密度羽流构型特征、控制因素及其对深水沉积的启示——对河口和其他环境中密度羽流进行的全球卫星调查

SHANMUGAM G

（Department of Earth and Environmental Sciences, The University of Texas at Arlington, Arlington, TX 76019, USA）

1 问题的提出

1999年以来，美国国家航空和航天局（NASA）[1]在线发布“地球观测站”（Earth Observatory）存储的大量密度羽流卫星图像。NASA用多种卫星拍摄了这些照片，但未对世界各大洋和湖泊中密度羽流的自然构型变化进行系统的梳理和汇总。本文首次对全球 45个密度羽流实例的自然变化进行梳理（见图1）[2-32]。Forel首先报道了瑞士日内瓦湖的密度羽流现象[33]，在此基础上Bates[34]提出在河口三角洲环境中有3种类型的密度羽流：河水密度低于盆地水密度的低密度羽流（见图2a）、河水密度与盆地水密度相等的等密度羽流（见图2b）及河水密度大于盆地水密度的高密度羽流（见图2c）。尽管人们更关注河口高密度羽流[35-36]，但其他环境中的羽流同样重要。

本文的卫星图像记录了密度羽流在河口及其他环境下的自然变化及其复杂性，有助于理解羽流的外部控制因素及羽流对异重流、海底扇和深水石油储集层的影响。本文不仅采用NASA的卫星图像，也采用了一些其他公开发表的图像。

图1 海洋和湖泊环境45个密度羽流实例的位置图

在实际研究中，倾向于将“重力流”和“羽流”这两个术语看做同义词。但是，这两个术语并非完全一样。在流体动力学中，羽流被定义为一种流体在另一种流体中的流动，本文采用羽流的广义定义，即一种富含沉积物、灰分、生物或化学物质的流体进入另一种流体。本文将证明自然界中存在多种羽流类型。其中，河流羽流是最常见的。NOAA（美国国家海洋和大气管理局）渔业术语表[37]将河流羽流定义为“通常位于河口或河道外的河流（河口）远端，从陆地流出的浑浊淡水。”

在流体力学中，术语“重力流”指沉积物与水混合物在剪切应力作用下产生的连续、不可逆的变形，而该剪应力在大多数情况下是重力[38]。换句话说，并非所有的羽流都是重力流。例如，低密度羽流不是受重力驱动（见图 2a）。但是，“重力流”和“羽流”这两个术语都适用于异重流。

图2 三角洲环境下的河流羽流密度变化类型示意图（基于Bates[34]的概念）

因为异重流的原始概念与河流-洪水密切相关[34]，本文考虑了河口的密度羽流，并对全球21条河流的河口密度羽流进行了分析（见表1）。

2 全球密度羽流实例及其特征

本文列举了世界各地 45个密度羽流实例（见表1），不仅包括传统的河口羽流，还包括港湾、融水、风成、火山、气旋、上涌等成因或环境的羽流。本文只选择了某些能突出控制因素的实例。尽管笔者试图根据羽流形状描述羽流类型，但很多情况下羽流形状过于复杂而无法描述。出于这个原因，按照起源对所选的羽流进行了分类（例如火山羽流、融水羽流、尘埃羽流等）。

2.1 偏转型羽流

美国墨西哥湾的密西西比河是北美洲第2大水系，仅次于哈德逊湾水系。从历史上看，密西西比河三角洲一直是三角洲的“典型”[40]。密西西比河的卫星图像显示该地区发育最大的偏转密度羽流（见图 2d）。Walker 和 Rouse将羽流的偏转归因于墨西哥湾陆架潮流。

2.2 简单叶状和马尾状羽流

黄河是中国的第 2大河流，是世界上向海洋携带沉积物最多的河流[41]，其河口位于中国渤海湾。从历史上看，它每年携带近 1×108t的沉积物入海[42]。1983年，黄河的年平均悬浮负载浓度为25 000 mg/L，洪水阶段浓度为 220 000 mg/L，为世界上最高[43]。Shanmugam对最近从黄河收集的经验数据进行了研究[44]。

黄河显示出 2种不同类型的羽流，即简单叶状和马尾状（见图2e、图2f）。马尾状羽流的形状与局部偏转有关。黄河口发育以河流主导的三角洲，为单向河流，并发育河口泥质叶状羽流（见图2e）。然而，潮汐的发育阻止了沉积物向海中输送（见图 3）。Li等[45]提出潮汐是控制黄河口快速加积的重要动力因素。悬浮沉积物沿潮汐切变锋汇聚并迅速沉积。这是因为在两个反向流体之间会形成低速区。

2.3 叶状和偏转羽流

长江是亚洲最长的河流（6 300 km），长江江口毗邻中国东海。卫星图像显示，长江同时发育高密度叶状羽流和低密度偏转羽流（见图4a）。笔者根据颜色对高密度和低密度羽流进行了区分。例如，由于高密度羽流沉积物浓度较高，所以呈黄褐色；而低密度羽流由于沉积物浓度较低呈蓝色（见图4a）。

长江口环境复杂，此处的洋流和潮流都影响沉积物的扩散。不同于黄河流入渤海湾时不受洋流影响，长江流入东海，受到暖流、北流、黑潮的影响（见图4b），因此，长江带来的泥沙沉积物在内陆架上重新分布并沉积为泥质带[46]。

虽然黄河和长江在河口都发育高密度羽流，但从这 2条河流的河口到深海，高密度沉积物的输送受到潮汐和洋流等外部因素阻挡或转向（见图5）。

在最近的一项研究中，Luo等[5]发现密度羽流会在冬季扩大（见图6a），而在夏季消失（见图6b）。

在解释冬季密度羽流时（见图 7），Luo等[5]应用数值模拟对冬季潮汐对沉积物的垂直混合进行了模拟。Luo等[5]认为他们的模型显示，虽然潮水一年四季都很活跃，但只有在冬季海面和海底的温度和盐度大致相同时，沉积物才能上升到水面。但是在夏季，来自长江的淡水涌入，加上海面表层升温，防止了垂直混合，使悬浮的沉积物留在深处。

2.4 线状羽流

在地质和工程文献中，关于异重流的讨论焦点集中在细粒或普通三角洲。McPherson、Shanmugam 和Moiola[6]把细粒三角洲与粗粒三角洲区分开来，其重要性在于说明，辫状三角洲作为一种粗粒三角洲，是典型的高流速、高梯度河流环境下形成的三角洲。由于这些辫状河流入具有多个入口点的静止水体，这些水体被辫状砂坝隔开，所以这些河流形成了“线状”的高密度羽流，如阿拉斯加靠近太平洋的Chignik河的辫状河三角洲（见图 8）。区分线状羽流类型非常重要，

因为辫状河三角洲在水下三角洲前缘会形成各种类型的沉积物流体，包括碎屑流[6]。

表1 卫星图像上现代海洋和湖泊环境中各种构型的密度羽流实例

图3 黄河河口卫星图像

图4 长江江口卫星图像及概念模型

图5 黄河（a）和长江（b）沉积模式差异示意图 （据文献[44]修改）

图6 冬季和夏季的长江卫星图像（据文献[5]加标注）

图7 长江冬季（上）和夏季（下）的底部剪切应力模型（据文献[5]加标注）

图8 阿拉斯加东南海岸Chignik河的辫状三角洲

2.5 聚并和毯状羽流

Galloway[48]最初将阿拉斯加靠近太平洋阿拉斯加湾的柯柏河三角洲确定为“扇三角洲”。根据McPherson、Shanmugam和Moiola[6]的资料，柯柏河三角洲符合粗粒辫状河三角洲特征。其重要性在于它发育聚并河流羽流（见图 9a）和毯状尘埃羽流（见图 9b）。在这种情况下，很难区分古沉积记录中河流和风成输入沉积物。

图9 阿拉斯加湾柯柏河三角洲

2.6 潮汐叶状羽流

金门大桥位于连接太平洋的加利福尼亚州旧金山湾口（见图12a）。Barnard等[8]报道了加利福尼亚州旧金山湾口金门大桥下一个潮汐导致的巨大沙波场（见图 12b）。多次调查表明，沙波会随着潮汐产生的水流而移动。旧金山湾口潮汐沙波的意义在于NASA在该区域拍摄到了泥质叶状沉积物羽流的图像（见图12c），这些羽流与许多河口沉积物羽流类似，如黄河口羽流（见图2e）。

图10 加拿大的河流

图11 美国东部和西部沿海的河流

图12 加州旧金山湾

2.7 发散状羽流

里约热内卢的拉普拉塔河口位于南美洲东海岸（见图 14a），与阿根廷和乌拉圭接壤，是世界上最大的河口之一[49]，河口长280 km、宽220 km，水深不超过10 m（见图14b）。它接收来自巴拉那河和乌拉圭河的水和沉积物，年平均排放量为22 000 m3/s。拉普拉塔河口发育发散状羽流，前缘不规则（见图14c）[50-51]。

图13 亚马逊河口的大西洋洋流

图14 南美洲里约热内卢的拉普拉塔河口

图15 流入地中海北部的河流

Gonzalez-Silvera等[9]研究了海洋颜色（OCTS，Sea WiFS）和海面温度（AVHRR）图像，并评估了巴西—马尔维纳斯群岛和拉普拉塔羽流的空间和时间变化。数据集采集时间自1997年1月至2003年6月，编制和分析了叶绿素和海洋表面温度数据。结果表明，从夏季到冬季，拉普拉塔羽流逐渐向北延伸；拉普拉塔羽流的形状显示出夏季河口在阿根廷一侧的陆架上具有更强的侵蚀力；巴西—马尔维纳斯群岛汇流呈现季节性迁移。

2.8 U形转向羽流

图16 加迪斯湾

加迪斯湾位于大西洋东北部（见图 16a）。它由直布罗陀海峡西部的南伊比利亚和摩洛哥北部边缘所环抱。瓜达尔基维尔河和瓜迪亚纳河 2条主要河流以及奥迪耶、力拓和瓜达莱特河等较小的河流在这里入海。 就洋流而言[12]，它是最复杂的海洋环境之一（见图 16b）。与海流模式类似，由瓜达尔基维尔河排入海湾的沉积物表现出“U形转向”羽流的形状（见图16c）。

2.9 旋涡状浮游生物羽流

直布罗陀海峡是连接大西洋和地中海的狭窄海峡，它将西班牙与摩洛哥分隔开来。在这里，笔者可以看到海峡西部加迪斯湾的大型沉积物羽流和海峡以东地中海的旋涡状浮游生物羽流（见图 17a）。更令人信服的是，大型羽流可能与洪水期附近沉积物的输入增加有关。旋涡状羽流的成因可能归结于该地区的流体流动和内部波浪（见图17b）。

图17 直布罗陀海峡

2.10 内部波浪引发的羽流

从北大西洋向东经过直布罗陀海峡流动到地中海的海水产生内部波浪形式的湍流（见图17b）。这些内部波浪有时幅度高达80 m、波长高达0.8 km[13]。它们主要发育在海洋深处，水面只有一个波峰。在地中海地区观察到浮游生物羽流和内部波浪同时存在的情况下，关键控制因素是穿越海峡流动的海水。Shanmugam[13]对内部波浪和潮汐的起源进行了研究（见图18）。除了关于日本Otsuchi海湾的研究成果，有关内部波浪和沉积物羽流之间的联系在沉积学文献中很少讨论[14]，目前对于内部波浪成因羽流精确结构的认识是欠缺的。

2.11 内部狂浪引起的羽流

Masunaga等[14]使用具有空间和时间高分辨率的拖曳仪器与系泊阵列对日本岩手县三陆海岸大槌湾的浅海湾内部狂浪的上升进行了观测。观测结果表明，内部狂浪沿着斜坡传播，伴随着强烈的湍流和浅海湾的沉积物再悬浮（见图19）。由于狂浪的存在，等温位移在水深40 m时垂直高度达到20 m。浊度测量显示悬浮粒子从斜坡底部和近海带到温跃层上方，形成中间雾状层（INL）。在狂浪（稠密水体）的顶部，伴有强烈垂直运动的涡旋引起沉积物的重新强烈悬浮和急剧的等温位移。

图18 沿大洋火山的内部波浪和潮汐概念图（据文献[13]）

图19 日本三陆海岸和大槌湾狂浪引起的沉积物混合模型（据文献[14]加标注；ε—耗散率，Kρ—湍流垂直扩散率）

2.12 网状羽流

胡里河是恒河的一个支流，其沉积物排入孟加拉湾。在季风性洪水泛滥期间[52]，胡里河在河口形成了网状羽流（见图20）。恒河口被认为是一个以潮流为主的河口[15]。这种羽流类型的起源并不完全清楚。诚然，孟加拉湾不仅有强烈的季节性洪水而且有频繁的飓风活动[21]，但网状羽流的成因并不完全清楚。目前认为Sagar岛及其附近岛屿控制河流流动和羽流结构特征。

2.13 大型旋涡状羽流

在印度东南部和斯里兰卡北部之间的马纳尔深海湾（海底测深大于200 m）和印度洋北部的波克浅海湾（海底测深小于7 m）（见图21a），沉积物羽流的分布受局部海水深度、季风潮流的逆转（见图 21d）[16]和波浪作用控制（见图 21b）[17]。大型旋涡状羽流在浅海地区发育（见图 21b、图 21c）。Jagadeesan等[16]将该区域浮游生物羽流的结构归因于洋流。该实例研究的意义是表明羽流在马纳尔深海湾不发育。

图21 印度洋马纳尔湾

在波克海湾中间的椭圆形海岛称 Nedunthivu（泰米尔人名字，意思为长岛），该岛面积为50 km2，长度为8 km，最大宽度约6 km，是一个被浅水、珊瑚礁和沙滩包围的平坦岛屿，在波浪作用下为羽流提供沉积物。

2.14 聚并的叶状羽流

莫桑比克中部流入印度洋的赞比西河河口发育浪控三角洲。由于存在多条河口，该河形成了聚并的叶状羽流（见图22b）。Mikhailov等讨论了沿岸流对三角洲改造的重要性[18]。

图22 赞比西河三角洲

图23 马达加斯加的河流

2.15 云状浮游生物和旋涡状硫化氢羽流

非洲南部边缘的特征表现为印度洋一侧向南流的阿古拉斯洋流和大西洋一侧向北流的本格拉洋流（见图26a）的存在，由于水体富含营养物质，导致本格拉上涌洋流及非洲西南部形成较高的叶绿素浓度。因此，2007年11月初在NASA-MODIS卫星影像上可见纳米比亚外海域发育大量的浮游生物羽流（见图 26b）。在浮游生物消亡和细菌对其进行分解的化学过程中会导致有毒硫化氢的释放（见图 26c），由于硫化氢的大量存在，本文称这类羽流为硫化氢羽流。目前还不清楚这些化学羽流在沉积物中会有什么反映。

图24 西非的河流

图25 埃及尼罗河三角洲（显示叶状沉积物羽流，据文献[32]）

2.16 瀑布状气旋式羽流

大量的卫星信息显示美国大西洋陆架区的气旋引起沉积物搬运[21]。例如4级飓风弗洛伊德（1999年9月7日至17日）全长近933 km，影响了从佛罗里达州到缅因州的美国东海岸，对北卡罗莱纳州造成的损失最大。对比陆架水域的卫星图像可见，在晴朗天气和暴风雨天气期间重新悬浮的沉积物形成鲜明对比（见图27）。例如天气晴朗的时候在佛罗里达州—乔治亚州—南卡罗莱纳州—北卡罗莱纳州沿岸，陆架海水很平静，没有再悬浮沉积物（见图 27a）。相比之下，在暴风雨天气期间，1999年9月16日热带飓风弗洛伊德经过东海岸时，陆架水域含有大量重新悬浮的沉积物。弗洛伊德飓风的力量强大，使整个美国大西洋大陆架的水体陷入混浊（见图27b）。该地区陆架宽100 km，边缘水深200 m。这些卫星图像是全陆架区沉积物重新悬浮最有说服力的可视证据。这些重新悬浮的沉积物达到陆架坡折带，并在陆坡上逐级阶梯式下降。这样的羽流被称为“瀑布状羽流”（见图27b）。

图26 纳米比亚外大陆边缘

2.17 旋涡状气旋式羽流

1999年的飓风弗洛伊德使美国大西洋沿岸近 100 km的陆架宽度带上泥质沉积物再次悬浮（见图27b），与此类似，2009年的热带风暴伊达使墨西哥湾北部近150 km宽海域的泥质沉积物重新悬浮，并引起旋涡状气旋式羽流（见图28b）。

图27 美国大西洋边缘

图28 墨西哥湾北部

2.18 海啸反冲洗羽流

海啸在沉积物的侵蚀和沉积中起着重要作用。Shanmugam[22]认为深水环境海啸相关的沉积分为 4个阶段：触发阶段、海啸阶段、转换阶段和沉积阶段。在2004年印度洋海啸中，斯里兰卡西南部卡卢特拉海滩的转换阶段反冲洗羽流中沉积物很丰富（见图29）。倒涌的海水是蓝色的（即无沉积物），但是由于海水中混入了沉积物，近岸区海水变成棕色。海水变为棕色是波浪破碎的结果，这些返回的沉积物包括悬浮物和泥沙，被称为“反冲洗羽流”。

图29 印度洋海啸期间的航拍影像

2.19 融水羽流

来自格陵兰岛冰盖的融水沉积物羽流在拉布拉多海中很常见（见图 30a）。Chu[23]研究了格陵兰冰盖水文系统的要素，并提出了浮式沉积物羽流和浊流的沉积模型（见图30b、30c）。Mankoff等[53]讨论了格陵兰峡湾冰下喷流羽流的结构和动力学。

2.20 白色羽流

北大西洋的大巴哈马海岸最显著的特点是安德罗斯岛以西蓝白色海域（见图 32a）。安德罗斯岛西侧的这片海域沿西北—东南方向长约350 km，宽约100 km。该条带被称为“白色羽流”（见图32a），原因是大巴哈马海岸的安德罗斯岛以西地区主要由细灰泥和球状泥质沉积物组成[56]，众所周知，这些泥质沉积物的海域会有偶发的、高强度浊积事件，并产生乳白色的海水，历史上称之为“白流”[57]。白流的起源归因于石灰泥的直接沉淀[57-58]、鱼类活动[25]、风[26]和佛罗里达洋流[27]导致的沉积物重新悬浮。

图30 格陵兰岛

图31 南极洲冰川

图32 碳酸盐台地和珊瑚礁

2.21 环状羽流

在南太平洋，珊瑚礁环境形成了一个环状羽流（见图 32b）。在南太平洋珊瑚礁附近和所罗门海域的深蓝色水域，路易斯安得群岛的珊瑚礁和森林岛屿从巴布亚新几内亚的尖端向东南延伸超过350 km。卫星图像左下角显示了群岛最大岛屿塔古拉岛（也称 Vanatinai岛）西北部海岸的一部分。路易斯安得群岛有从镶边珊瑚礁到珊瑚环礁的各“进化”阶段的珊瑚礁，导致形成环状羽流（见图32b）。Khanna和Yadav[28]讨论了Tagula岛附近的珊瑚礁发育情况。

2.22 尘埃羽流

宇航员拍摄的照片显示，在红海有一个尘埃羽流，延伸到沙特阿拉伯大部分（见图 33a）。该羽流的点源是埃及南部Khor Baraka河流三角洲。尘埃羽流的形态变化很大，这是因为在空气中的尘埃与水接触时，局部海洋因素如洋流与波浪共同作用决定了羽流的形状。

图33 红海和墨西哥湾南部

2.23 羽毛状羽流

墨西哥湾南部尤卡坦半岛的卫星图像显示发育羽毛状羽流（见图 33b）。这类羽流是由风和浪引起的，为沉积物与浮游生物混合的产物。在卫星图像上，蓝绿色云基本上与半岛西部浅海陆棚范围一致。在NASA拍照前几天，强烈的风暴搅动了海湾，沉积物很有可能被强烈的风暴带到浅水域表面。

2.24 火山灰羽流

据报道，2017年6月白令海的博戈斯洛夫岛发现火山灰羽流（见图34b）。研究火山灰羽流所面临的困难是由于火山喷发强度、全球大气环流模式以及火山灰的堆积密度的不同[29]，火山灰可漂移数百至数千千米。此外，类似于尘埃，火山灰羽流的形状变化很大。

2.25 含天然气羽流

Paull等[30]报道，在美国卡罗莱纳州大陆隆起的布莱克海岭底辟上，在水深2 167 m处有海底微生物气体排放。在化学合成生物群落活跃的凸凹不平海底以上320 m的水体中利用声学识别出富含气体的羽流。该地区羽流和排出的流体从靠近一个小型断层的地方发散，断层向下延伸到底部模拟反射体（BSR）中的圆顶，表明流体和（或）气体的运移与下面的含天然气水合物沉积物有关。这类羽流可能是由气泡或从海底向上漂浮的天然气水合物造成的。目前已经绘制了天然气水合物分布图（见图37）。

图34 火山爆发

图36 全球范围内海面叶绿素浓度分布图

图37 含天然气水合物沉积物（黄色）区域分布图

Ruppel和Kessler[60]讨论了高纬度地区冰川之下天然气水合物的情况。

2.26 卷须状羽流

卫星图像显示了美国密歇根湖的卷须状羽流（见图 38a）。在这个例子中，悬浮沉积物改变了密歇根湖的南端面貌。风力活动引起沉积物混入南部海岸线的地表水，形成了一条向湖中央延伸的卷须状羽流；羽流颜色从褐色到绿色。

图38 密歇根湖和伊利湖的羽流

2.27 旋涡状羽流

美国伊利湖的旋涡状羽流（见图38b）是由湖震引起的[1]。湖震是一个巨大的驻波，当强风和大气压力的快速变化将水从一个水体的一端推向另一端时，会产生这种波。De Jong和Battjes[31]讨论了湖震的大气成因。

本文首次总结并发现了 24种不同形状的密度羽流，但目前并不能基于一个统一的概念将其形成系统的分类方案。例如，虽然大部分结构以形状（如叶状）命名，也考虑了其他因素，比如颜色（如白色），形成过程（如风成作用）等。它们大致分为14个大类（见图39），进一步可分为24种羽流类型（见图40），其中包括12个海洋实例和两个湖泊实例。除旋风和海啸外，其他羽流都不能将沙子和砾石搬运到深海。虽然这些不同类型的羽流可以在卫星或其他照片图像的现代系统中识别出来，但是在古沉积记录中仍然不能区分这些羽流。鉴于羽流的复杂变化，在河口是唯一异重流类型的假设前提下提出的任何异重流沉积模型都是误导性的。

图39 羽流类型[44]

图40 羽流的形成环境、组成、来源、外部控制因素和类型（据文献[44]，修改）

3 主要启示

研究表明，羽流对认识以下问题有重要启示：外部控制因素、异重流、海底扇以及深水沉积石油储集层。

3.1 外部控制因素

外部控制因素性质各异，它们是沉积体系之外的因素，如隆起、沉降、气候、河口等等。然而，密度羽流的外部控制因素变数更大，并包括一些常见的沉积过程（例如潮汐流）。本文对羽流形成环境、组成、来源、外部控制因素和类型等进行了总结。具体实例研究和相关参考文献见表1。这只是对控制因素的初步梳理，如含天然气羽流包含在多种类型中，尚需进一步研究。笔者已经认识到羽流至少有18个外部控制因素（见图40）。

①潮汐（见图3）：黄河[3]；②冬季陆架流（见图6）：长江[5]；③洋流（见图 14）：拉普拉塔河河口[4,50-51]；④潮流（见图12）：旧金山湾[1,8]；⑤季风流（见图21）：印度洋[16]；⑥风成尘埃（见图 33）：红海；⑦飓风气旋（见图 27）：墨西哥湾，美国大西洋陆架[21]；⑧海啸（见图 29）：斯里兰卡，阿拉伯海[22]；⑨辫状河三角洲和相关的高坡度和粗沉积物（见图8）：阿拉斯加，太平洋[6]；⑩湖泊中的湖震（见图38b）：美国伊利湖[1]。⑪上升涌流（见图 26）：纳米比亚沿海[20]；⑫浮游植物（见图26）：纳米比亚海岸；⑬鱼类活动（见图32）：大巴哈马海岸[25]；⑭火山爆发（见图34b）：白令海[1]；⑮冰川融化（见图 30）：格陵兰[23]；⑯珊瑚礁（见图32b）：南太平洋[1]；⑰坑洼地形：卡罗莱纳大陆隆起（见图37，北大西洋[30]；⑱内部波浪和潮汐[13]及相关的狂浪（见图19）。未来的研究在建立沉积模型时应该考虑外部控制因素的影响。

3.2 异重流

在讨论河口沉积过程时，地质学家、地球物理学家和水力工程师使用多达16种不同的沉积过程术语来表示异重流[3,34-35,53,61-74]，导致概念不一致，例如单层和多层异重流等（见图41）。

Gao等[75]指出，黄河经历了由潮流和浪潮引起的再悬浮的沉积机制的转变，这种转变可能导致异重流被底部浊流层取代。两者之间的差异在于异重流为单层，没有密度或速度垂直分层（见图 41a），而底部浊流层有密度和速度垂直分层（见图 41b）。显然，研究人员对异重流的流体力学并不清楚。在存在这种不确定性的前提下，现在将异重流的成因相模型应用于石油储集层是不成熟的[76-77]。

图41 异重流种类

3.3 海底扇

传统上，海底扇与浊流沉积有关[79]。最近，海底扇的起源被归因于异重流[73,80]。Zavala和 Arcuri[73]提出了两种类型的异重流，即砂质和泥质两种类型。在这种分类中，砂质异重流中的上升羽流（即正浮力）具有重要意义。Steel等[81]也提出了类似的上升羽流模型。

Zavala和Arcuri[73]也采用了Mutti[82]等对浊流的分类，分为低密度浊流和高密度浊流。尽管笔者对深海环境中的高密度浊流和异重流缺乏了解[83-84]，Zavala和 Arcuri[73]提出了 2种类型的异重流，即砂质和泥质类型。重要的是，他们提出了2种类型的浊流沉积，即“盆内浊积岩”和“盆外浊积岩”（见图 42）。盆内浊流沉积物是由邻近陆架局部产生的沉积物，并通过“经典”浊流进入盆地。相反，盆外浊积岩的沉积物来源于远处的陆地和三角洲，并通过“洪水触发”的浊流或异重流进入盆地（见图42）；盆地外浊流在洪水期接受河流直接供给的沉积物，并且可在陆架或深海沉积；该模型忽略了外部因素，例如潮汐（见图3）和洋流（见图4），这些外部因素阻止了从河口到深海的高密度沉积物的输送；该模型也忽略了对扇体沉积至关重要的海底峡谷类型。这些概念存在一些大的问题无法解释[44]。

图42 水下扇示意图（据文献[73]加标注）

①上升异重流的概念是有问题的，因为其违背了浮力的基本原理。在讨论流体中的浮力效应时，Turner[85]解释说，正浮力的羽流不能是高密度的（即密度过高的羽流不能上升）。根据定义，异重流由于密度过高而产生负向浮力。

②Zavala和Arcuri[73]根据物源（内部来源与外部来源）对浊流和扇体进行了分类，这与基于牛顿流体流变和湍流状态的浊流的常规定义相冲突[86-87]。

③由于两个原因，假想的盆外浊积岩和相关异重流扇体模型是不成立的。首先，高密度浊积流概念不仅在理论基础上存在缺陷[88]，而且在世界海洋中也未经证实[89]。其次，该模型没有考虑到导致海底扇发育的最基本因素，即海底峡谷[44]。

④现代实例并未显示现代环境下高密度流流体的发育。例如，马纳尔深海湾并没有高密度流流体和相关的沉积物羽流（见图21b）。

3.4 深水沉积石油储集层

由于以下原因，异重流岩可成为深水沉积石油储集层的说法[76,90]也是站不住脚的。

①实验中河流引发的浊流[71]（即异重流）完全是泥质流（见图43）。

图43 大陆边缘、水槽实验及异重流经验数据

②公开的数据显示源于河流-洪水的异重流是泥质的，而且出现在内陆架环境中靠近海岸线的地方。迄今尚未有任何研究证明，在现代环境中，由河流-洪水引发的异重流能跨越整个大陆架将砂砾输送到深水盆地（双向箭头，见图 43a）。密西西比河在河口浅水陆架环境中产生了一些壮观的密度羽流（见图44）。但并不确定这些羽流是否能到达深海。不过，也有羽流可以达到陆架边缘和更远地方的例子；只是这种羽流是由气旋、海啸、风成尘土、火山爆发、上涌、叶绿素等引发的，但它们与河流-洪水无关。

图44 密西西比河

③从这项研究中得到的一个重要教训是，大多数河口羽流由于外部控制因素发生偏转或被阻碍。因此，异重流不是沙子和砾石通过陆架而进入深海的可行的运输机制。

④Talling[91]综合研究了异重流的过程，得出结论认为：“由于大量高密度洪水产生的弱稀释流很可能卸载薄层（毫米级至10 cm）细粒沉积物层，类似于那些在湖泊和水库中发现的异重流。野外观察表明，它们不会在深水环境中形成米级厚度的砂层（以前的假说）”。

由于上述原因，河流泛滥触发的异重流岩不可能成为深水环境中的石油储集层，除非另有证据。

4 结语

对全球密度羽流的研究表明，羽流有 6种不同的环境、6种组成物质、11种来源、18种外部控制因素以及24种类型。羽流自然变化很大，但并未对各个密度羽流的沉积特征进行研究。研究密度羽流的挑战是不同机制（例如旋风、湖震、洋流上涌等）可产生同一类型羽流（例如旋涡状）。迄今为止，尚未有人调查过这些不同类型的密度羽流在沉积记录中的保存状态。

这项研究的结果引出了一些基本问题，有待进一步研究：①密度羽流形态的持续时间；②每种羽流形态的沉积层独特性存在与否；③沉积环境与羽流形态之间的关系；④外部因素如何控制羽流形态；⑤特定羽流与相伴生的浊积岩、平积岩或半蛇纹岩沉积区之间的区分等。

致谢：感谢《石油勘探与开发》执行主编许怀先博士邀请我为期刊2018年特刊发表本文，以庆祝中国石油勘探开发研究院60周年华诞，并以此文纪念笔者与该研究院长达10年的国际合作。非常感谢NASA收集了由河流、潮汐、冰川、火山喷发、旋风等引发的密度羽流的图像，还感谢NASA, Jet Propulsion Laboratory,NOAA, Wikipedia, Clastic Detritus, SEOS, AAPG Bulletin,GSA Bulletin, Geology, Journal of Palaeogeography,Oceanography, Progress in Oceanography, Journal of Sedimentary Research, American Geophysical Union,Elsevier, Wiley, Butterworth-Heinemann, DigitalGlobe,以及R. D. Kreisa提供本文中使用的图像。此外感谢笔者妻子的评论。