碎屑流

沉積地質學的發展以均變論思想開始，過多地注意了沉積物（層）的韻律性和旋迴性。以Kuenen和Migliorini（1950）發表的“粒序層理由濁流形成”一文為開端，人們越來越重視深水沉積作用的研究。其中，深水重力流沉積理論是近二十年來沉積學領域的主要進展之一，但國內外對深水沉積作用理論的概念和模式還存在較大分歧，甚至在關鍵術語和概念模式方面還存在認識上的偏差，從而影響人們對深水沉積油氣勘探方向的把握。由於沉積物重力流中的顆粒流和液化流在地質歷史時期的實例少和應用價值不高故不受關注，而碎屑流和濁流及其沉積物則是爭論的主題 ^[1]  。

隨着人們對濁流擴大化概念的不斷修正，碎屑流沉積的研究也得以快速發展。特別是20世紀90年代以來，重新評價和拋棄扇模式，重新將深水厚層濁積砂解釋為砂質碎屑流的沉積物，關於高密度濁流的爭論，砂質碎屑流的實驗和關於地震幾何學對沉積相意義的深思充滿了沉積學界，Shanmugam等（1996）在Shultz（1984）沉積物重力流分類基礎上提出了砂質碎屑流和泥質碎屑流的概念。

流變學是研究流體和固體形態物質的流動和變形性質的科學。在流變學上，流體可分為兩大類：凡服從內摩擦定理的稱為牛頓流體，不服從內摩擦定理的稱為非牛頓流體。所謂服從內摩擦定理是指在温度不變的條件下，隨着流速梯度（或稱剪切變形率）的變化，其動力粘滯係數始終保持一常數，即在任意小的外力作用下即能流動的流體，剪切應力與剪切應變率之間滿足線性關係。非牛頓流體包括擬塑性流體、膨脹性流體和塑性流體（或稱賓漢流體）等。碎屑流的最佳擬合流變模式是賓漢模式，具有一定的屈服強度，在受到外力作用時，並不立即流動，當外力大於其屈服力時，才開始像牛頓流體一樣流動。所以，碎屑流是一種有塑性流變性質的沉積物重力流 ^[2]  。

碎屑流作為賓漢流體的性質是認識其沉積物支撐機制的基礎。Middleton和HamDton（1973）以沉積物的主要支撐機制為依據，將水下沉積物重力流分為碎屑流、顆粒流、液化沉積物流和濁流，認為碎屑流是較大顆粒由基質強度（即粘土一水基質的內聚強度）支撐的沉積物重力流。為了強調與其他沉積物重力流的區別，把這種典型的、理想的碎屑流稱為“真正的碎屑流”。而Lower（1979，1982）則認為碎屑流是被泥質一水基質的內聚力和浮力支撐的一種沉積物重力流，強調了基質的浮力作用。Shamugam（1996）認為，碎屑流中沉積物是靠基質強度（粘土一水基質的內聚強度）、分散壓力（由顆粒碰撞產生的摩擦強度）和上浮力（由水和細粒物質混合產生）支撐的。王德坪（1991）通過對東營凹陷古近系沙河街組中碎屑流沉積的研究，沒有見到大碎屑集中於其頂部或凸出於碎屑流體表面的典型特徵，認為雖然浮力的支撐對於陸上的碎屑流是重要的，但對水下碎屑流並不重要。並進一步對粘土一水基質的作用進行了深入探討，認為在泥流和“真正的碎屑流”中，粘土一水基質起了結構意義上的基質作用，具體表現為內聚強度；而在砂質碎屑流中，粘土含量少，只在顆粒接觸處存在，粘土一水基質起了成分意義上的基質作用，具體表現為粘附強度。

實際上，碎屑流中沉積物的支撐機制主要是由其塑性流變的性質所決定，與其所具有的屈服強度直接相關。一方面是粘土一水基質所產生的基質強度（包括內聚強度和粘附強度）；另一方面是由顆粒碰撞所產生的摩擦強度 ^[3]  。

克服碎屑流屈服強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漸增大的。理論上，碎屑流上部必須有一定的厚度才能使其下部的剪切力大於其屈服力而發生流動。碎屑流上部的外力小於其屈服力，沉積物整體以同一速度呈固態運動，可視作剛體，稱作“剛性”筏；在“剛性”筏之下，碎屑流所受的外力大於其屈服力而發生流動。自然界的流體可分為紊流和層流兩種流動狀態。牛頓流體不具屈服強度，它出現紊流的判別值是雷諾數（R），當R>2000時就開始有紊流發生；而塑性流體發生紊流的判別值為雷諾數（R）和賓漢值（B）。據Enos（1977）研究，雖然碎屑流可發展成紊流流動狀態，但這並不是碎屑流的典型特徵，層流才是其主要流動特徵，這也與碎屑流的塑性流變性質和沉積物複合支撐機制相對應。因此，碎屑流沉積應具有上下兩層韻律結構特徵，即上部為“剛性”筏，下部為層流段。實際上，碎屑流的屈服強度隨其泥質含量和陸源顆粒的粗細等變化而變化，其韻律結構特徵也將發生有規律的變化，泥質含量少（約10%左右）和陸源顆粒較粗（以細砂為主）的砂質碎屑流的屈服強度高，以形成典型的“剛性”筏為主，而層流段僅表現為“剛性”筏底部的一個滑動面；粉砂質碎屑流的屈服強度相對較低，層流段發育，且可同時有“剛性”筏存在，從而可形成完整的碎屑流兩層韻律結構；而泥質碎屑流的屈服強度最低，以層流段為主，“剛性”筏不發育，整個沉積韻律從上到下都有層狀流動的跡象 ^[2]  。

泥質撕裂屑是盆地內準同生期形成的具塑性形態的泥質碎屑，是碎屑流最典型的沉積特徵。泥質撕裂屑可分為不規則狀和長條狀兩類。不規則狀泥質撕裂屑分佈於碎屑流的“剛性”筏中，主要見於砂質碎屑流中；而長條狀的泥質撕裂屑分佈於碎屑流的層流段，主要見於粉砂質和泥質碎屑流中。由於碎屑流的塑性流變性質和沉積物複合支撐機制，所以，比重、粒度、形狀、硬度相差較遠的陸源砂粒和泥質撕裂屑能混雜地沉積於碎屑流中，而沒有水力學分選、磨圓的問題。

不規則狀泥質撕裂屑：根據實驗，泥質沉積物不存在摩擦強度（即摩擦角為0），即與正壓力無關，其屈服強度只取決於其內聚力，可視為定值；而潔淨的砂質沉積物不存在由粘土一水基質產生的內聚力，其屈服強度取決於由顆粒間的摩擦力。一般情況下，碎屑流中砂質沉積物的屈服強度至少是泥質沉積物的6-12倍。由於屈服強度的這種顯著差別，在外部剪應力還遠小於砂質沉積物的屈服強度時，其中的泥質碎屑即發生變形，而砂質沉積物則構成了泥質碎屑變形的限制條件，可產生沿長軸褶皺、彎曲或在端部產生拉長成尖角狀或細刺狀的局部變形，但內部紋層和外部輪廓的受力方向是一致的，並與砂質介質的變形相協調，顯示出沉積物具有“剛性”性質和剪應力的存在。

長條狀泥質撕裂屑：呈細礫和砂級大小，被高度“撕裂”，兩端具撕裂茬或成尖滅狀，絕大多數相當平直且平行層面，形成泥質紋層。這些特點與層流段中剪應力增強、層流發育相對應，是在流動中被介質撕裂而成。相應於長條狀泥質撕裂屑，層流段中還發育有砂質或粉質撕裂屑，形成砂屑紋層 ^[3]  。