丘状交错层理的成因探讨

赖志云（长江大学地球科学学院，湖北 荆州434023）

赖伟庆（中国石油天然气海外勘探开发公司科技管理部，北京100034）

丘状交错层理的成因探讨

赖志云（长江大学地球科学学院，湖北 荆州434023）

赖伟庆（中国石油天然气海外勘探开发公司科技管理部，北京100034）

为探讨丘状交错层理的成因，在室内通过涡流运动的试验，发现在水盆中心区形成微微上凸、向四周缓缓倾斜的丘状沉积体。因此，提出丘状交错层理成因的新观点；同时，还应用圆周运动理论解释了风暴岩沉积序列的形成机理。

丘状交错层理；涡流；正常浪底；风暴浪底；圆周运动

丘状交错层理一词是哈姆斯（Harms）于1975年正式提出的［1］。在这以前曾被不同学者赋予不同的名称，如“不稳定的层理”（Crazy－bedding）、 “切割的（浪成）波状层理”（Truncated wave ripple lamination）［2］、“亚滨海带席状砂岩”（Sub－littoral sheet sandstone）［3］。然而，面对这种层理构造进行专门的研究是在1979年以后，如沃克等近年来做了大量工作。

1 丘状交错层理特征

吴崇筠等［4］认为：丘状交错层理（图1）是由一系列大型宽缓的波状层系组成，层的曲面向上凸和向下凹的均有，波长大约1～5m；波高20～40cm；细层倾角小、很少超过8～10°；细层厚度从几厘米到25cm；组成物质较细，常为粉细砂，细层呈块状，或者不太明显的平行层理（微弯曲）或不太明显的递变层理，粒度向上变细或变粗的均有。

图1 丘状交错层理几何形态立体示意图（据文献［4］，有改动）

丘状交错层理的下界面清楚，可能为侵蚀冲刷面，但坡度很小（小于10°），其上部的细层与底界面平行或近于平行，上部层面微微凸起的圆丘状，向四周缓缓倾斜（图1）。在任何方向的垂直切面上均呈丘形或扇形，这是与牵引流形成的大型槽状交错层理（Trough Cross Stratification，简称TCS）的最大区别，后者在垂直水流方向的切面上呈槽形，在平行水流方向的切面上则呈向下游倾斜的层理。

2 前人成果

关于丘状交错层理的成因（洼状交错层理同样），由于没有人能从自然界直接观察到，目前哈姆斯、沃克等人均根据其沉积特征、分布层位和其他沉积相的共生关系来推测的，他们认为是在风暴盛行的临滨下部至滨外地区的沉积［1］。在这种地区风暴引起的巨浪触及海底的深度——风暴浪底，要比晴天浪底（正常浪底）的深，如图2所示。

暴风（或飓风）形成丘状交错层理的过程是，暴风掀起的巨浪强烈地冲刷海岸物质，回流将这些物质带回海中，形成砂泥含量很高的密度流。当这些密度流带到风暴浪底之下的安静环境中，便形成具鲍马序列的浊流沉积。当密度流被带到风暴浪底与晴天浪底之间的海底地带，由悬浮状态沉积下来，触及海底的巨浪的峰和谷在这些沉积物的表面经过时，便将其刻塑成大型的平缓的波状起伏的表面。由于巨浪无固定方向，故沉积物表面的起伏也不具有定向排列，而是一个个平缓的丘状，向周围缓缓倾斜。所以丘状体不是由水流沙粒移动形成的沙垅。晴天浪底以上的滨浅海，密度流沉积下来时不断遭到波浪、潮汐、沿岸流和河流等作用，因而具有明显的牵引流作用的槽状交错层理和其他沉积构造。

图2 暴风浪与密度流形成的关系示意图（据文献［5］，有改动）

张金亮等［6］大多数研究者认为，丘状交错层理是振荡水流或多向水流形成的。它形成于正常浪底之下，风暴浪底之上。

如此看来，形成丘状交错层理的水域，人们的看法是一致的。现在的问题是形成该水域内沉积物表面一个个平缓丘状体的水动力条件是什么？这需要进一步探讨：假设水体作振荡运动，带动水底沙粒运动，形成波状起伏的沙波，其波脊在平面上呈直线型或曲线型展布，其结果是不能形成丘状的（图3）；如果是多向水流作用也只能形成像海滩沙常具有的交错层理（图4），而不能形成丘状交错层理。

图3 板状、楔状、槽状、波状交错层理的剖面、平面特征（据文献［7］，有改动）

图4 波浪波痕交错层理纵剖面特征

3 成因探索

笔者认为螺旋式前进的飓风引起的海水（湖水）涡流，可能是形成丘状交错层理的水动力条件。为了验证，笔者做了这样的试验：

用一个脸盆装半盆水（内径32cm，水深7cm），抓一把沙子（100g）带几颗小砾石，沿着盆壁徐徐放入，沙子沿盆壁底下围成一个圈，盆的中心区是无沙子的。试验开始时，在盆中心区用手拨动水体做旋转运动，形成涡流，受离心力的影响，盆壁出现壅水现象，水位升高，而中心区水位降低，于是造成水体在中心区与在盆壁所受到的压力不等，盆壁水体所受的压力大于中心区。这种压差使得从盆壁流向中心的底流和从中心流向盆壁的表流构成横向环流（图5），来自盆壁底流携带沙子向中心聚集。开始转速较慢（前5圈平均流速0.376m/s），移动的沙粒较细，也较少；随着旋转速度的加大（至第10圈平均流速0.507m/s），粒级也变粗，数量也增多。当盆缘区已无沙砾时，停止拨动水体，此时还见几颗砾石（其中一颗砾石直径为10mm）还在沉积体的边缘移动，有一些片状矿物在沉积体表面微微颤动。等水体完全平静时，那个微微凸起的、向四周缓缓倾斜圆丘状沉积体（直径8cm）出现在水盆中心区（图6）。

图5 涡流运动形成的横向环流

图6 涡流运动形成的圆丘状沉积体

通过上述试验，笔者认为风暴掀起的巨浪，强烈冲刷海岸（湖岸）物质，回流将它们带到正常浪底之下、风暴浪底之上的区域，沉积下来的物质表面被后来的旋涡运动的飓风带动水体形成涡流，沉积物表面在螺旋式前进的涡流作用下形成丘状交错层理，如图7所示。

图7 丘状交错层理成因示意图

从图7可以看出，前期1a、1b、1c、1d沉积之后，遭受涡流侵蚀冲刷作用，把丘状体上凸部位冲刷掉，然后在丘状体的凹部位沉积了后期的2a、2b、2c、2d细层系，结果在图中A处出现了既有上凸又有下凹组成的丘状交错层理。这就是通过上述试验对丘状交错层理成因的新解释。

丘状交错层理成因的涡流，对张金亮等［6］提出的湖泊风暴岩的沉积序列的形成机理给出了满意的解释。

按照圆周运动公式v＝ω×r，设ω不变，v随半径增大而增大，把涡流的运动分为外、中、内3个区。外区速度最大，侵蚀冲刷能量最强，能把早期沉积的泥质层打碎，滚动磨圆成为泥砾，在外区沉积了具有块状构造的含泥砾砂层；在中区沉积了平行层理砂层；在内区沉积了具丘状交错层理的粉砂层。由于涡流作螺旋式的向前推进，在外区沉积物上沉积了中区具有平行层理的沉积物，接着又沉积了内区具有丘状交错层理构造的沉积物，以及具有透镜及压扁层理、波状层理的砂泥互层和块状泥层。上述沉积物经成岩作用成为各种岩石。就这样形成了自下而上，由粗变细，中间夹有丘状交错层理的完整的湖泊风暴岩的沉积序列（如图8）。

图8 湖泊风暴岩的沉积序列（据文献［8］，有改动）

4 结 论

1）丘状交错层理形成于正常浪底之下、风暴浪底之上的水域。

2）上述区域的沉积物表面，在风暴引起的螺旋式前进的涡流作用下，形成丘状交错层理。

3）应用圆周运动公式v＝ω×r，涡流作螺旋式的向前推进，回答了自下而上中间夹有丘状交错层理的风暴岩的沉积序列。

在试验中遇到的问题，得到了高守双（物理学副教授）及时解疑，居亚娟同学提供有关信息，在此表示衷心感谢！

［1］Harms J C.Stratification and sequence in prograding shoreline［Z］.Deposits Sac.Econ.Paleontologists Mineralogists Short Course 2，1975.8l～102.

［2］Campbell C V.Truncated wave－ripple laminate［J］.Journal Sedimentary Petrology，1966，36：7～26.

［3］Goldring R，Bridges P.Sublittoral sheet sandstones［J］.Journal Sedimentary Petrology，1973，3：736～747.

［4］吴崇筠，裘怿楠，朱国华.暴风浪形成的丘状交错层理和洼状交错层理［J］.石油勘探与开发，1983，10（4）：80.

［5］Gilbert G K.Ripple－marks and cross－bedding［J］.Bull Gel.Soc.Amer.，1899，10：135～140.

［6］张金亮.陆相储层沉积学进展［M］.北京：石油工业出版社，1996.

［7］路凤香.岩石学［M］.北京：地质出版社，2002.

［8］张金亮，秦建峰.东濮凹陷沙三段的风暴沉积［J］.沉积学报，1988，6（1）：65～56.

Study on the Genesis of Moundy Cross－stratification

LAI Zhi－yun（College of Geosciences，Yangtze University，Jingzhou434023，Hubei，China）
LAI Wei－qing（Overseas Petroleum Exploration and Development Company，CNPC，Beijing100034，China）

For the cause of hummocky cross－stratification，there was no experimental method to validate it by predecessors.Through a laboratory experiment of eddy current movement，it was found out that the moundy deposit slightly convexed upwards and slightly inclined around and formed in the laver center.Thus the new viewpoint of the cause of moundy cross－stratification is put forward.At the same time，the form mechanism of the storm depositional sequence is also explained by using the circle movement theory.

moundy cross－stratification；eddy current；normal wave base；storm wave base；circle movement

TE121.3

A

1000－9752（2010）05－0042－04

2010－03－01

国家自然科学基金项目（40772078）。

赖志云（1930－），男，1953年中南矿冶学院毕业，教授，现主要从事碎屑岩储层沉积学及湖盆沉积模拟试验研究工作。

［编辑］ 宋换新