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）

重力流及它的地質營力作用是Forel[1]于1885年首先在瑞士康士坦司湖和日內瓦湖中發(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年提出了濁流的學說，促進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70年代開展起來的，但因對其研究達到了一定的深度，它已經(jīng)成為沉積學一個重要的組成部分[4]。總之，重力流理論體系自20世紀50年代以來，在形態(tài)學、運動學機理及動力學成因等方面取得了較大進展[5-9]，但是從目前的學術論文來看，重力流的動力學及其啟動機制的研究并不多，缺乏系統(tǒng)性分析。朱如凱等[10]總結了前人對波浪、火山、地震、洪水和風暴等觸發(fā)機制，不同的觸發(fā)機制是形成不同濁積砂體的基礎。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[11]。因此，系統(tǒng)梳理研究和評述重力流的滑塌機理，對于指導勘探方向，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者進行了論述，主要歸納為2種形式，一是在重力直接作用下以塊體搬運方式運移的非牛頓流體，以具有高的內部黏結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動，因此總結為重力流是在重力驅動下的高濃度沉積流體。

重力流的分類十分豐富，可根據(jù)不同原理進行分類。一是根據(jù)流體的流變學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)出塑性流變學特征[5]273，流體態(tài)流表現(xiàn)出流體流變學特征；二是根據(jù)顆粒支撐的機理不同，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)機制

一般認為重力流沉積物的形成需具有如下條件：一定的觸發(fā)機制、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)機制不同。滑塌型重力流的觸發(fā)機制即重力流的滑塌機理相對來說比較復雜，類型多樣，在不同地區(qū)存在差異。通過閱讀大量的文獻有如下的滑塌觸發(fā)機制：地震、天然氣水合物分解、湖（海）平面變化、自身重力、斷裂、構造運動、波浪、海嘯、風暴浪、泥和巖鹽底辟等。

在地質歷史時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，滑塌沉積物在這個系統(tǒng)中所受的力，可以分解為沿斜坡和垂直斜坡4個方向的力。其中順坡方向的力F包括重力分量和后續(xù)沉積物質對其作用力的分量及其他因素產生作用力的分量等；逆坡方向的力f包括摩擦力和浮力的分量及其他因素產生作用力的分量等，這里的摩擦力與沉積物的抗剪強度有關。

圖1 重力流滑塌系統(tǒng)受力物理模型圖

根據(jù)力學分析，只有當順坡方向的力F大于逆坡方向的力f時，才可能產生滑塌。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理分為2類：內在機理和外在機理。

2 重力流滑塌的內在機理

重力流滑塌的內在機理是指主要由于系統(tǒng)本身因素導致的重力流滑塌。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

沉積物自身重力導致重力流滑塌產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，通過總結文獻，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)育時期主要沉積砂巖，河道不發(fā)育時期主要沉積泥巖。當砂泥巖交互發(fā)育時，在具有一定坡度的三角洲前積體上部，當上層的砂巖前積層厚度和面積達到一定規(guī)模時，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，隨著滑塌過程的進行，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不明顯，很難在地震剖面上進行識別刻畫。

（2）沉積界面發(fā)生傾斜而產生的重力流滑塌[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)生時期較多，河流的流通量激增，河流里面所搬運的沉積物質不斷增多，進入湖盆后，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，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積過程不斷增大。在三角洲前緣沉積斜坡的地形條件下，當上覆進積體砂巖的自身重力大于下伏地層的支撐能力時，會促使下伏地層發(fā)生進一步的壓實作用，進而使沉積界面發(fā)生傾斜，地形坡度進一步加大，當坡度大于穩(wěn)定休止角時，沉積物就會沿著斜坡發(fā)生滑動，滑動之后的沉積物內部會發(fā)生液化，進而產生滑塌，隨著沉積物質的不斷搬運在坡腳處或更遠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比較明顯，在地震剖面上能夠進行識別。

（3）沉積斜坡產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構的楔形沉積體，進而發(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，是漫流沉積時期，以泥質為主的沉積物被攜帶搬運到了湖盆中，再經(jīng)過較長的歷史時期，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。當泥巖地層上覆的三角洲前緣砂質楔形沉積體的厚度和面積達到一定規(guī)模時，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，會產生同生斷裂帶，通常是展布范圍有限的同生正斷層。斷裂錯動導致三角洲前緣砂質前積體發(fā)生破裂，斷層下降盤的砂巖在重力作用發(fā)生滑動，在沉積斜坡構造背景下繼而發(fā)生了重力流滑塌作用，形成了重力流沉積物。在砂質沉積物滑塌的過程中一般會形成一些重力流沉積構造標志，如揉皺構造、火焰構造等。隨著三角洲沉積體系的持續(xù)推進，沉積斜坡產生同生斷層也會在縱向和橫向上相繼發(fā)生，因此這種機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致重力流滑塌的主要機理是天然氣水合物分解會產生水和氣體，從而降低沉積物的抗剪強度，使逆坡方向的力f減小，進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。

沉積物質從大陸架坡折帶搬運到半深?；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。當天然氣水合物不穩(wěn)定時，會分解產生水和天然氣，此時，因固態(tài)物質轉變成液體（也可能是游離氣）會降低沉積物質的抗剪強度，使沉積物容易受到破壞[19]。特別是當天然氣水合物快速分解時，釋放出來的天然氣超出了氣體飽和度，沉積物質就會發(fā)生液化作用，從而進一步降低了沉積物質強度[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致海底沉積物的抗剪強度變小。天然氣水合物分解的影響因素很多，通過國內外學者研究歸納總結了以下幾種情況[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，進而造成天然氣水合物的分解。

3 重力流滑塌的外在機理

重力流滑塌的外在機理是指主要由于系統(tǒng)外部的因素導致的重力流滑塌。有關這方面研究的文獻較多，通過分析歸納，文章認為主要有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

地震作用導致重力流滑塌的原因有2個方面：它不僅可以產生斷裂，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理。在中國東部復雜裂陷盆地中，這種機制非常普遍。

地震作用一般是板塊構造運動的響應，當?shù)卣鹱饔冒l(fā)生時，除了在板塊運動邊界、盆地邊緣或者古斷層處產生大斷裂外，在盆地內部也會產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入湖盆，形成三角洲沉積體系，在低位域沉積時期和高位域沉積時期通常發(fā)育富砂沉積體。當?shù)卣鹱饔脤е屡璧剡吘壈l(fā)生斷裂作用時，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的起始動力條件，使沉積物順坡方向的力F開始大于逆坡方向的力f，發(fā)生滑動作用。同時，地震作用導致斷塊的震動作用比較大，三角洲富砂沉積體部分會發(fā)生液化作用，使沉積物的抗剪強度降低，減小了富砂沉積體逆坡方向的力f，進一步誘發(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特征，但是也會由于滑塌機制觸動而發(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)生時伴隨著邊界斷裂產生，從盆地斜坡帶到洼陷帶會產生很多伴生斷層，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端部分沉積體的滑動或者盆地邊緣產生的滑塌沉積體再次滑動提供了動力條件，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。滑塌的沉積體繼續(xù)往盆地內部洼陷帶滑動，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距離較遠，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)機制的頻次及地形構造條件不同等。

3.2 湖（海）平面變化

湖（海）平面的變化導致沉積物發(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，當湖（海）平面下降，可容納空間減小，河流的建設作用就會增強，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)育階段比較易于產生重力流沉積。大量油氣地質勘探實踐也表明，在不同體系域時期的地層中，高位體系域時期的地層經(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)機制，但是對其成因機制類型，不同學者有不同的看法。有的學者認為波浪破壞或改造三角洲前緣后進而誘發(fā)形成濁積砂體，不是滑塌成因而是前緣砂體再沉積的產物，而有的學者認為是滑塌成因[25-26]。文章認為波浪作用改造三角洲前緣后形成的濁積巖是滑塌成因，因為在三角洲前緣存在前緣斜坡，為滑塌的啟動提供了條件，浪基面附近被波浪改造的沉積物在斜坡上是在重力的驅動下滑動前移的，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、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的破壞和改造作用。

4 結論

（1）系統(tǒng)總結歸納了滑塌型重力流的觸發(fā)機制。根據(jù)滑塌型重力流的力學條件，把重力流的滑塌機理分為兩大類：內在機理和外在機理。內在機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之一。因此，需要加強重力流滑塌機理實驗設計和理論研究，為今后廣泛開展巖性勘探提供理論技術支持。