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user: 3. 深水重力流沉积水槽实验应用进展 水槽实验可以模拟重力流沉积过程，国内外一些学者通过水槽实验分析了流体速度、浓度、流态转化等在整个沉积过程中的变化特征，认识了重力流沉积过程变化规律，同时也进一步明确了重力流沉积特征及沉积主控因素，主要技术路线见图2。 图2. 重力流水槽实验应用技术路线 3.1. 重力流沉积过程 流体速度：Corney [ 20 ] 等人通过开展水槽实验认识到了重力流沉积与正常的河流沉积其流体速度方向和分布存在差异，正常河流在河道弯曲处的横向环流表现为顺时针方向(图3(A))，而重力流在河道弯曲处的横向环流方向为逆时针方向(图3(D))；正常河流截面速度最大值位于顶部及底部(图3(C))，而重力流的截面速度最大值位于水道底部(图3(F))；正常河流的顺流速度最大值位于水流顶部(图3(B))，而重力流最大顺流速度位于靠近水道底部(图3(E))。 Peakall [ 21 ] 等人采用水槽内嵌正弦形状水道模型，通过牵引型模拟的方式研究了弯曲水道流体速度的变化特征，认识到流体的顺流速度在弯曲点处平行水道方向，弯曲点下游水流向内岸汇聚，这于正常的河流有所差异，正常河流在弯曲点上游水流已向内岸的汇聚(图4(A))。Keevil [ 22 ] 等人开展了牵引型水槽模拟实验研究，他认识到在水道弯曲点处(Bend 1、2、3)，水道底部水流截面速度大，且底部截面速度方向由内岸流向外岸，顶部截面速度由外岸朝向内岸，随着搬运距离的增大，水道溢岸作用逐渐减弱。在两个拐点处(Infl. 1&2)水流横向速度方向与弯曲处的方向一致，但不发生溢岸作用(图4(B))。 Imran [ 23 ] 等人开展水槽实验认为在弯曲处存在多个环形水流，最下部的环形水流方向为顺时针，与正常河流一致，并且他通过数值模拟技术验证了这一认识，从数值模拟得到的横向速度矢量图可以看出(图5)，截面处发育两个环形水流，下部环形水流规模大，下部环形水流单元与正常河流中观察到的水流方向相似，他认为下部环形水流是由于离心力和引起漩涡流的压差力之间的不平衡导致的，而上部的环形水流是由于水流速度梯度反转而造成的。该水槽实验得到的结果和Corney等开展水槽实验得到的结果有所差异，Imran等认为主要是由于Corney采用的水道模型具有较大的弯曲度，造成较强的溢岸作用，导致底部环形水流不发育。 图3. 正常河流与重力流流体速度对比(Corney et al.， 2006) 图4. 正弦形状水道重力流流体速度特征(Peakall et al.， 2007; Keevil et al.， 2006) 图5. 单弯曲水道弯曲处流体截面速度(Imran et al.， 2007) 流体浓度：Keevil [ 24 ] 等人采用水槽内嵌正弦形状水道模型开展水槽实验，超声浓度测量仪(UHCM)记录了弯曲点和拐点处的浓度变化特征，可以看出：浓度最高处位于距离水道底床附近，随着距离底床距离越大，浓度降低；拐点处的浓度比弯曲处的浓度略高(图6(A))。Peakall [ 25 ] 等人也研究了重力流沉积过程浓度变化特征，研究表明：流态及水道弯曲度都会影响流体浓度的变化，弯曲水道相对于顺直水道，浓度变化更大(图6(B))；超临界流的浓度变化较为明显，靠近水道底部浓度最大，向上减小，亚临界流的浓度变化不明显，尤其在水道中下部，浓度几乎不发生变化(图6(C))。 图6. 重力流沉积过程流体浓度特征(Keevil， 2006; Peakall， 2015) 流态转换：水槽实验研究表明由滑塌所触发的黏性碎屑流在向下游搬运过程中常常会发生一系列的流态转换 [ 26 ]，超高密度的碎屑流在搬运过程中(图7(A))，上界面被部分侵蚀形成高密度浊流(图7(B))，随着搬运距离的增加，高密度碎屑流转化为中等密度碎屑流，同时碎屑流块体进一步分解，转化为高密度浊流(图7(C))，随着搬运的继续，碎屑流完全分解，转化为浊流(图7(D))，随着搬运距离的进一步增加高密度浊流向低密度浊流进一步转化。由于自然界重力流的搬运距离长，一般难以对其转换过程开展野外检测，然而水槽实验可有效的揭示重力流的转化机制及控制因素。 超临界重力流：超临界沉积物重力流是指在深水环境中弗劳德数大于1，沿水下斜坡向盆地中心搬运、在水力跳跃机制作用下发生超临界流与亚临界流频繁转化、形成易于保存的大型波状旋回坎的高密度流。它是深水环境中一种较为重要的流态，由于其强烈的侵蚀能力，保留下来的沉积地貌较少，难以通过野外露头资料分析超临界流对海底地貌及沉积展布的影响作用，水槽模拟则可有效揭示超临界流沉积地貌及形成过程，水槽模拟实验表明：随着弗劳德数不断增大，超临界重力流形成的沉积底形变化过程为(图8)：稳定逆行沙丘–不稳定逆行沙丘–流槽及凹坑–旋回坎。同时水槽实验揭示超临界沉积物重力流形成的主控因素包括：沉积物浓度、地形坡度、流体流量和流体厚度 [ 27 ]。 图7. 基于物理模拟所建立的重力流流体转换过程模拟(王星星等，2018) 图8. 超临界重力流沉积底形变化过程(Kostic et al.， 2010) 3.2. 重力流沉积特征 水道沉积特征：Peakall [ 21 ] 等人通过水槽实验研究进一步认识了重力流水道沉积特征，研究认为(图9)：水道沉积厚度较大的区域基本位于最大弯曲的下游方向，靠近内岸，且随着时间增加厚度越来越大，沉积的内岸坝始端位置保持不变，随着时间的推移，向水道下游不断进积，内岸坝的形成是由于在弯曲点下游水流向内岸汇聚，类似于正常曲流河的点坝沉积，但沉积位置更靠近下游方向。侵蚀区主要位于弯曲顶点处，且靠近外岸，随着时间推移，侵蚀作用越来越强，并且随着搬运距离的增大，侵蚀作用减弱。 图9. 重力流水道沉积特征(Peakall et al.， 2007) Straub [ 28 ] 研究成果表明：每一次水流形成层状沉积，后期水流对早期沉积物无再改造作用；每期浊流的沉积粒度及厚度沿着向水道远端减小(图10(C)，图10(D))。沉积最厚及粒度最粗的区域分布在河道中心线靠向外岸一侧(图10(A))，这与前述研究认识相反，straub认为这主要是由于模拟条件不一致造成的。同时，Straub对天然堤的沉积特征进行了研究(图10(B)，图10(D))，可以看出随着距离的增大，天然堤的厚度及粒度逐渐降低的；内外岸的天然堤不对称，外岸处的天然堤更为发育，内岸处的天然堤厚度薄，粒度细；靠近外岸的天然堤具有较大的坡度，且随着距离增大，坡度逐渐降低。Kane [ 29 ] 通过水槽实验认识到：外岸天然堤为形态为平行河道的长条状，内岸天然堤形态为丘状沉积，弯曲点及下游外岸较内岸天然堤厚度大。 图10. 重力流水道及天然堤沉积变化特征(Straub et al.， 2011) 凹岸坝：由于水道弯曲凹岸处侵蚀作用比较强，故在深海水道的水槽以及数值模拟实验中，基本无法模拟出自然界状态下水道弯曲凹岸处的砂体堆积。Straub 在水槽实验中将水道内通过的一般浓度流体改为物源供给十分强烈的流体后，水道弯曲凹岸处的砂质沉积物在水槽实验中才少量产生。国内学者冯潇飞、赵晓明等人研究了凹岸坝形成的主控因素 [ 30 ]，研究表明：凹岸坝形成的主控因素主要包括水道曲率及宽度，当水道弯曲处曲率较大时，凹岸坝发育；对于水道宽度而言，研究表明宽度较窄、以垂向加积为主的末期水道凹岸坝较为发育，而对于整体宽度较宽、以侧向加积为主的早期被强烈侵蚀的水道凹岸坝较难完整保存。通过对凹岸坝形成机制的研究表明，凹岸坝主要是由于惯性离心力作用形成的，在物源供给充足情况下，水流流经水道，在水道曲率较大的弯曲处，由于惯性离心力作用使得流体产生快速的流体超高，当流体内沉积物则产生明显的分层，上层为粒度较小的悬浮负载颗粒，下层为粒度较粗的砂质颗粒，在惯性力作用下流体发生剥离，上层流体密度较小的部分向上爬升越过内天然堤形成溢岸沉积，之后水道弯曲处流体流量迅速减小，其所携带沉积物负载的能量也随之减弱，因此沉积物快速沉降，在水道弯曲处形成凹岸坝。 3.3. 重力流沉积过程主控因素 宽深比 [ 29 ]：水槽实验研究表明，随着宽深比的降低，水流速度变化幅度有所降低，在高宽深比条件下，随着搬运距离的增大，水流速度在P2和P3处依次减小幅度为50%和85%，在中等宽深比条件下，随着搬运距离的增大，水流速度在P2和P3处依次减小幅度为40%和70%。在高宽深比条件下，随着搬运距离的增大，水流速度在P2和P3处依次减小幅度为12%和55% (图11(A))。宽深比也影响沉积量的变化，随着宽深比降低，水道内沉积体积有所增加，宽深比在ar8处达到最大，之后沉积体积减小；随着宽深比降低，溢岸沉积体积相对不变，在到达ar8后，溢岸沉积体积快速减少；随着宽深比降低，沉积过路作用随着宽深比的减少，进一步加强，也就是说水道限制作用加强，沉积过路作用增加(图11(B))。 图11. 宽深比对重力流沉积特征的影响(Kane et al.， 2008) 坡度 [ 31 ]：水槽实验表明，对于顺流速度，随坡度增大，顺流速度增大，且顺流速度变化幅度越来越大，在坡度为1度时，顺流速度随高度的变化不明显，在坡度为3和5度时，最大顺流速度靠近水道底部(图12(A))。对于截面速度，随坡度增大，截面速度增大；最大截面速度进一步向外岸迁移，且流体抬升作用增大(图12(B))。 图12. 水道坡度及规模对重力流沉积特征的影响(Keevil et al.， 2007) 水道规模 [ 31 ]：水槽实验表明，随着水道规模增大，最大顺流速度略有增大(图12(C))；对于截面速度，随水道规模增大，流速略增大，且进一步向凹岸迁移，流体抬升作用增大(图12(D))。 流体势能与弯曲势能的比值 [ 28 ]：Straub等人研究表明，流体势能(密度 × 速度)与弯曲势能(密度差 × 重力加速度 × 满岸深度)的比值影响重力流沉积特征，当比值大于1时，水道将不能限制内部流体，流体将冲出水道，比值越小，水道对流体的限制能力越好，水道化程度越高，溢岸沉积越不发育，当比值大于1，弯曲则完全不能限制浊流，浊流将沿着原始路劲冲出水道。 科里奥利力 [ 32 ]：Cossu等人在水槽池下部安装了旋转系统模仿地球自转，进而研究了科里奥利力对重力流沉积过程的控制作用，研究表明：无科里奥利力条件下，水流在离心加速度的作用下，流体顶界面向外岸弯曲倾斜(图13(A))；在正科里奥利力(北半球)条件下，由于科里奥利力和离心力作用在同一方向，流体顶界面向外岸弯曲的倾斜度进一步增加(图13(B))；在负科里奥利力(南半球)条件下，由于科里奥利力与离心力相反，流体顶界面几乎水平(图13(C))；在南半球纬度更高的地区，由于科里奥利力增强且超过离心力作用，使流体顶界面向内岸抬升(图13(D))。 图13. 科里奥利力对重力流沉积特征的影响(Cossu et al.， 2010) 悬浮沉积物粒径及浓度 [ 26 ]：随着悬浮沉积物粒径变粗或悬浮沉积物浓度的降低，深水沉积朵体的长宽比逐渐变小，朵体形状由长条状逐渐变为扁圆状，朵体厚度也逐渐变小。