重力流滑塌機(jī)理研究進(jìn)展

周曉光，李果營，劉恭利，潘 永，康 榮

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300452）

重力流及它的地質(zhì)營力作用是Forel[1]于1885年首先在瑞士康士坦司湖和日內(nèi)瓦湖中發(fā)現(xiàn)，是由懸浮物引起的高密度流。后來，何起祥等[2]梳理了Johnson于1939年引入的濁流概念，Kuenen和Migliorini[3]在1950年提出了濁流的學(xué)說，促進(jìn)了深水沉積研究的發(fā)展。中國對濁流沉積的研究較晚，是從20世紀(jì)70年代開展起來的，但因?qū)ζ溲芯窟_(dá)到了一定的深度，它已經(jīng)成為沉積學(xué)一個(gè)重要的組成部分[4]?？傊亓α骼碚擉w系自20世紀(jì)50年代以來，在形態(tài)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)理及動(dòng)力學(xué)成因等方面取得了較大進(jìn)展[5-9]，但是從目前的學(xué)術(shù)論文來看，重力流的動(dòng)力學(xué)及其啟動(dòng)機(jī)制的研究并不多，缺乏系統(tǒng)性分析。朱如凱等[10]總結(jié)了前人對波浪、火山、地震、洪水和風(fēng)暴等觸發(fā)機(jī)制，不同的觸發(fā)機(jī)制是形成不同濁積砂體的基礎(chǔ)。隨著勘探程度的逐漸提高，重力流成因的巖性油氣藏正成為中高勘探程度區(qū)帶的重要勘探目標(biāo)[11]。因此，系統(tǒng)梳理研究和評述重力流的滑塌機(jī)理，對于指導(dǎo)勘探方向，提高勘探效率具有重大意義。

1 重力流的概述

1.1 重力流的定義及分類

重力流的定義有許多學(xué)者進(jìn)行了論述，主要?dú)w納為2種形式，一是在重力直接作用下以塊體搬運(yùn)方式運(yùn)移的非牛頓流體，以具有高的內(nèi)部黏結(jié)力和快速堆積為特征，可以出現(xiàn)于多種環(huán)境中[12]；二是重力流是在陸上或水下由重力推動(dòng)的一種水中含有大量彌散沉積物的高密度流體[13]。上述定義顯示，重力流的定義根本上是重力驅(qū)動(dòng)，因此總結(jié)為重力流是在重力驅(qū)動(dòng)下的高濃度沉積流體。

重力流的分類十分豐富，可根據(jù)不同原理進(jìn)行分類。一是根據(jù)流體的流變學(xué)特征將沉積物重力流劃分為碎屑流和流體態(tài)流，碎屑流表現(xiàn)出塑性流變學(xué)特征[5]273，流體態(tài)流表現(xiàn)出流體流變學(xué)特征；二是根據(jù)顆粒支撐的機(jī)理不同，將水下沉積物重力流分為4種類型：碎屑流、顆粒流、液化沉積物流及濁流[12]199；三是依據(jù)機(jī)制把沉積物重力流分為：洪水型、滑塌型和火山噴發(fā)型[14]。

1.2 滑塌型重力流的觸發(fā)機(jī)制

一般認(rèn)為重力流沉積物的形成需具有如下條件：一定的觸發(fā)機(jī)制、充沛的物源、足夠的地形坡度和密度差，以及足夠的水深[14]358。不同類型的重力流，其觸發(fā)機(jī)制不同?；椭亓α鞯挠|發(fā)機(jī)制即重力流的滑塌機(jī)理相對來說比較復(fù)雜，類型多樣，在不同地區(qū)存在差異。通過閱讀大量的文獻(xiàn)有如下的滑塌觸發(fā)機(jī)制：地震、天然氣水合物分解、湖（海）平面變化、自身重力、斷裂、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、波浪、海嘯、風(fēng)暴浪、泥和巖鹽底辟等。

在地質(zhì)歷史時(shí)期的重力流滑塌系統(tǒng)，文章簡化為圖1所示的簡單物理模型，圖中深灰色代表斜坡地貌，淺灰色代表斜坡上可能發(fā)生滑塌的沉積物，滑塌沉積物在這個(gè)系統(tǒng)中所受的力，可以分解為沿斜坡和垂直斜坡4個(gè)方向的力。其中順坡方向的力F包括重力分量和后續(xù)沉積物質(zhì)對其作用力的分量及其他因素產(chǎn)生作用力的分量等；逆坡方向的力f包括摩擦力和浮力的分量及其他因素產(chǎn)生作用力的分量等，這里的摩擦力與沉積物的抗剪強(qiáng)度有關(guān)。

圖1 重力流滑塌系統(tǒng)受力物理模型圖

根據(jù)力學(xué)分析，只有當(dāng)順坡方向的力F大于逆坡方向的力f時(shí)，才可能產(chǎn)生滑塌。造成這種條件發(fā)生的既有系統(tǒng)本身的因素，如沉積物的自身重力、抗剪強(qiáng)度及斜坡的坡度；也有系統(tǒng)外在的因素，如地震、波浪、湖平面變化和斷裂作用等。因此文章提出把重力流的滑塌機(jī)理分為2類：內(nèi)在機(jī)理和外在機(jī)理。

2 重力流滑塌的內(nèi)在機(jī)理

重力流滑塌的內(nèi)在機(jī)理是指主要由于系統(tǒng)本身因素導(dǎo)致的重力流滑塌。從目前的研究成果來看主要包括2種因素：沉積物的自身重力和天然氣水合物分解。

2.1 沉積物的自身重力因素

沉積物自身重力導(dǎo)致重力流滑塌產(chǎn)生的研究成果并不多，其根本原因是斜坡沉積物的不斷增加，其重力增大，通過總結(jié)文獻(xiàn)，具體作用過程主要存在以下3種情況：

（1）砂泥互層情況下的重力流滑塌[15-16]。三角洲沉積過程中，河道發(fā)育時(shí)期主要沉積砂巖，河道不發(fā)育時(shí)期主要沉積泥巖。當(dāng)砂泥巖交互發(fā)育時(shí)，在具有一定坡度的三角洲前積體上部，當(dāng)上層的砂巖前積層厚度和面積達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，在自身的重力作用下部分砂巖沿著前積面下滑，下滑的過程中，砂巖會使下伏泥巖地層局部發(fā)生變形，并攜帶部分泥巖一起下滑，而且下伏泥巖一般飽含水，并未完全固結(jié)，隨著滑塌過程的進(jìn)行，滑塌的砂巖就會逐漸被泥巖包圍，最終變成砂巖透鏡體，即三角洲前緣形成的重力流沉積滑塌濁積體。這種滑塌機(jī)理形成的重力流沉積展布比較分散，滑塌濁積體面積大小不一，砂巖厚度一般不大。另外規(guī)模比較小的滑塌濁積體，在三維地震資料上的地震響應(yīng)不明顯，很難在地震剖面上進(jìn)行識別刻畫。

（2）沉積界面發(fā)生傾斜而產(chǎn)生的重力流滑塌[17]。在沉積盆地古氣候比較潮濕的環(huán)境下，降水量比較大，洪水發(fā)生時(shí)期較多，河流的流通量激增，河流里面所搬運(yùn)的沉積物質(zhì)不斷增多，進(jìn)入湖盆后，在三角洲沉積體系前緣的位置快速卸載，大量的碎屑沉積物快速堆積，隨著三角洲沉積體系的不斷建設(shè)，形成了三角洲前緣斜坡的沉積地形。在物源比較充足的情況下，這種三角洲前緣沉積斜坡地形的坡度，隨著三角洲的不斷進(jìn)積，沉積斜坡坡度不斷增大。三角洲前緣沉積物厚度也隨著進(jìn)積過程不斷增大。在三角洲前緣沉積斜坡的地形條件下，當(dāng)上覆進(jìn)積體砂巖的自身重力大于下伏地層的支撐能力時(shí)，會促使下伏地層發(fā)生進(jìn)一步的壓實(shí)作用，進(jìn)而使沉積界面發(fā)生傾斜，地形坡度進(jìn)一步加大，當(dāng)坡度大于穩(wěn)定休止角時(shí)，沉積物就會沿著斜坡發(fā)生滑動(dòng)，滑動(dòng)之后的沉積物內(nèi)部會發(fā)生液化，進(jìn)而產(chǎn)生滑塌，隨著沉積物質(zhì)的不斷搬運(yùn)在坡腳處或更遠(yuǎn)的位置形成重力流沉積物湖底扇等。這種情況形成的重力流沉積物面積較大，分布比較集中，在三維地震資料上的地震響應(yīng)比較明顯，在地震剖面上能夠進(jìn)行識別。

（3）沉積斜坡產(chǎn)生同生斷層情況下的重力流滑塌[18]。在三角洲沉積體系中，三角洲前緣位置一般會形成具有前積結(jié)構(gòu)的楔形沉積體，進(jìn)而發(fā)育了具有一定坡度的斜坡沉積地形。在三角洲前緣楔形沉積體之下沉積的地層一般是泥巖，是漫流沉積時(shí)期，以泥質(zhì)為主的沉積物被攜帶搬運(yùn)到了湖盆中，再經(jīng)過較長的歷史時(shí)期，在湖盆斜坡上面沉積了較厚的泥巖地層。湖盆斜坡的微古地貌通常會存在凹凸不平的情況，致使沉積的泥巖地層厚度在橫向上不均衡，一般靠近湖盆中心方向的泥巖地層更厚。當(dāng)泥巖地層上覆的三角洲前緣砂質(zhì)楔形沉積體的厚度和面積達(dá)到一定規(guī)模時(shí)，三角洲前緣前積體的自身重力開始超過其下伏泥巖地層的承重，在泥巖地層厚度橫向變化較大的地帶，由于承重差異，會產(chǎn)生同生斷裂帶，通常是展布范圍有限的同生正斷層。斷裂錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致三角洲前緣砂質(zhì)前積體發(fā)生破裂，斷層下降盤的砂巖在重力作用發(fā)生滑動(dòng)，在沉積斜坡構(gòu)造背景下繼而發(fā)生了重力流滑塌作用，形成了重力流沉積物。在砂質(zhì)沉積物滑塌的過程中一般會形成一些重力流沉積構(gòu)造標(biāo)志，如揉皺構(gòu)造、火焰構(gòu)造等。隨著三角洲沉積體系的持續(xù)推進(jìn)，沉積斜坡產(chǎn)生同生斷層也會在縱向和橫向上相繼發(fā)生，因此這種機(jī)制形成的重力流滑塌沉積體會形成一定規(guī)模，在三維地震資料中可以識別描述。

2.2 天然氣水合物分解因素

天然氣水合物分解導(dǎo)致重力流滑塌的主要機(jī)理是天然氣水合物分解會產(chǎn)生水和氣體，從而降低沉積物的抗剪強(qiáng)度，使逆坡方向的力f減小，進(jìn)而會造成沉積物順坡方向的力F大于逆坡方向的力f，發(fā)生重力流滑塌。

沉積物質(zhì)從大陸架坡折帶搬運(yùn)到半深?；蛏詈^(qū)的主要作用過程就是深水海底滑坡。天然氣水合物分解是海底沉積物發(fā)生滑坡的重要作用機(jī)制之一，在深水海底滑坡區(qū)帶，一般都分布著天然氣水合物。當(dāng)天然氣水合物不穩(wěn)定時(shí)，會分解產(chǎn)生水和天然氣，此時(shí)，因固態(tài)物質(zhì)轉(zhuǎn)變成液體（也可能是游離氣）會降低沉積物質(zhì)的抗剪強(qiáng)度，使沉積物容易受到破壞[19]。特別是當(dāng)天然氣水合物快速分解時(shí)，釋放出來的天然氣超出了氣體飽和度，沉積物質(zhì)就會發(fā)生液化作用，從而進(jìn)一步降低了沉積物質(zhì)強(qiáng)度[20]。天然氣水合物的快速分解還會造成沉積物地層壓力的增加、沉積物體積的增大，這些變化因素都可以導(dǎo)致海底沉積物的抗剪強(qiáng)度變小。天然氣水合物分解的影響因素很多，通過國內(nèi)外學(xué)者研究歸納總結(jié)了以下幾種情況[21-23]。全球氣候變暖，使水溫度升高，這種溫度變化會引起天然氣水合物的大量分解；海底火山噴發(fā)或地震作用或海平面下降的發(fā)生，造成海底物質(zhì)系統(tǒng)壓力的破壞或變化，這種壓力變化會分解天然氣水合物；大陸坡沉積物的持續(xù)沉積，會使天然氣水合物所處的地溫發(fā)生變化，進(jìn)而造成天然氣水合物的分解。

3 重力流滑塌的外在機(jī)理

重力流滑塌的外在機(jī)理是指主要由于系統(tǒng)外部的因素導(dǎo)致的重力流滑塌。有關(guān)這方面研究的文獻(xiàn)較多，通過分析歸納，文章認(rèn)為主要有3種因素：地震作用、湖（海）平面變化及波浪作用。

3.1 地震作用

地震作用導(dǎo)致重力流滑塌的原因有2個(gè)方面：它不僅可以產(chǎn)生斷裂，還可以使斜坡沉積物發(fā)生液化[18]53。地震作用在自然界比較頻繁，是一種常見的重力流滑塌外在機(jī)理。在中國東部復(fù)雜裂陷盆地中，這種機(jī)制非常普遍。

地震作用一般是板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)，當(dāng)?shù)卣鹱饔冒l(fā)生時(shí)，除了在板塊運(yùn)動(dòng)邊界、盆地邊緣或者古斷層處產(chǎn)生大斷裂外，在盆地內(nèi)部也會產(chǎn)生次級斷裂或者伴生斷裂。

在盆地邊緣，盆外的物源體系逐步進(jìn)入湖盆，形成三角洲沉積體系，在低位域沉積時(shí)期和高位域沉積時(shí)期通常發(fā)育富砂沉積體。當(dāng)?shù)卣鹱饔脤?dǎo)致盆地邊緣發(fā)生斷裂作用時(shí)，三角洲富砂沉積體就會受到地震作用的影響，在斷裂下降盤形成滑動(dòng)的起始動(dòng)力條件，使沉積物順坡方向的力F開始大于逆坡方向的力f，發(fā)生滑動(dòng)作用。同時(shí)，地震作用導(dǎo)致斷塊的震動(dòng)作用比較大，三角洲富砂沉積體部分會發(fā)生液化作用，使沉積物的抗剪強(qiáng)度降低，減小了富砂沉積體逆坡方向的力f，進(jìn)一步誘發(fā)了三角洲富砂沉積體發(fā)生滑塌作用，滑塌的富砂沉積體在斜坡坡腳位置形成重力流沉積物。這種機(jī)制形成的重力流砂體規(guī)模較大，在地震資料上具有一定的響應(yīng)特征，但是也會由于滑塌機(jī)制觸動(dòng)而發(fā)生繼續(xù)滑塌，被保存的部分較小而不易識別。

地震作用發(fā)生時(shí)伴隨著邊界斷裂產(chǎn)生，從盆地斜坡帶到洼陷帶會產(chǎn)生很多伴生斷層，形成斷階帶。這種地震作用及其伴生斷裂，對三角洲沉積體系遠(yuǎn)端部分沉積體的滑動(dòng)或者盆地邊緣產(chǎn)生的滑塌沉積體再次滑動(dòng)提供了動(dòng)力條件，一是使沉積體所處斜坡的坡度變大，增大了沉積物順坡方向的力F，二是斷塊的震動(dòng)觸發(fā)了順坡方向力F大于逆坡方向力f的臨界狀態(tài)，開始發(fā)生滑動(dòng)?；某练e體繼續(xù)往盆地內(nèi)部洼陷帶滑動(dòng)，在洼陷帶形成重力流沉積物。這種情況形成的重力流砂體由于搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)，分選磨圓較好，其重力流沉積體規(guī)模受多因素影響而大小不一，主要影響因素為物源供給的持續(xù)性、觸發(fā)機(jī)制的頻次及地形構(gòu)造條件不同等。

3.2 湖（海）平面變化

湖（海）平面的變化導(dǎo)致沉積物發(fā)生重力流滑塌主要有2種情況：一是使沉積物逆坡方向的力f減?。欢窃龃蟪练e物順坡方向的力F，最終使沉積物順坡方向的力大于逆坡方向的力，發(fā)生沉積物滑塌作用[24]。湖（海）平面的突然下降使得三角洲沉積體系前緣部分出露水面，出露的沉積物失去了水體的浮力，使沉積物逆坡方向的力f減小，打破了原來的平衡狀態(tài)，從而使三角洲前緣部分沉積物發(fā)生滑塌，產(chǎn)生重力流沉積。三角洲沉積體系受湖（海）平面變化影響較大，當(dāng)湖（海）平面下降，可容納空間減小，河流的建設(shè)作用就會增強(qiáng)，三角洲沉積體系中的河道穩(wěn)定發(fā)育，沿著河道提供大量的沉積物質(zhì)到三角洲前緣持續(xù)堆積，因此三角洲前緣斜坡位置的沉積物逐漸增多，致使增加了沉積物順坡方向的力F，同時(shí)湖（海）平面的突然下降，也使三角洲前緣前積體的浮力減小，二者疊合的作用，最終使沉積物順坡方向的F力大于逆坡方向的力f，打破了原來的平衡狀態(tài)，前緣部分沉積物開始發(fā)生滑塌。在湖（海）平面的旋回性變化過程中，下降半旋回發(fā)育階段比較易于產(chǎn)生重力流沉積。大量油氣地質(zhì)勘探實(shí)踐也表明，在不同體系域時(shí)期的地層中，高位體系域時(shí)期的地層經(jīng)常發(fā)育一系列滑塌濁積扇。

3.3 波浪作用

波浪作用也是常見的一類觸發(fā)機(jī)制，但是對其成因機(jī)制類型，不同學(xué)者有不同的看法。有的學(xué)者認(rèn)為波浪破壞或改造三角洲前緣后進(jìn)而誘發(fā)形成濁積砂體，不是滑塌成因而是前緣砂體再沉積的產(chǎn)物，而有的學(xué)者認(rèn)為是滑塌成因[25-26]。文章認(rèn)為波浪作用改造三角洲前緣后形成的濁積巖是滑塌成因，因?yàn)樵谌侵耷熬壌嬖谇熬壭逼拢瑸榛膯?dòng)提供了條件，浪基面附近被波浪改造的沉積物在斜坡上是在重力的驅(qū)動(dòng)下滑動(dòng)前移的，最終在坡腳或低洼處沉積形成滑塌濁積巖。在湖泊中的波浪作用雖然比較小，但是在暴風(fēng)、湖嘯等因素影響下，它們形成的波浪對浪基面附近的三角洲前緣同樣具有很強(qiáng)的破壞和改造作用。

4 結(jié)論

（1）系統(tǒng)總結(jié)歸納了滑塌型重力流的觸發(fā)機(jī)制。根據(jù)滑塌型重力流的力學(xué)條件，把重力流的滑塌機(jī)理分為兩大類：內(nèi)在機(jī)理和外在機(jī)理。內(nèi)在機(jī)理主要包括沉積物的自身重力和天然氣水合物分解。外在機(jī)理主要有地震作用、湖（海）平面變化、波浪作用。

（2）隨著含油氣盆地勘探程度的提高，重力流成因的巖性油氣藏必然成為未來的勘探重點(diǎn)之一。因此，需要加強(qiáng)重力流滑塌機(jī)理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論研究，為今后廣泛開展巖性勘探提供理論技術(shù)支持。