浊流沉积研究的进展

浊流沉积研究的进展

1浊流沉积学研究的现状地质中长期的成因、深水环境中存在的陆源粗碎屑的积累和无序层理的形成，一直被忽视。直到20世纪50年代，才发现了浊流及其理论。浊流理论的建立是沉积学界的一场革命,具有划时代的意义,它极大地改变了人们研究沉积岩传统的思想模式,大大地丰富了沉积学研究领域。半个多世纪以来,人们对浊流沉积的特征、成因机制、触发条件和分布规律等方面进行了深入的研究,取得了很大的进展,认识水平也有了长足的进步。时至今日,浊流沉积的研究,特别是浊积岩与油气关系的研究仍然是沉积学研究的热点。本文在参阅大量有关文献的基础上,拟对浊流沉积国内外研究现状进行简要回顾和展望。2浊流及其概念2.1浊流的分类浊流(turbiditycurrent)是沿水下斜坡或峡谷流动的,携带大量泥砂的高密度底流,是重力流的一种特殊形式,沉积物主要由流体湍流的向上的分力支撑。Lowe(1979,1982)依据流体流变学(流体对塑性体)特征,认为浊流应为一种流体态流(fluidalflows)。同时,根据浊流中沉积物粒度、颗粒浓度和沉积物支撑机制将浊流分为3类:a.低密度浊流(Lowdensityturbiditycurrent),浊流中所含的沉积物颗粒粒度群多为细粒级的泥、粉砂、细砂和中砂,沉积物主要由湍流支撑而与颗粒浓度无关;b.砂质高密度浊流(Sandyhigh-densityturbiditycurrent),沉积物为含粗砂至细砾级,同时也含泥、粉砂和中细砂,支撑机制是湍流和阻碍沉降的力;c.砾质高密度浊流(Gravellyhighdensityturbiditycurrent),沉积物中含有细砾到巨砾,同时也还含有泥、粉砂和砂,因而各种支撑机制都有,但以分散应力和基质浮力为主,并且颗粒浓度要求较高,大于20%～30%时才稳定。实际上Lowe的浊流中包含了全部沉积物重力流的支撑机制,所以,对于这一划分方案有些学者,如G.Shanmugam就提出了不同的看法,他认为,从流变学特征来看,高密度浊流实际上是一种碎屑流,因为它具有塑性流变学特征,而非浊流的流体流变学特征,它是一种介于粘性碎屑流与非粘性碎屑流之间的一种流体,因而他建议称高密度浊流为砂质碎屑流(Sandydebrisflow)。2.2重力流的分类随着科学技术的发展以及海洋和湖泊研究的深入,特别是通过大量的现代沉积、野外露头和岩心观察,以及水槽模拟实验,对浊流的流动机制和沉积作用有了许多新的认识,从而大大地充实了对深水浊流沉积的看法,使浊流概念发展成为沉积物重力流(Sedimentgravityflow)的概念。但是长期以来,关于沉积物重力流的划分方案一直存在争议,G.V.Middleton和M.A.Hampron(1973,1976)发表文章指出:沉积物重力流(Sedimentgravityflow)是指沉积物或沉积物与水的混合物在重力作用下,顺斜坡运动形成流动,简称沉积物流,也称块体流。按支撑沉积物的颗粒机制的差异,可分为4类:a.浊流(Turbiditycurrent):沉积物主要由流体湍流的向上的分力支撑;b.液化沉积物流(Liquefiedorfluidizedflows):沉积物由粒间逸出的向上运动的流体支撑;c.颗粒流(Grainflows):沉积物直接由颗粒与颗粒间的相互作用(碰撞或紧密靠近)所产生的分散应力支撑;d.碎屑流(Debrisflows):沉积物中较粗颗粒由基质支撑,基质是较细的沉积物与孔隙内流体的混合物,它有一定的屈服强度。Lowe(1979,1982)根据流体的流变学特征将沉积物重力流划分为流体流(fluidalflow)、液化流(liquifiedflow)和碎屑流(debrisflow),前者表现为流体流变学特征,后者表现为塑性流变学特征,中间一类是兼具流体流变学特征和塑性流变学特征。Lowe又根据流体内沉积物颗粒的支撑机制将沉积物重力流细分为:a.浊流(turbiditycurrent);b.流化流(fluidizedflow);c.颗粒流(grainflow);d.泥流(mudflow)或粘性碎屑流(cohesivedebrisflow)。在自然界中出现的沉积物重力流,常常包含一种以上的机制,在不同的阶段有不同的表现,即使经典浊积岩也不能简单地理解为单一的湍流支撑和悬浮作用,其下部的块状段也包含隙间流体的向上流动和颗粒碰撞产生的分散应力支撑,而在沉积的后期阶段还有牵引作用。而且这几类沉积物重力流在其流动过程中是可以互相转化的,最常出现的是向浊流转化,如碎屑流加水稀释、颗粒流加水和泥,液化流加水均可变成浊流,所以,这4类沉积物重力流中以浊流最普遍。因而,人们习惯仍用浊流这个名词来作总称。2.3boisa浊流沉积相简言之,浊积岩(turbidite)就是由浊流沉积作用而形成的岩石组合。狭义的浊积岩(典型浊积岩)是指可以用Bouma序列描述的、由经典浊流沉积而形成的;广义的浊积岩是指形成于深水环境的各种类型重力流沉积物及其所形成的沉积岩的总称。它既包括典型浊积岩,也包含不能用Bouma序列描述的岩系(通常所说的沟道浊积岩),如块状砾岩、块状砂砾岩、块状砂岩、或由顺坡的块体运动形成的一些滑塌堆积,甚至包括远洋泥页岩等。3关于浊流沉积的研究3.1浊流沉积研究的进展20世纪50年代初浊流理论的建立,开辟了沉积学研究的一个新领域,被认为是沉积学的一次大革命。这次大革命经历了长时间的酝酿、观察和研究,最早可追溯到1887年瑞士自然科学工作者F.A.Forel对当时流入日内瓦湖的罗纳河的研究,他观察到流入日内瓦湖的罗纳河携带着大量悬浮物质,沿湖底流入湖内,他称之为密度底流或水下密度流。1936年,哈佛大学教授R.A.Daly提出水下高密度浊流具有很强的侵蚀能力,并以此解释了海底峡谷成因。Kuenen(1937)对Daly的这一假说用水槽试验进行了验证。Stetson等(1938)认为浊流是深海细粒沉积物搬运的营力。Johnson(1939)提出用浊流这一术语,表示那些由大量悬浮物质而不是由于盐度差和温度差引起的密度流。40～50年代,在长期的野外观察和一系列水槽试验的基础上,浊流研究取得了巨大进展,划时代的事件当属荷兰人Kuenen和意大利人Migliorini于1950年联名发表的《浊流是递变层理的成因》一文,认为浊流可以在深海中形成砂质沉积。这是十分重要的见解,它突破了传统的机械沉积分异学说,标志着浊流理论的正式建立。20世纪50～60年代浊流理论得到了极大的丰富和发展,人们认识到浊流不仅是海底峡谷和递变层理成因的主要机制,而且也是现代海洋乃至所有沉积盆地中搬运和沉积物的重要活动营力。60年代初,Kuenen的学生Bouma(1962)根据野外观察,对浊流沉积构造和浊积岩层序进行了全面和详细的总结,建立了著名的Bouma序列,这一浊积相模式至今仍在沉积岩研究中得到广泛的应用。Walker(1965)和Middleton(1967)通过野外观察结果和现代实验研究,依据流态概念对Bouma序列形成的水动力条件进行了解释。与其同时,许靖华教授和其他学者在研究美国加利福利亚洲文图拉盆地和洛杉矶盆地第三系时,发现油气储层不是盆地边缘的三角洲砂体,而是盆地中央的浊积砂体。并由此带来了巨大的经济效益。70年代,G.V.Middleton和M.A.Hampron(1973,1976)对重力流类型进行了卓有成效的研究,Lowe(1979,1982)对浊流的研究贡献突出,并明确地引进许多牵引流作用的名称和其所形成的牵引层理构造,并表示了它们在垂向上的演化层序。同时,意大利人Mutti和Rucci-Luchi(1972),美国人Normark(1978)以及加拿大人Walker(1978)对海底扇沉积相模式进行了研究,其中以Walker的海底扇模式最为经典,应用也最为广泛。80年代以来,人们对浊流沉积体系作了进一步研究,除海底扇外,对非扇浊积岩模式、碳酸盐斜坡重力流沉积模式进行了探讨。Stow(1986)等人还对深海沉积进行了研究,提出了包括浊积岩在内的所有深水沉积相的划分方案,并对其中每个相的形成机制进行了探讨,可以说,这一划分方案是对浊流及相关重力流沉积研究比较全面的概括。除此而外,人们还对浊流的形成与演化机理进行了进一步研究,提出了新的浊流触动机制,探讨了浊流的运动学特征及其对沉积物的搬运和沉积的控制机制。近年来,以Shanmugam和Moioal等为代表的一批学者,在对经典的古代浊积岩和现代浊流沉积重新研究后,认为其大部分浊积岩实际上应该为砂质碎屑流和底流构造成因,并提出了鉴别标志,同时,在对传统海底浊积扇模式进行重新研究的基础上提出了海底碎屑流模式。这可能代表了当今世界关于浊流沉积研究方面的最新进展。3.2重力流沉积特征及沉积模式的研究我国自60年代中期才引进浊流理论,而实际研究工作是从70年代才开始,较国外晚了近20a,而且这期间只有李继亮等(1978)公开发表过浊积岩方面的论文。但是从70年代末至80年代初开始并迅速掀起了浊流研究的热潮,1983年召开的全国浊流沉积学术会议使这一研究达到了高潮,很快就跟上了国外的步伐。一方面,展开了包括浊流在内的多种类型重力流沉积特征的研究;另一方面,十分重视重力流沉积模式的研究,不同的学者根据其研究区的资料,先后提出各种地方性或区域性的重力流沉积模式,同时也非常重视碳酸盐岩重力流沉积及沉积模式的研究;再一方面,对重力流含矿性的研究也取得了一定的进展,自50年代早期许靖华等发现浊积砂体可成为油气重要的储集层之后,以浊积砂体作为油气储层在世界各地陆续被发现,使浊积砂体成为继三角洲之后又一找油的重要领域,我国许多学者先后在辽河油田、渤海湾盆地等许多地方发现了与重力流有关的油气藏。90年代以来,我国对浊流沉积的研究主要体现在对其内部的层序结构、物源方向及沉积盆地水深的研究方面,有的学者还从储油物性、生储盖组合的空间演化与构造的关系来对深水扇进行研究。由此可见,30多a来,浊流沉积的研究已经成为我国沉积学一个非常重要、非常活跃的研究领域。4蓝积岩的识别4.1蓝积岩的组成特征浊积岩无论是矿物成分和化学成分都比较复杂,常常以复成分砾岩和杂砂岩为特征,杂基含量高,岩石组分的结构成熟度和成分成熟度都比较低。4.2非典型浊积岩递变层理或叠覆递变层理是浊积岩最主要的沉积构造,其次还有平行层理、波状层理、旋涡层理及滑塌变形层理等。典型的浊积岩是可以用Bouma序列来描述的,非典型浊积岩可发育其他一些特殊类型的构造单元,如:泄水管构造、叠瓦状构造等,有时可见交错层理和斜波状层理。另外,在浊积岩的底部经常发育各种印模构造,如:槽模、沟模、重荷模等,这些构造不仅是识别浊流沉积的重要辅助标志,而且对判断浊流流向也具有很好的帮助。4.3递变悬浮浊积岩的结构特征在粒度的各项参数方面均有良好的反映。由于浊流的密度大、流速快,沉积物主要是以递变悬浮搬运为主,所以概率图表现为一条斜度不大的较平的直线或微向上凸的弧线,说明只有一个递变悬浮次总体,粒度范围分布广,分选差。在C-M图上,点的分布平行于C=M线,C值与M值始终成比例增加,属于粒序悬浮区,反映的也是递变悬浮沉积为主的特点。4.4关于浊流沉积的层理构造浊积岩中的生物化石常常是浅水生物化石和深水生物化石共生,而且是砂体中含浅水生物化石,而泥岩和页岩中含深水生物化石。除生物化石外,浊积岩中还含有深水遗迹化石,如平行层理的爬迹、网状迹、觅食迹等。随着对浊流沉积研究的深入,对过去的一些观点要进行必要的修改,比如过去讲的浊积岩一般指的是能用Bouma层序描述的中细粒浊积岩,而现在发现更多的粗碎屑浊积岩(沟道浊积岩),它们是不能用Bouma层序来描述的。浊流沉积的层理构造过去注意到递变层理是其特征,而现在发现许多牵引层理构造同样存在,所以不能以此作为划分浊流和非浊流的绝对标志。但是有一点是可以肯定的:浊流沉积并能保存下来的都是在深水环境,即暴风浪基准面以下,浊积岩周围的围岩都是深水沉积岩。所以对古代浊积岩的判断,不仅要研究它的构造特征,而且要全面研究岩石结构、成分、生物化石,以及相的共生组合,注意相邻围岩特征。5标准层序地层格架浊积岩序列是反映浊流垂向沉积构造和沉积特征(主要是岩性和沉积构造)的标准层序。比较重要的有Bouma序列、Lowe序列、Stow和Piper序列,它们分别代表经典浊积岩层序,粗碎屑浊积岩层序和细粒浊积岩层序。5.1储层结构划分一个完整的Bouma序列是有5段组成:Ta段为粒级递变段或块状段,Tb段为下部平行纹层段,Tc段为流水波纹层段,Td段为上部平行纹层段,Te段为浊流间的泥岩段。(图1)这一序列已经得到广泛的承认和应用,它是描述砂质浊积岩的经典之作。5.2砾质高密度浊流Lowe提出的砂、砾质高密度浊流沉积序列,解决了部分粗碎屑浊积岩的标准层序及其成因问题。一个完整的高密度浊流沉积序列自下而上可分为6段:R1段为具牵引流构造的粗砾岩;R2段为反递变砾石层;R3段为正粒序砾石层;S1为具牵引流构造的砂岩段;S2为薄层状具反粒序的砂岩层;S3为块状或正粒序的砂岩段。Lowe认为砾质高密度浊流沉积了R1、R2、R3段后,可成为