沉积学-沉积相研究方法

沉积相的研究方法与沉积作用沉积环境和沉积相的鉴别主要是依据各种相标志，这些相标志的获取和确定则主要来自①地质；②地震；③测井三个方面。无论哪种类型的资料分析与研究，都离不开讨论这些标志的形成机理或沉积作用，因而沉积相标志是基础，测井和地震相标志是辅助。第一节流体动力学的概念与水动条件分析一、概念（一）牛顿与非牛顿流体及其搬运方式1、牛顿流体与非牛顿流体服从牛顿内摩擦定律的流体为牛顿流体，否则为非牛顿流体。所谓服从牛顿内摩擦定律是指在时间不变的条件下，随流速梯度的变化，流体动力粘度系数始终保持为一常数。牵引流属牛顿流体，沉积物重力流属非牛顿流体。（1）牵引流（TractionalCurrent）“服从牛顿内摩擦定律使碎屑物质作牵引运动的流体”，如含有少量碎屑物的水流（河流、海流、湖流、波浪流、潮汐流、等源流等）和大气流等；因此，牵引流也有人称流体重力流（FluidGravityFlow）。（2）重力流（GravityCurrentorGravityFlow）“在重力作用下使碎屑物质与流体高度混合，不符合牛顿内摩擦定律的高密度流体”，也称沉积物重力流（SedimentGravityFlow），它可进一步划分为①碎屑流（泥石流）；②颗粒流；③液化（沉积）流；④浊流。（3）浊流（TurbidityCurrent）：属于重力流的一种，是指由大量泥、砂物质和水混合，受紊流支撑的一种水下重力流。2、流体的基本搬运方式从物理学上来看，有两种最基本的物质搬运类型（或方式），即悬浮载荷（悬移质）和床沙载荷（推移质），相对应的有两种搬运形式：悬浮搬运和推移搬运。（1）悬浮搬运（SuspensionTransport）空气或水流把细粒沉积物弥散开来（如粉砂、粘土级颗粒以及不同比例的砂级颗粒），并使其在流动的内部呈悬浮状进行搬运。最基本的驱动力就是紊流，它可以把颗粒上举起来，使之悬浮于流动内部而进行搬运。（2）推移质搬运（TractionTransport）在沉积学中称之为牵引搬运（Traction），这一术语乃是沉积物以床沙载荷（推移质）形式运移的所有作用过程的集合名词，牵引作用是颗粒惯性的产物。主要以床沙载荷（推移质）方式进行搬运的流体称为牵引流，通常密度和粘度均小，与之相对应的是密度流（重力流、块状流），则是一种密度和粘度均大的，在重力作用下呈块状整体的流动，是以悬浮载荷方式进行搬运。综上所述，在牵引流和沉积重力流中，碎屑物的搬运具不同的方式，这是由于其形成的机理存在着明显的差异。牵引流的搬运力表现在两方面：一是流体作用于碎屑颗粒上的推力（即牵引力），所谓推力是以它能移动沉积物颗粒大小的数值来衡量的，推力决定于流体流速，推力越大，流水能搬运的碎屑颗粒就越大；二是载荷力（或称负荷力），负荷力则是指流水所能搬运的沉积物总负荷量的数值，其大小决定于流体流量，流量越大，负荷力越大，则流水能搬运的沉积物数量越多。牵引流搬运颗粒的动力主要是推力，搬运方式包括溶解负载、悬移负载、推移负载或床沙负载。沉积物重力流是由大小不一的碎屑物质与流体形成的高密度混合体，相对密度可达1.5～2.0，主要以悬移方式搬运。沉积重力流的驱动力主要起因于陡坡条件下重力大于剪切力时的重力加速度，所以当坡度变缓、流速降低时，会发生骤然卸载，形成各种类型的重力流沉积物。（二）层流、紊流与雷诺数流体主要特性：粘度、密度、抗剪性和在适当条件下形成紊流的能力。就流体的运动而言，重要力学性质首先应是密度，它是流体惯性的量度；再有就是长度，它也是重要因素，当然不可忽视流体的粘度。为了更好地了解判别沉积环境的物理标志，首先要对水动力学的一些基本概念有所了解。1、层流（LaminarFlow；SheetFlow；StratifiedFlow）“流体的各部分沿着与流体边界相一致的面彼此滑过”。2、紊流（Turbulence；TurbulentFlow）在高切变率时，出现复杂的流动路线，典型的是曲线状、螺旋状以及旋涡状的流动路线。“以涡流为特征的流体”称作紊流（或湍流）。其流动方式是紊流增加射流速度，并促进从层流向紊流转化。3、雷诺数（ReynoldsNumber）它的大小可以反映流体的流动形式（如层流或紊流），并受流体性质的影响。“惯性力与粘性力之间比率”。而惯性力则是以质量与加速度的乘积进行度量的，即：惯性力∝ν2d2ρ；然而，粘性力则由粘性剪切应力与作用面积的乘积来确定，即：粘性力∝νdμ雷诺数Re≈∝=式中：ρ－密度，d－直径，ν－速度，μ－粘度。粘性力惯性力dd22d可见，流体密度、粘度、速度均影响流动的性质，而雷诺数正是这些变量的组合，因此雷诺数的意义在于，当流体在大于或小于某一临界雷诺数时，其流动方式根本不同。当Re=1时，流动呈层流型；当Re=1～40时，在颗粒背后出现背流尾迹，随Re增大，背流尾迹越来越不规则；当Re40时，则出现“卡门涡街”，这时的流动称为紊流。随着雷诺数的增大（图3-1），在球形颗粒的背流方向逐渐发育起来背流尾迹；与此同时，流水也由层流型逐步变为紊流型。紊流旋涡内流体的面上流动是运动着颗粒的能量来源，只要是旋涡内向上的流速超过了颗粒的沉降速度，颗粒就会呈悬浮状态，保持在流体的内部。图3-1层流、紊流与雷诺数之间的关系（据Blatt等，1972）（三）缓流、急流与福劳德数在自然界的各类流体中，按其流动强度的差异可分为缓流、急流及临界流3种流态，其判别标准为福劳德数（Fr）。福劳德数（Fr-FroudeNumber）与雷诺数相似，也可看作是两种力的比率，即“惯性力与重力间比率的无量纲数”。如果是在明渠中流动，水深为D时，则福劳德数可定义为：Fr=当Fr1时，流水为急流或为超临界流动（临界上的流动），其特点是水浅急流的动态，又称为高流态（UpperFlowRegime，上流动体制）。而在fr1时所出现的则是缓流或临界下的流动，它代表的是一种水深流缓的动态，又称为低流态（LowerFlowRegime，下流动体制）。因此，Fr普遍用于碎屑物质以床沙载荷方式搬运和沉积作用的解释中，尤其是对沉积构造形成的水动力条件分析中。gD二、水流的主要类型及其沉积物特征1、尤尔斯特龙效应（HjulströmEffect）欲侵蚀比细砂更细的粘性沉积物，水流得有能够搬运卵石的速度才行。细粒沉积物抗侵蚀的这种能力称为尤尔斯特龙效应。侵蚀、搬运和沉积三者之间关系用尤尔斯特龙图解（Hjulström’sDiagram）表示（图3-2），说明颗粒大小与水流速度有着密切的关系，二者的相互关系决定着流体对沉积物和床底的方式，即侵蚀、搬运及沉积。图3-2尤尔斯特龙图解，沉积物粒度与流速的变化所表现出的侵蚀、搬运与沉积的临界速度（D．McGeary，1996）。2、粘性底质上的流痕水流在粘性沉积物底质上所形成的各种痕迹统称为流痕（CurrentMarks）。包括冲刷痕（ScourMarks）和压刻痕（ToolMarks）。水流往往带来砂级沉积物覆盖在这些痕迹之上，在粘性底质上生成的这种痕迹就称为底痕（SoleMarks）。3、床沙底形与流态（1）床沙底形系列沉积物被搬运和沉积时沿底面非粘性沉积物与流体之间造成的几何形态称之为床沙形体（BedformorBedConfiguration，简称底形）。它的大小和形状、类型，取决于流动深度、动力强度、平均流速、流动粘度、液体密度、沉积颗粒大小、沉积物密度和重力加速度。其中最重要的是流动深度、流动强度、平均流速和颗粒大小。水流流过非粘性颗粒组成的底床时，随着流速的增加，产生从较粗沉积物中平行于水流的线性条纹直到各种底形的有规律系列。①小型沙纹（Ripples）：这是一种小型底形，当清水以20cm/s左右的速度流动，并施剪切力于细砂上方时，这种沙纹的波长为10～30cm，波高0.6～30cm；所有的沙纹都缓慢地向下游方向迁移。在粒度中值大于0.6mm（d50=1.25Φ）的沉积物中未发现过，主要形成于中细砂以下的粒径。②沙浪或沙波（SandWaves）：有两种形成方式：当流速为50cm／s时，由沙纹沉积物变来；当沉积物粒度粗于0.6mm时，由平坦床沙（PlaneBed）沉积物变成。通常沙浪有四种类型（表3-1）：其中A型和B型沙波能在浅水流（深度0.5m）中形成，而C型沙波较大（长15m以上，高1.2m），且不在浅于4.7m的水流中形成。水流在越过A，B，C型沙波的顶点之后会发生分离。在沙波脊界点和下游方向下一个沙波脊的界点之间有一个分离涡流带。在分离涡流的底部，水流方向和主流相反，速度约为主流的三分之一到二分之一。若沉积是细砂且涡动回流的速度相当大，则回流也能形成交错纹层倾向和主流相反的小型波纹（图3-3）。同时，大型沙波还使水面“波”第一组沙波的相位不同（图3-3）。当剪切速度较大时，出现D型沙波。它不与小型沙纹共生，向下游流动和水与D型沙浪的剖面上所有部分都保持连续的接触；水流不发生分离现象（图3-4）。表3-1大型底形的种类（据Friedman，1987修改）类型说明备注A波高小于1m的直脊沙浪Southard（1975）的“沙浪”B背流面陡、凹面指向下游方向[形成“冲洞”（ScourHole）]的底形；迁移时形成槽状交错层Southard（1975）的“沙丘”C波高大于1m的直脊大沙浪；要求水深在5m以上；可形成大型（板状）交错层理；有好几种大小等级，且无确定的上限Southard（1975）的一部分“沙浪”D低流态和高流态之间的过渡形态，背流面倾角小，约为l0°或小于10°，因而形成低倾角交错层E同相位沙浪；逆行沙丘及驻波图3-3在细砂上形成沙浪的水流在平行于水流方向上的横剖面示意图（a）沙浪从迎流面上的波纹向脊顶迁移，当砂顺着陡的背流波塌落时，这些波纹就被破坏了。塌落面下游波谷中的波纹，逆水流方向迁移。这种回流波纹，被向下游迁移的沙浪坍塌面上落下来的砂粒所掩埋而得以保存。回流波纹的小型交错层与沙浪的大型交错层之结合是流水搬运细砂所特有的形态，是由沙浪造成的水流分离作用形成的（据Boersma，1967）。（b）水流在粗砂上形成沙浪时，在平行于水流方向的垂直平面中水和沉积物的示意剖面。在沙浪脊上面的水面下降；在沙浪脊之间的波谷上面，水面好像开了锅似地上涨。像图a中的那种小波纹不会在粗砂中形成（据Simons，Richardson和Nordin，Jr，1965）。图3-4形成D型冲蚀沙浪的水流和底部沉积物在平行于水流方向上的横剖面示意图（据Simons，Richardson和Nordin，Jr．，1965）③平坦床沙（PlaneBedorFlatBed）：流速若再增大，“冲蚀”（Washed-out）的D型沙浪也消失了，沉积物-水的界面变平坦，沉积物不断向下游快速流动，此时呈一系列平坦的席状流动。④同相位沉积物波（In-PhaseSedimentWaves）：其特征主要受限于福劳德数，当Fr0.84（接近于1）时，出现和水面波同相位的圆滑沉积物波（图3-5）。在这些同相位波中，沉积物顺流运移，但波形可以保持不动，也可向下游或向上游方向迁移。G．K．Gilbert称向上游方向迁移的沉积波为“逆行沙丘”（Antidunes）。图3-5形成逆行沙丘的水流和沉积物在平行于水流方向上的横剖面示意图（据Simons，Rechardson和Nordin，Jr.，1965；Harms和Fahnestock，1965）。（2）流态或称流动体制（FlowRegime）流态是指：“水流、水与沉积物界面形状、沉积物的搬运方式、水流中能量消散过程以及水面形态和水一沉积物界面之间的相位关系总和”。通常有低流态与高流态之分，其间有一个过渡流态。①低流态（LowerFlowRegime）沉积物界面发育小型沙纹，沙纹与沙浪，沙浪和沙垅，或仅有沙浪。搬运能力较小，且断续进行（图3-6、7）。搬运作用先是靠牵引毯状层在沙纹或沙浪的向流面上向上运动，然后，靠颗粒在这些底形坡陡的背流面上发生重力塌落而形成。在沙浪的波谷中，在迁移方向与主流方向相反的回流沙纹上能