竇魯星,張昌民,張莉,畢小龍,楊沁超

1)長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,武漢,430100;2)長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,武漢,430100

內(nèi)容提要: 洪水型重力流是重力流沉積學(xué)的研究熱點(diǎn),以往研究認(rèn)為洪水型重力流具有紊流支撐的流體性質(zhì),對(duì)于其流體性質(zhì)轉(zhuǎn)化及其沉積記錄的識(shí)別不夠深入。近年研究揭示重力流沉積過程中可形成多種過渡型流體,具有特殊流體轉(zhuǎn)換機(jī)制和沉積特征。通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外最新文獻(xiàn),系統(tǒng)介紹了過渡型流體基本特征、沉積機(jī)制方面的研究進(jìn)展,并討論了其對(duì)洪水型重力流沉積研究的啟示及地質(zhì)意義。研究結(jié)果表明:在少量黏土礦物影響下,沉積物重力流流體的性質(zhì)即可由紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)化,形成特殊的過渡型流體。轉(zhuǎn)化過程主要取決于黏土礦物含量和類型控制的流體內(nèi)聚力和流速控制的紊流應(yīng)力二者之間的相互作用。過渡型流體可以產(chǎn)生大型流水沙紋(large current ripple)、砂質(zhì)紋層—泥質(zhì)紋層間互形成的低幅度沙波(low amplitude bed wave)等獨(dú)特的底床類型。盡管實(shí)驗(yàn)研究揭示了過渡型流體可能形成的沉積底床特征,針對(duì)洪水型重力流沉積記錄中過渡型流體的解釋仍十分缺乏,尤其是過渡型流體轉(zhuǎn)換機(jī)制及其沉積響應(yīng)仍亟待深入探索。過渡型流體的沉積底形是研究洪水型重力流沉積動(dòng)力機(jī)制的重要載體,可為深入理解洪水型重力流沉積過程提供新視角,同時(shí)可能具有更廣泛的沉積學(xué)研究意義。

重力流是陸地沉積物向深水盆地搬運(yùn)沉積的主要?jiǎng)恿C(jī)制(Talling et al.,2013),相關(guān)研究在氣候、能源、環(huán)境等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域均具有十分重要的意義 (Yang Renchao et al.,2017;Kane et al.,2020;Zhong Guangfa and Peng Xiaotong,2021)。自1950年濁流沉積理論問世以來(Kuenen and Migliorini,1950),重力流沉積理論和沉積模式一直都是沉積學(xué)的前沿課題并不斷發(fā)展。近年來洪水成因重力流(hyperpycnal flow)沉積備受關(guān)注并成為沉積學(xué)研究熱點(diǎn)。洪水型重力流沉積在我國(guó)鄂爾多斯盆地、松遼盆地、渤海灣盆地等大型陸相湖盆中均有發(fā)育,是致密油氣和頁(yè)巖油氣發(fā)育的重要場(chǎng)所,具有廣闊的勘探開發(fā)前景(潘樹新等,2017;欒國(guó)強(qiáng)等,2018;李相博等,2019;金杰華等,2019;周立宏等,2020;Liu Jianping et al.,2022)。相關(guān)研究可以為我國(guó)陸相盆地異重流沉積體系研究提供重要啟發(fā),為發(fā)現(xiàn)更多有利的油氣儲(chǔ)集層提供新思路,對(duì)陸相盆地油氣勘探開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)踐價(jià)值。目前針對(duì)洪水型重力流沉積學(xué)研究仍處于探索階段。前人針對(duì)洪水型重力流沉積動(dòng)力的解釋主要基于完全紊流(fully turbulent flow)機(jī)制(Zavala and Arcuri,2016;Xian Benzhong et al.,2018),即認(rèn)為洪水型重力流主要為紊流支撐。然而值得注意的是,根據(jù)水利學(xué)領(lǐng)域物理模擬實(shí)驗(yàn)和定量計(jì)算研究揭示,洪水型重力流除了具有紊流性質(zhì)之外,還發(fā)育流體性質(zhì)介于紊流和層流之間的過渡型流體(錢寧等,1958;曹如軒等,1984;Baas et al.,2009,2011,2016;Jin Lina et al.,2021)。

從重力流沉積理論發(fā)展來看,越來越多的國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注重力流沉積動(dòng)力機(jī)制方面的問題,尤其是重力流沉積過程中流體性質(zhì)的轉(zhuǎn)化和混合現(xiàn)象,這些研究擴(kuò)展了經(jīng)典濁流和碎屑流理論認(rèn)識(shí)(李存磊等,2012;吳嘉鵬等,2012;操應(yīng)長(zhǎng)等,2017;王華等,2020)。近年沉積學(xué)家根據(jù)水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究成果,結(jié)合沉積記錄提出了混合事件層沉積理論(Sumner et al.,2009;Haughton et al.,2009;談明軒等,2016;楊田等,2021)。在此過程中,重力流流體轉(zhuǎn)換機(jī)制和沉積響應(yīng)研究成為研究核心焦點(diǎn)。重力流沉積過程中形成的多種過渡型流體具有特殊流體轉(zhuǎn)換機(jī)制和沉積特征,過渡型流體沉積研究可以為重力流沉積過程和流體轉(zhuǎn)換研究提供新視角(Baker and Baas et al.,2020)。因此,筆者等結(jié)合國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)調(diào)研分析,介紹過渡型流體沉積研究最新認(rèn)識(shí),并與洪水型重力流沉積機(jī)制相結(jié)合展開一些分析探討。然后結(jié)合最新研究實(shí)例,分析過渡型流體沉積動(dòng)力機(jī)制對(duì)洪水型重流沉積理論研究的啟示,希望為發(fā)展完善陸相湖盆異重流沉積學(xué)基礎(chǔ)理論提供一點(diǎn)新思路。

1 洪水型重力流基本概念

1.1 基本定義

早在19世紀(jì)末,Forel(1885)就發(fā)現(xiàn)洪水期間渾濁、寒冷的河水可形成高密度流體潛入湖底形成水道。Bates(1953)將這種流體命名為hyperpycnal flow,目前我國(guó)地質(zhì)學(xué)家多稱之為異重流,也有將其譯為高密度流或超密度流(汪品先,2009),其定義為從河口流出的比環(huán)境水體密度高的密度流。“異重流”這一名詞最早源于水利領(lǐng)域的水庫(kù)淤積問題研究,由水利學(xué)家李煥于1947年提出使用(李煥,1947)。水利領(lǐng)域的異重流與density current相對(duì)應(yīng),其本質(zhì)為兩種或兩種以上流體因?yàn)槊芏炔町惗a(chǎn)生的相對(duì)流動(dòng)不至于全部混合的現(xiàn)象(李煥,1947;錢寧等,1958)。因此,目前沉積學(xué)領(lǐng)域的“異重流”是水利領(lǐng)域的“異重流”概念所包含的一種流體狀態(tài)類型,兩者概念仍存在差異。筆者等采用洪水型重力流的概念來闡述分析,其本質(zhì)是洪水期間由于攜帶沉積物顆粒導(dǎo)致流體密度大于穩(wěn)定環(huán)境水體的密度,沿盆地底部流動(dòng)的高密度流體(Mulder,1995)。上世紀(jì)80年代以來,沉積學(xué)家開始研究洪水型重力流沉積(何起祥,1984;Wright et al.,1986;Mulder,1995)。該領(lǐng)域逐漸成為沉積學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)討論和爭(zhēng)議的焦點(diǎn),引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注(Soyinka and Slatt,2008;唐武等,2016;張昌民等,2017;Shanmugam,2018;Van Loon et al.,2019;Feng Zengzhao et al.,2019;王家豪等,2020;楊仁超等,2020;Zavala et al.,2021)。近年來沉積學(xué)家逐漸打破學(xué)科壁壘,在洪水型重力流現(xiàn)代沉積觀測(cè)和古代沉積記錄沉積學(xué)解釋方面正不斷取得突破(Talling et al.,2022)。

1.2 基本特征

洪水型重力流在現(xiàn)代沉積環(huán)境中普遍發(fā)育(Best,2005;Talling,2014),其成因、觸發(fā)條件及沉積模式與滑塌成因的重力流沉積(Bouma,1962;李祥輝等,2009)有著很大的區(qū)別。受洪水周期影響,洪水型重力流具有流速先增加后減小的演化過程(Zavala and Arcuri,2016);可形成水道—朵葉體沉積,具有體現(xiàn)洪水增強(qiáng)—減弱過程的交錯(cuò)層理和平行層理、層內(nèi)侵蝕面、碳質(zhì)植物碎片等沉積識(shí)別標(biāo)志(Mulder,2003;Plink-Bj?rklund and Steel,2004;Petter and Steel,2006;Soyinka et al.,2008)。目前,洪水型重力流的描述和解釋多依據(jù)Zavala(2011,2016)提出的巖相劃分方案(圖1),其具有底載搬運(yùn)、懸浮搬運(yùn)和漂浮搬運(yùn)等3種碎屑搬運(yùn)方式,從而形成了3種主要的巖相系列,底負(fù)載成因的B類巖相,懸浮負(fù)載成因的S類巖相以及漂浮物成因的L類巖相。洪水型重力流的沉積動(dòng)力機(jī)制解釋主要利用完全紊流(fully turbulent flow)模型,主要為紊流支撐(Zavala and Arcuri,2016)。但水利領(lǐng)域已開展的水槽實(shí)驗(yàn)和近年現(xiàn)代沉積研究揭示,洪水型重力流(異重流)除了具有紊流性質(zhì)之外,還發(fā)育過渡型流體(錢寧等,1958;曹如軒等,1984;Jin Lina et al.,2021),但這些認(rèn)識(shí)主要局限于沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)代沉積研究中。目前,針對(duì)地質(zhì)歷史時(shí)期洪水重力流沉積記錄的識(shí)別和解釋仍然滯后。結(jié)合這個(gè)問題,下面對(duì)過渡型流體相關(guān)研究進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 過渡型流體基本概念及沉積特征

2.1 基本概念

過渡流是指流體的一種流動(dòng)狀態(tài),可以用雷諾數(shù)(慣性力比黏滯力)來表征。當(dāng)流速較小時(shí),流體黏滯力影響大于慣性力,流體分層穩(wěn)定流動(dòng)、互不混合,這種流動(dòng)狀態(tài)稱為層流。若流速持續(xù)增大,慣性力對(duì)流場(chǎng)的影響遠(yuǎn)大于黏滯力,流體流動(dòng)產(chǎn)生紊亂、不規(guī)則流場(chǎng),形成內(nèi)部旋渦密布的紊流(圖2a)。過渡流狀態(tài)介于層流和紊流之間,層流流速增加時(shí),慣性力的影響逐漸大于黏滯力,雷諾數(shù)增大,受到流體的流速和黏度的綜合控制,流線開始呈現(xiàn)波浪狀的擺動(dòng),呈現(xiàn)向紊流過渡的流動(dòng)狀態(tài)。水利學(xué)家針對(duì)含泥質(zhì)的過渡流開展了物理模擬實(shí)驗(yàn),揭示了過渡流具有瞬態(tài)紊流(transient turbulent flow)的流動(dòng)特征,在靠近底床的區(qū)域中存在強(qiáng)紊流(圖2b),而在緊鄰底床的上方以及外部流動(dòng)區(qū)域紊流較弱或完全沒有紊流(Wang Zhaoyin and Plate,1996)。含泥質(zhì)的流體可以形成于沉積環(huán)境中,例如泥沙含量高的河流以及深水濁流等,具有廣泛的沉積學(xué)應(yīng)用前景和研究?jī)r(jià)值。國(guó)外地質(zhì)學(xué)家針對(duì)過渡流體沉積特征開展了探索,通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),沉積流體中高嶺石的含量增加會(huì)改變流體的紊流結(jié)構(gòu)組成,產(chǎn)生過渡流的分層流動(dòng)體制,具有底部紊流增強(qiáng)和上部紊流抑制現(xiàn)象(Baas et al.,2009),進(jìn)一步研究認(rèn)為這種流動(dòng)體制與紊流相比有比較明顯的差異。

2.2 過渡型流體沉積底床形態(tài)

針對(duì)過渡流沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),隨著流體中黏土含量的增加,黏土顆粒絮凝導(dǎo)致流體產(chǎn)生足夠高的黏度和屈服強(qiáng)度,從而調(diào)整了流體中的紊流應(yīng)力并使流體的雷諾數(shù)降低,導(dǎo)致流體性質(zhì)存在轉(zhuǎn)換過程,由紊流向?qū)恿鬟^渡(Baas et al.,2009,2011)。在上述轉(zhuǎn)換過程中會(huì)產(chǎn)生紊流增強(qiáng)過渡流(turbulence-enhanced transitional flow)、下過渡塞流(lower transitional plug flow)、上過渡塞流(upper transitional plug flow)、準(zhǔn)層狀塞流(quasi-laminar plug flow)等多種不同的過渡型流體(Baas et al.,2011,2016;Baker and Baas,2020)。這些過渡型流體類型的轉(zhuǎn)換主要取決于黏土礦物含量和類型控制的流體內(nèi)聚力和顆粒流速控制的紊流應(yīng)力二者之間的相互作用(圖3)(Baas et al.,2009;Sumner et al.,2009)。

圖3 砂—泥質(zhì)過渡型流體沉積底床分類及流動(dòng)狀態(tài)(改自Baker and Bass et al.,2020):(a)砂—泥質(zhì)過渡流沉積底床分類,主要依據(jù)顆?？蓜?dòng)性參數(shù)及屈服強(qiáng)度,紅色、藍(lán)色、黃色區(qū)域分別代表砂質(zhì)流水沙紋、大型流水沙紋和低幅度沙波的分布范圍,虛線為不同流體類型的大致邊界,顆?？蓜?dòng)性參數(shù)θ計(jì)算參考Van den Berg and Van Gelder(1993),主要與流速成正比;(b)紊流及過渡型流體流經(jīng)平坦底床時(shí)的流動(dòng)狀態(tài),包括:紊流、紊流增強(qiáng)過渡流、下過渡塞流、上過渡塞流、準(zhǔn)層狀塞流Fig.3 Schematic summary of the bedform phase diagram and flow model mixed sand—mud transitional flows (Modified after Baker and Bass et al., 2020): (a) a bedform phase diagram based on grain-related mobility parameter and yield strength of the suspension. The red, blue and yellow color represent the stability fields of the three bedform types in this diagram. The dashed lines represent the boundaries between the different flow types; (b) schematic models of turbulent flows and transitional flows over a smooth, flat bed

Bass(2016)根據(jù)攜帶砂—粉砂—泥質(zhì)沉積物的過渡型流體物理模擬實(shí)驗(yàn)研究,建立了過渡型流體相關(guān)的新型沉積底床分類,揭示了砂質(zhì)紋層—泥質(zhì)紋層形成的波高一般大于2 cm的增大型流水沙紋(large current ripple)(圖4a)、砂質(zhì)紋層—泥質(zhì)紋層間互形成的低幅度沙波(low amplitude bed wave)等特殊底床形態(tài)(圖4b)。這些過渡型流體底床類型被認(rèn)為從嶄新角度為重力流的沉積動(dòng)力機(jī)制和流體轉(zhuǎn)化提供了更為合理的解釋方案(Peakall et al.,2020)。

3 過渡型流體相關(guān)沉積記錄

目前,古代沉積中過渡型流體相關(guān)的識(shí)別和解釋仍在處于探索階段。Baker和Baas(2020)利用英國(guó)威爾士西部地區(qū)志留系富泥重力流形成的海底扇沉積中,首次針對(duì)野外剖面中觀察到的過渡型流體沉積記錄開展了全面的描述和解釋。該研究在野外剖面上識(shí)別了純砂質(zhì)形成的流水沙紋,平均高度和長(zhǎng)度分別為11 mm和141 mm,砂質(zhì)紋層—泥質(zhì)紋層形成的大型流水沙紋(large current ripple)(圖5a),其平均高度為19 mm,平均長(zhǎng)度為274 mm;砂質(zhì)紋層—泥質(zhì)紋層間互組成的低幅度沙波(low amplitude bed wave),平均高度和長(zhǎng)度分別為10 mm和354 mm(圖5b)。根據(jù)過渡型流體相關(guān)的新型沉積底床分類,大型流水沙紋和低幅度沙波是典型的過渡型流體沉積記錄,二者分別在過渡流體下部形成的增強(qiáng)型紊流和和減弱型紊流條件下形成。根據(jù)野外剖面實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì),從海底扇沉積的邊緣到遠(yuǎn)端,主要的沉積底床類型,從正常流水沙紋過渡為大型流水沙紋,然后變?yōu)榈头壬巢?這說明沉積物重力流的流體性質(zhì)由紊流逐漸變?yōu)檫^渡型流體,流體雷諾數(shù)降低,流速減小,黏度增加,紊流逐漸受到抑制(圖6)。

圖5 英國(guó)威爾士西部地區(qū)志留系野外露頭揭示的過渡型流體沉積記錄及對(duì)應(yīng)素描(修改自Baker and Baas,2020):(a)大型沙紋層理(LCR),沙紋底部沉積泥質(zhì)含量較高,向上沉積物粒度變粗,沙紋內(nèi)部具高角度交錯(cuò)層理,沙紋層和泥紋層交替;(b)由砂—泥沉積組成的低幅度沙波(LABW),層系內(nèi)部可見低角度紋層,底部含泥質(zhì),向上變?yōu)樯百|(zhì)沉積Fig.5 Photograph and schematic drawing of transitional flow deposits from outcrop in west Wales, UK (Modified after Baker and Baas, 2020): (a) large current ripples (LCR) with muddy bases and trough fills that coarsen upward and upstream to sandstone, bedforms contain high-angle cross lamination, occasionally of alternating sandstone and mudstone; (b) schematic drawing of climbing, mixed sandstone—mudstone low-amplitude bed-waves (LABW) with low-angle cross-lamination and muddy bases that coarsen upward to sandstone

圖6 英國(guó)威爾士西部阿伯里斯特維斯地區(qū)到伯斯地區(qū)野外露頭揭示的志留系海底扇邊緣到遠(yuǎn)端的重力流流體轉(zhuǎn)換模式以及對(duì)應(yīng)沉積底形變化(改自Baker and Baas,2020):(a)向下游方向沉積底形變化,數(shù)字序號(hào)表示不同底形出現(xiàn)次數(shù)由多到少的排序;(b)海底扇邊緣到遠(yuǎn)端過渡型流體轉(zhuǎn)化模式Fig.6 Flow transformation within the different bedform assemblages from the fringe to distal fringe of the Silurian submarine fan from the Aberystywth to the Borth area in west Wales, UK (Modified after Baker and Baas,2020): (a) bedform transformation downstream. Numbers are related to observed bedform type in order of decreasing frequency; (b) model of transitional flow transformation from the fringe to the distal fringe of the fanSCR—流水沙紋;LABW—低幅度沙波;LCR—大型流水沙紋;TF—紊流;TETF—紊流增強(qiáng)過渡流;LTPF—下過渡塞流;UTPF—上過渡塞流;QLPF—準(zhǔn)層狀塞流SCR—sandy current ripples; LABW—low-amplitude bed-waves; LCR—large current ripples; TF—turbulent flow; TETF—turbulence—enhanced transitional flow; LTPF—lower transitional plug flow; UTPF—upper transitional plug flow; QLPF—quasi-laminar plug flow

4 過渡型流體對(duì)洪水重力流沉積解釋的啟示及沉積地質(zhì)意義

4.1 過渡型流體轉(zhuǎn)換對(duì)洪水重力流沉積解釋的啟示

由于砂泥混合沉積物在洪水型重力流沉積中可能十分普遍,完全具備過渡型流體的發(fā)育條件,過渡型流體成為洪水型重力流研究不可忽視的關(guān)鍵因素。沉積底床形態(tài)是沉積環(huán)境解釋和流動(dòng)體制研究的關(guān)鍵對(duì)象,過渡型流體沉積底床是溝通重力流沉積動(dòng)力機(jī)制和沉積解釋的重要載體,為深入理解洪水型重力流沉積過程中流體性質(zhì)及沉積響應(yīng)提供新視角。目前,關(guān)于洪水型重力流沉積解釋主要基于完全紊流的沉積動(dòng)力機(jī)制,十分缺乏針對(duì)過渡型流體的識(shí)別和解釋,且正處于探索階段。近年,經(jīng)研究在松遼盆地南部白堊系嫩江組發(fā)現(xiàn)并報(bào)道了洪水型重力流沉積,初步探討論述了陸相湖盆洪水型重力流沉積中流體性質(zhì)介于層流—紊流之間的過渡型流體發(fā)育的可能性和對(duì)應(yīng)沉積物的基本特征(Dou Luxing et al.,2021)。

松遼盆地南部白堊系嫩江組(王陸新,2014),發(fā)育三角洲和湖泊沉積相,垂向上呈現(xiàn)三幕淺湖—三角洲前緣的沉積充填序列。近年,我國(guó)沉積學(xué)家曾在松遼盆地嫩江組發(fā)現(xiàn)報(bào)道了大型坳陷湖盆洪水型重力流成因的水道—湖底扇系統(tǒng)(潘樹新,2017)。通過在松遼盆地南部嫩江組嫩三段淺湖沉積序列中利用巖芯、測(cè)井、三維地震資料開展了前期研究,發(fā)現(xiàn)該區(qū)湖泊沉積序列中發(fā)育洪水型重力流成因水道—朵葉體沉積,具有典型的洪水型重力流沉積標(biāo)志(Dou Luxing et al.,2021),巖芯中揭示了水道沉積(圖7a)以及砂—泥層偶形成的低角度層理、大型沙紋層理(巖芯揭示波高大于20 mm)等反映過渡型流體的特殊沉積構(gòu)造(圖7b—d)。結(jié)合過渡型流體沉積理論,利用過渡型流體沉積底床分類,初步分析了洪水型重力流不沉積時(shí)期底床演變規(guī)律。研究認(rèn)為巖相劃分和解釋可以以流速、流體黏度演變規(guī)律為主線,明確紊流、紊流增強(qiáng)過渡流、下過渡塞流、上過渡塞流、準(zhǔn)層狀塞流等不同的流體類型的形成和流體之間的轉(zhuǎn)換規(guī)律。通過將過渡型流體的轉(zhuǎn)換機(jī)制與洪水型重力流沉積巖相劃分解釋相結(jié)合,可以從流體的流速、黏度兩個(gè)方面研究洪水型重力流沉積過程和演化機(jī)制(圖8)。過渡型流體概念的引入,可以幫助更準(zhǔn)確識(shí)別洪水型重力流沉積,解釋洪水型重力流的沉積過程和傳輸機(jī)制,以指導(dǎo)建立更準(zhǔn)確的沉積模式。

圖7 松遼盆地南部白堊系嫩江組巖芯沉積特征(改自Dou Luxing et al.,2021):(a)塊狀細(xì)砂巖中的灰色泥礫;(b)具底部沖刷面(黃色虛線)的塊狀砂巖,沖刷面下部為細(xì)砂巖和泥巖紋層(黑色箭頭)形成的低角度層理;(c)大型沙紋層理,紋層和層系界面發(fā)育暗色的泥巖紋層 (黃色箭頭標(biāo)識(shí)),下部為黑色泥巖層(黑色箭頭)和由砂—泥薄互層形成的低角度層理(紅色箭頭),沙紋波高大于20 mm;(d)大型沙紋層理,紋層和層系界面發(fā)育暗色的泥巖紋層 (黃色箭頭標(biāo)識(shí)),沙紋波高大于20 mmFig.7 Representative core photographs of the Nenjiang Formation in the southern Songliao Basin (modified after Dou Luxing et al., 2021): (a) inclined grey mud clasts; (b) erosive-based massive sandstones with dispersed plant debris (yellow arrows), overlying sandstones with low-angle laminae separated by a mud layer (black arrow); (c) large current ripples with mud drapes (yellow arrows), and underlying mudstone layers (black arrows) and heterolithic strata (red arrow) showing low-angle laminae, the ripple heights are larger than 20 mm; (d) large current ripples with asymptotic lower foresets, note the plant debris and mudstone layers with dark colour between the laminae (yellow arrows), the ripple heights are larger than 20 mm

圖8 洪水型重力流巖相劃分與解釋方案(改自Zavala,2011,Zavala and Pan Shuxin,2018,Dou Luxing et al.,2021):(a)基于紊流模型的巖相劃分與解釋方案;(b)基于過渡型流體的巖相劃分與解釋Fig.8 Schematic genetic facies tract with interpretations(Modified after Zavala et al., 2011 , Zavala and Pan Shuxin,2018, Dou Luxing et al., 2021): (a) genetic facies tract along a hyperpycnal depositional system controlled by turbulent flows; (b) facies tract along a transitional flow dominated hyperpycnal depositional system

4.2 過渡型流體沉積地質(zhì)意義

長(zhǎng)期以來沉積學(xué)研究對(duì)不含黏土的純砂質(zhì)沉積底床形態(tài)給予了充分關(guān)注(Reineck,1973),但一直未能充分重視砂—泥質(zhì)混合底床。過渡型流體研究表明,受黏土礦物對(duì)流體性質(zhì)和沉積過程的影響,實(shí)際沉積底床類型和層理形成的多樣性比經(jīng)典砂質(zhì)沉積底床分類(Berg and Gelder,1993)要更加復(fù)雜。前人認(rèn)為沙紋平衡高度與波長(zhǎng)和紊流流動(dòng)強(qiáng)度無關(guān)(Bartholdy,2015),但這種判斷在添加黏土礦物的沉積物流體中就失效了,因?yàn)轶w積濃度僅為1%懸浮黏土,就足以導(dǎo)致底床沉積沙紋的高度和波長(zhǎng)的增加(Baas and Best,2002)。在沉積物重力流沉積過程中,懸浮泥沙的濃度都可能達(dá)到形成過渡型流體的基本條件并影響沉積動(dòng)力機(jī)制(Mulder et al.,2003;Best,2005)。在以往的沉積巖石學(xué)分析中,雜砂巖泥質(zhì)含量的標(biāo)準(zhǔn)是15%(Pettijohn et al.,1987),很多情況下并未將含泥質(zhì)的砂巖與純凈的砂巖進(jìn)行進(jìn)一步區(qū)分。大量實(shí)驗(yàn)表明,5%～15%的黏土足以改變沉積流體和底床的相互作用和沉積過程(Baas,2011)。因此在未來的重力流沉積動(dòng)力學(xué)研究中,即使是較小的泥質(zhì)含量,都難以忽略不計(jì),應(yīng)作為分析的對(duì)象。

這里以重力流沉積動(dòng)力學(xué)研究中備受關(guān)注的混合事件層沉積為例說明過渡型流體的研究意義。混合事件層被定義為弱黏性的具紊流特征的重力流轉(zhuǎn)變?yōu)轲ば灾鲗?dǎo)的具有多種流變學(xué)特征重力流形成的垂向沉積組合(Haughton et al.,2009)。根據(jù)Haughton等人(2009)混合事件層沉積模式,混合事件層自下而上可以分為H1～H5共5個(gè)沉積單元,底部H1段為塊狀砂巖組成,由高密度濁流沉積形成。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn),混合事件層底部H1段也可以由泥質(zhì)砂巖相組成,內(nèi)部為由砂巖—紋層狀泥巖互層(圖9)(Baker and Baas,2020)。這些富泥混合事件層中的H1以往解釋為由高密度濁流形成,目前來看也可能由過渡流形成(Baker and Baas,2020)。在沉積過程中受到流體中黏土礦物的影響,流體紊動(dòng)支撐力受到調(diào)節(jié)作用形成了大型沙紋、低幅度沙波等底床和對(duì)應(yīng)沉積構(gòu)造。如果湖盆重力流沉積記錄中也存在類似過渡流沉積(Baker and Baas,2020),那么針對(duì)混合事件層新解釋可以幫助我們深入理解混合事件層沉積過程中存在的紊流調(diào)節(jié)和流體轉(zhuǎn)換過程。目前過渡型流體與混合事件層沉積的關(guān)系的具體研究仍比較缺乏。混合事件層沉積研究重視濁流與碎屑流轉(zhuǎn)化過程。而過渡型流體研究可為濁流與碎屑流的轉(zhuǎn)化過程及沉積記錄識(shí)別提供理論依據(jù),有助于混合事件層的精細(xì)地質(zhì)解釋。因此,在沉積動(dòng)力學(xué)方面,過渡型流體沉積(Baas et al.,2020)新發(fā)現(xiàn)為重力流沉積過程和流體轉(zhuǎn)換研究提供了新視角。我國(guó)陸相湖盆廣泛分布,湖盆重力流沉積廣泛發(fā)育。聚焦古代湖盆重力流沉積記錄中蘊(yùn)含的過渡型流體沉積動(dòng)力機(jī)制及其沉積響應(yīng)研究,有希望從新視角、新思路發(fā)展完善陸相湖盆沉積學(xué)理論。

5 結(jié)論

(1) 過渡型流體沉積動(dòng)力機(jī)制為深入理解重力流沉積過程和成因機(jī)制提供了新視角和有力工具。實(shí)驗(yàn)研究揭示,隨著流體中黏土含量的增加,黏土顆粒絮凝導(dǎo)致流體產(chǎn)生足夠高的黏度和屈服強(qiáng)度,攜帶沉積物流體性質(zhì)即可由紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)化,形成紊流增強(qiáng)過渡流、下過渡塞流、上過渡塞流、準(zhǔn)層狀塞流等多種不同的過渡型流體。并產(chǎn)生獨(dú)特的底床類型和相應(yīng)的沉積構(gòu)造。

(2) 古代沉積記錄中過渡型流體識(shí)別和解釋亟待探索。根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究,砂質(zhì)紋層—泥質(zhì)紋層形成的大型流水沙紋層理以及砂質(zhì)紋層—泥質(zhì)紋層間互組成的低角度層理是過渡型流體識(shí)別的關(guān)鍵沉積標(biāo)志。最新海底扇野外研究實(shí)例揭示,沉積序列內(nèi)部可以識(shí)別出向遠(yuǎn)端方向由正常流水沙紋主導(dǎo)的沉積,過渡為大型流水沙紋主導(dǎo)然后變?yōu)榈头壬巢ㄖ鲗?dǎo)的沉積特征,可以說明沉積物重力流的流體傳輸過程中由紊流向過渡型流體的轉(zhuǎn)換過程。在此過程中,流體雷諾數(shù)降低,流速減小,黏度增加,紊流逐漸受到抑制。

(3) 最新研究揭示,受黏土礦物的影響,洪水型重力流流體性質(zhì)即可由紊流向?qū)恿鬓D(zhuǎn)化,可形成多種過渡型流體。以往針對(duì)洪水型重力流沉積的識(shí)別和沉積學(xué)解釋方案主要是基于其紊流支撐的流體力學(xué)性質(zhì),并未充分考慮沉積過程中由于泥質(zhì)含量的增加或減少造成的流體性質(zhì)的轉(zhuǎn)化。洪水重力流沉積記錄中過渡型流體沉積特征識(shí)別、解釋研究還未受充分重視。

(4) 湖盆洪水型重力流研究中過渡型流體對(duì)流體性質(zhì)轉(zhuǎn)換的影響值得考慮。洪水型重力流沉積中很可能發(fā)育形成了過渡型流體沉積記錄。將過渡型流體研究認(rèn)識(shí)與湖盆洪水型重力流沉積學(xué)研究結(jié)合,有望得到洪水型重力流流體轉(zhuǎn)換機(jī)制的新認(rèn)知,實(shí)現(xiàn)洪水型重力流沉積模式的新發(fā)現(xiàn),對(duì)發(fā)展完善湖盆重力流沉積學(xué)理論具有一定的研究意義。

致謝:感謝審稿專家審閱文稿,并提出了寶貴的修改意見。