沉积物重力流研究进展

宋 平

(西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069)

沉积物重力流是指向深水环境中输送沉积物的主要过程[1]。沉积物重力流在以下几个方面的特征受到人们的重视:(1)重力流所携带的砂体在深海或深湖泥岩中沉积，成为烃源岩中的储集体;(2)重力流所形成的的“块状砂体”成为油气储存的有利空间，其厚度大、分布广、砂质纯成为重力流储层勘探的重点;(3)“自生自储”模式使得重力流沉积砂体不但拥有持续的油气源供给，而且周围泥岩的封堵成为油气得天独厚的保存空间;(4)水平压裂技术的不断发展，储量可观的重力流储集层成为产量上升的另一突破点。基于以上几点，重力流的研究不断的细化。

1 沉积物重力流分类

Kuenen等在1950年第一次提出“浊积岩”的概念[2]，成为重力流研究的起始点。随后众多学者开始对“浊积岩”与“浊流”进行研究。“鲍马序列”在1962年由 Bouma提出，并详细描述了一次完整的浊流沉积序列包含 Ta、Tb、Tc、Td和Te五个部分，以此成为浊积岩的识别特征[3]。Middleton等在1973年引入了“沉积物重力流”的概念，并且依据沉积物支撑机理将沉积物重力流划分为浊流、碎屑流、液化流和颗粒流四种类型[1]。然而 Middleton分类存在一些质疑，由于自然界中重力流往往具备多种搬运机制，因此 Lowe在1979年和1982年结合流变学和搬运机制提出新的分类方案(见表1)。Nemec等在1984年提出碎屑流不全为宾汉塑性体，非粘性碎屑流也并非都是颗粒流，因此将碎屑流划分为粘性流和非粘性流[4]。Shanmugam在1996年引入了泥质碎屑流和砂质碎屑流2个概念，认为Lowe的高密度浊流实际上是砂质碎屑流沉积[5]。

国内学者对沉积物重力流也进行了深入的研究，吴崇筠根据浊积砂体在湖盆中所处的位置和形态，将湖相浊积岩体系归纳为六种成因类型[7]。基于对东部断陷盆地的研究，认为湖盆陡坡带边界大断层的下降盘广泛发育近岸浊积扇体;湖盆缓坡广泛发育带供给水道的远岸浊积扇，两种扇体可细分为内扇、中扇与外扇三个相带。不同学者对于深水重力流的划分有着不同的认识，主要运用远源与近源、薄层与厚层、粗粒与细粒、典型与非典型、坡移与滑塌等术语进行描述和分类[8]。浊流与碎屑流作为主要的重力流类型，其常成为优质储层的出现而受到学者的广泛研究。

表1 Lowe[6]沉积物重力流划分类型(引用李云，2011)

1.1 浊流

浊流作为重力流的重要成员，一直以来成为沉积学家争论的焦点，上世纪60年代以前认为浊流是具紊乱流动状态、逐渐减速、悬浮搬运和牛顿流变性质的流体，其主要沉积物为具有正粒序的非洁净砂岩。70年代到90年代，浊流认识发生改变，浊流被认为是水上具层流状态、逐渐加速、在床底搬运和塑性流变性质的流体，其主要沉积物为具有块状层理或逆粒序的洁净砂岩，Shanmugam等认为块状层理的洁净砂岩实为砂质碎屑流沉积[9]。国内学者对浊流的认识亦各有差异，姜辉(2010)从动力学机制角度出发对浊流的流变方式、流体动力学机制进行详细的阐述，认为浊流由动力侵蚀带、前部调节带、沉积卸载带、后部调节带、动力平衡带5个动力变形部分组成[10]。高红灿(2012)认为浊流是一种具牛顿流变性质和紊乱状态的沉积物重力流，其沉积物支撑机制是湍流。多数学者认为浊流是由湍流悬浮的沉积物形成的密度流，具有牛顿流和湍流状态，湍流是主要的支撑机制[7－12]。

1.2 碎屑流

碎屑流是粘性密度流的一种，沉积物主要由基质强度支撑。碎屑颗粒以砾石等粗碎屑为主，泥质或细粒成分为支撑基质，粗碎屑颗粒悬浮于基质之中，碎屑流的浓度较浊流高出1～3倍不等，为非牛顿流体，呈层流流动状态[9]。李林(2011)对碎屑流特征进行详细分析，指出碎屑流的塑性流、粘结流与层流特征对应着碎屑流屈服强度、凝聚力与层状结构特征，随之产生凝结沉积、滑水机制与层面排列等现象。砂质碎屑流作为碎屑流中的一种，其为颗粒以砂为主，基质中黏结性泥含量较少的碎屑流[13]。鲜本忠(2014)对砂质碎屑流的发展及特征进行了深入探讨，总结前人研究的基础上辨析了高密度浊流与砂质碎屑流的概念，并阐述了砂质碎屑流的滑水机制[14]。

1.3 浊流与砂质碎屑流区别

砂质碎屑流与浊流的区分一直受到学者广泛关注，通过对最新研究成果的总结，主要区分有一下几个方面:(1)流态特征，浊流以紊流为主，砂质碎屑流以层流为主;(2)流变学特征，浊流以牛顿流变特征，砂质碎屑流具塑性流变或非牛顿流变特征;(3)流体浓度，浊流的浓度为1% ～23%，砂质碎屑流的浓度为25% ～90%;(4)沉积物支撑机理，浊流支撑机理主要为流体湍流向上的分力，砂质碎屑流支撑机理主要为基质强度、分散压力和向上浮力;(5)沉积韵律，浊流沉积为正韵律沉积，与上覆沉积物呈渐变接触关系，浊流的侵蚀作用常形成侵蚀底，与下覆沉积物呈突变关系。砂质碎屑流发育平行碎屑结构与逆粒序结构[8，9]。

2 研究手段

目前对于沉积物重力流的研究主要是结合露头数据、水下钻井测井和岩心、地震反射剖面、现今海底成像和取样、实验室水槽试验和数值模拟的研究[17]。

2.1 野外露头与岩心

野外露头与岩心一直是观察与研究沉积物重力流的第一手资料，也是最直观的沉积展示。可以说研究者对沉积物重力流的认识都是从野外地层中的沉积现象中思考，得到启发，从而进行下一步的研究。但野外露头的表现也具有局限性，首先野外露头所能出露地表的厚度有限，地层追踪受到地貌状态的影响;其次，野外露头所展示出的是成岩之后的沉积现象，它集中了多种作用的结果，不可将现在发现的沉积物重力流形成的岩层简单的认为是重力流最初沉积后的样貌。岩心观察在纵向上连续性较强，方便观察，但横向不具规模，无法直观的看到其横向变化规律。

2.2 地震反射剖面

地震剖面是研究沉积物重力流的重要手段，以更大的尺度反映重力流沉积的空间分布特征和受控地形起伏。袁圣强(2010)通过地震反射剖面对南海陆坡区深水水道沉积体系进行研究，识别出沉积物重力流的滑动峡谷以及搬运水道，通过地震剖面和相干时间切片时空分析，得到研究区水道主要的侵蚀期和充填期[12]。

2.3 水槽实验

水槽实验的不断发展，成为沉积物重力流的研究的主要途径，根据不同浓度和粘度砂泥混合流体实验，可以半定量化研究不同性质的流体对沉积物搬运的方式以及各种流体的沉积特征。Hedda Breien通过严格的规划沉积物的成分、比例、粒度以及水槽坡度、槽底摩擦力等因素，借助高速照相机与压力检测仪对不同粘土含量流体的运动过程、沉积过程和演化过程进行观察、分析(见图1)。通过不同性质流体的沉积过程及其沉积物特征与野外沉积层相比较，解释沉积物重力流的形成及沉降特[15]。

图1 水槽实验流体流动过程(引用Hedda Breien，2010)

3 沉积模式

Walker(1978)提出海底扇沉积模式[16]与 Bouma(1962)提出的浊流沉积特征相结合成为最初的沉积重力流沉积模式(见图2)，得到当时沉积学者普遍认同。这种沉积模式适用于具光滑盆底的坡底环境，在盆地形成浊流沉积的朵状体[9]。浊流沉积在湖盆半深湖到深湖区亦有发育，国内学者将海底扇引入湖盆内，吴崇筠(1988)根据浊积砂体在湖盆中所处的位置和形态，将湖相浊积体系归纳为六种成因类型[17]。Reading等(1994)提出了点物源、线物源和多物源三种重力流物源类型。陈全红(2007)根据深湖内浊积砂体的物源类型划分为坡移浊积扇与滑塌浊积扇，坡移浊积扇为点物源，有固定河道，滑塌浊积扇以线物源补给，无固定河道[18]。

Shanmugam(2000)提出了砂质碎屑流沉积模式，认为深水扇主要为砂质碎屑流，浊流很少发育。砂质碎屑流沉积模式适合于盆地和斜坡沉积环境，可划分为水道化和非水道化2种类型[19]，其所形成的块状砂体并非浊流 Ta段沉积，而是砂质碎屑流沉积，这种块状砂体成为有利的油气储层。高红灿(2012)总结前人的研究成果指出现代海洋盆地中可观察到块状流体的搬运过程，即碎屑流等，而很少看到浊流搬运过程[9]。李祥辉(2009)对深海沉积发展做出了详细阐述，指出应废弃单一浊流形成的“浊积扇”，采用多种流体相作用的“深海扇”或“海底扇”。浊流与砂质碎屑流均可产生对油气储层具有较大贡献的块状砂体[20]。邹才能(2009)对鄂尔多斯盆地深水沉积研究认为块状砂体的大量发育多为砂质碎屑流的沉积，并提出“水下坡折带”沉积模式[8]。

图2 深水扇沉积模式(Walker，1978)

4 研究中存在问题

沉积物重力流的发展取得了显著成就，但仍存在许多问题，值得沉积学家进一步研究。主要存在问题:(1)重力流沉积过程随借助水槽实验与海底沉积观测已取得部分认识，但水槽试验的限定条件与实际沉积过程依然存在较大差异。需不断完善水槽实验的限定因素与控制参量;(2)重力流沉积现象存在一定的多解性，多流体性作用的沉积现象需进一步研究;(3)内陆湖相沉积与海相沉积环境因素差异较大，深海重力流沉积模式能否符合深湖重力流沉积模式值得进一步研究;(4)沉积重力流的命名依然处于争论阶段，统一的定义及命名十分必要。

5 结语

深海(水)沉积物重力流及其潜力巨大的油气地质意义是目前油气勘探的一个新方向，已经引起了国内外高度关注，深海(水)大型油气田的发现业已证实了这一点。但是由于地质条件及技术条件的限制，沉积物重力流研究的复杂性远远超乎我们的想象。沉积物重力流的认识在不断深化，从野外露头的观察到实验室沉积过程模拟，从宏观的现象描述到流体力学的分析。由于沉积物重力流的控制因素较多，因此在重力流的概念、分类与成因上依然存在许多争议。水槽实验的不断发展，成为沉积物重力流的研究的主要途径，根据不同浓度和粘度砂泥混合流体实验，可以半定量化研究不同性质的流体对沉积物搬运的方式以及各种流体的沉积特征，但实验模拟依旧存在很多问题，需不断完善水槽实验的限定因素与控制参量，有待今后科研工作者的解决。

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