深海重力流与底流交互作用

1979年7月20日，美国宇航员阿姆斯特朗首次成功登陆月球，实现了“上九天揽月”的梦想。直到40多年后的2020年11月10日，我国自主研制的奋斗者号载着3名潜航员在马里亚纳海沟成功下潜到10909米，方才实现了“下五洋捉鳖”的夙愿。在人类探索自然的历程中，深水沉积学扮演着举足轻重的作用。面对学科发展新的挑战，国家自然科学基金委员会地球科学部明确提出了以深地、深海、深空和地球系统为对象的地球科学发展战略。其中，深海是“三深一系统”的“四梁”之一，其核心科学问题是海洋过程及其资源环境效应。

在深海大洋中，人类对重力流（浊流）和底流（等深流等）的研究具有悠久的历史，研究成果被直接运用到全球深水油气勘探实践中。随着研究的深入，人们逐渐意识到顺坡而下的重力流和沿坡流动的底流既然方向上相交（图1），那么它们可能会同时出现在同一个“十字路口”上，从而在深海大洋中形成一种新的深水沉积作用——重力流与底流交互作用。然而，由于重力流（浊流）和底流（等深流等）在动力学特征上的巨大差异，人们对这一“交互作用科学假说”也提出了“非议与质疑”。

图1 3D可视化视图雕刻了南海北部陆缘珠江口盆地深水顺向迁移水道的沉积特征与建造样式

在这样的大背景下，书稿作者龚承林选择以“深海重力流与底流交互作用”为博士论文研究方向（导师为王英民教授），进行了十余年孜孜以求的探索，在Geology、GSA Bulletin、Sedimentology和AAPG Bulletin等重要SCI刊物上发表系列成果论文15篇，主要的创新点概述如下。

首先，书稿作者发现了一种新的深水沉积类型，发展了深水沉积学基础理论（详见本书第1 ～ 3章）。现有深水沉积学理论认为受可容空间驱动，浊积水道在剖面上往往左右摆动、无序迁移；这一理论无法解释图1所示深水水道的成因机制。作者将如图1所示的持续稳定向一个方向迁移叠加的深水水道命名为“深水单向迁移水道”（unidirectionally migrating deep-water channels），其体现了侵蚀下切的重力流（浊流）和单向流动的底流（等深流等）之间的综合效应，是重力流与底流交互作用的典型沉积响应类型。按照水道迁移方向与参与其沉积建造底流流向的相对关系，深水单向迁移水道可进一步被区分为深水顺向迁移水道（图2a）和深水反向迁移水道（图2b）（详见本书第4 ～ 5章）。深水单向迁移水道的提出改变了早期对深水水道沉积模式的认识，为独立于前人提出的“无序迁移的重力流水道”之外的第二种新的深水水道沉积模式。

图2 深水顺向迁移水道（上图）与深水反向迁移水道（下图）沉积特征与建造样式之对比

其次，书稿作者首次揭示了重力流与底流交互作用的动力机制，创新了深水沉积动力学理论（详见本书第6章）。书稿作者创造性地将风吹湖面Wedderburn数学模型引入交互作用研究中来，系统建立了交互作用的沉积动力学模型。研究认为交互作用具有陡岸侵蚀-缓岸堆积的差异剥蚀沉积响应，从而驱动单期水道向陡岸一侧持续稳定地迁移、叠加，形成深水单向迁移水道（图1和图2）。研究成果揭示了重力流（浊流）和底流（等深流等）之外的第三大作用过程的沉积动力学机制，丰富了深水水道沉积动力学基础理论。交互作用驱动水道单向迁移与科林斯海湾和第勒尼安海沉积物羽状流行为过程可类比：当河口沉积物羽状流（类似重力流）受到区域洋流（类似底流）影响时，则会发生“相互作用策动沉积物羽状流沿平行区域等深线方向流动、形成风吹幡动”的自然奇观（图3a）；而当缺少区域洋流作用时，河口沉积物羽状流在重力驱动下形成“沿垂直区域等深线方向流动”的自然现象（图3b）。

图3 河口沉积物羽状流（类似重力流）在发育（上图）和缺少（下图）区域洋流（类似等深流）作用时过程响应之对比

最后，研究成果揭示了重力流与底流交互作用的沉积模式，开拓了深水油气勘探新领域（详见本书第7章）。经典深水沉积学理论认为：重力流成因的有利储层（例如，如图4a所示的重力流水道中的浊积砂）因受可容空间控制往往“左右摆动，无序展布”（图4a）。而交互作用理论认为：当深海重力流与底流交互作用时，重力流所携带的沉积颗粒会被底流淘洗、分选和改造，所形成的底流改造砂因受底流作用时空上往往沿着平行于区域等深线的方向“单向偏移、有序叠置”，形成超大型优质深水油气储集体（图4b）。这一“有序叠置的底流改造砂分布模式”突破了经典沉积学理论的束缚，开拓了深水油气勘探新领域；相关成果已在东非陆缘鲁武马盆地和南海西北陆缘琼东南盆地得到了勘探实践的证实，深海重力流与底流交互作用基础理论创新驱动重大勘探突破。

遗憾的是上述研究成果多以英文形式发表，且并未形成系统的理论体系。因此，作者一直想撰写一本关于深海重力流与底流交互作用方面的专著，以期系统地介绍相关理论成果。本书由龚承林和王英民构思，由龚承林执笔撰写。

图4 重力流成因深水水道有利储层（底部滞留、轴部充填和轴部侧翼）（上图）与交互作用成因深水水道有利储层（底流改造砂）（下图）分布模式之对比

此外，中国科学院院士、著名沉积学家王成善教授在百忙之中为本书作序（下图），令本书增色良多，在此深表谢忱！本书是国家自然科学基金项目40972077、41372115（负责人王英民）以及41972100和41802117（负责人龚承林）共同资助的研究成果，书籍的出版得到了中国石油大学（北京）学术专著出版基金的资助，在此一并感谢。

深海重力流与底流交互作用是一项多学科交叉的重大命题，本书以深水单向迁移水道为理论突破口，仅是作者对“深海重力流与底流交互作用”的研究积累和相关思考，以期抛砖引玉。虽尽心竭力，奈何诠才末学，多有不足之处，敬请广大读者批评指正。

深海重力流与底流交互作用是当前深水沉积学理论研究的前缘热点与薄弱环节，揭示交互作用的过程响应与动力机制具有重要的科学意义和一定的应用价值。本书共包括7章，其中第1～3章探究了深水陆缘上重力流（浊流）、底流（等深流）及其交互作用过程响应，揭示了交互作用有利的形成发育场所与典型沉积响应类型（深水单向迁移水道）；第4章揭示了交互作用沉积响应（深水单向迁移水道）的形态特征、发育演化和沉积模式；第5章探讨了基于全球尺度的深水单向迁移水道形态变化、叠置样式及主控因素；第6章从数值计算和物理模拟的角度揭示了深水单向迁移水道内重力流与底流交互作用的沉积动力学机制；第7章论述了深水单向迁移水道及其底流改造砂相模式、相标志及古海洋学意义。

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（本文编辑：王芳）

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