王俊輝 姜在興 鮮本忠 張春明 李國(guó)斌

1油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)石油大學(xué)(北京)，北京 102249 2中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249 3中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)能源學(xué)院，北京 100083 4中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083 5中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院西北分院，甘肅蘭州 730020

古風(fēng)場(chǎng)是古大氣環(huán)流的直接結(jié)果，是古氣候研究的重要內(nèi)容(劉立安和姜在興，2011；龐軍剛和云正文，2013)。以往的古氣候重建側(cè)重于古溫度和古濕度的恢復(fù)(Quanetal.，2011，2012a，2012b)，而古風(fēng)場(chǎng)的研究則比較少。究其原因，主要是研究手段匱乏，難于挖掘保存有古大氣流場(chǎng)信息的地質(zhì)資料。

古風(fēng)力的定量恢復(fù)是古風(fēng)場(chǎng)恢復(fù)的難點(diǎn)。Eastwood等(2012)根據(jù)風(fēng)成沉積物的粒度與風(fēng)的搬運(yùn)能力之間的定量關(guān)系，提出了一種比較可靠的基于沉積動(dòng)力學(xué)原理恢復(fù)古風(fēng)力的方法。利用風(fēng)的直接產(chǎn)物——風(fēng)成沉積的方法盡管比較可靠，但是地質(zhì)記錄中保留下來(lái)的風(fēng)成沉積物卻并不多見(jiàn)，限制了該方法的大范圍應(yīng)用。此外，由于受空氣搬運(yùn)能力的限制，地質(zhì)歷史中保留下來(lái)的大多數(shù)風(fēng)成沉積物粒度一般不超過(guò)粗砂級(jí)，即使通過(guò)這些最粗的風(fēng)成沉積物所恢復(fù)的古風(fēng)力也不會(huì)超過(guò)12m/s，超過(guò)此強(qiáng)度的風(fēng)極少能通過(guò)風(fēng)成沉積物記錄下來(lái)(王俊輝等，2018)。

風(fēng)除了直接作用于沉積物，還可以驅(qū)動(dòng)其他介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，在沉積物中留下可以重建古風(fēng)力的線索。面積廣闊的地表水體就是一種常見(jiàn)的聯(lián)系風(fēng)力和沉積物的介質(zhì)(劉立安和姜在興，2011)。風(fēng)作用于水體會(huì)產(chǎn)生波浪，所形成的波浪的大小主要取決于風(fēng)力大小(Orme and Orme，1991)，并且存在統(tǒng)計(jì)學(xué)上的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。因此，古風(fēng)力的恢復(fù)，在一定程度上可以通過(guò)古波況的恢復(fù)來(lái)間接完成。

許多學(xué)者自20世紀(jì)70—80年代始就意識(shí)到通過(guò)濱岸帶沉積物可以為古波況的恢復(fù)提供線索(Tanner，1971；Allen，1981，1984；Dupré，1984；Diem，1985)。隨后，Orme 和 Orme(1991)、Adams(2003，2004)、Knott等(2012)等利用濱岸帶最粗的沉積顆粒反映波浪搬運(yùn)能力的原理，在古波況恢復(fù)的基礎(chǔ)上恢復(fù)了古風(fēng)力。然而，這種方法對(duì)資料要求較高，比較適合于露頭研究。對(duì)于以地下資料為主的鉆孔資料，其應(yīng)用受到限制(王俊輝等，2018)。

波浪在向岸邊傳播的過(guò)程中，會(huì)在濱岸帶形成灘壩沉積(姜在興等，2015)，所形成的灘壩砂體的規(guī)模取決于波浪大小，進(jìn)而取決于風(fēng)力的大小(李國(guó)斌，2009；李國(guó)斌等，2010；王俊輝，2016)?；诖耍臧l(fā)展了2種較完善的利用灘壩砂體恢復(fù)古波況和古風(fēng)況的方法(王俊輝，2016): (1)利用破浪沙壩恢復(fù)古風(fēng)力(Jiangetal.，2018)；(2)利用沿岸礫質(zhì)灘脊(沿岸礫質(zhì)壩)恢復(fù)古風(fēng)力(Wangetal.，2018)。作者在此2種方法的分析基礎(chǔ)上，在操作流程、適用條件、誤差分析等方面又做了更加完善的介紹和分析，以期對(duì)該研究工作有進(jìn)一步的推動(dòng)，也可供大家借鑒與應(yīng)用。

1 風(fēng)與波浪的關(guān)系

風(fēng)所形成的波浪大小取決于風(fēng)速、風(fēng)時(shí)(指狀態(tài)相同的風(fēng)持續(xù)作用于水面的時(shí)間)、風(fēng)程(指狀態(tài)相同的風(fēng)在水面作用的距離)3個(gè)因素(Komar，1998)。當(dāng)風(fēng)時(shí)足夠長(zhǎng)，波浪將達(dá)到定常狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)浪(風(fēng)所形成的波浪的簡(jiǎn)稱，下同)的大小由風(fēng)速和風(fēng)程2個(gè)因素決定。因此，通過(guò)風(fēng)浪大小推導(dǎo)風(fēng)力(風(fēng)速)時(shí)，風(fēng)程的獲取很重要。另外需要注意的是，在淺水條件下，由于水底摩擦力的作用，水深也會(huì)影響波浪大小(CERC，1984；滕學(xué)春等，1985)。因此，盡管表達(dá)風(fēng)與波浪關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式有很多(滕學(xué)春等，1985；朱炳祥，1990)，但幾乎都可以表達(dá)為波高、風(fēng)程、水深的函數(shù)。

Adams(2003)根據(jù)美國(guó)海岸工程研究中心(CERC)的資料給出了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的、應(yīng)用于簡(jiǎn)單波況條件的有限風(fēng)區(qū)水體的風(fēng)浪關(guān)系公式：

(1)

其中，UA為風(fēng)壓系數(shù)；F為風(fēng)程(m)；Hs為深水區(qū)有效波高(m；將給定波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的 1/3 部分波高的平均值稱為“有效波高”，也可記為H1/3)。

風(fēng)壓系數(shù)可以進(jìn)一步根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系轉(zhuǎn)換為風(fēng)速(CERC，1984；Adams，2003):

UA=0.71U1.23

(2)

其中，U即為水面上方10m處的風(fēng)速(m/s)。

公式1和公式2表明，只要能夠?qū)Φ刭|(zhì)歷史時(shí)期的風(fēng)程(F)和波況(Hs)進(jìn)行恢復(fù)，則古風(fēng)力的恢復(fù)將變得可行。下文將分別以破浪沙壩、沿岸沙壩與波況的對(duì)應(yīng)關(guān)系為切入點(diǎn)，介紹利用2種類型沙壩恢復(fù)古風(fēng)力的依據(jù)。

2 利用破浪沙壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力

2.1 破浪沙壩的成因

A—沉積物在破浪帶集中形成破浪沙壩，最終其形態(tài)、規(guī)模與破浪將達(dá)到平衡狀態(tài)；B—各參數(shù)示意： tb為破浪沙壩厚度(m)，dt為壩后凹槽水深(m)，db為沙壩水深或破浪水深(m)，α為濱岸帶地形坡度角(°)，θ為沙壩向岸一側(cè)的坡度角(°)圖1 破浪沙壩的成因模型(據(jù)Davidson-Arnott，2013；有修改)Fig.1 Breaking wave model for the longshore bar formation(modified from Davidson-Arnott，2013)

波浪在向岸傳播過(guò)程中遇淺會(huì)發(fā)生破碎形成破浪，在破浪處沉積物將聚集形成沙壩。破浪沙壩的破浪模型(breakpoint model)或自組織模型(self-organizational model)是已經(jīng)廣為接受的沙壩成因模型之一(Dyhr-Nielsen and Sorensen，1970；Coco and Murry，2007)。該模型認(rèn)為，在破浪帶中，破浪帶向陸一側(cè)產(chǎn)生的離岸搬運(yùn)與向海(湖)一側(cè)的向岸搬運(yùn)，使沉積物在破浪帶集中，形成沙壩，壩后形成凹槽。沙壩在水動(dòng)力作用、沉積物搬運(yùn)、沙壩形態(tài)演化的相互反饋?zhàn)饔孟律L(zhǎng)，最終達(dá)到平衡(Houser and Greenwood，2005)(圖1)。沙壩的破浪成因機(jī)制是基于海洋濱岸環(huán)境提出的，研究表明，在中大型湖泊環(huán)境中同樣適用(Greenwoodetal.，2006)。

根據(jù)破浪模型，破浪控制著破浪沙壩的離岸位置、規(guī)模及其產(chǎn)生的水深范圍。很早就有研究表明，波浪越大，發(fā)生破浪的水深越大，形成破浪沙壩和壩后凹槽的水深也就越大(Komar，1998)。因此隨著波浪的增強(qiáng)，破浪沙壩會(huì)向深水方向遷移，但沙壩最終仍會(huì)與破浪波高建立起平衡關(guān)系(Houser and Greenwood，2005；Price and Russink，2011；Davidson-Arnott，2013)，破浪沙壩的規(guī)模也會(huì)隨著破浪的增大而增大(Pruszaketal.，1997)；相反地，隨著波浪的減弱，破浪沙壩會(huì)向淺水方向遷移，沙壩的規(guī)模也會(huì)減小。

2.2 破浪沙壩的形態(tài)特征

大小不同的波浪形成的破浪沙壩規(guī)模不一，但沙壩的形態(tài)卻相似(Davidson-Arnott，2013)。觀測(cè)表明，破浪沙壩的橫剖面具有明顯的不對(duì)稱性(圖1-B)，表現(xiàn)為向陸地一側(cè)的傾角明顯大于離岸一側(cè)，向岸側(cè)的角度θ最大可能達(dá)到休止角(Davidson-Arnott and Greenwood，1974；Dabrio and Polo，1981；Thorntonetal.，1996；Gallagheretal.，1998)。另外，沙壩向岸一側(cè)的槽谷水深dt(m)與壩頂水深db(m)之比Rtb，即：

(3)

具有一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。例如，Otto(1912)和其他德國(guó)觀測(cè)者在波羅的海的觀測(cè)得出的平均值為1.66。Keulegan(1948)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Rtb平均為1.69，與Otto的觀測(cè)較為吻合。但Evans(1940)通過(guò)描述Michigan湖的破浪沙壩，發(fā)現(xiàn)天然形成的沙壩較平坦而寬廣一些，Rtb變化于1.42～1.55之間。也有人認(rèn)為壩后凹槽的水深要比壩頂?shù)乃畲蠛芏?，Rtb可能達(dá)到3(Dr?nen and Deigaard，2007)。

2.3 破浪沙壩厚度與風(fēng)力的關(guān)系

根據(jù)破浪沙壩與破浪之間的平衡關(guān)系，從破浪沙壩厚度這一參數(shù)入手，可以進(jìn)行古波況的恢復(fù)，進(jìn)而通過(guò)風(fēng)浪關(guān)系，可以恢復(fù)古風(fēng)力。

根據(jù)破浪沙壩的形態(tài)特征(圖1)，沙壩厚度tb(m)、壩頂與壩后凹槽水深(分別為db，dt)、濱岸帶地形坡度(tanα)、沙壩向陸一側(cè)的坡度(tanθ)具有如下的幾何學(xué)關(guān)系(圖1):

(4)

將公式3代入，公式4可以簡(jiǎn)化為公式5:

(5)

因此，當(dāng)沙壩的基座坡度角α(°)、與沙壩形態(tài)有關(guān)的參數(shù)Rtb、θ(°)等參數(shù)已知的條件下，就可以通過(guò)破浪沙壩厚度tb求得破浪水深db。根據(jù)db，可以進(jìn)一步根據(jù)破浪關(guān)系求得破浪波高Hb(m)。

Hb=γbdb

(6)

其中，γb為破浪指數(shù)，表達(dá)了破浪波高與破浪水深之間的關(guān)系。γb在海岸工程領(lǐng)域中有著比較系統(tǒng)的研究，不同的學(xué)者對(duì)此也有不同的計(jì)算方法。Jiang 等(2018)在應(yīng)用破浪沙壩恢復(fù)古風(fēng)力時(shí)，對(duì)γb的計(jì)算采用了Goda曲線法。Goda曲線是Goda(1970)根據(jù)幾種海灘坡度的試驗(yàn)資料繪制成的經(jīng)驗(yàn)曲線，已被中國(guó)《海港水文規(guī)范2013》引用。Goda曲線給出了破浪指數(shù)γb與深水波波長(zhǎng)L0(m)、地形坡度tanα之間的關(guān)系(圖2)。

圖2 破浪指數(shù)(γb)與破浪水深與深水波長(zhǎng)之比(db/L0)、濱岸帶地形坡度(tanα)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線(據(jù)Goda，1970)Fig.2 Empirical relationship between the breaking wave ratio(γb)，the ratio between breaking wave depth and deep-water wave length(db/L0)，and the slope of the shoreface(tanα)(after Goda，1970)

在利用Goda曲線之前，需要預(yù)先估計(jì)深水波波長(zhǎng)L0。目前，直接從地質(zhì)記錄中恢復(fù)L0難度較大(Diem，1985；Adams，2003，2004)。根據(jù)艾利波理論，深水波長(zhǎng)L0可以近似地由波浪周期T(s)表達(dá)出來(lái)：

(7)

其中，g為重力加速度(m/s2)。同樣地，從地質(zhì)記錄中恢復(fù)波浪周期T也比較困難。Adams(2003)給出了波浪周期(T)與風(fēng)程(F)的大致關(guān)系(圖3)。因此，通過(guò)對(duì)F的恢復(fù)，可以粗略地恢復(fù)T和L0。有了深水波波長(zhǎng)L0、地形坡度tanα，可以進(jìn)一步應(yīng)用Goda曲線獲取γb，進(jìn)而通過(guò)破浪水深db這一參數(shù)獲得破浪波高Hb(公式6)。

圖3 波浪周期(T)與風(fēng)程(F)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(據(jù)Adams，2003；有修改)Fig.3 Empirical relationship between wave period(T)and fetch(F)(modified from Adams，2003)

對(duì)于向岸傳播的波浪，波高在破浪時(shí)達(dá)到最大。由此得到的破浪波高可以認(rèn)為是對(duì)應(yīng)于破浪沙壩形成時(shí)期波浪的最大波高(Hb≈Hmax)。假定該波高為相應(yīng)深水波高的理論極限值，可以根據(jù)波浪的統(tǒng)計(jì)特征近似求得任意不同累積頻率波高(Hp)(堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范；Sawaragi，1995)。例如，有效波高Hs可以近似為：

Hs≈0.5Hmax

(8)

根據(jù)有效波高，結(jié)合風(fēng)程參數(shù)，即可以根據(jù)公式1 和公式2求得風(fēng)力大小(即風(fēng)速)。

因此，依據(jù)破浪沙壩恢復(fù)古風(fēng)力，只需要從地質(zhì)記錄中獲取以下參數(shù)： 單期次破浪沙壩的厚度tb、古地形坡度角α以及古風(fēng)程F。據(jù)此，利用破浪沙壩厚度進(jìn)行古風(fēng)力恢復(fù)的基本步驟是： (1)準(zhǔn)確識(shí)別出破浪沙壩，并測(cè)量出單期形成的破浪沙壩的最大厚度，如果破浪沙壩經(jīng)歷了顯著的壓實(shí)過(guò)程，應(yīng)需進(jìn)行去壓實(shí)校正(Jiangetal.，2018)，以獲得其原始厚度(tb)；(2)確定所研究的古湖泊的古地貌(如姜正龍等，2009；高藝等，2015)，從而得到古坡度角(α)；(3)確定相應(yīng)時(shí)期的古岸線(如姜在興和劉暉，2010；蘇新等，2012)以及古風(fēng)向，從而得到在風(fēng)向方向上的古風(fēng)程(F)；(4)根據(jù)破浪沙壩的厚度(tb)、地形坡度角(α)、風(fēng)程(F)3個(gè)參數(shù)，計(jì)算破浪水深(db)(公式4)；(5)利用破浪關(guān)系，如Goda曲線法，將破浪水深轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的破浪波高(Hb)；(6)將破浪波高轉(zhuǎn)換為深水區(qū)有效波高(Hs)(公式8)；(7)根據(jù)公式1，利用深水區(qū)有效波高(Hs)與古風(fēng)程(F)計(jì)算相對(duì)應(yīng)的風(fēng)壓系數(shù)(UA)；(8)由風(fēng)壓系數(shù)計(jì)算出風(fēng)速(U)(公式2)。具體步驟如 圖4 所示。

3 利用沿岸沙壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力

3.1 沿岸沙壩(灘脊)的成因

向岸傳播的波浪進(jìn)入濱岸帶后，在慣性力作用下沖向岸邊，將形成“沖浪”，沒(méi)有滲入沉積物中的水直接回頭沿坡而下成為“退浪”或“回流”。在岸線附近存在一個(gè)“沖浪回流帶”。

沖流與回流交替沖刷岸線。一方面，在沖浪作用下，沉積物將克服摩擦力、重力，向上運(yùn)動(dòng)；另一方面，在回流作用下，沉積物將克服摩擦力，向下運(yùn)動(dòng)。一般來(lái)講，沖流的搬運(yùn)能力要強(qiáng)于回流(Masselinketal.，2005)。因此，波浪有效地將最粗的沉積物搬運(yùn)至岸線，形成沿岸線展布的沙壩，即沿岸沙壩(圖5)，也稱為灘脊或?yàn)┘?。最終沿岸沙壩的規(guī)模也反映了沉積物屬性、風(fēng)浪大小、地貌動(dòng)力過(guò)程之間的平衡狀態(tài)(Buscombe and Masselink，2006)。

圖5 沿岸沙壩(灘脊)的形成示意圖(據(jù)伍光和等，2008)Fig.5 Schematic illustration showing the process of beach-ridge formation(after Wu et al.，2008)

3.2 沿岸沙壩厚度與風(fēng)力之間的關(guān)系

沿岸沙壩頂面標(biāo)志著沖浪搬運(yùn)泥沙所能達(dá)到的極限高度。因此，沿岸沙壩的厚度近似記錄了沖浪偏離平均水平面的極限高度(Dupré，1984；Lorang，2002)。這個(gè)極限高度至少由2部分組成： 風(fēng)壅水高度與波浪爬高(Dupré，1984；Nott，2003)，即

tr=hs+hru

(9)

其中，tr為沿岸沙壩的厚度(m)，hs為風(fēng)壅水高度(m)，hru為波浪爬高(m)。風(fēng)壅水高度和波浪爬高均與波浪相對(duì)岸線的入射方向及波浪大小相關(guān)(如《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50286-2013》)。因此通過(guò)沿岸沙壩的厚度，也可以與波況相關(guān)聯(lián)，進(jìn)而也可以通過(guò)風(fēng)浪關(guān)系計(jì)算古風(fēng)力。

根據(jù)中國(guó)的堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50286-2013)，風(fēng)壅水高度可以通過(guò)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)、盆地參數(shù)表達(dá)出來(lái)，如公式10所示：

(10)

其中，K為綜合摩阻系數(shù)，對(duì)于砂礫質(zhì)濱岸可取3.6×10-6；d為水域的平均水深(m)；β為風(fēng)向與垂直于岸線的法線的夾角(°)，即風(fēng)相對(duì)于岸線的入射角。

波浪爬高的計(jì)算要復(fù)雜一些。一般認(rèn)為波浪爬高與底床沉積物性質(zhì)(粒度、密度等)、波況(波浪周期、波長(zhǎng)、波高等)、濱岸帶坡度等因素有關(guān)(Lorang，2002；Blenkinsoppetal.，2016；Matiasetal.，2016)，表達(dá)方式比較復(fù)雜，不便于應(yīng)用。此處借鑒Bagnold在1940年提出的一個(gè)簡(jiǎn)單公式(Bagnold，1940):

(11)

其中，b為與岸線處沉積物粒度D有關(guān)的系數(shù)。

公式11是在波浪垂直于岸線入射的情況下得出的。當(dāng)波浪斜交岸線入射時(shí)，還需要考慮波浪折射的影響(Dupré，1984；Komar，1998):

hru=bKrHs

(12)

其中，Kr為折射系數(shù)。根據(jù)簡(jiǎn)單的折射原理，

(13)

綜合公式1—2和公式9—13，Wang等(2018)給出了以下公式，

(14)

由公式14可知，在古風(fēng)程(F)、湖盆的古水深(d)、與顆粒的系數(shù)(b)和古風(fēng)向相對(duì)于岸線法線的夾角(β)已知的條件下，古風(fēng)速(U)就可以由沿岸沙壩的厚度(tr)計(jì)算出來(lái)?；静襟E是： (1)從沉積記錄中準(zhǔn)確識(shí)別單期形成的沿岸沙壩，并準(zhǔn)確記錄其厚度。如果沿岸沙壩經(jīng)歷了顯著的壓實(shí)過(guò)程，應(yīng)進(jìn)行去壓實(shí)校正(Jiangetal.，2018)；(2)通過(guò)沉積記錄恢復(fù)盆地的古水深(d)(如李守軍等，2005；Immenhauser，2009；蘇新等，2012)；(3)通過(guò)沉積記錄恢復(fù)古風(fēng)向(劉立安和姜在興，2011；Jiangetal.，2018)；(4)確定該時(shí)期古岸線與盆地范圍(如姜在興和劉暉，2010；蘇新等，2012)，并通過(guò)古風(fēng)向恢復(fù)得到風(fēng)向相對(duì)于岸線的入射角(β)及在該風(fēng)向上的古風(fēng)程(F)；(5)粒度分析，確定公式11中的系數(shù)b；(6)通過(guò)以上參數(shù)，根據(jù)公式14即可計(jì)算古風(fēng)速(U)。具體步驟如 圖6 所示。

圖6 利用沿岸壩(灘脊)厚度定量恢復(fù)古風(fēng)力流程圖Fig.6 Workflow for the reconstruction of palaeowind strength by using beach-ridge thickness

4 討論

4.1 應(yīng)用條件

利用灘壩沉積恢復(fù)古風(fēng)力應(yīng)以古湖泊為應(yīng)用對(duì)象。其原因是，首先，風(fēng)程這一參數(shù)的準(zhǔn)確獲取非常重要，對(duì)于湖泊而言，可以通過(guò)恢復(fù)古岸線位置，將風(fēng)程近似為沿風(fēng)向的湖泊直徑，從而近似獲取古風(fēng)程這一參數(shù)，而要想從古海相地層中獲取古風(fēng)程則幾乎不可能。其次，湖泊濱岸帶中的沙壩均是受控于風(fēng)直接產(chǎn)生的波浪作用，而不是像海洋濱岸帶常常存在受很遠(yuǎn)處的風(fēng)場(chǎng)作用傳播而來(lái)的涌浪。因此由湖泊中的沙壩所恢復(fù)的古波況更能反映相對(duì)應(yīng)的古風(fēng)力。再次，湖泊中一般不存在潮汐作用，而在海岸環(huán)境中，漲潮退潮所引起的水深變化不但會(huì)改變波浪分帶的位置，還會(huì)對(duì)形成的沙壩進(jìn)行改造。

灘壩沉積過(guò)程復(fù)雜，方式多樣，不同類型的灘壩砂體對(duì)應(yīng)的風(fēng)浪過(guò)程不盡相同(姜在興等，2015)。文中所介紹的古風(fēng)力恢復(fù)方法是在以下假設(shè)條件下進(jìn)行的： (1)古風(fēng)向與波浪傳播方向一致；(2)沙壩形成時(shí)的古地貌背景為單斜緩坡，這樣才能使用同一坡度值α；(3)沙壩發(fā)育充分，即沙壩與波浪建立了平衡關(guān)系，這是公式4和公式9成立的基礎(chǔ)；(4)物源充足，這是沙壩能夠充分發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，倘若物源不夠充足，或是以泥為主，則不能形成與某波浪相對(duì)應(yīng)的、充分發(fā)育的沙壩。此外，上述利用破浪沙壩和沿岸沙壩恢復(fù)古風(fēng)力還有各自的適用條件，簡(jiǎn)述如下。

4.1.1 利用破浪沙壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力的適用條件

波浪在向岸傳播的過(guò)程中，可能不只發(fā)生1次破碎，從而可能形成多列破浪沙壩。在應(yīng)用破浪沙壩恢復(fù)古風(fēng)力時(shí)，最好使用發(fā)育在最外側(cè)的沙壩。這是因?yàn)椋?(1)最外側(cè)沙壩由于水深相對(duì)較大，保存條件相對(duì)較好，而內(nèi)側(cè)的沙壩由于其所處的水深條件較淺，保存條件較差，單期次的沙壩沉積較難識(shí)別；(2)對(duì)于內(nèi)側(cè)沙壩，各種大小的波浪均可對(duì)其進(jìn)行改造，最終由內(nèi)側(cè)沙壩得到的沉積記錄是多時(shí)期、多種風(fēng)級(jí)的波浪綜合作用的結(jié)果，從而不利于古風(fēng)力的恢復(fù)；(3)最外側(cè)的破浪沙壩對(duì)應(yīng)于波浪向岸傳播過(guò)程中的首次破碎，波高達(dá)到最大，更接近波浪統(tǒng)計(jì)關(guān)系Hs≈0.5Hmax(公式8)，而內(nèi)側(cè)沙壩的形成是波浪再次破碎的結(jié)果，由于能量衰減，此時(shí)的破浪波高要小于波浪首次破碎時(shí)的波高，因此，最外側(cè)沙壩對(duì)應(yīng)的破浪波高更符合假定的波浪統(tǒng)計(jì)關(guān)系。

利用破浪沙壩恢復(fù)古風(fēng)力假設(shè)波浪傳播方向垂直或高角度相交于沙壩走向，在這種條件下沙壩的形成才是沉積物垂直于岸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)而堆積的結(jié)果。當(dāng)波浪斜交岸線入射時(shí)，會(huì)產(chǎn)生平行岸線方向的沿岸流。沿岸流可以螺旋流的方式在槽谷系統(tǒng)中前進(jìn)，將從槽谷中簸選沉積物并沉積于沙壩(Schwartz，2012)，即沙壩的形成不再是破浪單獨(dú)作用的結(jié)果。因此，在這種情況下，破浪沙壩的厚度并不能真正反映波況和風(fēng)況。

4.1.2 利用沿岸沙壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力的適用條件

沿岸沙壩通常由砂或者礫構(gòu)成，長(zhǎng)時(shí)間暴露在水面之上，因此除了受到?jīng)_浪的作用，還有風(fēng)的直接作用(Masonetal.，1997；Otvos，2000，2001；Hesp，2006；Tamura，2012)。對(duì)于砂質(zhì)的沿岸壩，風(fēng)的侵蝕、搬運(yùn)作用將使其發(fā)生沉積物流失，風(fēng)的沉積作用將使其被風(fēng)成沉積物覆蓋，因此砂質(zhì)的沿岸壩不易真實(shí)反映波浪信息。礫質(zhì)沿岸壩一方面不容易受到風(fēng)的剝蝕，另一方面即使被風(fēng)成沉積物(主要是粉砂—砂)覆蓋后，其沉積序列仍能較容易識(shí)別出來(lái)。因此，在利用沿岸壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力時(shí)，應(yīng)當(dāng)利用沿岸礫質(zhì)壩(Wangetal.，2018)。

需要說(shuō)明的是，上述的利用破浪沙壩和沿岸沙壩厚度雖然記錄了最大風(fēng)力，但仍為正常天氣下的風(fēng)力，在理論上不能反映風(fēng)暴強(qiáng)度。這是因?yàn)樯硥魏穸扰c波浪作用達(dá)到平衡狀態(tài)需要一定的時(shí)間。例如，單期次沿岸沙壩的發(fā)育周期在30～60年，平均約50年(Tanner，1995)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了風(fēng)暴作用的時(shí)間。

此外，2種恢復(fù)方法各有利弊。從參數(shù)的獲取難易程度來(lái)看，利用沿岸沙壩恢復(fù)古風(fēng)力相對(duì)容易、可靠性相對(duì)較高。這是因?yàn)閱纹诖蔚牡[質(zhì)沿岸壩因?yàn)榱６却执?，相?duì)容易識(shí)別，厚度容易準(zhǔn)確測(cè)量(Wangetal.，2018)，同時(shí)計(jì)算過(guò)程中涉及的參數(shù)較少。但是由于沿岸沙壩發(fā)育在岸線附近，容易遭受剝蝕而變得不完整。破浪沙壩由于發(fā)育在破浪帶，水深相對(duì)較大，保存條件較沿岸沙壩好，但由于該處水動(dòng)力變化頻繁，不同期次的破浪沙壩往往相互疊置，它們巖相特征相似，使得單期次的沙壩不易準(zhǔn)確識(shí)別，給破浪沙壩單期厚度這一參數(shù)的獲取帶來(lái)困難。因此，在對(duì)這2種方法開(kāi)展應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)資料情況合理應(yīng)用。

4.2 誤差分析

從地質(zhì)記錄中定量地恢復(fù)信息一直以來(lái)都是地質(zhì)學(xué)家的主要課題之一，由于假設(shè)與近似的存在，產(chǎn)生誤差在所難免。研究者需要熟悉操作過(guò)程的每一個(gè)步驟，了解每個(gè)參數(shù)如何影響最終的結(jié)果。通過(guò)單一參數(shù)敏感性分析法，每次以一個(gè)參數(shù)為自變量，其他參數(shù)指定為合理的常量開(kāi)展模擬計(jì)算，得到恢復(fù)結(jié)果(因變量)與某參數(shù)的定量關(guān)系(圖7，圖8)，可以定量了解恢復(fù)結(jié)果對(duì)該參數(shù)變化的敏感性，從而分析恢復(fù)結(jié)果對(duì)該參數(shù)的誤差容忍度。

A—風(fēng)速(U)與破浪沙壩厚度(tb)呈正相關(guān)關(guān)系，且U對(duì)tb的變化敏感，即U對(duì)tb誤差的容忍度較低；B—風(fēng)速(U)與濱岸帶地形坡度(tanα)呈負(fù)相關(guān)，但當(dāng)tanα在0～0.1變化時(shí)(α=0°～5.7°)，U的變化范圍表明U對(duì)tanα誤差的容忍度較高；C—風(fēng)速(U)與風(fēng)程(F)呈負(fù)相關(guān)，在F較小時(shí)，U對(duì)F誤差的容忍度較低；而在F較大時(shí)，U對(duì)F誤差的容忍度較高；D—風(fēng)速(U)與破浪指數(shù)(γb)呈正相關(guān)，U對(duì)γb誤差的容忍度較低。E—風(fēng)速(U)與槽谷—壩頂水深比(Rtb)呈負(fù)相關(guān)，在Rtb較小時(shí)，U對(duì)Rtb誤差的容忍度較低；而在Rtb較大時(shí)，U對(duì)Rtb誤差的容忍度較高；F—風(fēng)速(U)與沙壩向陸一側(cè)坡度(tanθ)呈正相關(guān)，但當(dāng)tanθ在0.2～0.7變化時(shí)(θ=11°～35°)，U的變化范圍小于1m/s，表明U對(duì)tanθ誤差的容忍度較高圖7 破浪沙壩厚度法恢復(fù)的風(fēng)速對(duì)各參數(shù)的敏感性模擬分析。Fig.7 Sensitivity analysis of the calculated wind speed(U)based on longshore bar thickness in terms of the six parameters-tb，tanα，F(xiàn)，γb，Rtb，and tanθ

4.2.1 利用破浪沙壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力誤差分析

γb的求取可以多種方法綜合運(yùn)用，相互驗(yàn)證。例如，根據(jù)Goda曲線方法，首先根據(jù)F選取合適的T，從而求得γb。根據(jù)Komar(1998)的計(jì)算方法，γb也以表達(dá)為T、L0、Hs、α的函數(shù)。在完成Hs的恢復(fù)后，可以反過(guò)來(lái)檢驗(yàn)γb的取值是否合理，如果偏差較大，還應(yīng)該重新選取T或者運(yùn)用其他方法求取γb，直到多種方法能夠相互驗(yàn)證，即Hs恢復(fù)前與恢復(fù)后破浪指數(shù)的偏差足夠小，以優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。根據(jù) 圖7-D 所示的例子，若能將γb的誤差控制在±0.2之內(nèi)，則能將U的偏離控制在±1.5m/s的范圍內(nèi)。在一般情況下，γb的取值介于0.60～0.85之間(李玉成等，1991；Le Roux，2007)。因此，在合理范圍內(nèi)，γb引起的誤差應(yīng)當(dāng)較小。

此外，Rtb與tanθ是與破浪沙壩的形態(tài)特征有關(guān)的參數(shù)，在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)這2個(gè)參數(shù)取值比較簡(jiǎn)單的方法是利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。其中，根據(jù)早先的研究，Rtb≈ 1.4～1.7(Evans，1940；Keulegan，1948)?；谶@些研究，王俊輝(2016)與Jiang 等(2018)在應(yīng)用該方法時(shí)采用了折中值Rtb=1.60。根據(jù) 圖7-E 所示的例子，當(dāng)Rtb在1.60附近以±0.1的誤差波動(dòng)時(shí)，U的波動(dòng)范圍在±1.3m/s左右(Rtb取值越小，U的誤差容忍度越低)。tanθ是破浪沙壩向岸一側(cè)的坡度(圖1-B)，其極限值為泥沙的水下休止角。盡管現(xiàn)代沉積的破浪沙壩一般很難達(dá)到這個(gè)極限值，但卻是數(shù)值模擬常用的一個(gè)參考值(Thorntonetal.，1996)。王俊輝(2016)與Jiang 等(2018)在應(yīng)用破浪沙壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力也采用了這樣的極限值，即tanθ=0.63。根據(jù) 圖7-F 所示的例子，當(dāng)tanθ在0.2與0.7之間波動(dòng)時(shí)，U的波動(dòng)范圍在1m/s之內(nèi)，因此由tanθ引起的誤差較小。關(guān)于Rtb與tanθ2個(gè)參數(shù)的進(jìn)一步優(yōu)化需要借助于現(xiàn)代沉積的觀測(cè)與數(shù)值模擬的研究。

在該方法中，破浪指數(shù)、破浪波高轉(zhuǎn)換為深水區(qū)有效波高、深水波長(zhǎng)、波浪周期這些參數(shù)的選取也都是采取簡(jiǎn)單的近似。一方面是為了使計(jì)算過(guò)程更為簡(jiǎn)單，容易操作，另一方面從地質(zhì)記錄準(zhǔn)確恢復(fù)上述參數(shù)難度較大；對(duì)資料要求比較高。例如，Adams(2003)提出的將破浪波高轉(zhuǎn)換為深水區(qū)有效波高的方法，需要恢復(fù)波浪對(duì)底床的剪切力，這對(duì)資料的要求較高，應(yīng)用起來(lái)常常面臨困難；再如，精確、系統(tǒng)地恢復(fù)L0、T可能需要用到波痕參數(shù)、粒度參數(shù)等(Diem，1985)，當(dāng)資料數(shù)量不具有統(tǒng)計(jì)意義時(shí)，這種方法同樣很難開(kāi)展。

4.2.2 利用沿岸壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力誤差分析

4.3 古風(fēng)場(chǎng)的恢復(fù)與“風(fēng)場(chǎng)—物源—盆地”系統(tǒng)沉積學(xué)

利用灘壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力是一個(gè)綜合的方法，所需要的參數(shù)較多。其中最重要的是灘壩厚度的測(cè)量與其原始厚度的恢復(fù)，其精度直接影響恢復(fù)結(jié)果的可信度。同時(shí)，需要借助古地貌恢復(fù)(姜正龍等，2009；高藝等，2015)、去壓實(shí)校正(Jiangetal.，2018)、古岸線識(shí)別(姜在興和劉暉，2010)、古水深恢復(fù)(李守軍等，2005；Immenhauser，2009；蘇新等，2012)等技術(shù)。此外，計(jì)算過(guò)程中用到的某些參數(shù)要借助經(jīng)驗(yàn)關(guān)系獲取，還要有關(guān)波浪理論等交叉學(xué)科的支撐。

利用灘壩厚度恢復(fù)古風(fēng)力的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確地從地質(zhì)記錄中識(shí)別出單期形成的灘壩砂體，可以根據(jù)灘壩形成的水動(dòng)力特征，綜合運(yùn)用露頭資料、巖心資料、測(cè)井資料等進(jìn)行識(shí)別(Taylor and Ritts，2004；操應(yīng)長(zhǎng)等，2009；Jiangetal.，2018；Wangetal.，2018)。灘壩是風(fēng)浪、物源、盆地(包括盆地演化過(guò)程中的構(gòu)造特征、地貌特征、水深變化等)共同作用下的產(chǎn)物(姜在興等，2015，2020；王俊輝，2016)。在一個(gè)沉積盆地中，尋找灘壩往往遵循以下的原則： (1)波浪是灘壩形成的動(dòng)力，在盛行風(fēng)存在的前提下，盆地的迎風(fēng)一側(cè)有利于灘壩的發(fā)育；(2)物源是形成灘壩的物質(zhì)基礎(chǔ)，但一般來(lái)講，灘壩發(fā)育在偏離主物源通道的位置；(3)盆地的古地貌決定了灘壩在濱岸帶發(fā)育的位置與范圍。在緩坡帶、古地貌高點(diǎn)等正向地貌單元的迎風(fēng)斜坡帶，是波浪的消能帶，利于灘壩發(fā)育(姜在興等，2015，2020；王俊輝，2016)。

通過(guò)對(duì)沉積盆地局部發(fā)育的灘壩進(jìn)行識(shí)別，增加風(fēng)場(chǎng)及波浪場(chǎng)的研究，限定波浪作用帶的范圍，能夠準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)沉積物在波浪作用下的二次分配，對(duì)盆地內(nèi)其他弱物源體系、微弱地貌起伏地區(qū)的“隱蔽”灘壩也能起到預(yù)測(cè)作用(姜在興等，2020)。例如，通過(guò)局部發(fā)現(xiàn)的破浪沙壩對(duì)古風(fēng)力的恢復(fù)，同時(shí)可以恢復(fù)破浪帶的水深范圍，結(jié)合古水深的恢復(fù)，可以在沉積盆地中圈定破浪帶的范圍，同時(shí)還可以預(yù)測(cè)破浪帶其他地區(qū)破浪沙壩的規(guī)模。

A—風(fēng)速(U)與沿岸壩厚度(tr)呈正相關(guān)關(guān)系，且U對(duì)tr的變化敏感，即U對(duì)tr誤差的容忍度較低；B—風(fēng)速(U)與風(fēng)程(F)呈負(fù)相關(guān)，在F較小時(shí)，U對(duì)F誤差的容忍度較低；而在F較大時(shí)，U對(duì)F誤差的容忍度較高；C—風(fēng)速(U)與波浪(風(fēng))入射角(β)呈正相關(guān)，在β較小時(shí)，U對(duì)F誤差的容忍度較高；當(dāng)時(shí)，U對(duì)β誤差的容忍度急劇降低；D—風(fēng)速(U)與盆地平均水深(d)呈負(fù)相關(guān)，在d較大時(shí)，U對(duì)d誤差的容忍度較高；當(dāng)時(shí)，U對(duì)d誤差的容忍度急劇降低；E—風(fēng)速(U)與系數(shù)b呈負(fù)相關(guān)，但當(dāng)b在1.5～2.0變化時(shí)，U的變化范圍表明U對(duì)b誤差的容忍度較高圖8 沿岸沙壩厚度法恢復(fù)的風(fēng)速對(duì)5個(gè)參數(shù)的敏感性模擬分析Fig.8 Sensitivity analysis of the calculated wind speed(U)based on beach-ridge thickness in terms of five parameters

此外，在古風(fēng)力恢復(fù)的過(guò)程中，通過(guò)對(duì)深水波長(zhǎng)L0的估計(jì)(公式7)，可以在古水深恢復(fù)的基礎(chǔ)上大致推算浪基面的位置。因此，在古風(fēng)力及古波況恢復(fù)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)浪基面、破浪帶、沖浪回流帶(岸線)等幾個(gè)重要物理界面的恢復(fù)，可以進(jìn)一步詳細(xì)地了解當(dāng)時(shí)的古地理背景，有利于油氣勘探。這種對(duì)偏離主物源體系、主構(gòu)造發(fā)育地區(qū)的“隱蔽”型油氣儲(chǔ)集體的預(yù)測(cè)，也是“風(fēng)場(chǎng)—物源—盆地”系統(tǒng)沉積學(xué)的重要內(nèi)容(姜在興，2016；姜在興等，2020)。

5 結(jié)論

在古氣候研究中，有關(guān)古風(fēng)場(chǎng)的研究較少。灘壩沉積作為風(fēng)浪作用的產(chǎn)物，其形成與古風(fēng)場(chǎng)關(guān)系密切。波浪大小控制了破浪帶破浪沙壩、沖浪回流帶沿岸沙壩的厚度。通過(guò)沙壩的厚度恢復(fù)古波況，進(jìn)而可以根據(jù)風(fēng)浪關(guān)系間接恢復(fù)古風(fēng)況。在利用破浪沙壩、沿岸沙壩恢復(fù)古風(fēng)場(chǎng)時(shí)，應(yīng)該以湖泊為研究對(duì)象。因?yàn)樽鳛橛邢揎L(fēng)區(qū)水體，湖泊中的風(fēng)浪關(guān)系更為簡(jiǎn)單。而海岸環(huán)境中波浪場(chǎng)要復(fù)雜的多，并不能反映海岸帶的風(fēng)況，因此通過(guò)海岸帶形成的灘壩可以恢復(fù)古波況，但不能進(jìn)一步恢復(fù)古風(fēng)力。

風(fēng)場(chǎng)不僅是一項(xiàng)重要的氣候指標(biāo)，作為一種地質(zhì)營(yíng)力，也控制了沉積過(guò)程。在眾多的沉積控制因素研究中，如構(gòu)造作用、海平面變化、物源體系對(duì)沉積過(guò)程的控制作用得到了極大程度的研究，而對(duì)古風(fēng)場(chǎng)與沉積體系形成過(guò)程的關(guān)系研究甚少。通過(guò)對(duì)地質(zhì)歷史時(shí)期古風(fēng)場(chǎng)的恢復(fù)，能夠準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)沉積物的分配過(guò)程，更詳細(xì)地重建沉積盆地的古地理背景。

符號(hào)注釋(L表示長(zhǎng)度量綱；T表示時(shí)間量綱；1表示無(wú)量綱)：α—濱岸帶地形坡度角，1；β—風(fēng)向與垂直于岸線的法線的夾角，即風(fēng)相對(duì)于岸線的入射角，1；γb—破浪指數(shù)，1；θ—沙壩向岸一側(cè)的坡度角，1；b—與岸線處沉積物粒度D有關(guān)的系數(shù)，1；d—水域的平均水深，L；db—沙壩頂部水深或破浪水深，L；dt—壩后凹槽水深，L；F—風(fēng)程，L；g—重力加速度，LT-2；Hb—破浪波高，L；Hmax—同時(shí)期波浪的最大波高，L；Hp—任意累積頻率波高，L；Hs—深水區(qū)有效波高，L；hru—波浪爬高，L；hs—風(fēng)壅水高度，L；K—綜合摩阻系數(shù)，1；Kr—折射系數(shù)，1；L0—深水波波長(zhǎng)，L；Rtb—沙壩向岸一側(cè)的槽谷水深dt與壩頂水深db之比，1；T—波浪周期，T；tb—破浪沙壩厚度，L；tr—沿岸沙壩的厚度，L；UA—風(fēng)壓系數(shù)，1；U—水面上方10m處的風(fēng)速，LT-1。