异重流沉积过程和沉积特征研究

高校地质学报GeologicalJournalofChinaUniversities2015年3月，第21卷，第1期，000-000页March2015，Vol.21，No.1，pp.000-000_____________________________收稿日期：2014-05-30；修回日期：2014-12-10基金项目：国家重大专项课题（2011ZX05001-002-01）；国家自然科学基金（41272133;41202107）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金（新教师类）（20120007120004）联合资助作者简介：谈明轩，男，1990年生，硕士研究生，研究方向为层序地层学与测井地质学；E-mail:[e-mail]*通讯作者：朱筱敏，男，1960年生，博士，教授，研究方向为沉积学与储层地质学；E-mail:[e-mail]异重流沉积过程和沉积特征研究谈明轩1,2，朱筱敏1,2*，朱世发1,21.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京102249；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京102249摘要：异重流是一种与河口相连、密度大于周围水体（湖泊或海洋）的沿水底流动流体，通常在干热气候、少植被的地区洪水期产生，也是一种持续型浊流。综合资料表明，异重流在流动过程中流量振荡频繁，但整体表现为先增强、后衰减的特点。由异重流形成的沉积岩被称为异重岩，其识别标志包括其垂向上为复合韵律，交错层理和块状层理砂砾岩的交替出现，层面富含有机质和陆源植物碎屑以及内部冲刷面发育等。异重流沉积垂向叠加厚度达数十米，平面主要表现为以具有水道、舌状体和堤岸沉积单元的点物源富砂型或富泥型海（湖）底扇为特征。由于异重岩具备形成优质储层的良好条件，因而具有重要的油气地质意义，可以作为有利的勘探目标。关键词：异重流；异重岩；浊流；沉积过程；沉积特征中图分类号：P618.13文献标识码：A文章编号：1006-7493（2015）01-0000-00ResearchonSedimentaryProcessandCharacteristicsofHyperpycnalFlowsTANMingxuan1,2,ZHUXiaomin1,2*,ZHUShifa1,21.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China;2.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,Beijing102249,ChinaAbstract:Hyperpycnalflow,oneofthemostsignificantsedimentdeliverysystemstodeepwater,hasarousedagreatconcernforaconsiderablenumberofmarinegeologistsandsedimentologistsinrecentyears.Itisakindofsubaquaticflowswhichhavehigherdensitythantheambientwater(lakesoroceans)dischargingfromrivermouth,andusuallyoccursduringthefloodingperiodofsomeareasthatlackofvegetationunderextremedryandhotclimate.Hyperpycnalflowsaresustainedturbiditycurrents,containingbed-loadsandsuspended-loadstotransportsediments.Theycouldvibratefrequentlyduringtheflowingprocess,butmainlywaxinitiallyandwanelater.Hyperpycnitesarehyperpycnalflowsdeposits.Theremarkablerecognitionsofhyperpycnitesincludeverticalcompositerhythm,repetitivealternationofcrossbeddingandmassivelayers,organicmatters,alargeamountofplantdebrisandinternalscouringsurfaces.Thethicknessofstackingancienthyperpycnitesverticallycouldbemorethantenmeters,andtheyalsobehaveasapoint-sourcesand-richormud-richsubmarine(sublacustrine)fanwithchannels,leveesandlobeslaterally.Hyperpycnitescouldplaycrucialroleinoilandgasgeologicalmeritsandeconomicvaluesbecauseofextraordinaryconditionstobehighqualityreservoirsandcouldberatherpromisingexploringtargets.Keywords:HyperpycnalFlow;Hyperpycnites;TurbidityCurrent;SedimentaryProcess;SedimentaryCharacteristicCorrespondingauthor:ZHUXiaomin,Porfessor;E-mail:[e-mail]:10.16108/j.issn1006-7493.2014095高校地质学报21卷1期在研究三角洲形成机制过程中，蓄水体的密度与注入流体密度的关系是必须考虑的影响因素。通常情况下，注入河水密度小于或者等于蓄水体的密度是比较容易形成三角洲的，而注入河水密度大于蓄水体密度将形成底部平面喷流（朱筱敏，2008），这一现象却很少受到重视。这种相对高密度的流体能够长距离流动，向盆地输送大量的沉积物（Normarkandpiper,1991）。Bates（1953）把这种流体称为异重流（HyperpycnalFlow），在国内也有人将其译为超重流或高密度流（李铁刚等，2003；汪品先，2009；韦默，2012）。目前，对于重力流成因砂体的研究，大多学者认为是滑塌形成，然而洪水成因砂体的研究却相对匮乏。异重流通常是洪水期形成的流体，且能够在深水中流动较长的距离，这对于深水重力流砂体的成因解释是十分有帮助的。此外，异重流作为一种新的沉积物输送机制，在近年来受到国外学者的广泛关注。实际上，这种流体将河流-三角洲沉积体系与深水沉积体系直接联系起来，是“源-渠-汇”思想很好的应用。因此，研究异重流沉积过程及其沉积物特征，对于推动我国沉积学发展具有重要意义。1异重流概念和研究简史异重流是密度大于蓄水体（湖泊或者海洋）密度并在水下流动的流体。最早的异重流概念可以追溯到19世纪80年代，Forel（1885）在观察河水流入Léman湖时第一次提及异重流的概念。Bell（1942）最初把这种流体称作潜流（Underflow），而Bates（1953）随后将这种流体命名为异重流，这是相对等于蓄水体密度的等重流（HomopycnalFlow）和小于蓄水体密度的异轻流（HypopycnalFlow）而言的。后来，Mulder等（2011）又在此基础上增加了层间流（MesopycnalFlow）的概念，从而对河水在进入汇水盆地后的几种流体进行分类（图1）。Mulder等（1995，1996）进一步完善了异重流的概念，认为异重流是有河流供源的，其密度大于周围水体密度，主要以递变悬浮搬运的，沿盆底流动不太容易上浮的流体。Wright等（1988）在观察黄河三角洲时提出了相对低密度异重流和相对高密度异重流，异重流流量增强会向相对高密度异重流转化。由于河水密度和湖水密度相差不大，因此湖泊异重流发生频次更高，并且所进行的相关研究更多，但主要集中于阿尔卑斯山的狭谷湖泊现代沉积的研究（Lambertelal.，1976；SturmandMat⁃ter，1978；Weirich，1984）。20世纪80年代以来，通过陆相断陷湖盆沉积体系的研究，我国学者所提出的洪水型湖底扇（赵澄林，1984；赵国连等，2005）和洪积扇的概念（董冬，1999），与a.异轻流；b.等重流；c.层间流；d.异重流a.hypopycnalflow;b.homopycnalflow;c.mesopycnalflow;d.hyperpycnalflow图1进入汇水盆地的不同密度流体的类型（改编自Mulderetal.，2011）Fig.1Typesofflowscorrespondingtodensitydifferencesbetweentheeffluentandthereceivingbasin21期谈明轩等：异重流沉积过程和沉积特征研究异重流沉积的特征也十分类似。最近，杨仁超等（2014）在鄂尔多斯盆地南部延长组深湖相泥岩中发现了条带状的洪水型异重流沉积，认为大型坳陷湖盆也具备形成异重流的条件①。20世纪90年代，国外学者发现海洋中也具备异重流形成条件，此后海洋异重流的研究才逐渐增多。在现代海洋沉积观测中，Mulder等（1995）在全世界147条河流的调研中发现71%的河流会从河口位置产生不同频次的异重流。王燕（2012）在山东黄河口利津M1站连续观测53小时，总共捕捉到4次完整的异重流。此外Milliman等（2005，2007）、Dadson等（2005）以及Mulder等（2011）发现频繁的台风形成的洪水导致台湾很多河流形成异重流。尤其是在2009年台湾“八八水灾”期间，莫拉克台风在高屏峡谷产生的异重流使得海底电缆多处中断（曾世霖，2011）。在古代沉积中，异重流相关研究也逐渐成为热点。其中以Zavala等（2006，2011，2012）对于意大利、阿根廷和委内瑞拉多个盆地中新生代异重流沉积发育特征的系统性调研和Steel（1981）及其课题组成员（Plink-Bjorklundandsteel，2004；Petterandsteel，2006）对挪威斯匹次卑尔根岛Central盆地始新世深水异重流沉积层序研究最具有代表性。2异重流的形成条件异重流通常能够携带相对高浓度悬浮沉积物，因此最有可能是在浑浊的河流进入湖泊或海洋后形成。这种浑浊的河流通常是在洪水、冰川融水或者人工堤坝决堤的情况下形成的（Mulderetal.，2003），这表明异重流对自然环境和气候变化具有明显的响应。Mulder等（2011）和Huneke等（2011）总共归纳出6种异重流形成的环境条件：（1）干热少植被地区的季节性洪水；（2）冰川融化；（3）融雪性洪水；（4）河坝决口；（5）特殊地质条件（如流经黄土塬的河水和火山泥石流等）；（6）（飓风、台风）在山区中小型河流中诱发的洪水等。可以预见的是，随着全球变暖，沙漠化加剧，异重流的发育频率会进一步增加。对于湖泊异重流来说，一般河水密度与湖水密度差异不大（密度差异主要取决于河流和湖水温度差异），较小体积浓度的河水就能形成湖泊异重流。而海洋密度相对较大（一般为1.03kg/m3）异重流的形成条件则要苛刻得多。Mulder等（1995）通过理论计算得出，海洋异重流形成的体积浓度为36~43kg/m3。但是这个浓度值遭到Parsons等（2001）的质疑，后者通过实验证明低体积浓度的异轻流进入水体后会产生沉积物重新聚集（SedimentReconcentration）作用（即形成盐指、沉积物对流以及絮凝效应），因而体积浓度大于5kg/m3就足够使异