湖相細粒濁流沉積動力學機制初探基于水槽沉積模擬實驗

關鍵詞細粒濁流;動力學機制;物理沉積模擬;運移規律；“新頭部\"現象

第一作者簡介 ，男，1986年出生，博士，副教授，非常規油氣沉積學，E-mail：lvqiqiabcd@163.com通信作者，男，碩士研究生，沉積學與儲層地質學，E-mail：wanglin_abcd@163.com

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼A DOI：10.14027/j.issn.1000-0550.2023.143 CSTR：32268.14/j.cjxb.62-1038.2023.143

0 引言

濁流是含陸源碎屑水體沿水下斜坡或峽谷流動的高密度底流，是由流體中的懸浮沉積物所引起的密度差造成的，具牛頓流體特性，其懸浮顆粒的主要支撐機制為湍流，為重力流的一種特殊形式]。濁流常存在于海洋和湖泊中，其流變性受含砂量、流速、顆粒支撐機制以及黏性等因素的影響612]，可搬運陸源沉積物到深水區中，是將沉積物向深水區輸送的重要機制及營力之一[13]。濁流形成的濁積巖層能成為良好的油氣儲層已成為國內外石油地質學界及產業界的共識[14-20]

在20世紀50年代，Kuenenetal.在基于一系列水槽實驗和長期野外露頭觀察的基礎上發表了《濁流是遞變層理的成因》一文，該項工作突破了傳統機械沉積的認識，標志著濁流理論的正式成立，開辟了濁流沉積的新篇章。Bouma[22于1962年根據法國Annot砂巖里多條剖面的總結建立了經典的濁積巖垂向序列，并分析了其在垂向上的巖性特征及沉積構造。然而在濁流實驗中，還未能復刻一個完整的鮑馬序列，故不能涵蓋所有濁積巖類型[2.23];lowe[3-4]對鮑馬序列進行了補充，依據流體流變學特征認為濁流屬于流體態流。在基于濁積巖系統研究的基礎上，國內外學者在基于水槽實驗手段又對濁流的流速、濃度、泥砂含量、傳輸過程及流體演化等進行了探討[24-25]。Keulegan[2通過對密度流的研究獲取了部分濁流頭部的參數；Hampton2從理論和試驗角度詳細討論了由塊體流到濁流的演變，并發現該演化是在塊體流的頭部發生的；Garcia28-29通過水槽研究斜坡附近濁流的運移規律，在實驗中觀察到了明顯的水躍現象，并提出了在濁流中沉積物的分布模型；Barahmandetal.3通過水槽實驗對四種不同粗糙程度的底床進行了水躍實驗，結果表明隨著坡度的增大，濁流沿著躍變區和超臨界區的環境水卷吸量也會隨之增加。上述實驗多集中于富砂、黏性的的重力流沉積物，Bakeretal.[o-對比了不同黏土類型及濃度條件下沉積物重力流的流動特性，研究發現隨著懸沙濃度的增加，水流類型由低密度濁流、高密度濁流和泥流轉變為滑流，并定量探究了濁流的流動特性、頭部速度、跳動距離以及沉積幾何形態。

可見，前人對濁流流體轉變、沉積過程、形成機理有了較為豐富的研究，且實驗結果表明不同泥砂比、懸浮泥砂濃度對濁流的動力學及流體特性影響較大。綜上，前人研究主要體現在環境流體力學方面，而應用到地質學方面的深水重力流沉積過程模擬研究還相對較少，特別是針對濁流作用下細粒沉積物運動規律及沉積特征的研究較為匱乏，亟須進一步深入探究。為正確認識濁流作用下細粒沉積物運移過程規律，深入探討流體流速、沉積物搬運距離及展布受控因素，基于環形水槽沉積模擬實驗進行研究，提出關于湖相細粒濁積巖的新認識。相關研究有助于掌握細粒濁流沉積物運移規律，可能為細粒非常規油氣勘探與開發提供新的思路。

1實驗設備及實驗方案

1.1模擬設備與觀測手段

本次沉積物理模擬實驗在長江大學武漢校區環形水槽模擬實驗室中完成，環形水槽裝置由兩個直線段和兩個環形段組成（圖1a），其中兩個直線段長各7.7m ，兩半環段長各 5.8m ，深 0.6m ，寬 0.4m ，整個環形水槽總長 27m 。沉積模擬裝置包括定量供水裝置、儲料桶、速度控制閥、循環抽水泵、圖像攝錄設備、坡度調節板、隔擋板等。蓄水池用于定量供水，在儲料桶里對沉積物進行均勻攪拌并通過控制速度閥釋放沉積物至水槽中；圖像攝錄設備可用于實驗中全程拍照和錄像（圖1b），以便于后期的詳細觀察與研究，實驗系統具有條件可控、全程監控、實時檢測的優勢。

1.2實驗方案

本次實驗基于前人研究2]，選取初始流速、沉積物濃度、砂泥比三組條件為實驗參數（表1），開展水槽沉積模擬實驗研究，該組參數能較為詳盡地描述濁流的頭部形態、流速、沉積形態，以探究濁流的動力學機制及流體特性，共設定為三組九輪對比實驗（表1）。

實驗組一：主要通過模擬流速（低流速 0.15m/s 中等流速 0.30m/s 較高流速 0.60m/s 變化條件下細粒物質的搬運與沉積過程，保持其他條件不變，對比不同初始流速下細粒沉積物的搬運距離及沉積物空間分布的差異；實驗組二：以實驗組一為依據，其他條件不變，選取最為合適的流速，通過模擬沉積物濃度 （5%，10%，20% 變化條件下細粒物質的搬運與沉積過程，對比不同沉積物濃度下細粒沉積物的擴散方式及速度、搬運距離、沉積物空間分布特征；實驗組三：以實驗組一、二為依據，保持其他條件不變，選取最合適的初始流速及沉積物濃度通過模擬砂泥比（1：2：6、1：2：12、1：2：18）變化條件下細粒物質的搬運與沉積過程，對比不同沉積物含量下細粒沉積物的流體流速、搬運距離、沉積物空間分布等特征。

1.3 實驗觀測記錄

在實驗過程中，從沉積物開始釋放至流動過程中，采用攝錄設備從水槽側面、頂部及底部三個方向攝錄，及時記錄實驗現象，并對流動過程中的重要實驗現象進行拍攝；使用多普勒流速儀對流體流速進行實時監測，每間隔 1m 進行一次頭部流速測量;待細粒沉積物在流體攜帶下搬運至完全沉積，采用水下測量的方式，每間隔 1m 測量其沉積物厚度并進行取樣，使用BT-9300ST激光粒度分析儀對樣品進行粒度分析，取D10、D50、D90等有代表性的數值進行表格化處理，并對不同參數的粒度曲線結果進行對比分析。

2 實驗過程及結果

實驗發現，每輪模擬實驗中流體流動過程和現象具有一定相似性。因此，現以實驗組3-2為例詳細描述實驗過程中的現象及規律，整個搬運過程可大致分為三個階段。

2.1第一階段（直道區I）

實驗開始時，將速度控制閥打開，濁流攜帶砂泥混合物以一定的初速度突然被釋放出。剛開始時，可以觀察到水槽內濁流與環境流體之間發生劇烈的交互作用，流體紊亂程度較高，流體頭部及體部沿著水槽向前移動，在平行水流方向上流體頭部呈鼻狀體結構（圖2a）或尖的扁平形（圖2b），這種形狀以及流體頭部的厚度隨濁流向前搬運會不斷發生細微變化；在靠近物源區，濁流流體能量較大，水槽中水下水躍現象極為發育，在濁流上部由于水躍作用強烈擾動，會出現反旋回的旋滾，將環境流體（水或空氣）卷入并相互作用，形成一個反向旋滾區（圖2c）；而在流體表面可見多個隆起（圖2c，d），隆起表現為不連續或突然躍起，不斷消失又不斷出現，呈現出多期次交替出現的現象。

水下水躍又稱為水力躍遷，在紊流呈極端情況時出現，為超臨界流向亞臨界流過渡時產生[3。在發生水躍時，可見濁流流速降低，流體部分動能被紊流所消散，轉化為位能以致流體液面明顯增高，并將環境流體（水或空氣）卷入與濁流流體混合，使得沉積物及流體濃度也隨之下降，甚至還可能引起流體類型的改變32；在實驗中，當流體厚度或深度突然增高時為水下水躍開始的標志，為“水躍起點”；當反向旋滾區逐漸變得平緩時，稱為“水躍終點”。

當所用實驗樣為純泥時，其在流體搬運中所需的能量較小，流動速度緩慢，引起的水下水躍現象不明顯；可能是缺少了砂泥之間的相互作用力，導致流體前進驅動力也隨之減少，水下水躍現象也逐漸減弱（圖2e，f）。

懸浮沉積物繼續隨濁流向前搬運過程中，可見濁流頭部厚度較大，頭部近底層處濃度及密度最大，而體部濃度及密度較?。▓D3a，b）。在搬運過程中，流體依靠懸浮沉積物的湍流支撐及流體與環境流體之間的密度差獲得不斷前進的驅動力[，高密度的濁流頭部引導其密度、濃度及厚度均較小的本體向前移動，以快速的慣性流搬運沉積物；而在濁流上部，（a）似鼻狀體結構的濁流頭部；（b）呈扁平狀的濁流頭部，呈涌浪型前進；（c）較強烈的水下水躍現象，可見明顯的反向旋滾區及隆起現象；（d）水下水躍現象減弱，也可見多期的隆起及不連續的水下躍起現象；（e）水下躍起現象減弱直至消失；（I）流體驅動力減小，水下躍起現象減弱直至消失

由于湍流擴散，且與上層水體的交換導致其體內卷吸進人更多的環境水，使流速減小，隨之密度也逐漸減小，快速運動的慣性流逐漸轉變為緩慢運動的湍流（圖3c），泥沙濃度顯著減小，呈現出流體頭部較厚，體部較薄的特點。Muttietetal.33]應用Sander的理念將這種現象稱為“雙流分割”，實驗中所出現的濁流由快速運動的慣性流（粒狀）和緩慢運動的湍流兩部分組成。

2.2 第二階段（彎道區）

濁流流體沿水槽直道區繼續向前流動直至進入彎道區，流體頭部與環境流體之間發生著復雜的混合作用，從正視角度觀察濁流頭部特征，可見頭部之間分裂成多個葉片狀，主要可分為裂隙和葉片兩種結構[34]（圖 4a～d ）。在直道區時裂隙和葉片已存在，尺寸較小，數量較多，在彎道區時尺寸較大，但數量較少。

根據實驗觀察，裂隙不會消失，一般與其附近的裂隙互相吸收。在運動過程中，葉片的寬度迅速地膨脹或收縮，當葉片達到最大尺寸，兩個葉片之間就會形成新的裂隙。對裂隙和葉片的觀察表明，在穩定的流體中，它們的出現和消失都十分迅速，隨著搬運距離增加，流體能量逐漸降低，搬運能力下降，所產生的裂隙和葉片數量也隨之減少。兩種結構是由于環境流體密度與流體前鋒密度之間差異導致重力不穩定而產生的。流動過程中，濁流頭部渦流從底床裹挾懸浮沉積物，在流體前進過程中流體前鋒底部受到水槽底部摩擦力的影響，其最底部的流線朝著流體尾部方向延伸，流體會向上揚起一些距離，由此在流體前鋒的下部，產生一個環境流體的小循環（圖4e）。此時環境流體進入這一密度小于流體前鋒密度的區域，造成重力不穩定的現象。這部分流體上升和向前移動的過程中，逐漸形成裂隙與葉片。

2.3 第三階段（直道區I）

當濁流經過彎道區至第二個直道區時，流體緊貼基底底部移動，在移動一定距離后，可隨時間變化逐漸觀察到流體頭部抬升、頭部與體部逐漸分離、在本體前端逐漸形成“新頭部”并繼續向前運動的現象（圖5，期間可大致分為四個階段。

（1）頭部拾升階段：在移動一定距離后，觀察到環境流體侵入濁流頭部與基底接觸部位之間，水流因沉積而失去部分砂質懸浮荷載時，淡水會引起浮力反轉（抬升），流體頭部逐漸開始抬升并與底床之間分離開來且距離緩慢增大，減少了流體頭部與底床的剪切拖拽及摩擦力。隨著流體不斷被周圍水體稀釋變薄，流體頭部濃度逐漸減小，由舌狀逐漸變化成云霧狀脫離水槽底床向上抬升并繼續快速向前搬運，這種現象即“上浮作用\"35-38]（圖5a，d）；（2）頭部與體部分離階段：在上浮作用下，流體前部的底床阻力顯著降低，快速向前搬運，細粒沉積物由于流動分離作用和湍流分散壓力在底床產生強烈的“云狀拖電\"現象。流體頭部與水體稀釋，與體部產生速度與密度差，頭部與體部逐漸分離，其中頭部速度相對較快，濃度低，顏色較淺，呈隆起狀；而體部速度較慢，但濃度高于頭部，顏色較深，呈平緩狀（圖5e，f）；（3）“新頭部\"形成階段：由于頭部速度較體部更快，二者逐漸拉開距離，直至頭部完全脫離身體，頭部繼續向前搬運；而后在本體前端會緩慢地形成一個“新的頭部\"（圖5g，h）；（4）“新頭部”繼續運動階段：“新頭部”同樣具有上揚的特點，在脫離本體后，被水體不斷稀釋、變形，密度降低，疊覆在薄層之上（圖5i，j），緩慢地向前移動，漂浮在離散水層上快速移動的頭部與附著在床層上并以較慢速度移動的體部之間由于前進速度差異導致逐漸分離，二者僅由薄層砂相連。在流體經過“上浮”頭部加速等作用后，流體頭部不斷裂解，發生沉積，新的流體頭部又開始形成，濃度較高，呈舌狀緩慢向前搬運，隨著已與本體分離的頭部繼續往前搬運直至消散。

3實驗討論

3.1濃度差控制流體的移動速度與搬運距離

通過不同沉積物濃度水槽模擬對比實驗，發現濁流移動速度及細粒沉積物搬運距離受沉積物濃度的影響較為明顯，實驗結果顯示：（1）沉積物濃度越大，流體的流速越大，兩者呈明顯的正相關（圖6）。由于濁流最大密度主要集中在頭部，主要依靠其與周圍水體的密度差獲得不斷前進的驅動力，當沉積物濃度較大時，與環境水的密度差越大，獲得的驅動力越強，流速越大。（2）從搬運距離上來看，濃度為

（a）流體在直道區時產生的數量較多、尺寸較小的裂隙和葉片結構；（b）裂隙和葉片結構素描圖；（c）流體搬運過程中在彎道區時產生的尺寸較大、數量較少的裂隙和葉片結構;（d）裂隙和葉片素結構描圖;（e）重力流前鋒裂隙及葉片形成機理結構圖（據文獻[34]修改）

20% 的沉積物分別在 3min，10min，20min 時搬運至 7.1m?15.2m?20.0m^（ 圖 7a～c ）；濃度為 10% 的沉積物 分別在 3min，10min，20min 時搬運至 6.5m，14.1m / 19.2m （圖7d＼～f）;濃度為 5% 的沉積物分別在 3min 、 10min?20min 時搬運至 5.3m，11.1m，15.7m （圖 7_g～i） 。可見流體濃度越大，其流速越大，沉積物搬運 的距離也越遠；流體濃度較大時，所獲得的驅動力也 更強，隨之搬運更遠（圖6）。

3.2初始流速、水下水躍、上浮作用共同控制著流體流速及沉積物分布

不同初始流速下，細粒沉積物分布特征也各異，根據其差異可將其分為三個階段： 0～2m 段 ?2～7m 段 ?7m 直至搬運結束段。

（1）在 0～2m 階段，沉積物厚度與初始流速關系最密切。根據不同初始流速下沉積物厚度與搬運距離折線圖得知，隨著流體初始流速的增大，在該階段沉積物沉積厚度減小，二者在一定程度上呈現負相關（圖8a）。濁流在搬運過程中，其湍流強度隨流速增大而增大，紊亂程度越高，攜帶沉積物的能力也隨之越強，沉積物懸浮于濁流內部進行搬運，沉積物所沉積厚度即更薄。

（2）在 2～7m 階段，此段為流體剛搬運不久，靠近物源區，流體紊亂程度較大，也是水下水躍最為活躍的階段。水下水躍現象作為耗能的有效方式之一，在該階段水躍現象頻繁發生，通過對不同初始流速下流速與搬運距離折線圖進行分析，發現在該階段發生水躍現象時，出現在在在在在在在在濁流流體流速減小幅度突然增大以及沉積物厚度變厚的情況（圖8a，b）。由于水下水躍發生時使得流體表面表現為不連續或突然躍起，沉積物在發生水躍或鄰近部位會有強烈的沉積物堆積，在空間上分布亦不均勻，使得在該階段沉積物厚度波動較大，沉積物分布特征也發生變化，最后穩定后沉積厚度增大。

（3）在 7m 后直至搬運結束階段，待濁流流體逐漸進人彎道區時，此時可觀察到水槽外側流體較內側流體流速更快，高度更高（圖9a）；但沉積完全后，測得內側沉積物沉積厚度較外側更厚（圖9b，c）。這可能是在進入彎道區后濁流受重力及離心力作用，（a～c） 分別為流體濃度為 20% 條件下3min、10min .20min 處示意圖；（d＼～f）分別為流體濃度為 10% 條件下3min、10min、20min處示意圖； 分別為流體濃度為 5% 條件下 3min，10min，20min 處示意圖

水流主流線向水槽外側偏移，濁流表層水流向水槽外側偏移，外側水流流速較快，多以侵蝕作用為主；而底部水流逐漸流向水槽內側，且受水槽底部摩擦力影響，底流流速降低，搬運能力下降，細粒沉積物在內側卸載并堆積下來，致使內側沉積物沉積厚度更大（圖9b）。

隨著搬運距離的增加，流體底部邊界層內流體質點受到黏性力的作用，流動速度逐漸降低；在 7m 之后，平均速度呈緩慢下降趨勢，與水下水躍現象減弱有關（圖8b）。上浮作用的產生減弱了流體與底床之間的這種黏性力，使流體流動過程中頭部微微抬起，從而環境流體進入頭部下方，起到潤滑基底的作用，流體流速會有短暫的加快，由此證明底部邊界層內流體質點受到的黏性力是流體耗能的一種方式。

3.3泥質含量影響沉積物搬運距離

在實驗結束后，待沉積物完全沉積至槽底，通過粒度分析得到下圖所示結果（圖10），顯示沉積物的顆粒大小含量隨搬運距離增加呈減小趨勢；且通過對比分析三組砂泥比實驗，泥質含量最多的一組較其余兩組搬運距離更遠（圖10），表明在粗顆粒泥沙中增加適量泥質顆?？捎行岣邼崃鞯倪\移能力。因此，細粒沉積物粒徑的大小及含量會影響流體長距離搬運及濁流水動力學特性。

3.4“新頭部”現象是重力流體系前端分散型砂體主要成因

在實驗過程中可見到流體頭部上揚速度突然增快的特征，且由于頭部速度較本體更快，會出現“頭尾分離”的現象，砂體在水槽中能實現一定距離的“跳躍”，砂體之間不連續，僅由薄層的砂相連，直至最終發育為\"分散型\"的砂體（圖11a）。

在該實驗條件下流體頭部與基底之間的上浮作用及濁流流體性質可能是形成“分散型”砂體的原因。濁流靠流體的湍流來支撐碎屑顆粒，使之呈懸浮狀態；且濁流為紊流，在運移過程中，紊流的流體質點做雜亂無章的無規則運動，容易形成分散、孤立的砂體。在運移過程中，流體底部由于水體侵入且水體攜帶的部分砂質懸浮載荷沉積，與砂質沉積有關的相對重量損失會產生流動浮力反轉而發生上浮作用使得頭部拾升，有效地減少與基底之間的黏性力，使得濁流能快速流動。頭部與體部由于速度差異，往往易與體部發生分離，流體也會發生裂解，分散的頭部繼續向前搬運一段距離后便開始沉積，而后面的體部又開始形成新的頭部，不斷發生裂解，從而促進了多個分散型砂體的形成，且在搬運末端所形成的分散型砂體濃度較小，厚度較薄，但展布范圍較大（圖11a）。前人在碎屑流水道的沉積模擬實驗中也發現了相類似的規律[39]

3.5油氣地質意義及未來展望

油氣勘探實踐表明，砂體是油氣儲集的重要場所，研究砂體展布對油氣勘探有著顯著的意義[40-41]。在鄂爾多斯盆地西南部延長組長7段，發育在三角洲前緣坡折帶以下至深湖區的重力流砂體呈聚攏型條帶狀或疊加透鏡狀，該區域隸屬于非常規油氣資源，現已經實現規?？碧介_發[42-43]；在遠端發育的重力流砂體與半深湖一深湖泥頁巖緊密共生，呈朵葉狀和舌狀展布，且大多砂體在平面呈分散型和孤立型，僅少數呈片狀連接在一起（圖11b）[1.44]。經前人勘探預測表明，遠端分散型重力流沉積砂體可有效地提高單井產能并可作為長 7₃ 小層頁巖油勘探的“甜點”及深水油氣勘探的重點目標42。本次實驗中所觀察到的\"新頭部\"現象解釋了重力流沉積前端分散型砂體主要成因，為進一步探討重力流砂體展布規律奠定了基礎，相關研究也為細粒非常規油氣勘探開發提供了新的思路。

由于實驗設備條件有限，本次濁流模擬實驗屬于探索性研究，針對水下濁流搬運過程中出現的復雜實驗現象，無法在濁流的各個現象所發生的區域大小、形狀、連續時間以及弗勞德數進行定量描述；在后期實驗中，將加強引進新的技術和設備（如多普勒流速儀、三維激光掃描儀），并將數值與物理沉積模擬相結合，從而為細粒重力流流體轉換、混合事件層的沉積模擬及完整的數學模型的建立奠定基礎。

4結論

（1）基于環形水槽沉積模擬實驗，分別通過控制沉積物濃度、流體初始速度、砂泥比等條件，模擬了濁流作用下細粒沉積物搬運的過程及細粒沉積物的分布與沉積特征。濁流流動過程中流體發生了一系列變化，出現了水下水躍、雙流分割、裂隙和葉片、上浮作用、頭部抬升、“新頭部\"等現象。

（2）通過對實驗現象觀察和分析，以及對流體流動速度、細粒沉積物完全沉積后的厚度以及泥質含量進行測量，結果顯示流體與環境流體的濃度差與流體的移動速度和搬運距離成正比；初始階段流體初速度與沉積物沉積厚度成反比；泥質含量越多，沉積物的搬運距離越遠。在流體搬運過程中水下水躍會減小流體流速，而上浮作用能減小流體與基底間的黏性力，使得流體頭部加速。

（3）在實驗中，由于頭部速度較體部更快，二者逐漸拉開距離，直至頭部完全脫離身體，頭部繼續向前搬運；而后在本體前端會緩慢地形成一個“新的頭部”，“新頭部”現象使得砂體之間不連續，并在不同位置分散展布形成分散型砂體。結合鄂爾多斯盆地延長組長 7₃ 亞段重力流沉積體系前端形成的分散型砂體，本次實驗能夠較好地解釋其成因。

致謝感謝三位審稿專家及編輯部老師對文章提出的寶貴建議和意見。

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Abstract：[Objective]This study investigated the sorting movementand sedimentary characteristics offine-grained sedimentsunder theaction of turbiditycurrents，andanalyzed thecontrolld factors of their transport distance and the spatial distributionof sediment.[Methods]Basedona circular flume simulation，the transportand deposition process offine-grainedsediments carried by turbiditycurrents were simulatedand analyzed by controlling three conditions：the initialfluid velocity，sediment concentration，andsand-mudratio.Furthermore，the sedimentarydynamic mechanism was explored.[Results]（1）Fine-grained sediments transported by turbidity currents experience experimentalphenomena such as“water jumps”，“double flow segmentation”，“lofting”，“head lifting”，and“new heads” during the flow process（2） During fluid transportation，the movement speed and distance of fine-grained sediments are influenced bytheconcentration diffrence between the fluidand theenvironmentalfluid.（3）Factors such as the initialflowvelocity，water jumps，and lofting control the fluid flow velocity，fine-grainedsediment transport distance，and spatial distribution.（4）The“new head”phenomenon causes sand bodies carried by the fluid to become discontinuous，isolated，or dispersed.[Conclusions] Based on the“new head”phenomenon in the simulation process，we ofer insights onthe causes ofdispersed sand bodies.The results of this studycan serve as areference for studying the formation and distribution of dispersed sand bodies.

KeyWords：fine-grained turbidity currents；dynamic mechanism；physical sedimentation simulation；transportlaw; “new head”phenomena