重力流的分类及主要流体特征

宋 艺

（长江大学地球科学学院，湖北 武汉430100）

1 重力流的分类

沉积物重力流是指泥、砂、砾混杂的，重力驱动的，悬浮搬运的高密度底流。形成条件是：较大的水深；足够的坡度角和足够的密度差；充沛的物源；一定的激发机制。

按沉积物支撑机理可分为碎屑流、颗粒流、液化沉积物流和浊流。碎屑流是高浓度的沉积物分散体，具有屈服强度和高的粘性，是水和粘土杂基支撑碎屑物质的块体流；颗粒流是一种由无凝聚力颗粒（主要是砂、砾）所组成的重力流；液化沉积物流即由超孔隙压力支撑沉积颗粒漂浮的重力流；浊流是由悬浮沉积物扩散引起的一种含有大量泥沙并在重力作用下沿着盆地底部流动，形成的水下沉积物重力流或水下密度底流。

由于重力流中的颗粒流和液化沉积物流在地质历史时期的实例少沉积体积小[1]和应用价值不高故不受关注，而碎屑流（特别是砂质碎屑流）和浊流及其沉积则是争论的主题。

2 流体特征

2.1 流变学特征

流变学研究的是流体和固体形态物质的流动和变形特征，即剪切应力与剪切应变率之间的关系。流变特征是流体的基本特征，所有流体在流变学上可分为牛顿流体和非牛顿流体两大类，凡服从内摩擦定理的称为牛顿流体，而不服从内摩擦定理的称为非牛顿流体。所谓服从内摩擦定理是指在温度不变的条件下，随着流速梯度（或称剪切变形率）的变化，其动力黏滞系数始终保持一常数，即在任意小的外力作用下即能流动的流体，剪切应力与剪切应变率之间满足线性关系；而非牛顿流体或者剪切应力与剪切应变率之间不满足线性关系（如拟塑性流体和膨胀性流体），或者具有一定的屈服强度，当外力大于其屈服力时,才开始像牛顿流体一样流动（如塑性流体，或称宾汉流体）。

流体的流变性质主要由其沉积物浓度所决定，与其所搬运颗粒的大小及其物理化学特性相关较小。浊流的沉积物浓度较低（一般为1%~23%体积浓度），而碎屑流中沉积物浓度一般较高，其中，砂质碎屑流体积浓度为25%~95%，泥质碎屑流体积浓度为50%~90%。牛顿流体和非牛顿流体的边界体积浓度值一般为20%~25%。碎屑流的最佳拟合流变模式是宾汉（Bingham）模式，即碎屑流是一种具有塑性流变或非牛顿流变性质的流体，呈层流流动状态；而浊流具牛顿流变模式，呈完全的紊乱流动状态[2]。在沉积物沉积方式上,浊流表现为沉积颗粒由悬浮状态的顺序沉降,而碎屑流则表现为沉积物的整体冻结。

2.2 沉积物支撑机制

传统上浊流的定义主要是基于流体流变学、流动状态和沉积物支撑机制。认为浊流是一种具牛顿流变性质和紊乱流动状态的沉积物重力流，其主要的沉积物支撑机制是流体湍流向上的分力。Middleton和Shanmugam认为碎屑流中沉积物是靠基质强度（黏土—水基质的内聚强度）、分散压力（由颗粒碰撞产生的摩擦强度）和上浮力（由水和细粒物质混合产生）支撑的；王德坪通过对渤海湾盆地东营凹陷古近系沙河街组中碎屑流沉积的研究，认为虽然浮力的支撑作用对于陆上的泥石流较重要，但对水下碎屑流并不重要并进一步对黏土—水基质的作用进行了深入探讨，认为在泥流和“真正的碎屑流”中，黏土—水基质起了结构意义上的基质作用，表现为内聚强度；而在黏土含量少只在颗粒接触处存在的砂质碎屑流中，黏土—水基质起了成分意义上的基质作用，表现为黏附强度。试验也表明，颗粒支撑的碎屑流沉积中的黏土重量含量低至2%甚至0.5%，或泥基（黏土+水基质）体积含量低至5%，也足以起到润滑碎屑流中的颗粒以防止摩擦锁定的作用，并能提供碎屑流自身的流体强度。

实质上，碎屑流中沉积物的支撑机制主要由其塑性流变性质所决定，与其所具有的屈服强度直接相关。一方面是黏土—水基质所产生的基质强度（包括内聚强度和黏附强度）；另一方面是由颗粒碰撞所产生的摩擦强度[2]。

3 沉积特征

重力流沉积可分为以下4类，碎屑流沉积：粒径范围大，可含很粗砾石；支撑机制为浮力；支撑类型为杂基支撑。特征：粒级变化大，杂基多，无分选，颗粒分选磨圆差，可见反向粒度递变层理。

浊积岩的沉积构造主要有：（1）底痕：冲蚀痕与工具痕、槽模、沟模、锥模；（2）底痕：准同生载荷构造、重荷模、火焰构造；（3）粒度递变层理、分布递变、粗尾递变；以上三类沉积构造在高、低密度浊流沉积中均可见到。（4）包卷层理；（5）交错纹理；以上两种沉积构造主要见于低密度浊流沉积中。（6）中—大型交错层；（7）逆行沙波交错层理；以上两种沉积构造主要见于高密度浊流沉积中。

岩石记录中所保存的沉积特征只能用于推断沉积物在沉积之前最后很短时间内的流动机理，而流体在搬运过程中发生转变的证据不能保存在最后的沉积物中，即岩石记录不能直接揭示任何沉积物的迁移机理，也没有确定的标准从沉积记录中辨识其搬运机制，实际上，沉积过程和搬运过程常常并不是同一流体所为，将底部含有槽模和冲刷面的深水砂岩解释为浊积岩，就值得怀疑，因小规模的冲刷面和槽模可由紊乱流动状态的流体产生，但这并不意味着冲刷面之上的砂就是从产生该冲刷面的流体中沉积的，冲刷面可由呈紊乱流动状态的流体产生而后来被碎屑流或其他过程充填，现代未充填的海底水道和峡谷就是很好的例证。另外，冲刷面也可以由浊流外的其他过程产生，如等深流和其他底流，所以，深水砂岩成因的解释应根据其内部沉积特征，而不应根据砂岩底部的侵蚀接触来判断浊流和碎屑流都是深水沉积物重力流，特别是碎屑流是由未固结的沉积物再次搬运形成的，深水沉积背景是识别碎屑流沉积的前提条件，只有在上下层位均为深水沉积的条件下，其沉积才可能被解释为碎屑流成因，仅由砂岩本身的特征并不能充分说明碎屑流沉积的存在。

4 结论

（1）沉积物重力流按沉积物支撑机理可分为碎屑流、颗粒流、液化沉积物流和浊流。其中碎屑流和浊流较为常见。

（2）流体的流变性质主要由其沉积物浓度所决定，浊流的沉积物浓度较低，而碎屑流中沉积物浓度一般较高。

（3）浊流是一种具牛顿流变性质和紊乱流动状态的沉积物重力流，沉积物的支撑机制是单一的湍流，而碎屑流是一种具塑性流变性质和层流流动状态的沉积物重力流，沉积物的支撑机制主要由其塑性流变性质所决定。

［1］李林，曲永强，孟庆任，等.重力流沉积：理论研究与野外识别[J].沉积学报，2011，29（4）：677-688.

［2］高红灿，郑荣才，等.碎屑流与浊流的流体性质及沉积特征研究进展[J].地球科学进展，2012，27（8）：815-827.

［3］夏青松，田景春.浊积岩神话与砂质碎屑流[J].沉积与特提斯地质，2006，26（4）：105-108.

［4］李云，郑荣才，朱国金，胡晓庆.沉积物重力流研究进展综述[J].地球科学进展，2011，26（2）：157-165.