中国地层记录中的内波及内潮汐沉积研究*
高振中, 何幼斌, 李向东
长江大学地球科学学院,湖北荆州 434023

第一作者简介:高振中,男,1937年生,1967年毕业于成都地质学院,现为长江大学地球科学学院教授,主要从事沉积学及石油地质学研究.

摘要

内波及内潮汐沉积是深水沉积研究中的一个非常年轻的研究领域,从首次发现内潮汐沉积至今仅 20年时间,中国学者在这期间做了不懈的努力,取得了不少研究成果.简要地论述了中国在内波及内潮汐沉积研究方面的历程和取得的主要成果;重点介绍了已发现的内波及内潮汐沉积的特征,沉积层序,微相类型和沉积模式;指出了当前该研究领域中存在的问题,认为应及时并尽可能地将海洋物理学的相关研究成果应用在内波及内潮汐沉积研究中,进而利用地层记录中内波及内潮汐的沉积特征反演内波及内潮汐的物理特征,同时尽可能地开展内波及内潮汐沉积的水槽实验研究,探索其沉积机理.

关键词: 中国; 内波及内潮汐沉积; 双向交错层理; 沉积序列; 沉积模式
中图分类号:P512.32 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2010)05-0527-08
Study of internal-wave and internal-tide deposits in stratigraphical record in China
Gao Zhenzhong, He Youbin, Li Xiangdong
School of Geosciences,Yangtze University,Jingzhou 434023,Hubei

About the first author Gao Zhenzhong,born in 1937,graduated from Chengdu Geology Institute in 1967.Now he is a professor at School of Geosciences of Yangtze University,and is engaged in sedimentology and petroleum geology.

Abstract

The study of internal-wave and internal-tide deposits is a very new research field in the deep-water deposition.It is just twenty years since the first example of internal-wave and internal-tide deposits was found in stratigraphical record.During this period,the Chinese scholars have made unremitting efforts and gained some research achievements.This paper expounds briefly the research history and the main achievements of the internal-wave and internal-tide deposits in China,and mainly introduces the characteristics,sedimentary successions,types of microfacies,sedimentary model of internal-wave and internal-tide deposits which have been identified,and points out the existing problems in this research field.The relative achievements of the marine physics should be applied to the research of the internal-wave and internal-tide deposition,and the sedimentary characteristics will be used to inverse the physical characteristics of the internal-waves and internal-tides.Also the flume experiments of the internal-wave and internal-tide deposition should be put in practice as often as possible so as to recognize the mechanism of internal-wave and internal-tide deposition.

Key words: China; internal-wave and internal-tide deposits; bidirectional cross bedding; sedimentary succession; sedimentary model
1 概述

内波是一种水下波, 它存在于两个不同密度的水层的界面上, 或存在于具有密度梯度的水层之内(Lafond, 1966).当内波的周期与海面潮汐(半日潮或日潮)的周期相同时, 就称这种内波为内潮汐(Rattray, 1960).通常在潮差较大的地区, 内波的平均周期, 在深度超过250, m时趋近半日潮或日潮; 而在潮差较小的地区, 则需要更大的深度才能趋近于表面潮汐的周期(Shepard, 1976).海洋学中对内波的研究已有较长的历史, 可追溯到1847年Stocks对界面波理论的研究(Munk, 1981).目前, 海洋物理学中对内波已进行了较为深入的研究.其研究内容主要包括:(1)内波的产生, 叠加, 传播和边界层问题(Nakamura and Awaji, 2001; Tanaka et al., 2003; Hibiya, 2004; Lemckert et al., 2004; Nash and Moum, 2005; Aguilar and Sutherland, 2006; Rainville and Pinkel, 2006); (2)内波与海底地形相互作用产生的破碎, 反射, 扩散, 衰减(Legg, 2003; Small, 2003; Troy and Koseff, 2005; Mercier et al., 2008); (3)内波与海底地形相互作用产生的冲流和回流(Umeyama and Shintani, 2004, 2006); (4)不同的海底地形对内波的影响(Kunze, 2002; Pietrzak and Labeur, 2004; Martin et al.2006); (5)长周期内波与短周期内波(Marc et al., 1992; Anohin et al., 2006; D’ asaro and Lien, 2007).此外, 还展开了相关的数值模拟和内波作用下沉积物悬浮等研究(Bogucki et al., 1997; Venayagamoorthy and Fringer, 2006).

海洋学调查表明, 内波和内潮汐产生的深水双向流动的流速最大可达20~50 cm/s.深水潜水装置还观察到, 这种流动能搬运的沉积物的粒度可达细砂级, 并能在数千米深处形成大量波痕(Mullins et al, 1982).这些研究表明, 在深水区内波及内潮汐是重要的地质营力, 这些营力对深水沉积作用有重要影响, 因此, 必然会在沉积物中留下记录.然而对这种重要的地质营力, 沉积学家却未给予足够的重视, 并未将其引入到沉积学研究中.尽管一些研究者已注意到深水沉积中存在内潮汐作用迹象, 如Laird(1972)和Klein(1975)分别报道过新西兰前泥盆系深水潮汐双向交错层理, 以及翁通爪哇海台上2200~3000, m水深处白垩系至第四系岩心中的脉状, 波状, 透镜状层理等, 但未能从内波及内潮汐沉积作用方面进行研究.直到1990年, Gao和Eriksson(1991)在对北美阿巴拉契亚山脉中段奥陶系进行研究时才在地层记录中鉴别出内潮汐沉积.此后, 中国学者在地层记录中的内波及内潮汐沉积研究方面做了积极的工作, 取得了一些成果和认识.1994年在浙江桐庐一带上奥陶统顶部的堰口组, 发现了中国的第一例内波及内潮汐沉积(Gao et al., 1997), 并进行了系统的研究(何幼斌等, 1998; He and Gao, 1999).在此后的十几年时间里, 先后发现并进行研究的内波及内潮汐沉积共有9处(图 1), 分别为:

图1 中国内波及内潮汐沉积研究点分布Fig.1 Distribution of study areas of internal-wave and internal-tide deposits in China

塔中地区中--上奥陶统(高振中等, 1996, 2000; 何幼斌等, 2003); 西秦岭地区晚古生界, 中生界(晋慧娟等, 2002; 王宏伟等, 2005); 赣西北前寒武系安乐林组和修水组(郭建秋等, 2003, 2004); 湖南桃江前寒武系马底驿组(李建明等, 2005a); 浙江临安上奥陶统(李建明等, 2005b); 湖南石门下寒武统杷榔组(何幼斌等, 2005); 鄂尔多斯盆地西缘中奥陶统平凉组(何幼斌等, 2007); 宁夏香山地区中奥陶统米钵山组(丁海军等, 2008)和香山群(李向东等, 2009a, 2009b, 2010).

在进行实例研究的同时, 还主要做了以下工作:(1)及时总结了内波及内潮汐的沉积特征, 垂向序列和沉积模式(Gao et al., 1998; He and Gao, 1999; 何幼斌等, 2004; 高振中等, 2006; He et al., 2008); (2)将内波理论应用于对大型沉积物波的解释, 并从理论上探讨其形成机理(张兴阳等, 1999, 2002; 王青春等, 2005; He et al., 2007; 高平和何幼斌, 2009); (3)对内波及内潮汐沉积的物性进行探讨, 认为其可能成为油气潜在的良好储集层(佟彦明等, 2006; He et al., 2008).

2 内波及内潮汐沉积的主要特征
2.1 沉积构造与岩相类型

由于内潮汐一般在较深水区(大于200~250, m)表现明显, 因此在深水区易于形成并保存内潮汐沉积.虽然在浅水区也存在内波作用, 但内波沉积由于波浪, 潮汐等的作用而不易保存.还由于内波及内潮汐流的流速较小(最大流速仅为20~50 cm/s), 因此, 其沉积物的粒度一般为泥级至细砂级, 少量达中砂级至粗砂级.海底峡谷和其他沟谷中的内波及内潮汐沉积一般以砂级为主, 而平坦, 开阔的非水道环境中的内波及内潮汐沉积则包含砂级, 粉砂级, 泥级的沉积物.

内波及内潮汐沉积最典型的特征性沉积构造是深水环境中形成的双向交错层理(图 2, 图3)和纹层倾向水道(或区域斜坡)上方的单向交错层理(Gao and Eriksson, 1991; Gao et al., 1998; He and Gao, 1999), 以及不同岩性组成的复合层理, 如韵律性砂泥岩薄互层(Gao et al., 1997; 何幼斌等, 1998, 2003; 高振中等, 2000)和脉状, 波状, 透镜状层理(Gao et al., 1997; 晋慧娟等, 2002; 郭建秋等, 2003, 2004).近年来又相继发现了内波及内潮汐形成的浪成波纹层理, 而且类型丰富, 包括束状透镜体叠加的交错纹理, 复杂交织的交错纹理(晋慧娟等, 2002)和浪成波痕(晋慧娟等, 2002; 郭建秋等, 2003, 2004), 以及波状纹层交错层理, 束状纹层交错层理和交错纹层透镜体.

图2 内潮汐沉积中的双向交错层理素描(A)及其前积纹层倾向玫瑰图(B)(据Gao 和 Eriksson, 1991)Fig.2 Charcoal drawing(A)and rose diagrams of foreset azimuths(B) of bidirectional cross bedding in internal-tide deposits(from Gao and Eriksson, 1991)

鉴于内波及内潮汐沉积的岩相类型是以沉积构造为基础进行划分的, 作者就已发现的沉积构造, 岩相类型及其水动力解释进行了归纳(表1).

表1 内波及内潮汐沉积的沉积构造, 岩相类型与水动力解释 Table1 Sedimentary structures and lithofacies types of internal-wave and internal-tide deposits and their hydrodynamic interpretation

图3 内潮汐沉积中的双向交错层理(a--泥质粉砂岩, 具双向交错层理, 宁夏中卫狼嘴子徐家圈组; b--钙质粉砂岩, 具双向交错层理, 宁夏香山康拉拜徐家圈组; c--泥质粉砂岩, 具双向交错层理, 宁夏中卫大柳树沟徐家圈组; d--钙质粉砂岩, 具双向交错层理(B)和内部侵蚀面(Ⅰ ), 新疆塔里木盆地TZ10井23, 中, 上奥陶统, 左下侧线条代表1, cm; e--钙质粉砂岩, 具双向交错层理(B), 新疆塔里木盆地TZ10井23, 中, 上奥陶统, 左下侧线条代表1 cm)Fig.3 Bidirectional cross bedding in internal-tide deposits

表1中可以看出, 内波及内潮汐可以引起3种流动效应并对应于3种典型的沉积构造:(1)由内波及内潮汐引起的双向交替流动形成双向交错层理; (2)由长周期内波与内潮汐叠加引起的单向优势流动形成单向交错层理, 其中纹层倾向水道或斜坡上方的可作为内波及内潮汐沉积的鉴别标志; (3)由内波及内潮汐在波动底界面附近与海底地形相互作用而产生的深水振荡流形成的浪成波纹层理.而韵律性砂泥岩薄互层和脉状, 波状, 透镜状层理等复合层理则和内波及内潮汐的周期性有关.

2.2 垂向沉积序列

已发现的内波及内潮汐沉积主要有4种基本沉积层序, 分别是向上变粗再变细层序(双向递变层序), 向上变细层序(单向递变层序), 砂泥岩对偶层向上变粗再变细层序(对偶层双向递变层序)和泥岩--鲕粒灰岩--泥岩层序(图 4).

图4 内波及内潮汐沉积垂向序列(据何幼斌等, 2004, 修改)(a--由交错纹理砂岩构成的向上变粗再变细层序; b--由中型交错层理和小型交错纹理构成的向上变粗再变细层序; c--由交错纹理砂岩构成的向上变细层序; d--由中型交错层理和双向交错纹理砂岩构成的向上变细层序; e--砂泥岩对偶层构成的向上变粗再变细层序; f--泥岩--鲕粒灰岩--泥岩层序)Fig.4 Vertical successions of internal-tide and internal-wave deposits(modified from He et al., 2004)

向上变粗再变细层序的基本特征是其主要由砂级颗粒组成, 层序中部粒度最粗, 向上向下均逐渐变细(图 4-a, 4-b), 反映水动力条件的弱--强--弱变化(高振中等, 2000; 何幼斌等, 2004).而水动力的弱--强--弱变化是内波及内潮汐周期性的一种表现.这是一种典型的反映内波及内潮汐周期性的垂向序列.

向上变细层序的特征是主要由砂级颗粒组成, 层序下部粒度最粗, 向上变细, 与上覆泥岩呈逐渐过渡; 与下伏泥岩突变接触, 分界线明显.按照沉积构造特点也可分为2个亚类(图 4-c, 4-d).这是内波及内潮汐活动由弱至强的变化速度很快, 以致先期形成的细粒沉积被其后的强烈流动所侵蚀, 因而使得只保留由强至弱时期的沉积, 即其垂向序列仅为正递变(He et al., 1999; 高振中等, 2000; 何幼斌等, 2004).这是一种与内波及内潮汐剥蚀作用有关的沉积序列.

对偶层构成的向上变粗再变细层序表明, 在平缓开阔地带内波及内潮汐作用引起的双向流动的流速通常较水道环境小, 而水流倒向时的相对静止期较长.在这"平潮"期内, 泥质悬浮物质可以沉积下来, 与"涨潮"或"落潮"期形成的砂质沉积频繁互层.而由于更长周期的控制, 这种频繁互层又会显示对偶层双向递变(图 4-e)(Gao et al., 1998; He and Gao, 1999).这是一种受双重周期控制的垂向序列.

泥岩--鲕粒灰岩--泥岩层序(图 4-f)主要发现于塔里木盆地塔中地区中上奥陶统碎屑岩段中, 由鲕粒灰岩或砂质鲕粒灰岩组成, 鲕粒灰岩顶底均与暗色泥岩直接接触, 多为突变接触, 其顶界也可以呈渐变过渡(高振中等, 2000).该垂向序列可能与内波及内潮汐的剥蚀性和阵发性有关.

2.3 沉积模式

目前已建立了3种内波及内潮汐沉积模式, 分别是水道型内潮汐, 内波沉积模式, 陆坡非水道环境内潮汐沉积模式和海台内潮汐沉积模式(图 5).

图5 内潮汐和内波沉积模式(据Gao等, 1998, 略修改)(A1, A2--水道型内潮汐, 内波沉积模式:A1表示低海平面时期以粗碎屑重力流沉积为主, A2表示海平面上升时期, 内潮汐沉积发育; B--陆坡非水道环境内潮汐沉积模式; C--海台内潮汐沉积模式)Fig.5 Sedimentation models of internal-tide and internal-wave deposits(modified from Gao et al., 1998)

在水道发育的斜坡环境中, 低海平面时期, 以发育粗碎屑重力流沉积为特征, 此时内潮汐和内波作用的能量不足以改造砂砾级碎屑重力流沉积, 故此时难以形成可鉴别的内潮汐和内波沉积.随海平面上升, 物源区逐渐远离沉积区, 粗碎屑的注入受到抑制, 这时内潮汐和内波得以改造细粒重力流沉积物.该环境中形成的岩相主要为双向交错纹理砂岩相和单向交错层理, 交错纹理砂岩相(或粉砂岩相).

在不发育海底水道的陆坡环境条件下, 内潮汐流通常不像水道环境中那样强, 流速较低.在这种情况下, 产生典型的床沙载荷和悬浮载荷的交替沉积, 即形成砂岩(或颗粒灰岩)与泥岩的薄互层.深海, 半深海中广阔的海底平台上也是内潮汐发育的较有利场所.由于海台上地形平坦, 阻力较小, 内潮汐流可在较大范围内保持一定的流速, 从而可搬运细粒沉积物并形成内潮汐沉积.

需要注意的是上面所论述的仅指一般情况而言, 并不能绝对化, 例如在西秦岭地区发现了海退的浊积岩进积序列也可与内波及内潮汐沉积伴生(晋慧娟等, 2002), 而在宁夏香山群发现, 深水斜坡环境中并未发育脉状, 波状, 透镜状层理, 这则有可能是由于短周期内波的叠加, 使得在弱水流期悬浮的泥质继续保持悬浮状态而不发生沉积的缘故(李向东等, 2009a).

3 存在的问题

到目前为止, 发现的内波及内潮汐沉积的实例十分有限, 因此, 目前总结出的鉴别标志和识别方法尚不完善, 有待进一步探索.这是目前内波及内潮汐沉积研究中存在的首要问题.

已发现的内波及内潮汐的沉积特征主要与以下要素有关:(1)内波及内潮汐引起的流动效应(如双向交错层理与双向交替流动, 单向交错层理与单向优势流动及浪成波纹层理与振荡流); (2)内波及内潮汐的周期性(如双向递变的垂向序列, 韵律性砂泥岩薄互层和脉状, 波状, 透镜状层理); (3)与内波及内潮汐的侵蚀性有关(如单向递变的垂向序列).而这3个要素则和内波及内潮汐的产生, 叠加, 传播, 与海底地形发生的破碎, 反射, 扩散, 衰减及冲流和回流等现象密切相关, 而这些现象在海洋物理学中均有较深入的研究.因此, 没有及时地将海洋物理学的相关研究成果应用在内波及内潮汐沉积的研究中, 并进而利用地层记录中内波及内潮汐的沉积特征反演内波及内潮汐的物理特征, 则是目前地层记录中内波及内潮汐沉积研究中存在的第2个问题.

内波及内潮汐沉积归属于深水异地沉积, 深水异地沉积研究最早的是浊流, 而浊流一开始便形成了将现代沉积, 古代沉积岩石和实验室的实验相结合的综合研究方法.但是直到现在, 有关内波及内潮汐沉积研究的水槽实验还没有开展, 就已经开展的有关内波及内潮汐的现代沉积研究和古代沉积研究两个领域, 又存在着严重的不平衡, 其中古代沉积研究方面非常薄弱.因此, 没能及时地在现代沉积, 古代沉积和水槽实验3个领域中开展对内波及内潮汐沉积的研究, 并使之相互约束和促进是目前地层记录中内波及内潮汐沉积研究中存在的第3个问题.

此外, 由于研究实例有限, 对内波及内潮汐沉积形成发育的控制因素, 形成条件, 大地构造背景的认识尚不系统, 尤其是它们与古海洋, 古气候的关系及其所反映出的古大洋盆地特征与底流流动模式等问题的研究刚刚起步, 尚未见有这方面的系统研究; 对内波及内潮汐沉积的地球物理响应的研究还很有限, 特别是古代地层记录中内波及内潮汐沉积在地震剖面上被识别的成功实例还不多见; 对内波及内潮汐沉积的成岩作用特征及其含油气性的研究还很薄弱.

4 结论

内波及内潮汐沉积是深水沉积中一个非常年轻的研究领域, 从首次发现内波及内潮汐沉积到现在仅仅20年的时间, 尽管已取得了一系列的研究成果, 但总体的研究程度还很低.内波及内潮汐研究作为新的研究领域也有其优势, 由于科技的进步, 其研究的起点也高.因此, 将地层记录中内波及内潮汐的沉积特征与海洋物理学中内波理论联系起来, 找出其中的规律, 并在现代沉积, 古代沉积和水槽实验3个领域中同时进行验证, 则是目前内波及内潮汐沉积研究中需要解决的一个突出问题.

致谢 中国石油大学(北京)冯增昭教授仔细审阅了全文并提出了宝贵的修改意见, 研究生丁艳, 罗薇, 李华, 文佳涛清绘了图件并整理了部分资料, 在此一并表示感谢!

作者声明没有竞争性利益冲突.

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