李 林 曲永強 孟慶任 武國利

(1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029;2.中國科學院研究生院 北京 100049)

重力流沉積:理論研究與野外識別①

李 林1,2曲永強1孟慶任1武國利1,2

(1.中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029;2.中國科學院研究生院 北京 100049)

重力流沉積是(半)深海和深湖環(huán)境中一種重要的沉積現(xiàn)象,因此準確識別重力流沉積對恢復古代沉積環(huán)境具有重要意義。從沉積物重力流的基本理論出發(fā),介紹四類重力流沉積的特點和野外鑒別特征。碎屑流沉積表現(xiàn)為顆粒大小混雜,底面平坦,板條狀礫石平行層面排列;超高密度流沉積的砂巖呈厚層狀或塊狀,砂巖內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)較大礫石或泥巖碎片,泄水構造和液化構造常見,具逆粒序的顆粒流也屬于超高密度流;高密度流沉積兼具超高密度流和濁流沉積的特點;鮑瑪層序Ta-d段是一次濁流事件的產(chǎn)物,但只有Ta段為濁流沉積,Tb-c段為牽引流沉積,Td段為懸浮沉積。在重力流發(fā)展過程中可出現(xiàn)各種流動轉換。底流和過路流對重力流沉積的改造也是一種普遍現(xiàn)象。

沉積物重力流 碎屑流 濁流 底流 鮑瑪層序

自Kuenen和Migliorini[1]的開創(chuàng)性工作以來,沉積物重力流的研究已進行了60年,其基礎理論已發(fā)展的相當完善[2-7]。然而,自20世紀90年代晚期,對沉積物重力流的研究遇到許多新問題[8～13],主要表現(xiàn)在以下幾個方面:1)由于存在多種建立在不同標準之上的分類體系[3,5,11],造成不同研究者之間交流的障礙;2)對同一沉積現(xiàn)象存在概念性的偏差,如砂質(zhì)碎屑流[8],超高密度流[11]和泥漿流[14],實際上指的是同一種流體;3)對一些重力流沉積現(xiàn)象的理論解釋存在爭論,如逆粒序的成因[15～18]、鮑瑪層序Ta段的解釋[4,6,9～11,19]、以及塊狀砂巖的成因[8,20～22]等。

由于對 Normark[23],Mutti、Ricci-Lucchi[24]和Walker[25]等人建立起來的水下扇體系開始重新思考,從而在重力流沉積理論方面引發(fā)了激烈的爭論。經(jīng)典的理論或被拋棄[26,27],或正受到挑戰(zhàn)[28～35]。因此,如何合理地劃分和解釋重力流沉積已成為研究重力流沉積體系的關鍵。本文的目的是對當前沉積物重力流的研究進展進行總結,闡述不同類型重力流的流動機制和它們的典型沉積特征,同時探討如何在野外對不同重力流沉積進行鑒別。

1 沉積物重力流的分類

Dott[2]最早按照流體的流動機制將沉積物重力流劃分為塑性流(碎屑流)和黏性流體流(濁流)兩大類。隨后,Middleton和Hampton[3,4]將顆粒的支撐機制作為劃分依據(jù)引入到沉積物重力流的分類中,分別是:以流體擾動為主要支撐機制的濁流,以向上運動的流體所產(chǎn)生的孔隙壓力為主的液化流,以顆粒間相互作用為主的顆粒流,以及以基質(zhì)強度支撐為主的碎屑流.owe[5,6]綜合了前兩者的優(yōu)點,他首先依據(jù)流體的流動狀態(tài)將沉積物重力流劃分為流體流和碎屑流兩大類,然后再根據(jù)不同的顆粒支撐機制,細分為濁流、流體流、液化流、顆粒流和黏性碎屑流等五類。

Middleton和Hampton[3,4]以及Lowe[5,6]的分類囊括了絕大多數(shù)野外所能觀察得到的重力流沉積,并具有較強的實用性,然而卻存在兩個問題:首先,塊狀砂巖沉積不能歸入以上任何一類重力流沉積.tow等[22]認為高密度濁流或砂質(zhì)碎屑流可以形成塊狀砂巖,后文將說明即使這兩個術語實際上也并不恰當;其次,上述分類中都包含了液化流(流體流),而實際上液化流并不是一種獨立的流體[11]。液化流沉積是由重力荷載或地震等誘發(fā)的液化現(xiàn)象改造早期重力流沉積而形成的。液化前的沉積物既可能是濁積巖,也可能是塊狀砂巖。

Mulder和Alexander[11]提出了新的沉積物重力流分類方案,該方案首先根據(jù)沉積物顆粒是否具有黏結性,將沉積物重力流分為黏結流(cohesive flow)和摩擦流(frictional flow)兩大類;再根據(jù)流體中沉積物顆粒的含量和主要的顆粒支撐機制將摩擦流細分為超高密度流(hyperconcentrated density flow),高密度流(concentrated density flow)和濁流三類(圖1)。

圖1 沉積物重力流的分類及基本特征(總結自Middleton和Hampton,1976;Lowe,1982;Shanmugam,2000;Mulder和Alexander,2001[4,6,11,36])Fig.1 Classification and essential characteristics of sediment-gravity flows (Summarized from Middleton and Hampton,1976;Lowe,1982;Shanmugam,2000;Mulder and Alexander,2001[4,6,11,36])

2 重力流沉積作用分析

2.1 碎屑流沉積

碎屑流是沉積物顆粒由基質(zhì)支撐的一種流體,基質(zhì)由粒間流體和細粒沉積物混合而成[11]。這里所描述的碎屑流與Lowe[6]命名的泥流和黏結碎屑流相同,即基質(zhì)以黏結性泥為主,顆粒以礫石為主的礫質(zhì)碎屑流[37],而不包括顆粒以砂為主,基質(zhì)中黏結性泥含量較少的砂質(zhì)碎屑流[8,37]。碎屑流不僅形成于陸上沖積扇環(huán)境[38,39],也廣泛發(fā)育在深水環(huán)境[3,40]。

從流動機制上講,碎屑流屬于塑性流(賓漢姆流)[41](圖1)。塑性流的特點是具有一定的屈服強度,只有當外加應力超過流體的屈服強度時,流體才發(fā)生運動。當外加應力小于流體屈服強度時,整個碎屑流就會以整體凝結(en masse freezing)的形式沉積下來[42]。以這種方式形成的沉積物表現(xiàn)為厚層或塊狀,沉積層內(nèi)部礫石大小混雜,一般不具沉積構造(圖2A,B)。根據(jù)礫石的支撐機制,可以將碎屑流沉積分為兩類[6]:一類基質(zhì)含量較多,礫石之間相互不接觸或基質(zhì)支撐(圖2A);另一類的基質(zhì)含量較少,礫石相互之間接觸或顆粒支撐(圖2B)。這里提到的顆粒支撐為碎屑流沉積下來以后的支撐形式,與流體在運動過程中的基質(zhì)支撐并不矛盾。顆粒支撐的碎屑流沉積中的泥質(zhì)基質(zhì)雖然含量較少,但同樣起到潤滑礫石,防止摩擦鎖定(frictional locking)的作用[6]。

另一方面,碎屑流也屬于黏結流(圖1)。這類流體在流動過程中,由于黏結性的細?；|(zhì)具有凝聚力,阻止外部水體的進入,從而維持了流體的整體性[11]。進入碎屑流底部的水分很難刺穿流體從頂部釋放,從而在碎屑流底部形成一層水膜。這層水膜將上部的黏結性流體與下伏沉積層隔開,從而大大降低了下伏層對上部流體所施加的拖拽阻力。憑借這種滑水機制(hydroplaning)[43],碎屑流不僅可以流動的很快[44]、很遠[45],而且對下伏層基本沒有侵蝕性[38]。因此,碎屑流沉積的又一特點就是底部較為平坦和不具侵蝕性(圖2C)。

由于碎屑流內(nèi)部表現(xiàn)為一種層流狀態(tài)[12,46](圖1),碎屑物質(zhì)在流體內(nèi)順層運移,因此板條狀的礫石在流體內(nèi)部剪切力的作用下將發(fā)生旋轉,并最終平行于層面排列[4](圖2C,D)。需要指出的是,并不是所有板條狀的礫石在碎屑流沉積物中都是平行層面排列。如果沉積時板條狀的礫石還沒旋轉完全,或者剪切力較小,板條狀礫石的長軸將會與層面斜交,并且其扁平面的傾向流體指向上游方向(圖2D),可以用于判定古流向。

圖2 典型碎屑流沉積Fig.2 Typical debris flow deposits

2.2 超高密度流沉積

下面要介紹的三類沉積物重力流都屬于摩擦流。摩擦流中的沉積顆粒是分散的,顆粒之間不具有黏結性,在流動過程中不能阻止外部水分的進入。因此,摩擦流的流動特征與流體中水分和顆粒含量的比例密切相關。相比之下,碎屑流的顆粒含量雖然在較大的范圍內(nèi)變化,但其流動性質(zhì)并不發(fā)生明顯的改變[11]。

超高密度流是顆粒含量最高的一類摩擦流,雖然其沉積物含量與碎屑流有重疊[11],但相比于碎屑流,超高密度流中的黏結性泥顆粒較少,主要由砂質(zhì)構成(個別情況下礫石占主導),表現(xiàn)在流體機制上就是:超高密度流雖然已不再是黏結流,但還屬于塑性流(圖1),因此流體運動過程中雖然以顆粒之間的相互作用(分散壓力)為主要支撐機制,但同時基質(zhì)強度支撐也起到一定作用[11]。

超高密度流沉積物的沉降機制有受阻沉降(hindered setting)[47,48]和摩擦固結 (frictional freezing)[6,11]兩種,以受阻沉降為主。在受阻沉降機制的作用下,不同大小的沉積物顆粒以相同的速度沉降而形成塊狀砂巖。這些塊狀砂巖內(nèi)部不具粒序?qū)雍推渌练e構造(圖3A),但通常含直徑0.5～10 cm不等的礫石(圖3B)或者1～30 cm大小的泥巖碎片(圖3C)。礫石和泥巖碎片可以出現(xiàn)在塊狀砂巖層的不同位置,呈分散狀,或集中出現(xiàn)在某一部位。不同類型的泥巖碎片,反映不同沉積過程和沉積環(huán)境[49]。

如果塊狀砂巖沉積較快,未固結的砂巖會發(fā)生液化而在內(nèi)部形成泄水構造,如碟狀構造和近直立的泄水通道等。如果液化作用強烈,則可造成砂巖內(nèi)部結構混亂(圖3D)。此外,厚層砂巖也會對下伏泥巖產(chǎn)生較大壓力,從而在砂巖底部出現(xiàn)重荷模,以及由于泥巖向砂巖底部刺入而形成火焰構造。

與碎屑流類似,超高密度流也屬于層流,因此其內(nèi)部板條狀礫石或泥巖碎片也大都平行于砂巖層面分布(圖3C),并且底面平坦,對下伏沉積物不具侵蝕性(圖3C)。然而,由于超高密度流缺少底部的滑水機制,其在運動過程中會對底部沉積物產(chǎn)生牽引,從而誘發(fā)下伏地層發(fā)生不同程度的軟沉積物變形,形成不對稱褶皺。這種不對稱褶皺的軸面倒向與流體運動方向是一致的(圖3E)。

圖3 典型超高密度流沉積及構造Fig.3 Typical hyperconcentrated density flow deposits and sedimentary structures

Shanmugam[8]將超高密度流命名為砂質(zhì)碎屑流(sandy debris flow)。這里我們棄用這個術語,因為“碎屑流”本身具有“黏結流”的含義,而形成塊狀砂巖的超高密度流屬于非粘結流(摩擦流)。因此,為了不造成概念上混亂,建議使用“超高密度流”這一術語。

超高密度流除了形成塊狀砂巖外,如果流體中局部區(qū)域砂的含量較高(通常在超高密度流的底部可以達到這種要求),在分散壓力的作用下可以形成逆粒序砂巖(圖3F)。這種沉積在以前的文獻中被稱為顆粒流沉積[4,6]。逆粒序的成因可以用牽引氈(traction carpet)模式來解釋[18,50-51]。簡單來說,牽引氈是高密度的顆粒層,并可分為以顆粒連續(xù)接觸為特征的下部摩擦區(qū)和以顆粒相互碰撞為特征的上部碰撞區(qū)[18]。摩擦區(qū)通過動力擠壓作用將較大的顆粒向上擠出,而碰撞區(qū)通過動力篩作用使得較小的顆粒向下運動。上、下兩個區(qū)的共同作用可促使逆粒序?qū)拥男纬蒣51]。

雖然砂質(zhì)顆粒流中的逆粒序可以用牽引氈模式解釋,但厚層礫巖中逆粒序的成因卻存在爭議。一種看法認為礫巖中的逆粒序是由于沉積物供給體系中沉積物顆粒不斷增大造成的[50,52],另一種觀點認為礫巖中的逆粒序是一種受密度改造的顆粒流沉積[53-54]。野外觀察更傾向于后一種解釋。

2.3 高密度流沉積

高密度流的沉積物含量介于超高密度流和濁流之間,其與超高密度沉的區(qū)別在于流動機制已經(jīng)從塑性流變?yōu)榱黧w流,流體狀態(tài)也從層流轉變?yōu)槲闪?圖1)。

實驗研究表明[55],高密度流的結構可分為上、下兩層:上部沉積物顆粒的含量較低,處于紊流狀態(tài),類似于濁流;下部沉積物顆粒的含量較高,其流動機制類似于超高密度流。高密度流可以看成是上部類似濁流與下部類似超高密度流的綜合流體,是一種過渡性的流體.owe[6]將這種流體稱為“高密度濁流”。然而,這個命名不太合適,因為它將濁流的含義擴大了,這樣做的一個直接后果就是對深水沉積相的解釋陷入“扇模式”的誤區(qū)[9,36,56].hanmugam[36]建議將兩部分拆開,上部為濁流,而下部為砂質(zhì)碎屑流(即本文的超高密度流)。這個建議并沒有解決實際問題,因為雖然高密度流上、下兩部分的性質(zhì)分別類似于濁流和超高密度流,但這兩部分并不相互獨立,而是緊密聯(lián)系的。上部不僅給下部提供沉積物質(zhì),而且產(chǎn)生額外的剪切力來牽引下部流體[11,55]。因此本文建議使用“高密度流”這一術語。

圖4 典型高密度流沉積Fig.4 Typical concentrated density flow deposits

由于其特殊的流體結構,高密度流的特征兼具濁流和超高密度流的特點(圖1)。其沉積物也是如此,既形成超高密度流的典型沉積構造,如塊狀砂巖和逆粒序,也發(fā)育濁流沉積的正粒序(圖4A)。高密度流上下兩層形成的不同沉積物相互組合就可以構成多種特殊類型的沉積物,如逆粒序?qū)由喜刊B加正粒序?qū)?圖4B),但通常情況下正粒序?qū)酉啾饶媪Ｐ驅(qū)影l(fā)育較好;或者塊狀砂巖上部出現(xiàn)平行層理(圖4C)。還可以見到逆粒序?qū)舆B續(xù)出現(xiàn)(圖4D),這是由于高密度流中的下部層位由上部層位不斷補充沉積物的結果[6,18]。

圖5 典型濁流沉積及構造Fig.5 Typical turbidity current deposits and sedimentary structures

高密度流沉積中出現(xiàn)逆粒序?qū)拥拇瓜虔B加以及逆粒序?qū)优c正粒序?qū)庸采?這兩個特征可以將其與超高密度流沉積區(qū)分開來。此外,超高密度流形成的塊狀砂巖頂部也不會出現(xiàn)體現(xiàn)牽引流特征的層理構造,除非經(jīng)歷底流改造。

2.4 濁流沉積

濁流是摩擦流中沉積顆粒含量最低的一個端員組分[11],其內(nèi)部的顆粒以水流擾動來支撐。濁流內(nèi)部完全紊亂,而不像高密度流那樣只是上部處于紊亂狀態(tài)。濁流屬于牛頓流體,因此不具有任何屈服強度,一旦受到外力作用就會發(fā)生運動;或者說,只要外力不為零,濁流就不會停止運動,只會隨著外力的逐漸降低而通過懸浮沉降的方式卸載其內(nèi)部的沉積顆粒。

濁流大多數(shù)是一類短暫的脈動型流體[58]。一個完整的脈動型濁流可以分為頭部、體部和尾部三部分,其中頭部流動最為紊亂,體部和尾部的流動則相對較為平穩(wěn)[3-4]。流體擾動使得聚集在頭部的顆粒不斷被向外拋出,較粗的顆粒由于自身重力較大又掉落回頭部,這就造成頭部不斷聚集較粗的顆粒,而較細小的顆粒主要出現(xiàn)在體部和尾部。頭部相對較粗的顆粒以較快的速度發(fā)生懸浮沉降并形成正粒序(圖5A,B);體部及尾部細小的顆粒由于沉降速度慢并被逐漸稀釋,而演化成牽引流,形成平行層理和斜層理等沉積構造[19](圖5C,D)。如果出現(xiàn)部分液化,還可形成包卷層理。因為濁流頭部與體部和尾部的流動狀態(tài)不同,因此有可能頭部還在流動前進的同時,后部已開始發(fā)生沉積,這或許可以解釋正粒序和牽引流形成的平行層以及交錯層在野外較少同時出現(xiàn)的現(xiàn)象。此外,由于濁流頭部的紊流強度大,會侵蝕下伏地層,從而形成各種侵蝕構造,如槽模(圖5E),溝模和工具模等,其中槽?？梢杂脕砘謴凸潘鞯姆较騕59]。

鮑瑪層序曾被認為是濁積巖所特有的沉積構造[60]。一個完整的鮑瑪層序自下而上可分為Ta、Tb、Tc、Td、Te五段(圖5F),其中Te段是遠洋或半遠洋懸浮沉積,而對Ta-d段的成因存在不同的觀點.iddleton和Hampton將Ta-d段完全歸因于濁流沉積[3,4].owe則認為Ta段為高密度濁流沉積,而Tbd段為低密度濁流的產(chǎn)物[6].hanmugam對上述觀點提出了質(zhì)疑[9],認為只有具正粒序的Ta段才是濁流沉積,呈塊狀的Ta段應為砂質(zhì)碎屑流(即超高密度流)沉積,發(fā)育平行層理的Tb段和交錯層的Tc段是深水底流對下伏濁積巖和砂質(zhì)碎屑流沉積改造的結果,具水平紋層的Td段屬懸浮沉積。

Shanmugam的觀點雖然對鮑瑪層序的認識提出了質(zhì)疑和挑戰(zhàn),但他的新解釋也有待商榷.b和Tc段的沉積特征指示它們是牽引流沉積,從Ta段到Tb-c段的沉積機制變化可以用流動轉換來解釋,不一定是底流改造的結果。雖然鮑瑪層序不同層段的沉積機制不同,但它們呈連續(xù)過渡沉積,總體上應是一次濁流事件的產(chǎn)物。

正粒序是鑒定濁流沉積最重要的依據(jù)[9],但高密度流也可以形成正粒序。二者形成的正粒序區(qū)別在于:濁流由于其紊亂狀態(tài)比高密度流強,形成彌散式正粒序(distribution normal grading)[4](圖5A,B);而高密度流常形成粗尾式正粒序(coarse-tail normal grading)(圖4A)[4]。

3 與重力流沉積相關的沉積現(xiàn)象

3.1 底流改造

野外經(jīng)?？梢砸姷揭恍┱Ｐ蛏皫r頂部直接出現(xiàn)交錯層,形成僅由Ta和“Tc”構成的不完整鮑瑪層序(圖6A);還有一些Tb-“Tc”的組合,但是“Tc”中的層理比較混亂,出現(xiàn)雙向交錯層,或者交錯層切割Tb的平行層理(圖6B)。這類沉積實際上不是原始沉積的鮑瑪層序Tb-c,而是受底流(bottom current)[61～64]改造的結果[37]。

原始鮑瑪層序的Tc段是由基質(zhì)含量較多的細砂巖和粉砂巖組成,內(nèi)部不僅發(fā)育交錯層,而且經(jīng)常出現(xiàn)包卷層理和變形層理,與上覆泥質(zhì)沉積物呈過渡關系,且不會對下伏Ta或Tb段發(fā)生侵蝕。上面所提到的Ta-“Tc”以及Tb-“Tc”組合中的“Tc”段交錯層細砂巖不僅分選好,而且交錯層直接切入到下伏的正粒序中(圖6A),或出現(xiàn)雙向交錯層(圖6B)。這些特點表明“Tc”并不是鮑瑪層序中原始沉積的Tc,而是后期底流改造的結果。“Tc”段與上覆泥巖界限截然的現(xiàn)象也進一步指示二者不是在一次沉積事件中形成的。不完整和不同形式的鮑瑪層序是由于底流對原始鮑瑪層序Ta-d段進行不同程度改造的結果[37]。依據(jù)改造的程度,可以出現(xiàn)Ta-Tb-“Tc”,Ta-“Tc”或者僅有“Tc”(圖6C)的“鮑瑪層序”。

另外,經(jīng)常在塊狀砂巖頂部出現(xiàn)的沙紋狀交錯層也應是底流改造的結果。但也不能一概而論,如圖4D中的塊狀砂巖和平行層理的組合就不是塊狀砂巖受底流改造而形成的,而應為高密度流的產(chǎn)物。因為圖4D中的平行層理及上部層位泥質(zhì)含量較高,而如果是受底流改造的話,則這些細粒泥質(zhì)物將會被沖走,留下較為純凈的平行層理砂巖。

底流本身并不攜帶碎屑物質(zhì),它只是對原始沉積進行改造。如果底流改造作用強烈,則原始沉積層的成因難以識別,只能稱此類沉積層為底流沉積。底流沉積具有以下特點[37]:巖性主要為細砂巖和粉砂巖,內(nèi)部發(fā)育平行層理和交錯紋層,交錯層多為低角度、少數(shù)為陡傾的變形層理;底面與下伏地層為侵蝕接觸;較厚的細砂巖和粉砂巖(5～15 cm)在側向上連續(xù)性非常好,內(nèi)部結構表現(xiàn)出兩種情況:1)結構成熟度較好,底面具明顯侵蝕性,而且頂面截然;2)基質(zhì)含量較高,經(jīng)常顯示由平行層理、沙紋交錯層、水平紋層的向上變化趨勢。粒度向上變細,頂界呈過渡性。相對較薄的細砂巖和粉砂巖分選較好,但側向連續(xù)性較差,經(jīng)常呈不連續(xù)的夾層存在于泥質(zhì)沉積物之中。部分細砂巖和粉砂巖表現(xiàn)為透鏡狀或饑餓交錯沙紋層。一些細砂巖和粗粉砂巖中的交錯層系之間夾有不連續(xù)的泥質(zhì)層,表現(xiàn)為夾有泥質(zhì)細脈的沙紋狀交錯層。

圖6 與重力流沉積相關的水下沉積現(xiàn)象Fig.6 Special submarine sedimentary phenomena relevant to gravity flow sediments

3.2 流體過路

流體過路(flow bypass)指的是流體在向前運動路徑上的某些點只通過而沒有發(fā)生沉積。一個沉積層序中是否發(fā)生過流體過路,主要是看過路流是否留下了可以識別的痕跡,如侵蝕構造等。如圖6D,塊狀砂巖的頂部出現(xiàn)侵蝕溝槽,但是其上覆為泥巖,而泥巖為懸浮沉積,不可能對下伏塊狀砂巖產(chǎn)生侵蝕,因此在泥巖沉積之前,一定有侵蝕性流體(如濁流)通過,但通過的濁流沒有發(fā)生沉積。至于后期形成的泥巖,既可能是濁流后部的細粒沉積物通過懸浮沉降形成的,也可能是濁流事件結束后深?；虬肷詈腋〕练e的結果。

因為存在流體過路的現(xiàn)象,所以盡管濁流可以形成槽模,但槽模并不是鑒定濁流沉積的決定性標志。濁流形成的沖槽如果被濁流沉積物覆蓋,那么在濁積巖底部會出現(xiàn)槽模;但是如果濁流在形成沖槽后并沒有發(fā)生沉積,而是繼續(xù)向前運動,這些沖槽就會被隨后其它成因的沉積物所覆蓋,如超高密度流形成的塊狀砂巖。野外經(jīng)?？梢砸姷揭恍K狀砂巖的底部出現(xiàn)槽模和工具模,可以用流體過路的理論進行解釋,它們并不是濁流沉積物。

表1 重力流沉積和相關水下沉積的典型特征及沉積環(huán)境1,*Table1 Typical identification characteristics and sedimentary environment of gravity flow sediments and relevant submarine sediments

3.3 流動轉換

流動轉換(flow transformation)在沉積重力流沉積中是一種相當普遍的現(xiàn)象,它是指一類流體可以在其遷移過程中轉換為另一類流體.isher總結了碎屑流與濁流之間的四種轉換方式[65]:體轉換,重力轉換,表層轉換和液化轉換。其中只有重力轉換描述的是濁流向碎屑流的轉換,其它三種方式都可以使碎屑流轉換為濁流。從高密度的層流(碎屑流)向低密度的紊流(濁流)轉換比較容易,從理論上也證明了這一推論[66]。表層轉換可能最為普遍,因為高密度的流體隨著外部水分的不斷進入,或者通過自身沉積物的不斷卸載,使得其密度不斷降低而轉化為低密度的流體[67]。研究表明,即使沉積物密度保持不變,只要碎屑流的速度變得足夠快,也可以轉變?yōu)榉丘そY的超高密度流[65,68]。

反過來,濁流向碎屑流的轉變則似乎不那么常見.alling等報道了在距海岸線1 500 km之外的深海由濁流轉換成碎屑流的現(xiàn)象[69]。這種轉換被認為與濁流的侵蝕性相關:濁流在運動的過程中,侵蝕下伏巖層,并將侵蝕下來的物質(zhì)裹入其內(nèi)部,從而使得濁流的密度不斷加大。由于濁流自身的紊流狀態(tài)被擬制,逐漸向高密度流轉換,繼而形成超高密度流。如果濁流侵蝕下來的物質(zhì)具有較大黏結性(如泥巖),那么濁流將最終可能轉換成碎屑流[69～71]。這種流動轉換機制可以很好的解釋前面提到的塊狀砂巖中泥巖碎片的成因(圖3C)。

一類容易被忽視的流動轉換是在脈動型濁流事件中濁流向牽引流的轉換:濁流內(nèi)部顆粒在大量沉降后,其密度會不斷降低,從而演變?yōu)闋恳鳌?/p>

4 小結

本文所描述的4類沉積重力流的理論(圖1)及典型沉積特征(圖2-圖6,表1)是在野外劃分重力流沉積巖相的基本依據(jù)。然而,野外重力流沉積往往是很復雜的,如不同類型重力流沉積特征出現(xiàn)在一個沉積相中;此外,還經(jīng)常受到底流,過路流等的改造。因此,為了野外更好的識別重力流沉積,不僅要熟知不同類型重力流沉積的典型特征,更要了解產(chǎn)生這些沉積特征的理論基礎。只有這樣,才能在野外合理解釋復雜沉積層的形成機理。對于濁流,應該遵循其最原始的定義[1,60],不應無限擴大其含義。如將塊狀砂巖與逆粒序砂巖都歸為濁流成因[20],將造成對深水沉積環(huán)境的解釋陷入“水下扇模式”的思維程式。正如Shanmugam[9]所指出的那樣,濁流沉積并不像扇模式所暗示的那樣大規(guī)模存在,碎屑流沉積、超高密度流沉積和底流改造沉積可能占有更大的比例。我們的野外工作也支持這種觀點。

References)

1 Kuenen P H,Migliorini C I.Turbidity currents as a cause of graded bedding[J].he Journal of Geology,1950,58(2):91-127

2 Dott Jr R H.Dynamics of subaqueous gravity depositional processes [J].APG Bulletin,1963,47(1):104-128

3 Middleton G V,Hampton M A.Sediment gravity flows:mechanics of flow and deposition[M]∥Middleton G V,Bouma A H.Turbidites and deep-water sedimentation.Los Angeles:Pacific Section of the Society of Economic Paleontologists and Mineralogists,1973:1-38。

4 Middleton G V,Hampton M A.Subaqueous sediment transport and deposition by sediment gravity flows[M]∥Stanly D J,Swift D J P.Marine Sediment Transportand EnvironmentalManagement.NewYork: Wiley,1976:197-218

5 Lowe D R.Sediment gravity flows:their classification and some problems of application to natural flows and deposits[M]∥Doyle L J, Pilkey OH.Geology ofContinental Slopes.Tulsa:Society of Economic Paleontologists and Mineralogists Special Publication,1979:75-82

6 Lowe D R.Sediment gravity flows:Ⅱ.epositionalmodels with special reference to the deposits of high-density turbidity currents[J].ournal of Sedimentary Petrology,1982,52(1):279-297

7 Nardin T R,Hein F J,Gorsline D S,et al.A review ofmassmovement processes,sediment and acoustic characteristics,and contrasts in slope and base-of-slope systems versus canyon-fan-basin floor systems [M]∥Doyle L J,Pilkey O H.Geology of Continental Slopes.Tulsa: Society of Economic Paleontologists and Mineralogists Special Publication,1979:61-73

8 Shanmugam G.High-density turbidity currents:are they sandy debris flows?[J].ournal of Sedimentary Research,1996,66(1):2-10

9 Shanmugam G.The Bouma Sequence and the turbidite mind set[J].arth Science Reviews,1997,42:201-229

10 Shanmugam G.Ten turbidite myths[J].arth Science Reviews, 2002,58:311-341

11 Mulder T,Alexander J.The physical character of subaqueous sedimentary density flows and their deposits[J].edimentology,2001, 48:269-299

12 Dasgupta P.Sediment gravity flow-the conceptual problems[J].arth Science Reviews,2003,62:265-281

13 Amy L A,McCaffrey W D,Talling P J.Sediment-gravity flows:Recent insights into their dynamic and stratified/composite nature[J].arine and Petroleum Geology,2009,26(10):1897-1899

14 Lowe D R,Guy M.Slurry-flow deposits in the Britannia Formation (Lower Cretaceous),North Sea:a new perspective on the turbidity current and debris flow problem[J].edimentology,2000,47(1): 31-70

15 Hiscott R N.Traction-carpet stratification in turbidites:fact or fiction?[J].ournal of Sedimentary Research,1994,64(2):204-208

16 Sohn Y K.Traction-carpet stratification in turbidites:fact or fiction? Discussion[J].ournal of Sedimentary Research,1995,65(4): 703-704

17 Hiscott R N.Traction-carpet stratification in turbidites:fact or fiction?reply[J].ournal of Sedimentary Research,1995,65(4): 704-705

18 Sohn Y K.On Traction-Carpet Sedimentation[J].ournal of Sedimentary Research,1997,67(3):502-509

19 Arnott R W C,Hand B M.Bedforms,primary structures and grain fabric in the presenceofsuspended sediment rain[J].ournal of Sedimentary Petrology,1989,59(6):1062-1069

20 Kneller B.Beyond the turbidite paradigm:physicalmodels for deposition of turbidites and their implications for reservoir prediction[M]∥Hartley A J,Prosser D J.Characterization of Deep Marine Clastic Systems.London:Geological Society Special Publications,1995:31-49

21 Johansson M,Braakenburg N E,Stow D A V,etal.Deep-watermassive sands:facies,processes and channel geometry in the Numidian Flysch,Sicily[J].edimentary Geology,1998,115:233-265

22 Stow D A V,Johansson M.Deep-watermassive sands:nature,origin and hydrocarbon implications[J].arine and Petroleum Geology, 2000,17(2):145-174

23 Normark W R.Growth patterns of deep-sea fans[J].APG Bulletin, 1970,54(11):2170-2195

24 Mutti E,Lucchi FR.Turbidites of the northern Apennines:introduc-tion to facies analysis(English translation by Nilsen T H,1978) [J].nternational Geology Review,1972,20(2):125-166

25 Walker R G.Deep-water sandstone facies and ancient submarine fans:models for exploration for stratigraphic traps[J].APG Bulletin,1978,62(6):932-966

26 Normark W R.Turbidite elements and the obsolescence of the suprafan concept[J].iornale di Geologia,1991,53(2):1-10

27 Walker R G.Turbidites and submarine fans[M]∥Walker R G, James N P.Facies Models:Response to Sea Level Change.Newfoundland:Geological Association of Canada,1992:239-263

28 Shanmugam G,Moiola R J.Reinterpretation of depositional processes in a classic flysch sequence(Pennsylvanian Jackfork Group),Ouachita Mountains,Arkansas and Oklahoma[J].APG Bulletin, 1995,79(5):672-695

29 Shanmugam G,Bloch R B,Mitchell SM,et al.Basin-floor fans in the North Sea:sequence stratigraphic models vs.sedimentary facies [J].APG Bulletin,1995,79(4):477-512

30 Slatt R M,Weimer P,Stone C G.Reinterpretation of depositional processes in a classic flysch sequence(Pennsylvanian Jackfork Group),Ouachita Mountains,Arkansas and Oklahoma:Discussion [J].APG Bulletin,1997,81(3):449-459

31 Lowe D R.Reinterpretation of depositional processes in a classic flysch sequence(Pennsylvanian Jackfork Group),Ouachita Mountains, Arkansas and Oklahoma:Discussion[J].APG Bulletin,1997,81 (3):460-465

32 Hiscott R N,Pickering K T,Bouma A H,et al.Basin-floor fans in the North Sea:sequence stratigraphicmodels vs.sedimentary facies: Discussion[J].APG Bulletin,1997,81(4):662-665

33 Shanmugam G,Moiola R J.Reinterpretation of depositional processes in a classic flysch sequence(Pennsylvanian Jackfork Group),Ouachita Mountains,Arkansas and Oklahoma:Reply[J].APG Bulletin,1997,81(3):476-491

34 Shanmugam G,Bloch R B,Damuth JE,etal.Basin-floor fans in the North Sea:sequence stratigraphicmodels vs.sedimentary facies:Reply[J].APG Bulletin,1997,81(4):666-672

35 Mutti E,TinterriR,Remacha E,etal.An Introduction to the Analysis of Ancient Turbidite Basins from an Outcrop Perspective[M].ulsa:American Association of Petroleum Geologists Continuing Education Course Note Series,1999:1-61

36 Shanmugam G。50 years of the turbidite paradigm(1950s-1990s): deep-water processes and facies models-a critical perspective[J].arine and Petroleum Geology,2000,17:285-342

37 Meng Q R,Qu H J,Hu JM.Triassic deep-marine sedimentation in thewestern Qinling and Songpan terrane[J].cience in China Series D-Earth Science,2007,50(Supp.II):246-263

38 Iverson RM.The physics of debris flows[J].eviews of Geophysics, 1997,35(3):245-296

39 Iverson RM,Reid M E,LaHusen RG.Debris-flowmobilization from landslides[J].nnual Review of Earth and Planetary Sciences, 1997,25:85-138

40 Middleton G V.Sediment deposition from turbidity currents[J].nnual Review of Earth and Planetary Sciences,1993,21:89-114

41 Coussot P,Meunier,M.Recognition,classification and mechanical description of debris flows[J].arth Science Reviews,1996,40: 209-227

42 Stow D A V,Reading H G,Collinson JD.Deep seas[M]∥Reading H G.Sedimentary Environments:Processes,Facies and Stratigraphy (3rd Edition).xford:Wiley-Blackwell,1996:395-453

43 Mohrig D,Whipple K X,Hondzo M,etal.Hydroplaning of subaqueous debris flows[J].ulletin of the Geological Society of America, 1998,110(3):387-394。

44 Middleton G V,Southard J B.Mechanics of sediment movement [M].hode Island:Eastern Section of the Society of Economic Paleontologists and Mineralogists,1984:1-401

45 Gee M JR,Masson DG,Watts A B,etal.The Saharan debris flow: an insight into the mechanics of long runout submarine debris flows [J].edimentology,1999,46:317-335

46 Hsu K J.Physical principlesof sedimentology:a readable textbook for beginners and experts[M].ew York:Springer-Verlag,1989:1-233

47 Druitt T H.Settling behaviour of concentrated dispersions and some volcanological applications[J].ournal of Volcanology and Geothermal Research,1995,65(1-2):27-39

48 Major J J.Hindered setting[M]∥Middleton G V.Encyclopedia of Sediments and Sedimentary Rocks.Dordrecht:Springer,2003:358-360

49 Johansson M,Stow D A V.A classification scheme for shale clasts in deep water sandstones[M]∥Hartley A J,Prosser D J.Characterization of Deep Marine Clastic Systems.London:Geological Society Special Publications,1995:221-241

50 Legros F.Can dispersive pressure cause inverse grading in grain flows?[J].ournal of Sedimentary Research,2002,72(1):166-170

51 Le Roux JP.Can dispersive pressure cause inverse grading in grain flows?discussion[J].ournal of Sedimentary Research,2003,73 (2):333-334

52 Hand B.Inverse grading resulting from coarse-sediment transport lag [J].ournal of Sedimentary Research,1997,67(1):124-129

53 Lash GG.Density-modified grain-flow deposits from an early Paleozoic passivemargin[J].ournal of Sedimentary Research,1984,54 (2):557-562

54 Lowe D R.Grain flow and grain flow deposits[J].ournal of Sedimentary Research,1976,46(1):188-199

55 Postma G,Nemec W,Kleinspehn K.Large floating clasts in turbidites:amechanism for their emplacement[J].edimentary Geology, 1988,58(1):47-61

56 GaniM R.From turbid to lucid:a straightforward approach to sediment gravity flows and their deposits[J].he Sedimentary Record, 2004,2(3):4-8

57 Mutti E,Davoli G.Turbidite Sandstones[M].ilan:Agip Special Publication,1992:1-275

58 Shepard F P,McLoughlin P A,Marshall N F,et al.Current-meter recordings of low-speed turbidity currents[J].eology,1977,5 (5):297-301

59 Sanders JE.Primary sedimentary structures and their hydrodynamic interpretation[M]∥Middleton G V.Primary sedimentary structures and their hydrodynamic interpretation.Tulsa:Society of Economic Paleontologists and Mineralogists Special Publication,1965:192-219 60 Bouma A H.Sedimentology of Some Flysch Deposits:a Graphic Approach to Facies Interpretation[M].msterdam:Elsevier,1962:1-168

61 Hollister C D,McCave I N.Sedimentation under deep-sea storms [J].ature,1984,309:220-228

62 Shanmugam G.Deep-marine tidal bottom currents and their reworked sands in modern and ancient submarine canyons[J].arine and Petroleum Geology,2003,20:471-491

63 Stow D A V,Faugres JC,Viana A,etal.Fossil contourites:a critical review[J].edimentary Geology,1998,115:3-31

64 Wynn R B,Stow D A V.Classification and characterisation of deepwater sedimentwaves[J].arine Geology,2002,192:7-22

65 Fisher R.Flow transformations in sediment gravity flows[J].eolo-gy,1983,11(5):273-274

66 Waltham D.Flow transformations in particulate gravity currents[J].ournal of Sedimentary Research,2004,74(1):129-134

67 Hampton M A.The role of subaqueous debris flow in generating turbidity currents[J].ournal of Sedimentary Research,1972,42(4): 775-793

68 Sohn Y K,Choe M Y,Jo H R.Transition from debris flow to hyperconcentrated flow in a submarine channel(the Cretaceous Cerro Toro Formation,southern Chile)[J].erra Nova,2002,14(5): 405-415

69 Talling P J,Wynn R B,Masson DG,etal.Onsetof submarine debris flow deposition far from original giant landslide[J].ature, 2007,450:541-544

70 Haughton PDW,Barker SP,McCaffreyW D?！癓inked”debrites in sand-rich turbidite systems-origin and significance[J].edimentology,2003,50(3):459-482

71 Haughton P D W,Davis C,McCaffrey W,et al.Hybrid sediment gravity flow deposits-classification,origin and significance[J].arine and Petroleum Geology,2009,26(10):1900-1918

Gravity Flow Sedimentation:Theoretical Studies and Field Identification

LILin1,2QU Yong-qiang1MENG Qing-ren1WU Guo-li1,2
(Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academ y of Sciences,Beijing 100029; Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049)

As an important sedimentary phenomenon,gravity flow sedimentation is widespread in deep-marine and deep-lacustrine environments.Obviously,differentiation of different types of gravity-flow sediments is crucial for reconstructing paleo-depositional environment.Four distinct types of gravity flows and their diagnostic sedimentary structures are introduced,which can be used as guide for field identification.Debris flow depositions are characterized of their disorganized internal texture,flat bed base,and parallelism of planar clasts to bedding.Thick-bedded and massive sandstones are usually formed by hyperconcentrated density flow;typified by occurrence of out-sized clasts,ripup mudstones,water escape structures and other liquefaction-related structures.Grain flow is a subtype of hyperconcentrated density flows,and inverse grading is characteristic of its deposits.Concentrated density flow possesses the depositional characteristics of both hyperconcentrated density flow and turbidity current.Ta-d divisions in Bouma sequence are the products of one turbidity currentevent,butonly Ta is formed from turbidity current.Tb-c divisions are actually generated from traction flow,whereas Td division is fallout deposits.Flow transformation can occur in the processes of gravity flows,and the gravity-flow sediments are often reworked by bottom currents and bypass flows to varying degrees.

gravity flow;debris flow;turbidity current;bottom current;Bouma sequence

李林 男 1986年出生 碩士研究生 大地構造與盆地分析 E-mail:li.lin8611@gmail.com

P512.2

A

1000-0550(2011)04-0677-12

①國家自然科學基金重點項目(批準號:40830314)和中國科學院知識創(chuàng)新工程重要方向項目(批準號:KZCXZ-YW-Q05-02)聯(lián)合資助。

2010-03-30;收修改稿日期:2010-06-23