談明軒，朱筱敏，張自力,劉 偉，趙宏超，蘇 彬

[1.河海大學 海洋學院，江蘇 南京 210098； 2.中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249；3.中國石油大學(北京) 地球科學學院，北京 102249； 4.南方科技大學 海洋科學與工程系，廣東 深圳 518055；5.同濟大學 海洋地質(zhì)國家重點實驗室，上海 200092]

目前地球上廣泛分布的沉積物是地質(zhì)歷史時期多次構(gòu)造、氣候事件記錄[1]。了解環(huán)境信號及從“源”到“匯”的傳輸效率及相互作用過程已經(jīng)成為了地球科學與地理科學中的重大科學問題[2-4]?！霸?匯”系統(tǒng)逐漸成為近十年來盆山動力學、沉積動力學及構(gòu)造地貌學等交叉學科的研究熱點。2002年，歐盟第5個框架計劃——“歐洲大陸邊緣地層”項目(EuroSTRATAFORM)啟動，多國展開對歐洲大陸邊緣海相沉積物“源-匯”研究相關(guān)的多學科合作。美國國家科學基金會(NSF)也于2004年將“源-匯”系統(tǒng)研究(Source-to-Sink，簡稱S2S)列為“大陸邊緣”項目(MARGINS)四大重要研究議題之一。2011年，由“大陸邊緣”項目贊助的美國地球物理聯(lián)合會(AGU)查普曼專題會議在美國Oxnard召開，議題為“時空演變下的源-匯系統(tǒng)”[5]，并將此次會議成果匯編為專輯在《Earth Sciences Review》雜志上出版[6]。沉積地質(zhì)學會(SEPM)于2017年在西班牙舉辦主題為“源-匯地層學中的環(huán)境信號傳輸”研究會議，旨在利用多學科方法解決剝蝕、搬運和沉積中信號傳輸與干擾問題，詳細報道現(xiàn)代和古“源-匯”研究成果及技術(shù)方法，極具學術(shù)價值和實踐意義。

同時，中國“源-匯”系統(tǒng)研究在近十年來亦如火如荼。2000年，“中國邊緣海的形成演化及重要資源的關(guān)鍵問題”國家973計劃啟動，最早觸及“源-匯”系統(tǒng)研究[7]。2016年，沉積物“從源到匯”過程研究國際短訓班暨長江-東海源匯過程與環(huán)境響應(yīng)研討會在上海召開，該次會議詳細報道了21世紀以來東亞及西太平洋邊緣海源匯過程的研究進展。2017年，朱紅濤、朱筱敏、曾洪流等教授分別在《地球科學(中國地質(zhì)大學學報)》、《Interpretation》雜志組織了“源-匯”系統(tǒng)專輯，特別介紹了中國含油氣盆地“源-匯”系統(tǒng)研究成果，推動了國內(nèi)“源-匯”系統(tǒng)基本理論和研究方法的創(chuàng)新[8-9]。

由于古“源-匯”系統(tǒng)研究資料相對匱乏、源區(qū)受后期改造較大、測年方法分辨率精度低等客觀原因，整體性定量化研究相對偏少[3]。近年來，國內(nèi)外學者在“將近論古”思想的指導下提出多種系統(tǒng)性研究思路，總結(jié)了一系列研究方法[2,4,10]。然而，目前古“源-匯”系統(tǒng)研究中仍存在諸多與沉積學相關(guān)問題值得深入探討，為今后研究工作提供相關(guān)借鑒。

1 理論基礎(chǔ)與前提

從剝蝕區(qū)形成的物源，包括機械、化學和生物風化產(chǎn)物，以底床載荷、懸浮載荷及溶解載荷的形式搬運到沉積盆地，并最終沉積下來，這一過程被稱之為“源-匯”系統(tǒng)[11-12]?！霸?匯”系統(tǒng)主要針對顆粒物和溶解質(zhì)兩部分而言，因此其整體性研究主要涉及到沉積學和地球化學兩方面內(nèi)容。本文著重探討的“源-匯”系統(tǒng)相對整一、封閉，物源區(qū)主要由非化學巖類組成，化學風化產(chǎn)物占比較相對小。研究對象并不包括干熱氣候下的封閉咸化湖盆體系，重點關(guān)注以機械風化產(chǎn)物為主的固體顆粒物質(zhì)剝蝕、搬運及沉積作用過程(圖1)。

圖1 “源-匯”系統(tǒng)概念模式及不同風化產(chǎn)物沉積過程[14]Fig.1 Conceptual model of “Source-to-Sink” system and the sedimentary process of various weathering products[14]Mch.化學風化沉積物質(zhì)量；Mme.機械風化沉積物質(zhì)量；DRch.化學風化剝蝕速率；DRme.機械風化剝蝕速率；SRev.蒸發(fā)作用沉積速率；SRbi.生物作用沉積速率；SRme.機械風化沉積速率；t1.時間t1充填地 層；t2.時間t2充填地層

構(gòu)造運動、氣候變化對源區(qū)剝蝕、沉積物搬運及沉積過程具有重要影響[12-13]。由于源區(qū)的隆升與剝蝕，現(xiàn)今埋藏地下或出露地表的古“源-匯”系統(tǒng)的源區(qū)巖層僅反映了殘余地貌形態(tài)。過去基于礦物巖石學、地球化學的物源體系研究方法僅僅是定性判定源區(qū)構(gòu)造背景、巖性組合和物源方向，對源區(qū)地貌演化關(guān)注相對較少。沉積區(qū)也僅僅是基于野外露頭或地下地質(zhì)學資料所展開的沉積特征研究，無法系統(tǒng)性了解從源到匯的整體性過程。如何將古源區(qū)和匯區(qū)的研究有機結(jié)合起來，進一步了解剝蝕、搬運及沉積過程，仍然存在較大挑戰(zhàn)。

2 “源-匯”要素中的關(guān)鍵問題

2.1 源區(qū)古水系地貌演變

源區(qū)地貌形態(tài)與沉積物供給、沉積物粒度及沉積物發(fā)育樣式之間的關(guān)系密不可分[15]，故而源區(qū)地貌定量重建是“源-匯”系統(tǒng)研究中首要內(nèi)容。在短期尺度內(nèi)，區(qū)域海拔高度、匯水體系樣式、基底巖性組合、氣候及植被類型均能影響到搬運能力，長期尺度下促使水系演變，并進一步作用于沉積物搬運、沉積過程[15-17]。因此，古水系重建是古代“源-匯”系統(tǒng)研究重要環(huán)節(jié)[10]，在實際研究中必須遵循構(gòu)造地貌學基本理論，參考現(xiàn)代地貌變化特征。

對斷陷盆地而言，構(gòu)造運動對水系演化的影響最為顯著。初始斷陷期主體上繼承先前水系流向特征，強烈斷陷期源區(qū)持續(xù)隆升及邊界斷層擴展、連接使得源區(qū)水系經(jīng)其他構(gòu)造變換帶流向低勢區(qū)[18-20]。實例如青海湖西北部的布哈河古水系在古近紀湖流入東南部的貴德盆地，在青海湖形成時成為該湖泊的軸向水系[21]。若區(qū)域水系下切能力弱于斷塊掀斜作用，則會形成反向水系[22]。實例如希臘Corinth裂谷南部兩條水系在0.8 Ma發(fā)生的水系反轉(zhuǎn)現(xiàn)象與斷層下盤掀斜作用有關(guān)[23]。強烈斷陷期，由于斷陷盆地源區(qū)的差異性隆升作用，陡坡區(qū)的河流溯源能力增強，使分水嶺向后遷移，源區(qū)水系面積增加[22]。

降雨量與巖性差異、海(湖)平面變化均會影響斷陷盆地水系的演化。簡而言之，濕潤環(huán)境下沉積巖源區(qū)的溯源能力強于干旱環(huán)境下的變質(zhì)巖源區(qū)。而海(湖)平面直接影響了水系下游出水口的位置，直接影響水系合并與拆分，在短期尺度下對源區(qū)水系控制作用較為明顯[24]。例如，東非裂谷系Malawi湖在近110 ka以來經(jīng)歷多次極端干旱，但氣候整體上向潮濕轉(zhuǎn)變，基準面具有不斷上升的趨勢[25-26]。與此同時，河流延伸距離逐漸減小，匯水面積也隨之減小。筆者發(fā)現(xiàn)隨著基準面上升，北部軸向古水系逐漸由一個主水系拆分為兩個軸向供源的“源-匯”系統(tǒng)(圖2)，與其匹配的三角洲也由一個演變?yōu)閮蓚€。

此外，在區(qū)域伸展背景下所形成的一系列陸相斷陷盆地通常處于不同構(gòu)造、氣候、湖平面演化階段。特別對于高位期的敞流湖盆而言，其外流水系可能成為其下游低位期湖泊重要的軸向水系。實例如全新世初期東非裂谷系Kivu湖和Edward湖的整體抬升，向下游Tanganyika湖供源，成為該盆地最長的水系。這說明在在同一構(gòu)造背景下多個斷陷盆地古水系的整體化研究對“源-匯”系統(tǒng)分析很有必要。

圖2 氣候因素主導下馬拉維湖北盆地自76 ka以來水系演變特征(高頻氣候變化據(jù)文獻[25-26]有修改)Fig.2 Drainage evolution of the North Basin in the climate-controlled Lake Malawi since 76 ka (High-frequency climatic variability is modified from the references[25-26])a.低于現(xiàn)今湖平面350 m；b.低于現(xiàn)今湖平面200 m；c.現(xiàn)今湖平面；d.晚更新世至今湖平面變化模式

2.2 匯區(qū)沉積物表征

沉積體精細刻畫是“源-匯”研究的核心內(nèi)容。傳統(tǒng)沉積相研究方法是匯區(qū)沉積體精細刻畫的基礎(chǔ)。利用鉆測井、地震資料刻畫源區(qū)搬運通道、沉積體系展布和匯區(qū)水系大致流向等特征[27-28]，同時能夠間接反映源區(qū)古水系方向及其注入點大致位置[26]。與傳統(tǒng)沉積相分析相比，該研究內(nèi)容中著重強調(diào)了對匯區(qū)沉積物展開定量表征。在層序地層學和地震沉積學理論指導下，利用高精度三維地震資料對不同沉積體開展地震地貌、發(fā)育規(guī)模的定量研究[11,29-30]。例如基于井震資料的地層厚度展布或露頭剖面插值建模計算沉積物總體積[31-33]，以明確匯區(qū)沉積物分配過程。

在多旋回疊合型盆地中，原型盆地充填沉積可能局部甚至主體抬升并遭受剝蝕，最終向匯區(qū)提供再旋回陸源碎屑物質(zhì)，使其先前沉積區(qū)地層記錄遭受較大的損失。因此，利用上述方法計算所得沉積物總體積僅為殘余沉積物體積[31-34]。Sadler發(fā)現(xiàn)利用地層記錄計算所得的長周期沉積速率遠小于短期沉積速率的現(xiàn)象(即“Sadler效應(yīng)”)[35]，正是由于古老地層經(jīng)歷的多期沉積間斷和抬升剝蝕所造成的(圖3)。因此，在古代“源-匯”系統(tǒng)物質(zhì)平衡研究中，“Sadler”效應(yīng)對長期沉積速率的影響不可避免。特別是針對具有疊合盆地背景的古“源-匯”系統(tǒng)而言，構(gòu)造平衡剖面分析及沉積區(qū)地層剝蝕量恢復成為減弱該效應(yīng)的重要手段。

圖3 長期尺度下硅質(zhì)碎屑陸架沉積的“Sadler”效應(yīng)交會圖[35]Fig.3 Cross-plot showing the “Sadler Effect” in siliciclastic shelf deposits from a long-term perspective[35]

2.3 沉積物中途存儲

沉積物在搬運路徑中常在山間低地、泛濫平原及陸架上卸載，僅有部分沉積最終搬運到匯區(qū)沉積。在這種系統(tǒng)中，匯區(qū)沉積物發(fā)育規(guī)模很少受沉積物通量的變化而產(chǎn)生變化，中途滯留沉積物到最終匯區(qū)產(chǎn)生沉積需要較長的反應(yīng)時間，Allen將其稱為緩沖型(buffered)“源-匯”系統(tǒng)[2]。易反應(yīng)型(reactive)“源-匯”系統(tǒng)的中途儲存沉積滯留時間較短，地層記錄大致能夠反映沉積物通量變化。沉積物中途滯留取決于構(gòu)造地貌特征及基準面位置。一般而言，活動型構(gòu)造背景中(如前陸盆地、斷陷盆地、弧后盆地及走滑盆地)所發(fā)育的小型“源-匯”系統(tǒng)通常為易反應(yīng)型“源-匯”系統(tǒng)，穩(wěn)定型構(gòu)造背景(被動大陸邊緣盆地、克拉通盆地)所發(fā)育的大型“源-匯”系統(tǒng)一般是緩沖型“源-匯”系統(tǒng)[36]。

對于部分古緩沖型“源-匯”系統(tǒng)而言，由于沉積物滯留所造成信號傳輸?shù)牡托?，匯區(qū)地層記錄中很難真實反映源區(qū)構(gòu)造、氣候的變化。在質(zhì)量平衡研究中，應(yīng)當探討源區(qū)地貌、匯區(qū)構(gòu)造樣式及基準面變化對沉積物中途存儲的影響。例如，Watkins等在Corinth裂谷晚更新世以來的沉積物收支平衡研究認為冰期與間冰期交替變化是造成沉積物緩沖和釋放的重要原因[37]。就緩沖型“源-匯”系統(tǒng)而言，中途儲存沉積物比例高、滯留時間長，源區(qū)水系與匯區(qū)地貌參數(shù)相關(guān)性偏低[15,38]，利用地貌學比例半定量預(yù)測“源-匯”系統(tǒng)發(fā)育規(guī)模必須審慎使用。

3 基本研究方法概述

古代“源-匯”系統(tǒng)研究涵蓋了古地貌重建、古構(gòu)造恢復、碳循環(huán)過程、深時古氣候、古環(huán)境及古地理研究等多方面研究內(nèi)容。本文試圖就沉積學角度探討古代“源-匯”系統(tǒng)主要沉積學研究方法：①碎屑礦物的同位素年齡進行物源體系定量示蹤；②利用地貌學比例關(guān)系進行深時古地貌定量預(yù)測；③利用沉積物質(zhì)量平衡進行沉積物分配分析。

3.1 碎屑礦物物源示蹤

碎屑輕重礦物分析是傳統(tǒng)物源分析的基本方法，同樣也是重建深時沉積物路徑系統(tǒng)較為有效方法之一[4,30]。傳統(tǒng)巖石學方法如運用Dickinson三角圖解法區(qū)分物源體系、判定構(gòu)造背景，但存在一定多解性[39]。重礦物組合及相關(guān)判別參數(shù)也是判定母巖礦物組分及物源方向的常規(guī)手段，但其分析結(jié)果相對粗略，無法達到“源-匯”系統(tǒng)研究需求。近年來，隨著高精度碎屑鋯石U-Pb同位素定年技術(shù)的不斷發(fā)展，該方法被廣泛運用到源區(qū)風化產(chǎn)物示蹤、古水系重建及沉積路徑系統(tǒng)演化研究中，成為古代“源-匯”系統(tǒng)分析重要手段之一[40-42]。通過碎屑鋯石年齡組成與潛在源區(qū)結(jié)晶巖體年齡組成對比，以區(qū)分出源區(qū)物質(zhì)組成及優(yōu)勢路徑系統(tǒng)(圖4)。與此同時，借助于陰極發(fā)光、透射光下的碎屑礦物形態(tài)學特征，判別物源體系的搬運距離[43]。當樣品數(shù)據(jù)點多、源區(qū)母巖成分復雜、匯區(qū)碎屑鋯石年齡組成呈多峰特征，亦可優(yōu)選Kolmogorov-Smirnov(K-S)及Kuiper檢驗等方法對多組數(shù)據(jù)相似性進行對比，以確定源區(qū)和匯區(qū)的鋯石年齡組合相關(guān)性[44]。近年來，利用計算機程序?qū)θ蛩樾间喪疷-Pb年齡大數(shù)據(jù)分析，建立全球碎屑鋯石數(shù)據(jù)、進行全球尺度的水系研究正成為研究熱點[45]。此外，碎屑輕礦物鉀長石Pb同位素組成、云母Ar-Ar定年及重礦物石榴石、金紅石U-Pb定年等方法也是近年來古水系演化研究的新技術(shù)手段，目前均已取得較好的效果[46-52]。

筆者在渤海灣盆地遼西凹陷J油田5口取心井沙二段的巖心、巖屑中碎屑鋯石U-Pb定年研究中識別出兩種不同鋯石年齡組合，即中生代侵入巖單一年齡組合、太古代混合花崗巖與中生代侵入巖多年齡組合[53]。沉積學研究表明，5口取心井鉆遇由燕山褶皺帶供源的辮狀河三角洲與灘壩沉積。碎屑鋯石年齡分析統(tǒng)計、K-S分析、區(qū)域基底巖性、鋯石年齡分布及鋯石形態(tài)對比等研究表明燕山區(qū)域物源區(qū)存在兩條途徑不同巖性組合區(qū)的潛在沉積物路徑系統(tǒng)向研究區(qū)供源(圖5)，并推測出南北兩條沉積物路徑系統(tǒng)的長度分別為22 km和40 km。因此，在前新生界古基底巖性、區(qū)域侵入巖及變質(zhì)巖鋯石年齡及研究區(qū)碎屑鋯石年齡的研究基礎(chǔ)上，碎屑礦物定年和碎屑礦物形態(tài)學對比分析有助于特定古水系的路徑精細追蹤。

在利用碎屑鋯石U-Pb定年進行研究中，要特別注意再旋回沉積物對物源示蹤研究的影響。利用碎屑礦物的低溫熱年代學方法約束源區(qū)的隆升與剝蝕時間是明確識別再旋回物源較好的辦法。蔡長娥利用鋯石裂變及U-Th/He定年在中國渤海灣盆地(濟陽坳陷)及塔里木盆地(塔西南坳陷)研究中進行了初步分析[54]。Xu等同時對單顆鋯石上進行U-Pb及U-Th/He定年以區(qū)分北美墨西哥灣北部再旋回Greenville期鋯石來源[55]。與鋯石U-Pb高溫測年相比，鋯石U-Th/He定年的封閉體系溫度約為200 ℃，因此能夠較好地約束再旋回沉積物遭受抬升剝蝕的年齡。對于中深層或者盆地熱流值異常高，埋藏年齡達到鋯石的封閉年齡或退火年齡，樣品則無法保存原始物源信息。由于碎屑磷灰石的封閉年齡或退火年齡均相對較低，對于盆地熱史響應(yīng)更為靈敏，卻損失了原始物源信息，因此并不能用作低溫熱年代學物源分析方法的主要碎屑礦物。

圖4 碎屑鋯石Pb-U定年分析沉積物路徑系統(tǒng)示意圖[4] Fig.4 Schematic diagram for tracing sediment routing system via detrital zircon Pb-U dating analysis[4]

3.2 地貌學比例關(guān)系

地貌比例關(guān)系研究旨在利用地貌參數(shù)經(jīng)驗關(guān)系對古代“源-匯”系統(tǒng)不同單元地貌特征進行定量預(yù)測，從而利用地貌參數(shù)變化重建“源-匯”過程動態(tài)發(fā)育過程。20世紀60—70年代，地理學家最早發(fā)現(xiàn)沖積扇面積與沖積扇的坡度、源區(qū)的匯水面積呈冪函數(shù)的比例關(guān)系[56-57]。Schumm和Winkely發(fā)現(xiàn)水道長度與匯水面積成正比，與水道坡度成反比[58]。Davidson等發(fā)現(xiàn)匯水面積和河道滿岸形態(tài)相關(guān)性較強[59]。Hovius等、Talling等、Walcott和Summerfield先后探討了不同構(gòu)造背景水系長度與水系出口間距比[60-62]。Smme等總結(jié)了全球29個不同構(gòu)造背景的海相“源-匯”系統(tǒng)的源區(qū)、陸架、陸坡及深海平原等地貌參數(shù)的比例關(guān)系[15]。近年來，隨著全球數(shù)字高程數(shù)據(jù)精度大幅提高，Nyberg等將其地貌參數(shù)提取與擬合分析擴展至全球上萬個現(xiàn)代“源-匯”系統(tǒng)中，完善了現(xiàn)代“源-匯”系統(tǒng)的地貌學數(shù)據(jù)庫[38]。

地貌學研究證實無論地表過程如何變化，地貌形態(tài)參數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系相對較為穩(wěn)定。盡管依據(jù)該種方法估算所得的地貌學參數(shù)普遍存在較大不確定性，但一般而言預(yù)測值與實際值理論上處于一個數(shù)量級內(nèi)。選取多種地貌學回歸關(guān)系進行共同約束，對古“源-匯”系統(tǒng)定量預(yù)測具有較大實用意義[63-64]。

東非Malawi湖晚更新世以來源區(qū)水系樣式主要受控于高頻氣候變化所引起的基準面變化(圖3)。筆者依據(jù)現(xiàn)今地貌高程數(shù)據(jù)、晚更新世湖平面變化定量統(tǒng)計晚更新世以來的主要水系相關(guān)地貌參數(shù)，利用采集間距較小的高分辨率二維地震資料(主頻達150Hz)、高精度年齡模型約束晚更新世緩坡三角洲的發(fā)育規(guī)模和沉積速率，建立了整個湖盆不同匯水盆地低坡度三角洲“源-匯”系統(tǒng)地貌學比例關(guān)系。事實證明，匯水體系與最長河流長度、主河流平均坡度存在較好的冪函數(shù)關(guān)系，這與全球地貌比例數(shù)據(jù)分布具有一致性的趨勢[38]。具有相似構(gòu)造背景或邊界構(gòu)造樣式的三角洲與匯水面積相關(guān)性相對較強(圖6)。類似的地貌學比例關(guān)系統(tǒng)計研究在墨西哥灣古近系“源-匯”系統(tǒng)區(qū)域性研究中也得到了進一步驗證[65]。

圖5 渤海J油田燕山遼西段沙河街組二段區(qū)域“源-匯”系統(tǒng)的優(yōu)勢路徑及碎屑鋯石年齡證據(jù)[51]Fig.5 Advantageous routings and detrital zircon dating signatures of regional “Source-to-Sink” systems from the second member of the Shahejie Formation in the Liaoxi segment of Yanshan Mountain in the J oilfield,offshore Bohai Sea[51]a.渤海J油田三角洲“源-匯”系統(tǒng)及潛在物源區(qū)基巖地質(zhì)圖；b.研究區(qū)沙河街組二段碎屑鋯石年齡概率分布函數(shù)；c.研究區(qū)沙河街組二段碎屑鋯石累計分布函數(shù)；d. J9井研究層段碎屑鋯石U-Pb協(xié)和圖；e. J7井研究層段碎屑鋯石U-Pb協(xié)和圖；f. JN13井研究層段碎屑鋯石U-Pb協(xié)和 圖；g. JS5井研究層段碎屑鋯石U-Pb協(xié)和圖；h. JS4井研究層段碎屑鋯石U-Pb協(xié)和圖

3.3 沉積物質(zhì)量平衡

沉積物質(zhì)量平衡分析重點在于物源供給總量與沉積體發(fā)育規(guī)模的對比探討“源-匯”系統(tǒng)中各階段物質(zhì)產(chǎn)生、輸送及損失、“源-匯”系統(tǒng)封閉性及沉積物粒度分異等問題。因此，從“源”到“匯”質(zhì)量平衡分析是了解整個沉積物路徑系統(tǒng)運轉(zhuǎn)過程的理論依據(jù)[2,35,39]。

質(zhì)量平衡分析包括源區(qū)剝蝕量、沉積物供給及匯區(qū)沉積體三方面對比分析。事實上，由于源區(qū)沉積物短暫儲存、匯區(qū)沉積物改造乃至跨盆地物質(zhì)搬運，源區(qū)剝蝕產(chǎn)物總量、沉積物通量及匯區(qū)沉積體總量往往并不一致。在盆地尺度的“源-匯”系統(tǒng)研究中，通過對比三者差異可以確定沉積物搬運、沉積及分配過程，明確沉積物粒度向下游的變化趨勢[21,35-37]。

圖6 非洲Malawi斷陷湖晚更新世緩坡及軸向“源-匯”系統(tǒng)地貌學比例特征(全球地貌數(shù)據(jù)據(jù)文獻[38])Fig.6 Geomorphological scaling relationship of shoaling and axial “Source-to-Sink” systems in Lake Malawi rift since the Late Pleistocene (The global geomorphological dataset is after the reference[38])a.匯水面積與最長河流長度；b.匯水面積與河流平均坡度；c.匯水面積與三角洲面積；d.匯水面積與長期三角洲沉積速率

源區(qū)剝蝕量可由成因宇核法測定的源區(qū)平均剝蝕速率并結(jié)合相關(guān)測年方法所得[66-67]，或利用低溫熱年代學所記錄的退火年齡及熱史模擬測定剝蝕量[68]，或利用地層趨勢法插值建?；謴蚚29]。相比而言，成因宇核方法僅能計算第四紀的剝蝕量，而低溫熱年代學法、地層趨勢恢復法則更適用于深時“源-匯”系統(tǒng)。匯區(qū)沉積體表征在上述章節(jié)已作過簡單討論。對于埋藏于地下的沉積體而言，則需進行去壓實及孔隙度校正，以恢復其同期沉積物規(guī)模[31]。

沉積物通量計算則主要建立在現(xiàn)代地貌學、水利學以及相關(guān)經(jīng)驗關(guān)系的研究基礎(chǔ)上，其中以“支點”法和“BQART”模式法計算沉積物供給為代表[69]。

1) “支點”法

“支點”法是以河流體系作為從“源”到“匯”的杠桿，在河流層序地層學及沉積學研究的基礎(chǔ)上，運用鉆測井響應(yīng)特征或露頭發(fā)育特征對河道滿岸形態(tài)(如滿岸寬度、滿岸深度)進行定量表征[70]。在河道砂巖粒度分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合若干水力學公式(如Chezy、Manning及Manning-Strickler公式等)、地貌學經(jīng)驗公式計算滿岸河道參數(shù)、滿岸流量以及沉積物載荷總量(圖7a)。盡管其運算流程比較復雜，相關(guān)變量和系數(shù)也相對較多[69-72]，卻在“源-匯”沉積物平衡半定量-定量研究中具有較好的指導意義。

2) “BQART模式”法

Syvitski和Milliaman在全球488條河流超過30年水文數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合地貌參數(shù)統(tǒng)計成果建立了BQART經(jīng)驗公式，認為其適用于96%現(xiàn)代河流體系的沉積物載荷量變化[73]。在源區(qū)基礎(chǔ)地質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，利用地貌比例關(guān)系及水利學經(jīng)驗公式對源區(qū)地貌進行精細表征，可對沉積物載荷量進行估算(圖7b)。其計算公式如下：

Qs=ωBQ0.31A0.5RT(T≥2℃)

(1)

Qs=2ωBQ0.31A0.5R(T<2℃)

(2)

式中：Qs為河流沉積物載荷量，Mt/a,；ω為常數(shù)(0.02)；B為環(huán)境參數(shù)；Q為河流流量，km3/a；A為匯水面積，km2；R為最大地形高差，km；T為年平均溫度，℃。其中環(huán)境參數(shù)B反映了人類活動、基底巖性乃至冰川作用的影響，可具體表征為：

圖7 “支點”法(a)與“BQART模式”(b)法計算沉積物供給總量工作流程Fig.7 Work flows of mass balance analysis through the “fulcrum” (a) and “BQART” (b) approaches

B=IL(1-TE)Eh

(3)

式中：I為冰川侵蝕系數(shù)，I=1+0.09Ag；Ag為冰川覆蓋率；L為平均巖性系數(shù)(抗風化強度越低，系數(shù)越大，一般介于0.5～3)；TE為沉積物中途滯留比例，Eh為人類影響因素。對未受冰川影響的“源-匯”系統(tǒng)，其沉積物搬運過程未受限制，即環(huán)境參數(shù)B=L[74]。

如何準確獲取古“源-匯”系統(tǒng)各變量是計算沉積物通量中一大難點，因此利用“支點”法或“BQART模式”法計算所得的沉積物通量常存在較大不確定性。在實際研究過程中，Sharma等和Zhang等在這兩種方法的基礎(chǔ)上假設(shè)不同變量的概率分布形態(tài)[72,75]，并利用Monte Carlo模擬計算沉積物供給通量的變化范圍，目前被認為是較為可靠的研究方法[69]。

4 研究意義及發(fā)展方向

4.1 沉積學及油氣勘探意義

“源-匯”系統(tǒng)研究思想對各要素研究方法的創(chuàng)新均有極大助力作用。源區(qū)分析不能是簡單停留在傳統(tǒng)意義上的物源分析，而是更多地依靠地球化學、構(gòu)造地貌學方法進行源區(qū)剝蝕速率、地貌演化研究。匯區(qū)分析不僅僅是古地理研究，而需要建立更加精確的年齡模型，并在高精度層序格架下進行立體建模、定量表征。在“源-匯”系統(tǒng)整體性研究中，則要充分考慮構(gòu)造、氣候、海平面等環(huán)境信號的運轉(zhuǎn)過程及傳輸效率，考慮到沉積物從源到匯的搬運歷史，以進一步明確“源-匯”系統(tǒng)的耦合機制。

隨著“源-匯”系統(tǒng)思想的不斷完善，源區(qū)古水系重建已經(jīng)成為油氣勘探古地理綜合研究方法的重要組成部分。將古“源-匯”系統(tǒng)沉積學的綜合研究方法應(yīng)用到含油氣盆地沉積體系分析中能夠低成本、高效預(yù)測少井區(qū)有利儲層分布，從而進一步提高油氣勘探成功率及油氣采收率[74]。目前在北海盆地、墨西哥灣盆地及中國渤海灣盆地等全世界大型含油氣盆地的油氣勘探和開發(fā)中均已取得較好的應(yīng)用效果[39,65,76-77]。

4.2 發(fā)展方向

“源-匯”系統(tǒng)中包含極其復雜的物理、化學和生物作用過程[32]。目前古“源-匯”系統(tǒng)研究仍停留在定性、半定量分析的階段。如何獲取古“源-匯”系統(tǒng)中源區(qū)信息是其中的難點，而沉積物從源到匯的搬運過程研究也變得尤為重要。傳統(tǒng)沉積學研究方法仍然是“源-匯”系統(tǒng)的基礎(chǔ)，然而未來研究方向則依靠多種學科融合、技術(shù)方法不斷革新，由定性、半定量逐漸向定量研究發(fā)展。

如何建立準確且合理的古“源-匯”系統(tǒng)模型？“源-匯”過程的正演模擬是一個較的好研究手段。在古“源-匯”系統(tǒng)相關(guān)變量研究基礎(chǔ)上，結(jié)合構(gòu)造、氣候背景進行相關(guān)區(qū)域進行正演模擬分析，為古“源-匯”系統(tǒng)過程定量預(yù)測提供了新的思路。目前較多的計算機數(shù)模軟件是基于簡單擴散模型的地層正演模擬方法(如Sedisim，DionisoFlow)，其研究基礎(chǔ)是假定沉積物供給速率(水沙流量)保持恒定，實際上是將源區(qū)地貌、沉積物供給及沉積區(qū)地層疊置樣式模擬割裂開來[75]?；谒η治g模型的地層模擬方法則將構(gòu)造與氣候演變、源區(qū)剝蝕、地貌演化乃至沉積充填有機地聯(lián)系起來(圖8a)(如Lecode，Pybadlands，GEOLEM等)[1,79-81]。在盆地分析的基礎(chǔ)上，設(shè)置相應(yīng)環(huán)境參數(shù)，了解環(huán)境信號在古“源-匯”系統(tǒng)中的傳輸、損耗，從而明確“源-匯”系統(tǒng)的緩沖和快速反應(yīng)機制。與此同時，設(shè)計從源到匯的水槽模擬[82]，通過設(shè)定不同構(gòu)造隆升速率和降雨量參數(shù)，能夠更加直觀地分析源區(qū)水系演化過程、三角洲動態(tài)建造過程(圖8b)，對于古“源-匯”過程研究亦有較強的指導意義。

圖8 基于“源-匯”系統(tǒng)的理論模型及水槽實驗?zāi)Ｐ蚚1,80]Fig.8 Theoretical and flume experimental models based on “Source-to-Sink” system[1,80]a.數(shù)值模擬理論模型；b.水槽實驗?zāi)Ｐ?/p>

從源到匯的地貌統(tǒng)計學分析仍然是未來一段時間內(nèi)重要的研究方向。目前“源-匯”系統(tǒng)各要素的地貌統(tǒng)計學研究已經(jīng)涵蓋了全球三角洲及海底扇體系[38,83]，并且越來越多統(tǒng)計學研究開始涉足到深時“源-匯”系統(tǒng)中。然而“源-匯”系統(tǒng)的均衡特性、構(gòu)造和氣候差異對各地貌要素直接的相關(guān)性影響相當顯著。依據(jù)氣候分帶、構(gòu)造背景分類、分區(qū)域建立具有魯棒性的“源-匯”系統(tǒng)地貌比例大數(shù)據(jù)，通過有效的大數(shù)據(jù)篩選方法將“源-匯”系統(tǒng)地貌統(tǒng)計學應(yīng)用到古“源-匯”系統(tǒng)重建中去。

除此之外，針對不同構(gòu)造背景、不同時間尺度的“源-匯”系統(tǒng)而言，在研究中應(yīng)注意由淺入深、循序漸進，遵循從淺層到深層、從單一到疊合、從封閉到開放、從單一風化作用過程到多種風化作用過程約束的原則，建立適用于不同規(guī)模、不同構(gòu)造背景古“源-匯”系統(tǒng)的綜合研究方法，并將其廣泛應(yīng)用于物源示蹤、沉積充填、儲層預(yù)測等一體化研究中。

5 結(jié)語

1) 古“源-匯”系統(tǒng)是在構(gòu)造、氣候驅(qū)動下地貌單元發(fā)生變化，沉積地層部分或完全缺失，所保留的地質(zhì)信息通常并不完整。相對于第四紀乃至現(xiàn)代“源-匯”體系來說，其研究難度也相對更大。由于源區(qū)剝蝕、水系變遷、測年困難等重要原因，適用于現(xiàn)代“源-匯”系統(tǒng)的研究方法似乎并不能很好解決古“源-匯”系統(tǒng)相關(guān)問題。因此，與從“源”到“匯”息息相關(guān)的重要沉積學問題(地貌水系演化、匯區(qū)定量表征、沉積物中途儲存)應(yīng)當審慎對待。

2) 古“源-匯”系統(tǒng)提出絕不是“新瓶裝舊酒”。傳統(tǒng)意義上的物源分析、沉積相分析乃至沉積物輸送通道等沉積體系分析方法僅是部分“源-匯”研究工作的基礎(chǔ)，然而其并沒有把“源-匯”系統(tǒng)各要素有機整合進行定量化、相關(guān)性研究。碎屑物源定量示蹤有利于推斷優(yōu)勢路徑系統(tǒng)，地貌學比例關(guān)系能夠提供諸多有意義的原始地貌信息，而沉積物質(zhì)量平衡分析則是完整分析“源-匯”過程中的產(chǎn)生、輸送及損失。多學科與傳統(tǒng)沉積學交叉形成一系列最新研究方法，成為解決古“源-匯”系中沉積學問題的重要途徑。與此同時，傳統(tǒng)沉積學研究逐漸向定量化發(fā)展，數(shù)值模擬及物理模擬將成為未來“源-匯”研究中重要手段。上述一系列系統(tǒng)性研究方法為傳統(tǒng)沉積學研究的技術(shù)突破、思想轉(zhuǎn)變帶來契機，為少井區(qū)油氣勘探選區(qū)、有利儲層預(yù)測提供了新思路。

致謝:感謝美國雪城大學地球科學系“Lacustrine Rift Research Program” C.A.Scholz教授提供的東非裂谷系相關(guān)資料以及一年以來的傾情指導！