的密西西比河是北美洲第2大水系，僅次于哈德遜灣水系。從歷史上看，密西西比河三角洲一直是三角洲的“典型”[40]。密西西比河的衛(wèi)星圖像顯示該地區(qū)發(fā)育最大的偏轉密度羽流（見圖 2d）。Walker 和 Rouse將羽流的偏轉歸因于墨西哥灣陸架潮流。

2.2 簡單葉狀和馬尾狀羽流

黃河是中國的第 2大河流，是世界上向海洋攜帶沉積物最多的河流[41]，其河口位于中國渤海灣。從歷史上看，它每年攜帶近 1×108t的沉積物入海[42]。1983年，黃河的年平均懸浮負載濃度為25 000 mg/L，洪水階段濃度為 220 000 mg/L，為世界上最高[43]。Shanmugam對最近從黃河收集的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行了研究[44]。

黃河顯示出 2種不同類型的羽流，即簡單葉狀和馬尾狀（見圖2e、圖2f）。馬尾狀羽流的形狀與局部偏轉有關。黃河口發(fā)育以河流主導的三角洲，為單向河流，并發(fā)育河口泥質葉狀羽流（見圖2e）。然而，潮汐的發(fā)育阻止了沉積物向海中輸送（見圖 3）。Li等[45]提出潮汐是控制黃河口快速加積的重要動力因素。懸浮沉積物沿潮汐切變鋒匯聚并迅速沉積。這是因為在兩個反向流體之間會形成低速區(qū)。

2.3 葉狀和偏轉羽流

長江是亞洲最長的河流（6 300 km），長江江口毗鄰中國東海。衛(wèi)星圖像顯示，長江同時發(fā)育高密度葉狀羽流和低密度偏轉羽流（見圖4a）。筆者根據(jù)顏色對高密度和低密度羽流進行了區(qū)分。例如，由于高密度羽流沉積物濃度較高，所以呈黃褐色；而低密度羽流由于沉積物濃度較低呈藍色（見圖4a）。

長江口環(huán)境復雜，此處的洋流和潮流都影響沉積物的擴散。不同于黃河流入渤海灣時不受洋流影響，長江流入東海，受到暖流、北流、黑潮的影響（見圖4b），因此，長江帶來的泥沙沉積物在內陸架上重新分布并沉積為泥質帶[46]。

雖然黃河和長江在河口都發(fā)育高密度羽流，但從這 2條河流的河口到深海，高密度沉積物的輸送受到潮汐和洋流等外部因素阻擋或轉向（見圖5）。

在最近的一項研究中，Luo等[5]發(fā)現(xiàn)密度羽流會在冬季擴大（見圖6a），而在夏季消失（見圖6b）。

在解釋冬季密度羽流時（見圖 7），Luo等[5]應用數(shù)值模擬對冬季潮汐對沉積物的垂直混合進行了模擬。Luo等[5]認為他們的模型顯示，雖然潮水一年四季都很活躍，但只有在冬季海面和海底的溫度和鹽度大致相同時，沉積物才能上升到水面。但是在夏季，來自長江的淡水涌入，加上海面表層升溫，防止了垂直混合，使懸浮的沉積物留在深處。

2.4 線狀羽流

在地質和工程文獻中，關于異重流的討論焦點集中在細?；蚱胀ㄈ侵蕖cPherson、Shanmugam 和Moiola[6]把細粒三角洲與粗粒三角洲區(qū)分開來，其重要性在于說明，辮狀三角洲作為一種粗粒三角洲，是典型的高流速、高梯度河流環(huán)境下形成的三角洲。由于這些辮狀河流入具有多個入口點的靜止水體，這些水體被辮狀砂壩隔開，所以這些河流形成了“線狀”的高密度羽流，如阿拉斯加靠近太平洋的Chignik河的辮狀河三角洲（見圖 8）。區(qū)分線狀羽流類型非常重要，

因為辮狀河三角洲在水下三角洲前緣會形成各種類型的沉積物流體，包括碎屑流[6]。

表1 衛(wèi)星圖像上現(xiàn)代海洋和湖泊環(huán)境中各種構型的密度羽流實例

圖3 黃河河口衛(wèi)星圖像

圖4 長江江口衛(wèi)星圖像及概念模型

圖5 黃河（a）和長江（b）沉積模式差異示意圖 （據(jù)文獻[44]修改）

圖6 冬季和夏季的長江衛(wèi)星圖像（據(jù)文獻[5]加標注）

圖7 長江冬季（上）和夏季（下）的底部剪切應力模型（據(jù)文獻[5]加標注）

圖8 阿拉斯加東南海岸Chignik河的辮狀三角洲

2.5 聚并和毯狀羽流

Galloway[48]最初將阿拉斯加靠近太平洋阿拉斯加灣的柯柏河三角洲確定為“扇三角洲”。根據(jù)McPherson、Shanmugam和Moiola[6]的資料，柯柏河三角洲符合粗粒辮狀河三角洲特征。其重要性在于它發(fā)育聚并河流羽流（見圖 9a）和毯狀塵埃羽流（見圖 9b）。在這種情況下，很難區(qū)分古沉積記錄中河流和風成輸入沉積物。

圖9 阿拉斯加灣柯柏河三角洲

2.6 潮汐葉狀羽流

金門大橋位于連接太平洋的加利福尼亞州舊金山灣口（見圖12a）。Barnard等[8]報道了加利福尼亞州舊金山灣口金門大橋下一個潮汐導致的巨大沙波場（見圖 12b）。多次調查表明，沙波會隨著潮汐產(chǎn)生的水流而移動。舊金山灣口潮汐沙波的意義在于NASA在該區(qū)域拍攝到了泥質葉狀沉積物羽流的圖像（見圖12c），這些羽流與許多河口沉積物羽流類似，如黃河口羽流（見圖2e）。

圖10 加拿大的河流

圖11 美國東部和西部沿海的河流

圖12 加州舊金山灣

2.7 發(fā)散狀羽流

里約熱內盧的拉普拉塔河口位于南美洲東海岸（見圖 14a），與阿根廷和烏拉圭接壤，是世界上最大的河口之一[49]，河口長280 km、寬220 km，水深不超過10 m（見圖14b）。它接收來自巴拉那河和烏拉圭河的水和沉積物，年平均排放量為22 000 m3/s。拉普拉塔河口發(fā)育發(fā)散狀羽流，前緣不規(guī)則（見圖14c）[50-51]。

圖13 亞馬遜河口的大西洋洋流

圖14 南美洲里約熱內盧的拉普拉塔河口

圖15 流入地中海北部的河流

Gonzalez-Silvera等[9]研究了海洋顏色（OCTS，Sea WiFS）和海面溫度（AVHRR）圖像，并評估了巴西—馬爾維納斯群島和拉普拉塔羽流的空間和時間變化。數(shù)據(jù)集采集時間自1997年1月至2003年6月，編制和分析了葉綠素和海洋表面溫度數(shù)據(jù)。結果表明，從夏季到冬季，拉普拉塔羽流逐漸向北延伸；拉普拉塔羽流的形狀顯示出夏季河口在阿根廷一側的陸架上具有更強的侵蝕力；巴西—馬爾維納斯群島匯流呈現(xiàn)季節(jié)性遷移。

2.8 U形轉向羽流

圖16 加迪斯灣

加迪斯灣位于大西洋東北部（見圖 16a）。它由直布羅陀海峽西部的南伊比利亞和摩洛哥北部邊緣所環(huán)抱。瓜達爾基維爾河和瓜迪亞納河 2條主要河流以及奧迪耶、力拓和瓜達萊特河等較小的河流在這里入海。 就洋流而言[12]，它是最復雜的海洋環(huán)境之一（見圖 16b）。與海流模式類似，由瓜達爾基維爾河排入海灣的沉積物表現(xiàn)出“U形轉向”羽流的形狀（見圖16c）。

2.9 旋渦狀浮游生物羽流

直布羅陀海峽是連接大西洋和地中海的狹窄海峽，它將西班牙與摩洛哥分隔開來。在這里，筆者可以看到海峽西部加迪斯灣的大型沉積物羽流和海峽以東地中海的旋渦狀浮游生物羽流（見圖 17a）。更令人信服的是，大型羽流可能與洪水期附近沉積物的輸入增加有關。旋渦狀羽流的成因可能歸結于該地區(qū)的流體流動和內部波浪（見圖17b）。

圖17 直布羅陀海峽

2.10 內部波浪引發(fā)的羽流

從北大西洋向東經(jīng)過直布羅陀海峽流動到地中海的海水產(chǎn)生內部波浪形式的湍流（見圖17b）。這些內部波浪有時幅度高達80 m、波長高達0.8 km[13]。它們主要發(fā)育在海洋深處，水面只有一個波峰。在地中海地區(qū)觀察到浮游生物羽流和內部波浪同時存在的情況下，關鍵控制因素是穿越海峽流動的海水。Shanmugam[13]對內部波浪和潮汐的起源進行了研究（見圖18）。除了關于日本Otsuchi海灣的研究成果，有關內部波浪和沉積物羽流之間的聯(lián)系在沉積學文獻中很少討論[14]，目前對于內部波浪成因羽流精確結構的認識是欠缺的。

2.11 內部狂浪引起的羽流

Masunaga等[14]使用具有空間和時間高分辨率的拖曳儀器與系泊陣列對日本巖手縣三陸海岸大槌灣的淺海灣內部狂浪的上升進行了觀測。觀測結果表明，內部狂浪沿著斜坡傳播，伴隨著強烈的湍流和淺海灣的沉積物再懸浮（見圖19）。由于狂浪的存在，等溫位移在水深40 m時垂直高度達到20 m。濁度測量顯示懸浮粒子從斜坡底部和近海帶到溫躍層上方，形成中間霧狀層（INL）。在狂浪（稠密水體）的頂部，伴有強烈垂直運動的渦旋引起沉積物的重新強烈懸浮和急劇的等溫位移。

圖18 沿大洋火山的內部波浪和潮汐概念圖（據(jù)文獻[13]）

圖19 日本三陸海岸和大槌灣狂浪引起的沉積物混合模型（據(jù)文獻[14]加標注；ε—耗散率，Kρ—湍流垂直擴散率）

2.12 網(wǎng)狀羽流

胡里河是恒河的一個支流，其沉積物排入孟加拉灣。在季風性洪水泛濫期間[52]，胡里河在河口形成了網(wǎng)狀羽流（見圖20）。恒河口被認為是一個以潮流為主的河口[15]。這種羽流類型的起源并不完全清楚。誠然，孟加拉灣不僅有強烈的季節(jié)性洪水而且有頻繁的颶風活動[21]，但網(wǎng)狀羽流的成因并不完全清楚。目前認為Sagar島及其附近島嶼控制河流流動和羽流結構特征。

2.13 大型旋渦狀羽流

在印度東南部和斯里蘭卡北部之間的馬納爾深海灣（海底測深大于200 m）和印度洋北部的波克淺海灣（海底測深小于7 m）（見圖21a），沉積物羽流的分布受局部海水深度、季風潮流的逆轉（見圖 21d）[16]和波浪作用控制（見圖 21b）[17]。大型旋渦狀羽流在淺海地區(qū)發(fā)育（見圖 21b、圖 21c）。Jagadeesan等[16]將該區(qū)域浮游生物羽流的結構歸因于洋流。該實例研究的意義是表明羽流在馬納爾深海灣不發(fā)育。

圖21 印度洋馬納爾灣

在波克海灣中間的橢圓形海島稱 Nedunthivu（泰米爾人名字，意思為長島），該島面積為50 km2，長度為8 km，最大寬度約6 km，是一個被淺水、珊瑚礁和沙灘包圍的平坦島嶼，在波浪作用下為羽流提供沉積物。

2.14 聚并的葉狀羽流

莫桑比克中部流入印度洋的贊比西河河口發(fā)育浪控三角洲。由于存在多條河口，該河形成了聚并的葉狀羽流（見圖22b）。Mikhailov等討論了沿岸流對三角洲改造的重要性[18]。

圖22 贊比西河三角洲

圖23 馬達加斯加的河流

2.15 云狀浮游生物和旋渦狀硫化氫羽流

非洲南部邊緣的特征表現(xiàn)為印度洋一側向南流的阿古拉斯洋流和大西洋一側向北流的本格拉洋流（見圖26a）的存在，由于水體富含營養(yǎng)物質，導致本格拉上涌洋流及非洲西南部形成較高的葉綠素濃度。因此，2007年11月初在NASA-MODIS衛(wèi)星影像上可見納米比亞外海域發(fā)育大量的浮游生物羽流（見圖 26b）。在浮游生物消亡和細菌對其進行分解的化學過程中會導致有毒硫化氫的釋放（見圖 26c），由于硫化氫的大量存在，本文稱這類羽流為硫化氫羽流。目前還不清楚這些化學羽流在沉積物中會有什么反映。

圖24 西非的河流

圖25 埃及尼羅河三角洲（顯示葉狀沉積物羽流，據(jù)文獻[32]）

2.16 瀑布狀氣旋式羽流

大量的衛(wèi)星信息顯示美國大西洋陸架區(qū)的氣旋引起沉積物搬運[21]。例如4級颶風弗洛伊德（1999年9月7日至17日）全長近933 km，影響了從佛羅里達州到緬因州的美國東海岸，對北卡羅萊納州造成的損失最大。對比陸架水域的衛(wèi)星圖像可見，在晴朗天氣和暴風雨天氣期間重新懸浮的沉積物形成鮮明對比（見圖27）。例如天氣晴朗的時候在佛羅里達州—喬治亞州—南卡羅萊納州—北卡羅萊納州沿岸，陸架海水很平靜，沒有再懸浮沉積物（見圖 27a）。相比之下，在暴風雨天氣期間，1999年9月16日熱帶颶風弗洛伊德經(jīng)過東海岸時，陸架水域含有大量重新懸浮的沉積物。弗洛伊德颶風的力量強大，使整個美國大西洋大陸架的水體陷入混濁（見圖27b）。該地區(qū)陸架寬100 km，邊緣水深200 m。這些衛(wèi)星圖像是全陸架區(qū)沉積物重新懸浮最有說服力的可視證據(jù)。這些重新懸浮的沉積物達到陸架坡折帶，并在陸坡上逐級階梯式下降。這樣的羽流被稱為“瀑布狀羽流”（見圖27b）。

圖26 納米比亞外大陸邊緣

2.17 旋渦狀氣旋式羽流

1999年的颶風弗洛伊德使美國大西洋沿岸近 100 km的陸架寬度帶上泥質沉積物再次懸浮（見圖27b），與此類似，2009年的熱帶風暴伊達使墨西哥灣北部近150 km寬海域的泥質沉積物重新懸浮，并引起旋渦狀氣旋式羽流（見圖28b）。

圖27 美國大西洋邊緣

圖28 墨西哥灣北部

2.18 海嘯反沖洗羽流

海嘯在沉積物的侵蝕和沉積中起著重要作用。Shanmugam[22]認為深水環(huán)境海嘯相關的沉積分為 4個階段：觸發(fā)階段、海嘯階段、轉換階段和沉積階段。在2004年印度洋海嘯中，斯里蘭卡西南部卡盧特拉海灘的轉換階段反沖洗羽流中沉積物很豐富（見圖29）。倒涌的海水是藍色的（即無沉積物），但是由于海水中混入了沉積物，近岸區(qū)海水變成棕色。海水變?yōu)樽厣遣ɡ似扑榈慕Y果，這些返回的沉積物包括懸浮物和泥沙，被稱為“反沖洗羽流”。

圖29 印度洋海嘯期間的航拍影像

2.19 融水羽流

來自格陵蘭島冰蓋的融水沉積物羽流在拉布拉多海中很常見（見圖 30a）。Chu[23]研究了格陵蘭冰蓋水文系統(tǒng)的要素，并提出了浮式沉積物羽流和濁流的沉積模型（見圖30b、30c）。Mankoff等[53]討論了格陵蘭峽灣冰下噴流羽流的結構和動力學。

2.20 白色羽流

北大西洋的大巴哈馬海岸最顯著的特點是安德羅斯島以西藍白色海域（見圖 32a）。安德羅斯島西側的這片海域沿西北—東南方向長約350 km，寬約100 km。該條帶被稱為“白色羽流”（見圖32a），原因是大巴哈馬海岸的安德羅斯島以西地區(qū)主要由細灰泥和球狀泥質沉積物組成[56]，眾所周知，這些泥質沉積物的海域會有偶發(fā)的、高強度濁積事件，并產(chǎn)生乳白色的海水，歷史上稱之為“白流”[57]。白流的起源歸因于石灰泥的直接沉淀[57-58]、魚類活動[25]、風[26]和佛羅里達洋流[27]導致的沉積物重新懸浮。

圖30 格陵蘭島

圖31 南極洲冰川

圖32 碳酸鹽臺地和珊瑚礁

2.21 環(huán)狀羽流

在南太平洋，珊瑚礁環(huán)境形成了一個環(huán)狀羽流（見圖 32b）。在南太平洋珊瑚礁附近和所羅門海域的深藍色水域，路易斯安得群島的珊瑚礁和森林島嶼從巴布亞新幾內亞的尖端向東南延伸超過350 km。衛(wèi)星圖像左下角顯示了群島最大島嶼塔古拉島（也稱 Vanatinai島）西北部海岸的一部分。路易斯安得群島有從鑲邊珊瑚礁到珊瑚環(huán)礁的各“進化”階段的珊瑚礁，導致形成環(huán)狀羽流（見圖32b）。Khanna和Yadav[28]討論了Tagula島附近的珊瑚礁發(fā)育情況。

2.22 塵埃羽流

宇航員拍攝的照片顯示，在紅海有一個塵埃羽流，延伸到沙特阿拉伯大部分（見圖 33a）。該羽流的點源是埃及南部Khor Baraka河流三角洲。塵埃羽流的形態(tài)變化很大，這是因為在空氣中的塵埃與水接觸時，局部海洋因素如洋流與波浪共同作用決定了羽流的形狀。

圖33 紅海和墨西哥灣南部

2.23 羽毛狀羽流

墨西哥灣南部尤卡坦半島的衛(wèi)星圖像顯示發(fā)育羽毛狀羽流（見圖 33b）。這類羽流是由風和浪引起的，為沉積物與浮游生物混合的產(chǎn)物。在衛(wèi)星圖像上，藍綠色云基本上與半島西部淺海陸棚范圍一致。在NASA拍照前幾天，強烈的風暴攪動了海灣，沉積物很有可能被強烈的風暴帶到淺水域表面。

2.24 火山灰羽流

據(jù)報道，2017年6月白令海的博戈斯洛夫島發(fā)現(xiàn)火山灰羽流（見圖34b）。研究火山灰羽流所面臨的困難是由于火山噴發(fā)強度、全球大氣環(huán)流模式以及火山灰的堆積密度的不同[29]，火山灰可漂移數(shù)百至數(shù)千千米。此外，類似于塵埃，火山灰羽流的形狀變化很大。

2.25 含天然氣羽流

Paull等[30]報道，在美國卡羅萊納州大陸隆起的布萊克海嶺底辟上，在水深2 167 m處有海底微生物氣體排放。在化學合成生物群落活躍的凸凹不平海底以上320 m的水體中利用聲學識別出富含氣體的羽流。該地區(qū)羽流和排出的流體從靠近一個小型斷層的地方發(fā)散，斷層向下延伸到底部模擬反射體（BSR）中的圓頂，表明流體和（或）氣體的運移與下面的含天然氣水合物沉積物有關。這類羽流可能是由氣泡或從海底向上漂浮的天然氣水合物造成的。目前已經(jīng)繪制了天然氣水合物分布圖（見圖37）。

圖34 火山爆發(fā)

圖36 全球范圍內海面葉綠素濃度分布圖

圖37 含天然氣水合物沉積物（黃色）區(qū)域分布圖

Ruppel和Kessler[60]討論了高緯度地區(qū)冰川之下天然氣水合物的情況。

2.26 卷須狀羽流

衛(wèi)星圖像顯示了美國密歇根湖的卷須狀羽流（見圖 38a）。在這個例子中，懸浮沉積物改變了密歇根湖的南端面貌。風力活動引起沉積物混入南部海岸線的地表水，形成了一條向湖中央延伸的卷須狀羽流；羽流顏色從褐色到綠色。

圖38 密歇根湖和伊利湖的羽流

2.27 旋渦狀羽流

美國伊利湖的旋渦狀羽流（見圖38b）是由湖震引起的[1]。湖震是一個巨大的駐波，當強風和大氣壓力的快速變化將水從一個水體的一端推向另一端時，會產(chǎn)生這種波。De Jong和Battjes[31]討論了湖震的大氣成因。

本文首次總結并發(fā)現(xiàn)了 24種不同形狀的密度羽流，但目前并不能基于一個統(tǒng)一的概念將其形成系統(tǒng)的分類方案。例如，雖然大部分結構以形狀（如葉狀）命名，也考慮了其他因素，比如顏色（如白色），形成過程（如風成作用）等。它們大致分為14個大類（見圖39），進一步可分為24種羽流類型（見圖40），其中包括12個海洋實例和兩個湖泊實例。除旋風和海嘯外，其他羽流都不能將沙子和礫石搬運到深海。雖然這些不同類型的羽流可以在衛(wèi)星或其他照片圖像的現(xiàn)代系統(tǒng)中識別出來，但是在古沉積記錄中仍然不能區(qū)分這些羽流。鑒于羽流的復雜變化，在河口是唯一異重流類型的假設前提下提出的任何異重流沉積模型都是誤導性的。

圖39 羽流類型[44]

圖40 羽流的形成環(huán)境、組成、來源、外部控制因素和類型（據(jù)文獻[44]，修改）

3 主要啟示

研究表明，羽流對認識以下問題有重要啟示：外部控制因素、異重流、海底扇以及深水沉積石油儲集層。

3.1 外部控制因素

外部控制因素性質各異，它們是沉積體系之外的因素，如隆起、沉降、氣候、河口等等。然而，密度羽流的外部控制因素變數(shù)更大，并包括一些常見的沉積過程（例如潮汐流）。本文對羽流形成環(huán)境、組成、來源、外部控制因素和類型等進行了總結。具體實例研究和相關參考文獻見表1。這只是對控制因素的初步梳理，如含天然氣羽流包含在多種類型中，尚需進一步研究。筆者已經(jīng)認識到羽流至少有18個外部控制因素（見圖40）。

①潮汐（見圖3）：黃河[3]；②冬季陸架流（見圖6）：長江[5]；③洋流（見圖 14）：拉普拉塔河河口[4,50-51]；④潮流（見圖12）：舊金山灣[1,8]；⑤季風流（見圖21）：印度洋[16]；⑥風成塵埃（見圖 33）：紅海；⑦颶風氣旋（見圖 27）：墨西哥灣，美國大西洋陸架[21]；⑧海嘯（見圖 29）：斯里蘭卡，阿拉伯海[22]；⑨辮狀河三角洲和相關的高坡度和粗沉積物（見圖8）：阿拉斯加，太平洋[6]；⑩湖泊中的湖震（見圖38b）：美國伊利湖[1]。?上升涌流（見圖 26）：納米比亞沿海[20]；?浮游植物（見圖26）：納米比亞海岸；?魚類活動（見圖32）：大巴哈馬海岸[25]；?火山爆發(fā)（見圖34b）：白令海[1]；?冰川融化（見圖 30）：格陵蘭[23]；?珊瑚礁（見圖32b）：南太平洋[1]；?坑洼地形：卡羅萊納大陸隆起（見圖37，北大西洋[30]；?內部波浪和潮汐[13]及相關的狂浪（見圖19）。未來的研究在建立沉積模型時應該考慮外部控制因素的影響。

3.2 異重流

在討論河口沉積過程時，地質學家、地球物理學家和水力工程師使用多達16種不同的沉積過程術語來表示異重流[3,34-35,53,61-74]，導致概念不一致，例如單層和多層異重流等（見圖41）。

Gao等[75]指出，黃河經(jīng)歷了由潮流和浪潮引起的再懸浮的沉積機制的轉變，這種轉變可能導致異重流被底部濁流層取代。兩者之間的差異在于異重流為單層，沒有密度或速度垂直分層（見圖 41a），而底部濁流層有密度和速度垂直分層（見圖 41b）。顯然，研究人員對異重流的流體力學并不清楚。在存在這種不確定性的前提下，現(xiàn)在將異重流的成因相模型應用于石油儲集層是不成熟的[76-77]。

圖41 異重流種類

3.3 海底扇

傳統(tǒng)上，海底扇與濁流沉積有關[79]。最近，海底扇的起源被歸因于異重流[73,80]。Zavala和 Arcuri[73]提出了兩種類型的異重流，即砂質和泥質兩種類型。在這種分類中，砂質異重流中的上升羽流（即正浮力）具有重要意義。Steel等[81]也提出了類似的上升羽流模型。

Zavala和Arcuri[73]也采用了Mutti[82]等對濁流的分類，分為低密度濁流和高密度濁流。盡管筆者對深海環(huán)境中的高密度濁流和異重流缺乏了解[83-84]，Zavala和 Arcuri[73]提出了 2種類型的異重流，即砂質和泥質類型。重要的是，他們提出了2種類型的濁流沉積，即“盆內濁積巖”和“盆外濁積巖”（見圖 42）。盆內濁流沉積物是由鄰近陸架局部產(chǎn)生的沉積物，并通過“經(jīng)典”濁流進入盆地。相反，盆外濁積巖的沉積物來源于遠處的陸地和三角洲，并通過“洪水觸發(fā)”的濁流或異重流進入盆地（見圖42）；盆地外濁流在洪水期接受河流直接供給的沉積物，并且可在陸架或深海沉積；該模型忽略了外部因素，例如潮汐（見圖3）和洋流（見圖4），這些外部因素阻止了從河口到深海的高密度沉積物的輸送；該模型也忽略了對扇體沉積至關重要的海底峽谷類型。這些概念存在一些大的問題無法解釋[44]。

圖42 水下扇示意圖（據(jù)文獻[73]加標注）

①上升異重流的概念是有問題的，因為其違背了浮力的基本原理。在討論流體中的浮力效應時，Turner[85]解釋說，正浮力的羽流不能是高密度的（即密度過高的羽流不能上升）。根據(jù)定義，異重流由于密度過高而產(chǎn)生負向浮力。

②Zavala和Arcuri[73]根據(jù)物源（內部來源與外部來源）對濁流和扇體進行了分類，這與基于牛頓流體流變和湍流狀態(tài)的濁流的常規(guī)定義相沖突[86-87]。

③由于兩個原因，假想的盆外濁積巖和相關異重流扇體模型是不成立的。首先，高密度濁積流概念不僅在理論基礎上存在缺陷[88]，而且在世界海洋中也未經(jīng)證實[89]。其次，該模型沒有考慮到導致海底扇發(fā)育的最基本因素，即海底峽谷[44]。

④現(xiàn)代實例并未顯示現(xiàn)代環(huán)境下高密度流流體的發(fā)育。例如，馬納爾深海灣并沒有高密度流流體和相關的沉積物羽流（見圖21b）。

3.4 深水沉積石油儲集層

由于以下原因，異重流巖可成為深水沉積石油儲集層的說法[76,90]也是站不住腳的。

①實驗中河流引發(fā)的濁流[71]（即異重流）完全是泥質流（見圖43）。

圖43 大陸邊緣、水槽實驗及異重流經(jīng)驗數(shù)據(jù)

②公開的數(shù)據(jù)顯示源于河流-洪水的異重流是泥質的，而且出現(xiàn)在內陸架環(huán)境中靠近海岸線的地方。迄今尚未有任何研究證明，在現(xiàn)代環(huán)境中，由河流-洪水引發(fā)的異重流能跨越整個大陸架將砂礫輸送到深水盆地（雙向箭頭，見圖 43a）。密西西比河在河口淺水陸架環(huán)境中產(chǎn)生了一些壯觀的密度羽流（見圖44）。但并不確定這些羽流是否能到達深海。不過，也有羽流可以達到陸架邊緣和更遠地方的例子；只是這種羽流是由氣旋、海嘯、風成塵土、火山爆發(fā)、上涌、葉綠素等引發(fā)的，但它們與河流-洪水無關。

圖44 密西西比河

③從這項研究中得到的一個重要教訓是，大多數(shù)河口羽流由于外部控制因素發(fā)生偏轉或被阻礙。因此，異重流不是沙子和礫石通過陸架而進入深海的可行的運輸機制。

④Talling[91]綜合研究了異重流的過程，得出結論認為：“由于大量高密度洪水產(chǎn)生的弱稀釋流很可能卸載薄層（毫米級至10 cm）細粒沉積物層，類似于那些在湖泊和水庫中發(fā)現(xiàn)的異重流。野外觀察表明，它們不會在深水環(huán)境中形成米級厚度的砂層（以前的假說）”。

由于上述原因，河流泛濫觸發(fā)的異重流巖不可能成為深水環(huán)境中的石油儲集層，除非另有證據(jù)。

4 結語

對全球密度羽流的研究表明，羽流有 6種不同的環(huán)境、6種組成物質、11種來源、18種外部控制因素以及24種類型。羽流自然變化很大，但并未對各個密度羽流的沉積特征進行研究。研究密度羽流的挑戰(zhàn)是不同機制（例如旋風、湖震、洋流上涌等）可產(chǎn)生同一類型羽流（例如旋渦狀）。迄今為止，尚未有人調查過這些不同類型的密度羽流在沉積記錄中的保存狀態(tài)。

這項研究的結果引出了一些基本問題，有待進一步研究：①密度羽流形態(tài)的持續(xù)時間；②每種羽流形態(tài)的沉積層獨特性存在與否；③沉積環(huán)境與羽流形態(tài)之間的關系；④外部因素如何控制羽流形態(tài)；⑤特定羽流與相伴生的濁積巖、平積巖或半蛇紋巖沉積區(qū)之間的區(qū)分等。

致謝：感謝《石油勘探與開發(fā)》執(zhí)行主編許懷先博士邀請我為期刊2018年特刊發(fā)表本文，以慶祝中國石油勘探開發(fā)研究院60周年華誕，并以此文紀念筆者與該研究院長達10年的國際合作。非常感謝NASA收集了由河流、潮汐、冰川、火山噴發(fā)、旋風等引發(fā)的密度羽流的圖像，還感謝NASA, Jet Propulsion Laboratory,NOAA, Wikipedia, Clastic Detritus, SEOS, AAPG Bulletin,GSA Bulletin, Geology, Journal of Palaeogeography,Oceanography, Progress in Oceanography, Journal of Sedimentary Research, American Geophysical Union,Elsevier, Wiley, Butterworth-Heinemann, DigitalGlobe,以及R. D. Kreisa提供本文中使用的圖像。此外感謝筆者妻子的評論。