于興河 李順利 孫洪偉

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）能源學(xué)院，北京 100083

1 概述

陸源碎屑巖沉積體系中砂體的平面展布與垂向上厚薄交互演變的成因機制，不僅是碎屑巖沉積學(xué)的重要科學(xué)問題之一，同時也是油氣地質(zhì)學(xué)界與礦產(chǎn)行業(yè)長期以來一直關(guān)注的重點內(nèi)容（葉連俊等，1988；孫龍德等，2010；朱筱敏等，2016；于興河等，2018），這是因為其成因的揭示直接影響著不同沉積物分布規(guī)律的預(yù)測。因此，建立陸源碎屑沉積體中粒度和坡度之間的定量關(guān)系，對預(yù)測沉積體中不同顆粒的運動方式及其分布至關(guān)重要。這需要明確控制其沉積過程的內(nèi)部與外部因素，尤其是匯積區(qū)與地形坡度變化（坡降）對沉積物輸送體系的控制機理（徐長貴等，2017；王成善和林暢松，2021；龔承林等，2022）。如何預(yù)測沉積體系各相帶中砂體的空間分布，或者說要明確控制碎屑巖沉積體系中不同類型沉積物分布上的核心因素？傳統(tǒng)的認(rèn)識是：不同搬運方式與沉積作用下，砂體的垂向序列、剖面充填結(jié)構(gòu)與N/G（含砂率）（粒徑大于4φ碎屑顆粒含量占總沉積體的比值）變化，以及平面分布特征明顯不同（Reading and Richards，1994）。近半個多世紀(jì)以來，關(guān)于沉積體宏觀展布規(guī)律、尤其是砂體分布預(yù)測的研究著重在3個方面：沉積體系的成因（Anderton，1985；Reading，2009）、層序地層學(xué)（Catuneanu，2006；Catuneanu et al.，2009）以及近年來的“源-匯”系統(tǒng)（Allen，2008；S?mme and Jackson，2013；邵龍義等，2019），三者之間既相互聯(lián)系又各有側(cè)重與補充。然而，從沉積體系的命名來看，沉積學(xué)自形成以來絕大多數(shù)都是從形態(tài)特征出發(fā)，以沉積成因為核心來命名（Bull，1977；Kenyon and Turcotte，1985；Church，2006）；而層序地層學(xué)則是從各沉積發(fā)育在盆地斜坡或地層格架中的位置進(jìn)行定名（Emery and Myers，2009；Catuneanu，2022），更關(guān)注其形成的地形地貌；如低位扇或斜坡扇，是三角洲還是水下扇或濁積扇？這就要看其形成的地質(zhì)背景與沉積成因，尤其是扇體的垂向沉積成因序列，才能明確其成因機制與砂體展布的基本特征（于興河等，1994，2018）；從層序地層的角度來看，明確盆地的斜坡區(qū)發(fā)育有扇體，是砂體的主要分布區(qū)域，或者說低位體系域多發(fā)育扇體，有助于厘清層序格架的疊加樣式或剖面充填結(jié)構(gòu)，就已達(dá)到了其主要研究目的。但對預(yù)測該沉積體系中砂體的分布而言，則需要進(jìn)一步明確沉積體的成因、N/G的大小及其空間展布的特征（Shanmugam，2013；于興河等，2013；Allen，2017）。這就是說層序地層學(xué)的四大因素（構(gòu)造、物源、基準(zhǔn)面（海/湖平面）及氣候變化）是控制沉積體系的必要條件（Catuneanu et al.，2009），而沉積成因則是其充分條件。由此說明層序地層的四要素并非沉積學(xué)對應(yīng)的控制因素（Hoy and Ridgway，2003；Nichols，2009），兩 者之間為互相補充、相互支撐印證的關(guān)系，或者說層序地層學(xué)是地層學(xué)與沉積學(xué)相結(jié)合在石油勘探過程發(fā)展起來的一門新興學(xué)科。

Allen（2017）強調(diào)了沉積物輸送體系是重塑各區(qū)段侵蝕和沉積地貌以及長期地質(zhì)歷史記錄的關(guān)鍵，乃沉積學(xué)研究的重中之重，將它們聯(lián)系起來則需要綜合能力和獨創(chuàng)性?？v觀近十余年來關(guān)于源-匯系統(tǒng)的研究成果與認(rèn)識，可以發(fā)現(xiàn)這一理論性認(rèn)識具有4個突出的特點：（1）強調(diào)沉積體系形成的完整過程，聚焦于構(gòu)造與氣候的驅(qū)動機制、古物源區(qū)與古地形的演化以及古水系的重建（Armitage et al.，2011；Bentley et al.，2016）；（2）重點分析沉積物輸送體系對供源區(qū)與匯積區(qū)所產(chǎn)生的紐帶作用（Allen，2017；Caracciolo，2020）；（3）注 重沉積動力學(xué)機制及碎屑物質(zhì)分布的研究（Lajeunesse et al.，2010；Cai and Zhu，2011）；（4）突顯沉積過程的量化表征，核心在于構(gòu)建物質(zhì)通量或沉積過程動力機制的定量模型（Brenna et al.，2021）?？梢钥闯觯练e物輸送體系是“源-匯”系統(tǒng)研究的核心內(nèi)容，其動力學(xué)過程受控于供源區(qū)構(gòu)造、氣候背景及搬運過程等因素。然而，碎屑巖沉積體系的形成是地球表面侵蝕、搬運及沉積的一個完整勢能均衡作用的體現(xiàn)，具有高部位削截、低部位充填的趨勢。從物理學(xué)角度而言，沉積物的搬運應(yīng)符合能量最低原理，即碎屑物質(zhì)沉積后，處于最穩(wěn)定的狀態(tài)，其勢能最低。沉積顆粒在搬運過程中受到各種流體的作用，其流體按照流動方向可以劃分為3種類型，即單向（河流）、雙向（潮汐）和多向（波 浪、底 流 和 等 深 流）流體（Hayes，1980；Ashton and Giosan，2011；Geleynse et al.，2011）。McLaren等（2007）認(rèn)為沉積物粒度作為搬運過程最為敏感的響應(yīng)因素，其在河流、濱岸—三角洲以及陸架—深水沉積中與坡度具有較好的響應(yīng)關(guān)系。Yu等（2012，2013）利用內(nèi)蒙古岱海湖30多年的研究與Cogan和Gratchev（2019）利用大量水槽實驗研究，認(rèn)為地形坡度及其坡型是控制碎屑物質(zhì)沉積過程及其空間分布的主要因素。雖然不同流體形成的沉積體系，其碎屑顆粒與坡降耦合效應(yīng)的表現(xiàn)形式不盡相同，但是總體規(guī)律是粒度隨著能量或坡度的變化而變化的。

作者著重討論陸源碎屑沉積體系的粒度與坡度之間的響應(yīng)關(guān)系，由此揭示碎屑巖沉積體系中，流速變化情況下碎屑顆粒質(zhì)量與坡度的定量關(guān)系，這是因為當(dāng)碎屑顆粒的密度基本不變的情況下，其大小與其質(zhì)量呈正比（質(zhì)量＝密度×體積）。碎屑沉積物在不同坡降下，隨著流速或流態(tài)與負(fù)載方式的變化，形成沉積體系的相帶（或河流的不同河段）發(fā)生變遷，并在其三維空間產(chǎn)生不同的地質(zhì)響應(yīng)，尤其是粒度隨坡降的沉積分異作用、垂向結(jié)構(gòu)或沉積序列、剖面疊加樣式以及平面展布形態(tài)等。碎屑物質(zhì)分布是隨地形坡降變化的這些地質(zhì)響應(yīng)的總和，作者將其定義為“物-坡”耦合效應(yīng)，因不同粒度在沉積物中的占比構(gòu)成了沉積物類型的差異，因此，作者用碎屑顆粒的大?。６龋﹣肀碚魑镔|(zhì)質(zhì)量，用地形變化的梯度來反映坡度與坡型的變化。故將“物-坡”耦合效應(yīng)定義為“不同質(zhì)量的碎屑顆粒在其搬運過程中隨著地形坡降的變化，經(jīng)流速或流態(tài)與負(fù)載方式的轉(zhuǎn)變，最終在沉積區(qū)形成具有特定碎屑顆粒組成（N/G）及其三維空間展布特征的各種沉積地質(zhì)體響應(yīng)”。

2 自然沉積現(xiàn)象與問題思考

2.1 沉積現(xiàn)象及其解析

從大自然沉積現(xiàn)象來看，陡坡主礫、緩坡多砂、灣者為泥，可以說這就是碎屑物質(zhì)質(zhì)量與地形坡度耦合效應(yīng)的選擇性沉積結(jié)果，即“物-坡耦合”效應(yīng)的動力機制與碎屑物質(zhì)經(jīng)機械分異作用的具體表現(xiàn)。從現(xiàn)代沉積的實例就可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)匦纹露龋ń担┹^大時，無論何種粒徑，近源沉積體的平面形態(tài)均以扇形為主（圖1-a，1-b）。此外，當(dāng)坡降中等時，則沉積體以中粗粒的碎屑物質(zhì)為主，且形態(tài)多為扇形—帚狀，多具有限制性地貌，慣性作用向摩擦作用快速轉(zhuǎn)換，并趨向呈帚狀（圖1-c，1-d）。而當(dāng)物源供給以砂礫為主且流速較大時，盡管宏觀形態(tài)基本上為扇形，但辮流壩則相對發(fā)育，由于粒度相對較粗，因而以摩擦作用為主（圖1-c）。當(dāng)坡降較小時，即使供源存在粗粒組分，因流速不足以使其搬運，粗粒沉積物在上游就已選擇性沉積，此時較為順直的干流水道已分散成彎曲的支流，以摩擦作用為主，在下游則形成以細(xì)粒為主的沉積物（圖1-e，1-f）；當(dāng)下游地形近于平緩且粒級小于4φ（＜0.0625 mm）時，碎屑物質(zhì)由底負(fù)載轉(zhuǎn)換為懸移負(fù)載，致使前端朵葉體更發(fā)育，并形成舌形體（圖1-f）（Dade and Friend，1998）。

圖1 不同地形坡降下碎屑物質(zhì)平面展布樣式的野外自然景觀實例Fig.1 Examples of natural landscapes in the plane distribution pattern of clastic materials under different slopes

這些現(xiàn)象反映出，由于碎屑物質(zhì)顆粒的質(zhì)量不同，其搬運所需要的能量大小與類型各異。碎屑物質(zhì)在某種坡降下，經(jīng)過侵蝕、搬運及沉積三大過程，最終會形成對（相）應(yīng)或特定碎屑物質(zhì)組成（粒級分區(qū)）在三維空間的分布。但當(dāng)坡降、可容納空間及沉積環(huán)境均相同時，由于物源供給的碎屑粒徑不同，其沉積結(jié)果則也可完全不同。這種碎屑沉積的總體分布規(guī)律反映出沉積物粒度的粗細(xì)與地形坡度大小呈正相關(guān)。需要指出的是，當(dāng)供源為細(xì)粒富泥的碎屑物質(zhì)時，無論坡度多陡和何種運動方式，都不可能形成富礫與富砂的沉積體（圖1-b），如泥流；但其形態(tài)仍與陡度有較好的對應(yīng)關(guān)系。就山麓沉積而言，當(dāng)?shù)匦斡删徸兌笗r，山間河流進(jìn)入盆地的山前則多形成各類扇體或扇三角洲沉積體系，由此構(gòu)成上游先陡后緩的古地形，多發(fā)育（限制性）山間河流；而下游發(fā)育各種扇體沉積并形成先緩后陡的地質(zhì)景觀（圖1-f）。

從宏觀上來講，河流沉積同樣受到坡度的影響，相同宏觀背景，坡降不同則河流的性質(zhì)也不同。圖1-g右側(cè)河道坡降較大時，河道以辮狀沉積為主，粒度以細(xì)礫和粗砂為主，河道彎曲度較小，各種沙壩占主體；而左側(cè)地形坡降明顯小于右側(cè)，河道以曲流河或曲—辮轉(zhuǎn)換沉積為特點，粒度以中粗砂為主，河道彎曲度較大。此外，地形由緩變陡，輸送體系從相對較緩的山間或泛濫平原進(jìn)入?yún)R水盆地時，則多形成各類扇體與三角洲沉積體系。就山麓沉積而言，上游發(fā)育限制性山間河流，下游發(fā)育沖積扇沉積，對應(yīng)不同坡降背景下河流沉積的差異很大，扇上坡度陡發(fā)育辮狀河，而扇外緩坡則發(fā)育方向相差90°的曲流河（圖1-h）。這些大自然的沉積景觀，詮釋了碎屑巖沉積體系具有“陡坡慣性多扇帚，水道偏直主粗粒；緩坡摩擦道彎曲，細(xì)粒懸浮端朵體”的特征以及粒徑隨坡降由大變小演化的基本沉積規(guī)律與沉積分異作用，這些現(xiàn)象很難用水槽實驗進(jìn)行全面的模擬（Allen，2017）。

2.2 問題的提出

為了預(yù)測碎屑沉積物的粒度分布規(guī)律，Sternberg（1875）就提出了顆粒的粒徑隨搬運距離增加而減小，并建立了基于指數(shù)關(guān)系的距離與粒度方程（D＝D0e-ax，其中D為粒徑，D0為初始粒徑，x為搬運距離），這一規(guī)律應(yīng)存在2種成因解釋：（1）較大的顆粒隨著搬運距離的增加會逐漸磨蝕成細(xì)小的顆粒，即顆粒間的碰撞會使碎屑物質(zhì)的分選變好；（2）隨著搬運距離的增加，水流能量與地形坡度的降低，會伴隨著沉積物發(fā)生機械分異作用，這是由于物質(zhì)質(zhì)量的大小差異而造成先后有序的選擇性沉積。從公式來看，距離x的起點是沉積中任意一點，主要是計算一段距離內(nèi)粒度的變化。Sternberg只是考慮了單向水流，而沒有考慮沉積物后期陸上風(fēng)力與匯水盆地中波浪或潮汐等對沉積物的改造，為此后人對其公式進(jìn)行改進(jìn)，認(rèn)為基底（底床）摩擦、負(fù)載方式及沉降速率均可以影響碎屑顆粒的搬運過程與粒度的分異。其研究也均是從單向水流實驗觀測的經(jīng)驗公式出發(fā)，對顆粒的運動過程進(jìn)行分析。

盡管Sternberg提出的觀點已有一個半世紀(jì)，但其數(shù)理方程仍是至今在力求破解的焦點（Ashworth and Ferguson，1989；Wilcock and Crowe，2003）。其原因有：（1）碎屑顆粒隨著搬運距離的增加而粒度變細(xì)是一個總體規(guī)律，當(dāng)物源供給存在差異或有多物源供給，如大型河流由多條支流匯聚而成時，這個規(guī)律是無法或不能從整體上得到充分體現(xiàn)，也就是說不能從源到匯籠統(tǒng)而論，因供源區(qū)與匯積區(qū)沉積物輸送體系（河道的作用）有所不同，其表現(xiàn)形式各異。（2）碎屑物質(zhì)在搬運過程中總體是從高向低的運動，但不同坡降下的流速不同，顆粒受到的基底摩擦、負(fù)載方式及沉降速率也不同，加上碎屑物質(zhì)在流體中的運動是矢量，顆粒除受到的基底摩擦與負(fù)載方式的影響外，還會發(fā)生相互碰撞，其結(jié)果是顆粒變細(xì)的速度與機械分異作用產(chǎn)生的粒度分選特征也隨之發(fā)生變化，致使在匯積區(qū)形成具有特定粒度組成（粒度分布）及其三維空間展布特征的沉積體系（Reading and Richards，1994；Ferrer et al.，2015；Boudet et al.，2017）。這一過程十分復(fù)雜，難以給出具體的數(shù)學(xué)方程解。

為了進(jìn)一步簡化，作者將從單向水流碎屑物質(zhì)原始搬運與沉積動力所造成的結(jié)果入手，來推導(dǎo)碎屑顆粒隨坡度變化的運動規(guī)律。為此，提出“物-坡”耦合效應(yīng)的概念與相應(yīng)的基本原理，即沉積體系內(nèi)部（匯積區(qū)）碎屑顆粒的質(zhì)量隨坡度與流速變化所產(chǎn)生的機械分異作用與地質(zhì)響應(yīng)。

3 “物-坡”耦合的理論基礎(chǔ)與數(shù)理推導(dǎo)

機械沉積作用的基本組成因子是碎屑顆粒，其粒度與結(jié)構(gòu)不僅是區(qū)別于其他巖石的最基本特征之一，更是沉積動力學(xué)研究的主要對象。沉積物的搬運和沉積，是碎屑顆粒組分在流體介質(zhì)（水或空氣）的驅(qū)動下發(fā)生在某種對應(yīng)地形坡降下的一種動力學(xué)過程。根據(jù)沉積物的顆粒性質(zhì)與成因標(biāo)志，定量地重建或恢復(fù)沉積環(huán)境的動力學(xué)，是多少代沉積學(xué)家的夢想（何起祥，2010）。

3.1 理論基礎(chǔ)

如何用數(shù)理的方法來詮釋上述“物-坡”耦合效應(yīng)的地質(zhì)規(guī)律與成因機制，一直是沉積學(xué)不斷追求的目標(biāo)。然而，目前國內(nèi)外的研究文獻(xiàn)可證明的是，碎屑巖沉積體系的平面形態(tài)大多受控于地形地貌特征，尤其是地形坡降或變化方式的控制；而剖面加積型式則是碎屑顆粒組成與坡度的相互耦合結(jié)果（于興河，2002；Mclaren et al.，2007；Patruno et al.，2015；蔣恕等，2022）。

3.1.1 水流能量與粒度

沉積動力學(xué)研究先驅(qū)者之一的巴格諾爾德（Bagnold，1986），從風(fēng)砂沉積動力學(xué)研究入手，再通過水槽實驗和實地泥沙運動的調(diào)查，于1941年提出了“水流能量”（Stream Power，即水流速度與底床剪切力的乘積）的概念，界定了床沙載荷（推移質(zhì)與懸移質(zhì)）的沉積動力學(xué)特性及其差異，為古代沉積環(huán)境邊界條件的定量描述奠定了當(dāng)代沉積動力學(xué)的基礎(chǔ)（何起祥，2010）。大量的研究發(fā)現(xiàn)，沉積物的粒度分布是水流能量的函數(shù)，二者通常呈現(xiàn)正相關(guān)，但具體而言是一個復(fù)雜的多變量函數(shù)。人們通過數(shù)理統(tǒng)計的方法研究沉積物的粒度分布，用一些統(tǒng)計學(xué)參數(shù)來限定和描述沉積物的特征，如特拉斯克分選系數(shù)（Trask，1959）與維希爾的粒度概率曲線（Visher，1969）等，由此形成了描述沉積物粒度特征的一系列參數(shù)和粒度分布圖版，用來幫助人們分析它們與沉積環(huán)境之間的動力學(xué)聯(lián)系，這就說明碎屑巖沉積體系研究的核心指標(biāo)之一是粒度分布。

然而，在單向水流作用下碎屑物質(zhì)的沉積行為同時受到2種力的制約：一種是顆粒自身的重力，取決于顆粒的質(zhì)量；另一種是介質(zhì)對顆粒的拖拽力（牽引力）或運動介質(zhì)的慣性力，取決于地形坡度、介質(zhì)的密度、黏度、流速、水流深度及顆粒形態(tài)。而慣性力是物質(zhì)質(zhì)量的函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)存在加速度a時，則慣性力的大小遵從：F＝-ma（m為物體質(zhì)量）這一基本原理。當(dāng)顆粒所受的重力（或摩擦力）大于介質(zhì)的拖拽力時，發(fā)生沉積；反之就發(fā)生搬運。這就是從牛頓第一定律引伸出來的斯托克斯定律（Stokes，1851），也是沉積學(xué)家最早用來探索粒度的沉積動力學(xué)意義的理論依據(jù)。正因如此，重力與拖曳力的相互作用，表現(xiàn)在顆粒質(zhì)量與流體密度。碎屑顆粒質(zhì)量的大小，是決定其運動方式的關(guān)鍵所在（韓其為和何明民，1979）。

3.1.2 沉積物的組成及分類

碎屑顆粒的質(zhì)量或粒徑大小不僅決定了其運動方式，也是沉積物類型劃分的核心依據(jù)。Reading和Richards（1994）在研究海底扇時就將碎屑沉積物劃分為4種：富礫、砂礫、富砂以及富泥型，由此展現(xiàn)了各類海底扇平面形態(tài)與沉積物類型的相應(yīng)關(guān)系。由于他們研究的是深海沉積，故將砂泥質(zhì)與富泥質(zhì)劃歸為同一類型，但這2種沉積物類型，無論是搬運機制還是在平面的展布形態(tài)，都有著明顯的差異（圖1-e，1-f）。為了全面反映陸源碎屑沉積體系的碎屑顆粒組成的展布特點，作者將碎屑物質(zhì)按其主要粒徑分布及其占比分為富礫、砂礫、富砂、砂泥以及富泥型5類（表1）。作者認(rèn)為碎屑物質(zhì)劃分的依據(jù)應(yīng)更多關(guān)注其搬運方式，由于細(xì)粒（＜0.0625 mm）的顆粒在水流作用下以懸浮搬運為主，其沉積過程與中、粗粒明顯不同，其沉降速率差異較大（Udden，1914；Wentworth，1922）。因此，限于篇幅，在文中重點討論富礫型—砂泥型沉積體的沉積過程。從自然沉積現(xiàn)象不難發(fā)現(xiàn)（圖1），不同坡降下碎屑沉積物的類型各異，但總體是坡降越大沉積物的粒度越粗，反之亦然。

表1 碎屑沉積物的分類、依據(jù)及其物理參數(shù)Table 1 Classification of clastic sediments and its physical parameters

3.1.3 “源-匯”的輸送系統(tǒng)及其地形地貌特點

沉積物輸送系統(tǒng)從源到匯的地形變化可視為一個從供源區(qū)到匯積區(qū)的“天然沙漏”（Allen，2017），該“沙漏”具有明顯的不對稱性，以侵蝕作用為主的上半部與以沉積作用為主的下半部的比例范圍通常為30∶1到3∶1。大量的“源-匯”體系沉積地質(zhì)實踐研究可以發(fā)現(xiàn)（Wood，1942；S?mme and Jackson，2013；Lin et al.，2015；操 應(yīng)長等，2018），在典型“源-匯”系統(tǒng)中，上游流域（供源區(qū)）多表現(xiàn)為樹枝狀支流水系，沉積物及水通過這些支流體系匯入干流，即輸送區(qū)（圖2）；然后，再通過這些干流直接進(jìn)入下游流域（匯積區(qū)），則呈現(xiàn)相反的樹枝狀分支水系。由此可見，“源-匯”體系的縱向地形與橫向地貌特征存在著明顯的差異：（1）供源區(qū)縱向坡型為下凹型，坡度由陡變緩（圖2-L的A-B段），橫向地貌為負(fù)向單元-V型（圖2-T-①），排水支流逐漸匯聚，以侵蝕作用為主并產(chǎn)生大量碎屑物。（2）輸送區(qū)的縱向剖面可以多種，但主要為線型或下凹型（圖2-L的A-B段），橫向剖面結(jié)構(gòu)與供源區(qū)類似呈較淺V型（圖2-T-②），主干水道攜帶碎屑物向下游搬運。（3）匯積區(qū)縱向坡型則為上凸型，坡度先緩后陡（圖2-L的B-D或B-F段），橫向剖面的特征為正向單元（圖2-T-③），沉積物進(jìn)行大量的卸載，使干流水道向分支水道轉(zhuǎn)變。正是由于橫向地貌單元的不同，才造成了水流或輸送系統(tǒng)的分叉與合并（Parsons et al.，2010），供源區(qū)因負(fù)向地貌而使支流合并成干流；反之，匯積區(qū)則因沉積物的堆積構(gòu)成正向地貌單元或地勢突然開闊而干流分叉成支流，這就構(gòu)成了“源-匯”系統(tǒng)中地貌對沉積物輸送方式（子系統(tǒng)）的控制作用與分區(qū)（表2）。為此，作者依據(jù)其輸送方式，將其劃分為3個子系統(tǒng)，分別為：匯聚—補給、路過—搬運以及分散—卸載輸送系統(tǒng)。

表2 沉積物輸送系統(tǒng)的劃分及其各自的特點Table 2 Division of sediment routing systems and their respective characteristics

圖2 “源-匯”體系中供源、輸送及匯積3個區(qū)域的基本形態(tài)特征與地質(zhì)景觀（以新疆克拉瑪依柳樹溝為例）Fig.2 Basic morphological characteristics and geological landscape of the three areas of source，transport and sink in“source-to-sink”system（taking Liushugou in Karamay，Xinjiang as an example）

1）縱向斜坡型式

總體上講，“源-匯”縱向剖面的古地形可以簡化為3種基本型式的斜坡（Wood，1942；Fryirs and Brierley，2012）：線型（Liner：角 度總體不變）、下凹型（Concave up：坡角逐漸變小）及上凸型（Convex up：多為線型與下凹型的組合），也稱反“S”型。早在1942年Wood就將地形斜坡劃分為4種基本類型：其區(qū)別就是他將線形斜坡進(jìn)一步劃分成 順直型（Straight）與 陡崖 型（Cliff）（Wood，1942）。就線型斜坡而言，自然界并不存在角度絕對不變的單斜—線型斜坡，而多為角度變化較小的下凹型斜坡，是一種近似的概念。

2）橫向地貌單元

當(dāng)分析橫向剖面時，通常描述的重點是其地形的形態(tài)特征，即地貌單元。因此，可將其劃分為2種基本單元：負(fù)向單元（下凹）和正向單元（上凸）；前者又可進(jìn)一步劃分為：V型、對稱與不對稱U型以及W型；而后者則可劃分為：Λ型、對稱與不對稱上凸型以及M型。橫向地貌的基本形態(tài)決定了水流的方向與沉積物的輸送形式（表2）。負(fù)向單元多為斷層與侵蝕作用的結(jié)果，為沉積物的輸送通道；而正向單元則通常為沉積作用所形成的地貌單元。

除地貌對水流合并與分支具有控制作用外，流速的高低，即搬運能量強弱也是輸送體系的控制因素。供源區(qū)流速逐漸加快，能量增強，侵蝕支流向低勢能點匯聚成干流。而匯積區(qū)則相反，流速逐漸減小，能量變?nèi)酰练e物卸載造成阻礙，干流分散成支流（圖2）。流速的變化，究其根源，也是地形坡度變化所致，從源到匯呈現(xiàn)出先加速再減速的過程。因此，從源到匯橫剖面的結(jié)構(gòu)與地貌單元特征均具有明顯的規(guī)律，從供源區(qū)的W型→U型或V型→上凸型→M型的過渡（圖2；表2）。

3.1.4 坡度的定義與類型

縱觀國內(nèi)外近年來關(guān)于沉積體系水槽實驗的文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，大多采用的是沉積體系沉積前的底床坡角，作者將其定義為沉積前坡角（即古地形坡角）；而現(xiàn)代沉積的研究則多為沉積后的地表坡角，定義為沉積（后）坡角（于興河等，2018）。兩者之間存在明顯的差異，前者是構(gòu)造因素由風(fēng)化侵蝕作用所造成，在進(jìn)行沉積學(xué)研究時需要進(jìn)行古地形的恢復(fù)，才可以得到；而后者是由沉積物的堆積結(jié)果所形成，反映沉積方式，通?？梢詮钠涑练e構(gòu)造或縱向剖面結(jié)構(gòu)得到。然而，沉積前的地形坡角才是控制因素，需要指出的是坡角的大小隨著地形的變化而改變，文中坡度則是某一段距離的平均坡角；此外，沉積體系的形成通常存在多個期次，前一期形成的沉積體表面是后一期沉積的古地形，即前一期的沉積后坡角是后一期的沉積前（古地形）坡角，這不僅對分析沉積體系的剖面結(jié)構(gòu)，即沉積物的疊加樣式至關(guān)重要，而且也是層序地層劃分級次的核心判別依據(jù)。為此，就沉積成因分析而言，作者主要討論的是順?biāo)鞣较颍v向剖面）的沉積前坡角，著重分析縱向剖面一期沉積的加積型式，而非多期的疊加樣式。

關(guān)于坡度陡、緩在沉積學(xué)中并沒有一個公認(rèn)的確定性界線，實際應(yīng)用中多是地質(zhì)上的描述性語言，而非嚴(yán)格的數(shù)學(xué)—物理學(xué)概念。其具體的劃分標(biāo)準(zhǔn)，因不同沉積體系所處的位置不同而存在差異。其中以山麓段沉積為例，經(jīng)Reitz和Jerolmack（2012）利用水槽實驗對沖積扇體系的沉積休止角研究，提出10°為其劃分緩坡和陡坡的臨界角度；同樣Prior等（1989）對環(huán)墨西哥灣三角洲進(jìn)行研究時則提出5°為其劃分陡坡和緩坡的邊界。從大量的現(xiàn)代沉積事件的穩(wěn)定性來看，實際野外地形坡度通常在1.5°～25°之間，坡度系數(shù)（高差與水平距離差的比值：縱橫比）最大約為50%（李樹芳，1993）。而從環(huán)境學(xué)對地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生不穩(wěn)定的環(huán)境與大量野外考察的經(jīng)驗出發(fā)，是將坡度系數(shù)（縱橫比）為25%作為劃分界線，在沉積學(xué)中人們通常將坡度劃分成陡坡與緩坡兩大類，陡坡進(jìn)一步分為陡峭、極陡及較陡，而緩坡則可分成較緩、平緩及平坦。以上都是依據(jù)具體的實例所得出的某個地區(qū)的認(rèn)識，并沒有嚴(yán)格的界線或具體數(shù)值。這就可以看出，從“源-匯”的角度而言，不同區(qū)段或沉積體系不能用同一個劃分標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)給出相應(yīng)的劃分方案以體現(xiàn)各區(qū)段的特色。

3.2 數(shù)理分析與模擬結(jié)果

3.2.1 數(shù)理分析

從內(nèi)部因素而言，單向水流碎屑物質(zhì)的沉積實質(zhì)上就是一定的坡度與流速下，某種質(zhì)量的碎屑顆粒從無法被搬運的靜止?fàn)顟B(tài)到被搬運的運動狀態(tài)，再到搬運不動的沉積狀態(tài)。因碎屑物的流速變化決定其靜止?fàn)顟B(tài)，為了表征前述匯積區(qū)沉積體系內(nèi)“物-坡”耦合的效應(yīng)，首先要推算或判定何種流速與坡度下不同質(zhì)量顆粒的靜止與被搬運的臨界點。通常碎屑沉積的流動或搬運過程將顆粒與水視為整體，從重力勢能向動能的轉(zhuǎn)換角度建立了流速公式。但要建立碎屑顆粒質(zhì)量與坡度開始運動前的靜態(tài)平衡關(guān)系，則需要將流體中的顆粒與水分開來考慮，以便更好地對斜坡上靜止的顆粒進(jìn)行受力分析并建立相應(yīng)的推導(dǎo)過程，在顆粒依然保持靜止的臨界條件下，探討坡度、水流速度對不同粒徑顆粒的搬運與沉積的控制作用（圖3）。

圖3 “物-坡”耦合效應(yīng)沉積正演模擬流程圖Fig.3 Flow chart of the depositional forward simulation of“mass-slope”coupling effect

靜態(tài)受力平衡與動態(tài)能量轉(zhuǎn)換是沉積物運動的2個階段，靜態(tài)平衡的核心就是界定不同質(zhì)量或粒徑的碎屑顆粒被搬運的初始坡度與流速，能量轉(zhuǎn)換的響應(yīng)則是一定地形坡度下流體搬運過程中的速度變化，主要體現(xiàn)不同碎屑顆粒的搬運方式（滾動、跳躍及懸浮）與沉積物輸送營力或動力的轉(zhuǎn)換方式上（慣性、摩擦及浮力），隨著流速或能量的加大與變化，碎屑顆粒依次從靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成被搬運狀態(tài)，在搬運過程中，隨著搬運距離的增加與地形高程的降低，流速隨之減小且勢能逐漸降低，當(dāng)流速降低到無法搬運某種質(zhì)量大小的顆粒時，該類顆粒變?yōu)槌练e狀態(tài)，這就是機械分異與選擇性沉積的實質(zhì)，即沉積物形成的物理過程。

陸源碎屑沉積體系形成的地形坡降與碎屑物質(zhì)之間的耦合效應(yīng)在自然界普遍存在，沉積物粒度的粗細(xì)通常與其地形坡度的大小呈正相關(guān)；在一定的流速與地形坡度下，不同質(zhì)量的顆粒其沉積先后存在差異—沉積分異作用。它們符合能量（勢能）隨坡度減小而變化的基本原理。但其定量數(shù)學(xué)關(guān)系極為復(fù)雜，碎屑物質(zhì)的粒度分布特征（Ds）是顆粒與流水在重力（G）以及摩擦力（F）作用下的機械能損失及轉(zhuǎn)換的結(jié)果，是顆粒密度（ρs）、顆粒的大?。╠）、水 流密度（ρw）、顆粒 運 動速度（vs）、水 流 速 度（u）、地 形 坡 降（θ）、流 態(tài)（Fr、Re）以及滑動摩擦系數(shù)（μ）、水流剪切摩擦系數(shù)（f）隨搬運距離（x）的函數(shù)。

無論是內(nèi)容還是形式，公式（1）都十分復(fù)雜，可以說是學(xué)術(shù)界長期致力解決的焦點，尤其是泥沙動動力學(xué)的研究與沉積計算模擬（齊亞林等，2018）。作者為了簡化計算過程，將沉積物分解成不同大小的顆粒，來分析某種顆粒搬運時流體的受力，計算其速度的變化，這樣就可以忽略層流與紊流、亞臨界流與超臨界流的問題。由此可以忽略流態(tài)（Fr、Re）變化所引起的沉積物搬運方式的改變以及沉積物侵蝕或卸載過程所引起的流體密度（ρw）的變化；而為了表征含有不同粒徑沉積物的流體之間的差異，需要考慮其所搬運顆粒的大?。╠）、顆粒的密度（ρs）、顆粒與床底的滑動摩擦（μ）以及流水與床底的剪切摩擦（f）。模擬實際流體運動則需要考慮地形坡度（θ）和流體速度（u）。由于滑動摩擦系數(shù)（μ）是物體表面粗糙程度的函數(shù)，碎屑顆粒的粗糙程度通常是磨圓度的函數(shù)（Alberto et al.，2018）。就正常碎屑顆粒（-8φ～4φ）而言，磨圓度隨著粒度的變細(xì)而變好。因此，粒徑越大的顆粒其滑動摩擦系數(shù)越大，滑動摩擦系數(shù)的大小可以表征流體所搬運顆粒的大小。為了體現(xiàn)流體運動速度與地形斜坡變化之間關(guān)系的總體規(guī)律，公式（1）可簡化為：

由此可以說明“物-坡”之間的物理關(guān)系，體現(xiàn)了碎屑顆粒質(zhì)量（ρs，μ，f）、坡度（θ）以及速度（u）三者之間的關(guān)系。

3.2.2 正演模擬過程

采用沉積物搬運-沉積正演的思路，模擬計算單向水流碎屑顆粒的運動過程，設(shè)定步驟如下（圖3）：盡管文章重在模擬匯積區(qū)的運動速度，但需要從沉積物的輸送區(qū)開始計算，因上游流速的大小與變化直接影響下游流速的變化規(guī)律。

1）設(shè)定一個反映“源-匯”全過程的總體地形斜坡，用6次一元方程的數(shù)學(xué)函數(shù)表征其地形的變化：h＝a1x6+a2x5+a3x4+a4x3+a5x2+a6x+a7，h為高程；

2）在設(shè)定的總體地形斜坡上，對碎屑顆粒作受力分析：重力G＝mg，摩擦力ρfu2S，依牛頓第二定律得到：mg sinθ-μmg cosθ-取單位體積（體積為1，截面積S為1）進(jìn)行分析得到；其中m為流體質(zhì)量，g為重力加速度，μ為流動過程中顆粒與底床的滑動摩擦系數(shù)，ρ為流體密度，u為流體速度，f為剪切摩擦系數(shù)（Fanning，1877），S為截面積。

3）搬運過程能量守恒，依據(jù)動能定理，建立速度公式：

其中，g為重力加速度，μ為流動過程中顆粒與底床的滑動摩擦系數(shù)，u為流體速度，f為剪切摩擦系數(shù)（Fanning，1877），x為位移。

4）設(shè)定初始流速u與摩擦系數(shù)μ、f。初始流速的設(shè)定應(yīng)反映該沉積體的供源區(qū)的流量，不同地區(qū)的沉積體應(yīng)設(shè)定不同的數(shù)值，本次設(shè)為1 m/s?；瑒幽Σ料禂?shù)的計算，根據(jù)恩格?。‥ngelund）的對數(shù)阻力公式建立（Engelund and Fredsoe，1982）：滑動摩擦系數(shù)與粒徑的對數(shù)值呈正線性相關(guān)。對搬運不同粒徑顆粒的流體設(shè)定不同的摩擦系數(shù)，分別依次進(jìn)行計算，最終疊合得到沉積物的順流加積特征。因不考慮流態(tài)的變化，剪切摩擦系數(shù)f可以設(shè)為常數(shù)，本文取0.06。

5）依據(jù)速度公式模擬計算地形坡度變化不同質(zhì)量（粒徑）顆粒對應(yīng)的運動速度；最后依據(jù)能量與顆粒質(zhì)量的靜態(tài)平衡，判定不同質(zhì)量顆粒在相應(yīng)地形下開始沉積的位置與區(qū)域，進(jìn)而確定碎屑顆粒質(zhì)量與地形坡度的耦合定量關(guān)系。

將邊界條件設(shè)定為：u＝u0，x＝0，帶入式（3）得到：

該方程表達(dá)了地形坡度控制下碎屑顆粒運動速度隨搬運距離的量化關(guān)系。初速度u0，滑動摩擦系數(shù)（μ）以及剪切摩擦系數(shù)（f）為可調(diào)節(jié)參數(shù)。

3.2.3 速度模擬計算

為了便于從沉積動力學(xué)上來分析陸源碎屑巖沉積體系從源到匯的全過程，“源-匯”體系從的總體特點來分析前述3種基本地形斜坡組合的地質(zhì)特征，由此便可構(gòu)成一個由陡到緩—由緩變陡再變緩的總體地形斜坡（圖4-a），該地形可以涵蓋陸源碎屑主要沉積體系（沖積扇、河流及三角洲）形成的古地形斜坡變化特征。其地形變化可以劃分為5個區(qū)段：

A-B段為供源區(qū)，通常為由陡變緩的地形斜坡（圖4）；主要發(fā)育限制性水道，多為山間溪流（stream）或支流（tributary），這些河流的間歇性或季節(jié)性特征很強，此段沉積物輸送系統(tǒng)的核心作用，是通過各個方向的支流將碎屑物質(zhì)聚集到主干水道之中，在空間上表現(xiàn)出支流匯聚成干流（trunk）的地質(zhì)景觀（圖2-I）。然而B點為供源區(qū)支流聚集成干流的陡—緩轉(zhuǎn)折點，通常是干流的起點，由于大量支流的匯聚，流量增加其流體開始加速；因此，B-C段為沉積物的主要輸送區(qū)，通常為線形斜坡，坡度的陡緩不同地區(qū)存在較大的差異，通?？尚纬上虑泄?，侵蝕略大于沉積，多數(shù)情況下基本處于平衡狀態(tài)。而C點為坡折點，是沉積物或流體再次加速的位置，也是搬運過程中最不穩(wěn)定的位置（圖4-b），因此，此點通常并不發(fā)生沉積，只是路過。C-D段由于坡度在逐漸增加（圖4-c），所以大多數(shù)情況中細(xì)粒碎屑顆粒在此并不發(fā)生沉積，主要為水道的侵蝕區(qū)，以侵蝕/路過為主；就大陸架而言此段稱為坡折帶；就山麓區(qū)而言，此段通常易發(fā)生碎屑流（或泥石流），因其下部往往是巨型顆粒停滯的區(qū)段。

圖4 從源到匯縱向剖面總體斜坡特征及其流速模擬結(jié)果Fig.4 General slope characteristics from source to sink and its flow velocity simulation results in the longitudinal profile

因而，A-B段是一個從地表遭受侵蝕到碎屑物質(zhì)加速搬運的補給區(qū)段（圖2；圖4-b），從能量上來講，此段是能量聚集的過程。D點為坡角最大的轉(zhuǎn)換點，其上為坡角的增加，而其下為坡角的減?。▓D4-c），是以由侵蝕為主轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e為主的轉(zhuǎn)換點（圖4-b）。所以，D-E段是沉積物快速沉積的主要區(qū)域，并以慣性作用為主；就沖積扇與三角洲而言，是由河流作用所形成的沖積平原或三角洲前緣發(fā)育的地形背景，但就河流來講，則是辮狀河發(fā)育的主要區(qū)域。而E-F段為相對緩慢的沉積區(qū)域，其地形反映了各種非限制性中—高彎度水道發(fā)育的地質(zhì)特點，以摩擦作用為主，若進(jìn)入?yún)R水盆地，則為前三角洲形成區(qū)，則以浮力作用為輔。因此，DF段（由陡變緩的下凹型斜坡）是沉積物的主要卸載—沉積區(qū)，即匯積區(qū)的核心區(qū)，是能量散失的過程。其沉積物輸送系統(tǒng)的主要作用是將碎屑物質(zhì)分散到各處沉積下來，表現(xiàn)出從干流向多方向轉(zhuǎn)變成支流（分流河道）的地質(zhì)景觀。再向下游的區(qū)域則通常為水流作用下難以波及的匯水區(qū)（圖4-E-F段），也可以說是擴散作用造成懸浮物質(zhì)沉積的主要區(qū)域，或地形再次變陡，而在遠(yuǎn)端的水下發(fā)生沉積物重力流沉積的區(qū)域。

3.2.4 模擬結(jié)果

1）“物-坡”耦合的加積型式

基于方程（4）計算得到不同顆粒速度曲線（圖4-d），由此揭示出，B-D段隨著地形坡度的逐漸增加，能夠搬運的顆粒粒徑逐漸增大，同時顆粒的運動速度也逐漸加快；D-F段速度在D點下游短暫增加（慣性的原因）后，隨著地形坡度的逐漸變小而逐漸降低，最終不同粒徑的碎屑顆粒沉積在特定的位置，從粗到細(xì)其速度曲線表現(xiàn)出先密后疏的特點，反映了細(xì)粒的物質(zhì)較粗粒搬運的距離更遠(yuǎn)，速度曲線呈現(xiàn)出明顯的拋物線型，與底床的接觸關(guān)系由高角度下截逐漸轉(zhuǎn)換為截切轉(zhuǎn)換、高角度下切及低角度下切，直至平行，其沉積物相應(yīng)的由富礫型—富砂型直至富泥型的逐漸變化，且單層厚度逐漸減薄，這一規(guī)律反映了陸源碎屑沉積體系在縱向剖面碎屑物質(zhì)順流加積的主體加積型式。

2）粒徑與坡度耦合關(guān)系

速度曲線的計算本質(zhì)是一種數(shù)值計算，誤差主要取決于計算采用的距離步長。該步長決定了最終讀取顆粒沉積位置的精度，步長越小計算精度越高，計算步長采用0.002時，計算得到的散點圖擬合程度高達(dá)99.88%以上，達(dá)到了地質(zhì)解釋的計算要求。

根據(jù)模擬計算結(jié)果，從數(shù)理上論證了沉積物類型與地形坡度之間的“物-坡”耦合關(guān)系（圖4；表3），陡坡、緩坡可以用坡度系數(shù)（縱橫比）15%為界來劃分；陡坡可進(jìn)一步劃分為陡峭（坡度系數(shù)＞40%）、極陡（40%～25%）與較陡（25%～15%）3種，緩坡進(jìn)一步分成較緩（15%～10%）、平緩（10%～2%）及平坦（＜2%）3種，坡度系數(shù)是根據(jù)大量研究的統(tǒng)計得到的宏觀概念，強調(diào)的是范圍，其對應(yīng)的坡度值并非整數(shù)值（表3）。因此，正常流水情況下，沉積物類型與地形坡度之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系。為了便于今后的討論，提出按沉積物類型并用坡度系數(shù)對坡度進(jìn)行劃分，即粗粒沉積物的坡度系數(shù)多大于15%，以此作為劃分其坡度的依據(jù)與范圍，而中粒與細(xì)粒沉積體則分別以10%與2%作為劃分依據(jù)。

表3 沉積物類型與坡度（坡度系數(shù)）的關(guān)系Table 3 The relationship between sediment type to slope（slope coefficient）

統(tǒng)計顆粒粒度與其沉積位置處的坡度（圖4-d），得到了粒度的平面分布特征函數(shù)，粒度與坡度呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其“物-坡”耦合的數(shù)學(xué)表達(dá)形式為：

其中，D為顆粒的粒徑（mm）；θ為坡度（°）；a為粒度參數(shù)（坡度為0時，對應(yīng)的粒度），反映了沉積體發(fā)育的最小粒度；a值的大小反映了沉積體在慣性作用下向前推進(jìn)的強弱，也反映了沉積體整體的粒度粗細(xì)特征，是受力結(jié)果的物質(zhì)表現(xiàn)。b為地形參數(shù)，代表了地形坡降的快慢，以及單位坡降下粒度變化的差異大小。b值越大，地形坡降變化越快，沉積體延伸范圍越小；b值越小，地形坡降變化越慢，沉積體延伸范圍越大。a與b分別代表了沉積體的物質(zhì)層面與地形層面特征，是“物-坡”耦合作用的表征參數(shù)。該公式（5）是Sternberg（1875）觀點與假設(shè)的修正與發(fā)展。

4 “物-坡”耦合效應(yīng)在三維空間的地質(zhì)響應(yīng)

McLaren和Bowles（1985）認(rèn)為沉積物粒度是搬運過程最為敏感的響應(yīng)因素，其在河流、濱岸—三角洲以及陸架—深水沉積中與坡度具有較好的響應(yīng)。針對一個完整“源-匯”體系提出的碎屑巖沉積體系的“物-坡”耦合效應(yīng)的規(guī)律與認(rèn)識，可用于各個級次，旨在探討“物-坡”耦合的地質(zhì)響應(yīng)及其沉積地質(zhì)特征的表現(xiàn)。作者從點（垂向粒序）、線（剖面結(jié)構(gòu)）、面（平面展布）3個維度來闡述碎屑巖沉積的“物-坡”耦合關(guān)系，并從沉積物搬運原理與輸送營力的角度對其沉積成因與空間展布特征進(jìn)行解釋。

4.1 垂向沉積序列特征

通過對大量的研究不難發(fā)現(xiàn)，無論何種沉積體系，都是由多個垂向沉積序列所構(gòu)成，這就是沉積旋回，它反映的是沉積體系本身或相帶的變遷規(guī)律與演化。而垂向序列則是由不同的粒序所組成，因此，粒序通常指某一期沉積在某一點形成的垂向基本單元，即粒度在垂向上的變化，是沉積物輸送動能變化的產(chǎn)物，由此造成粒度與沉積速率的變化，而巖心與野外分析的重點就是垂向沉積序列，也稱相序，是同一沉積環(huán)境下沉積（微）相變遷所形成的巖相組合，通常有5個要素：巖性（粒度）、厚度規(guī)模、沉積構(gòu)造、生物及顏色。廣義上講，這些要素反映的是水動力條件的變化；嚴(yán)格來說，則是地形坡降變化所造成搬運能量與水深的變遷，致使碎屑物質(zhì)產(chǎn)生選擇性沉積?？傊?，垂向沉積序列是多種沉積營力（河流、波流及潮汐）作用下沉積環(huán)境變遷的結(jié)果；在不考慮氣候的情況下，上述要素都是“物-坡”耦合作用的結(jié)果。

因此，垂向粒序或相序是不同沉積作用與加積方式的響應(yīng)，就一次性沉積而言，主要受坡型樣式的控制。從沉積學(xué)上講，垂向粒序?qū)嵸|(zhì)上主要有3種基本形式：即向上變細(xì)的正粒序、向上變粗的反粒序以及粒度無明顯變化的均質(zhì)粒序。由陡變緩（下凹型斜坡）通常造成水體加深形成退覆式沉積，水道正切則形成具有正粒序結(jié)構(gòu)的負(fù)向地貌（例如河道等）單元；而由緩變陡（上凸型斜坡）過程正好相反，水體變淺通常形成具反粒序的正向地貌（壩體或扇體等）單元；層序地層學(xué)的觀點是水體的進(jìn)退（海平面的升降）為主因，但下凹型斜坡水進(jìn)表現(xiàn)比上凸型更為明顯，反之亦然。而地形樣式不變的緩慢沉積，則主要表現(xiàn)為似均質(zhì)粒序（圖5）。這就是用垂向沉積序列或測井相來分析沉積相類型的基本原理。然而，從地質(zhì)描述或測井相分析而言，則將垂向粒序劃分為4種基本的型式：即鐘型（正粒序）、漏斗型（反粒序）及箱型或指狀，箱型與指狀均為似均質(zhì)粒序，前者是坡度較陡背景下快速沉積的結(jié)果，分層不明顯；而后者則是坡度較緩背景下緩慢沉積的產(chǎn)物，分層明顯，多為粉細(xì)砂與泥的間互。鐘型為水道的沉積產(chǎn)物，而漏斗型則為各種沙壩的形成結(jié)果。

圖5 碎屑巖沉積體系粒序和坡度變化之間的關(guān)系Fig.5 Relationships between grain order and slope variation in clastic depositional systems

4.2 剖面疊加樣式

從宏觀角度上講，沉積物在剖面上的疊加樣式存在2個截然不同的方向：（1）順?biāo)鞣较虻目v向剖面，不僅呈現(xiàn)出沉積坡型樣式的轉(zhuǎn)變（即由陡變緩或由緩變陡），還可表現(xiàn)出進(jìn)積、退積及加積的方式，反映出沉積與沉降、水進(jìn)與水退以及物源供給方式（如持續(xù)性或間歇性增加與減少，以及穩(wěn)定等）間的變化；（2）橫切水流方向的橫向剖面，著重反映了沉積體形成前、后的地貌特征與沉積體系橫向展布的對稱性。

4.2.1 縱剖面的響應(yīng)特征

主要表現(xiàn)為順流加積（進(jìn)積或退積）樣式的差異。就單期沉積而言，在縱向剖面上，隨著坡度的由陡變緩，沉積體不同粒徑的碎屑顆粒與底床的接觸關(guān)系依次表現(xiàn)出下截、截切轉(zhuǎn)換、高角度下切—低角度下切，直至平行（圖4-d；圖6）。這種關(guān)系同時也反映出從富礫型到富泥型5種沉積物類型的依次變化，各類型的范圍大小與坡度呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)坡度較大且沉積物持續(xù)供給時，近源沉積為快速加積，與底床的接觸關(guān)系以下截型為主的特征（地震剖面上表現(xiàn)的更為明顯），以滾動搬運的富礫或砂礫型沉積物為主；中部表現(xiàn)出由下截型向下切型的轉(zhuǎn)換，則以跳躍搬運富砂型沉積物為主；而沉積體系的端部，加積型式表現(xiàn)出疊瓦狀或平行，反映出以懸浮搬運的細(xì)粒砂泥型或富泥型沉積為主。對多期沉積而言，則是以進(jìn)積或退積的方式進(jìn)行重復(fù)性疊加，這取決于沉積速率與沉降速率的對應(yīng)關(guān)系。需要指出的是，三角洲沉積體系在坡陡時，易形成吉爾伯特型三角洲，通常具有三層結(jié)構(gòu)，即頂積層、前積層及底積層，而坡緩時則底積層通常不發(fā)育，地形極緩或平坦時，則可能只發(fā)育前積層（圖6）（于興河等，2013）?；诖?，Vail等（1977）提出的海相經(jīng)典大陸邊緣層序劃分方法：低位體系域、海侵體系域、高位體系域，以及Cross（1988）提出的高分辨率層序地層的基準(zhǔn)面變化，同樣是坡型變化的地質(zhì)響應(yīng)，其實質(zhì)也是“物-坡”耦合效應(yīng)在沉積演化過程不同時期的表現(xiàn)形式與沉積響應(yīng)。

圖6 碎屑巖沉積體系“物-坡”耦合效應(yīng)在空間上的表現(xiàn)特征與規(guī)律Fig.6 Spatial characteristics and patterns of“mass-slope”coupling effects in clastic depositional systems

4.2.2 橫剖面的響應(yīng)特征

橫剖面有正向與負(fù)向2種地貌，正向地貌為上凸型，主要表現(xiàn)2個方面：在宏觀上是沉積體系（各種扇體與三角洲等）橫斷面表面形態(tài)；微觀上則是各種沙壩的形態(tài)。它們大多是地形由緩變陡背景下由沉積物的不斷順流加積所致；其對稱性則主要取決于古地形橫向的高低差異。然而，負(fù)向地貌單元的形態(tài)為下凹型，其形成主要受控于構(gòu)造或水道的侵蝕作用；地形越陡，河道/谷越窄，反之亦然。河谷或水道的寬窄與彎曲段的大小則受控于地形坡度、碎屑粒度組成以及流水能量。通常表現(xiàn)出辮狀河粒度粗，水道寬，以沉積為主；曲流河地形越緩彎曲度越大，粒度與坡度呈正相關(guān)，表現(xiàn)出沉積與侵蝕的平衡；負(fù)向地貌（水道或河谷）的對稱性通常取決于其彎曲度的大小，彎曲度越大其對稱性越差，河谷或水道越直對稱性越好?？傊?fù)向地貌的規(guī)模大小主要受地形坡降與物源供給量的控制，而正向地貌規(guī)模則主要受流速與侵蝕能力的控制。

4.3 平面展布形態(tài)

沉積體系的平面展布形態(tài)通常反映了各類碎屑物質(zhì)（含砂率N/G）與顆粒在平面上的聚散過程，其幾何形態(tài)主要有扇狀、帚狀、朵狀、朵葉狀、鳥足狀及舌狀等（Reading and Richards，1994；于興河等，2013，2018）（圖6）。平面形態(tài)和順?biāo)骺v向剖面的地形坡度通常有良好的對應(yīng)關(guān)系，平面形態(tài)明顯受沉積背景的古地形控制。地形越陡、粒度越粗，平面形態(tài)越呈扇形；隨著地形的變緩，上游的沙壩從菱形向舌形變化，水道分叉，彎曲度增加；隨著搬運距離的增加與地形進(jìn)一步變緩，水道切割加深，堤岸更加明顯；洪水期水道下切速率低且流量大則可在水道彎曲處發(fā)生決口，隨之分支水道增多，平面呈現(xiàn)出朵葉狀，就三角洲而言，在其前端（前緣外側(cè)）因地形進(jìn)一步變緩，則出現(xiàn)鳥足狀或舌狀，前者為水道的進(jìn)一步分叉，后者為懸浮物的擴散。

5 “源-匯”體系中各區(qū)段“物-坡”耦合的地質(zhì)響應(yīng)特征

從宏觀沉積來看，從山麓的源頭到湖盆或洋盆的深水區(qū)，碎屑沉積物的特征均與各區(qū)段地形坡降變化有著密切的關(guān)系，Allen（2017）將“源-匯”體系劃分成山麓、河流、濱岸（濱海）或三角洲以及陸架—深水4個沉積區(qū)段，即各段可形成獨立的沉積體系，通常上游區(qū)段沉積體系的產(chǎn)物是下游區(qū)段沉積體系的供源區(qū)，也就是說“源-匯”體系同樣存在著級次。總體規(guī)律是每個沉積區(qū)段（體系）內(nèi)，碎屑粒度、垂向序列、剖面加積型式以及平面形態(tài)隨著坡降的變化而呈規(guī)律性的分布（圖7），具體表現(xiàn)就是隨著坡度的降低粒度變細(xì)。為了突顯“物-坡”耦合效應(yīng)的地質(zhì)特點，按照陸相與海相兩大區(qū)分別進(jìn)行論述，即山麓—沖積平原區(qū)與濱岸—深水區(qū)。

5.1 山麓—沖積平原區(qū)

山麓段的“物-坡”耦合效應(yīng)可以說是所有區(qū)段中最為突出的區(qū)域，碎屑物在這一過程產(chǎn)生“物-坡”耦合效應(yīng)并發(fā)生選擇性沉積。然而，其平面形態(tài)受地形坡度與沉積物的侵蝕/加積作用影響，扇體大小不僅與供源區(qū)面積具有較強的正相關(guān)性，而與坡度陡緩呈負(fù)相關(guān)。（1）從縱剖面和垂向序列上來看，坡度越大，碎屑流對扇體的控制作用越強，其沉積在垂向序列中占比越高（圖7①；表4），沉積構(gòu)造特征越不明顯，粗碎屑物質(zhì)的含量越高；反之，坡度越小，細(xì)粒占比增加，河道牽引流作用增強，演化的期次性增多，沉積構(gòu)造的多樣性增加。（2）從平面形態(tài)特征上看，坡度越大，表現(xiàn)出較規(guī)則的扇形沉積（圖7；表4），且發(fā)育規(guī)模相對較小，扇體表面河道特征越不明顯，反之，扇體平面規(guī)模越大，表面的河道越發(fā)育。隨著坡度變緩、碎屑物質(zhì)的粒度變細(xì)，平面形態(tài)上沖積扇由扇帚狀向朵體演化，扇體的規(guī)模增大，河道發(fā)育增強，沉積前的古地形多為下凹型，而沉積后的地形則多呈上凸型。

表4 各沉積體系中不同沉積物輸送營力的“物-坡”耦合特征與粒序的基本關(guān)系Table 4 Mass-slope coupling characteristics of different sediment-routing agent in various depositional systems

河流段的“物-坡”耦合效應(yīng)表現(xiàn)為：（1）從剖面和垂向序列上講，坡度越大，沉積物以慣性營力輸送為主，河流通常表現(xiàn)出砂礫組合的特點，箱型的正粒序較為發(fā)育（圖7②），河道具有較大的寬深比，細(xì)粒物質(zhì)占比較低。隨著坡度降低，慣性營力全面向摩擦營力轉(zhuǎn)化，沉積物由富礫型向富砂型與砂泥型轉(zhuǎn)化，河流二元結(jié)構(gòu)特征增強（圖7③），細(xì)粒沉積的空間占比增大，反映低流態(tài)的各類沉積構(gòu)造明顯增加（圖7③，7④），生物作用也顯著增強。（2）而從平面形態(tài)特征來看，局部的陡緩變化是造成河道分叉與合并的主要原因，由緩變陡多分叉，由陡變緩則趨于合并；坡度越大，河道越直，河道橫斷面的對稱性越好（圖7），由通常表現(xiàn)出辮狀形態(tài)，具有多條活躍水道和長條形心灘壩；隨著坡度降低，河道的彎曲度增加，截彎取直的過程使廢棄河道的分布增多，其斷面的對稱性越差。地形平緩或平坦時，則可形成網(wǎng)狀河，因河道相對較為固定，通常窄而深，具明顯的泥包砂特點。

盡管Allen沒有將湖盆（泊）在其“源-匯”體系單獨作為一個沉積區(qū)，但它有著與海盆不同的地質(zhì)特點。其分類方案很多，但從其剖面上來講，尤其是短軸方向，總是存在相對陡、緩差異的2種特征不同的地形斜坡（圖7）。湖盆與海盆一樣可發(fā)育多種沉積體系，各沉積體系“物-坡”耦合的地質(zhì)響應(yīng)特征在其他區(qū)段均已論述，不再贅述。但沉積有一個總體的規(guī)律：“陡坡小而多、緩坡大而少；陡坡扇形水道少，緩坡朵葉河彎多；陡坡富礫快沉積，緩坡多砂側(cè)遷移，灣者平緩沼坪泥”。

5.2 濱岸—深水區(qū)

濱岸帶的陡緩與沉積結(jié)構(gòu)具有緊密聯(lián)系，表現(xiàn)為：（1）從剖面和垂向序列上來看，坡度越大的情況下，前濱的沉積物以礫石及中粗粒為主；淘洗作用使反粒序發(fā)育（圖7⑥）。隨著坡度降低，粗粒沉積物質(zhì)逐漸減少，砂泥質(zhì)、富泥質(zhì)開始增加，在近濱形成正粒序為主的沙灘。需要指出的是，通常潮下帶的能量比潮上帶要強，這多是地形下陡上緩的原因，當(dāng)存在障壁—潟湖時更是如此。總之，坡度越陡，波浪與潮汐對濱岸改造的作用越強，沉積物的粒度越粗，反之亦然；一般來說坡度越小，生物構(gòu)造特征明顯增強；而在浪基面之下的深水區(qū)，波浪與潮汐作用很難涉及，沉積物泥質(zhì)含量增多。（2）從平面形態(tài)特征上講，濱岸的寬窄、長短及彎曲度是坡度的函數(shù)，陡窄、長、直，緩寬、短、彎。當(dāng)濱岸帶坡度較緩且沿海平原越寬時，沉積物越細(xì)，分選越好，反之沉積物越粗，分選越差。

三角洲體系的發(fā)育受控于地形坡度，表現(xiàn)為：（1）三角洲的縱向剖面和垂向序列可以說是所有沉積體系中地質(zhì)特征最為明顯的區(qū)域，通?？梢园l(fā)育三層結(jié)構(gòu)、具有明顯的前積（或退積）疊加樣式以及多具有正、反粒序交替的垂向序列（圖7⑥—圖7⑧）。前述的模擬計算結(jié)果已論述了其加積型式與三層結(jié)構(gòu)發(fā)育與陡度的關(guān)系，不再贅述。（2）從平面形態(tài)來看，三角洲明顯受沉積背景的古地形控制（圖7）。地形越陡，粒度越粗，平面形態(tài)越呈扇形；隨著地形的變緩，搬運距離的增大，粒度逐漸變細(xì)，三角洲的分流現(xiàn)象就越強。隨著沉積坡度由陡變緩三角洲的平面形態(tài)由扇形、朵狀向朵葉狀或鳥足狀轉(zhuǎn)變；分流河道的分叉頻率增加，河口壩的規(guī)模逐漸變小并消失，這就是淺水三角洲因坡度過緩河口壩不易發(fā)育的原因。

陸架—深水段地形坡降的變化形式控制著沉積物輸送的方式與粒度的粗細(xì)，而物源供給的程度通常決定了深水水道沉積的規(guī)模大小。主要表現(xiàn)為：從深水沉積體系的剖面和垂向序列上來看，坡度越大的情況下，粒度越粗，深水扇通常表現(xiàn)出富礫或富砂的特點。礫石主要由碎屑流沉積，砂質(zhì)由高密度濁流快速沉積。富砂海底扇因海浪、風(fēng)暴及潮汐作用可使碎屑物質(zhì)分選變好，去除大部分泥，留下被濁流改造的富含砂質(zhì)沉積物（圖7⑨～⑩）。富砂質(zhì)濁流搬運距離不遠(yuǎn)，所以扇體很可能較小，半徑通常小于50 km（Reading and Richards，1994）。沉積主要是由高密度的濁流所形成。砂泥型海底扇的直徑為數(shù)十至數(shù)百千米，由發(fā)達(dá)的河道—天然堤系統(tǒng)和沉積朵體組成。富泥海底扇，由大型海底峽谷水道提供物源。坡度越低，濁積水道彎曲度越大，水道沉積多為粉砂質(zhì)泥，天然堤發(fā)育良好，當(dāng)?shù)匦瓮蝗辉俅巫兙彆r，則多易形成溢岸沉積。

6 討論及展望

地形坡降類型（即坡型的變化）是“源-匯”系統(tǒng)中沉積物輸送體系的核心要素，尤其是對于具有近源快速堆積、粒度變化快、水動力復(fù)雜特征的粗粒沉積體系（Nemec and Steel，1984；Nemec et al.，1984；于興河等，2018）。坡型的變化，既可以是空間上的轉(zhuǎn)變（上游到下游的變化），也可以是時間上的演化（早期到后期的變化），對于絕大多數(shù)沉積體系而言，早期的古地形為下凹型斜坡（由陡變緩），沉積一段時間后則變成上凸型斜坡；坡型的演變控制著沉積體系中不同沉積物在三維空間的變化與分布。同時，它們也影響匯積區(qū)的范圍與邊界的位置（如沉積體系與岸線的劃分），沉積體內(nèi)部的非均質(zhì)性（如相帶與粒度分布的劃分），在各種扇體、塊體密度流及三角洲體系中尤其體現(xiàn)出坡型變化的重要性（Bhattacharya et al.，2016）。坡降類型的劃分（由陡變緩與由緩變陡的變化），也可進(jìn)一步分成快速、緩慢及逐漸變緩與變陡，對應(yīng)的地質(zhì)響應(yīng)則可能是今后努力的方向。

Harvey等（2005）指出地形坡降可以表征可容納空間的變化，影響沉積物的供給量，進(jìn)而控制各類扇體表面的坡降與平面形態(tài)。因此，古地形坡度（沉積前坡度）的計算是研究沖積扇、河流、三角洲等體系的主要沉積動力學(xué)參數(shù)（Bhattacharya et al.，2016；于 興 河 等，2018；Long，2021）。古坡型特征的恢復(fù)對解釋沉積體系的展布、內(nèi)部構(gòu)型以及重力流的發(fā)育均具有重要意義。如何在野外確定現(xiàn)代沉積的古地形坡度的變化，以及古代沉積的古地形則成了沉積學(xué)長期以來的一個難點與瓶頸，現(xiàn)代沉積可以通過古河道、探槽及探地雷達(dá)等方法得到，但這些手段對其初始沉積的古地形研究往往存在的問題是其垂向深度不夠，這是未來需要解決的重點。而對古代沉積而言，地震剖面的分辨率只是一個總體的概況，對于不同級次沉積的坡型研究往往存在精度不夠，還有極大的提升空間。這些問題的解決將有利于解決“源-匯”研究中沉積物輸送系統(tǒng)的變化與成因。

作者提出的“物-坡”耦合效應(yīng)主要是指單水流作用下“匯積區(qū)”坡型變化或不同類型坡降下沉積物類型的總體響應(yīng)規(guī)律，而非具體坡度大小與粒度的絕對對應(yīng)關(guān)系，主要關(guān)注不同粒徑顆粒之間的相對位置，而與其沉積的絕對位置（距離大小）無關(guān)。然而，不同沉積體系的“物-坡”效應(yīng)相差甚大，影響因素也較多，也就是說在“源-匯”體系中各區(qū)段之間的坡度陡、緩的劃分則不能用一個標(biāo)準(zhǔn)，而應(yīng)具有針對性，這也是未來需要深入研究的重點內(nèi)容。此外，對沉積體系而言，通常是多期沉積演化的結(jié)果，加之水上與水下的沉積動力存在著較大的差異，這方面的問題還有很多需要系統(tǒng)攻關(guān)，同樣是未來需要關(guān)注與攻克的方向?？傊?，作者只是提出“物-坡”耦合效應(yīng)的相關(guān)理論基礎(chǔ)與探索性研究認(rèn)識，希望各位同行批評指正，并將這種規(guī)律與認(rèn)識進(jìn)一步完善與發(fā)展，作者相信它將是沉積古地理未來研究的核心與方向。

7 結(jié)束語

“物-坡”耦合的觀點深化了原有的“源-匯”過程，從內(nèi)部因素不同質(zhì)量顆粒在靜止與運動中的受力分析與外部條件古地形斜坡的型式與總體特征地質(zhì)響應(yīng)2個角度，系統(tǒng)分析、推導(dǎo)并模擬了不同碎屑顆粒運動軌跡隨著坡型的變化，由此提出“物-坡”耦合效應(yīng)的觀點。主要認(rèn)識與觀點如下：

1）在Reading的基礎(chǔ)上將沉積物劃分成5種類型，并給出了各種粒徑的占比范圍。同時，對全球主要沉積斜坡樣式進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合多年的野外地質(zhì)研究，提出線型、下凹型及上凸型3種基本地形斜坡；依據(jù)顆粒模擬計算的結(jié)果提出了坡度陡、緩的劃分方案及界線，它們與沉積物類型的分布具有較好的對應(yīng)關(guān)系，并建議按沉積物的主要類型，對坡度進(jìn)行分類，以體現(xiàn)“源-匯”各區(qū)段沉積體系的特色。

2）速度曲線計算結(jié)果與Sternberg的結(jié)論總體規(guī)律一致，證明了坡型設(shè)定與受力分析的合理性。由此可以探討不同的坡型以及受力背景下沉積物的加積型式。拓展了Sternberg的指數(shù)函數(shù)結(jié)論，明確了“物-坡”耦合的數(shù)理規(guī)律，為后續(xù)同行們模擬陸源碎屑沉積物的空間分布提供了理論依據(jù)與計算方法。

3）闡明了供源區(qū)與匯積區(qū)地質(zhì)觀景特征的地形特點與不同級次輸送體系（支流與干流）的控制因素與分布規(guī)律，供源區(qū)地形斜坡以下凹型為主，輸送體系的表現(xiàn)為支流聚合成干流，而匯積區(qū)多為上凸型，輸送體系表現(xiàn)為干流分散成支流（三角洲稱分流河道）；連接兩者之間的搬運（主干輸送）區(qū)通常為線型斜坡，沉積物主要為過路搬運為主。由此可見沉積物輸送體系作用貫穿于“源-匯”的系統(tǒng)全過程中。

4）通過碎屑顆粒的受力分析，明確指出碎屑物質(zhì)搬運能量的轉(zhuǎn)換是一定地形坡度下流體搬運過程中速度變化，體現(xiàn)出不同碎屑顆粒的搬運方式（滾動、跳躍及懸?。┡c沉積物輸送營力或動力方式的轉(zhuǎn)換（慣性、摩擦及浮力），不同質(zhì)量碎屑顆粒的搬運與沉積主要受搬運（水流）能量（流速與流域大?。┑目刂疲徇\能量則主要受坡型變化的制約?？v向剖面的速度模擬結(jié)果表明，不同粒徑顆粒的運動軌跡隨著地形呈拋物線型，與底床的接觸關(guān)系由高角度下截逐漸轉(zhuǎn)換為截切轉(zhuǎn)換、高角度下切及低角度下切，直至平行，其沉積物相應(yīng)的由富礫、砂礫、富砂、砂泥直至富泥型的逐漸分布，且單層厚度逐漸減薄，各自的分布范圍（寬窄）及地形或坡度大小與變化速度的控制，這種規(guī)律反映了順流加積的主體加積型式。由此說明，碎屑物質(zhì)的運動速度決定了其最后的沉積方式。

5）從點-線-面3個維度探討了“物-坡”耦合效應(yīng)在垂向序列、剖面加積型式以及平面展布形態(tài)的沉積地質(zhì)響應(yīng)特征。明確了沉積物輸送系統(tǒng)的營力表現(xiàn)形式，慣性因素為主時坡度陡，反之坡度緩時摩擦為主，而流體密度決定了浮力的不同作用機制。高密度流時，粗粒物質(zhì)受浮力控制；而低密度流時，細(xì)粒物質(zhì)受浮力控制，同樣是坡度的函數(shù)?？傮w是古地形的變化，控制著流速的能量與變化，由此影響沉積相帶的分布，而坡度的大小直接控制顆粒的粗細(xì)、流體密度、剖面加積型式、平面范圍及其形態(tài)的分布?？傊匦纹陆蹬c流體密度的變化是造成的沉積物輸送3種營力與動力方式相互轉(zhuǎn)換的根本原因，這就是“物-坡”耦合的相互作用結(jié)果。

致謝感謝本團隊的付超博士，彭子霄、高明軒等博士研究生，高琦、劉明慷、李蘇磊及謝林燁碩士研究生，他們在文章撰寫中參與數(shù)理計算、圖件繪制以及大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)查找核實工作；長慶油田研究院的高級工程師劉小亮在碎屑顆粒隨坡的速度模擬過程，編制了相關(guān)程序?？梢哉f此文章的撰寫與成形離不開大家的付出，在此表示感謝！同時，也要感謝中國石油大學(xué)（北京）朱筱敏教授與中國礦業(yè)大學(xué)（北京）邵龍義教授提出的寶貴建議！