鐘廣法

關(guān)鍵詞 超臨界濁流；地貌動(dòng)力學(xué)；逆行沙丘；周期階坎；鑒別標(biāo)志

0 引言

超臨界濁流沉積是近十多年來國(guó)際沉積學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，這在很大程度上得益于“周期階坎”（cyclic steps）概念[1]的提出和與濁流有關(guān)的海底周期階坎底形的發(fā)現(xiàn)[2]。現(xiàn)代環(huán)境調(diào)查和古代記錄分析表明，超臨界濁流沉積遍及三角洲前緣斜坡[3?9]，海底峽谷和水道[2，10?16]，海底扇[2，17?25]、火山島周緣海底斜坡[26]、冰海和冰湖[27?28]、湖泊[29]等幾乎所有與重力流有關(guān)的沉積環(huán)境。超臨界濁流沉積理論的出現(xiàn)，極大地拓展了沉積學(xué)工作者的視野，對(duì)于深入理解古代沉積記錄、解讀地質(zhì)歷史具有重要的科學(xué)意義。同時(shí)，由于超臨界濁流能量高，其沉積機(jī)理和砂體構(gòu)型與亞臨界流有很大的不同，相關(guān)沉積物的儲(chǔ)集性能比亞臨界流更優(yōu)越，因此超臨界濁流沉積研究對(duì)于深水油氣資源勘探和開發(fā)亦具有重要的工程意義[30]。

自20世紀(jì)60年代以來，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)家對(duì)超臨界濁流沉積及其成因機(jī)理進(jìn)行了持續(xù)的研究，大致經(jīng)歷了1960—1970年代和最近十多年來兩個(gè)研究高潮，研究?jī)?nèi)容涵蓋水槽實(shí)驗(yàn)[31?32]、數(shù)值模擬[33?39]、海底調(diào)查[2，4?6，10?14，17?22，40?43]和野外露頭研究[8，44?50]，已初步構(gòu)建了超臨界濁流沉積理論的基本框架。我國(guó)超臨界濁流沉積研究起步較晚，但無(wú)論是海底調(diào)查[15?16，24，51?54]、露頭分析[9，23]，還是水槽實(shí)驗(yàn)[55?56]和數(shù)值模擬[57?62]，都取得了一些很有意義甚至前緣性的學(xué)術(shù)成果，也出現(xiàn)了一些旨在宣介國(guó)際超臨界濁流底形研究進(jìn)展的綜述性論文[63?64]。盡管如此，與國(guó)際上的高研究熱度相比，國(guó)內(nèi)對(duì)超臨界濁流沉積的關(guān)注度仍較低。本文擬對(duì)與超臨界流有關(guān)的水力學(xué)和沉積學(xué)概念進(jìn)行較為系統(tǒng)的介紹，并著重就超臨界濁流沉積的鑒別標(biāo)志及相關(guān)問題進(jìn)行討論，旨在拋磚引玉，以期引起更多國(guó)內(nèi)學(xué)者和工業(yè)界同行對(duì)超臨界濁流沉積問題的重視，促進(jìn)超臨界濁流沉積學(xué)在我國(guó)的快速發(fā)展。

1 超臨界流沉積問題

流體的流動(dòng)特性或流態(tài)依弗勞德數(shù)（密度流稱內(nèi)部或密度弗勞德數(shù)，F(xiàn)r）可以劃分為以下三種情形，分別為臨界流動(dòng)（Fr=1，critical flow）或過渡流態(tài)（transitional flow regime）、亞臨界流動(dòng)（Fr<1，subcriticalflow）或下部流態(tài)（lower flow regime）及超臨界流動(dòng)（Fr>1，supercritical flow）或上部流態(tài)（upper flowregime）。明渠流和密度流的弗勞德數(shù)可以統(tǒng)一用密度弗勞德數(shù)表示為：

水槽模擬實(shí)驗(yàn)表明，隨著弗勞德數(shù)增加，底床上會(huì)依次出現(xiàn)下列底形[1，65]：①沙紋，②沙丘上的沙紋或上疊有沙紋的沙丘（沙紋與沙丘之間的過渡類型），③沙丘，④沖蝕或剪切沙丘（washed-out or shearedoutdunes，沙丘與平床之間的過渡類型），⑤平床（亦譯作平坦床沙），⑥逆行沙丘，⑦不穩(wěn)定或破裂逆行沙丘（unstable or breaking antidunes），⑧急灘和深潭（chutes-and-pools），⑨周期階坎。其中，①～③為典型的亞臨界流底形，④和⑤的形成條件接近于臨界流，代表亞臨界流與超臨界流之間的過渡底形，⑥～⑨為超臨界流底形。

超臨界流沉積并不是一個(gè)新范疇。相關(guān)的概念，如逆行沙丘[66]、后積層理[67]等，早在100多年前即已出現(xiàn)。從20世紀(jì)60年代流態(tài)概念的確立及沉積學(xué)界大興水槽模擬和現(xiàn)代沉積調(diào)查之風(fēng)以來，超臨界流沉積的研究熱度不減。盡管如此，關(guān)于超臨界流沉積，國(guó)內(nèi)外的沉積學(xué)教科書和參考書中均極少涉及，通常除了提到逆行沙丘、急灘和深潭等相關(guān)底形概念外，基本上沒有超臨界流沉積方面的專門介紹。這一狀況的出現(xiàn)可能與以下三個(gè)因素有關(guān)：一是傳統(tǒng)沉積學(xué)理論認(rèn)為超臨界流沉積不易保存，在地層記錄中非常稀少[68?70]，導(dǎo)致沉積學(xué)家對(duì)超臨界流沉積的普遍性和重要性認(rèn)識(shí)不足，在一定程度上對(duì)相關(guān)沉積學(xué)實(shí)踐構(gòu)成了“誤導(dǎo)”；二是學(xué)術(shù)界對(duì)超臨界流的沉積過程和沉積特征缺乏深入了解，對(duì)于如何鑒別超臨界流沉積，缺乏明確而行之有效的依據(jù)或標(biāo)志；三是超臨界流沉積構(gòu)造所特有的長(zhǎng)波長(zhǎng)、低幅度特點(diǎn)客觀上增加了從范圍狹小的露頭或巖心中將其鑒別出來的難度。

事實(shí)上，超臨界流沉積在冰川、沖積扇、河流、湖泊、三角洲、海岸、濁流等現(xiàn)代沉積環(huán)境中無(wú)處不在，在古代沉積記錄中也屢被發(fā)現(xiàn)。可以肯定，超臨界流沉積在地層記錄中是大量存在的，只是我們尚未客觀地將它們辨識(shí)出來而已。這也意味著，地層記錄中很多超臨界流沉積可能被我們錯(cuò)誤地鑒別成了亞臨界流或過渡流沉積，其結(jié)果勢(shì)必影響我們根據(jù)沉積記錄分析得出的古水動(dòng)力恢復(fù)和沉積環(huán)境解釋的合理性，進(jìn)而波及相關(guān)沉積相填圖、古地理重建、盆地分析、儲(chǔ)層預(yù)測(cè)等研究成果的可靠性。這是目前沉積學(xué)研究中面臨的一大困境或挑戰(zhàn)，姑且稱之為“超臨界流沉積問題”。

2 水躍及有關(guān)的水力學(xué)概念

水躍（hydraulic jump，密度流中稱為內(nèi)部水躍）是理解超臨界流及其水動(dòng)力和沉積效應(yīng)的一個(gè)重要概念。水躍是流體從超臨界流向亞臨界流的突然過渡，表現(xiàn)為流體表面的不連續(xù)或突然躍起，流體厚度的突然增大，流速突然降低，流體能量損失，上覆流體（空氣或水）混摻（entrainment）及流體密度和沉積物濃度的顯著下降[33，71]，有時(shí)還可能表現(xiàn)為流體類型的轉(zhuǎn)換[72]。由于流體能量顯著降低，水躍及緊鄰水躍的下游部位會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的沉積物堆積。水躍發(fā)生前超臨界來流（incoming flow）的弗勞德數(shù)越大，水躍部位流速下降、流體厚度增大、能量損失、流體混摻、流體密度降低等的幅度也越大，相應(yīng)的水躍下游沉積物堆積也越強(qiáng)烈。

水躍是一種極端紊流現(xiàn)象。超臨界來流在水躍部位被強(qiáng)烈擾動(dòng)，除了主流繼續(xù)沿底部向前流動(dòng)外，流體表面會(huì)出現(xiàn)一系列作劇烈回旋運(yùn)動(dòng)的旋滾（roller，一種反向流動(dòng)的表面滾動(dòng)波，這里沿用國(guó)內(nèi)水力學(xué)教科書中的譯法），它們將上覆流體（水或空氣）卷入，形成一個(gè)反向流動(dòng)帶或旋滾區(qū)。表面旋滾區(qū)的起點(diǎn)或水深突然增加部位，是水躍開始出現(xiàn)的標(biāo)志，稱為“水躍起點(diǎn)”或“水躍趾部”。表面旋滾區(qū)下游流體表面基本變平部位，稱為“水躍終點(diǎn)”。水躍起點(diǎn)與終點(diǎn)之間的距離，稱為“躍長(zhǎng)”。水躍發(fā)生前超臨界流的厚度（h1）和水躍發(fā)生后亞臨界流的厚度（h2），合稱為“共軛深度”（conjugate depths）。水躍發(fā)生前、后流體的厚度差（h2-h1），稱為“躍高”。忽略水躍處流體和沉積物的混摻效應(yīng)，水躍發(fā)生后與水躍發(fā)生前流體厚度之比（h2/h1），稱為“水躍強(qiáng)度”（圖1a）。

水躍的本質(zhì)是流體能量形式的轉(zhuǎn)換，水躍前以動(dòng)能為主，水躍后則以勢(shì)能為主，水躍導(dǎo)致流體能量的大量損失。在水平矩形明渠且忽略底床剪切應(yīng)力的假設(shè)前提下，根據(jù)Bélanger動(dòng)量方程，水躍強(qiáng)度可以用來流弗勞德數(shù)（Fr1）表示為：

由該式知，隨著來流弗勞德數(shù)增加，水躍強(qiáng)度逐漸增大，水躍的幾何形態(tài)、內(nèi)部流動(dòng)特性和能量損失也會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

根據(jù)明渠流水槽實(shí)驗(yàn)結(jié)果，按來流弗勞德數(shù)大小，可以將水躍劃分為以下五類[70?71]：1）當(dāng)1.01.7時(shí)，共軛深度比接近于1，流體表面呈波狀，流體能量損失小，稱為波狀水躍（undular jump，圖1b）；2）當(dāng)1.7導(dǎo)致底床剪應(yīng)力顯著下降，稱為震蕩水躍（oscillating jumps，圖1d）；4）當(dāng)4.59.0 時(shí)，高速射流已無(wú)法繼續(xù)維持在流體底部，流體表面起伏很大，共軛深度比大，能量損耗充分（>70%），稱為強(qiáng)水躍（strong jump，圖1f）。需要說明的是，不同類型水躍之間弗勞德數(shù)的分界值并不是一成不變的，可因水道形態(tài)、底床粗糙度等因素而發(fā)生變化。

水躍發(fā)生的位置與下游水位——水力學(xué)稱為“尾水深度”（tailwater depth，ht ）有關(guān)。當(dāng)水躍位于h2=ht處，稱為“正常水躍”（normal jump，圖1g）。當(dāng)h2>ht，水躍將順流遷移至下游某個(gè)滿足h2=ht處出現(xiàn)，稱為“驅(qū)離水躍”（flushed jump，圖1h）；而當(dāng)h2

3 超臨界流底形

水槽實(shí)驗(yàn)表明，超臨界流底形主要有以下四種類型（表1、圖2），按弗勞德數(shù)增大順序依次為逆行沙丘或穩(wěn)定逆行沙丘、不穩(wěn)定或破裂逆行沙丘、急灘—深潭及周期階坎[2，36，65]。其中，逆行沙丘和周期階坎為超臨界流底形的兩種端元類型，而不穩(wěn)定逆行沙丘和急灘—深潭則是介于前兩者之間的過渡或復(fù)合底形[2，37，70，73]。

3.1 逆行沙丘

“逆行沙丘”由Gilbert[66]提出，指與水面重力波相位相同的正弦狀底形，因其遷移方向與沙丘相反即逆流遷移而得名。Kennedy[74?75]發(fā)現(xiàn)，除逆流遷移外，逆行沙丘還可以順流遷移或不發(fā)生遷移，故將逆行沙丘拓展至包含不論遷移方向的、所有與水面波相位一致的底形。盡管如此，無(wú)論是現(xiàn)代環(huán)境還是古代記錄，絕大多數(shù)逆行沙丘表現(xiàn)為逆流遷移，順流遷移者很少[37]，且主要見于坡度陡、粒度粗、弗勞德數(shù)較低的超臨界流環(huán)境[31，37]。

逆行沙丘底形的起伏與上覆流體表面波相位一致，波谷處流速最高、流體厚度最小，波脊處則相反。流體加速通過背流面進(jìn)入波谷，然后減速通過迎流面到達(dá)波脊[74?76]（圖2a）。明渠流中的逆行沙丘多為短命底形、不易保存，但密度流或濁流中，由于折算密度低，逆行沙丘可以持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)育[32]。

逆行沙丘與沙丘不同[75，77]。首先，沙丘是亞臨界流底形，其迎流面侵蝕、背流面加積，因而順流遷移；而逆行沙丘為超臨界流底形（雖然其形成時(shí)的弗勞德數(shù)可以低至0.84甚至更低[75]），其背流面容易出現(xiàn)侵蝕，而迎流面發(fā)生加積，故逆流遷移[66，75]。其次，沙丘為不對(duì)稱尖脊底形，其迎流面緩且微微上凸，背流面很陡，接近于沉積物休止角；逆行沙丘則為低幅度、正弦狀、對(duì)稱或近對(duì)稱底形。第三，沙丘背流面存在流體分離現(xiàn)象，流線在越過波谷、到達(dá)下游迎流面某個(gè)適當(dāng)位置后才重新與底床貼合；逆行沙丘因幅度低、坡度緩，底床順流坡度變化緩慢，故很少出現(xiàn)流體分離現(xiàn)象，多數(shù)情況下流線可以沿底形光滑追蹤。

逆行沙丘逆流遷移形成后積層理（圖2a）。后積層理的保存程度與其形成后被侵蝕改造的程度和加積速率有關(guān)[70]。由于后積層組上部更易被侵蝕破壞，在低加積速率情形下，往往只有后積層組下部?jī)A角較緩的部分得以保留，紋層的厚度小，且多呈近水平至低角度形態(tài)，紋層組的橫向連續(xù)性差，極端情況下為透鏡狀；高加積速率條件下，紋層厚度大，紋層組的橫向連續(xù)性好，總體表現(xiàn)為較高角度的后積層理或由后積層組和前積層組交替構(gòu)成的遷移波狀或爬升逆行沙丘層理[35，48]。此外，非遷移型逆行沙丘可以形成正弦波狀地層，而順流遷移逆行沙丘的沉積構(gòu)造主要為前積層理[28]。

當(dāng)弗勞德數(shù)進(jìn)一步增加，形成逆行沙丘的流體會(huì)變得不穩(wěn)定，表面波逐漸變陡。當(dāng)波的陡度（波高/波長(zhǎng)）超過臨界值（明渠流為0.142[74]）時(shí)便會(huì)發(fā)生破裂，此時(shí)底床與表面波之間的同相關(guān)系不再保持，這種與逆行沙丘表面波破裂有關(guān)的底形，稱為破裂逆行沙丘[63]或不穩(wěn)定逆行沙丘（圖2b）[70]。

表面波的破裂導(dǎo)致逆行沙丘底形周期性地被破壞和重新形成[70，75?76]。表面波的變陡和破裂通常從波脊部位開始，波脊頂部流體逆流滑行形成旋滾或破裂波，以正向涌浪（positive surges）形式逆流遷移，并導(dǎo)致其下伏逆行沙丘底形被沖刷破壞，跟在這些涌浪后面的是彌漫整個(gè)水柱的懸浮沉積物云。當(dāng)涌浪逆流遷移至鄰近波谷時(shí)，由于其速度降低、幅度減小，懸浮物質(zhì)開始沉積。隨著速度和幅度進(jìn)一步快速下降，正向涌浪被順流下沖，轉(zhuǎn)換為負(fù)向涌浪（negative surges），導(dǎo)致超臨界流和逆行沙丘底形在加積底床上重新形成。逆行沙丘波的破裂過程差異很大，取決于波破裂時(shí)涌浪與底床之間的相互作用。

不穩(wěn)定逆行沙丘沉積物通常由不連續(xù)的透鏡狀層構(gòu)成，與逆行沙丘上覆同相位波的形成和破裂的周期性重復(fù)有關(guān)[70，78]。依涌浪所能到達(dá)的逆流側(cè)最大位置，沉積物可以堆積在逆行沙丘的迎流面，形成后積層組；或者沉積在逆流側(cè)前一逆行沙丘的背流面，形成低角度前積層組；如果沉積物堆積在波谷的中部，則形成與波谷形狀一致的上凹狀對(duì)稱層組（圖2b）。此外，波的破裂及有關(guān)的涌浪過程與高速來流的核部從底床滑離躍起（射流）有關(guān)，直接位于涌浪后面的底床所受到的牽引顯著降低（有時(shí)甚至在底床與射流之間出現(xiàn)反向旋滾），這些部位懸浮沉積物的快速堆積可以形成塊狀或無(wú)構(gòu)造沉積。

3.3 急灘和深潭

隨著弗勞德數(shù)進(jìn)一步增加，不穩(wěn)定逆行沙丘會(huì)逐漸過渡為急灘—深潭底形。它由急灘（背流面）和深潭（迎流面）兩種地貌交替構(gòu)成，其中急灘代表以淺水急流為特征的坡道，深潭則為水深流緩的沖坑狀或凹槽狀負(fù)地貌（圖2c）。國(guó)內(nèi)沉積學(xué)教科書中大多將“chutes-and-pools”譯為“流槽和凹坑”、“沖槽和沖坑”，后者帶有較明顯的侵蝕成因色彩。事實(shí)上，chutes-and-pools也可以是重要的沉積底形。本文采用陳景山[79]及國(guó)內(nèi)水力學(xué)教科書中通行的“急灘和深潭”這一譯名。chute一詞源于法語(yǔ)，本意為跌落、下降，還用來指供物體快速滑落的傾斜坡道，指流水時(shí)為瀑布、急流之意。這里的chutes特指上覆為厚度小、流速高、Fr>1的急流的斜坡地形，譯為“急灘”較為貼切；而pools部位流體深度大、流速低，為Fr<1的緩流，譯為“深潭”也很形象。

急灘和深潭是一種超臨界流底形，其穩(wěn)定性在逆行沙丘與周期階坎之間，可以視為二者之間的一種過渡或混合底形[70，73]。淺而快速的超臨界流加速通過急灘，并在急灘末端發(fā)生水躍，轉(zhuǎn)化為深潭中深而緩慢的亞臨界流，但流體在深潭部位處于加速狀態(tài)[37，65]。分隔急灘超臨界流和深潭亞臨界流的水躍，其遷移是隨機(jī)的，可以自發(fā)形成和消散[70，78]。急灘下游的深潭中，可以發(fā)育穩(wěn)定或不穩(wěn)定的逆行沙丘[76]。

急灘和深潭與不穩(wěn)定逆行沙丘的區(qū)別在于，不穩(wěn)定逆行沙丘的涌浪會(huì)迅速減弱并消散，而急灘—深潭的涌浪則會(huì)演化為瞬態(tài)水躍[70，78]。形成急灘和深潭底形的流體，其流速通常與伴生的逆行沙丘接近或更高[70，76]。

典型的急灘—深潭沉積物由充填于沖坑中的陡傾的后積層組構(gòu)成，有時(shí)伴有緩傾的前積層組及同心狀的沖坑充填沉積（圖2c）[35，48，70，78，80]。水槽實(shí)驗(yàn)[35，70，78，80]表明，當(dāng)加積速率較低時(shí)，急灘—深潭沉積物的頂部多被侵蝕，保存下來的沉積物通常表現(xiàn)為疊置的沖刷—充填構(gòu)造，其內(nèi)部主要由上凹狀后積層理和塊狀或無(wú)構(gòu)造沉積物組成。隨著加積速率增加，在上凹狀紋層組之間，還可能疊置上凸?fàn)钔哥R體，這些透鏡體的下部多為塊狀沉積物，向上紋理逐漸變得清晰起來。在高加積速率情況下，急灘—深潭沉積物由上凸?fàn)钔哥R體和上凹狀透鏡體共同組成[45，50，81]。Slootman et al.[50]將這種形成于高加積速率條件下的急灘—深潭構(gòu)造稱為“建造—充填構(gòu)造”（build-and-fill structures），其中上凸?fàn)钔哥R體形成于同相波體制，稱為建造期沉積；上凹狀透鏡體形成于水躍體制，稱為充填期沉積。理想化建造—充填構(gòu)造的形成經(jīng)歷了同相波條件下逆行沙丘的形成和建造，同相波的破裂（流動(dòng)受阻）和隨后水躍的形成，底形脊上游側(cè)凹坑的充填，水躍被沖至下游和超臨界流在底床上的重新建立等階段[50]。

3.4 周期階坎

隨著弗勞德數(shù)進(jìn)一步增高，水躍變得更加穩(wěn)定，急灘—深潭過渡為周期階坎，它由一組首尾相接、逆流遷移的階梯狀底形所構(gòu)成，每個(gè)底形包含一個(gè)坡度較緩或逆流傾斜的“臺(tái)階”（即迎流面）和一個(gè)坡度較陡、順流傾斜的“陡坎”（即背流面），這種階、坎交替地貌在順流方向上周期性重復(fù)出現(xiàn)（圖2d）[1?2，36?37]。周期階坎概念由Parker[1]正式提出，不過類似的概念此前已經(jīng)出現(xiàn)[82]。文獻(xiàn)中cyclic steps的中文譯名較為混亂，可能與對(duì)cyclic的不同理解有關(guān)。筆者[83]將其譯為“周期階坎”，主要考慮cyclic在地層學(xué)中強(qiáng)調(diào)地層特征在垂向上的旋回性或韻律性，而這里的cyclic為水力學(xué)概念，強(qiáng)調(diào)底形及上覆流體的形態(tài)特征沿床面或橫向上的周期性重現(xiàn)特性，譯為“周期”似乎更合適一些；steps描述的是此類底形的臺(tái)階狀或階梯狀外形，譯為“階坎”較為合適，其中“階”對(duì)應(yīng)于相對(duì)平緩的迎流面（臺(tái)階），“坎”對(duì)應(yīng)于相對(duì)陡峭的背流面（陡坎），“階”和“坎”連起來完整地反映了此類底形的形態(tài)特點(diǎn)。

組成周期階坎波列的每個(gè)底形，可以根據(jù)躍前弗勞德數(shù)（Fr1）、躍后弗勞德數(shù)（Fr2）及脊頂附近臨界弗勞德數(shù)劃分為以下三部分（圖2d）[36]：一是水躍區(qū)，從背流面傾瀉而下的超臨界流在這里減速擴(kuò)展，轉(zhuǎn)化為亞臨界流；二是水躍區(qū)下游的迎流面，水躍后的亞臨界流加速通過該區(qū)，并在波脊略靠上游部位達(dá)到臨界狀態(tài)[84]；三是背流面，超臨界流加速掠過該區(qū)，直至谷底由于坡度驟降，被迫形成下一個(gè)水躍。由于背流面薄而快速的超臨界流的侵蝕成分更多一些，而迎流面厚而慢速的亞臨界流的沉積成分更多一些，其結(jié)果周期階坎不可避免地逆流遷移。

周期階坎和逆流遷移的逆行沙丘都是周期性重復(fù)出現(xiàn)的超臨界流底形，二者都由多個(gè)同類底形首尾相連而成，成組或成列發(fā)育，且逆流遷移。二者的區(qū)別主要表現(xiàn)為以下三個(gè)方面[1，31，37]。首先周期階坎為長(zhǎng)波長(zhǎng)底形，其波長(zhǎng)與流體厚度之比大于或等于10，而逆行沙丘則小于或等于5[31，37]。其次，逆行沙丘底形與上覆流體表面波相位一致，上覆流體全程為超臨界流；而周期階坎的上覆流體則以波谷附近持續(xù)性或穩(wěn)定發(fā)育的水躍為標(biāo)志[2，36，85]，以背流面超臨界流與迎流面亞臨界流的順流交替為特征，亦即周期階坎上覆流體并非一以貫之的超臨界流，但當(dāng)?shù)仔稳狈r(shí)整個(gè)底床仍為超臨界流[85]。由于流態(tài)的交替，周期階坎與流體表面波的相位關(guān)系也不夠明確，其中超臨界流部分為同相位，而亞臨界流部分則不同相，流體最厚和最薄部位均位于波谷附近。第三，明渠流中的逆行沙丘多為暫時(shí)性底形，在沉積記錄中不易完整保存，而持續(xù)性水躍的存在使得周期階坎波列得以穩(wěn)定發(fā)育，故可以留下完整波列的沉積記錄[37]。

周期階坎與急灘—深潭不易區(qū)分，二者均由逆流遷移的階梯狀地貌所組成，周期階坎的階和坎（迎流面和背流面）分別相當(dāng)于急灘—深潭的深潭和急灘，二者的成因也都與水躍有關(guān)[37]，不過二者的水躍動(dòng)力學(xué)行為存在一定的差異。急灘—深潭常與逆行沙丘波列共生，是以瞬態(tài)水躍為特征的欠穩(wěn)定底形，瞬態(tài)水躍的形成與同相波的偶然破裂有關(guān)[70，78，86?87]。急灘—深潭上覆流體由背流面超臨界流、波谷中暫時(shí)性水躍及迎流面亞臨界流組成，與周期階坎類似，但急灘—深潭缺乏周期階坎在順流方向上的重現(xiàn)性。由于急灘下游的深潭區(qū)常常疊加穩(wěn)定或不穩(wěn)定逆行沙丘，急灘—深潭中的水躍一般呈階躍式逆流遷移；而周期階坎中，水躍相對(duì)于底形的位置保持穩(wěn)定，且以大致穩(wěn)定的速率逆流遷移[2，70，88]。急灘和深潭可以視為周期階坎的特例[85]。

根據(jù)控制底形的主要過程是沉積還是侵蝕，通常將周期階坎劃分為凈沉積、搬運(yùn)（transportational）和凈侵蝕三類。很多海底沉積物波屬于凈沉積型周期階坎，而凈侵蝕型周期階坎則表現(xiàn)為一系列逆流遷移的沖坑[37]。坡度較陡易形成凈侵蝕型周期階坎，較緩則有利于形成凈沉積型周期階坎[82]。順坡而下，凈侵蝕型周期階坎可以過渡為凈沉積型[16]。搬運(yùn)型周期階坎中，每個(gè)階坎底形的平均沉積物搬運(yùn)速率在順流方向上為常數(shù)，單個(gè)底形內(nèi)平均侵蝕速率等于0，其迎流面凈沉積、背流面凈侵蝕，侵蝕量和沉積量在一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)保存平衡[85，89]。

Slootman et al.[73]根據(jù)底床加積速率與底形遷移速率的比值，將周期階坎進(jìn)一步細(xì)分為完全沉積型、部分沉積型、搬運(yùn)型、部分侵蝕型和完全侵蝕型五類（圖3）。底床加積速率與底形遷移速率的比值，用波脊遷移方向相對(duì)于背流面傾角的爬升角或相對(duì)于迎流面傾角的降落角加以定義。當(dāng)?shù)状菜胁课欢紴榧臃e時(shí)，紋層連續(xù)，波脊遷移的爬升角大于背流面傾角，為完全沉積型周期階坎。當(dāng)背流面侵蝕，但背流面侵蝕速率小于迎流面沉積速率時(shí)，為部分沉積型周期階坎，此時(shí)波脊爬升角小于背流面傾角。當(dāng)波脊下降，且下降角度超過迎流面傾角（即底床任何部位都發(fā)生侵蝕）時(shí)，為完全侵蝕型周期階坎。當(dāng)波脊下降角度小于迎流面傾角時(shí)，迎流面沉積速率小于背流面侵蝕速率，為部分侵蝕型周期階坎。波脊以與背流面（或迎流面）傾角相等的角度爬升（或下降）是部分沉積（或侵蝕）型和完全沉積（或侵蝕）型周期階坎的分界線，該角度上的背流面（或迎流面）既不發(fā)生沉積也不發(fā)生侵蝕，為臨界沉積型或臨界侵蝕型周期階坎。搬運(yùn)型周期階坎既沒有凈沉積，也沒有凈侵蝕，其迎流面沉積和背流面侵蝕的速率相等。

周期階坎沉積物主要由后積層理組成（圖2d），其底部為塊狀，由水躍下游部位懸浮顆粒的快速堆積形成，垂向上過渡為層理特征更為明顯的后積層[70，46?48]。紋層的厚度和傾角與沉積速率呈正比。后積層理的形態(tài)與水躍相對(duì)于波谷的位置有關(guān)。若為正常水躍或驅(qū)離水躍，后積層理主要堆積在波谷及下游的迎流面上；若為淹沒水躍，沉積物將覆蓋波谷，形成產(chǎn)狀與底界一致的上凹狀紋理[70]。除后積層理外，周期階坎還可以形成沖刷—充填構(gòu)造，兼有后積層理和前積層理的不規(guī)則透鏡狀、丘狀和楔狀沉積體，以及平行或低角度逆流和順流傾斜的波狀層理等沉積構(gòu)造[90]。

4 超臨界濁流沉積的普遍性

由（1）式可知，當(dāng)流速和流體厚度一定時(shí)，濁流因折算密度遠(yuǎn)低于明渠流而更易成為超臨界流。水槽實(shí)驗(yàn)亦證實(shí)，濁流達(dá)成超臨界流體制的速度要明顯低于明渠流[32]。根據(jù)穩(wěn)定均勻流謝才公式（Chézyequation），濁流的流動(dòng)行為可以表示為底床坡度（sinβ）和摩擦系數(shù)（包括底床拖曳系數(shù)Cf及流體頂部混摻系數(shù)E）的函數(shù)[33]：

該方程表明，隨著坡度增加，濁流的弗勞德數(shù)逐漸增大。給定摩擦系數(shù)（Cf=0.005，E=0.9Cf ），Komar[33?34]根據(jù)上式預(yù)測(cè)，只要海底坡度大于1/100（～0.5°），濁流就會(huì)因弗勞德數(shù)超過臨界值而成為超臨界流。Sequeiros[91]根據(jù)歷年發(fā)表的水槽模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料（濃度和速度）所做的統(tǒng)計(jì)分析亦表明，濁流的弗勞德數(shù)與底床坡度之間存在良好的正相關(guān)性，且當(dāng)坡度大致等于1/100（～0.5°）時(shí)，濁流的弗勞德數(shù)就會(huì)達(dá)到臨界值（圖4），證實(shí)了Komar[33?34]的預(yù)測(cè)。

由于0.5°這一臨界坡度值在海底濁流沉積環(huán)境很容易得到滿足，因此自然界中超臨界濁流沉積應(yīng)很常見?，F(xiàn)代海底沉積環(huán)境調(diào)查表明，超臨界濁流底形在三角洲前緣斜坡，開放陸坡，海底峽谷和水道，水道天然堤或越岸區(qū)，海底扇朵體，水道—朵體過渡帶，乃至深海平原等幾乎所有與重力流有關(guān)的沉積環(huán)境中廣泛存在。地層記錄中的超臨界濁流沉積也通過露頭研究、地震解釋等手段越來越多地被揭示出來[7，16，25，44，46?50，92?94]。所有這些，都證實(shí)了超臨界濁流沉積的普遍性。

需要說明的是，上述臨界坡度值僅是超臨界濁流形成的一個(gè)必要條件，并不是充分條件[37]。濁流能否演化為超臨界流，受濁流本身包括其中所含懸浮沉積物的特性、底床的性質(zhì)及濁流與底床之間的地貌動(dòng)力學(xué)相互作用等多重因素制約。Kostic[37]基于非穩(wěn)定流深度平均的四方程公式[38]，提出了如下的無(wú)量綱參數(shù)N：

5 超臨界濁流沉積的鑒別標(biāo)志

超臨界濁流沉積的識(shí)別是合理解釋地層記錄的關(guān)鍵。遺憾的是，文獻(xiàn)中相關(guān)論述并不多見。本文對(duì)散見于文獻(xiàn)資料中的各種標(biāo)志進(jìn)行了整理與分析，并結(jié)合筆者近年來在南海的實(shí)踐[15，51，95?96]，將超臨界濁流沉積的鑒別標(biāo)志概括為幾何形態(tài)和內(nèi)部沉積特征兩大方面，前者包括沉積體的大小或規(guī)模（波長(zhǎng)、波高，波長(zhǎng)/波高比值）、剖面和平面形態(tài)、底形排列樣式等，后者包括沉積體特有的逆坡或逆流遷移、后積層理等特征沉積構(gòu)造、沉積物粒度或組構(gòu)的順流和垂向變化及特征的巖相組合等（表2）。由于超臨界流沉積底形的長(zhǎng)波長(zhǎng)和低幅度特點(diǎn)，很多標(biāo)志在露頭和巖心上不易辨識(shí)，需結(jié)合地震、淺剖及多波束測(cè)深等高分辨率地球物理資料綜合判定。

5.1 底形規(guī)模

與短波長(zhǎng)、大幅度、低波長(zhǎng)/波高比（一般在8以下[97]）的亞臨界流底形相反，超臨界流底形通常表現(xiàn)為長(zhǎng)波長(zhǎng)、低幅度和大的波長(zhǎng)/波高比。明渠流水槽實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)坡度大于1/100時(shí)，逆行沙丘的平均波長(zhǎng)/波高比約為30[98]，且隨著坡度的降低，逆行沙丘的波長(zhǎng)/波高比還會(huì)進(jìn)一步增大[37]。相對(duì)于逆行沙丘，周期階坎的波長(zhǎng)/波高比更大，其波長(zhǎng)從數(shù)十米到數(shù)千米不等（最大超過10 km[15]），波高從小于1 m到大于200 m，波長(zhǎng)通常要高出波高1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)（圖5）[99]。

Symons et al.[99]按規(guī)模大小（波長(zhǎng)和波高）將超臨界流底形劃分為小型底形（或沉積物波），大型底形（或沉積物波）和大型沖坑三種類型（圖5）。小型底形的波長(zhǎng)為20～300 m，波高為0.5～8 m，多分布于三角洲前緣斜坡及陸坡中—小型峽谷和水道（長(zhǎng)度10～50 km）。大型底形的波長(zhǎng)從300 m 到10 km 不等，波高為5～220 m，通常形成于深水非限制性環(huán)境。大型沖坑為封閉的負(fù)地貌，其波長(zhǎng)為550～3500 m，波高為20～200 m，常見于峽谷或水道中泓線、峽谷口及天然堤決口水道等限制性或半限制性環(huán)境。

超臨界流底形的規(guī)模（波長(zhǎng)和波高）取決于坡度，流體性質(zhì)（包括流體厚度、弗勞德數(shù)、流量、懸浮沉積物濃度、流體的分層性）及底床性質(zhì)（抗侵蝕能力及孔隙度）等一系列參數(shù)（見公式5）[36?37，73]，這些參數(shù)決定了超臨界流在發(fā)生水躍后重回超臨界流動(dòng)狀態(tài)所需要的距離，從而間接地控制了底形的規(guī)模[5，47]。例如，周期階坎的波長(zhǎng)隨坡度降低、沉積物濃度下降、流體厚度和流量的增加而增大，底形的幅度隨背流面坡度和底床孔隙度的增加而增大[37]。水的混摻和沉積物的沉積也會(huì)導(dǎo)致波長(zhǎng)增大[5]。與細(xì)粒沉積物相比，粗粒沉積物的沉降速度較大，會(huì)在較短距離內(nèi)沉積，從而形成較陡的迎流面和較大的底形幅度[3]。坡度較陡的限制性峽谷或水道環(huán)境及粒度較粗的高濃度濁流有利于形成規(guī)模較小的逆行沙丘和周期階坎底形（波長(zhǎng)～101 m，波高～100 m），而坡度較緩的非限制性環(huán)境包括天然堤或越岸區(qū)及水道—朵體過渡帶的低濃度細(xì)粒濁流有利于形成長(zhǎng)波長(zhǎng)周期階坎（波長(zhǎng)～103 m，波高～102 m）[5，37，100]。此外，厚度較大的非層狀低濃度濁流可以形成千米級(jí)波長(zhǎng)的大型周期階坎[2，15，36]，而層狀濁流底部高濃度底層流所形成的周期階坎的波長(zhǎng)則較小（數(shù)十米至數(shù)百米）[4?5，47]。

5.2 波脊平面形態(tài)

超臨界濁流底形的波脊平行于等深線延伸，其平面形態(tài)可以呈新月形（弧形波脊線兩端指向下游）、反新月形（弧形波脊線兩端指向上游）、彎曲形或平直形（圖6a）。波脊平面形態(tài)是環(huán)境限制性的函數(shù)，形成于凈侵蝕或低加積速率的峽谷、水道等限制性濁流環(huán)境的底形，其波脊平面形態(tài)通常為新月形[4?5，15，41?42]，而在沉積作用占主導(dǎo)的非限制性濁流環(huán)境，包括水道天然堤背坡或越岸區(qū)及開放陸坡等，波脊多為反新月形或彎曲形（圖6b，d）[15，99]。

5.3 波形橫剖面形態(tài)

單向亞臨界流底形（沙紋和沙丘）的橫剖面多為不對(duì)稱狀，其迎流面緩、背流面陡，波脊位于底形靠下游部位[77]。與亞臨界流底形不同，超臨界流底形的橫剖面形態(tài)可以表現(xiàn)為對(duì)稱（背流面和迎流面坡度相當(dāng)）、順坡不對(duì)稱（迎流面長(zhǎng)而緩，背流面短而陡）、逆坡不對(duì)稱（背流面長(zhǎng)而緩，迎流面短而陡）及不對(duì)稱負(fù)地貌等多種類型（圖6a）[14，36，99，101]。對(duì)稱或近對(duì)稱底形多見于逆行沙丘，不對(duì)稱底形以周期階坎居多。小型超臨界流底形多為順坡不對(duì)稱至對(duì)稱形，大型底形從順坡不對(duì)稱、對(duì)稱到逆坡不對(duì)稱都有[99]（圖5，7）。Kostic[37]根據(jù)數(shù)值模擬認(rèn)為，薄層濁流傾向于形成不對(duì)稱周期階坎，而厚層濁流往往垂向加積比逆坡遷移更為活躍，有利于形成逆行沙丘等對(duì)稱底形。

5.4 成列（組）發(fā)育

超臨界濁流底形具有首尾相接、成列或成組發(fā)育特性。每個(gè)底形列（組）所包含的底形個(gè)數(shù)，少則3～4個(gè)，多則20～30個(gè)或更多。單個(gè)底形列的長(zhǎng)度一般在數(shù)千米至數(shù)十千米，最大可逾100 km（圖6b～e）[1，15，36?37]。

5.5 逆坡（流）遷移

逆流（坡）遷移是超臨界流底形區(qū)別于亞臨界流底形的典型特征[14，36?37，99]。超臨界流底形逆流遷移與其背流面易于侵蝕和迎流面易于加積有關(guān)[36?37]。逆流遷移導(dǎo)致底形背流面的下游端被不斷侵蝕，形成復(fù)合侵蝕面（composite erosion surface）[70，73]，它們將相鄰底形的后積層組分開，構(gòu)成后積層組的邊界。單個(gè)后積層組的下游端被復(fù)合侵蝕面削截，上游端則上超至前一底形后積層組末端的復(fù)合侵蝕面之上（圖8）[73]。

5.6 沉積構(gòu)造

發(fā)育后積層組，缺乏高角度前積層組，層理類型以低角度上凹狀和上凸?fàn)罴y理為主（沖刷—充填和建造—充填構(gòu)造），是鑒別超臨界濁流沉積物的關(guān)鍵沉積構(gòu)造標(biāo)志（圖9）[31，70，78，81]。這些標(biāo)志的比例、形態(tài)及橫向過渡關(guān)系決定了底形的成因解釋。

超臨界流底形迎流面和背流面的加積，分別形成后積層理（圖9a，b）和前積層理。完全沉積型周期階坎中，單個(gè)紋層從迎流面到背流面連續(xù)分布。部分沉積型底形中，后積層理的下游端被復(fù)合侵蝕面削截（圖8）。搬運(yùn)型和凈侵蝕型周期階坎通常僅在特殊條件下，如上游水道決口改道導(dǎo)致形成底形的濁流突然消失，底形被后續(xù)半遠(yuǎn)洋沉積層覆蓋時(shí)，才可能保留在沉積記錄中[73]。

超臨界流的沉積作用主要發(fā)生在水躍部位及其下游的迎流面上。水躍帶的沉積特征包括沖坑及其上覆塊狀或發(fā)育粗尾遞變的沉積物，常含火焰狀構(gòu)造和撕裂狀同生泥礫（圖9c）。沖坑還可能被形成于水躍下游部位的逆流傾斜的后積層理充填。指示快速堆積的沉積構(gòu)造如塊狀層理、火焰狀構(gòu)造、撕裂泥礫等，與后積層理和或低角度上凸或上凹構(gòu)造的組合，是水躍沉積物的重要特色[46，70，81]。

超臨界流沉積構(gòu)造通常表現(xiàn)為長(zhǎng)波長(zhǎng)和低幅度的上凹和上凸?fàn)钚螒B(tài)，即所謂的沖刷—充填構(gòu)造和建造—充填構(gòu)造（圖9d），其中單個(gè)層組往往呈透鏡狀，頂、底均被侵蝕面分隔[31，36，50，70，73，78，81]。三維超臨界流底形常常形成形態(tài)上與丘狀和洼狀交錯(cuò)層理極為類似的層理構(gòu)造[78，103?104]。

5.7 粒度和組構(gòu)

周期階坎的迎流面，由于流體減薄和重新加速，流體能量朝波脊方向不斷增強(qiáng)，導(dǎo)致底床剪切應(yīng)力順流增大[84]，從而形成后積紋層中粒度順流變細(xì)現(xiàn)象（圖10a）[47，73，86]。這種順層粒度變細(xì)趨勢(shì)可以用于判斷古水流方向[90]。

順流變細(xì)和逆流遷移共同作用，導(dǎo)致后積層組的粒度在垂向上也呈向上變細(xì)的變化趨勢(shì)（圖10a）[3，47，70]。不過，這種垂向粒度變細(xì)趨勢(shì)可能被后續(xù)濁流事件的侵蝕及形成于相鄰濁積事件之間的半遠(yuǎn)洋沉積而復(fù)雜化。

此外，水槽實(shí)驗(yàn)研究表明，與亞臨界流沉積不同，超臨界流沉積物中，無(wú)論迎流面還是背流面，粗顆粒均表現(xiàn)為高角度逆流傾斜的疊瓦構(gòu)造，其成因可能與高濃度懸浮顆粒的碰撞效應(yīng)有關(guān)[105?106]。

5.8 巖相組合

超臨界濁流和亞臨界濁流的流體動(dòng)力學(xué)行為極為不同[36?37，91]。與亞臨界流相比，超臨界流具有更高的底床剪切應(yīng)力、更強(qiáng)的侵蝕能力及強(qiáng)得多的流體混摻效應(yīng)[91]，而且超臨界流還會(huì)發(fā)生水躍和流體轉(zhuǎn)換[107]。這些動(dòng)力學(xué)差異形成了超臨界流區(qū)別于亞臨界流的沉積相特征。

與水躍有關(guān)的巖相是鑒別超臨界流沉積底形特別是周期階坎和急灘—深潭的重要依據(jù)（圖10b）。Postma et al.[47]根據(jù)流體濃度、雷諾數(shù)和弗勞德數(shù)的差異，將濁流劃分為高濃度（層狀）濁流（發(fā)育高密度偽層流底層）和低濃度（非層狀）濁流，每類濁流按流態(tài)進(jìn)一步細(xì)分為超臨界流和亞臨界流，亦即將濁流區(qū)分為以下四種情形，分別為底層為超臨界流的高密度（層狀）濁流（情形I）、底層為亞臨界流的高密度（層狀）濁流（情形II）、低密度（非層狀）超臨界濁流（情形III）和低密度（非層狀）亞臨界濁流（情形IV）。其中，情形I和情形III屬于超臨界濁流。對(duì)于底層為超臨界流的高密度（層狀）濁流（情形I），周期階坎迎流面的沉積作用受波谷處的水躍減速及隨后沿迎流面的加速流動(dòng)控制。水躍處底床剪切應(yīng)力弱，為沉積物快速堆積區(qū)，以軟沉積物變形（火焰構(gòu)造）和塊狀無(wú)構(gòu)造或粗尾遞變（Ta）為特征；水躍區(qū)下游的迎流面主要為各種牽引毯性質(zhì)的Tb相（圖9c），順流而下隨著流體強(qiáng)度增大、底床剪切應(yīng)力增加、沉積速率下降，從頂部含超大碎屑的幾乎無(wú)構(gòu)造的塊狀層理（Tb4），依次過渡為具有粗略層理（Tb3a）、稀疏層理（Tb3b），直至脊頂附近紋理間隔小于0.5 cm的平行層理（Tb2，圖10b）。低密度（非層狀）超臨界濁流（情形III）通常形成爬升型逆行沙丘和沉積型周期階坎底形，其沉積物主要由薄的含火焰構(gòu)造的Ta，Tb2?Tb1及砂紋狀Tc單元組成；迎流面的上游端粒度最粗，脊頂變細(xì)，背流面最細(xì)（圖10b）。van den Berg et al.[108]認(rèn)為，Postma et al.[47]的上述模式主要適用于水躍強(qiáng)度大的限制性環(huán)境，而在水躍強(qiáng)度較弱的非限制性環(huán)境，由于周期階坎背流面侵蝕作用較弱，水躍下游加積速率降低，可能缺乏無(wú)構(gòu)造砂和軟沉積物變形（火焰）構(gòu)造。Hage et al.[6]對(duì)現(xiàn)代Squamish河三角洲前緣濁流成因的新月形周期階坎底形的研究表明，當(dāng)周期階坎沉積物結(jié)構(gòu)保存較完整時(shí)，可以見到規(guī)則的后積層理，但當(dāng)保存不完整時(shí)則表現(xiàn)為含塊狀砂的沖坑充填沉積。

6 結(jié)論、存在的問題及展望

6.1 結(jié)論

超臨界流沉積是被沉積學(xué)界長(zhǎng)期忽視的一個(gè)重要科學(xué)問題。

水躍是超臨界流向亞臨界流的突然過渡，表現(xiàn)為流體表面突然躍起、流速和流體能量急劇下降及沉積物的快速堆積。隨著弗勞德數(shù)增加，可以依次出現(xiàn)波狀水躍、弱水躍、震蕩水躍、穩(wěn)定水躍和強(qiáng)水躍。水躍按發(fā)生部位，可以劃分為正常水躍、驅(qū)離水躍和淹沒水躍。水躍類型對(duì)超臨界流底形的侵蝕和沉積行為具有重要影響。

隨著弗勞德數(shù)增加，超臨界流依次可以形成穩(wěn)定逆行沙丘、不穩(wěn)定逆行沙丘、急灘—深潭和周期階坎等底形，其中不穩(wěn)定逆行沙丘和急灘—深潭被認(rèn)為是在逆行沙丘和周期階坎兩種端元類型之間的過渡類型。不同類型的底形具有不同的地貌動(dòng)力學(xué)行為。逆行沙丘與流體表面波同相位，全程為超臨界流，流體減速通過迎流面、加速通過背流面。隨著逆行沙丘表面波幅度增大和變陡，表面波最終破裂形成不穩(wěn)定逆行沙丘，此時(shí)底形與表面波的同相關(guān)系不再維持，表面波破裂形成逆流遷移涌浪導(dǎo)致逆行沙丘破壞、上游波谷沉積充填及逆行沙丘的重新形成。急灘—深潭和周期階坎底形都以發(fā)育水躍為特征，相鄰水躍之間由迎流面亞臨界流和背流面超臨界流組成，為跨臨界加速流動(dòng)；二者的區(qū)別主要是水躍性質(zhì)不同，急灘—深潭中的水躍為瞬時(shí)水躍，周期階坎則為穩(wěn)定水躍。

由于折算密度小，濁流比明渠流更易成為超臨界流。超臨界濁流在地形坡度大于0.5°時(shí)即可形成。越來越多的海底調(diào)查和露頭研究證實(shí)，超臨界濁流沉積在包括三角洲前緣斜坡、開放陸坡、海底峽谷和水道、天然堤或越岸區(qū)、海底扇朵體及水道—朵體過渡帶、火山島緣陸坡、冰?；虮昂吹葞缀跛信c重力流有關(guān)的沉積環(huán)境中廣泛存在。

超臨界濁流沉積可以從沉積體的幾何外形和內(nèi)部沉積特征加以辨識(shí)，具體可以從底形規(guī)模、波脊平面形態(tài)、橫剖面對(duì)稱性、成組發(fā)育、逆流遷移、沉積構(gòu)造、粒度和組構(gòu)及巖相組合等方面加以鑒定。超臨界流底形多為長(zhǎng)波長(zhǎng)、低幅度底形，其波脊平面形態(tài)主要有順坡新月形、逆坡反新月形、彎曲形和平直形等類型，波形橫剖面可以呈對(duì)稱型、順坡不對(duì)稱型或逆坡不對(duì)稱型。超臨界流底形具有成列或成組發(fā)育特征，單個(gè)波列可以包含數(shù)個(gè)至20～30個(gè)首尾相連的底形，波列長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)十千米或更大。逆坡（流）遷移是超臨界流底形區(qū)別于亞臨界流底形的重要標(biāo)志，逆坡遷移導(dǎo)致底形背流面侵蝕形成復(fù)合侵蝕面，將不同底形的后積層組分開。超臨界流沉積發(fā)育特征的后積層理。此外，與水躍及迎流面加積有關(guān)的沖刷—充填和構(gòu)造和建造—充填構(gòu)造，近水平至低角度交錯(cuò)層理，以及后積層理和前積層理的共生，也是超臨界流沉積的重要鑒別標(biāo)志。水躍下游迎流面沉積物的粒度在橫向（順流方向）和垂向上均表現(xiàn)為變細(xì)趨勢(shì)。水躍區(qū)及迎流面是周期階坎的主要沉積區(qū)，在這里高濃度超臨界濁流的沉積作用可依次形成塊狀無(wú)構(gòu)造或粗尾遞變的Ta相和從塊狀（無(wú)構(gòu)造）層（Tb4）到具有粗略層理（Tb3a）、稀疏層理（Tb3b）和間距小于0.5 cm的平行層理（Tb2）的各種牽引毯沉積相，而低密度超臨界濁流沉積主要由薄的含火焰構(gòu)造的Ta，Tb2?Tb1及砂紋狀Tc單元組成。

6.2 存在的問題

綜上所述，近年來超臨界濁流沉積學(xué)研究已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，基本查明了主要超臨界濁流底形的類型及其地貌動(dòng)力學(xué)行為和沉積特征，初步確立了相關(guān)沉積物的鑒別標(biāo)志。盡管如此，超臨界流濁流沉積研究還遠(yuǎn)未成熟，很多理論和應(yīng)用問題還有待更深入的研究加以解決。

首先是超臨界濁流沉積理論研究中的問題。由于濁流直接觀測(cè)的難度很大[109]，長(zhǎng)期以來濁流沉積理論研究主要依賴于水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬。水槽實(shí)驗(yàn)裝置的規(guī)模小，存在尺度升級(jí)（upscaling）這一固有缺陷，難以真實(shí)地再現(xiàn)自然界濁流的地貌動(dòng)力學(xué)及相關(guān)的侵蝕和沉積過程。數(shù)值模擬中，各種數(shù)學(xué)模型的建立和模型參數(shù)的選擇，通常建立在大量假設(shè)前提和高度近似求解基礎(chǔ)之上，也難以全面反映超臨界濁流的真實(shí)情形。即便如此，目前針對(duì)超臨界濁流的水槽和數(shù)值模擬工作也很有限，以至于我們對(duì)超臨界濁流的速度、濃度等基本參數(shù)的時(shí)空變化都還知之甚少。超臨界濁流沉積的很多理論問題，包括各種底形的地貌動(dòng)力學(xué)行為及其與沉積組構(gòu)和沉積相時(shí)空變化之間的聯(lián)系，不同超臨界濁流底形之間的過渡與組合關(guān)系，疊加在大型底形之上的小型或次級(jí)超臨界濁流底形的成因及其對(duì)沉積特征的復(fù)雜化，亞底形尺度的地貌動(dòng)力學(xué)過程及其對(duì)巖相的控制等，仍不夠了解。要解決這些問題，除了需要進(jìn)一步加強(qiáng)濁流的物理和數(shù)值模擬、原位觀測(cè)（盡管難度很大）等傳統(tǒng)研究外，可能還需要概念上的突破及新技術(shù)、新方法的引入。比如，濁流的原位觀測(cè)，能否與實(shí)時(shí)海底三維地形成像、海底通信定位及現(xiàn)代人工智能等技術(shù)相結(jié)合，取得新的突破？此外，近年來興起的高分辨率近底多波束和淺剖觀測(cè)，特別是詳細(xì)的海底時(shí)延或重復(fù)觀測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[4，110]，將極大地豐富和拓展我們對(duì)超臨界濁流動(dòng)力學(xué)及其沉積效應(yīng)的認(rèn)識(shí)。

其次是地層記錄中超臨界濁流沉積的鑒別問題。盡管上文已經(jīng)提到，超臨界濁流沉積可以根據(jù)一系列標(biāo)志加以鑒別。但是，由于超臨界濁流底形的長(zhǎng)波長(zhǎng)、低幅度特點(diǎn)，露頭和巖心難以窺見其波形全貌，客觀上增加了從小范圍露頭和巖心對(duì)其進(jìn)行識(shí)別的難度。通常情況下，完整的超臨界濁流底形（特別是波長(zhǎng)數(shù)百米至數(shù)千米的大型底形）及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的識(shí)別，需要借助于高分辨率地震、淺剖和海底多波束測(cè)深等地球物理資料。因此，露頭或巖心地質(zhì)分析與高分辨率地球物理資料的綜合，應(yīng)是鑒別超臨界濁流沉積的重要途徑。此外，超臨界濁流沉積中常見的一些沉積構(gòu)造在成因上潛在的多解性，也是露頭和巖心研究中面臨的一個(gè)實(shí)際問題。例如，塊狀層理和沖刷—充填構(gòu)造在亞臨界濁流中也可以形成；上凹狀和上凸?fàn)顚咏M（即沖刷—充填和建造—充填構(gòu)造）與風(fēng)暴沉積中常見的丘狀和洼狀交錯(cuò)層理極為相似；后積層理的角度低，紋層厚度橫向變化小，在露頭或巖心上很容易被誤認(rèn)為平行層理或低角度交錯(cuò)層理；大的水躍沖坑充填沉積，也容易與水道充填沉積相混淆?？傊F(xiàn)階段超臨界流沉積構(gòu)造方面的研究案例還很少，相關(guān)鑒別標(biāo)志還缺乏必要的約束，現(xiàn)有的超臨界濁流沉積模式還有待更多的露頭和巖心地質(zhì)研究加以檢驗(yàn)、修正和完善。

最后是超臨界濁流沉積的應(yīng)用問題。超臨界濁流沉積多為高能沉積，其儲(chǔ)集條件可能比亞臨界流沉積更優(yōu)越。應(yīng)用超臨界濁流沉積理論，對(duì)重力流沉積再研究，對(duì)油氣勘探開發(fā)、增儲(chǔ)上產(chǎn)具有重要意義?？上嚓P(guān)的研究還很欠缺，以至于我們對(duì)超臨界濁流沉積的砂體構(gòu)型、儲(chǔ)層模式、圈閉樣式等一些基本石油地質(zhì)特征，都還缺乏應(yīng)有的了解。

6.3 展望

預(yù)計(jì)未來在超臨界濁流底形的地貌動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)理論研究方面（特別是底形之間的過渡和亞底形尺度研究）會(huì)取得新的重要突破。新理念、新技術(shù)和新方法的應(yīng)用，將為理論突破的取得提供助力。

未來超臨界流沉積學(xué)將得到快速發(fā)展，并將極大地改變甚至顛覆人們對(duì)沉積學(xué)及相關(guān)學(xué)科的認(rèn)知。很多傳統(tǒng)的沉積學(xué)觀點(diǎn)或模式，可能隨著超臨界流沉積研究的深入而被改寫。

隨著工業(yè)界對(duì)基礎(chǔ)理論研究的不斷重視，超臨界濁流沉積理論在油氣勘探開發(fā)中的應(yīng)用研究將會(huì)快速發(fā)展。超臨界濁流沉積砂體內(nèi)部構(gòu)型和儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)方面的研究將大大加強(qiáng)，新的與超臨界濁流有關(guān)的砂體分布理論和地層圈閉預(yù)測(cè)模式將助力深水油氣勘探取得新的突破。

我國(guó)超臨界濁流沉積研究起步較晚，但發(fā)展迅速。未來需要加強(qiáng)水槽模擬和數(shù)值模擬研究，力爭(zhēng)在超臨界濁流沉積基礎(chǔ)理論研究方面取得突破；同時(shí)還需要加強(qiáng)應(yīng)用研究，爭(zhēng)取在超臨界濁流儲(chǔ)層研究方面取得創(chuàng)新性成果。

7 后記

本文寫作期間，接連收到碩士導(dǎo)師——侯方浩、方少仙教授夫婦先后辭世的噩耗，我的心情無(wú)比悲痛。兩位先生畢生致力于沉積學(xué)和油氣儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)研究，是我國(guó)濁流和碳酸鹽巖沉積學(xué)領(lǐng)域早期的拓荒者和代表性人物。拙作完稿之際，當(dāng)年追隨先生跑野外、看巖心、認(rèn)薄片、研習(xí)沉積學(xué)的日子，一一浮現(xiàn)在眼前。正是：顯微鏡下講鮑馬，川西露頭話礁灘；多少地球滄桑事，盡在吾師談笑間。正是先生手把手的教導(dǎo)，引領(lǐng)我一步步踏入沉積學(xué)的科學(xué)殿堂。往事如昨，音容歷歷，師恩難忘。謹(jǐn)以此文紀(jì)念我的兩位恩師！

致謝 感謝評(píng)審專家提出的寶貴意見。