深水作用机制研究进展讲解

深水作用机制研究进展

过去几十年里深海沉积理论在沉积学领域取得的进展有目共睹，进入21世纪以来有关论文发表数量跨入了一个崭新的阶段，充分显示了国际上在深海沉积作用研究成果及发展趋势，尽管我国相关方面的学术研究不尽如意。其中，三个方面受到了特别关注：一是与“鲍玛序列”有关的重力流沉积作用，20世纪90年代后期沉积学界展开了大讨论(参见《AAPG Bulletin》)1997，81卷；1997年AAPG年会：Shanmugam及其同时系列论著)；二是深海牵引流相关的沉积作用；三是深海层序地层方面。然而，目前国内外对深海沉积作用理论的概念和模式还存在较大分歧，甚至在关键术语和概念模式方面还存在认识上的偏差，从而影响人们对深海沉积油气预测与勘探方向的把握。本文主要对近几年国内外专家学者在深海沉积理论中对深水作用机制的研究进行了总结和归纳。

1 陆坡倾向的重力作用机制和相应沉积作用

1.1 深水重力作用认识进展

沉积物重力流中的颗粒流和液化流由于地质历史时期的实例少和应用价值不高故不受关注，碎屑流和浊流及其沉积物则是争论的主题。1997年AAPG年会上，Cliffton召集组织了题为“深水碎屑沉积作用与储层关系：我们能预测什么?”(Processes of deepwater clastic sedimentation and their reservoir implica-tions：whatcanwe predict ?)的讨论会，试图为解决这些争议找出一些关联答案。参加这次讨论会的正是相关领域的著名沉积学家如Bouma、Damuth、Lowe、Parker、Shanmugam等，但双方未能就自己的观点说服对方。那么，争论的焦点是什么呢?正是我们熟知的“鲍玛序列”!此次会议之后，Shanmugam在其系列文章中阐述了“鲍玛序列”并不都是浊流成因的思想，矛头直指“鲍玛序列是浊流形成的浊积岩所具有的特征层序”经典论断，而该论断和相关的“浊积扇”模式广泛流行于沉积学界，并在各个时期沉积学论著中大都能看到这种主流观点盛行的体现。

Shanmugam (2002)在对“鲍玛序列”经典剖面——法国海事阿尔卑斯

(Maritime Alps)的始新世)渐新世安诺(Annot)砂岩重新解剖研究后认为，这些砂岩单元代表有多次沉积事件作用，除了浊流外，还有更多的砂质碎屑流和牵引层流。这就从根本上否定了“每一个砂岩层(鲍玛序列)都是一个正粒序层”的结论，从而也否定了“鲍玛序列”浊流成因之说。关于对“鲍玛序列”的“批判”可参见其重要论文“浊积岩十大神话”，这里节选其重要的思想和结论以代表沉积物重力流理论认识进展的一个方面：1)由浊流形成的沉积物才能称为浊积岩；2)“高密度浊流”是指砂质碎屑流而不是浊流；3)“鲍玛序列”的交错层理是牵引底流沉积产生的；4)浊流是一种有牛顿流(这一点与我们过去教科书中的提法大相径庭。笔者注)和紊乱状态的沉积物重力流；5)浊积岩没有复杂的颗粒悬浮层和碎石浮层，不发育逆粒序。Shanmugam得出上述认识，不仅仅是建立在实际观察中，另一个重要依据是至今为止没有一个水槽实验能完整建造出“鲍玛序列”。其实，自“鲍玛序列”一提出来就曾受到过批评，只是没有引起注意。Shanmugam]作为反对派“弱势群体”的一方对“鲍玛序列”的批判只是敢于站出来的一个代表，诚如Miall所说：“因为我们在潜意识中对鲍玛浊积岩都有一个自认为很好的定义，这样就不难解释为什么许多沉积学描述和解释都偏离了方向，直到像Shanmugam之类的人出现并带来了新看法，说明深海砂岩并不等于浊积岩”。

关于碎屑流与浊流的关系，Shanmugam的编制的图谱给予了清楚的表达，并从流变学角度进行了讨论。由于人们过去将众多砂质碎屑流放置在“鲍玛序列”中A段被当作浊流沉积，因此在分析沉积相模式时自然而然地会出现偏差甚至错误。对此国内也有人给予了一定关注，并在西藏发现了实例。

通过上述深海沉积物重力流新认识及问题解析，结合近年来对西藏和川西深海沉积研究的经验教训，对深海重力流沉积有关沉积理论及概念，我们提出以下建议：1)鉴于“鲍玛序列”概念使用的广泛性，可以继续采用，但在使用时应当考虑它不仅代表浊流产物，而通常是砂质碎屑流、浊流、牵引底流共同作用的结果。因此，可能的情况下提醒读者注意其含义，并予以引号标注；2)浊积岩的使用仅限于浊流作用的沉积产物，不应与“鲍玛序列”所有的沉积等同起来；

3)在使用深海环境模式时建议废弃“浊积扇”概念，采用“深海扇”予以取代，在环境位置明确时使用“海底扇”概念。这是因为深海扇没有哪一类是由单一浊流形成的，而是由上述几种深海沉积作用共同作用的结果。斜坡扇概念源于层序

地层，广义上也应属于深海扇，但其是否存在争议很大(参见3.3)；4)在研究深海沉积重力流时，特别注意区别“鲍玛序列”A段中砂质碎屑流与浊流沉积成因。

1.2 深水重力作用机制

在深水陆坡区，基于其相对陡峭的地貌，在重力作用并在其他诱因(如地震、气水合物融解、超压释放、底辟活动、突发海流)的配合下，海床浅表层沉积物极易发生滑动、滑塌等重力活动，并进一步演化为碎屑流、颗粒流乃至浊流。这些均为因重力而发生的陆坡倾向上的深水作用机制，故而称之为陆坡倾向的重力作用机制和相应沉积作用。在多数情况下，这种作用是塑造深水环境地貌的主要因素。

滑坡和滑坡体是深水环境常见的作用机制和响应事件，在全球许多地方均有报道。其中以欧洲大陆边缘研究最为深入。Wilson等2004年研究了舍得兰群岛西北部的Afen滑坡体，研究了其形成的诱因、形成阶段等；Storegga滑坡体影响了约95 000 km2的面积、沉积物体积介于2400 km3和3200 km3之间，是目前世界上所识别的、水下曝露的最大滑坡体之一，其可进一步划分为6个地貌单元。此外地中海和西北欧亦有针对滑坡体的多处报道。在其它海域，如安哥拉、加利福尼亚北部海域的Hum-boldt滑坡体。滑坡体自触发、活动直至向重力流转化的全过程，和气水合物、油气渗漏、构造活动有着密不可分的关系，对于海岸地带的可持续发展亦有重要意义，这也是西方国家投入巨大力量研究的缘由。重力流水道-堤坝沉积体系是深水环境的显著特色(图2)。水道)堤坝体系在多数大型或中型规模的水下扇上多据主导地位，如密西西比扇，亚马逊扇，印度扇，孟加拉扇，扎伊尔扇，富士扇，以及许多小型扇，如Hueneme和Golo扇等。其中的水道扮演了碎屑物质向深海输送的通道，而堤坝则在重力流流动过程中起到了将其予以围限和分选以便于沙质组分输送至盆地平原。水道)堤坝体系可为粗粒组分的沉积场所。Deptuck等分析了尼日尔三角洲陆坡和阿拉伯海的水道)堤坝体系(channel-levee system (缩略为CLS))，并将之与其他地区的典型深水体系和露头剖面进行对比，系统总结了水道)堤坝体系的地貌单元、特征和成因演化。认为，尼日尔三角洲陆坡和阿拉伯海的上扇区域所发育的水道)堤坝体系，具有构型上的高度复杂性。通常具有数个构型单元：内堤坝、外堤坝、侵蚀通道、水道轴心沉积、滚动块体、物质输送的沉积。尽管单个体系的规模变化很大，第一级别构

型元素的相似性和它们的构型意味着，不管规模差异，它们都具有相同的沉积机制(图1)。

深水块状沙体的分布规律是深水油气勘探关注的核心问题之一。Stow定义其为巨厚的( >1 m)的沙层单元，缺乏原始沉积构造，且和其他深水沉积相联系。除了极厚层理和无构造的外观外，深水块状沙体的关键在于发育了普遍的水逃逸构造、细微的加积面和页岩块砾；并显示了差至中等的分选和组分的非成熟。卷入它们的长距离的输送和就位的两个关键性作用机制为沙质碎屑流和高密度浊流系。

图1 切穿了水道-堤坝体系的地震剖面，显示了第一级别的构型元素，包括侵蚀通道、内堤坝、外堤坝和种种的对应于水道沉积的HARs（DeptuckM E等，2003）。

深水峡谷或水道是陆缘碎屑和陆架浅水区物质向深水输送的主要途径。Abreu研究了安哥拉海域的Block 17区块DaliaM9 Upper油田，发现该区陆坡峡谷具有类似于陆域曲流河的形态，将之称为深水曲流水道。该曲流水道综合体约40 m深、2 km宽，为单个水道(该水道约300 m宽和40 m深)的侧向迁移和局部撕裂分支所致。其重要特征之一为位于水道边缘的叠瓦状地震反射的存在，这些叠瓦反射倾向于平行水道，在多数情况下向水道倾斜，在某些情况倾向于下游方向。这些叠瓦反射形成了位于水道内湾的特征明显的反射体，其显然和水道在其演化过程中的连续的侧向迁移有关。水道的迁移导致了水道内侧的增生沉积和水道外侧的侵蚀，形成了所谓之侧向增生体(LateralAccretion Packages (LAPs))。单一曲流水道的侧向迁移产生了侧向加积的水道综合体，其因水道充填的本质而呈不同程度的内部加积。同样，牛轭湖(环)是绿谷综合体的重要组成部分，其下部多为水道充填的粗碎屑组分，而中上部多为自曲流水道漫溢而来的相对细粒的、

和半深海的悬浮沉降的细粒组分。

多数深海扇模式主要是基于对古代沉积的研究，故而认为沉积朵叶体直接系于它们的补给水道。但水道)朵叶体过渡带(CLTZ(channel-lobe transition zone))是近些年来所识别的介于水下扇和水道之间一独立单元，其位于水道口的下陆坡方向，紧邻水道口，且通常和陆坡坡折相联系。在这一区域，浊流可能经历了自受限型向开阔型的水力体制的跃迁，导致了流体的迅速扩散和紊流程度的增加，进而导致海底侵蚀和沉积物途越作用。因此，众多侵蚀型刻槽和线形构造所形成的横向底形是该区域的特征之一。不过，大规模的侵蚀刻槽和相关的底形不仅仅局限于发育良好的CLTZ，下列位置也可以发育，水道堤坝后壁陆坡、水道边缘、水道底床以及小规模的富沙扇的扇面。

1.3 海洋深水区的深水扇

上陆坡、中陆坡和下陆坡乃至盆地平原均可发育朵叶体。只要地形发生相对平缓的变化，在水道、峡谷出口或撕裂分支的决口处均可发生流体行为的跃迁，从而沉积相应粒径的碎屑物质。朵叶体在沉积的同时，又相应造成了地貌的渐进性变化，和水道迁移一道形成了朵叶体的侧向和纵向的迁移，如此垂向叠加和侧向叠覆，即可形成规模巨大的陆坡扇或盆底(地)扇。

海洋深水区的深水扇( 海底扇) 已成为目前国际油气工业研究重要而活跃的领域。深水沉积理论主要分为两个学派：一是海洋沉积学学派；二是层序地层学学派(对深水研究做出重要贡献的有Walker、Stow、Shanmuguam等沉积学家Walker的研究主要涉及再沉积砾岩、深水多砾石砂岩与砾岩储层等粗粒沉积Stow的研究重点是深海细粒沉积物Shanmuguam的研究多涉及(砂质)滑塌、(砂质)碎屑流、滑塌和碎屑流为主的相、底流再作用、海底扇模式、发育、分类和含义等。

第十八届国际沉积学大会对深水沉积进行了多方面的讨论，归纳起来包括了深水沉积的各种沉积类型的实例研究(浊流、碎屑流等)、深水砂岩沉积特征、利用三维地震技术刻画深水沉积地貌特征以及利用露头伽玛仪对浊流沉积层序的划分等方面(其中来自荷兰的Joris T.Eggenhu Isen等学者对英国北海晚白垩统深水沉积的Britannia砂岩块体搬运沉积体系进行了详细研究，认为厚层碎屑沉积会发生整体搬运，呈现沉积体的整体沉积交替或掩埋前部沉积单元的大规模块体

搬运，从而影响砂岩的分布与储层内部的非均质。晚白垩统的Britannia深海砂岩沉积在Witch Ground地堑，形成了主要凝析气的地层圈闭。在根据遍及钻井的20km2Britannia砂岩钻探区11口钻井2000ft(610m)高品质的岩芯资料与，27口相邻钻井的详细研究发现，低位储层内部具有高度的不均质性，厚层碎屑沉积交叉或取代前部低位砂岩，从而在块体搬运内部形成沉积单位的这种大规模的重构现象，大大影响了砂岩的分布(这种砂体的重构现象主要受到地形高低的诱发，是最终形成砂体形态的重要因素，揭示了深水砂体沉积中形态与过程之间的重要联系。

1.4 深水碎屑流沉积中的滑坡体识别研究

Emmanuel E。Adiotomre等人通过三维地震资料的解释对安哥拉近海碎屑流沉积地貌特征开展了详细研究(重点开展深水碎屑流沉积中的滑坡体(slide) 的识别研究(指出三维地震属性分析仍然是刻画深水沉积体形态的最有利技术手段(在研究中利用频谱分解、RGB混合和变异属性刻画深水斜坡碎屑流的形态，最终发现褶皱和断裂演化改变了古海底和倾角的方向，从而控制了引起安哥拉近海碎屑流沉积体滑坡体空间分布的地貌要素，并在三维地震剖面上划分为三个滑坡地震相Emmanuel E。Adiotomre等人研究的深水滑坡体的形态研究就是美国深水沉积学家Shanmuguam教授指出的砂质块体搬运主要形态中的砂质滑动，后者将深水环境中砂质块体运移分为四个部分，砂质滑动(sand slide)砂质滑塌(sand slump)、砂质碎屑流(sand Debris) 与砂质浊流(sand Turbidity)。Emmanuel E。Adiotomre 等人的研究结果提供新的造成滑坡的可能原因的见解，值得在石油和天然气勘探慎重考虑和。意大利的Domenico Capolongo对陆上地震诱发的滑坡与斜坡剥蚀作用机制的研究可能为我们开展深水沉积诱发机制研究方面提供一些启发。文章指出中强地震可能引发从几百到几十万方滑坡作用，并且地震引起对斜坡稳定性的影响不仅限于一个强烈地震振动短暂的时期，而且在某些情况下存在延迟滑坡，会在几小时甚至发生地震后数天才会引起滑坡(特别是地震引起的山体滑坡与后期的斜坡剥蚀作用共同产生多次的滑坡现象。

2 深海牵引流作用机制及相应沉积作用

众所周知，深海牵引流主要包括等深流、内潮汐、内波，以及其它未知的一

些底流，在国内外有关研究进展情况业已评述[35~37]，但总体来看问题认识不足。

2.1 等深流作用机制和相应沉积作用

等深流从1966年发现以来已经40余年，然而，从目前发表不多的文献情况来看其应用非常有限，主要存在几个方面的问题。一是根据已经总结的古代和现代等深积岩或沉积物特征[38，39]在露头或岩芯识别古代等深积岩还存在困难之处[40]，而且与正常浅海和深海的细粒沉积较难区分；其二，在几十年来发表的等深流相关文献中，绝大部分与现代和新近纪有关，在古近纪之前识别的实例据Elsevier、GSW、CKNI中国期刊全文数据库不完全统计不超过20篇(国内8~10篇，国外少于10篇)，而且集中在奥陶系和侏罗)白垩系少数几个层位；第三，等深流主要形成于陆隆和斜坡环境，这些场所以侵蚀作用为主，客观上限制了等深流沉积的保存。这一特点早在上世纪80年代初Shanmugam和Moiola[41]就指出：“实验室可以完成大量热跃层流、等深流的测速等实验，浊流沉积的实验较少。野外观察却相反，可观察到大量的浊积岩，等深积岩和热积岩却罕见”。

1936年，德国物理海洋学家GeorgeWust首次提出，由温盐循环控制的底流可能足以影响深洋盆地的沉积通量。一般来说，“底流(Bottom currents)”是指作用在深水的、且为大洋和其边缘海中的温盐或风驱循环的部分的那些海流，它们并不严格遵循等深线，但等深流依然作为底流的同义词被广泛使用[44]。慢速的温盐循环主要起源于极地水体的冷却和下沉，如南极底层水(Antarctic BottomWater (AABW))、北极底层水(Arictic BottomWater (ABW))等。而地中海外溢水团( theMediterranean OutflowWater (MOW))构成了大洋中层水团的重要来源(Mougenotand Vanney，1982；引自Mulder等2003)。

不同于纯粹温盐循环的其他底流还有大的风驱海流体系。在一些情况下，它们的影响水深甚至可达4000 m。譬如受科氏效应影响的西边界海流，如湾流、黑潮和绕南极海流(Circumpolar Antarctic Cur-rent)等[44]。这种风力驱动形成的涡旋影响深海海床甚巨，乃至称之为深海风暴(Benthic storms)[4]。

底水速度通常不大于1~2 cm /s。但是，它们可因科氏效应、盆地或水道地形的变化而予以极大加强。譬如西边界潜流的速度可达到10~20 cm /s。在流体特别受限或陆坡特别陡峭的地方，流速可超过100 cm/s。在经过深海盆的狭窄出口或海道时，甚至记录到了超过200 cm /s的速度[44]。可见，底水是温盐循环的半

图2 等深流(底流)漂积体的形成模式和识别标志（据Stow D A V等，2002）

席状等深流沉积Contourite sheets，粘敷漂积体Plastered drift，席状漂积体Drift sheet，长条状漂积体Elongate drifts，拆离漂积体Detached drift，孤隔漂积体Separated drift，水道相关的漂积体Channel-related drifts，等深流扇Contourite’fan’，横向和轴向的、补丁状漂积体Lateraland axial patch drifts，局限状漂积体Confined drifts，诱变的扇-漂积体Modified fan-drift

Fig。3 The formationmode of the contourite drift，including the contourite sheets，plastered drift，drift sheet，elongate drifts，detached drift，separated drift，channel-related drifts，contourite-fan。，lateral and axial patch drifts，confined drifts，modified fan-drift

永久部分，在许多情况下其强度上足以侵蚀、输送和沉积物质，特别是粘土、粉沙和细砂粒级，甚至更为少见的粗沙和砾石。

因此，底流(或等深流)可在大洋深水环境形成独具特色的等深流沉积[3]。而漂积体( sedimentdrift)是一个概括性术语，是指不具备明确界定的或独特外观的、但其沉积过程受海流某种控制的沉积聚集，并不局限于底流沉积。

Stow等在吸收了Faugàres等人的观点后，提出了平流漂积体的模式(图2)；并总结了底流作用下的海床的侵蚀特征和沉积底形(图3)。

2.2 深水峡谷中的潮汐底流作用和相应沉积作用

Shepard andMarshall在实地测量了众多深水峡谷(包括Kaulakah，i Hueneme，Congo，Carme，l Hydrographer，Petacalco等)中的海流，发现峡谷中存在着和半日潮周期具有紧密相关的上下往复海流的活动[5]。判定深水水下峡谷有利于形成深水潮汐底流、并有利于其发挥作用。在水深自46~4 200 m之间进行的海流测量显示，其潮汐底流通常可达到最大流速25~50 cm /s，足以对粉沙乃至沙质底质产生重要影响[5]。

Shanmugam基于对现代和古代深水沉积的岩心和露头的研究后提出，砂-泥韵律、双向泥层、爬升波纹、泥覆波痕、平行和交错纹层的交互、具有泥盖层的S型交错层理、潮汐内部侵蚀面、豆状层理、压扁层理均可用以解释深海峡谷中的潮汐海流。岩石记录中的这种相组合可被用作识别水下峡谷背景的标志。在峡谷口环境，深水潮汐沉积可能发育出位于水道内的长条状的坝，其平行于水道轴心，而浊流最可能发育出横亘于水道口(垂直于水道轴心)的沉积朵叶体。浊流沉

积朵叶体比水道宽度宽得多，而潮汐沙坝比水道宽度则小得多[45]。

2.3 内波作用和相应沉积作用 内潮汐和内波从提出以来已有100多年，但真正引入到沉积学还是20世纪90年代以后的事情。目前对现代已知内波、内潮汐的沉积特征分别有较为详细清楚的描述，然而，由于它们经常与远源浊流沉积共生，加之形貌相似，以至于彼此间难以区分，易于混淆。国内从90年代初期开始涉入这一领域来，在综合和实际应用方面取得可喜的成绩[7，39，42~47]。尽管如此，初步调研国内外近年文献，发现有以下一些现象值得注意： (1)国外的研究集中在现代海洋实例[13，48，

49]

图3 等深流(底流)作用下的沉积底形和侵蚀特征，注意比较所示的尺度大小（据Stow D

A V 等，2002）

和实验模拟[15，35，50]两个方面，中生代以前的例子屈指可数；(2)国内的研究重点在综述和内潮汐的实例报道。这种现象说明国内的理论基础研究相对薄弱，更多地停留在表面描述上；(3)对于大型内波，现代海底容易识别发现，而对古代记录来说是可遇不可求。目前全球关于内波在古代记录中的报道见于塔中地区[51]，但资料源于地震反射，可靠性尚待证实。

高振中等认为单纯的底流及浊流可能无法满足沉积物波形成所需的流动速度及流动层厚度，海底巨大的沉积物波难以由单一的海底流动(等深流或浊流)来形成（LastrasG等，2004）。许多学者探讨了内波作为一种重要甚至主要的深水作用机制、并进而形成重要的深水沉积体系的可能性[47~56]，但内波作用和相应沉积作用依然需要进一步的探讨。

由此，深海牵引底流进展由于在理论和实践结合方面脱节，新认识、新进展较少，主要问题是等深流、内潮汐、内波在实验室有大量实验和模拟完成，在野外却难以成功观测和应用，这就需要野外沉积学家和实验、模拟的研究人员联合起来，共同促进深海牵引流的研究。

小结

本文对深水沉积的发展历史和研究现状进行了总结，主要包括：

(1)深水重力作用认识进展及机制研究，期中又对砂质碎屑流和浊流进行了

详细的区分并提出了若干建议；

(2)分别讨论了深水等深流、内潮汐和内波作用机制并举实例说明；

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