流体性质转换机制在重力流沉积体系分析中应用初探

第 ２期
李存磊等： 流体性质转换机制在重力流沉积体系分析中应用初探
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流沉积过程， 明确流体性质转换机制， 描述碎屑流与 浊流之间的转换关系及各个转换阶段的沉积物特 征。 １ ． １ 粗碎屑砂砾岩正递变层理 成像测井的出现， 使井下连续的地层地质剖面 研究成为可能， 这极大的促进了粗碎屑重力流体系 的研究。成像测井分析中出现的大量正递变粗碎屑 砂砾岩沉积体， 为深水浊流沉积提供了有利证据。 如图 １所示砂砾岩剖面， 为明显的粗碎屑正递变层 ｃ ｍ ， 中上部常见砾石直径 ４ 理， 底部砾石直径可达 ７ ～ ０ ５ ｃ ｍ ， 正递变层理特征非常明显。 在解释粗碎屑砂砾岩体沉积物时， Ｌ ｏ ｗ ｅ （ １ ９ ８ ２ ） 引入了高密度浊流的概念， 他认为很粗的砾石在紊 流状态下呈悬浮状态搬运， 上伏在反递变的牵引毯 层之上， 形成正递变悬浮沉积单元。从流态的角度 分析， 只有紊流才能够让沉积物按照比重依次沉降， 因此他将这种在紊流下部以悬浮方式搬运形成的粗 碎屑正递变悬浮沉积单元定义为砾质高密度浊流的 Ｒ ３段， 认为粗碎屑正递变砂砾岩体是浊流沉积的产 物。 然而 Ｓ ｈ ａ ｎ ｍ ｕ ｇ ａ ｍ （ ２ ０ ０ ０ ） 却认为 Ｌ ｏ ｗ ｅ （ １ ９ ８ ２ ） 的 高密度浊流并非紊流成因， 而是砂质碎屑流受阻后， 浮砾、 碎屑物质沉降形成的， 即由沉积机制决定的， 同时他指出正递变层理并非浊流沉积物所特有。产 生分歧的原因在于对流体性质的争议上， 有人认为 高密度浊流等概念的提出是想在流体类型上将其定 义为处于液性流和塑性流之间的一种流体。但是在 流体学上， 牛顿流体是指在受力后极易变形， 且切应 力与变形速率成正比的低粘性流体， 凡不同于牛顿 流体的都属于非牛顿流体， 因此不可能存在一种中 间流体。由于高密度浊流在液性流和塑性流之间的 界限不清，Ｓ ｈ ａ ｎ ｍ ｕ ｇ ａ ｍ （ ２ ０ ０ ０ ） 对高密度浊流的概念 进行了否定。但 Ｓ ｈ ａ ｎ ｍ ｕ ｇ ａ ｍ 提出的砂质碎屑流的 概念是针对深海粗砂粒级的块状砂岩提出的， 砾级 粗碎屑正递变砂砾岩沉积体很难用砂质碎屑流的概 念进行解释。 １ ． ２ 流体性质转换机制 Ｂ ｏ ｕ ｍ ａ （ １ ９ ６ ２ ） 提出深海浊流的形成和运动一般 可分为三角洲阶段、 滑动阶段、 流动阶段和浊流阶段 四个阶段， 可见浊流不是一开始就形成的， 刚开始往 往为液化沉积物流、 颗粒流或碎屑流。 Ｆ ｉ ｓ ｈ ｅ ｒ （ １ ９ ８ ３ ） 提出了重力流流体的四种转换形 式： 体转换、 重力转换、 面转换和淘析转换（ 图２ ） ； Ｐ ｏ ｓ ｔ ｍ ａ 等（ １ ９ ８ ８ ） 的试验研究显示浊流通过流体转
图 １胜利油田盐家地区盐 ２ ２ ２ ２井始新统沙河街组四段上亚段砂砾岩正递变层理特征（ Ｆ Ｍ Ｉ 图像） Ｆ ｉ ｇ ． １Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ ｇ ｒ ａ ｄ ｅ ｄｂ ｅ ｄ ｄ ｉ ｎ ｇｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ （ Ｆ Ｍ Ｉ ）ｏ ｆ ｔ ｈ ｅｕ ｐ ｐ ｅ ｒ ｐ ａ ｒ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ４ ｔ ｈ Ｍ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅＳ ｈ ａ ｈ ｅ ｊ ｉ ｅＦ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｅ ｏ ｃ ｅ ｎ ｅ ，Ｙ ａ ｎ ２ ２ ２ ２Ｗｅ ｌ ｌ ，Ｙ ａ ｎ ｊ ｉ ａ ，Ｓ ｈ ｅ ｎ ｇ ｌ ｉ ｏ ｉ ｌ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ
北京师范大学资源学院， 北京， １ ０ ０ ８ ７ ５
内容提要：自 １ ９Байду номын сангаас５ ０年 Ｋ ｕ ｅ ｎ ｅ ｎ 发表“ 浊流形成粒序层理” 一文至今， 深水重力流研究取得了长足发展。然而， 目 前很多学者不仅对浊流理论分歧很大， 而且对浊流概念、 术语的使用也有不同的观点， 这严重制约了重力流的分类 及重力流沉积体系的识别。本文在重力流沉积过程和流态研究的基础上， 提出了基于“ 流体性质转换” 理论的重力 流沉积体系分析方法。研究认为， 重力流在形成、 发展和消亡过程中不仅存在多个流体阶段， 而且存在着多种流态 之间的转换。这种流体发育的最终阶段特征决定了重力流沉积体系的形态与类别， 而流态共存与转换的特性造成 了深水紊流成因的浊积岩与其他流体成因的岩相共存的沉积特征。根据这一理论对牵引流—碎屑流成因的扇三角 洲体系、 浊流成因的近岸水下扇体系和碎屑流成因的斜坡裙体系进行成因分析与特征对比， 阐述了“ 流体性质转换” 理论在沉积体系识别中的作用。 关键词：重力流； 碎屑流； 浊流； 流体性质转换； 沉积模式
１ 沉积过程的流体性质转换
Ｌ ｏ ｗ ｅ （ １ ９ ７ ９ ， １ ９ ８ ２ ）在 Ｍ ｉ ｄ ｄ ｌ ｅ ｎ ｔ ｏ ｎ和 Ｈ ａ ｍ ｐ ｔ ｏ ｎ
注： 本文为“ 十一五” 国家科技项目“ 国际重大资源态势评价与预测技术开发” （ 编号 ２ ０ ０ ６ Ｂ Ａ Ｃ １ ８ Ｂ ０ ５ ） 、 高等学校博士学科点专项科研基金 资助项目（ 编号 ２ ０ １ １ ０ ０ ０ ３ １ １ ０ ０ １ ４ ） 的成果。 收稿日期： ２ ０ １ １ ０ ８ ０ ９ ； 改回日期： ２ ０ １ １ １ ２ １ ０ ； 责任编辑： 章雨旭， 黄敏。 １ ９ ８ ４年生。博士研究生， 主要从事沉积学与石油地质研究。通讯地址： １ ０ ０ ８ ７ ５ ， 北京新街口外大街 １ ９号北京师范 作者简介： 李存磊， 男， 大学资源学院。Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｃ ｕ ｎ ｌ ｅ ｉ ｌ ｅ ｅ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｍ 。
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地 质 论 评
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（ １ ９ ７ ３ ） 分类的基础上， 结合流变学和搬运机制， 将 重力流划分为泥流（ 或粘性碎屑流） 、 颗粒流、 液化 流、 液体化流和浊流 ５种具体类型， 并将浊流划分为 低密度浊 流、 砂质高密度浊流和砾质高密度浊流 （ Ｌ ｏ ｗ ｅ ， １ ９ ７ ９ ， １ ９ ８ ２ ） 。然而 Ｌ ｏ ｗ ｅ 提出的高密度浊流 概念受到了激烈的争辩， 因为深水块状砂岩的塑性 流 变 特 征 与 液 性 流 的 高 密 度 浊 流 相 悖， 因此 Ｓ ｈ ａ ｎ ｍ ｕ ｇ ａ ｍ （ １ ９ ９ ６ ） 认为 Ｌ ｏ ｗ ｅ （ １ ９ ８ ２ ） 的高密度浊流 实际上为砂质碎屑流沉积， 是粘性至非粘性碎屑流 的连续系列， 从流变学特征看属于塑性流体， 具有分 散 压 力、基 质 强 度 和 浮 力 等 多 种 支 撑 机 制 （ Ｓ ｈ ａ ｎ ｍ ｕ ｇ ａ ｍ ， １ ９ ９ ６ ， ２ ０ ０ ２ ） 。Ｓ ｈ ａ ｎ ｍ ｕ ｇ ａ ｍ（ １ ９ ９ ６ ） 在修 改Ｓ ｈ ｕ ｌ ｔ ｚ （ １ ９ ８ ４ ） 分类的基础上， 将重力流划分为颗 粒流、 砂质碎屑流、 泥质碎屑流和浊流。 砂质碎屑流的概念在国内外影响较大， 并被国 内多数学者所接受。砂质碎屑流概念的优点是解释 了成因不清楚的水下“ 块状砂岩” ， 但是 Ｓ ｈ ａ ｎ ｍ ｕ ｇ ａ ｍ （ １ ９ ９ ６ ） 对重力流的分类中并未给出正递变砂砾岩 沉积体的流体成因， 也对多岩相共存的砾质粗碎屑 沉积体成因的流体性质解释不够清晰。为阐述流体 性质转换机制， 本文引用重力流最常用的分类方案， 即： 泥石流、 碎屑流、 颗粒流、 液化沉积物流和浊流 （ 张金亮和谢俊， ２ ０ ０ ８ ） ， 并在此分类的基础上阐述 高密度浊流、 砂质碎屑流等概念。
重力流沉积经过 ５ ０余年的争论与发展， 已经成 为深水沉积的重要理论， 但是由于重力流沉积动力 学过程本身的复杂性， 在理解重力流流体类型和沉 积作用特点时产生了许多分歧， 尤其是随着碎屑流、 浊流、 高密度浊流、 砂质碎屑流、 粘性碎屑流等概念 的提出， 更加剧了重力流分类方案及术语使用的混 乱现象。 目前越来越多的学者认为“ 浊积岩” 仅指浊流 与紊流悬浮中形成的沉积体， 并将浊流与其他类型 的重力流严格地区分开， 于是出现了对鲍马序列、 约 克扇（ Ｗａ ｌ ｋ ｅ ｒ ｆ ａ ｎ ） 等经典模式的质疑并提出砂质碎 屑流—浊流沉积模式， 使得当前对重力流沉积模式 的识别问题也进入了激烈的争论状态 （ Ｍ ｉ ｄ ｄ ｌ ｅ ｎ ｔ ｏ ｎ ａ ｎ ｄＨ ａ ｍ ｐ ｔ ｏ ｎ ， １ ９ ７ ３ ；Ｓ ｈ ａ ｎ ｍ ｕ ｇ ａ ｍ ， １ ９ ９ ６ ， ２ ０ ０ ２ ；Ｍ ｕ ｔ ｔ ｉ ｅ ｔ ａ ｌ ， １ ９ ９ ９ ；Ｍ ｕ ｔ ｔ ｉ ２ ０ ０ ９ ） 。 深水重力流模式研究的焦点是深水海底扇模 式， 而对于我国以粗碎屑沉积占优势的湖相浊积砂 体， 国内学者出于实用性的考虑， 从沉积环境、 相带 划分等方面， 提出了多种重力流沉积模式。较为典 型的模式有近岸浊积扇、 带供给水道的远岸浊积扇 和滑塌浊积扇（ 林壬子和张金亮， １ ９ ９ ６ ； 张鑫和张金
第 ５８卷 第 ２期 ２０１２ 年 ３ 月
地 质 论 评 Ｇ Ｅ Ｏ Ｌ Ｏ Ｇ Ｉ Ｃ Ａ ＬＲ Ｅ Ｖ Ｉ Ｅ Ｗ
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流体性质转换机制在重力流沉积 体系分析中应用初探
李存磊， 任伟伟， 唐明明
本文将浊流和浊积岩的基本特点简述如下。 （ １ ） 浊流是紊流， 紊乱是其沉积机制的原则。 （ ２ ） 浊积岩只是浊流沉积的产物。 （ ３ ） 粒序层理是单一沉积事件的产物。 （ ４ ） “ 浊流层序序列” 不是单一流态的产物， 可 以包含多种流态的组合。也就是说， 浊流层序序列 不等同于浊积岩， 浊流层序序列可以是多种流态成 因的岩相的组合。这对延伸浊流沉积体系非常有意 义， 即浊流沉积体系不是由单一的浊流形成的， 可以 包含其他流态， 这也是一个被广泛认同的事实。 Ｂ ｏ ｕ ｍ ａ （ １ ９ ６ ２ ） 提出一次浊流事件形成一个特有 的层序， 后 来 我 们 将 这 个 层 序 称 为 鲍 马 层 序。而 Ｂ ｏ ｕ ｍ ａ 又于 １ ９ ９ ７年注意到浊流中发育的牵引流沉 积单元（ Ｔ ｂ ， Ｔ ｃ 段） 与浊流的最初定义是不一致的。 今天看来， 一次浊流事件存在多种流态， 不同流态的 有序转换形成多个沉积岩相组合， 而鲍马层序仅是 对岩相组合的描述。 一次浊流事件也是多种流态流体有序转换的结 果， 而重力流从开始出现到最后形成沉积物， 更是存 在多个流体阶段， 不同的流体阶段之间、 相同阶段内 部都存 在 着 流 体 性 质 的 转 换 （ Ｆ ｅ ｌ ｉ ｘａ ｎ ｄＰ ｅ ａ ｋ ａ ｌ ｌ ， ２ ０ ０ ６ ；Ｈ ａ ｕ ｇ ｈ ｔ ｏ ｎｅ ｔ ａ ｌ ． ， ２ ０ ０ ９ ； 李云等， ２ ０ １ １ ） ， 这就造 成岩相描述显示浊流的多流态特征与浊流的单一流 体这一概念相悖。要解决这些矛盾就必须分析重力