基于物理模型试验的碎屑流流态化运动特征分析

流态化运动是高速远程滑坡的主要运动形式,是揭示高速远程滑坡运动机理的重要基础。基于粒子图像测速（PIV）分析方法,采用物理模型试验对不同粒径组成条件下的颗粒流内部的速度分布、剪切变形及流态特征进行了研究,并对高速远程滑坡流态化运动特征进行了讨论分析。结果表明:碎屑流流态化运动特征与颗粒粒径呈显著的相关性,随着粒径的减小或细颗粒含量的增加,颗粒流底部相对于边界的滑动速度以及整体的运动速度均呈逐渐减小的趋势,颗粒流内部剪切变形程度增加,颗粒的运动形式由“滑动”向“流动”转变;当颗粒粒径较小或细颗粒含量较高时,颗粒流内部剪切速率增大的趋势在颗粒流底部更加显著,反映了粒径减小有助于促进颗粒流内部剪切向底部的集中;在同一颗粒流的不同运动阶段及不同纵向深度,其流态特征具有显著差别,颗粒流前缘及尾部主要呈惯性态,颗粒间以碰撞作用为主,而主体部分则主要呈密集态,颗粒间以摩擦接触作用为主;在颗粒流表面及底部,颗粒间相互作用方式主要是碰撞作用,中间部分则以摩擦作用为主;对于不同粒径的颗粒流,随着粒径的增大或粗颗粒含量的增加,颗粒流内部颗粒的碰撞作用加强,颗粒流整体趋于向惯性态转变。     

重力流沉积：理论研究与野外识别

重力流沉积是（半）深海和深湖环境中一种重要的沉积现象,因此准确识别重力流沉积对恢复古代沉积环境具有重要意义。从沉积物重力流的基本理论出发,介绍四类重力流沉积的特点和野外鉴别特征。碎屑流沉积表现为颗粒大小混杂,底面平坦,板条状砾石平行层面排列;超高密度流沉积的砂岩呈厚层状或块状,砂岩内部经常出现较大砾石或泥岩碎片,泄水构...     

浅议沉积学中的流体问题

笔者从流体的角度,对近年来有关流体沉积问题的研究成果进行整理、总结、归纳和诠释。从沉积学的角度总体上可将流体分为牵引流、过渡流和重力流3大类:其中牵引流是研究的基础,可进一步分为单向流、双向流和振荡流3种基本类型以及叠置流、复合流和叠加流3种复合类型,可按照流体力学的相关方法展开研究;过渡流和重力流沉积研究的关键在于各种重力流类型之间(浊流、液化沉积物流、颗粒流和碎屑流)及其和牵引流之间的相互转化。流体的沉积机制可分为垂直降落沉积(静水)、底床阻碍沉积(牵引流)和能量减弱沉积(重力流)3大类,各种流体的交互作用最终可形成丘状(洼状)交错层理的水动力条件。通过综述可以发现,从流体角度进行沉积学研究尽管困难,但仍然可行,特别是对于复杂水动力条件下的沉积学研究具有一定的意义。     

断陷湖盆洼陷带重力流沉积特征与模式:以南堡凹陷东部东营组为例

利用岩心、粒度、测井信息和重力流沉积理论,系统研究了南堡凹陷东部洼陷带东营组重力流沉积特征和沉积模式。该区重力流沉积砂岩常夹于灰色、灰黑色泥岩中,砂岩相发育,其中正递变层理(含砾)中-细砂岩相(S-3)、粉砂岩相(S-4)和块状层理中-细砂岩相(S-2)发育层数最多,块状层理含砾砂岩相(S-1)次之;S-2沉积厚度最大,S-1和S-3次之。按支撑和沉积机制,将本区重力流分为浊流、砂质碎屑流、颗粒流和液化流,其中砂质碎屑流以基质支撑、冻结块状沉积为特征。不同重力流发育程度有明显差异。从砂岩层数看,浊流最多,砂质碎屑流次之,颗粒流和液化流最少;从单期沉积厚度看,砂质碎屑流最大,平均为1.17m,浊流沉积最小,仅平均为0.25m。为了回避取心的局限性、弱化重力流成因,突出具有油气储集意义的砂层概念,开展了测井岩性解释,结果表明该区重力流沉积为细砂岩或粉砂岩,单层平均厚度2.94m,最大厚度可达9.5m,其中单井中厚度在3m以上的砂体可达22层、累积达107.5m。本区重力流沉积为滑塌成因,除了(扇)三角洲前缘斜坡的自然滑塌外,断层(地震)活动或间歇式火山喷发是其关键的触发机制;断层活动除了提供滑塌的动力外,还影响着其堆积场所和沉积的结构。     

深水等深流与重力流交互作用沉积（2000—2022年）研究进展

等深流与重力流在深水环境中较为常见,两者在地质历史时期中可存在相互作用进而形成交互作用沉积。结合近20年研究成果,对深水等深流与重力流交互作用的沉积类型、鉴别标志、形成机理及地质意义进行了总结。1）等深流与重力流交互作用沉积可分为等深流与重力流沉积互层、等深流改造重力流及等深流与重力流同时作用沉积。2）等深流沉积和重力流沉积的有效鉴别是等深流与重力流沉积互层沉积研究的前提。3）等深流改造重力流沉积发育重力流和牵引流沉积构造,双向交错层理最为典型;常具顺斜坡向下及大致平行斜坡的两个水流方向;概率累积曲线呈1~3段式等特征。4）等深流与重力流同时作用沉积主要发育单向迁移水道、不对称的水道—堤岸体系及偏转型朵叶。5）交互作用形成过程主要受等深流与重力流相对能量大小的影响。当重力流活跃时,发育重力流沉积,在重力流末期及间歇期,等深流沉积发育,进而形成重力流与等深流沉积互层。等深流能量较强时,可改造重力流沉积,形成等深流改造重力流沉积。高能等深流在重力流能量较弱时,可对重力流沉积物进行横向搬运,形成迁移水道、不对称水道—堤岸体系及偏转型朵叶。6）主要问题及下一步的主攻方向主要包括四个方面:①重视综合研究,增加实例分析;②完善鉴别标志,推广研究成果;③多方法、多尺度、多条件、多维度综合探讨交互作用沉积过程及主控因素;④加强油气勘探潜力、古环境演化及地质灾害预防等方面的研究。     

深水重力流与底流交互作用研究进展

重力流和底流是深水环境下的两大基本流动体制,对二者交互作用的研究是当前沉积学研究的前缘和薄弱环节.底流及底流改造沉积物在岩芯上具有上部侵蚀面、双泥层、牵引流成因的各种层理等识别标志;底流成因的漂积体在剖面上呈现透镜状单元、迁移性特征及波状发射等地震反射特征.本文通过综述重力流与底流交互作用的研究成果,认为依据某段地质时期内深水盆地中主导沉积机制的不同,将重力流与底流的交互作用分为以下4种表现形式:①底流对前期重力流沉积进行改造;②重力流对前期底流沉积进行改造;③重力流与底流交互主导同一地区的沉积以及④底流与重力流同时作用于沉积物.相对海平面变化、气候(冰期～间冰期)变化、构造活动、地形地貌等因素,主要通过影响重力流与底流机制的相对强度大小,控制深水重力流与底流交互作用的进行.中国南海具有重力流与底流交互沉积的优越地质条件,发育有单向迁移水道、沉积物波等特色沉积记录.加强现今海流观测,对于南海底流循环格架的建立意义重大.     

深水重力流水道沉积研究进展*

深水水道是深水区常见的地貌单元,既是深水重力流沉积物的搬运通道,又是其主要沉积场所。对重力流水道沉积研究已有60余年的历史,成果极为丰富。本文简要回顾了深水水道沉积研究历程及最新研究成果,总结了主要水道类型沉积特征及形成机理。重力流水道可分为复合型水道、垂向加积型水道、迁移型水道和分支小水道。复合型水道形成与重力流演化过程密切相关,其内部发育轴部沉积、碎屑流/滑塌沉积、水道—堤岸沉积体系及迁移型水道。弯曲型迁移水道多为重力流自生环流而成,顺直型迁移水道为等深流与重力流共同作用而成。重力流水道研究的发展方向主要有3个方面,即:(1)积极开展多手段和方法综合研究;(2)深入系统对比研究其形成机制及主控因素;(3)加强储集层分布规律研究。     

深水单向迁移水道-堤岸沉积体系特征及形成过程

南海珠江口盆地白云深水区及西非下刚果盆地发育一种深水单向迁移水道-堤岸沉积体系,主要包括轴部沉积、侧积体沉积、滑塌/块状搬运复合体沉积、堤岸沉积,另见阶地。该沉积体系水道整体具有单向迁移特征,为重力流和等深流共同作用而成,水道迁移方向与等深流运动方向大致相同。其影响因素包括重力流及等深流相对能量的大小、物源、海平面升降、气候、地形、科氏力及陆架宽度等。阶地成因可分为3种,即重力流侵蚀侧积体成因、沉积失衡滑塌或断层作用成因和重力流在水道内部的差异侵蚀成因。对该沉积体系的研究不仅能加深深水沉积的认识,还可为油气进一步勘探服务。     

甘肃平凉地区奥陶系平凉组重力流与等深流交互作用的沉积研究

以野外露头资料为基础,对甘肃平凉地区奥陶系平凉组重力流及等深流交互作用沉积进行了研究。研究表明,平凉组以砂屑灰岩及泥岩为主,局部见砾屑灰岩;典型岩相包括水平层理页岩相、块状层理砾屑灰岩相、块状层理砂屑灰岩相、粒序层理砂屑灰岩相及透镜状交错层理砂屑灰岩相等5种类型,相应地分别代表深水原地沉积、碎屑流沉积、浊流沉积和等深流沉积。等深流在从东向西大致平行斜坡的运动过程中,在西部由于秦岭—祁连海槽的限制作用,可能导致能量局部增强。平凉组从下至上,重力流沉积规模逐渐减小,等深流沉积逐渐增加。在相对海平面较低时期,重力流极为活跃,等深流作用较弱;在相对海平面上升时期,重力流能量则减弱,等深流作用逐渐显著。等深流可对早期重力流沉积进行搬运、改造、再沉积,进而形成等深流沉积;相反,早期等深流沉积可能会受到后期重力流沉积的侵蚀、破坏。     

鄂西桐梓组一段碳酸盐台洼重力流沉积特征及其研究意义

鄂西秭归、长阳、巴东等地奥陶系桐梓组一段中碳酸盐台洼重力流沉积主要有４种类型：塌积角砾岩、碎屑流砾屑灰岩、颗粒流含砾砂屑灰岩、近源浊积灰岩。沉积特征和时空分布情况表明它们发生在两河口期早期海侵背景下（ＴＳＴ）。最初的岩崩塌积沉积受控于被动大陆边缘板内应力作用产生的构造事件,后来的重力流沉积旋回明显受渐进式海侵海平面升降波动的影响。台洼重力流沉积提供了早奥陶世华南被动大陆边缘向前陆盆地演变之前奏幕式事件在碳酸盐台地内的地层记录。讨论鄂西乃至上扬子区奥陶纪两河口期碳酸盐台洼重力流沉积的背景、成因、受控因素及研究意义。     

过渡型流体转换对洪水型重力流沉积研究的启示及地质意义

洪水型重力流是重力流沉积学的研究热点,以往研究认为洪水型重力流具有紊流支撑的流体性质,对于其流体性质转化及其沉积记录的识别不够深入。近年研究揭示重力流沉积过程中可形成多种过渡型流体,具有特殊流体转换机制和沉积特征。通过调研国内外最新文献,系统介绍了过渡型流体基本特征、沉积机制方面的研究进展,并讨论了其对洪水型重力流沉积研究的启示及地质意义。研究结果表明：在少量黏土矿物影响下,沉积物重力流流体的性质即可由紊流向层流转化,形成特殊的过渡型流体。转化过程主要取决于黏土矿物含量和类型控制的流体内聚力和流速控制的紊流应力二者之间的相互作用。过渡型流体可以产生大型流水沙纹(large current ripple)、砂质纹层—泥质纹层间互形成的低幅度沙波(low amplitude bed wave)等独特的底床类型。尽管实验研究揭示了过渡型流体可能形成的沉积底床特征,针对洪水型重力流沉积记录中过渡型流体的解释仍十分缺乏,尤其是过渡型流体转换机制及其沉积响应仍亟待深入探索。过渡型流体的沉积底形是研究洪水型重力流沉积动力机制的重要载体,可为深入理解洪水型重力流沉积过程提供新视角,同时可能具有更广泛的...     

过渡型流体转换对洪水型重力流沉积研究的启示及地质意义

洪水型重力流是重力流沉积学的研究热点,以往研究认为洪水型重力流具有紊流支撑的流体性质,对于其流体性质转化及其沉积记录的识别不够深入。近年研究揭示重力流沉积过程中可形成多种过渡型流体,具有特殊流体转换机制和沉积特征。通过调研国内外最新文献,系统介绍了过渡型流体基本特征、沉积机制方面的研究进展,并讨论了其对洪水型重力流沉积研究的启示及地质意义。研究结果表明：在少量黏土矿物影响下,沉积物重力流流体的性质即可由紊流向层流转化,形成特殊的过渡型流体。转化过程主要取决于黏土矿物含量和类型控制的流体内聚力和流速控制的紊流应力二者之间的相互作用。过渡型流体可以产生大型流水沙纹（large current ripple）、砂质纹层—泥质纹层间互形成的低幅度沙波（low amplitude bed wave）等独特的底床类型。尽管实验研究揭示了过渡型流体可能形成的沉积底床特征,针对洪水型重力流沉积记录中过渡型流体的解释仍十分缺乏,尤其是过渡型流体转换机制及其沉积响应仍亟待深入探索。过渡型流体的沉积底形是研究洪水型重力流沉积动力机制的重要载体,可为深入理解洪水型重力流沉积过程提供新视角,同时可能具有更广泛的沉积学研究价值。     

西藏康玉地区拉贡塘组的重力流沉积

康玉地区中、晚侏罗世发育一套非同寻常的重力流沉积（拉贡塘组），主要有颗粒流、泥石流及浊流沉积三种类型。属次深海—深海（斜坡—盆底）环境，由断裂活动引起的岩崩、滑塌、块体流、浊流等的沉积产物。     

云南腾冲山寨盆地水下冲积扇特征及对砂锡的控矿作用

水下冲积扇是山间谷地被堵截堰塞,山麓堆积进入水盆地的一种特殊“相”,以重力流堆积为主体,间夹湖沼和上迭河流沉积。熔岩流多次堵塞增高,堰塞坝的侵蚀和盆地的沉积充填,这三种因素综合作用的结果,形成了具有一定厚度的不同沉积类型组合。各类沉积因其搬运分选机制不同而形成不同的聚锡能力,决定了对砂锡的控矿作用。     

碎屑流沿坡面运动的数值模拟

根据Savage提出的碎屑流运动方程,分析了碎屑流沿坡面下滑过程中的运动特性,包括速度分布和高度分布的变化。重点考察了床面摩擦系数、土体内摩擦角、初始运动速度和坡角等因素对碎屑流运动形态的影响。研究表明,在不同的因素组合情况下,碎屑体的运动形态有明显的区别。土体内摩擦角和坡角对碎屑流的运动形态和最大运动距离影响明显。相对来说,床面摩擦角对碎屑流的最大运动距离影响不明显,这可能是因为床面摩擦只影响靠近床面的部分物质的运动     

基于沉积实验的重力流沉积体系砂体分布特征分析

重力流沉积体系砂体展布规律极为复杂,通过重力流流体实验,确定了重力流沉积不同岩相的成因及展布规律,并在此基础上,通过岩芯观察及测井、录井资料分析,在滨南油田古近纪沙三下亚段进行重力流砂体展布规律研究,研究结果表明:1)塑性流体在运动过程中被稀释,导致颗粒支撑机制发生复杂的变化,从而出现多种流态的流体,因此塑性流体被稀释到一定程度后会转换为液态流体; 2)重力流沉积层序的垂向演化及横向变化是流体性质演化的结果,即地质记录中的复杂重力流层序为流体性质转换后再沉积的结果; 3)重力流垂向层序与沉积模式的有机结合是进行砂体展布预测的关键。在该模式的指导下,明确了滨南油田沙三下亚段岩相的空间展布和变化规律。     

Influence of the saffman force,lift force,and electric force on sand grain transport in a wind–sand flow

Quasi-horizontal trajectories of salting sand grains were found using high-speed video-recording in the desertified territory of the Astrakhan region. The sizes and displacement velocities of the saltating sand grains were determined. A piecewise logarithmic approximation of the wind profile in a quasi-stationary wind–sand flow is suggested, which is consistent with the data of observations and modeling. It was established that, in the regime of stationary saltation, the wind profile in the lower saltation layer of the wind–sand flow depends only slightly on the wind profile variations in the upper saltation layer. The vertical profiles of the horizontal wind component gradient in a quasi-stationary wind–sand flow were calculated and plotted. It was shown using high-speed video recording of the trajectory of a sand grain with an approximate diameter of 95 μm that the weightlessness condition in the desertified territory of the Astrakhan region in a stationary wind–sand flow is satisfied at a height of approximately 0.15 mm. The electric parameters of a wind–sand flow, which can provide for compensation of the force of gravity by the electric force, were estimated. In particular, if the specific charge of a sand grain is 100 μC/kg, the force of gravity applied to the sand grain can be compensated by the electric force if the vertical component of the electric field in a wind–sand flow reaches approximately 100 kV/m. It was shown that the quasi-horizontal transport of sand grains in the lower millimeter saltation layer observed in the desertified territory can be explained by the joint action of the aerodynamic drag, the force of gravity, the Saffman force, the lift force, and the electric force.     

大陆下地壳流动:渠流还是层流?

大量的地质、地球物理、地球化学、实验和模拟资料证明大陆岩石圈存在壳内流层,目前创建了渠流和层流两种假说来解释大陆下地壳的流动规律和流动机理。渠流模式是指厚地壳、高地势的造山带或高原中、下地壳低粘度物质在地貌负荷的侧向压力梯度或剥蚀作用驱动下从山根向外侧向扩张。笔者在研究青藏高原的基础上于1992年提出的层流模式是指在大陆边缘俯冲板片脱水熔融和大陆内部地幔柱(枝)底辟上隆的热动力及其相关的重力驱动下的盆山地壳物质循环系统,盆地热软化下地壳物质在重力作用下顺层流向相邻的山根,盆地地壳减薄,造山带地壳加厚,加厚的下地壳部分熔融物质带动深层变质岩向上运动,热-重力派生的垂直主应力形成热隆伸展的变质核杂岩和低角度拆离断层,隆升的山体在重力势能作用下侧向扩张,盆山边界形成逆冲推覆和滑覆构造,同时遭受强烈的剥蚀作用,造山带源粗碎屑沉积物快速堆积在盆缘受下地壳拖曳的壳内有限俯冲坳陷带内。渠流构造和层流构造在大陆板内变形、中下地壳韧性挤出、造山带的挤压和伸展同步转换、中深变质岩的韧性变形及剥露过程、部分熔融及岩浆活动等方面存在相似之处,但是,在发育背景、产出部位、流层边界、流层规模、流动型式、流动体制、流动方向、流动物质、流动效应、流动时间、驱动力等方面存在本质的差异。渠流构造基本上可作为层流构造时空结构中的一个组成部分,层流的驱动力是热能和重力,而不是地表剥蚀作用和山体负荷作用。从全球角度来看,层流只是地球多级物质循环流动系统的一个组成部分。