碎屑流

塑性流变性质和层流流动状态的沉积物重力流

碎屑流是一种有塑性流变性质和层流流动状态的沉积物重力流，其沉积物的支撑机制主要是由其塑性流变的性质所决定，与其所具有的屈服强度直接相关。一方面是粘土一水基质所产生的基质强度，另一方面是由颗粒碰撞所产生的摩擦强度。碎屑流沉积可具有上下两层韵律结构特征，上部为“刚性”筏，下部为层流段。泥质撕裂屑是碎屑流最典型的沉积特征。

基本信息

沉积地质学的发展以均变论思想开始，过多地注意了沉积物（层）的韵律性和旋回性。以Kuenen和Migliorini（1950）发表的“粒序层理由浊流形成”一文为开端，人们越来越重视深水沉积作用的研究。其中，深水重力流沉积理论是近二十年来沉积学领域的主要进展之一，但国内外对深水沉积作用理论的概念和模式还存在较大分歧，甚至在关键术语和概念模式方面还存在认识上的偏差，从而影响人们对深水沉积油气勘探方向的把握。由于沉积物重力流中的颗粒流和液化流在地质历史时期的实例少和应用价值不高故不受关注，而碎屑流和浊流及其沉积物则是争论的主题。

随着人们对浊流扩大化概念的不断修正，碎屑流沉积的研究也得以快速发展。特别是20世纪90年代以来，重新评价和抛弃扇模式，重新将深水厚层浊积砂解释为砂质碎屑流的沉积物，关于高密度浊流的争论，砂质碎屑流的实验和关于地震几何学对沉积相意义的深思充满了沉积学界，Shanmugam等（1996）在Shultz（1984）沉积物重力流分类基础上提出了砂质碎屑流和泥质碎屑流的概念。

流变学特征

流变学是研究流体和固体形态物质的流动和变形性质的科学。在流变学上，流体可分为两大类：凡服从内摩擦定理的称为牛顿流体，不服从内摩擦定理的称为非牛顿流体。所谓服从内摩擦定理是指在温度不变的条件下，随着流速梯度（或称剪切变形率）的变化，其动力粘滞系数始终保持一常数，即在任意小的外力作用下即能流动的流体，剪切应力与剪切应变率之间满足线性关系。非牛顿流体包括拟塑性流体、膨胀性流体和塑性流体（或称宾汉流体）等。碎屑流的最佳拟合流变模式是宾汉模式，具有一定的屈服强度，在受到外力作用时，并不立即流动，当外力大于其屈服力时，才开始像牛顿流体一样流动。所以，碎屑流是一种有塑性流变性质的沉积物重力流。

沉积物支撑机制

碎屑流作为宾汉流体的性质是认识其沉积物支撑机制的基础。Middleton和HamDton（1973）以沉积物的主要支撑机制为依据，将水下沉积物重力流分为碎屑流、颗粒流、液化沉积物流和浊流，认为碎屑流是较大颗粒由基质强度（即粘土一水基质的内聚强度）支撑的沉积物重力流。为了强调与其他沉积物重力流的区别，把这种典型的、理想的碎屑流称为“真正的碎屑流”。而Lower（1979，1982）则认为碎屑流是被泥质一水基质的内聚力和浮力支撑的一种沉积物重力流，强调了基质的浮力作用。Shamugam（1996）认为，碎屑流中沉积物是靠基质强度（粘土一水基质的内聚强度）、分散压力（由颗粒碰撞产生的摩擦强度）和上浮力（由水和细粒物质混合产生）支撑的。王德坪（1991）通过对东营凹陷古近系沙河街组中碎屑流沉积的研究，没有见到大碎屑集中于其顶部或凸出于碎屑流体表面的典型特征，认为虽然浮力的支撑对于陆上的碎屑流是重要的，但对水下碎屑流并不重要。并进一步对粘土一水基质的作用进行了深入探讨，认为在泥流和“真正的碎屑流”中，粘土一水基质起了结构意义上的基质作用，具体表现为内聚强度；而在砂质碎屑流中，粘土含量少，只在颗粒接触处存在，粘土一水基质起了成分意义上的基质作用，具体表现为粘附强度。

实际上，碎屑流中沉积物的支撑机制主要是由其塑性流变的性质所决定，与其所具有的屈服强度直接相关。一方面是粘土一水基质所产生的基质强度（包括内聚强度和粘附强度）；另一方面是由颗粒碰撞所产生的摩擦强度。

碎屑流沉积的韵律结构特征

克服碎屑流屈服强度的外力是碎屑流自身重力沿其底面方向的分力，所以，碎屑流自上而下所受的外力是逐渐增大的。理论上，碎屑流上部必须有一定的厚度才能使其下部的剪切力大于其屈服力而发生流动。碎屑流上部的外力小于其屈服力，沉积物整体以同一速度呈固态运动，可视作刚体，称作“刚性”筏；在“刚性”筏之下，碎屑流所受的外力大于其屈服力而发生流动。自然界的流体可分为紊流和层流两种流动状态。牛顿流体不具屈服强度，它出现紊流的判别值是雷诺数（R），当R>2000时就开始有紊流发生；而塑性流体发生紊流的判别值为雷诺数（R）和宾汉值（B）。据Enos（1977）研究，虽然碎屑流可发展成紊流流动状态，但这并不是碎屑流的典型特征，层流才是其主要流动特征，这也与碎屑流的塑性流变性质和沉积物复合支撑机制相对应。因此，碎屑流沉积应具有上下两层韵律结构特征，即上部为“刚性”筏，下部为层流段。实际上，碎屑流的屈服强度随其泥质含量和陆源颗粒的粗细等变化而变化，其韵律结构特征也将发生有规律的变化，泥质含量少（约10%左右）和陆源颗粒较粗（以细砂为主）的砂质碎屑流的屈服强度高，以形成典型的“刚性”筏为主，而层流段仅表现为“刚性”筏底部的一个滑动面；粉砂质碎屑流的屈服强度相对较低，层流段发育，且可同时有“刚性”筏存在，从而可形成完整的碎屑流两层韵律结构；而泥质碎屑流的屈服强度最低，以层流段为主，“刚性”筏不发育，整个沉积韵律从上到下都有层状流动的迹象。

碎屑流沉积的主要特征

泥质撕裂屑是盆地内准同生期形成的具塑性形态的泥质碎屑，是碎屑流最典型的沉积特征。泥质撕裂屑可分为不规则状和长条状两类。不规则状泥质撕裂屑分布于碎屑流的“刚性”筏中，主要见于砂质碎屑流中；而长条状的泥质撕裂屑分布于碎屑流的层流段，主要见于粉砂质和泥质碎屑流中。由于碎屑流的塑性流变性质和沉积物复合支撑机制，所以，比重、粒度、形状、硬度相差较远的陆源砂粒和泥质撕裂屑能混杂地沉积于碎屑流中，而没有水力学分选、磨圆的问题。

不规则状泥质撕裂屑：根据实验，泥质沉积物不存在摩擦强度（即摩擦角为0），即与正压力无关，其屈服强度只取决于其内聚力，可视为定值；而洁净的砂质沉积物不存在由粘土一水基质产生的内聚力，其屈服强度取决于由颗粒间的摩擦力。一般情况下，碎屑流中砂质沉积物的屈服强度至少是泥质沉积物的6-12倍。由于屈服强度的这种显著差别，在外部剪应力还远小于砂质沉积物的屈服强度时，其中的泥质碎屑即发生变形，而砂质沉积物则构成了泥质碎屑变形的限制条件，可产生沿长轴褶皱、弯曲或在端部产生拉长成尖角状或细刺状的局部变形，但内部纹层和外部轮廓的受力方向是一致的，并与砂质介质的变形相协调，显示出沉积物具有“刚性”性质和剪应力的存在。

长条状泥质撕裂屑：呈细砾和砂级大小，被高度“撕裂”，两端具撕裂茬或成尖灭状，绝大多数相当平直且平行层面，形成泥质纹层。这些特点与层流段中剪应力增强、层流发育相对应，是在流动中被介质撕裂而成。相应于长条状泥质撕裂屑，层流段中还发育有砂质或粉质撕裂屑，形成砂屑纹层。

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