異重流沉積研究進展與展望

楊仁超，李作福，張學才，慈興華，方旭慶，李傳華，劉海寧

1.山東科技大學地球科學與工程學院，山東青島 266590

2.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司，山東東營 257099

3.中石化經緯有限公司，山東青島 266000

0 引言

作為一種將陸源碎屑物質進行遠距離搬運的沉積流體類型，異重流相關的研究取得了諸多進展，為全面理解海洋和湖泊環境中的沉積機制提供了新的視角。通過對古代和近代沉積的觀測研究、海洋學觀測、水槽實驗和數學建模等，人們對異重流及異重巖（hyperpycnites）的理解已不斷趨向深入[1]。異重流沉積研究可以指示古構造[2-3]、古地形[4-6]、古流水活動[7]、古氣候[2,8]、古生物類型[3,9-10]等地質信息。研究異重流的觸發因素、持續時間以及演化過程，對于理解沉積物的遠距離搬運機制、預防破壞網絡電纜[11]以及指導水利工程的空間資源利用和延長使用壽命[12-13]等至關重要。

作為一種將沉積物向盆地搬運的重要機制，異重流沉積及其油氣地質意義的研究亟待加強[14]。異重流不僅可以形成分布廣泛的沉積砂體和潛在的油氣儲集層[15]，而且異重流攜帶大量陸源有機質和營養物質進入深水區，對烴源巖的形成產生影響[16]。相較于海相環境，陸相湖盆更易發生異重流沉積[17]，對于湖相常規油氣和非常規油氣勘探開發均具有重要的指導意義[17]，異重流沉積在油氣地質方面的進展受到越來越多學者的關注[14-15,18-20]。

雖然異重流沉積研究取得了重要進展，但針對不同相帶、不同沉積背景條件下的異重巖鑒定標志亟待明確，故本文介紹了異重流的概念及發展歷程，分析了異重流發育條件和影響因素，研究了異重流的沉積特征和判識標志；并展望了未來異重流沉積的發展方向與趨勢，以期為異重流有關的研究提供參考。

1 異重流概念及發展歷程

異重流（hyperpycnal flow）是一種源自洪水期河口、受重力驅動而沿沉積盆地的底部流動、以準穩態存在的高密度沉積物重力流。異重流現象最早發現于日內瓦湖[21]。1950 年，Kuenen 認為濁流是形成粒序層理的主要原因[22]，水下重力流沉積研究得以發展[23-24]。Bates[25]首次提出異重流的概念并觀察到水下濁流向海方向運動時表現出三種不同的類型，分別命名為異輕流（hypopycnal flow）、等重流（homopycnal flow）和異重流（hyperpycnal flow）。后來，Mulderet al.[26]進一步提出了“層間流”（mesopycnal flow）的概念，更為詳細地劃分了河流高密度流體進入盆地水體中表現的幾種流入類型（圖1）。

圖1 河流入海流體分層流動剖面圖[26-27]Fig.1 Profile of fluid stratification of rivers entering the sea[26-27]

河流的大洪水事件導致頻繁的異重流現象產生[28]，通過對瓦爾河的長期觀測[29]，認為洪水河流對于觸發重力流具有重要作用，也是將陸源沉積物輸送到深海海底的一個重要機制[30-32]。Mulderet al.[33]研究認為異重流在中小型河流的河口更易引發異重流。含懸浮泥沙河水的密度與海水（湖泊）的密度差決定異重流能否產生[33-34]。當河流高密度流體以36～43 kg/m3的懸浮物含量排入海洋時[35]，會形成海洋異重流。但對于淡水湖盆而言，在河口向淡水湖中產生異重流所需的臨界濃度要低得多（＜＜1 kg/m3）[4,32]。Zavalaet al.[36]認為由洪水中河流直接輸入的高密度水流引起的，將其沉積產物稱為盆外濁積巖；而將由斜坡滑塌型濁流沉積的產物稱為盆內濁積巖。

受國外異重流研究進展[5,14-15,28]和國內相關成果的啟發[37]，在我國中新生代陸相地層中陸續發現異重流沉積[17,38-40]，通過測井數據分析和巖心觀察，發現平行層理、波紋和槽狀交錯層理等構造特征以及植物碎片、碳質碎屑等有機質證據，且發現在扇體遠端沉積物顆粒較粗，隨著沉積過程演化，近端粒度逐漸減小。認為大型坳陷湖盆同樣具備形成異重流的條件，對于判斷異重巖儲集性能和分析油氣生成的有機物來源，以及非常規油氣地質研究方面具有指導意義[38]。近年來異重流相關研究也逐漸被重視（表1），世界各地的海洋和湖泊環境中產生的異重流現象逐漸被發現（圖2）。一些學者在我國鄂爾多斯盆地延長組[38]、松遼盆地嫩江組[39]、渤海灣盆地沙河街組[32]、和青島靈山島組[41]等發現異重流沉積且進行了詳細的研究（圖2）。

表1 異重流沉積研究和發展歷程Table 1 Research and development of hyperpycnal flow deposition

圖2 異重流沉積部分研究實例全球分布示意圖[42]Fig.2 Global distribution of case studies of hyperpycnal flow deposition[42]

2 異重流發育條件及影響因素

2.1 異重流發育條件

2.1.1 流體密度

當懸浮泥沙的濃度非常大，以至于河水的密度大于海（湖）水的密度并達到產生異重流所需的臨界濃度，便在河口三角洲處形成異重流現象，同時可能侵蝕海（湖）底，形成下切水道。研究結果表明，中小河流更容易在河口觸發高密度底流。世界上至少有九條“臟水”河流可能在一年內引發異重流[33]（表2）；其他大多數河流只有在洪水期間才可能產生異重流。由于其廣闊的沿海洪泛區內的泥沙滯留，有效地降低了懸浮濃度，沉積物容易發生卸載[43]，故大型河流不易在河口產生高密度底流。含懸浮泥沙河水的密度與海水（湖泊）的密度差異是產生異重流的決定性因素[33-34]。

表2 河流在海水及淡水中形成異重流的臨界條件[4]Table 2 Critical conditions of rivers for hyperpycnal flow in seawater and fresh water[4]

當淡水河流以36～43 kg/m3的懸浮物含量排入海洋時，會形成海洋異重流[35]。而在淡水湖中產生異重流所需的臨界濃度要低得多（＜＜1 kg/m3）[4,32]。然而，Parsonset al.[44]通過實驗發現，當河流懸浮物濃度達到1 kg/m3以上，便可以在海洋中形成異重流；若考慮對流不穩定性的情況下，當懸浮物濃度為1～5 kg/m3時，在海洋環境中就會形成異重流?？梢娫诓煌h境條件下，產生異重流的密度閾值也不盡相同。

2.1.2 盆地水體深度

異重流具有長期持續流動的特點，單次完整的洪水型異重流也被稱為準穩定型流體（又稱持續性流體）[30,45]，一般準穩定型流體可持續幾天，甚至達數月。因此，蓄水盆地的水體足夠深，有利于異重流的發生，在某些情況下超過幾十米，河流濁流水體才能有足夠的地質營力沿著盆地底部流動并形成異重流，并持續地以一定流動速度（通常小于2 m/s）向盆地中心流動。通常深度較大的陸相湖盆更有利于異重流的形成，如洱海、邛海等內陸湖泊均產生異重流及其沉積[46]。但異重流發生的蓄水盆地水深閾值與注入的洪水流量相關，在洪水流量較?。芏容^大）的情況下，即使盆地的水深較淺，也可能發生異重流。

2.1.3 觸發機制

異重流的形成易受極端事件的驅動，如火山泥流[35,47]、冰川融化[48-49]、臺風和海嘯[7]以及人工堤壩破裂[50]和水庫排水[35]等（圖3）。Mulderet al.[51]歸納總結了六種異重流形成的環境條件：（1）干旱的季節性洪泛地區；（2）人工堤壩破裂或排水；（3）臺風等極端事件引起的中小河流洪水；（4）冰川融化和融雪性洪水；（5）黃土高原洪泛性泥石流；（6）火山泥流等特殊地質條件。因此，隨著水土流失造成的土地沙漠化以及碳排放產生的溫室效應引起的冰川融化和融雪性洪水，會導致異重流更加頻繁地發生。

圖3 異重流從小浪底水庫排出（圖片來源：新華網）Fig.3 Hyperpycnal flow in discharge from Xiaolangdi reservoir (source of photograph: Xinhuanet)

2.2 異重流形成影響因素

針對全球河流的統計顯示，將近71%的河流具備形成異重流的可能性[33]。河口異重流的產生會受到諸多因素的共同作用，如地形地勢[30,50,52-53]、物源區沉積物供給[30,53-54]、河流流域規模[30]、形成的濁流與入海（湖）水體密度差、氣候導致的地區環境因素（干旱/半干旱/濕潤）[8,55]和季節性降水[44]引起的洪泛現象、海（湖）平面上升/下降[55-60]、強烈的構造活動[53,61-62]、洪水發生的流量和頻率[35,62]等諸多因素有關，但主要取決于構造、氣候、地形及物源等主導因素。

2.2.1 構造因素

構造活動是控制盆地形成與發育演化的主導因素，它控制了物源區的隆升、盆地的沉降過程與幅度、盆山耦合與差異升降、沉積環境演化與沉積相帶遷移、古地理格局、可容納空間的變化等。構造活動與古氣候一道，從根本上影響古地形地貌、物源供給與沉積充填演化。構造影響地形坡度[5,59]、盆地水體深度[63-64]以及河流高密度流體與盆地水體高度差[30]。盆地的構造活動或伴隨的古地理重組通過改變波浪與河流能量的相對平衡，有利于富含濁積巖的陸架沉積物的生成[61]。由于物源區或盆地邊緣的構造抬升，侵蝕和泥沙供應率增加，增加了海岸線沿線河流占主導地位的可能性，并增加河流高密度流體與盆地水體之間的高度差。板塊運動所引起的盆地以及海底隆升沉降[65]，為異重流的形成創造了有利的條件。因此，構造特征與構造活動控制了異重流形成的基本條件，活躍的構造運動有利于異重流的發生[38]。

2.2.2 氣候因素

氣候是影響異重流產生的重要因素。由于氣候原因導致的季節性降雨和風暴活動的增加，湖泊洪水和海洋洪水事件的頻率和強度會更高，從而有利于異重流的產生[61]。在發生季節性洪水后，河流流量急劇增加，含沙量呈指數增長，一次大洪水攜帶的泥沙量可能超過河流數年正常流量攜帶的泥沙量。大量淡水流入盆地，形成異重流[55]；并可能降低盆地水體的鹽度[66]。

在濕潤氣候條件下，會發生持續的周期性洪水，有利于異重流的產生[38,67]。而在干旱氣候下，植被稀少，母巖分化嚴重，水土流失嚴重，但是干旱時期降水量的減少則會導致產生異重流的可能性降低。相較于干旱氣候，半干旱氣候更有利于異重流的形成[55]，具有周期性、大規模山洪暴發的半干旱盆地也可能發生異重流。

由于氣候原因導致的海（湖）平面降低，不僅使得河流與盆地流體之間的高度差增大，而且限制碎屑物質在濱岸平原地帶的沉積儲存，從而有利于洪水進入湖相盆地或者海底形成異重流[67]。海平面的上升會影響河口的泥沙流量，沉積物在三角洲發生沉積之后，泥沙濃度的降低會減少近海異重流事件的發生，表明海岸平原上的沉積物儲存也會降低異重流產生頻率[68]。

另外，米蘭科維奇尺度的海平面升降變化會使沉積物重新分布[69]。由于海平面升降幅度和速率的降低，在溫室時期，天文周期與氣候變化的關系更為明顯[70-72]，天文周期通過影響氣候的周期性變化，進而影響異重流沉積的發生頻率、異重巖的分布規模以及垂向分布等[70]。天文周期驅動的氣候旋回不僅對物源區沉積物供給具有控制作用[70,73]，還對海（湖）平面升降[55-58]、季節性降水[44]產生的洪泛期、氣候導致的地區環境因素[55]（干旱/半干旱/濕潤）、周期性季風活動[74]等具有重要影響，因而影響異重流的產生和發生頻率[75]。

2.2.3 地形因素

地形是影響異重流發生的關鍵因素之一。地形是地質構造活動、風化作用、侵蝕作用、沉積作用等綜合響應。異重流流動過程中的下坡輸沙量隨河床坡度增加而增加[76]，盆地坡度角越大（盆地坡度應大于0.7°[46]），越容易達到形成異重流的條件。當然也不排除坡度極小卻發生異重流現象的情況，盡管陸架坡度非常低，但白堊紀海洋風暴浪的能量足以沿陸架輸送大量高密度流體，從而產生異重流現象[5]。

2.2.4 物源條件

物源區是影響異重流的主要因素之一，包括物源區巖石的固結程度、沉積物粒度大小以及沉積物供給量等。在半干旱氣候地區，植被少，母巖分化嚴重，突發的山洪攜帶碎屑物質容易形成異重流[35,55,77-78]。物源區的碎屑物質越細，洪水攜帶的沉積物粒度越小，在湖底或海底搬運的距離越遠，持續時間更長[30]，例如在以粉砂和泥質沉積物為主的黃河入?？?，頻繁出現異重流現象[24,79]。因此，產生異重流需要物源區有充足的沉積物供給。

3 異重流演化過程

3.1 異重流流動過程

Lambet al.[63]使用水槽模型模擬了異重流流動過程，在河流上游，其中水面坡度與河床坡度平行；在下游的回流區，由于受到海岸線以外滯水的影響，水流隨著水面坡度趨于水平而分流。異重流一般不會在海岸線下沉，異重流必須達到特定深度才能發生[63-64]。故將海岸線和潛入點之間的水流稱為有限深度潛入區；由于兩種流體密度的差異，在潛入點的濁流是不穩定的[80]；潛入區下游的水流是由濁流引起的，這時流體壓力增大，沉積物開始以下潛方式搬運，當達到一定平衡后，表層速度消失，形成穩定異重流，然后異重流整體以一個膨大的頭部和一個瘦長的體部繼續運動[63,81]。孫福寧等[46]結合中生代湖相異重巖研究實例，對異重流流動過程進行了詳細的劃分。

3.2 異重流沉積過程

在異重流開始階段，流量和流速一直增強，當達到對早期沉積物侵蝕的臨界速度，會發生沉積物的侵蝕和過路，主要是發生沉積物填充和侵蝕作用，異重流沿著下切水道向盆地中心方向運動。之后由于水動力逐漸降低，流量和流速達到穩定后緩慢衰減，主要為沉積作用[67]。通過對盆地不同位置的同期異重流水流演化的分析，Zavalaet al.[14]將時間與速度以及沉積特征演化聯系起來，模擬了不同時間段和不同區域的異重流沉積過程：大多數巖層內部顯示出三個沉積階段的存在，即加速相（AP）、侵蝕過路相（EP）和減速相（DP）。最初記錄了運移一定距離的單一持續異重流的沉積演化AP 相和EP相向盆地方向的漸進遷移，隨之記錄了近端和遠端區域DP相的整體沉積。異重流演化過程表明了溝道化特征向朵葉體特征轉換，同時為同一異重流系統內近端和遠端位置出現具有爬升波紋層理的細粒砂巖提供了充分的解釋。

在第一個縱截面中（t1～t2階段）顯示了初始沉積（圖4），沉積位于近端位置（Ⅰ區）和中間位置（Ⅱ區），發育爬升波狀交錯層理、塊狀層理、平行層理和低角度交錯層理，表現為加速相的特征[82-83]。在t3階段，異重流受持續漸進和加速度的作用，近端位置（Ⅰ區）流速高于侵蝕臨界速度，產生下切水道（侵蝕過路相）。此時中間位置（Ⅱ區）的流速仍低于侵蝕臨界速度，發育爬升波狀交錯層理、平行層理、低角度交錯層理，具有加速相階段流量和流速波動特征。在遠端位置（近Ⅲ區）以泥質沉積為主，常見水平層理。在t4階段，在近端（Ⅰ區）和中間（Ⅱ區）區域，流速超過侵蝕臨界速度。在t5～t7時間跨度內，三條速度曲線顯示速度持續下降。在減速階段內近端、中部和遠端以沉積作用為主，產生具有弱水動力產生的沉積構造，同時在填充之前會在近端區域產生侵蝕地形。

圖4 異重流沉積演化過程（據文獻[14]修改）（a）三條曲線表示異重流在三個不同沉積位置的流動速度變化；Ⅰ：近端位置；Ⅱ：中間位置；Ⅲ：遠端位置；（b）異重流不同沉積階段的平面展布；（c）異重流不同沉積階段縱截面沉積特征Fig.4 Depositional evolution of hyperpycnal flows (modified from reference [14])(a) the three curves represent the variations in flow velocity of the hyperpycnal flow at three different sedimentary positions.I: proximal position;II: intermediate position;III: distal position;(b) spatial distribution of deposition at different stages of hyperpycnal flow;(c) depositional characteristics of hyperpycnal flow at different depositional stages in longitudinal section

3.3 高—低密度異重流沉降

如果懸浮物質提供的密度過大導致高密度流體的密度大于盆地水體的密度，高密度流體將會驟降[25,84]，導致河道向水下延伸，并向盆地輸送大量沉積物。在異重流的沉積演化過程中，河流高密度流體流速經歷先增大后穩定最后減小的變化[14,55]，在開始階段流速和流量一直增強，當達到對沉積物侵蝕的臨界速度，會發生沉積物的侵蝕和過路，形成下切水道[67]。經歷一段時間后達到最高峰，之后異重流流量和流速達到穩定后緩慢衰減，相應的懸浮物質濃度逐漸降低，而后開始沉降。

Wrightet al.[78]通過觀察黃河三角洲前緣的河道，認為不同密度的異重流的沉降過程不盡相同，低密度異重流最有可能與Lowe[23]提出的低密度濁流表現一致。而底流流速更大的高密度異重流比低密度異重流所產生的能量大得多[55]。高密度異重流更容易侵蝕三角洲前緣斜坡上的河床和河道，從而形成溝道，并通過侵蝕河床以增加其濁流密度，水流底部的湍流被形成的高密度的沉積物所抑制，這種湍流的減弱也會降低高密度異重流的侵蝕潛力，從而加快沉積形成厚層的塊狀沉積[68]。

4 異重流沉積特征與判識標志

異重流沉積中可能包含將陸源沉積物和海相（湖湘）地層演化與構造和氣候變化聯系起來的重要線索。異重流形成的沉積巖被稱作異重巖（hyperpycnites），Mulderet al.[85]提出了異重巖的概念，用來特指異重流的沉積產物。

4.1 沉積序列

一個完整的異重流垂向序列包括向上粒度變粗的逆粒序單元（Ha）和向上粒度變細的正粒序單元（Hb）成對出現[7,14-16,34,67,86-87]，這兩個沉積單元分別代表著異重流的流速和流量增強階段和減弱階段，其粒徑變化表明水動力波動情況[41]。在異重流演化過程中，當洪峰期較長時，洪峰期侵蝕作用會對之前形成的沉積造成侵蝕，因此會在兩個粒序之間存在一個侵蝕接觸面[16,35]。層內侵蝕接觸面處的沉積物粒度最大，代表著異重流水動力的最強期。如果異重流的洪峰期持續時間足夠長，水動力也足夠強，甚至會將洪峰期之前的沉積全部侵蝕，僅剩正粒序沉積單元[18,67]。

然而，異重巖序列與濁積巖序列和等深積巖序列具有相同之處[35]（表3），因此不能僅以一對的逆粒序—正粒序沉積單元來判斷異重巖，一次完整異重流所形成的異重巖可能由多套成對的逆粒序—正粒序沉積單元組合而成，在垂向上可形成較大厚度和規模的沉積砂體。但異重流沉積（異重巖）的鑒定標志還應結合其沉積背景、沉積位置、沉積構造、巖石結構、沉積序列、古生物化石等特征進行綜合分析。

表3 每年可能產生一條或幾條異重流的“臟河”[35]Table 3 “Dirty rivers” that may produce one or more hyperpycnal flows each year[35]

例如，通過對東營凹陷古近系沙河街組沙三段下亞段的分析，認為其形成于深湖沉積背景，構造位置東營凹陷北部陡坡帶，沉積古地形坡度較大；通過對東營凹陷坨71井沙三下亞段和東科一井沙三下的巖心觀察，砂巖頂底均發育代表弱水動力條件的水平層理或泥質紋層，底部的泥質紋層發生了變形，砂巖內部出現逆粒序—正粒序組合（圖5a），或者正—逆粒序呈周期性變化，泥質雜基含量高且出現周期性變化（圖5b），砂巖內部以塊狀構造為主，在每個小旋回的中間出現含礫的現象。綜合分析認為，該些砂巖是洪水異重流沉積的產物。

圖5 東營凹陷沙河街組異重巖沉積特征（a）坨71井沙三下亞段；（b）東科1井沙三下亞段Fig.5 Depositional characteristics of hyperpycnites in the Shahejie Formation,Dongying Depression(a) well Tuo71,lower subsection of 3rd member of Shahejie Formation;(b) well Dongke1,lower subsection of 3rd member of Shahejie Formation

4.2 粒度特征

異重流沉積物主要運載方式有懸浮載荷和底床載荷兩種[88]。懸浮載荷主要沉積細砂巖、粉砂巖，而底床載荷的沉積物粒度較大，主要沉積礫質砂巖和細礫巖，從近端位置向遠端位置的運移過程中，向盆地中心粒度逐漸變細，說明了隨著搬運過程的進行，較粗的顆粒逐漸被卸載[42]。上浮載荷沉積物粒度較小，主要沉積泥巖和粉砂質泥巖。隨著異重流的水動力的逐漸減弱，異重流總體上表現為稀釋趨勢[46]，沉積物粒度逐漸變細，單層砂體逐漸減薄，以沉積細砂巖、粉砂巖為主[17,67]。異重流的不同部位的沉積物粒度同樣具有明顯的差異（圖6）。通常異重流前端位置水動力較強，以侵蝕填充作用為主，較粗顆粒逐漸發生卸載，在異重流遠端位置水動力較弱，以持續性沉積為主，較細沉積物發生卸載，中部位置為近端和遠端位置沉積物的過渡沉積[46]。

圖6 靈山島千層崖剖面異重流沉積砂體頂面的碳化植物碎片Fig.6 Carbonized plant fragments deposited by hyperpycnal flows superposed on sandbodies,Qiancengya section,Lingshan Island

“源—匯”體系認為沉積物的粒度取決于物源區所提供的物質粒度[62]，異重巖的粒度還取決于物源，異重流不僅可以沉積粒度較大的沉積物，也可以沉積粒度較小的沉積物。

4.3 沉積構造特征

異重流主要有底床載荷和懸浮載荷兩種碎屑運載方式，因而呈現不同的沉積構造[88-89]。異重流流體以底床載荷的方式沿著盆地底部發生侵蝕和填充作用，主要搬運較粗粒度碎屑物質，同時也裹挾著少量細粒碎屑物質，粒徑變化程度較大。由于粗粒物質的磨圓性相對較差，容易停留在較為穩定的位置形成沉積，較粗粒度碎屑物質滾動后沉積會形成疊瓦狀構造，說明較粗粒物質在非黏性異重流底部可以滑動和滾動方式搬運[4]，底床載荷發育的沉積構造除了疊瓦狀構造，常見的還有牽引構造[56]、爬升波紋層理、低角度交錯層理、塊狀層理、波狀層理和平行層理等[14]。其中，爬升波紋層理和波狀層理一般出現在異重流增強期和衰退期的末期，在沉積序列中對應異重流沉積的上部和下部位置，一般上部層理較下部位置保存相對完整[46]。然而，當異重流水動力能量較弱時，懸浮載荷的碎屑物質發生重力沉降，主要沉積細砂巖、粉砂巖，可發育低角度交錯層理、平行層理、爬升波狀交錯層理、泄水構造以及火焰狀構造等[17,42]。爬升波狀交錯層理形成于水速較低（0.1～0.4 m/s）的情況下，也是懸浮載荷沉積的代表性沉積構造[90-91]。并且隨著異重流流速和濃度的降低，可供送入各層的顆粒減少，沉積層的厚度隨著流量的減速而減小[92]。此外，在海相環境（或高鹽度的湖泊）中的異重流，還可以存在上浮載荷，在比較穩定的水動力條件下形成，在正常重力條件下漂浮物發生沉降，形成水平層理泥巖和粉砂質泥巖[4]。

4.4 有機質碎屑

異重巖是河流洪水攜帶陸源有機質碎屑沿盆地底部流動沉積形成的[93]，故異重巖中存在植物碎片或炭屑[82,94-95]（圖6）。一般情況下，這些植物碎屑密度較低而不易于在水中自由沉降，但湍流懸浮運輸的泥沙密度大、黏度大，這些輕質植物碎屑被裹挾著運輸，因而可出現在細粒砂巖沉積物中，表明它們的堆積與異重巖的沉積有共同的成因，因此存在植物碎片、碳質碎屑或其他非常輕的陸源物質等被認為是異重流沉積起源的直接證據[3,96]。因此，沉積巖中是否存在有機質碎屑也可以作為異重巖的一個判斷標準。

有機質碎屑的分布通常有兩種表現形式：第一種是有機質碎屑與砂礫沉積物同時沉積，在異重巖沉積體中呈雜亂狀均勻分布[67]；第二種是在砂礫沉積物沉積后有機質碎屑集中沉降，呈層狀分布[46,67]。含植物碎片的異重巖層為中細粒砂巖層，顯示出低角度爬升波紋交錯層理、塊狀和層狀層理以及起伏韻律[18,96]。異重流將陸源有機質和營養物質帶入深水區，不僅增加有機碳含量，而且影響生境，形成富含有機質的地層[16,96]。

4.5 異重巖判識標志

成對出現的逆粒序—正粒序組合可以作為異重巖（hyperpycnite）的判識標志之一，但如上所述，在不同沉積位置和沉積背景條件下，其沉積特征和判識標志也不盡相同，故難以用單一的標準來衡量在不同條件下形成的異重巖。異重巖的鑒定標志應結合其沉積背景、沉積位置、沉積構造、沉積序列、古生物化石等特征進行綜合分析。

雖然異重流也可能在淺水環境（如淺水三角洲前緣、淺海、淺湖等）中發生，但深水沉積環境更有利于異重流的形成。因此，在判別是否為異重流沉積時，首先應對其沉積環境進行分析，分析判斷是否具備異重流發育的海相（湖相）沉積背景條件。

在靠近（分流）河口近端（扇根），異重流溝道可與水下分流河道相連，以主水道的侵蝕、填充作用為主，形成下切的主水道砂礫巖體，以侵蝕面+滯留沉積+正粒序砂巖為主要鑒別特征，可含動物及植物莖干化石。在中部溝—扇過渡地區以及扇緣地區，可依次形成分支溝道、水下天然堤、溝道側緣、朵葉體等沉積單元（圖7）。在分支溝道、朵葉體單元，成對出現的逆粒序—正粒序組合、層內微侵蝕界面和成層分布的植物碎片（炭屑）可以作為扇中至扇緣地區異重巖的重要判識標志，巖性以砂巖、粉砂巖為主；在水下天然堤以發育波狀層理的粉砂巖、泥質粉砂巖為主；在溝道側緣以水平層理粉砂質泥巖、泥巖和頁巖（油頁巖）沉積為特征。

5 異重流沉積模式

異重流形成之前會卸載在盆地水體周圍形成三角洲，隨著水動力增強和沉積物累積，高密度濁流水體潛入盆地水體底部形成異重流，異重流沿著下切水道向盆地中心位置持續運動，會依次形成下切溝道、天然堤、溝道側緣、分支水道、朵葉體等沉積單元的沉積模式（圖7）。

5.1 下切溝道

在異重流開始階段流速和流量一直增強，當達到對沉積物侵蝕的臨界速度，異重流從前三角洲沿盆地坡發生沉積物的侵蝕和過路，并且會形成下切水道。在異重流近端位置水動力能量強，以侵蝕作用為主，形成的溝道較深，異重流順著形成的溝道不斷向前運動。在異重流能量增強期，垂向上會形成逆粒序，可見沉積物過路，溝道底部為較粗的細礫巖、礫質砂巖（底床相），單層厚度較大，數十厘米至數米不等；在異重流減弱期，溝道被后來的沉積物填充，在垂向上一般形成正韻律，可見平行層理、爬升波紋層理、波狀層理、疊瓦狀構造和底模構造等流水成因沉積構造。

5.2 天然堤

在溝道形成的過程中兩側發育天然堤沉積，從溝道兩側向天然堤方向沉積物粒度逐漸減小，泥質含量增加，主要是以懸浮載荷和上浮載荷的方式運載沉積物，沉積物粒度較細，主要由細砂巖、粉砂巖（懸浮相）和泥巖、泥質粉砂巖（上浮相）組成。常見的層理為爬升波紋層理和波狀層理[42]，表明此時水動力較強。隨著異重流演化進行，過渡到溝道側緣沉積。

5.3 溝道側緣

異重流沉積從近端向遠端位置的運動過程中逐漸變得寬緩，溝道側緣沉積物向天然堤兩側以及盆地中心方向粒度逐漸減小，單層厚度減?。ê穸榷酁閿道迕祝?，以泥巖、粉砂質泥巖和泥質粉砂巖（上浮相）為主，向上粒度變粗的逆粒序單元和向上粒度變細的正粒序單元成對出現，較下切水道位置不明顯，同時可見層內微侵蝕接觸面，存在豐富的陸源成因的有機質碎屑，包括植物碎片、碳質碎屑，有時還出現整片葉子以及其他輕質陸源物質。

5.4 分支水道

由于下切水道與水下分流河道相連，異重流向前運移方向受地形的影響較大。近端位置的異重流具有較強的水動力且地形較陡，基本不會發生水道分叉現象。隨著地形坡度由陡變緩，異重流能量逐漸減弱，異重流沿下切水道容易發生分叉、遷移，從而形成分支水道。分支水道處能量較弱，沉積作用強烈，易發生沉積物大量卸載，沉積物單層厚度可達數十厘米，以細砂為主，粉砂次之，常見底模構造，發育典型的Ha-Hb二元結構且可見層內侵蝕接觸面[46]。常見平行層理，與近端位置出現的層理相比，其他流水成因層理較為少見。隨著異重流能量逐漸衰減，直至分支水道末端，難以發生侵蝕作用，分支水道消失。

5.5 朵葉體

異重流運動接近盆地中心地帶，由于水動力強度減弱，地形坡度變緩，流體濃度降低，導致侵蝕作用弱，從而缺少溝道的限制，沉積物會向四周蔓延較長距離，侵蝕作用微弱，無溝道產生，呈朵葉體幾何形狀。較中部位置而言，沉積物供給不充分，形成的逆粒序—正粒序沉積單元組合不夠明顯，沉積物粒度細，與天然堤沉積、溝道側緣沉積相似，以懸浮相和上浮相的粉砂巖、泥質粉砂巖、泥巖為主，巖層較?。ǘ酁閿道迕祝?，可見陸源有機質碎屑，大顆粒有機質成分含量較少[46]，常見水平層理，偶見其他層理，指示較弱且穩定的水動力環境[97]。

6 討論

6.1 異輕流、等重流向異重流的轉化

異輕流密度小于盆地水體密度（ρr＜ρw），等重流密度近乎等于盆地水體密度（ρr=ρw），兩者在一定條件下可以轉化為異重流。對于陸相湖盆異重流而言，河水與湖水的密度相差不大（在不考慮溫度的前提下），較小濃度的河流濁流便能形成湖盆異重流，淡水湖中產生異重流所需的臨界濃度要低得多（＜＜1 kg/m3）。Mulderet al.[35]認為形成海相異重流的濁流密度條件為36～43 kg/m3，而Parsonset al.[44]通過實驗認為當河流濁流濃度達到1 kg/m3以上，便可以在海洋中形成異重流。同時，低體積濃度的異輕流可以發生沉積物對流、鹽指、絮凝效應等沉積物重新聚集作用（sediment reconcentration），從而轉化為異重流（圖6）。尤其是在風暴、波浪、潮汐和其他海流以及地震的作用下（斜坡坡度＜0.3°）[31]，異輕流與盆地水體之間的平衡被破壞，會發生絮凝現象、鹽指和沉降對流[44]（圖7），發生沉積物的重新聚集，其中主要沉積物為陸源有機質黏土[98]。異重流在進入水體后沉積物再次聚集，當體積濃度大于5 kg/m3，異輕流便能夠向異重流轉化。當河流濁流進入海洋時，考慮對流不穩定性情況時，當懸浮物濃度僅為1～5 kg/m3時，在海洋環境中就會形成異重流。即便以較高濃度5 kg/m3作為異重流產生的臨界條件，世界上許多河流在入?？诙寄軌蛟诿磕昊蚴陜犬a生異重流現象。

6.2 異重流與滑塌重力流的區別

在重力流沉積研究中，異重流沉積和滑塌重力流沉積存在相似性，導致許多異重流沉積被識別為滑塌重力流沉積。一個完整的異重流沉積垂向序列包括向上粒度變粗的逆粒序單元（Ha）和向上粒度變細的正粒序單元（Hb）成對出現[7,14-16,34,67,86-87]，以及結合層內侵蝕接觸面、呈層狀分布的片狀礦物、陸源植物碎屑、深灰色塊狀或平行層狀泥巖等諸多特征進行綜合分析。而滑塌重力流以出現正粒序為特征，流體流動形式較異重流不穩定，沉積層罕見層內侵蝕接觸面。其中，陸源植物碎屑的富集出現是鑒別異重流沉積和滑塌重力流沉積的重要依據之一。異重流沉積中常見大量植物碎片；滑塌重力流沉積以海相沉積為主，植物碎片很少出現。異重流和滑塌重力流的持續時間和沉積時間有差異，前者持續時間較長。因此，一次完整的異重流沉積可能比單次滑塌重力流沉積厚度大。另外，異重流沉積和滑塌重力流沉積在盆地不同的沉積位置出現。通常異重流沉積多分布在斜坡以及盆地沉積中心，而滑塌重力流沉積多分布于斜坡環境。

滑塌形成的重力流為涌浪型流，其流速與異重流相比較快，通常情況下大于4 m/s，若發生在斜坡環境，流速可大于10 m/s；而異重流為持續性流體，流速較為緩慢，通常小于2 m/s[35]。同時，異重流可能引發前緣斜坡沉積發生滑塌形成激發型重力流。異重流既可以作為滑塌重力流的觸發機制，又是其物質基礎來源。異重流攜帶沉積物在三角洲處沉積，上斜坡異重流流動導致沉積物失穩發生斜坡滑塌。此時，斜坡滑塌沉積物與異重流沉積相互混合，密度增大，穩定性增強，更有利于其繼續向盆地中心移動。因此，一次流體事件可能具有多種流體形式[17]。在同一沉積環境中可能同時存在滑塌重力流沉積以及異重流沉積，在野外露頭剖面或巖心分析中，沉積存在多解性，應仔細甄別。

6.3 陸相異重流與海相異重流的差異

陸相湖盆異重流和海相盆地異重流沉積由于處于不同的地質環境以及氣候差異性的影響，其發育條件及影響因素也不盡相同。河流濁流密度相對于海相盆地水體密度，與陸相湖盆淡水密度差異較大，更有利于異重流現象的產生，因此異重流沉積在淡水湖盆以及水庫中較為常見。而在海相盆地需要足夠大的濁流流體密度才可以克服海水的密度，其在海洋盆地出現相對較少。湖盆異重流沉積主要受氣候和地形的影響較大。陸相湖盆環境中，氣候原因導致的季節性降雨導致湖泊洪水頻率和強度更高，導致河流濁流與匯水湖盆相對高度發生改變，從而影響異重流的形成。

在陸相層序地層格架下，陸相湖盆缺少寬緩的陸棚，高位體系域不發育。低位體系域基準面下降，導致可容空間減小，異重流沿著先存侵蝕形成的下切水道向前移動，更有利于異重流沉積的形成[19]。而在海相被動大陸邊緣層序格架內，高位體系域時陸棚可容空間足夠，有利于陸棚異重流的產生；在低位體系域早期可容空間減小，更有利于深水異重流的形成[35]。海相異重流產生的坡度一般為4°～7°，與海相盆地的高差為數百米甚至千米。而湖盆異重流形成的坡度為1°～3°，與匯水湖盆的高差為數十米至數百米[46]。

7 展望

7.1 異重流沉積理論不斷完善

盡管異重流沉積研究取得了重要進展，但有關異重流流體性質、異重流與其他重力流流體性質的轉換、流體對沉積物的搬運—沉淀機理等基礎理論仍需不斷深入研究，不斷完善異重流相關的基本理論。經典濁流沉積（激發型重力流沉積）具有典型的鮑馬層序，完整鮑馬層序從A 到E 段粒度逐漸減小，為正粒序，單層厚度減薄，沉積構造規模變小。盡管完整鮑馬層序少見，但可以用不同段的層序表示（如BCDE，CDE，DE 等），從下至上，每一層段的沉積物粒度、構造層理、沉積厚度，以及相互之間的轉換關系均有不同。而典型的逆粒序—正粒序單元和層內侵蝕接觸面、呈層狀分布的片狀礦物、有機質層、水動力強度差異形成的沉積構造組合、深灰色塊狀或平行層狀泥巖等多個特征的組合，可以代表異重流沉積序列。

碎屑沉積物在異重流的搬運—沉積臨界點附近，流體性質的轉化，是研究異重流沉積的關鍵節點。紊流度的降低，一方面，有利于懸浮沉積物的沉淀；另一方面，流體性質可能從紊流向層流方向轉化。沉積產物記錄了沉積物在沉積過程或瞬間的流體性質，難以直接反饋沉積物在搬運過程中的流體性質和搬運機理。因此，對異重流沉積產物的觀察分析，需要結合沉積過程觀察和模擬實驗研究。不同環境下的異重流沉積，應針對其古氣候、地形、物源區特征等，開展深入細致的分析，總結特定沉積環境以及沉積條件下的異重巖的沉積特征，不斷完善異重流沉積理論。

7.2 異重巖沉積微相和構型分析成為趨勢

古代異重流沉積環境分析、沉積特征識別、沉積微相（要素）分析、沉積構型解剖等方面趨向深入。針對異重流發生的沉積環境和背景條件分析至關重要，這是識別異重巖的先決條件。在平面上，分析研究對象（或樣品）所處古地理位置、相帶位置；在垂向上，重點分析研究對象下伏沉積物所代表的沉積環境?；蚪Y合其他沉積相標志，綜合分析其沉積背景是否為海（湖）平面以下，否則異重流溝道沉積可能難以區別于河道或分流河道的產物。異重流沉積在古代沉積物中被發現得較少[14,53]，異重巖的識別和分布目前仍存在許多爭議[6,20]，一些學者傾向于將所有由密度流沉積的砂巖歸為廣泛的濁積巖；許多古代異重流沉積也可能被誤認為是風暴巖、濱岸沉積或砂質碎屑流沉積等其他類型的沉積[62,84]，因此需要仔細加以甄別。

在確認為異重流沉積的基礎上，進而對其巖相、沉積構造、沉積序列、古生物化石等特征綜合分析，開展異重流沉積相關的微相（要素）分析。針對異重巖的沉積構型分析，對于研究盆地充填演化過程、砂體遷移規律、流體滲流單元（滲流域）劃分及油氣田開發，均具有重要的科學價值和現實意義，將成為未來異重流沉積研究和異重巖油氣儲層開發研究的熱點和重點。

7.3 湖相異重流沉積的獨特性更加清晰

與海相盆地相比，陸相湖盆在盆地規模、物源供給、源區距離、地形地貌、盆地性質、水體性質等方面均具有獨特性。在盆地規模方面，陸相盆地的面積一般小于海相盆地，造成陸相湖盆沉積相帶窄、沉積相變化快的特征，在異重流分析方面，需要加以考慮。陸相盆地一般具有近物源、多物源供給的特征，造成沉積物的結構成熟度、成分成熟度均低于海相沉積盆地，因此，陸相湖盆的異重巖在巖性特征方面也具有獨特性。陸相盆地的地形地貌變化快，地形坡度可以較大，尤其是山間盆地、前陸盆地、陸內壓陷盆地的逆沖推覆帶和斷陷盆地的陡坡帶，地形較陡，易于發生異重流沉積，且沉積特征往往獨具特色。陸相湖盆在水體性質方面，變化較大，如鹽度，可以有淡水湖泊、半咸水湖泊和咸水湖泊，因此，不同湖泊鹽度的水體中，發生異重流沉積的條件、異重巖的沉積特征，可能存在較大的差異。譬如，淡水湖泊和半咸水湖泊中發育的異重流，可能不具備海相環境中異重流特有的漂浮相（lofting）沉積。相較于海相環境，湖水一般具有密度較低、陸源有機質豐富、近物源、構造活動相對強烈、中小型河流多等特征，陸相湖盆更容易發生異重流沉積。我國中、新生代陸相湖盆沉積廣泛發育，野外露頭出露較多；又有多個油田成功開發的實例，積累的大量測井資料、巖心以及各種化驗資料，有利于開展湖相異重流沉積相關研究，陸相湖盆環境異重流沉積特色研究更加清晰。

7.4 異重巖儲層研究成為新的學科知識增長點

隨著越來越多的異重巖儲層被發現，異重巖儲層的成巖作用研究成為儲層沉積學的新方向。在異重流沉積成巖作用方面的研究，尚處于起步階段。研究異重流沉積期后環境的變化和成巖作用機理，對于了解巖石固結程度、粒間孔隙發育程度、巖石結構構造組合等具有重要意義。此外，構造運動會造成不同地區成巖環境的差異，異重流沉積組構也可能隨成巖演化而變化，異重流沉積中的有機流體隨之變化、遷移和富集。同時，有關孔隙的形成、增大、減小以至于消失，與油氣的生成和儲層的儲集性能等息息相關。因此，針對異重巖的成巖作用研究將成為儲層沉積學學科知識新的增長點。

7.5 異重巖的油氣地質意義備受重視

異重流作為一種將陸源碎屑物質向深水沉積盆地搬運的重要機制，其油氣地質意義將受到越來越多的關注。異重流不僅可以在深水沉積盆地形成廣泛發育的儲集砂體；也可以大范圍沉積粉砂巖、泥質粉砂巖和泥巖等；不僅可以作為常規油氣的儲層，也可以作為非常規油氣的儲層。來自陸地的洪水不僅將大量陸源有機質輸入盆地，而且輸入大量營養物質，不僅影響有機質富集，而且可以改變盆地內部的生態環境，有利于藻類的爆發和有機質生產。異重流沉積的儲層，在空間上與深水沉積的泥巖、頁巖和油頁巖互層，可形成有利的油氣成藏條件組合。因此，異重流沉積對于常規油氣和非常規油氣地質研究、勘探開發方面的重要理論價值和現實意義都將備受重視。

7.6 異重流沉積的研究手段趨向多樣化

針對異重流沉積的水槽實驗、水下觀測、數值模擬等研究方法的進步，將促使相關研究不斷取得突破[99]。對于異重流沉積研究，我國在實驗模擬方面起步晚。結合巖心觀察、測井、高分辨地震剖面記錄、X射線計算機斷層掃描以及多波束海底測量等手段研究陸相和海相異重流沉積，運用多種測量儀器、水槽模擬實驗以及應用計算機數值模擬演示異重流的運移以及沉積過程，用于解釋沉積層巖性和結構構造特征的成因。隨著研究手段的多樣化，未來對于異重流沉積的特征認識會更加全面，針對異重巖的沉積機理認識更加深入，有關異重流沉積的理論研究逐漸趨于完善。

致謝 審稿專家、編輯對本文初稿提出了寶貴的意見和建議，謹致謝忱。本文修繕過程中，驚聞何起祥老先生仙去，何老學富五車，撥云睹日，溫文爾雅，風骨猶存，謹以此文深切緬懷何老先生！