關(guān)鍵詞細(xì)粒濁流;動(dòng)力學(xué)機(jī)制;物理沉積模擬;運(yùn)移規(guī)律；“新頭部\"現(xiàn)象

第一作者簡(jiǎn)介 ，男，1986年出生，博士，副教授，非常規(guī)油氣沉積學(xué)，E-mail：lvqiqiabcd@163.com通信作者，男，碩士研究生，沉積學(xué)與儲(chǔ)層地質(zhì)學(xué)，E-mail：wanglin_abcd@163.com

中圖分類號(hào) P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI：10.14027/j.issn.1000-0550.2023.143 CSTR：32268.14/j.cjxb.62-1038.2023.143

0 引言

濁流是含陸源碎屑水體沿水下斜坡或峽谷流動(dòng)的高密度底流，是由流體中的懸浮沉積物所引起的密度差造成的，具牛頓流體特性，其懸浮顆粒的主要支撐機(jī)制為湍流，為重力流的一種特殊形式]。濁流常存在于海洋和湖泊中，其流變性受含砂量、流速、顆粒支撐機(jī)制以及黏性等因素的影響612]，可搬運(yùn)陸源沉積物到深水區(qū)中，是將沉積物向深水區(qū)輸送的重要機(jī)制及營(yíng)力之一[13]。濁流形成的濁積巖層能成為良好的油氣儲(chǔ)層已成為國內(nèi)外石油地質(zhì)學(xué)界及產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)[14-20]

在20世紀(jì)50年代，Kuenenetal.在基于一系列水槽實(shí)驗(yàn)和長(zhǎng)期野外露頭觀察的基礎(chǔ)上發(fā)表了《濁流是遞變層理的成因》一文，該項(xiàng)工作突破了傳統(tǒng)機(jī)械沉積的認(rèn)識(shí)，標(biāo)志著濁流理論的正式成立，開辟了濁流沉積的新篇章。Bouma[22于1962年根據(jù)法國Annot砂巖里多條剖面的總結(jié)建立了經(jīng)典的濁積巖垂向序列，并分析了其在垂向上的巖性特征及沉積構(gòu)造。然而在濁流實(shí)驗(yàn)中，還未能復(fù)刻一個(gè)完整的鮑馬序列，故不能涵蓋所有濁積巖類型[2.23];lowe[3-4]對(duì)鮑馬序列進(jìn)行了補(bǔ)充，依據(jù)流體流變學(xué)特征認(rèn)為濁流屬于流體態(tài)流。在基于濁積巖系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學(xué)者在基于水槽實(shí)驗(yàn)手段又對(duì)濁流的流速、濃度、泥砂含量、傳輸過程及流體演化等進(jìn)行了探討[24-25]。Keulegan[2通過對(duì)密度流的研究獲取了部分濁流頭部的參數(shù)；Hampton2從理論和試驗(yàn)角度詳細(xì)討論了由塊體流到濁流的演變，并發(fā)現(xiàn)該演化是在塊體流的頭部發(fā)生的；Garcia28-29通過水槽研究斜坡附近濁流的運(yùn)移規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)中觀察到了明顯的水躍現(xiàn)象，并提出了在濁流中沉積物的分布模型；Barahmandetal.3通過水槽實(shí)驗(yàn)對(duì)四種不同粗糙程度的底床進(jìn)行了水躍實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明隨著坡度的增大，濁流沿著躍變區(qū)和超臨界區(qū)的環(huán)境水卷吸量也會(huì)隨之增加。上述實(shí)驗(yàn)多集中于富砂、黏性的的重力流沉積物，Bakeretal.[o-對(duì)比了不同黏土類型及濃度條件下沉積物重力流的流動(dòng)特性，研究發(fā)現(xiàn)隨著懸沙濃度的增加，水流類型由低密度濁流、高密度濁流和泥流轉(zhuǎn)變?yōu)榛鳎⒍刻骄苛藵崃鞯牧鲃?dòng)特性、頭部速度、跳動(dòng)距離以及沉積幾何形態(tài)。

可見，前人對(duì)濁流流體轉(zhuǎn)變、沉積過程、形成機(jī)理有了較為豐富的研究，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明不同泥砂比、懸浮泥砂濃度對(duì)濁流的動(dòng)力學(xué)及流體特性影響較大。綜上，前人研究主要體現(xiàn)在環(huán)境流體力學(xué)方面，而應(yīng)用到地質(zhì)學(xué)方面的深水重力流沉積過程模擬研究還相對(duì)較少，特別是針對(duì)濁流作用下細(xì)粒沉積物運(yùn)動(dòng)規(guī)律及沉積特征的研究較為匱乏，亟須進(jìn)一步深入探究。為正確認(rèn)識(shí)濁流作用下細(xì)粒沉積物運(yùn)移過程規(guī)律，深入探討流體流速、沉積物搬運(yùn)距離及展布受控因素，基于環(huán)形水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，提出關(guān)于湖相細(xì)粒濁積巖的新認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究有助于掌握細(xì)粒濁流沉積物運(yùn)移規(guī)律，可能為細(xì)粒非常規(guī)油氣勘探與開發(fā)提供新的思路。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方案

1.1模擬設(shè)備與觀測(cè)手段

本次沉積物理模擬實(shí)驗(yàn)在長(zhǎng)江大學(xué)武漢校區(qū)環(huán)形水槽模擬實(shí)驗(yàn)室中完成，環(huán)形水槽裝置由兩個(gè)直線段和兩個(gè)環(huán)形段組成（圖1a），其中兩個(gè)直線段長(zhǎng)各7.7m ，兩半環(huán)段長(zhǎng)各 5.8m ，深 0.6m ，寬 0.4m ，整個(gè)環(huán)形水槽總長(zhǎng) 27m 。沉積模擬裝置包括定量供水裝置、儲(chǔ)料桶、速度控制閥、循環(huán)抽水泵、圖像攝錄設(shè)備、坡度調(diào)節(jié)板、隔擋板等。蓄水池用于定量供水，在儲(chǔ)料桶里對(duì)沉積物進(jìn)行均勻攪拌并通過控制速度閥釋放沉積物至水槽中；圖像攝錄設(shè)備可用于實(shí)驗(yàn)中全程拍照和錄像（圖1b），以便于后期的詳細(xì)觀察與研究，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有條件可控、全程監(jiān)控、實(shí)時(shí)檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

1.2實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)基于前人研究2]，選取初始流速、沉積物濃度、砂泥比三組條件為實(shí)驗(yàn)參數(shù)（表1），開展水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)研究，該組參數(shù)能較為詳盡地描述濁流的頭部形態(tài)、流速、沉積形態(tài)，以探究濁流的動(dòng)力學(xué)機(jī)制及流體特性，共設(shè)定為三組九輪對(duì)比實(shí)驗(yàn)（表1）。

實(shí)驗(yàn)組一：主要通過模擬流速（低流速 0.15m/s 中等流速 0.30m/s 較高流速 0.60m/s 變化條件下細(xì)粒物質(zhì)的搬運(yùn)與沉積過程，保持其他條件不變，對(duì)比不同初始流速下細(xì)粒沉積物的搬運(yùn)距離及沉積物空間分布的差異；實(shí)驗(yàn)組二：以實(shí)驗(yàn)組一為依據(jù)，其他條件不變，選取最為合適的流速，通過模擬沉積物濃度 （5%，10%，20% 變化條件下細(xì)粒物質(zhì)的搬運(yùn)與沉積過程，對(duì)比不同沉積物濃度下細(xì)粒沉積物的擴(kuò)散方式及速度、搬運(yùn)距離、沉積物空間分布特征；實(shí)驗(yàn)組三：以實(shí)驗(yàn)組一、二為依據(jù)，保持其他條件不變，選取最合適的初始流速及沉積物濃度通過模擬砂泥比（1：2：6、1：2：12、1：2：18）變化條件下細(xì)粒物質(zhì)的搬運(yùn)與沉積過程，對(duì)比不同沉積物含量下細(xì)粒沉積物的流體流速、搬運(yùn)距離、沉積物空間分布等特征。

1.3 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)記錄

在實(shí)驗(yàn)過程中，從沉積物開始釋放至流動(dòng)過程中，采用攝錄設(shè)備從水槽側(cè)面、頂部及底部三個(gè)方向攝錄，及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并對(duì)流動(dòng)過程中的重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行拍攝；使用多普勒流速儀對(duì)流體流速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每間隔 1m 進(jìn)行一次頭部流速測(cè)量;待細(xì)粒沉積物在流體攜帶下搬運(yùn)至完全沉積，采用水下測(cè)量的方式，每間隔 1m 測(cè)量其沉積物厚度并進(jìn)行取樣，使用BT-9300ST激光粒度分析儀對(duì)樣品進(jìn)行粒度分析，取D10、D50、D90等有代表性的數(shù)值進(jìn)行表格化處理，并對(duì)不同參數(shù)的粒度曲線結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，每輪模擬實(shí)驗(yàn)中流體流動(dòng)過程和現(xiàn)象具有一定相似性。因此，現(xiàn)以實(shí)驗(yàn)組3-2為例詳細(xì)描述實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象及規(guī)律，整個(gè)搬運(yùn)過程可大致分為三個(gè)階段。

2.1第一階段（直道區(qū)I）

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將速度控制閥打開，濁流攜帶砂泥混合物以一定的初速度突然被釋放出。剛開始時(shí)，可以觀察到水槽內(nèi)濁流與環(huán)境流體之間發(fā)生劇烈的交互作用，流體紊亂程度較高，流體頭部及體部沿著水槽向前移動(dòng)，在平行水流方向上流體頭部呈鼻狀體結(jié)構(gòu)（圖2a）或尖的扁平形（圖2b），這種形狀以及流體頭部的厚度隨濁流向前搬運(yùn)會(huì)不斷發(fā)生細(xì)微變化；在靠近物源區(qū)，濁流流體能量較大，水槽中水下水躍現(xiàn)象極為發(fā)育，在濁流上部由于水躍作用強(qiáng)烈擾動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)反旋回的旋滾，將環(huán)境流體（水或空氣）卷入并相互作用，形成一個(gè)反向旋滾區(qū)（圖2c）；而在流體表面可見多個(gè)隆起（圖2c，d），隆起表現(xiàn)為不連續(xù)或突然躍起，不斷消失又不斷出現(xiàn)，呈現(xiàn)出多期次交替出現(xiàn)的現(xiàn)象。

水下水躍又稱為水力躍遷，在紊流呈極端情況時(shí)出現(xiàn)，為超臨界流向亞臨界流過渡時(shí)產(chǎn)生[3。在發(fā)生水躍時(shí)，可見濁流流速降低，流體部分動(dòng)能被紊流所消散，轉(zhuǎn)化為位能以致流體液面明顯增高，并將環(huán)境流體（水或空氣）卷入與濁流流體混合，使得沉積物及流體濃度也隨之下降，甚至還可能引起流體類型的改變32；在實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)流體厚度或深度突然增高時(shí)為水下水躍開始的標(biāo)志，為“水躍起點(diǎn)”；當(dāng)反向旋滾區(qū)逐漸變得平緩時(shí)，稱為“水躍終點(diǎn)”。

當(dāng)所用實(shí)驗(yàn)樣為純泥時(shí)，其在流體搬運(yùn)中所需的能量較小，流動(dòng)速度緩慢，引起的水下水躍現(xiàn)象不明顯；可能是缺少了砂泥之間的相互作用力，導(dǎo)致流體前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力也隨之減少，水下水躍現(xiàn)象也逐漸減弱（圖2e，f）。

懸浮沉積物繼續(xù)隨濁流向前搬運(yùn)過程中，可見濁流頭部厚度較大，頭部近底層處濃度及密度最大，而體部濃度及密度較?。▓D3a，b）。在搬運(yùn)過程中，流體依靠懸浮沉積物的湍流支撐及流體與環(huán)境流體之間的密度差獲得不斷前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力[，高密度的濁流頭部引導(dǎo)其密度、濃度及厚度均較小的本體向前移動(dòng)，以快速的慣性流搬運(yùn)沉積物；而在濁流上部，（a）似鼻狀體結(jié)構(gòu)的濁流頭部；（b）呈扁平狀的濁流頭部，呈涌浪型前進(jìn)；（c）較強(qiáng)烈的水下水躍現(xiàn)象，可見明顯的反向旋滾區(qū)及隆起現(xiàn)象；（d）水下水躍現(xiàn)象減弱，也可見多期的隆起及不連續(xù)的水下躍起現(xiàn)象；（e）水下躍起現(xiàn)象減弱直至消失；（I）流體驅(qū)動(dòng)力減小，水下躍起現(xiàn)象減弱直至消失

由于湍流擴(kuò)散，且與上層水體的交換導(dǎo)致其體內(nèi)卷吸進(jìn)人更多的環(huán)境水，使流速減小，隨之密度也逐漸減小，快速運(yùn)動(dòng)的慣性流逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛\(yùn)動(dòng)的湍流（圖3c），泥沙濃度顯著減小，呈現(xiàn)出流體頭部較厚，體部較薄的特點(diǎn)。Muttietetal.33]應(yīng)用Sander的理念將這種現(xiàn)象稱為“雙流分割”，實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的濁流由快速運(yùn)動(dòng)的慣性流（粒狀）和緩慢運(yùn)動(dòng)的湍流兩部分組成。

2.2 第二階段（彎道區(qū)）

濁流流體沿水槽直道區(qū)繼續(xù)向前流動(dòng)直至進(jìn)入彎道區(qū)，流體頭部與環(huán)境流體之間發(fā)生著復(fù)雜的混合作用，從正視角度觀察濁流頭部特征，可見頭部之間分裂成多個(gè)葉片狀，主要可分為裂隙和葉片兩種結(jié)構(gòu)[34]（圖 4a～d ）。在直道區(qū)時(shí)裂隙和葉片已存在，尺寸較小，數(shù)量較多，在彎道區(qū)時(shí)尺寸較大，但數(shù)量較少。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察，裂隙不會(huì)消失，一般與其附近的裂隙互相吸收。在運(yùn)動(dòng)過程中，葉片的寬度迅速地膨脹或收縮，當(dāng)葉片達(dá)到最大尺寸，兩個(gè)葉片之間就會(huì)形成新的裂隙。對(duì)裂隙和葉片的觀察表明，在穩(wěn)定的流體中，它們的出現(xiàn)和消失都十分迅速，隨著搬運(yùn)距離增加，流體能量逐漸降低，搬運(yùn)能力下降，所產(chǎn)生的裂隙和葉片數(shù)量也隨之減少。兩種結(jié)構(gòu)是由于環(huán)境流體密度與流體前鋒密度之間差異導(dǎo)致重力不穩(wěn)定而產(chǎn)生的。流動(dòng)過程中，濁流頭部渦流從底床裹挾懸浮沉積物，在流體前進(jìn)過程中流體前鋒底部受到水槽底部摩擦力的影響，其最底部的流線朝著流體尾部方向延伸，流體會(huì)向上揚(yáng)起一些距離，由此在流體前鋒的下部，產(chǎn)生一個(gè)環(huán)境流體的小循環(huán)（圖4e）。此時(shí)環(huán)境流體進(jìn)入這一密度小于流體前鋒密度的區(qū)域，造成重力不穩(wěn)定的現(xiàn)象。這部分流體上升和向前移動(dòng)的過程中，逐漸形成裂隙與葉片。

2.3 第三階段（直道區(qū)I）

當(dāng)濁流經(jīng)過彎道區(qū)至第二個(gè)直道區(qū)時(shí)，流體緊貼基底底部移動(dòng)，在移動(dòng)一定距離后，可隨時(shí)間變化逐漸觀察到流體頭部抬升、頭部與體部逐漸分離、在本體前端逐漸形成“新頭部”并繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象（圖5，期間可大致分為四個(gè)階段。

（1）頭部拾升階段：在移動(dòng)一定距離后，觀察到環(huán)境流體侵入濁流頭部與基底接觸部位之間，水流因沉積而失去部分砂質(zhì)懸浮荷載時(shí)，淡水會(huì)引起浮力反轉(zhuǎn)（抬升），流體頭部逐漸開始抬升并與底床之間分離開來且距離緩慢增大，減少了流體頭部與底床的剪切拖拽及摩擦力。隨著流體不斷被周圍水體稀釋變薄，流體頭部濃度逐漸減小，由舌狀逐漸變化成云霧狀脫離水槽底床向上抬升并繼續(xù)快速向前搬運(yùn)，這種現(xiàn)象即“上浮作用\"35-38]（圖5a，d）；（2）頭部與體部分離階段：在上浮作用下，流體前部的底床阻力顯著降低，快速向前搬運(yùn)，細(xì)粒沉積物由于流動(dòng)分離作用和湍流分散壓力在底床產(chǎn)生強(qiáng)烈的“云狀拖電\"現(xiàn)象。流體頭部與水體稀釋，與體部產(chǎn)生速度與密度差，頭部與體部逐漸分離，其中頭部速度相對(duì)較快，濃度低，顏色較淺，呈隆起狀；而體部速度較慢，但濃度高于頭部，顏色較深，呈平緩狀（圖5e，f）；（3）“新頭部\"形成階段：由于頭部速度較體部更快，二者逐漸拉開距離，直至頭部完全脫離身體，頭部繼續(xù)向前搬運(yùn)；而后在本體前端會(huì)緩慢地形成一個(gè)“新的頭部\"（圖5g，h）；（4）“新頭部”繼續(xù)運(yùn)動(dòng)階段：“新頭部”同樣具有上揚(yáng)的特點(diǎn)，在脫離本體后，被水體不斷稀釋、變形，密度降低，疊覆在薄層之上（圖5i，j），緩慢地向前移動(dòng)，漂浮在離散水層上快速移動(dòng)的頭部與附著在床層上并以較慢速度移動(dòng)的體部之間由于前進(jìn)速度差異導(dǎo)致逐漸分離，二者僅由薄層砂相連。在流體經(jīng)過“上浮”頭部加速等作用后，流體頭部不斷裂解，發(fā)生沉積，新的流體頭部又開始形成，濃度較高，呈舌狀緩慢向前搬運(yùn)，隨著已與本體分離的頭部繼續(xù)往前搬運(yùn)直至消散。

3實(shí)驗(yàn)討論

3.1濃度差控制流體的移動(dòng)速度與搬運(yùn)距離

通過不同沉積物濃度水槽模擬對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)濁流移動(dòng)速度及細(xì)粒沉積物搬運(yùn)距離受沉積物濃度的影響較為明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：（1）沉積物濃度越大，流體的流速越大，兩者呈明顯的正相關(guān)（圖6）。由于濁流最大密度主要集中在頭部，主要依靠其與周圍水體的密度差獲得不斷前進(jìn)的驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)沉積物濃度較大時(shí)，與環(huán)境水的密度差越大，獲得的驅(qū)動(dòng)力越強(qiáng)，流速越大。（2）從搬運(yùn)距離上來看，濃度為

（a）流體在直道區(qū)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)量較多、尺寸較小的裂隙和葉片結(jié)構(gòu)；（b）裂隙和葉片結(jié)構(gòu)素描圖；（c）流體搬運(yùn)過程中在彎道區(qū)時(shí)產(chǎn)生的尺寸較大、數(shù)量較少的裂隙和葉片結(jié)構(gòu);（d）裂隙和葉片素結(jié)構(gòu)描圖;（e）重力流前鋒裂隙及葉片形成機(jī)理結(jié)構(gòu)圖（據(jù)文獻(xiàn)[34]修改）

20% 的沉積物分別在 3min，10min，20min 時(shí)搬運(yùn)至 7.1m?15.2m?20.0m^（ 圖 7a～c ）；濃度為 10% 的沉積物 分別在 3min，10min，20min 時(shí)搬運(yùn)至 6.5m，14.1m / 19.2m （圖7d＼～f）;濃度為 5% 的沉積物分別在 3min 、 10min?20min 時(shí)搬運(yùn)至 5.3m，11.1m，15.7m （圖 7_g～i） ?？梢娏黧w濃度越大，其流速越大，沉積物搬運(yùn) 的距離也越遠(yuǎn)；流體濃度較大時(shí)，所獲得的驅(qū)動(dòng)力也 更強(qiáng)，隨之搬運(yùn)更遠(yuǎn)（圖6）。

3.2初始流速、水下水躍、上浮作用共同控制著流體流速及沉積物分布

不同初始流速下，細(xì)粒沉積物分布特征也各異，根據(jù)其差異可將其分為三個(gè)階段： 0～2m 段 ?2～7m 段 ?7m 直至搬運(yùn)結(jié)束段。

（1）在 0～2m 階段，沉積物厚度與初始流速關(guān)系最密切。根據(jù)不同初始流速下沉積物厚度與搬運(yùn)距離折線圖得知，隨著流體初始流速的增大，在該階段沉積物沉積厚度減小，二者在一定程度上呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)（圖8a）。濁流在搬運(yùn)過程中，其湍流強(qiáng)度隨流速增大而增大，紊亂程度越高，攜帶沉積物的能力也隨之越強(qiáng)，沉積物懸浮于濁流內(nèi)部進(jìn)行搬運(yùn)，沉積物所沉積厚度即更薄。

（2）在 2～7m 階段，此段為流體剛搬運(yùn)不久，靠近物源區(qū)，流體紊亂程度較大，也是水下水躍最為活躍的階段。水下水躍現(xiàn)象作為耗能的有效方式之一，在該階段水躍現(xiàn)象頻繁發(fā)生，通過對(duì)不同初始流速下流速與搬運(yùn)距離折線圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在該階段發(fā)生水躍現(xiàn)象時(shí)，出現(xiàn)在在在在在在在在濁流流體流速減小幅度突然增大以及沉積物厚度變厚的情況（圖8a，b）。由于水下水躍發(fā)生時(shí)使得流體表面表現(xiàn)為不連續(xù)或突然躍起，沉積物在發(fā)生水躍或鄰近部位會(huì)有強(qiáng)烈的沉積物堆積，在空間上分布亦不均勻，使得在該階段沉積物厚度波動(dòng)較大，沉積物分布特征也發(fā)生變化，最后穩(wěn)定后沉積厚度增大。

（3）在 7m 后直至搬運(yùn)結(jié)束階段，待濁流流體逐漸進(jìn)人彎道區(qū)時(shí)，此時(shí)可觀察到水槽外側(cè)流體較內(nèi)側(cè)流體流速更快，高度更高（圖9a）；但沉積完全后，測(cè)得內(nèi)側(cè)沉積物沉積厚度較外側(cè)更厚（圖9b，c）。這可能是在進(jìn)入彎道區(qū)后濁流受重力及離心力作用，（a～c） 分別為流體濃度為 20% 條件下3min、10min .20min 處示意圖；（d＼～f）分別為流體濃度為 10% 條件下3min、10min、20min處示意圖； 分別為流體濃度為 5% 條件下 3min，10min，20min 處示意圖

水流主流線向水槽外側(cè)偏移，濁流表層水流向水槽外側(cè)偏移，外側(cè)水流流速較快，多以侵蝕作用為主；而底部水流逐漸流向水槽內(nèi)側(cè)，且受水槽底部摩擦力影響，底流流速降低，搬運(yùn)能力下降，細(xì)粒沉積物在內(nèi)側(cè)卸載并堆積下來，致使內(nèi)側(cè)沉積物沉積厚度更大（圖9b）。

隨著搬運(yùn)距離的增加，流體底部邊界層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)受到黏性力的作用，流動(dòng)速度逐漸降低；在 7m 之后，平均速度呈緩慢下降趨勢(shì)，與水下水躍現(xiàn)象減弱有關(guān)（圖8b）。上浮作用的產(chǎn)生減弱了流體與底床之間的這種黏性力，使流體流動(dòng)過程中頭部微微抬起，從而環(huán)境流體進(jìn)入頭部下方，起到潤(rùn)滑基底的作用，流體流速會(huì)有短暫的加快，由此證明底部邊界層內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)受到的黏性力是流體耗能的一種方式。

3.3泥質(zhì)含量影響沉積物搬運(yùn)距離

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，待沉積物完全沉積至槽底，通過粒度分析得到下圖所示結(jié)果（圖10），顯示沉積物的顆粒大小含量隨搬運(yùn)距離增加呈減小趨勢(shì)；且通過對(duì)比分析三組砂泥比實(shí)驗(yàn)，泥質(zhì)含量最多的一組較其余兩組搬運(yùn)距離更遠(yuǎn)（圖10），表明在粗顆粒泥沙中增加適量泥質(zhì)顆?？捎行岣邼崃鞯倪\(yùn)移能力。因此，細(xì)粒沉積物粒徑的大小及含量會(huì)影響流體長(zhǎng)距離搬運(yùn)及濁流水動(dòng)力學(xué)特性。

3.4“新頭部”現(xiàn)象是重力流體系前端分散型砂體主要成因

在實(shí)驗(yàn)過程中可見到流體頭部上揚(yáng)速度突然增快的特征，且由于頭部速度較本體更快，會(huì)出現(xiàn)“頭尾分離”的現(xiàn)象，砂體在水槽中能實(shí)現(xiàn)一定距離的“跳躍”，砂體之間不連續(xù)，僅由薄層的砂相連，直至最終發(fā)育為\"分散型\"的砂體（圖11a）。

在該實(shí)驗(yàn)條件下流體頭部與基底之間的上浮作用及濁流流體性質(zhì)可能是形成“分散型”砂體的原因。濁流靠流體的湍流來支撐碎屑顆粒，使之呈懸浮狀態(tài)；且濁流為紊流，在運(yùn)移過程中，紊流的流體質(zhì)點(diǎn)做雜亂無章的無規(guī)則運(yùn)動(dòng)，容易形成分散、孤立的砂體。在運(yùn)移過程中，流體底部由于水體侵入且水體攜帶的部分砂質(zhì)懸浮載荷沉積，與砂質(zhì)沉積有關(guān)的相對(duì)重量損失會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)浮力反轉(zhuǎn)而發(fā)生上浮作用使得頭部拾升，有效地減少與基底之間的黏性力，使得濁流能快速流動(dòng)。頭部與體部由于速度差異，往往易與體部發(fā)生分離，流體也會(huì)發(fā)生裂解，分散的頭部繼續(xù)向前搬運(yùn)一段距離后便開始沉積，而后面的體部又開始形成新的頭部，不斷發(fā)生裂解，從而促進(jìn)了多個(gè)分散型砂體的形成，且在搬運(yùn)末端所形成的分散型砂體濃度較小，厚度較薄，但展布范圍較大（圖11a）。前人在碎屑流水道的沉積模擬實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)了相類似的規(guī)律[39]

3.5油氣地質(zhì)意義及未來展望

油氣勘探實(shí)踐表明，砂體是油氣儲(chǔ)集的重要場(chǎng)所，研究砂體展布對(duì)油氣勘探有著顯著的意義[40-41]。在鄂爾多斯盆地西南部延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段，發(fā)育在三角洲前緣坡折帶以下至深湖區(qū)的重力流砂體呈聚攏型條帶狀或疊加透鏡狀，該區(qū)域隸屬于非常規(guī)油氣資源，現(xiàn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)?？碧介_發(fā)[42-43]；在遠(yuǎn)端發(fā)育的重力流砂體與半深湖一深湖泥頁巖緊密共生，呈朵葉狀和舌狀展布，且大多砂體在平面呈分散型和孤立型，僅少數(shù)呈片狀連接在一起（圖11b）[1.44]。經(jīng)前人勘探預(yù)測(cè)表明，遠(yuǎn)端分散型重力流沉積砂體可有效地提高單井產(chǎn)能并可作為長(zhǎng) 7₃ 小層頁巖油勘探的“甜點(diǎn)”及深水油氣勘探的重點(diǎn)目標(biāo)42。本次實(shí)驗(yàn)中所觀察到的\"新頭部\"現(xiàn)象解釋了重力流沉積前端分散型砂體主要成因，為進(jìn)一步探討重力流砂體展布規(guī)律奠定了基礎(chǔ)，相關(guān)研究也為細(xì)粒非常規(guī)油氣勘探開發(fā)提供了新的思路。

由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件有限，本次濁流模擬實(shí)驗(yàn)屬于探索性研究，針對(duì)水下濁流搬運(yùn)過程中出現(xiàn)的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無法在濁流的各個(gè)現(xiàn)象所發(fā)生的區(qū)域大小、形狀、連續(xù)時(shí)間以及弗勞德數(shù)進(jìn)行定量描述；在后期實(shí)驗(yàn)中，將加強(qiáng)引進(jìn)新的技術(shù)和設(shè)備（如多普勒流速儀、三維激光掃描儀），并將數(shù)值與物理沉積模擬相結(jié)合，從而為細(xì)粒重力流流體轉(zhuǎn)換、混合事件層的沉積模擬及完整的數(shù)學(xué)模型的建立奠定基礎(chǔ)。

4結(jié)論

（1）基于環(huán)形水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)，分別通過控制沉積物濃度、流體初始速度、砂泥比等條件，模擬了濁流作用下細(xì)粒沉積物搬運(yùn)的過程及細(xì)粒沉積物的分布與沉積特征。濁流流動(dòng)過程中流體發(fā)生了一系列變化，出現(xiàn)了水下水躍、雙流分割、裂隙和葉片、上浮作用、頭部抬升、“新頭部\"等現(xiàn)象。

（2）通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察和分析，以及對(duì)流體流動(dòng)速度、細(xì)粒沉積物完全沉積后的厚度以及泥質(zhì)含量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示流體與環(huán)境流體的濃度差與流體的移動(dòng)速度和搬運(yùn)距離成正比；初始階段流體初速度與沉積物沉積厚度成反比；泥質(zhì)含量越多，沉積物的搬運(yùn)距離越遠(yuǎn)。在流體搬運(yùn)過程中水下水躍會(huì)減小流體流速，而上浮作用能減小流體與基底間的黏性力，使得流體頭部加速。

（3）在實(shí)驗(yàn)中，由于頭部速度較體部更快，二者逐漸拉開距離，直至頭部完全脫離身體，頭部繼續(xù)向前搬運(yùn)；而后在本體前端會(huì)緩慢地形成一個(gè)“新的頭部”，“新頭部”現(xiàn)象使得砂體之間不連續(xù)，并在不同位置分散展布形成分散型砂體。結(jié)合鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組長(zhǎng) 7₃ 亞段重力流沉積體系前端形成的分散型砂體，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地解釋其成因。

致謝感謝三位審稿專家及編輯部老師對(duì)文章提出的寶貴建議和意見。

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Abstract：[Objective]This study investigated the sorting movementand sedimentary characteristics offine-grained sedimentsunder theaction of turbiditycurrents，andanalyzed thecontrolld factors of their transport distance and the spatial distributionof sediment.[Methods]Basedona circular flume simulation，the transportand deposition process offine-grainedsediments carried by turbiditycurrents were simulatedand analyzed by controlling three conditions：the initialfluid velocity，sediment concentration，andsand-mudratio.Furthermore，the sedimentarydynamic mechanism was explored.[Results]（1）Fine-grained sediments transported by turbidity currents experience experimentalphenomena such as“water jumps”，“double flow segmentation”，“l(fā)ofting”，“head lifting”，and“new heads” during the flow process（2） During fluid transportation，the movement speed and distance of fine-grained sediments are influenced bytheconcentration diffrence between the fluidand theenvironmentalfluid.（3）Factors such as the initialflowvelocity，water jumps，and lofting control the fluid flow velocity，fine-grainedsediment transport distance，and spatial distribution.（4）The“new head”phenomenon causes sand bodies carried by the fluid to become discontinuous，isolated，or dispersed.[Conclusions] Based on the“new head”phenomenon in the simulation process，we ofer insights onthe causes ofdispersed sand bodies.The results of this studycan serve as areference for studying the formation and distribution of dispersed sand bodies.

KeyWords：fine-grained turbidity currents；dynamic mechanism；physical sedimentation simulation；transportlaw; “new head”phenomena