李向東

昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093

0 引言

近年來，隨著對(duì)復(fù)雜水動(dòng)力條件下沉積特征的深入研究，流體沉積機(jī)制[1--2]、不同流體交互作用[3--4]以及不同沉積環(huán)境下相似水動(dòng)力沉積(如淺海環(huán)境中的波浪與深海環(huán)境中的內(nèi)波，陸上河流沉積與濁流水下水道沉積等)[5--7]等問題日益突出，阻礙了沉積學(xué)的深入研究。

沉積離不開流體，在沉積學(xué)研究中始終伴隨著對(duì)流體的研究，其中比較集中的是19世紀(jì)50—60年代對(duì)濁積巖(包括鮑瑪序列)的水動(dòng)力解釋[8]和80年代前后對(duì)淺海環(huán)境中的復(fù)合流沉積的研究[9]。自2000年以來，流體的演化、沉積和不同流體之間的交互作用在沉積學(xué)研究中的作用越來越明顯，通過水槽實(shí)驗(yàn)和野外觀察，從沉積學(xué)的角度對(duì)流體結(jié)構(gòu)[10--11]、流體演化(如時(shí)變加速度、位變加速度與重力流沉積作用)[12--13]、常見水動(dòng)力現(xiàn)象(如超臨界流、水躍等)[14--15]、不同流體的交互作用(如等深流和濁流)[16--17]以及流體與地形之間的相互作用(如阻塞濁流沉積)[18]等均進(jìn)行了較為深入的研究。筆者從流體的角度對(duì)目前有關(guān)流體沉積的研究成果進(jìn)行較為系統(tǒng)的總結(jié)，找出流體與沉積之間的相互關(guān)系，為復(fù)雜水動(dòng)力條件下的沉積學(xué)研究提供一定的思路。

1 沉積環(huán)境中的流體

沉積環(huán)境是沉積學(xué)研究的重要基礎(chǔ)之一，目前普遍采用“環(huán)境--沉積”的研究模式，對(duì)沉積環(huán)境的分類多沿用地理學(xué)上的分類，主要分為陸相組、過渡相組和海相組。但是隨著研究的深入，由于不同環(huán)境中水動(dòng)力條件的相似性(如波浪與內(nèi)波、潮汐與內(nèi)潮汐、異重流(hyperpycnal flow)與濁流等)，在復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境中，傳統(tǒng)的相標(biāo)志出現(xiàn)混亂，近年來表現(xiàn)尤為突出的是海相三角洲環(huán)境、淺海環(huán)境和半深海及深海環(huán)境[6, 8, 19]。

鑒于復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境中傳統(tǒng)相標(biāo)志的混亂，有必要考慮沉積環(huán)境中流體(一般為水體)流動(dòng)問題，形成“環(huán)境--流體--沉積”的研究模式。依據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，可將沉積環(huán)境中的流體分為2大類(圖1)，即流動(dòng)流體(水體)和蓄集流體(水體)。流動(dòng)流體如陸相組中的河流，水質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)總體上不具備循環(huán)性和周期性，而是向著一定的方向流動(dòng)，這類流動(dòng)可稱為單向流[20--21]。風(fēng)成沉積和海洋中的海流(如等深流)沉積也為單向流沉積[9]，此外，重力流為事件型單向流，單向流沉積在陸相和海相環(huán)境均廣泛分布。蓄集流體主要發(fā)育在海洋(永久性)和湖泊(暫時(shí)性)中，水質(zhì)點(diǎn)以往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)為特征，周期較長的流動(dòng)，如潮汐、內(nèi)潮汐和海嘯等，往往形成較長時(shí)間的上升流(沖流)或下降流(回流)，可稱為雙向流[7, 22--23]；周期短的流動(dòng)，如波浪(海洋表面波和湖浪)、短周期內(nèi)波(較大湖泊也可發(fā)育)等[8, 24--25]，可稱為振蕩流[25--26]。單向流、振蕩流和雙向流構(gòu)成了自然界中沉積流體最基本的流動(dòng)(圖1)。

圖1 典型沉積環(huán)境中非事件型沉積流體基本類型Fig.1 Basic types of non-event-driven sedimentary flow in typical sedimentary environment

目前沉積相標(biāo)志混亂現(xiàn)象主要出現(xiàn)在海洋環(huán)境中，從圖1可以看出，無論是濱岸、淺海環(huán)境，還是半深海、深海環(huán)境，均廣泛發(fā)育有單向流、雙向流和振蕩流這3種基本沉積流體，其沉積特征自然具有相似性，再加上事件型沉積作用，如風(fēng)暴、海嘯和各種重力流等，使得沉積結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和序列等相標(biāo)志出現(xiàn)混亂。具體如下：就單向流沉積而言，海岸環(huán)境中入海河流在洪水期間形成的異重流沉積[10]、淺海環(huán)境中風(fēng)暴形成的密度流沉積與深海環(huán)境中濁流，特別是低密度濁流沉積[15, 17, 19]，均為事件型單向流沉積；就雙向流沉積而言，則包括了海岸環(huán)境和淺海環(huán)境中的潮汐沉積、海嘯沉積與深海環(huán)境中的內(nèi)潮汐沉積及其他長周期內(nèi)波沉積均為牽引流雙向交替流動(dòng)沉積[7, 22]；就振蕩流而言，淺海環(huán)境中的波浪，即表面波沉積與深海環(huán)境中的短周期內(nèi)波沉積[23]等，均為底床上短時(shí)間的往復(fù)流動(dòng)沉積[6, 26]。由于在淺海和深海環(huán)境中基本沉積流體的一致性，從而也導(dǎo)致了流體交互作用[9, 16--17]所形成的流體的一致性。

2 沉積學(xué)中流體分類總論

圖2 牽引流、過渡流和重力流特征示意圖[27, 29, 31]Fig.2 Schematic diagram of characteristics of traction flow, transition flow and gravity flow

在沉積學(xué)中，以慣性質(zhì)量力主控的牽引流為牛頓流體，其典型的流動(dòng)包括單向流、雙向流和振蕩流，如河流、波浪、等深流、潮流、內(nèi)波流、低密度(經(jīng)典)濁流和大部分流體泥[27](fluid mud)等；以重力(質(zhì)量力)主控的重力流為非牛頓流體，常見的有蠕動(dòng)、滑動(dòng)、滑塌、碎屑流(賓漢流體)、高密度濁流和部分流體泥等。因此，對(duì)沉積流體的分類可用質(zhì)量力中的重力和慣性力的消長變化作為分類的依據(jù)，即以牽引流和重力流作為2個(gè)端元[28]，位于兩者之間，由重力和慣性力共同作用的流體可稱為過渡性流體(transitional flow)[27--29](圖2)。過渡性流體就流體結(jié)構(gòu)而言一般介于層流和紊流之間[28--30]，包括轉(zhuǎn)換紊流、低轉(zhuǎn)換活塞流(plug flow)和高轉(zhuǎn)換活塞流[27, 31]，垂向速度結(jié)構(gòu)則由底部紊流強(qiáng)度增加(轉(zhuǎn)換紊流速度分布與紊流相同，但底部紊流強(qiáng)度增加[27])開始，流體中部(圖2中將層流上部的紊流層省略)發(fā)育的層流厚度逐漸增加，直至底部紊流層可以忽略為止(圖2)。其性質(zhì)就流體類型而言，主要包括2種類型(圖2)：一是介于碎屑流和經(jīng)典濁流(紊流支撐)之間，以沉積無粒序泥質(zhì)砂巖為特征，包括無流水構(gòu)造凈砂巖粒序?qū)樱鄳?yīng)的流體曾稱為泥漿流(slurry flow)或混合流(hybrid flow)[32--33]，目前研究較多的是小型盆地中具有雙層結(jié)構(gòu)的濁流[17]；二是由水溶液和其中的懸浮細(xì)粒沉積物(含黏土和粉砂)組成的流體，稱為流體泥(fluid mud)[27, 31]，以沉積紋層狀黏土巖為特征(圖2)。這2種流體在成分上都是由相對(duì)的粗顆粒和液體混合(如砂顆粒和泥懸浮液混合，泥顆粒和水溶液混合)而成，在結(jié)構(gòu)上都介于層流和紊流之間，因此被稱為過渡流[27--31]。

牽引流、過渡流和重力流的轉(zhuǎn)化有2種方式(圖3)：從牽引流向過渡流和重力流轉(zhuǎn)化則源于牽引流對(duì)底床的剝蝕，稱為底床剝蝕方式[34]；而從重力流向過渡流和牽引流的轉(zhuǎn)化則源于懸浮于流體中的沉積物顆粒的減少，稱為懸浮降落方式，包括近底床的高密度層垮塌作用(沉積無粒序巖層)[35]。底床剝蝕和懸浮降落構(gòu)成了沉積流體相互轉(zhuǎn)化，目前研究較多的是大型重力流(含火山碎屑流)的連續(xù)演化[36]。

圖3 沉積流體分類及相互關(guān)系簡圖Fig.3 Diagram for classification of sedimentary flow and their relationship

牽引流的搬運(yùn)表現(xiàn)在2個(gè)方面：一是流體作用于碎屑顆粒上的推力，即牽引力；二是流體溶解和托舉沉積物的能力，即負(fù)荷力。根據(jù)流體作用力的不同，可將牽引流的載荷類型分為溶解載荷[1]、懸浮載荷和推移載荷，相應(yīng)的沉積可分為化學(xué)沉積、降落沉積和底載荷沉積。因此，只有當(dāng)牽引流的作用超過底床沉積物顆粒的移動(dòng)門限(movement threshold)時(shí)，沉積物顆粒開始以底載荷的形式運(yùn)動(dòng)，此時(shí)牽引流才發(fā)生剝蝕與沉積作用，故牽引流沉積起動(dòng)的控制參數(shù)為沉積物移動(dòng)門限[37]。當(dāng)牽引流作用超過沉積物捕獲門限(entrainment threshold)時(shí)，底床上的顆粒開始進(jìn)入流體，并長時(shí)間的懸浮于流體中，該門限也可稱為懸浮門限(suspension threshold)。對(duì)于同一流體來說，捕獲門限值大于移動(dòng)門限值，此時(shí)流體作用中的重力成分逐漸增加，流體向過渡流轉(zhuǎn)化，故過渡流沉積起動(dòng)的控制參數(shù)為沉積物捕獲門限[38]。隨著流體中懸浮物濃度的增加，重力作用逐漸增強(qiáng)，慣性力作用逐漸減弱，當(dāng)懸浮物濃度達(dá)到一定程度，過渡流向重力流轉(zhuǎn)化；其轉(zhuǎn)化的界線研究非常薄弱，可能大致相當(dāng)于濁流沉積鮑瑪序列下平行層段底部[33]；隨著流體中沉積物懸浮濃度的進(jìn)一步增加，最終達(dá)到密度流的屈服強(qiáng)度時(shí)，流體停止發(fā)育，即“凍結(jié)”[39]，因此，“凍結(jié)沉積”為重力流的最終“整體沉積”，即屈服強(qiáng)度為流體的最終沉積控制參數(shù)[40]。相反的流體演化則與此類似[31, 35]。

牽引流和過渡流均具有單向流、雙向流和振蕩流3種基本類型的流動(dòng)(圖1、圖3)，而重力流可稱為事件型單向流，其以突發(fā)的形式形成于陸上環(huán)境(泥石流)、湖泊環(huán)境和海洋環(huán)境中[4--5, 10]，而濁流反射現(xiàn)象則可看作濁流遇高地形時(shí)的一種特殊的流動(dòng)現(xiàn)象[18]。在自然界，各單一的流動(dòng)均可以疊加，即流體交互作用[9, 16--17]。在沉積學(xué)中研究較為普遍的是深水環(huán)境中的底流改造作用，主要是低密度濁流與等深流的交互作用[16--17]，后來擴(kuò)展到不同沉積物重力流的交互作用、濁流遇到海底高地形時(shí)的反射[18]以及潮汐與河流的交互作用[41]等。這些流體交互作用的特點(diǎn)是無振蕩流參與，基本上是單向流的交互作用，頂多涉及到單向流與雙向流的交互作用，鑒于這類交互作用基本上是單向流的相互疊置，即“流--流作用”，故可稱為疊置流。

在淺海陸棚的研究中提出較早的是復(fù)合流，從廣義上講，復(fù)合流是兩種或多種不同類型的流體在時(shí)間和空間上的疊加，相當(dāng)于流體交互作用，但一般情況下(目前的研究文獻(xiàn)中)，將用于疊加的流體限定為振蕩流和單向流[3, 5]。復(fù)合流廣泛存在于潮坪、河口灣、三角洲前緣、湖泊、海灘、陸棚及大洋中，在流體類型上主要涉及有風(fēng)暴引起的波浪與地球自轉(zhuǎn)科氏力引起的地轉(zhuǎn)流[9]、波浪與潮汐、波浪與濁流[19]、短周期內(nèi)波與低密度濁流[5]及濁流反射等[18]。筆者采用狹義的復(fù)合流定義，將復(fù)合流限定為振蕩流與單向流的交互作用，即“波--流作用”[23](圖3)。

除了波--流作用形成的復(fù)合流之外，在自然界中還存在有振蕩流與振蕩流、振蕩流與雙向流、雙向流與雙向流的作用，這種流體交互作用可以看作是短周期波動(dòng)(振蕩流)與長周期波動(dòng)(雙向流)之間的疊加作用，即“波--波作用”。在沉積學(xué)的研究中目前也有所涉及，如長周期內(nèi)波與內(nèi)潮汐疊加產(chǎn)生的沿海底斜坡向上流動(dòng)的單向優(yōu)勢流沉積的單向交錯(cuò)層理(紋層傾向與區(qū)域斜方向相反)[22]。此外，海洋中的駐波則是一種簡單而常見的波--波疊加作用，已有學(xué)者將駐波(內(nèi)波與風(fēng)暴作用)與丘狀交錯(cuò)層理的形成聯(lián)系起來[42]。因此，可將這種由“波--波”交互作用而產(chǎn)生的流體稱為疊加流[23]。

因此，流體除了3種基本的流動(dòng)外，還有3種交互流動(dòng)，即疊置流、復(fù)合流和疊加流，牽引流和過渡流均具有上述6種流動(dòng)；重力流本身為事件型單向流，與等深流等單向流交互均可形成疊置流[9]，與內(nèi)波等振蕩流交互可形成復(fù)合流[8]，故重力流有3種流動(dòng)：單向流、疊置流和復(fù)合流。

3 牽引流沉積分類

在牽引流沉積研究中，可依據(jù)流體所受的主要作用力，即慣性力、重力和黏滯力對(duì)流體進(jìn)行分類，從而對(duì)牽引流沉積進(jìn)行宏觀制約。首先是流體的流動(dòng)狀態(tài)，可按佛羅德數(shù)(Fr--慣性力與重力之比)的大小分為超臨界流、臨界流和次臨界流[15]。在超臨界流中慣性力起主導(dǎo)作用，流體能量以動(dòng)能為主，流體的單位能量(比能)隨流體深度的增加而減小，即沉積與剝蝕由速度主導(dǎo)，當(dāng)速度恒定(時(shí)變加速度為0)，在空間上流體變深(厚)時(shí)發(fā)生沉積，如水躍沉積[18]；在次臨界流中重力起主導(dǎo)作用，流體能量以勢能為主[43]，流體的單位能量隨流體深度的增加而增大，即沉積與剝蝕由深度主導(dǎo)，當(dāng)速度恒定，在空間上流體變淺時(shí)發(fā)生沉積，如砂壩頂部沉積[43]；臨界流代表轉(zhuǎn)換點(diǎn)，其單位能量與流體本身的性質(zhì)和流量相關(guān)。

其次是流體結(jié)構(gòu)，可按雷諾數(shù)(Re--慣性力與粘滯力之比)的大小分為層流和紊流[44]。由層流轉(zhuǎn)化為紊流和由紊流轉(zhuǎn)化為層流，都存在一個(gè)臨界流速，前者臨界流速低，稱為下臨界流速，后者臨界流速高，稱為上臨界流速。下臨界流速值固定，可作為層流的上界；而上臨界速度值不固定，不能作為紊流的下界，一般以紊流開始向?qū)恿餮莼鳛槲闪鞯南陆纭＿@樣可以將流體的流動(dòng)狀態(tài)劃分為層流、轉(zhuǎn)換流和紊流3種。這里的轉(zhuǎn)換流和前文的過渡流，在流態(tài)上一致，均介于層流和紊流之間，但轉(zhuǎn)換流出現(xiàn)在牽引流流態(tài)轉(zhuǎn)換中，而過渡流出現(xiàn)在牽引流與重力流的相互演化中。

綜上所述，在沉積學(xué)中以牽引流的流動(dòng)機(jī)制為基礎(chǔ)，按佛羅德數(shù)可將沉積流體分為超臨界流、臨界流和次臨界流[15]，按雷諾數(shù)可分為層流、轉(zhuǎn)換流和紊流[31, 44--45]，最后再按牽引流的載荷類型分為底載荷沉積(包括推移載荷和跳躍載荷)和懸浮載荷沉積2大類。在不考慮化學(xué)沉積的情況下，共形成2大類18種沉積類型(圖4)。

圖4 牽引流沉積分類Fig.4 Sedimentary classification of traction flow

牽引流沉積以底載荷沉積為主，而在底載荷沉積中又以次臨界紊流底載荷沉積最為常見(圖4a)，該類型即為經(jīng)典的牽引流沉積類型。另外，近年來有2類沉積類型引起重視，并逐漸形成研究熱點(diǎn)，分別為次臨界層流底載荷沉積和超臨界紊流底載荷沉積(包括水躍沉積)[14--15, 44]，這2種類型分別構(gòu)成了牽引流底載荷沉積的兩個(gè)端元類型(圖4a)。其他沉積類型目前盡管還沒有在沉積巖(物)中識(shí)別出來，但是隨著沉積研究的深入，會(huì)逐步納入牽引流沉積研究體系之中，特別是在復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境下進(jìn)行沉積學(xué)研究，應(yīng)有一個(gè)整體的沉積分類框架，這樣才能更好地分析不同流體之間的交互作用。

在牽引流沉積中盡管主要為底載荷沉積，但是懸浮載荷沉積也會(huì)經(jīng)常遇到，如很早就引起注意的爬升層理即為底載荷與懸浮載荷交替沉積形成的。因此，有必要將懸浮載荷沉積作為牽引流沉積的一個(gè)大類，與底載荷大類一樣，也可分為9種類型(圖4b)，其中次臨界層流懸浮載荷沉積和超臨界紊流懸浮載荷沉積為兩個(gè)端元類型。細(xì)粒沉積目前已成為沉積學(xué)的研究熱點(diǎn)[46]，隨著微觀和微區(qū)分析技術(shù)的發(fā)展，基于流體分類的牽引流懸浮載荷沉積類型將有可能在未來的研究中鑒別出來。

4 重力流沉積演化

與牽引流相比，重力流是由沉積物和液體(一般為水)混合而成，屬于兩相或多相流體，其宏觀特征在于當(dāng)流體靜止時(shí)其中的沉積物和液體會(huì)相互分離，也就是說當(dāng)流體靜止時(shí)(足夠長的時(shí)間)，重力流將不復(fù)存在，因此，重力流沉積主要受流體內(nèi)部支撐機(jī)制的控制[28, 33, 35, 39]。對(duì)重力流沉積的研究，在其早期便從支撐機(jī)制的角度進(jìn)行了分類，被廣泛接受的方案是1973年Middleton and Hampton對(duì)水下沉積物重力流的分類[47]。該方案將重力流按內(nèi)部支撐機(jī)制分為4類[47]：紊流支撐機(jī)制的濁流、粒間流支撐機(jī)制的液化沉積物流、顆粒支撐機(jī)制的顆粒流和基質(zhì)支撐機(jī)制的碎屑流。

近幾十年來，在水下沉積物重力流研究方面對(duì)低密度濁流(經(jīng)典濁流)、高密度濁流[39]、砂質(zhì)碎屑流[4]和流體流(即流體泥)[48]等不同流體的沉積進(jìn)行了深入研究。特別是砂質(zhì)碎屑流與濁流之間的爭論更為引人注目[4--5]，其爭論的焦點(diǎn)在于濁流的支撐機(jī)制與支撐機(jī)制的轉(zhuǎn)化[33]。不同類型重力流之間的相互轉(zhuǎn)化，已成為當(dāng)前重力流沉積研究所面臨的關(guān)鍵問題[5, 28, 34--35]，依據(jù)重力流相互轉(zhuǎn)化之間的最新研究成果，可對(duì)水下沉積物重力流基本類型之間的轉(zhuǎn)化作出簡單圖解(圖5)。

圖5 水下沉積物重力流類型演化示意圖Fig.5 Sketch map for evolution of subaqueous gravity flow

在圖5中考慮的基本變化因素有5個(gè)，分別為：① 支撐機(jī)制演化，紊流、粒間流、顆粒和基質(zhì)等4種基本的支撐機(jī)制，在流速不變的情況下，從紊流支撐(含高密度濁流和低密度濁流)到基質(zhì)支撐，其支撐能力逐漸增強(qiáng)(基質(zhì)支撐中其基質(zhì)的黏度則應(yīng)達(dá)到使流體處于層流狀態(tài))，由于顆粒流和液化流發(fā)育有限，研究程度也不高，故粒間流支撐和顆粒支撐的演化問題尚需進(jìn)一步研究，如液化碎屑流沉積[49]；② 基質(zhì)濃度，在重力流中，基質(zhì)的濃度基本可以代表流體的黏度，即黏滯力的作用大小，紊流支撐機(jī)制中黏滯力作用最小(雷諾數(shù)最大)，基質(zhì)支撐中基質(zhì)的強(qiáng)度和密度則影響著碎屑流的流動(dòng)能力；③ 流體中懸浮顆粒的粒度，對(duì)于同類型顆粒而言(如陸源碎屑顆粒)，粒度可代表顆粒的重力相對(duì)大小，該重力與支撐機(jī)制的相互關(guān)系則決定流體的發(fā)育和顆粒的沉降；④ 流體中懸浮顆粒的濃度，對(duì)于同類型同粒級(jí)顆粒而言，濃度可代表整個(gè)流體中的重力作用，即關(guān)系到重力流和牽引流的轉(zhuǎn)化問題[16, 19, 35]；⑤ 流體速度，代表流體中慣性力的大小和重力流演化及重力流和牽引流的轉(zhuǎn)化問題[34]。

在圖5中，支撐機(jī)制演化從碎屑流的基質(zhì)支撐經(jīng)顆粒流的顆粒支撐、液化流的粒間流支撐而指向低密度濁流的紊流支撐，并伴隨著懸浮物粒度減小，這和不同支撐機(jī)制的支撐能力相關(guān)，同時(shí)也和相應(yīng)沉積物(巖)的粒度分布相吻合[28, 45]：碎屑流沉積粒度范圍寬廣，可從礫級(jí)到泥級(jí)顆粒；顆粒流沉積通常以砂級(jí)顆粒為主，并含有礫石；液化流沉積以中砂、細(xì)砂顆粒為主；低密度濁流沉積常發(fā)育鮑瑪序列，以中砂、細(xì)砂為主。高密度濁流沉積粒度較粗，常含細(xì)礫成分，這主要取決于較大的流體速度，即較大的慣性力作用，通常達(dá)到超臨界流狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于低速的顆粒流和液化流[39]。碎屑流--砂質(zhì)碎屑流--流體泥的演化主要在于流體中顆粒的大小(粒度)和濃度的變化，而基質(zhì)的強(qiáng)度變化較小，甚至可忽略，即在這一變化序列中，主控的作用力為顆粒的重力和流體的重力[4, 48]。在高密度濁流--低密度濁流--牽引流的演化中，紊流支撐機(jī)制不變，變化的是流體的速度和懸浮物的濃度，即流體的慣性力和重力的相對(duì)變化問題[19, 40]。流體泥--牽引流序列和砂質(zhì)碎屑流--低密度濁流序列的演化在于基質(zhì)的強(qiáng)度，即泥級(jí)顆粒的濃度問題，基質(zhì)濃度較大，使流體呈層流狀態(tài)時(shí)為流體泥和砂質(zhì)碎屑流，反之呈紊流狀態(tài)時(shí)為牽引流和低密度濁流[4]。

5 流體沉積機(jī)制

靜止的流體中沉積物在重力(或約化重力)的作用下沿豎直方向降落到底床稱為垂直降落沉積，蓄水體(如海洋和湖泊)中的原地沉積一般都是此種類型，有時(shí)也可疊加較弱的平流，相應(yīng)沉積物的粒度一般都較細(xì)，多為黏土質(zhì)沉積，少量為粉砂質(zhì)沉積[50]；此外，非靜止流體中重力與相反阻力相差懸殊的顆粒，如冰川消融中的較大礫石沉積，也可歸為垂直降落沉積[51]。流動(dòng)的流體對(duì)沉積物的搬運(yùn)按其載荷類型可分為底載荷和懸浮載荷，相應(yīng)的沉積可分為底載荷沉積和懸浮載荷沉積[1]。從沉積機(jī)制的角度講，底載荷沉積主要是沉積物顆粒受到底床的阻礙而發(fā)生的沉積現(xiàn)象，可稱為底床阻礙沉積；懸浮載荷沉積主要是由于流體本身能量的減弱而發(fā)生沉積，可稱為能量減弱沉積，該類沉積發(fā)生時(shí)流體處于流動(dòng)狀態(tài)，而非靜止?fàn)顟B(tài)，相應(yīng)的沉積物(巖)粒度較粗，可形成粒序?qū)?、砂泥混積等多種沉積現(xiàn)象[52]。因此，流體的沉積機(jī)制可分為3種基本類型：垂直降落沉積、底床阻礙沉積和能量減弱沉積(圖6)。

底床阻礙沉積主要表現(xiàn)為顆粒自身的重力、流體施加給顆粒的作用力(通?？紤]的是慣性力)和底床對(duì)顆粒的阻力(通常為支持力和黏滯力)之間的相互作用問題。底床阻礙的沉積方式與流體的流動(dòng)類型相關(guān)：波狀底床上的振蕩流在波谷剝蝕形成砂云，砂云越過波頂，當(dāng)流體轉(zhuǎn)向時(shí)在迎流面發(fā)生沉積，稱為迎流面噴射沉積[53]；低速單向流(次臨界流)通過波狀底床時(shí)，顆粒沿迎流面上升到波頂，后在顆粒重力作用下沿背流面沉積，稱為背流面崩落沉積[20--21]；高速超臨界流體(以單向流最為常見)在向次臨界流轉(zhuǎn)換時(shí)常形成水躍現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為流體深度的突然增加和速度的突然降低，進(jìn)而形成水躍沉積[14--15]：在不穩(wěn)定紊流狀態(tài)下水躍向下游遷移，可形成破碎逆行沙丘或流槽凹坑(chutes-and-pools)，水躍向上游周期性遷移可形成環(huán)階(cyclic steps)；在不穩(wěn)定層流狀態(tài)下向下游周期性遷移，可形成菱形模式(ridge & rhomboidal patterns)[15]。雙向流為交替的單向流，疊加流、疊置流和復(fù)合流為單向流和振蕩流之間的交互作用，因此，底床阻礙沉積可分為3種基本類型：迎流面噴射沉積、背流面崩落沉積和超臨界流水躍沉積(圖6)。底床阻礙沉積表現(xiàn)為底床形態(tài)，可分為砂波、砂丘(含逆行砂丘)、砂壩和平行底床(含上、下平行底床)等[6, 25, 44]。

圖6 沉積流體沉積機(jī)制示意圖Fig.6 Sketch map for sedimentary mechanics of sedimentary flow

流體的能量減弱主要表現(xiàn)在懸浮物的能量減弱(主要為勢能減弱)和流體的整體能量減弱，在沉積機(jī)制方面，前者表現(xiàn)為重力分選沉積和分散壓力沉積[39, 54]，后者表現(xiàn)為“凍結(jié)”沉積[39--40]。能量減弱沉積是流體在流動(dòng)過程中由于自身能量的減小而導(dǎo)致流體中懸浮沉積物顆粒發(fā)生沉積，這一過程往往伴隨著流體性質(zhì)的改變，直至流體消亡，可歸結(jié)為沉積流體的演化(圖6)，主要包括以下4個(gè)方面：① 支撐機(jī)制演化，即基質(zhì)、顆粒、粒間流和紊流等4種基本的支撐機(jī)制支撐的強(qiáng)度變化及轉(zhuǎn)化[4, 40]；② 流體結(jié)構(gòu)演化，自然界的流體從形成、發(fā)展到消亡，其流體的垂向結(jié)構(gòu)的各部分的支撐機(jī)制都會(huì)發(fā)生變化，碎屑流向濁流的演化和相反的濁流向碎屑流的演化以及濁流的雙層結(jié)構(gòu)機(jī)制等，都是目前在沉積流體結(jié)構(gòu)演化方面廣泛受到關(guān)注的內(nèi)容[5, 10--11, 34--35]；③流體速度在空間上的變化，流體的速度是空間位置的函數(shù)，即流體的動(dòng)能受空間位置的控制，也就是流體力學(xué)中的位變加速度問題[13, 55]；④ 流體速度隨時(shí)間的變化，流體的速度同時(shí)也是時(shí)間的函數(shù)，即流體的動(dòng)能同時(shí)也受時(shí)間的控制，也就是流體力學(xué)中的時(shí)變加速度問題，經(jīng)典的濁流沉積(具有鮑瑪序列)即屬此類[12, 55]。流體的空間變化沉積和時(shí)間變化沉積構(gòu)成了流體流動(dòng)沉積(動(dòng)能減弱沉積)的2個(gè)端元，更為復(fù)雜的流體流動(dòng)沉積是兼具有空間變化沉積和時(shí)間變化沉積[55]。

牽引流沉積以底載荷沉積為主，兼有少量的懸浮載荷沉積(圖6)，因此底床形態(tài)及其演化構(gòu)成了牽引流沉積研究的核心問題；重力流沉積以懸浮載荷沉積為主，兼有少量的底負(fù)載沉積，流體演化構(gòu)成重力流沉積研究的核心問題；過渡流體兼有底載荷和懸浮載荷沉積，但就其形成的方式有2種，一是從牽引流演化而來，如風(fēng)暴、海嘯等作用形成的密度流；二是從重力流演化而來，如經(jīng)典濁流中鮑瑪序列C段及以上沉積[19]。隨著流體強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，高密度重力流會(huì)向低密度重力流演化，而低密度的重力流和牽引流可形成立軸旋渦，并由這種水動(dòng)力條件產(chǎn)生丘狀(洼狀)交錯(cuò)層理(沉積物濃度大時(shí)形成丘狀交錯(cuò)層理，濃度小時(shí)形成洼狀交錯(cuò)層理)[56]，丘狀(洼狀)交錯(cuò)層理可視為流體演化的終極沉積構(gòu)造(圖6)。

6 結(jié)論

(1)在沉積學(xué)中可將流體分為牽引流、過渡流和重力流3大類，其中牽引流沉積是基于流體進(jìn)行沉積學(xué)研究的基礎(chǔ)，可進(jìn)一步分為單向流、雙向流和振蕩流3種基本類型和疊置流、復(fù)合流和疊加流3種復(fù)合類型。

(2)牽引流沉積以底載荷沉積為主，兼有少量懸浮載荷沉積，可按照流體力學(xué)的相關(guān)方法展開研究，如超臨界流、臨界流、次臨界流及層流、紊流等，最常見的沉積類型是次臨界紊流底載荷沉積，即經(jīng)典的牽引流沉積。

(3)過渡流和重力流沉積的研究關(guān)鍵在于各種重力流類型及其和牽引流之間的相互轉(zhuǎn)化，其控制因素為重力流的支撐機(jī)制、基質(zhì)濃度、懸浮顆粒的粒度、濃度和流體的速度。

(4)流體的沉積機(jī)制可歸納為垂直降落沉積(靜水)、底床阻礙沉積(牽引流)和能量減弱沉積(重力流)3大類；其中底床阻礙沉積又可分為振蕩流迎流面噴射沉積、低速單向流背流面崩落沉積和超臨界流水躍沉積；能量減弱沉積可分為重力分選沉積、分散壓力沉積和凍結(jié)沉積；各種流體的交互作用最終可形成產(chǎn)生丘狀(洼狀)交錯(cuò)層理的水動(dòng)力條件。