張昌民， 朱 銳， 趙 康， 胡 威

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

走向多極：碎屑沉積學(xué)研究的十對熱點(diǎn)問題

張昌民， 朱 銳， 趙 康， 胡 威

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

在分析碎屑沉積學(xué)研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，對主要熱點(diǎn)問題進(jìn)行概括。碎屑沉積學(xué)研究處于活躍時(shí)期，研究領(lǐng)域的發(fā)展具有明顯的多極化趨勢，可以概括為“一豎一橫”“一粗一細(xì)”“一深一淺”“一大一小”“一前一后”“一遠(yuǎn)一近”“一分一合”“一長一短”“一熱一冷”“一急一緩”等十對熱點(diǎn)問題。沉積相模式研究方法從垂向剖面分析法向建筑結(jié)構(gòu)要素分析法發(fā)展；在對細(xì)粒沉積物進(jìn)行研究的同時(shí)，粗粒沉積體系研究取得成果；異常重力流、淺水三角洲研究十分活躍，深海沉積模式不斷豐富；研究視野向大到星際研究、小到微生物沉積構(gòu)造研究兩方面延伸；物源和疏松沉積物變形研究不斷深入；深時(shí)氣候和地球未來環(huán)境變化研究成為沉積學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)；分支河道體系和匯流盆地水系研究成為源匯體系研究的新動向；長達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百公里的大型沖積體系研究越來越多；不同氣候帶環(huán)境下河流和湖泊沉積的多樣性研究越來越深入；季節(jié)性河流沉積特征揭示大量古氣候和古環(huán)境信息。

碎屑巖； 碎屑沉積學(xué)； 研究進(jìn)展； 沉積相模式； 異常重力流； 深海沉積模式； 淺水三角洲； 源匯分析； 大型沖擊體系

0 引言

20世紀(jì)60年代掀起一場沉積學(xué)革命，誕生濁流、河流、沖積扇、三角洲等沉積相模式，大量現(xiàn)代沉積考察是重要推動力，將今論古，沉積巖石學(xué)和沉積相的概念得到全面革新。20世紀(jì)80和90年代，提出風(fēng)暴沉積等新模式；Miall A D提出河流沉積建筑結(jié)構(gòu)要素分析法。21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地球信息技術(shù)的飛速發(fā)展，沉積學(xué)研究的視野和領(lǐng)域大大拓寬，一些比較偏冷的領(lǐng)域逐漸成為熱門研究方向，一些被忽視的研究領(lǐng)域逐漸得到重視，一些新的研究手段和方法得到廣泛應(yīng)用，一些新的研究思想不斷涌現(xiàn)。沉積學(xué)不再只是圍繞有限的幾種沉積相模式開展實(shí)證性研究，所涉及時(shí)間和空間范圍更加廣闊和深遠(yuǎn)，與其他學(xué)科融合越來越緊密，呈現(xiàn)多極化趨勢。

筆者以碎屑沉積學(xué)研究為對象，將熱點(diǎn)問題用十對相互對應(yīng)的詞匯進(jìn)行概括，闡述當(dāng)前這一學(xué)科的發(fā)展動態(tài)，包括“一豎一橫”“一粗一細(xì)”“ 一深一淺”“ 一大一小”“ 一前一后”“ 一遠(yuǎn)一近”“ 一分一合”“ 一長一短”“ 一熱一冷”和“ 一急一緩”等。

1 一豎一橫

“豎”指的是垂向剖面分析法(Vertical Profile Analysis)，“橫”指的是建筑結(jié)構(gòu)要素分析法(Architectural Element Analysis，或譯為構(gòu)型要素分析法)。垂向剖面分析法根據(jù)柱狀圖或垂向剖面，對地層順序從老到新進(jìn)行垂向分析。沉積相綜合柱狀圖是沉積學(xué)垂向剖面分析的基本圖件，垂向沉積模式是垂向剖面分析結(jié)果的主要表現(xiàn)方式。經(jīng)典沉積學(xué)教材中的沉積模式為垂向模式，如曲流河的向上變細(xì)模式和辮狀河的塊狀沉積模式，也有三維塊狀圖，但三維塊狀圖的主要功能是說明垂向?qū)有虻男纬蓹C(jī)理和形成過程。

運(yùn)用垂向剖面分析法進(jìn)行露頭研究時(shí)，一般先進(jìn)行地層劃分，然后逐層描述，將描述記錄整理繪制成地層柱狀圖，添加沉積構(gòu)造和含有物，配合顏色、粒度、分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)等欄目，分析并標(biāo)注各層段的沉積微相、亞相和相，根據(jù)代表性沉積層序建立不同沉積微相的沉積模式。20世紀(jì)80年代初，辮狀河沉積模式包括Scott型、Donjek型、Platte型和Bijou Creek型[1]，比較方法為垂向剖面分析法。該方法對重建沉積環(huán)境、預(yù)測有利砂巖發(fā)育區(qū)帶和有利儲層相帶具有指導(dǎo)作用。

油田進(jìn)入開發(fā)階段，需要對沉積微相、油層組的小層、單砂體甚至砂體內(nèi)部的單層進(jìn)行精細(xì)對比，以預(yù)測砂體在橫向上的延伸距離，以及砂巖粒度和沉積構(gòu)造在橫向上的變化趨勢。如果不清楚砂體橫向上的延伸距離，就難以了解砂體的連續(xù)性和連通性，注水就達(dá)不到效果；如果不清楚砂體內(nèi)部夾層和隔層的分布，在注水過程中也易出現(xiàn)問題。采用垂向剖面分析法不能解決這些問題，在解決生產(chǎn)問題時(shí)表現(xiàn)明顯不足。

為了彌補(bǔ)垂向剖面分析法的缺陷， Miall A D[2-4]提出建筑結(jié)構(gòu)要素分析法。建筑結(jié)構(gòu)要素分析法包括巖石相(lithofacies)類型劃分、沉積界面(boundary surface hierarchy)系列識別、建筑結(jié)構(gòu)要素(architectural elements)類型劃分，以及沉積模式(models)構(gòu)建四個方面的主要內(nèi)容。根據(jù)現(xiàn)代河流考察結(jié)果，Miall A D將河流沉積中的巖石相類型分為19種，然后修改為23種；將河流沉積中的沉積界面分為4級，然后修改為6級，再后又增加到9級；他認(rèn)為河流沉積中的建筑結(jié)構(gòu)要素可以劃分為8種類型，根據(jù)不同河流中發(fā)育的建筑結(jié)構(gòu)要素類型特點(diǎn)，提出12種河流沉積模式。建筑結(jié)構(gòu)要素分析法最初主要用于河流沉積研究，現(xiàn)已成為露頭調(diào)查和地下地質(zhì)解剖的基本方法，被廣泛應(yīng)用于各類沉積體系的描述和解釋。

2 一粗一細(xì)

石油與天然氣生產(chǎn)一般以石油生產(chǎn)為主，天然氣生產(chǎn)為輔，砂巖和碳酸鹽巖儲層是油田的主要儲層，油氣沉積學(xué)研究的主要對象是砂巖和碳酸鹽巖。在碎屑巖研究方面，主要對象是砂巖，大多數(shù)沉積模式是以砂巖為主構(gòu)建的。文獻(xiàn)[5-6]著眼于砂巖儲層問題研究。

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入，資源枯竭造成高含水油田開采成本不斷升高，新的大型砂巖油氣田的發(fā)現(xiàn)越來越困難；對清潔能源的消費(fèi)需求增加天然氣的產(chǎn)量，天然氣儲層大多為碳酸鹽巖、致密砂巖、粉砂巖和泥頁巖。20世紀(jì)80年代，在北美發(fā)現(xiàn)頁巖氣并實(shí)施工業(yè)化開采后，人們認(rèn)識到以粉砂巖和泥巖、頁巖為代表的細(xì)粒沉積巖是天然氣形成和儲存的良好場所，也是重要生油層和儲油層。頁巖氣的工業(yè)化開采形成非常規(guī)油氣概念，重新引起沉積學(xué)界對細(xì)粒沉積物的重視。近十年來，細(xì)粒沉積學(xué)成為碎屑沉積學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，人們研究頁巖成因，建立頁巖沉積成因模式，對頁巖儲集層納米級孔喉系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)表征，開展頁巖儲層非均質(zhì)性研究[7]。

Schieber J等利用水槽實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用泥質(zhì)細(xì)粒沉積物模擬生成流水波痕[8]，打破泥質(zhì)沉積物不能形成波痕的傳統(tǒng)認(rèn)識，使得人們認(rèn)識到細(xì)粒沉積物沉積的深水區(qū)域并不平靜，各種底流對沉積物進(jìn)行搬運(yùn)和分選，形成非均質(zhì)頁巖儲層。袁選俊等[9]對細(xì)粒沉積研究進(jìn)行回顧，在陸相細(xì)粒沉積研究方面，分析不同類型湖泊的沉積特征與生油能力；根據(jù)沉積巖組分、顏色、結(jié)構(gòu)、展布和化石等劃分古代湖泊沉積亞相，預(yù)測生油巖與儲集巖分布，進(jìn)行沉積環(huán)境與沉積特征解剖；通過現(xiàn)代湖泊考察，對湖泊物理、化學(xué)、生物過程及沉積特點(diǎn)、富有機(jī)質(zhì)頁巖分布、早期成巖作用等進(jìn)行研究，深化湖泊相沉積認(rèn)識；開展以有機(jī)地球化學(xué)為主的沉積—有機(jī)相研究。

以砂礫巖為代表的湖盆粗粒沉積學(xué)研究在20世紀(jì)80年代得到迅速發(fā)展，在河南、遼河等油田發(fā)現(xiàn)粗粒碎屑巖儲層[10-11]，建立扇三角洲和沖積扇沉積模式[12]，尤其是近岸水下扇沉積模式[13]成為中國提出的一種特殊沉積模式。粗粒儲層沉積體系研究在21世紀(jì)以來進(jìn)展緩慢，而地理地貌學(xué)領(lǐng)域?qū)Ρ?、滑坡、泥石流等混雜粗粒沉積研究得到長足進(jìn)步[14]。20 世紀(jì) 90 年代，新疆油田在瑪湖凹陷斜坡區(qū)發(fā)現(xiàn)瑪北油田和瑪 6 井區(qū)塊三疊系百口泉組砂礫巖油藏。2010 年以來，百口泉組研究證實(shí)，三疊紀(jì)百口泉組沉積期，沿瑪湖凹陷周邊發(fā)育車拐、克拉瑪依、黃羊泉、夏子街、夏鹽、達(dá)巴松等六個大型沉積扇體[15]，扇體半徑大多超過20 km，其前端進(jìn)入古瑪納斯湖而形成扇三角洲群，構(gòu)建大面積扇控成藏模式[16]?，敽笥吞锏陌l(fā)現(xiàn)引起學(xué)術(shù)界對粗粒沉積物研究的重視。

3 一深一淺

深和淺指的是相對水深，即相對于沉積動力和沉積環(huán)境。文中深水沉積是指在深水區(qū)由各種水流搬運(yùn)堆積的碎屑沉積，不包括在靜止深海條件下的遠(yuǎn)洋沉積物。

深水沉積研究最先從濁流沉積取得突破，有人將重力流概括為碎屑流、顆粒流、液化沉積物流和濁流四種形式，對濁流又劃分為高密度和低密度濁流。20世紀(jì)80年代，等深流研究受到重視；20世紀(jì)90年代，高振中等在阿帕拉契亞山脈發(fā)現(xiàn)內(nèi)波內(nèi)潮汐沉積[17-18]。21世紀(jì)以來，再次掀起深水沉積研究熱潮，Shanmugam G提出，將重力流在水下運(yùn)動時(shí)、沿底床發(fā)生的塊體運(yùn)動稱為塊體沉積物搬運(yùn)；將以懸浮方式搬運(yùn)形成的沉積物稱為濁流沉積；將與深水沉積物共生的交錯層理發(fā)育的沉積物稱為深水牽引流沉積[19]。中國在19世紀(jì)提出并發(fā)現(xiàn)近岸水下扇沉積；21世紀(jì)以來，在長慶油田和勝利油田分別發(fā)現(xiàn)大規(guī)模的深水碎屑流和濁流沉積儲層[20-21]，在南海珠江口盆地發(fā)現(xiàn)新近系深水沉積形成的大規(guī)模油氣藏天然氣儲層[22]。

三角洲一般堆積在內(nèi)陸架淺水地區(qū)。20世紀(jì)90年代末，人們發(fā)現(xiàn)一些三角洲前緣朵葉體可以延伸到陸架邊緣，因此提出陸架邊緣三角洲的概念[23-25]。陸架邊緣堆積的沉積體更容易滑塌而觸發(fā)重力流，將三角洲沉積體系和深水沉積體系串聯(lián)起來。陸架邊緣三角洲可以認(rèn)為是形成于深水區(qū)的“淺水沉積物”。

異常重力流可以看成是在淺水區(qū)形成的深水沉積。異常重力流沉積水動力機(jī)制與重力流的相同，沉積在三角洲前緣或者前三角洲的近端，具有深水沉積動力機(jī)制，但與淺水沉積物共存。有人把海底沉積物滑塌和滑動而形成的濁流稱為盆內(nèi)濁流，把異常重力流稱為盆外濁流，并形成異常重力流的沉積模式[26-27]；Zavala C等用異常重力流機(jī)理解釋在遙遠(yuǎn)的深水區(qū)發(fā)現(xiàn)豐富的完整樹葉化石的原因[28]。中國在長慶油田也發(fā)現(xiàn)異常重力流沉積。

有關(guān)淺水三角洲研究越來越多。在陸相盆地中發(fā)現(xiàn)一些三角洲沉積的前積層不發(fā)育，發(fā)育大量紅色泥質(zhì)沉積，形成的砂體很薄，這種特征被認(rèn)為是由在湖泊水體很淺條件下的三角洲形成的，但沒有對淺水三角洲的水深做過定義。以鄱陽湖為例，人們總結(jié)淺水三角洲的沉積特征，鄱陽湖在汛期湖泊水位抬升而形成廣闊的湖面，枯水期水位下降，贛江進(jìn)入鄱陽湖的三角洲體系被認(rèn)為是現(xiàn)代淺水三角洲的一個實(shí)例[29]。

4 一大一小

大和小指的是研究對象尺度。從大的方面，沉積學(xué)研究的對象逐步從局部到全球，甚至到星際規(guī)模；從小的方面，沉積巖的微觀結(jié)構(gòu)和由微生物等形成的微弱成分、微小沉積構(gòu)造研究日益增加。

《火星沉積學(xué)》研究火星上的沉積現(xiàn)象[30]?；鹦翘綔y工程已經(jīng)證明火星上存在沉積巖，打破火星是一個火山巖星球的傳統(tǒng)認(rèn)識。在很長時(shí)間里，火星上發(fā)生水和火星表面的相互作用，存在水流的風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積作用?；鹦巧系某练e巖有些局部出現(xiàn)，許多地區(qū)沉積巖分布范圍達(dá)到數(shù)百公里以上。沉積體系包括沖積扇、三角洲、湖底扇環(huán)境，以及由洪水形成的峽谷。沉積物特征表明，緩慢侵蝕現(xiàn)象可能是由早期降水形成的，而快速侵蝕是由地下水噴涌形成的。廣泛分布的沉積巖沒有明確的成因，根據(jù)其中發(fā)育硫酸鹽礦物推測是由湖泊蒸發(fā)環(huán)境形成的?！皺C(jī)遇號”在火星上發(fā)現(xiàn)的一套地層被命名為火燒組(Burns)，地層為分選好、磨圓度中等的砂巖，保存在Meridiani平原的地表下，測量和沉積學(xué)觀察認(rèn)為地層是風(fēng)成的，部分為水下沉積，構(gòu)成沙丘—砂巖席—沙丘間洼地沉積互層序列的一部分。在Melas Chasma盆地，從高地周邊的河流下切的物源區(qū)到高程逐步下降的沉積物匯集區(qū)，發(fā)育洪積扇、濱岸三角洲和湖底扇構(gòu)成的地貌單元[30]。在火星上，降雨形成的徑流下切盆地周邊的基巖，在侵蝕中形成的沉積物沿盆地邊緣形成錐狀沉積體，在扇上形成河道。在Melas Chasma盆地，可以看到錐狀沉積體延伸而形成湖底扇，與密西西比海底扇非常相似。

非碳酸鹽巖中微生物沉積構(gòu)造研究不斷深入。人們比較熟悉的微生物建造是疊層石，一般認(rèn)為疊層石形成于潟湖、海灣或湖泊碳酸鹽環(huán)境，實(shí)際上疊層石也形成于非碳酸鹽巖沉積。在地球歷史早期，當(dāng)碳酸鹽巖沉淀還沒有開始時(shí)，微生物已經(jīng)開始對沉積物產(chǎn)生捕獲、粘結(jié)和障積作用，形成大量生物成因構(gòu)造，即微生物成因構(gòu)造(Microbially Induced Sedimentary Structures, 簡稱MISS)，有些微生物成因構(gòu)造發(fā)育于特殊環(huán)境，具有指相意義。有關(guān)微生物形成的沉積構(gòu)造研究始于20世紀(jì)70至80年代。1999年，SEPM出版一個專輯，8年后又出版一個介紹各種各樣MISS的圖冊。2010年5月，在丹佛召開硅質(zhì)碎屑沉積中的微生物席狀結(jié)構(gòu)專題研討會。2012年，SEPM出版《硅質(zhì)碎屑沉積物中的微生物席狀沉積》專輯[31]，其內(nèi)容包括從寒武紀(jì)到現(xiàn)代的MISS，以及微生物藻席對遺跡化石的形成和保存的意義；認(rèn)為埃迪卡拉動物化石是微生物形成的，還發(fā)現(xiàn)一些礦床與古代藻席形成有關(guān)。利用DNA可以識別不同的細(xì)菌，應(yīng)用MISS可以重建寒武紀(jì)到人類世以來的古環(huán)境。

5 一前一后

前是指沉積顆粒在沉積前，即沉積物遭受風(fēng)化從母巖中脫落及其之后經(jīng)歷的搬運(yùn)作用階段；后指沉積物沉積埋藏后經(jīng)歷的準(zhǔn)同生和成巖作用階段。

沉積學(xué)和地貌學(xué)主要研究從源到匯的問題，從源到匯的實(shí)質(zhì)是系統(tǒng)研究沉積物經(jīng)歷的風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)和沉積作用。風(fēng)化作用的方式及其機(jī)理在經(jīng)典沉積學(xué)、地貌學(xué)著作中有大量介紹；關(guān)于沉積物的、在水流和風(fēng)沙作用下的運(yùn)動機(jī)理，泥沙運(yùn)動力學(xué)有大量成熟的理論。對物源區(qū)的研究不斷從定性向定量發(fā)展，不僅研究物源區(qū)的母巖成分，而且研究物源區(qū)的匯流體系和流域面積的大小，以及支流的分布和不同支流對沉積作用的貢獻(xiàn)，水利、泥沙工程和地貌學(xué)的定量理論和方法不斷在沉積學(xué)物源研究中得到應(yīng)用[32-33]。運(yùn)用河流沉積物鋯石測年技術(shù)可以定量研究沉積物的搬運(yùn)和沉積速率，運(yùn)用河漫灘沉積物的成分可以定量推斷母巖區(qū)的母巖類型。有人把尼羅河700 km長的河線看成一個天然的實(shí)驗(yàn)室，在物源區(qū)研究風(fēng)化作用；在火山巖發(fā)育地區(qū)研究火山作用；沿著河流研究水流的搬運(yùn)和沉積作用，觀察沉積物成分和組構(gòu)的變化；在河口地區(qū)可以研究混合動力作用，以及沿著海岸線產(chǎn)生的搬運(yùn)作用。

沉積物在成為巖石之前要經(jīng)歷多次的起動—搬運(yùn)—沉降，最后沉積下來，成巖作用研究沉積物在最后停滯的場發(fā)生的變化。以前的研究較重視重荷形成的機(jī)械壓實(shí)和地層流體流動造成的化學(xué)成巖過程，對沉積物沉積之后到固結(jié)前發(fā)生的疏松沉積物變形關(guān)注不夠。疏松沉積物變形(soft sediments deformation，也稱為軟沉積物變形)在沉積學(xué)教科書中有介紹，如包卷層理、泄水構(gòu)造、火焰狀構(gòu)造的特征及其成因；關(guān)于底辟作用、火焰狀構(gòu)造和泥火山及其產(chǎn)物在沉積學(xué)、構(gòu)造地質(zhì)學(xué)和地層學(xué)教材中亦有論述。20世紀(jì)后期，有關(guān)震積巖的研究引起人們對疏松沉積物變形的興趣。2003年，英國地質(zhì)學(xué)會出版地下沉積物活動的專輯[34]。2007年，AAPG出版砂巖侵入體方面的專輯[35]，研究地層中大規(guī)模的砂巖侵入現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)北海地區(qū)一些油田的儲層分布與砂巖侵入體密切相關(guān)。目前，有關(guān)疏松沉積物變形的力學(xué)機(jī)理研究提出許多模型，對促使沉積物變形的觸發(fā)機(jī)制也提出多種解釋，包括地震、重荷作用、潮汐震蕩、洋流影響及砂體內(nèi)部異常高壓等，并建立數(shù)學(xué)和力學(xué)模型，提出疏松沉積物變形的分布模式[36]。如在深水區(qū)快速堆積的濁積砂體的原始孔隙很大，圍巖多為泥質(zhì)巖層，在壓實(shí)和成巖過程中，泥巖中的水分優(yōu)先向濁積砂體孔隙流動，隨著砂體內(nèi)部流體壓力的不斷升高，超過泥巖的破裂極限后就發(fā)生爆裂，爆裂形成的砂體碎屑沖破圍巖，向周圍運(yùn)動而形成砂巖侵入體。侵入的砂質(zhì)碎屑沿裂縫擴(kuò)散，使裂縫進(jìn)一步擴(kuò)大，形成次生砂體。砂巖侵入體的形成一方面影響儲層的連續(xù)性，給儲層體積的計(jì)算帶來困難；另一方面其巖脈成為連接相鄰砂體的通道，可能增加儲層的連通性。

從震積巖角度，我國對疏松沉積物變形進(jìn)行分析[37]，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量軟沉積物變形的實(shí)例。在南海珠江口盆地新近系地層中，張昌民等發(fā)現(xiàn)大量疏松沉積物變形丘狀構(gòu)造，通過丘狀構(gòu)造精細(xì)形態(tài)表征，認(rèn)為丘狀構(gòu)造屬于砂巖侵入體，可能形成有利的含油氣圈閉[38-39]。

6 一遠(yuǎn)一近

遠(yuǎn)是指深時(shí)(deep time)時(shí)期；近是指近期，即現(xiàn)今時(shí)間。近期地球溫室效應(yīng)問題，促使人們對地球歷史時(shí)期的古氣候和古環(huán)境進(jìn)行探索。

在回顧古氣候研究對深時(shí)的習(xí)慣定義基礎(chǔ)上，孫樞等[40]認(rèn)為“現(xiàn)代及第四紀(jì)的氣候狀態(tài)限制我們的視野, 深時(shí)古氣候研究不再局限于第四紀(jì)，應(yīng)該根據(jù)地球40億年的沉積記錄，挖掘埋藏地質(zhì)歷史時(shí)期地球氣候變化的信息，深時(shí)古氣候?qū)W重點(diǎn)探討氣候變化的極限和速率、大氣成分與大洋成分變化、大氣環(huán)流與大洋環(huán)流，以及生物圈、固體地球與太陽的聯(lián)系等問題。深時(shí)古氣候研究的重大問題包括白堊紀(jì)溫室氣候的極熱時(shí)期，新元古代“雪球地球”事件，溫室氣候中出現(xiàn)的快速冰川事件，大氣與海洋成分變化形成的富有機(jī)質(zhì)黑色頁巖和大洋紅層，大氣成分與快速氣候變化產(chǎn)生的古新世—始新世最熱事件，大洋環(huán)流與全球變暖造成的大洋環(huán)流突然倒轉(zhuǎn)，古地理、大洋環(huán)流和古氣候變化與南極洲的形成、全球氣候變化的關(guān)系，青藏高原隆起，全球變冷和亞洲季風(fēng)的形成，米蘭科維奇理論與旋回地層學(xué)，205 Ma以來大氣氧含量變化與哺乳動物演化等。

吳懷春等[41]認(rèn)為深時(shí)時(shí)期的時(shí)間概念可歸結(jié)為3個相對獨(dú)立又相互重疊的問題：事件的具體發(fā)生時(shí)間；兩個或多個事件是否同時(shí)發(fā)生；事件發(fā)生的速率(即持續(xù)時(shí)間)如何。深時(shí)研究依據(jù)一系列地層對比方法建立事件發(fā)生的先后順序，確定兩個(或多個)事件發(fā)生的時(shí)間是否等時(shí)。深時(shí)研究依賴于一系列生物、化學(xué)和物理指標(biāo)，以及地層和年代對比技術(shù)，一些地質(zhì)事件如火山灰層或地磁場倒轉(zhuǎn)可視為理想的時(shí)間對比手段。人們利用放射性同位素定年方法獲得絕對年齡，并結(jié)合各種地層學(xué)方法建立地質(zhì)年代表。利用深時(shí)地質(zhì)模型可以模擬未來一定時(shí)間內(nèi)地球環(huán)境的變化[42]。

“人類世的沉積學(xué)(Anthropocenic sedimentology)”[43]興起?！叭祟愂馈逼鹗加?8世紀(jì)后半葉的工業(yè)革命，與瓦特(Watt J)發(fā)明蒸汽機(jī)的時(shí)間(1784年)吻合。自工業(yè)革命以來，人類活動已引起地球資源和環(huán)境的巨大變化，生物滅絕越來越快，在熱帶雨林中，由人類活動引起的物種滅絕速度增加成千上萬倍。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署警告，1990～2000年，地球上已有10%～20%的物種滅絕；到2050年，25%的物種將有滅絕的危險(xiǎn)。當(dāng)代地球上動、植物滅絕的數(shù)量與速度，甚至比6 500萬年前那次包括恐龍消失在內(nèi)的物種滅絕還快。造成生物大滅絕的原因，既不是氣候的變化，也不是較大隕星對地球的撞擊和(或)全球大規(guī)模的火山噴發(fā)等，而是人類活動侵占生物的生存空間。從沉積學(xué)角度，隨處丟棄和填埋的生活垃圾就是一種人類世的沉積物。在海豹的毛發(fā)中，人們檢測到包括切爾諾貝利核電站事故、美國在日本投放原子彈等事件記錄。三峽大壩建成后，下泄水流中的泥沙含量減少，上游庫區(qū)沉積泥沙增多，造成一些港口和河道淤塞；同時(shí)河流對河岸的侵蝕加劇，導(dǎo)致下游河岸垮塌頻繁；在三角洲地區(qū)，流入的淡水減少形成海水倒灌，對人類生存和生活帶來巨大影響。由此可見，碎屑沉積學(xué)研究與人們的生產(chǎn)、生活的關(guān)系變得越來越緊密。

7 一分一合

分是指水系的分散和分流，合是指水流和河道的匯合和匯入。Weissmann G S等[44]和Hartley A J等[45]提出新的河流沉積學(xué)術(shù)語——分支河流體系(Distributive Fluvial System，簡稱DFS)，運(yùn)用Google Earth軟件，對全球700余個沉積盆地中的沖積河流沉積體系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，認(rèn)為陸相盆地的沖積體系以DFS為主導(dǎo)，單個DFS的長度從小于1 km到大于700 km。DFS的識別標(biāo)準(zhǔn)包括：(1)明顯的頂點(diǎn)，從定點(diǎn)往下河流體系(包括活動的和廢棄的)分汊；(2)定點(diǎn)周邊形成明顯的正地形，從頂點(diǎn)向側(cè)向和下游坡度下降；(3)與DFS有關(guān)的河流呈分支狀，常常分汊并形成小河道；(4)從定點(diǎn)往下沒有支流進(jìn)入；(5)從定點(diǎn)往外廢棄河道呈分支狀或者弧形展布；(6)半徑大于30 km。盆地中的DSF分布受盆地的流域大小和基巖巖性、氣候特征、沉降速率及河流所在構(gòu)造位置控制，DSF的大小與盆地的大小也有一定的關(guān)系。

DFS概念的提出是人們對地球表面認(rèn)識視野擴(kuò)大的結(jié)果，高分辨率衛(wèi)星地圖使得人們可以在任何地方觀察整個地球表面的地貌特征，對數(shù)百公里甚至更大規(guī)模的沉積體系進(jìn)行整體描述和測量。沉積盆地的DFS沉積模式可以顯示比單個河道相模式更大范圍的河流沉積體系的特征，使得人們能夠理解和把握沉積體系總體特征。由于DFS沉積體系的長度達(dá)到數(shù)十甚至數(shù)百公里，在同一個沉積體系中，不同部位形成的沉積建造序列差異巨大，有些部位發(fā)育巨厚的砂礫質(zhì)粗粒沉積，有些部位發(fā)育巨厚的細(xì)粒泛濫平原沖積盆地充填。DFS概念將傳統(tǒng)的沖積扇和河流體系綜合在一個有機(jī)相連的沉積體系中，有必要對傳統(tǒng)的扇三角洲、辮狀河三角洲甚至“正常三角洲”等沉積體系的特點(diǎn)和成因進(jìn)一步審視，因?yàn)槌练e體系可能屬于不同形態(tài)和規(guī)模的DFS三角洲。

現(xiàn)代地貌學(xué)和水利學(xué)，研究河流、沖積扇的流域面積與其分流平原面積、沖積扇面積的比例關(guān)系，分析匯流盆地中水系的數(shù)量、流量、流程，以及主河道流量的大小、所攜帶沉積物數(shù)量，為沉積學(xué)研究源匯體系的關(guān)系提供資料。

Bull W B[46]研究加利福尼亞的沖積扇，認(rèn)為在不同巖性下，流域面積與扇體面積、坡度的關(guān)系不同：當(dāng)流域泥頁巖體積分?jǐn)?shù)為46%～85%時(shí)，Af=2.4Ad0.88,Sf=0.023Ad-0.16；當(dāng)流域砂巖體積分?jǐn)?shù)為58%～68%時(shí)，Af=1.3Ad0.88，Sf=0.022Ad-0.32(其中，Af為沖積扇面積；Ad為流域面積；Sf為沖積扇坡度)。Oguchi T等[47]研究公式Af=cAdn中參數(shù)c和n的地貌意義，并對日本和美國西部地區(qū)進(jìn)行對比，認(rèn)為c在日本地區(qū)擬合的關(guān)系式中大于美國西部地區(qū)的，原因是日本降雨量較大，侵蝕速率較高；n相對較小，原因是受侵蝕速率較高及隨流域面積增大而流域坡度降低更快的共同影響。Moore J M等[48]對比火星上發(fā)育的沖積扇與地球上發(fā)育的沖積扇，當(dāng)沖積扇表面坡度相同時(shí)，火星上沖積扇流域的高差通常大于地球上構(gòu)造活動區(qū)域沖積扇流域的高差，認(rèn)為地球上的流域盆地能提供比火星上對應(yīng)的流域盆地更粗的沉積物質(zhì)，或者更高的沉積物濃度。

8 一長一短

長與短是指沖積扇體系的大小。自20世紀(jì)70年代以來，沖積扇沉積學(xué)研究得到迅速發(fā)展，沉積學(xué)教科書一般將沖積扇上的沉積物分為泥石流沉積、辮狀河道沉積、篩積物和片流沉積，通常沖積扇的長軸長度小于10 km。Galloway W E等[49]將沖積扇劃分為干扇(arid fan)和濕扇(wet fan)；后來，他們[50]根據(jù)沖積扇上占主導(dǎo)性的水動力條件，將沖積扇劃分為泥石流扇、河流扇和片流扇。Stanistreet I G等[51]根據(jù)沖積扇上的河道類型及泥石流的存在，將沖積扇劃分為泥石流扇、辮狀河扇、低彎度河流扇和曲流河扇。Blair T C等[52]認(rèn)為沖積扇長軸長度一般小于10 km，大于10 km的扇狀體系應(yīng)該稱為河流或者河流扇(rivers or river called fans)，之后河流扇(fluvial fan)一詞不斷被采用。

21世紀(jì)以來，關(guān)于河流扇的研究不斷增多，與河流扇相關(guān)和相似的其他術(shù)語還有巨型扇(megafan)、大型河流扇(large fluvial fan)、大型洪積扇(alluvial megafan)和濕河流扇(wet fluvial fan)等。20世紀(jì)70年代，Parkash B等提出末端扇的沉積學(xué)概念[53]，描述印度馬坎達(dá)河地區(qū)末端扇的形成及其沉積過程；Kelly S B等[54]提出末端扇的相模式；張金亮等[55]認(rèn)為濮城油田古近系沙河街組二上亞段2+3砂組為末端扇沉積體系；Cain S A等[56]將末端扇、末端河流扇及分支河流扇體系作為相似的沉積體系。目前，扇狀沉積體系的概念較多，使用也較為混亂，Hartley A J等[45]認(rèn)為沖積扇(alluvial fan)的面積小于100 km2，半徑為1～20 km，個別可以達(dá)到30 km，扇面梯度一般大于1.0°，沉積物以粗粒為主，常發(fā)育重力流沉積；巨型扇面積為103～105 km2，半徑可以超過100 km，扇面梯度一般小于0.1°，以河道沉積為主，在其遠(yuǎn)端可以看到河道砂體下切到細(xì)類沉積物；河流扇介于沖積扇和巨型扇，主要發(fā)育河道沉積物。

扇的概念已經(jīng)發(fā)生重大的改變，對長達(dá)數(shù)十公里甚至數(shù)百公里的扇狀體系的研究不斷出現(xiàn)，對現(xiàn)代大型扇狀體系和古代大型扇狀體系的研究越來越深入。河西走廊盆地的昌都扇的半徑超過70 km；塔里木盆地的扇狀地貌顯著，扇體的半徑長達(dá)100～200 km，一個扇形地區(qū)形成一片綠洲，一個地市級或者縣級行政區(qū)域坐落其中(見圖1)。在地質(zhì)歷史時(shí)期，應(yīng)存在類似的大型扇體，對其沉積物的研究有助于了解當(dāng)時(shí)的古地貌和古氣候變化，對預(yù)測沉積礦產(chǎn)的形成與分布具有重要的意義。

9 一冷一熱

氣候條件對沉積作用的影響非常大。干旱與濕潤條件下，河流的流量和含沙量變化很大，溫度和溫差的變化影響河流和湖泊的沉積過程，進(jìn)而影響沉積巖的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。

有關(guān)冰川地區(qū)沉積物搬運(yùn)和沉積作用的研究較多，冰川沉積學(xué)研究冰上、冰下、冰內(nèi)的塊體搬運(yùn)和流水搬運(yùn)機(jī)理，辮狀河沉積模式即為加拿大北極地區(qū)冰水扇上河流沉積特征的總結(jié)。近年來，對極地地區(qū)的沉積作用研究逐漸增多。

溫度變化形成河流和湖泊的物理、化學(xué)和水文特征的變化。南方地區(qū)溫差小，河流常年流水，河床處于常年活動狀態(tài)，溫暖的氣候加快巖石的化學(xué)風(fēng)化，沉積物中泥質(zhì)含量高，可溶解化學(xué)成分含量高；北方地區(qū)溫差大，有些河流在冬天結(jié)冰，有些進(jìn)入冬季后全面凍結(jié)，春季冰融季節(jié)河道內(nèi)出現(xiàn)凌汛，冰凌有時(shí)堵塞河道而造成決口，冰塊對河岸產(chǎn)生強(qiáng)烈沖刷和侵蝕。南方地區(qū)湖泊常年流動，由于不同季節(jié)湖泊水體含氧量的變化，以及徑流攜帶的沉積物數(shù)量和粒度的變化形成湖泊季候紋層，溫暖的氣候條件有利于各種生物的生存和生長，湖泊富營養(yǎng)化而形成大量有機(jī)質(zhì)。北方地區(qū)冬季湖面封凍，大風(fēng)攜帶粗大的沉積顆粒在冰面聚集，冰凍作用引起湖泊淺層沉積物變形，冰融期間形成特殊的沉積構(gòu)造，冰筏運(yùn)動將湖岸或河岸的植被連根拔起并搬運(yùn)到湖泊中心或其他部位，冰面粗粒碎屑墜落增加湖泊沉積中的粗粒沉積物含量，降低沉積物的分選程度。

新疆烏倫古湖所處福?？h屬于溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫為3.4 ℃，每年有6個月平均最低溫度在0 ℃以下，12月至翌年3月為封凍期，最大冰厚為0.7 m。春季湖冰融化，漂浮在湖面上的大量湖冰，受風(fēng)的推動和湖泊表層沿岸流、向岸流的拖曳而向岸運(yùn)動，并在觸底后繼續(xù)依靠慣性力，在濱湖淺水區(qū)域和岸上滑動而形成滑痕，對湖底和地表沉積物的沉積構(gòu)造和沉積結(jié)構(gòu)破壞巨大。冰滑痕長達(dá)數(shù)十米，寬度可達(dá)1～5 m，形態(tài)類似于推土機(jī)推過的痕跡，由頭部、側(cè)翼和滑動面三部分構(gòu)成。頭部發(fā)育丘形沙堆，側(cè)翼發(fā)育線狀沙脊，滑動面總體平整，局部發(fā)育冰融沙錐、冰融水滴坑、工具痕、冰融痕、次級滑痕等伴生沉積構(gòu)造。冰滑痕的形態(tài)和規(guī)模受湖面風(fēng)力、湖冰厚度、湖冰動能、冰塊大小、冰塊底部的光滑程度、湖岸的地形和坡度、湖灘沉積物的粒度和成分構(gòu)成等因素影響；其形成經(jīng)歷湖冰破裂階段、浮冰向淺水區(qū)運(yùn)動開始接觸湖底階段、水下冰滑痕形成階段、陸上冰滑痕形成階段和冰融階段等5個階段。冰滑痕主要出現(xiàn)于烏倫古湖的水下濱湖帶、冰壩堆積帶、湖冰活動帶和湖冰影響帶等四個微相帶[57]。

10 一急一緩

劃分急流和緩流的水力學(xué)參數(shù)是弗勞德數(shù)(Fr)，F(xiàn)r大于1為急流或高流態(tài)，F(xiàn)r小于1為緩流或低流態(tài)，F(xiàn)r等于1為過渡流態(tài)。流速不是劃分流態(tài)的唯一參數(shù)，流態(tài)由水深和流速兩個參數(shù)決定，F(xiàn)r與水深成反比，與流速成正比。季節(jié)性河流水體總體水深較淺，流速變化頻繁，多發(fā)育高流態(tài)、快速堆積沉積構(gòu)造；常年性河流流量總體比較平穩(wěn)，水深穩(wěn)定，流速穩(wěn)定，多發(fā)育低流態(tài)沉積構(gòu)造。

一年內(nèi)不同類型的河流流量的變化見圖2。由圖2(a)可見，河流在1～4月基本沒有流量，4月開始有水流，7～8月流量達(dá)到最大，9月流量逐漸減少，11～12月基本斷流。這類河流包括印度河、恒河、柯西河、布拉馬普特拉河等，發(fā)育于喜馬拉雅山南麓，屬于季節(jié)性河流，流量隨季節(jié)而變化，主要受季風(fēng)降雨和喜馬拉雅山融雪的影響。由圖2(b)可見，河流在一年內(nèi)流量雖有變化，但是變化不大，波動系數(shù)很小。這類河流包括萊茵河、密西西比河等，屬于常年性河流。

近年來，有關(guān)季風(fēng)影響河流沉積響應(yīng)過程的研究成為河流沉積學(xué)研究的一個熱點(diǎn)。Piret P B[58]總結(jié)受季風(fēng)強(qiáng)烈影響的河流和常年性河流的區(qū)別，認(rèn)為受季風(fēng)強(qiáng)烈影響的、河流發(fā)育的沉積構(gòu)造以大量的臨界和超臨界(UFR)高流態(tài)，以及高沉積速率(HDR)構(gòu)造為主，如平行層理、逆行沙丘交錯層理、疏松沉積物變形構(gòu)造(SSD)等，包卷層理、泄水結(jié)構(gòu)和倒轉(zhuǎn)交錯層理分布廣泛；常年性河流發(fā)育的沉積構(gòu)造以低流態(tài)(LFR)構(gòu)造為主，如槽狀交錯層理等，軟沉積物變形構(gòu)造規(guī)模小且少見。在巖性方面，受季風(fēng)強(qiáng)烈影響的、河流發(fā)育的沉積界面上常見河床滯留泥層，與粗粒沉積相間出現(xiàn)，厚層泥質(zhì)沉積物破碎形成的軟礫巖出現(xiàn)在河道底部和內(nèi)部侵蝕面上，動物在河床上形成垂直的蟲孔，可見植物在河床原地生長的構(gòu)造和異地植物殘?bào)w、樹根等與植物有關(guān)的沉積構(gòu)造；常年性河流河道內(nèi)缺乏植物殘?bào)w、根跡及與植物相關(guān)的構(gòu)造，根跡僅出現(xiàn)在河道淤積物頂部和泛濫平原上。根據(jù)河道內(nèi)大型底形發(fā)育情況，受季風(fēng)強(qiáng)烈影響的河流缺乏發(fā)育好的大型底形，以低角度的前積和垂積層為主，側(cè)積體不發(fā)育，即使有側(cè)積體，也在很短的距離內(nèi)過渡為垂向加積，砂壩可以形成于洪水期前或者洪水期后，但保存時(shí)間短；常年性河流河道砂壩及前積、側(cè)積層系非常發(fā)育，點(diǎn)砂壩的側(cè)積層系和辮狀河心灘前積、側(cè)積、退積由砂壩遷移形成。受季風(fēng)強(qiáng)烈影響的河流常見河道決口現(xiàn)象，沉積單元側(cè)向延伸范圍較廣，侵蝕面上泥質(zhì)披覆較發(fā)育，反映單個洪水事件的洪水層系較常見，砂體頂面發(fā)育干裂、風(fēng)成沉積或生物擾動構(gòu)造，砂體中往往只出現(xiàn)高流態(tài)沉積構(gòu)造，或由高流態(tài)沉積構(gòu)造快速轉(zhuǎn)變?yōu)榕郎y層理或泥質(zhì)披覆層；常年性河流中決口現(xiàn)象只發(fā)育在泥沙含量高的常年性河流中，且頻率較低，低流態(tài)沉積構(gòu)造占主導(dǎo)，從高流態(tài)構(gòu)造到低流態(tài)構(gòu)造是逐漸變化的(如從槽狀交錯層理→平行層理→波紋層理)，沉積界面上缺乏泥層，河道內(nèi)缺乏生物擾動，少見干裂和風(fēng)成沉積。

圖2 一年中不同類型的河流流量的變化Fig.2 Changes in river flow within a year

11 結(jié)論

(1)近十年，碎屑巖沉積學(xué)的研究思路、對象、方法、內(nèi)容和應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)生變革，總體呈現(xiàn)定量化、系統(tǒng)化、綜合化、多樣化、精細(xì)化、可視化、個性化、全球化等多極化趨勢，出現(xiàn)許多熱點(diǎn)研究問題，可以概括為“一豎一橫”“一粗一細(xì)”“一深一淺”“一大一小”“一前一后”“一遠(yuǎn)一近”“一分一合”“一長一短”“一熱一冷”“一急一緩”十對問題。

(2)十對熱點(diǎn)問題的具體表現(xiàn)為：建筑結(jié)構(gòu)要素分析法廣泛推廣；細(xì)粒沉積和粗粒沉積體系研究取得成果；異常重力流、淺水三角洲、深海沉積模式研究不斷深入；行星沉積學(xué)和微生物形成的沉積構(gòu)造研究不斷豐富；物源研究和疏松沉積物變形研究、分支河道體系及大型沖積體系研究越來越多；深時(shí)氣候和地球未來環(huán)境變化的研究成為焦點(diǎn)，氣候?qū)恿骱吹某练e影響受到關(guān)注。

(3)碎屑沉積學(xué)研究所取得進(jìn)展得益于現(xiàn)代地球信息技術(shù)、地球遙感遙測技術(shù)、地理信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展。隨著這些技術(shù)的不斷進(jìn)步，觀察宏觀世界的視野不斷擴(kuò)大，對微觀世界的探索尺度越來越細(xì)，沉積學(xué)革命的周期將不斷加快。

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2017-02-04；編輯：張兆虹

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172106，41302096)；國家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05027-002-007)

張昌民(1963-)，男，博士，教授，主要從事沉積學(xué)與石油地質(zhì)學(xué)方面的研究。

P512.2

A

2095-4107(2017)04-0001-11

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.04.001