原创    杨田  操应长  

全篇约5225字，5图，阅读需要8分钟

可曾想过陆上蜿蜒盘旋的河流在海底或湖底也会同样的呈现？

可曾想过陆上的山体滑坡和泥石流同样会发生在海底或湖底？

答案是肯定的，而这都与我们今天要了解的主人翁—深水重力流息息相关！

深水重力流是指形成于深水环境，在重力作用下发生流动的、弥散有大量沉积物的高密度流体。深水重力流的产生及其形成的沉积物与国民经济和生产密切相关，具有十分重要的科学研究价值和社会经济价值（Talling et al.,2013）。深水重力流的形成多与地震和洪水等灾难性地质事件密不可分，为这些地质灾害的再发周期和气候演化研究提供了间接载体；它能将大量的陆上有机质向深水盆地搬运并埋藏，控制有机碳的埋藏速率和大气中的二氧化碳浓度；是塑料微粒向深水盆地输运的重要动力机制，导致了塑料微粒遍布全球而威胁人类健康（KaneandClare,2019）；可能会导致海底通讯电缆、输油管道折断、钻井平台倒塌，带来巨大的经济损失和人员伤亡；但是深水重力流沉积物中也赋存了大量油气资源及贵重金属矿产，具有重要的能源经济价值。因此，明确深水重力流的形成过程和分布规律十分重要。由于深水重力流沉积发生在深水环境，无法直接观察，因而研究难度大，现在让我们一起了解地质学家是如何一步步揭开深水重力流沉积的神秘面纱。

深水重力流沉积的前世

【01.复理石的研究—雾里看花】

围绕阿尔卑斯山脉中广泛发育的砂泥韵律层的成因研究是对深水重力流沉积的原始思考。早在1827年，Studer在对阿尔卑斯山脉第三系砂岩与灰黑色页岩规律性互层形成的巨厚砂泥质沉积物研究的基础上提出了复理石的概念，之后逐渐扩展到东阿尔卑斯､喀尔巴阡和亚平宁山脉的白垩系（图1）（Mutti et al.,2009）。复理石沉积早期被认为受频繁构造垂直升降运动所控制，属于构造相，是典型的“地槽沉积”；复理石中的砂岩一般有很高的杂基含量，色灰而脏，具有杂基支撑和递变层理两大特点。当时认为这种沉积物与深水沉积环境毫无关系，因为那时候大家坚信深水环境是一片死静，不存在砂质沉积。

图1-亚平宁山脉中的复理石建造（Mutti et al.,2009）

【02.深水沉积思考—希望曙光】

随后的科学考察证实深海中同样存在分选较好的砂质沉积物与泥岩互层的情况，并且这些深海环境中的砂质沉积物与复理石沉积极为相似。Fuchs（1883）发现复理石沉积缺少大型交错层理、浅水生物活动遗迹和泥裂等浅水环境标志，而海洋有机质、深水生物化石和遗迹化石发育，因而提出复理石属于深水沉积成因，但是，对于沉积物的搬运机制仍然不得而知（Mutti et al.,2009）。同时，Forel（1885）观察到由罗纳河携带的大量悬浮物质到达日内瓦湖后会沿着湖盆底部直接注入湖盆中心，他将这种流体称为高密度流，这是关于深水沉积动力过程的原始思考（Mutti et al.,2009）。尔后，Bailey（1930）在野外工作的基础上，提出了“流水层理”和“递变层理”两种概念，“递变层理”指沉积物粒度由下而上变细的层理，属于深水沉积作用的产物，自此，深水环境同样发育大量砂质沉积物的事实开始被普遍接受（Mutti et al.,2009）。

【03.浊流理论诞生—石破天惊】

Kuenen和Migliorini（1950）在水槽实验和野外观察的基础上系统阐述了浊流沉积形成递变层理的机理，将此作为浊流理论开端的标志。随后，Kuenen和他的学生围绕亚平宁山脉北部、阿尔卑斯山的浊流沉积物开展了一系列卓有成效的研究：Kuenen提出浊积岩的概念来指代粒序层理砂岩沉积；他的学生Bouma（1962）随后提出了浊流沉积的典型序列即著名的鲍马序列（图2a），成为了判别深水重力流沉积的关键标志。浊流理论突破了传统机械沉积分异学说的认识，肯定了事件沉积作用的重要意义，标志着现代沉积学的诞生，影响深远。尔后，许靖华教授在1955年发现了美国加利福尼亚州文图拉盆地和洛杉矶盆地的第三系浊积岩油藏（Mutti et al.,2009），在巨大经济效益驱使下，浊流沉积得到了充分的重视，一系列为满足勘探开发需要的深水扇沉积模式先后被提出来（图2b,c）。

图2-鲍玛序列和扇模式

（a）鲍玛序列（Bouma,1962）；（b）现代扇模式和古代扇模式（Mutti et al.,2009）；（c）海底扇模式（Walker,1978）.

深水重力流沉积的今生

【01.流体类型—百花齐放】

Middleton&Hampton（1973，1976）首先认识到深水沉积中存在与经典浊积岩伴生的复杂岩相和沉积过程，提出“沉积物重力流”这个更为广泛的概念来描述深水沉积流体类型，根据颗粒的支撑机制分为碎屑流、颗粒流、液化流和浊流，这种突破性的见解大大扩展了对深水重力流沉积的认识，将浊流理论拓展为深水重力流沉积理论（Mutti et al.,2009）。此后，关于深水重力流流体类型的认识呈现百花齐放的态势，不同学者从不同认识角度提出了诸多分类方案：如基于深水重力流搬运过程和流变学特征的分类、基于流体的密度和沉积物的支撑机制的分类、基于沉积物的支撑机制和流体转化与混合机制的分类以及综合颗粒支撑机制-流变学特征-流态-沉积构造等多种特征的分类。发展出了如砂质碎屑流、超浓密度流、异重流、混合重力流、过渡流、超临界重力流等一系列的术语（邹才能等，2009；操应长等，2017b）。冗余庞杂的分类方案和术语系统也成为目前深水重力流沉积对比研究的一个难题。

【02.成因机制—推陈出新】

随着对深水重力流沉积基本特征认识的不断深入，人类的好奇心必然会驱使我们追根溯源地探究其形成机制。深水重力流的概念问世以后一直被认为是陆坡快速堆积沉积物在地震等因素的触发下发生滑塌再搬运而形成的一种高密度流，深水重力流沉积几乎等同于深水滑坡沉积。直到MulderandSyvitski（1995）认识到携带大量悬浮物质的洪水同样能够直接进入深海平原卸载，形成深水重力流沉积；这距离当初Forel见到罗纳河携带的大量悬浮物质沿湖底直达日内瓦湖中心的所观所想已经过去了整整110年。先哲智慧，发人深省。这种洪水成因的深水重力流沉积（即异重流沉积）也成为了近年来沉积学的研究热点(朱筱敏等，2016)。目前已认识到深水重力流沉积的两种主要机制：一是浅水环境堆积的沉积物垮塌再搬运，随着周围水体的卷入，在地形坡度和自身重力的双重作用下离散成为重力流；二是洪水期河流携带的大量沉积物以高密度底流的形式下潜，沿着盆地底部在地形坡度和自身重力的双重作用下持续向深水盆地搬运（图3）。此外，近期的深水重力流沉积实际观测表明，风暴作用沉积物再悬浮和漂浮在表层沉积物的卸载也是深水重力流沉积形成的重要机制。

【03.演化过程—鞭辟入里】

沉积过程是连续且有序的，没有对沉积作用有序性的客观认识就没有活的沉积学，深水重力流沉积演化过程正是过程沉积学研究的典范。随着对重力流流体类型认识的丰富，越来越多的事实表明不同类型的深水重力流之间存在相互转化。早期研究强调了高浓度的碎屑流在搬运过程中由于环境水体的卷入稀释，向低浓度的浊流转化，这种转化过程也是岩相分析及成因分析的基础（图4a）。然而，大量的实例研究发现同样存在低浓度的浊流向高浓度的碎屑流转化的情况，这种转化是导致重力流混合事件层在沉积远端广泛发育的主要原因（Haughton et al.,2009;操应长等，2017a）。流态转化同样是深水重力流搬运演化过程中的重要动力学行为（图4b）。在深水环境中，快速搬运的分层流体极易达到超临界状态（佛罗德数Fr大于1），超临界流体具有很强的侵蚀能力，是深水重力流水道形成的潜在动力；超临界流体与亚临界流体的频繁转化则是深水大型波状沉积底形形成的可能动力机制（图4c）（Postma and Cartigny,2014;操应长等，2017b）。水力跳跃作用控制下的超临界浊流向亚临界浊流的转化和湍流抑制作用控制下的浊流向碎屑流的转化，成为目前重力流沉积动力学研究的两个核心热点问题（Talling et al.,2015）。

图4-深水重力流流体演化过程（Haughton et al.,2009;PostmaandCartigny,2014）

（a）沉积物浓度降低的演化过程；（b）沉积物浓度增加的演化过程；（c）超临界流体与亚临界流体之间的转化过程.

【04.沉积模式—精益求精】

通过对深水重力流砂体沉积特征及分布规律的研究，建立普适性的深水重力流沉积模式，以指导相似沉积背景下深水重力流砂体的分布预测是沉积模式研究的意义所在。伴随深水重力流类型及其成因认识的深入，深水重力流沉积模式研究不断深化。早期主要为浊流理论支撑下广为流行的海底扇沉积模式，受沉积构造背景的复杂性和物源供给的多样性控制，单一的扇模式并不能很好地概括所有沉积类型，因而后期扇模式被摒弃。现阶段沉积模式的研究更强调对具体沉积构型要素的解析，强调水道-天然堤、水道—朵叶转换带、朵叶、块体搬运沉积等沉积构型要素的发育及其有序组合（图5）。随着非常规油气勘探的盛行，细粒沉积受到广泛重视（姜在兴等，2013），深水重力流对细粒沉积物的搬运和沉积突破了细粒沉积物主要在安静水体环境通过悬浮沉降形成的传统认识，其主导的细粒沉积物沉积模式研究成为近期沉积学研究的热点（Talling et al.,2012）。然而，模式的研究始终难逃以偏概全之嫌，深水重力流沉积中还有哪些需要深入刻画的细节仍然是值得思考的问题。

图5-深水重力流沉积模式

（a）沉积物供给充分的洪水成因重力流沉积；（b）沉积物供给不足的洪水成因重力流沉积；（c）沉积物供给不足的垮塌成因重力流沉积；（d）沉积物供给充分的垮塌成因重力流沉积.

深水重力流沉积的未来

【01.实际监测—芳容始现】

随着科学技术的发展，在深水重力流监测方面取得的长足进步，使得通过实际水下监测来获取深水重力流的流速、密度、浓度等相关参数成为了可能，从而为揭开深水重力流沉积的神秘面纱提供了有利条件。现阶段大量关于深水重力流沉积的颠覆性认识，多得益于深水重力流沉积的实际监测，如深水重力流搬运过程中的流体结构、海底大型波状沉积地形的形成过程、深水重力流底部广泛发育的高浓度层、台风触发的深水重力流活动规律、表层漂浮流的聚集卸载形成深水重力流等。可以预想，在不久的将来我们还会获得更多关于深水重力流沉积的新认识，而深水重力流的实际监测也必将在这些新认识的形成中继续发挥关键作用。

【02.露头研究—经典永恒】

深水重力流沉积的研究起源于造山带中赫然在目的典型露头，这些露头以最直观的方式激发着人们探索未知的好奇心，展示着深水重力流产物的沉积特征和分布规律。纵然深水重力流实际监测取得了可喜的成果，但是考虑到深水重力沉积的古代露头研究和现代研究在沉积特征和沉积规模之间都存在较大差异，这使我们不得不去思考现今的重力流沉积是否与古代的重力流沉积完全一致。因而，露头的深水重力流沉积研究，仍然是揭秘古代重力流形成过程乃至地球演化历史的关键钥匙。我们需要始终坚信露头的研究是永恒的经典，因为，山就在那里！

本文第一作者系成都理工大学研究员，第二作者系中国石油大学（华东）教授兼博士生导师。

本文属作者本人理解，相关问题交流可通过邮箱与第一作者yangtian19@cdut.edu.cn、第二作者caoych@upc.edu.cn联系。欲知更多详情，请进一步阅读相关原始文献。

【知识BOX】

碎屑流、颗粒流、液化流和浊流是根据重力流沉积物颗粒的支撑机制将其细分成四种类型，碎屑流的沉积物颗粒以泥质杂基强度支撑为主，颗粒流的沉积物颗粒主要通过颗粒之间的碰撞支撑，液化流的沉积物颗粒主要通过超孔隙流体压力支撑，浊流主要通过流体湍动支撑。

弗洛德数（Fr）是判别流体流态的一个无量纲参数，根据水下弗洛德数的计算公式和大小，可以将重力流划分为超临界流（Fr>1）、临界流（Fr=1）和亚临界流（Fr<1）。

水力跳跃作用是指当超临界流体向亚临界流体流动时，发生在两者接触界面的流体明显抬高减速现象，并使超临界流体转化为亚临界流体。重力流从限制性水道流向非限制性朵叶时由于坡度和限制条件的变化，易发生水力跳跃作用，形成大量波状沉积底形，这个位置也被称为水道-朵叶转换带。

主要参考文献

【1】Bouma, A. H., 1962. Sedimentology of some Flysch Deposits. A Graphic Approach to Facies Interpretation. Elsevier, Amsterdam, 168. 

【2】Clare, M. A., Clarke, J. E. H, Talling, P. J., et al. 2016, Preconditioning and triggering of off shore slope failures and turbidity currents revealed by most detailed monitoring yet at a fjord-head delta. Earth and Planetary Science Letters, 450: 208-220. 

【3】Haughton, P., Davis, C., McCaffrey, W., and Barker, S., 2009. Hybrid sediment gravity flow deposits –classification，origin and significance. Marine and Petroleum Geology, 26(10): 1900–1918. 

【4】Kane, I. A. & Clare, M. A. 2019. Dispersion, accumulation and the ultimate fate of microplastics in deep-marine environments: a review and future directions. Frontiers in Earth Science. 7, 80. 

【5】Kuenen, P. H., Migliorini, C. I., 1950. Turbidity currents as a cause of graded bedding. The Journal of Geology 58: 91-127. 

【6】Mutti, E., Bernoulli, D., Ricci Lucchi, F., et al., 2009. Turbidites and turbidity currents from Alpine ‘flysch’ to the exploration of continental margins. Sedimentology, 56: 267-318. 

【7】Mulder, T., and, J. P. M., 1995. Turbidity currents generated at river mouths during exceptional discharges to the world oceans. Journal of Geology ,103:285 – 299. 

【8】Postma, G., Cartigny, M. J. B. 2014. Supercritical and subcritical turbidity currents and their deposits--A synthesis. Geology 42: 987-990. 

【9】Talling, P. J., Paull, C. K., Piper, D. J. W., 2013. How are subaqueous sediment density flows triggered, what is their internal structure and how does it evolve? Direct observations from monitoring of active flows. Earth-Science Reviews, 125: 244-287. 

【10】Talling, P. J., Allin, J., Armitage, D. A., et al., 2015. Key Future Directions for Research on Turbidity Currents and Their Deposits. Journal of Sedimentary Research 85, 153-169. 

【11】Walker, R.G. 1978. Deep-water sandstone facies and ancient submarine fans-models for exploration for stratigraphic traps. AAPG Bulletin, 62, 932-966.

【12】操应长，杨田，王艳忠，等.2017a.深水碎屑流与浊流混合事件层类型及成因机制.地学前缘，24（3）：234-248.

【13】操应长，杨田，王艳忠，等.2017b.超临界沉积物重力流形成演化及其作用下的沉积特征.石油学报，2017b，38（6）：607-621.

【14】姜在兴，梁超，吴靖，张建国，张文昭，王永诗，刘惠民，陈祥.2013.含油气细粒沉积岩研究中的几个问题.石油学报，2013，34(6)：1031-1039.

【15】邹才能，赵政璋，杨华，等.陆相湖盆深水砂质碎屑流成因机制与分布特征—以鄂尔多斯盆地为例.沉积学报，2009,27（6）：1065-1075.

【16】朱筱敏，钟大康，袁选俊，张惠良，朱世发，孙海涛，高志勇，鲜本忠.2016.中国含油气盆地沉积地质学进展.石油勘探与开发，43（5）：820-829.