摘要：河水向湖（海）方向流动时，由于其密度与海（湖）水的异同而表现出四种不同的类型；异轻流（hypopycnal flow）、等重流（homopycnal flow）、异重流（hyperpycnal flow）以及层间流（mesopycnal flow）(Mulde

什么是洪水异重流？

河水向湖（海）方向流动时，由于其密度与海（湖）水的异同而表现出四种不同的类型；异轻流（hypopycnal flow）、等重流（homopycnal flow）、异重流（hyperpycnal flow）以及层间流（mesopycnal flow）(Mulder et al., 2011)（图1）。其中异重流（hyperpycnal flow）是一种源自洪水期的河口、受重力驱动而沿沉积盆地的底部流动、以准稳态存在的高密度沉积物重力流。而河流的大洪水事件导致异重流沉积频繁产生，被认为是将陆源沉积物输送到深湖（海）的一个重要机制。研究异重流的形成、演化规律和沉积特征，已成为地球科学与工程领域的研究热点之一，它对于地质科学进步、地质灾害防治和油气勘探开发等具有重要的理论和现实意义。

图1 流体进入汇水盆地的不同密度流体的类型（据Mulder et al., 2011修改）

异重流的形成条件

异重流的形成需要3个基本条件：两种流体之间有足够的密度差、蓄水水体有足够的深度和突发的洪水事件。就输入流体密度条件而言，海相（或咸水）环境要求远大于与陆相（或淡水）环境，当河流高密度流体以36~43 kg/m3的悬浮物含量排入海洋时，会形成海洋异重流，但在河口向淡水湖中产生异重流所需的临界浓度要低得多（≪1 kg/m3）(Zavala et al., 2018)。另外，只有蓄水盆地的水体足够深时，才有利于异重流的发生，在某些情况下超过几十米，河流浊流水体才能有足够的动力沿着盆地底部流动并形成异重流，并持续地以一定流动速度（通常小于2 m/s）向盆地中心流动。通常情况下，异重流的形成易受极端事件的驱动，如火山泥流、冰川融化、台风和海啸以及人工堤坝破裂和水库泄洪等(Mulder et al., 2011) （图2）。归纳前人研究表明，异重流形成的常见环境条件包括以下6种：1）干旱的季节性洪泛地区；2）人工堤坝破裂或排水；3）台风等极端事件引起的中小河流洪水；4）冰川融化和融雪性洪水；5）黄土高原洪泛性泥石流；6）火山泥流等特殊地质条件。

表1 河流在海水及淡水中形成异重流的临界条件（引自Zavala et al., 2018）

图2 异重流从小浪底水库排出（图片来源: 新华网）

异重流发育的影响因素

对全球河流的统计显示，近71%的河流具备形成异重流的可能性，世界上至少有九条浑浊河流可能在一年内产生一次或多次异重流现象(Mulder et al., 1995)（表2）。那么具备形成异重流的条件的情况下，有哪些因素会影响其发育呢？

异重流的产生会受到诸多因素的共同作用，如地形地势、物源区沉积物供给、河流流域规模、形成的浊流与入海（湖）水体密度差、气候导致的地区环境因素（干旱/半干旱/湿润）和季节性降水引起的洪泛现象、海（湖）平面上升/下降、强烈的构造活动、洪水发生的流量和频率等诸多因素，但主要受控于构造、气候、地形、物源供给等因素的综合作用。一般而言，活跃的构造、湿润的气候、陡峭的地形和充足的碎屑物质供给有利于异重流的发生。

其一，构造活动控制了物源区的隆升、盆地的沉降过程与幅度、盆山耦合与差异升降、沉积环境演化与沉积相带迁移、古地理格局、可容纳空间的变化等。从根本上影响古地形地貌、物源供给与沉积充填演化。导致地形坡度、盆地水体深度以及河流高密度流体与盆地水体高度差发生变化。同时物源区或盆地边缘的构造抬升，侵蚀和泥沙供应增加，增加了海岸线沿线河流占主导地位的可能性，并增加河流高密度流体与盆地水体之间的高度差。加之板块运动所引起的物源区与沉积盆地差异性隆升沉降，为异重流的形成创造了有利的条件。

其二，气候是影响异重流发生的重要因素。通常河流流域的气候环境可能会影响异重流产生的可能性，湿润气候条件下，季节性降雨和风暴活动的增加，使得湖泊洪水和海洋洪水事件的频率和强度会更高，从而有利于异重流的产生。在干旱气候下，植被稀少，母岩分化严重，物源区沉积物粒度较细，固结程度低，水土流失严重，但是干旱时期降水量的减少则会导致产生异重流的可能性降低。因此，相比较于干旱气候，半干旱气候更有利于异重流的形成。

其三，地形（坡度）的影响。地形是地质构造活动、风化作用、侵蚀作用、沉积作用等综合作用结果。构造活动引起的地壳隆升和下降所造成的地形要素，包括地形坡度、汇水盆地深度以及河流高密度流体与汇水盆地水体高度差是异重流能否形成的重要因素。

其四，物源供给的影响。物源区岩石的固结程度、沉积物粒度大小以及沉积物供给量等都是影响异重流产生的重要因素。碎屑物质供给越丰富，越容易形成异重流；物源区的碎屑物质越细，洪水携带的沉积物粒度越小，在湖底或海底搬运的距离越远，持续时间更长，例如在以粉砂和泥质沉积物为主的黄河入海口，频繁出现异重流现象。

表2 每年可能产生一次或多次异重流现象的浑浊河流（引自Mulder et al.,2003）

异重流演化过程

在异重流开始阶段，流量和流速一直增强，当达到对早期沉积物侵蚀的临界速度，会发生沉积物的侵蚀和过路，异重流沿着下切水道向盆地中心方向运动。之后由于水动力逐渐降低，流量和流速达到稳定后缓慢衰减，主要以沉积作用为主。通过对盆地不同位置的同期异重流水流演化的分析，模拟了不同时间段和不同区域的异重流沉积过程(Zavala et al., 2006)。大多数岩层内部显示出三个沉积阶段的存在，即加速相（AP）、侵蚀过路相（EP）和减速相（DP）。最初记录了运移一定距离的单一持续异重流的沉积演化加速相和侵蚀过路相向盆地方向的渐进迁移，随之记录了近端和远端区域减速相的整体沉积。异重流演化过程表明了沟道化特征向朵叶体特征转换，同时为同一异重流系统内近端和远端位置出现具有爬升波纹层理的细粒砂岩提供了充分的解释。

在第一个纵截面中（t1-t2阶段）显示了初始沉积（图3），沉积位于近端位置（Ⅰ区）和中间位置（Ⅱ区），发育爬升波状交错层理、块状层理、平行层理和低角度交错层理，表现为加速相的特征。在t3阶段，异重流受持续渐进和加速度的作用，近端位置（Ⅰ区）流速高于侵蚀临界速度，产生下切水道（侵蚀过路相）。此时中间位置（Ⅱ区）的流速仍低于侵蚀临界速度，发育爬升波状交错层理、平行层理、低角度交错层理，具有加速相阶段流量和流速波动特征。在远端位置（近Ⅲ区）以泥质沉积为主，常见水平层理。在t4阶段，在近端（Ⅰ区）和中间（Ⅱ区）区域，流速超过侵蚀临界速度。在t5-t7时间跨度内，三条速度曲线显示速度持续下降。在减速阶段内近端、中部和远端以沉积作用为主，产生弱水动力条件下的沉积构造，同时在填充之前会在近端区域产生侵蚀地形。

图3 异重流沉积演化过程（修改自Zavala et al., 2006）

如何识别异重岩？

异重流的沉积产物称为异重岩（hyperpycnites）。一个完整异重岩的垂向序列包括向上粒度变粗的逆粒序单元（Ha）和向上粒度变细的正粒序单元（Hb）的成对出现，并且在两个粒序之间可能存在一个侵蚀接触面 (Nakajima et al., 2006; 杨仁超等，2015；Yang et al., 2017; Zhou et al., 2020)。然而，浊积岩序列和等深积岩序列同样会出现逆粒序—正粒序沉积单元，因此不能仅以一对的逆粒序—正粒序沉积单元来判断异重岩。一次完整异重流所形成的异重岩可能由多套成对的逆粒序—正粒序沉积单元组合而成，而且在垂向上可形成较大厚度和规模的沉积砂体。此外，异重流沉积（异重岩）的鉴定标志还应结合其沉积背景、沉积位置、沉积构造、岩石结构、沉积序列、古生物化石等诸多特征进行综合分析。

例如，灵山岛千层崖剖面砂岩顶面常见炭化植物碎片，表明植物碎屑与砂粒一起被洪水搬运至深水沉积环境，其搬运-沉积均受异重流控制。再如，通过对东营凹陷坨71井沙三下亚段和东科一井沙三下亚段的岩心观察，认为其形成于深湖沉积背景；砂岩顶底均发育代表弱水动力条件的水平层理或泥质纹层，底部的泥质纹层发生了变形，砂岩内部出现逆粒序—正粒序组合（图4a）；或正—逆粒序呈周期性变化，泥质杂基含量高且出现周期性变化（图4b），砂岩内部以块状构造为主，在每个小旋回的中间出现含砾的现象。综合以上分析认为这些砂岩是洪水异重流沉积的产物。

图4 东营凹陷沙河街组异重岩沉积特征 （杨仁超等，2023）

（a）坨71井沙三下亚段；（b）东科1井沙三下亚段

图5 灵山岛千层崖剖面异重流沉积砂体顶面的炭化植物碎片（杨仁超等，2023）

异重流沉积模式

综上，建立了异重流沉积模式（图6）。正常天气情况下，河流携带的沉积物会在河口地区卸载，形成三角洲沉积；洪水期，随着洪水密度的增强，高密度浊流水体潜入盆地水体底部形成异重流，异重流沿着下切水道，向盆地中心位置持续流动，会依次形成下切沟道、天然堤、沟道侧缘、分支水道、朵叶体等沉积单元。

在异重流开始阶段，流速和流量持续增强，当达到对沉积物侵蚀的临界速度，异重流发生沉积物的侵蚀和过路，并且会形成下切水道。在异重流近端位置水动力能量强，以侵蚀作用为主，形成的沟道较深，异重流顺着形成的沟道不断向前运动。天然堤沉积发育在沟道的两侧，从沟道两侧向天然堤方向沉积物粒度逐渐减小，泥质含量增加，主要是以悬浮荷载和上浮荷载的方式运载沉积物，沉积物粒度较细，主要是细砂岩、粉砂岩（悬浮相）和泥岩、泥质粉砂岩（上浮相）组成。沟道侧缘沉积物向天然堤两侧以及盆地中心方向粒度逐渐减小，单层厚度减薄（厚度多为数厘米），以泥岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩（上浮相）为主，向上粒度变粗的逆粒序单元和向上粒度变细的正粒序单元成对出现。

异重流沿下切水道容易发生分叉、迁移，从而形成分支水道。分支水道处能量较弱，沉积作用强烈，易发生沉积物大量卸载，沉积物单层厚度可达数十厘米，以细砂为主，常见底模构造，发育典型的正粒序—逆粒序且可见层内侵蚀接触面。异重流运动接近盆地中心地带，由于水动力强度减弱，地形坡度变缓，流体浓度降低，导致侵蚀作用弱，从而缺少沟道的限制，沉积物会向四周蔓延较长距离，侵蚀作用微弱，无沟道产生，呈朵叶体几何形状。较中部位置而言，沉积物供给不充分，形成的逆粒序—正粒序沉积单元组合不够明显，沉积物粒度细，与天然堤沉积、沟道侧缘沉积相似，为悬浮相和上浮相的粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩为主，岩层较薄（多为数厘米），可见陆源有机质碎屑，常见水平层理，表明水动力条件弱且稳定。

图6 异重流沉积模式（据栾国强等，2018 修改）

未来研究方向

异重流及其沉积特征是沉积学界最近20年的新认知，展望未来，异重流沉积研究可在以下方面长足发展：1）异重流流体性质转换、流体对沉积物的搬运—沉淀机理等理论基础不断完善；2）古代异重流沉积环境分析、沉积特征识别、沉积微相（要素）分析、沉积构型解剖等方面趋向深入；3）陆相湖盆环境异重流沉积研究特色更加鲜明；4）有关异重岩的成岩作用研究成为储层沉积学的新方向；5）异重岩储层预测与非常规油气地质意义等研究不断与生产实际紧密结合，异重岩储层将不断被发现；6）针对异重流沉积的水槽实验、水下观测、数值模拟等研究方法的进步将促使相关研究不断取得突破。

本文第一作者系山东科技大学地球科学与工程学院教授，第二作者系山东科技大学地球科学与工程学院在读研究生。本文属作者认识，相关论文《异重流沉积研究进展与展望》于2023年发表在《沉积学报》，相关问题交流可通过邮箱r.yang@sdust.edu.cn与作者联系。更多详情，请进一步阅读下列参考文献。

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来源：沉积学报