重力流

2.重力流的机械搬运和沉积作用沉积物重力流(gravity flow)是水下由重力推动的一种含大量碎屑沉积物质(包括粘土)的高密度流体。

当这种流体在斜坡上聚积，其位能大于与底面或与水体界面的摩擦阻力时，便产生流动，逐渐形成高速的重力流。

重力流的沉积过程常常是在一定位置上整体沉积。

在流动时，以整体形式搬运，并且有明显的边界，所以有人把重力流称为整体流(块体流)。

米德尔顿和汉普顿(Middlton and Hampton,1973)对水底重力流进行了系统研究，根据颗粒的支撑机理和堆积的沉积物类型，可分成四类，即泥石流、颗粒流、液化流和浊流。

(1)泥石流（碎屑流, debris flow）定义：是一种含有大量粗碎屑和粘土、呈涌浪状前进的粘稠流体。

换句话说：是一种砾、砂、泥和水相混合的高密度流体。

发育部位和条件：在陆上山麓环境中常见。

泥石流流动所需坡度大于牵引流，一般为5°左右。

在水体中也能形成泥石流，如峡谷的源头处，海底扇的顶部。

但水体中的泥石流易被周围的水稀释，凝聚力减少，颗粒粒度变细，逐渐失去泥石流性质。

组成：泥石流中含水量仅40-60%，密度为2-2.4，粘度可高达100Pa·s (纯水仅0.001Pa·s)。

形成机理:由“基质凝聚力”支撑，即砂砾在块体内被填隙的粘土和水的基质起着支撑和搬运动力（泥和水混合组成的杂基支撑着砂、砾使之呈悬浮状态被搬运）。

沉积特征: 基质支撑结构的砾石质泥岩或含砾粗砂质泥岩。

水下重力流的四种类型(2)颗粒流（grain flow）定义：颗粒之间没有粘结力或凝聚力的流体（无凝聚力颗粒（砂、砾）所组成的重力流）。

发育部位和条件：未固结的颗粒沉积物(物质基础)，斜坡(部位)，地震、风暴（诱发因素）。

颗粒的扩散应力是颗粒流能形成流体的基本因素，它促使沉积物“液化”，未固结的砂体是经过分选、冲洗较彻底的高能产物，因突然受地震、暴风浪的强烈作用，使局部斜坡变陡或沉积物不稳而崩落，并顺坡高速向深部流动，最后在坡脚散开而沉积。

压力流和重力流压力流；周围被约束、没有自由表面(液体和气体的分界面)的液体流动。

最常见的压力流是满管流（见管流），即液体充满管道的流动。

液体未充满管道的流动遵循无压流的规律。

压力流按其流动特性是否随时间改变可分为定常压力流和非定常压力流。

定常压力流流动特性不随时间改变的压力流。

研究定常压力流的目的在于找出管道特性和流动特性之间的关系，这种关系随流动状态而不同。

在直线圆形管道中，如流动特性不沿流程改变则称为均匀流，这时流动状态随管道雷诺数Re=vD/ν而改变,式中v为平均流速,D为管道直径,ν为运动粘性系数。

雷诺数小于2000时为层流；向湍流过渡的雷诺数在2000～4000之间；4000以上为湍流。

定常压力流的流动特性和管道特性之间的关系，可参见管流。

非定常压力流流动特性随时间改变的压力流。

管道阀门启闭，水力机械启动、负荷改变或停机过程中的流动皆是不定常压力流。

若关闭或停机的速率很快，由于水流的惯性，液体将被压缩而产生水击。

分析这一流动时必须考虑液体的可压缩性。

分析可压缩非定常压力流时,常用平均流速v、压力p、管道横截面积A、密度ρ等量,并将流动简化为一维问题。

这时流动特性是距离s和时间t的函数。

连续性方程为：。

运动方程为：+Aρ|v|v/2D=0。

上式中z为管道高程；f为摩擦系数，它是雷诺数Re和管道内壁相对粗糙度ε/D的函数(见管流)；第四和第五项分别代表重力和管壁摩擦阻力的作用。

液体受压缩时的状态方程为，由此推出：,式中K 为液体的体积弹性模量。

如果不考虑管壁的惯性，则弹性圆形管道的变形方程为，由此推出：,式中δ为管壁厚度；E为管壁材料的弹性模量。

略去高阶小量后可得出下列方程组：, , 式中c为压力波传播速度。

这是一组双曲型微分方程,可用有限差分方法或特征线法进行数值计算。

应用这些方程可计算水击压力。

重力流；由重力而引起的气流和水流。

所谓重力流就是没有压力的情况下，完全依靠排水管道的倾斜坡度（高差）重力自流。

重⼒流的概念及形成条件今天开始要介绍重⼒流沉积的相关知识，先来看看重⼒流的概念。

重⼒流是海洋或湖泊中，在重⼒的作⽤下，沿⽔下斜坡或峡⾕流动的，含⼤量泥砂并呈悬浮状态搬运的⾼密度底流。

从下图可以看到，重⼒流为通过海底峡⾕形成在⼤陆坡与洋盆之间的扇形体，也就是之前介绍过的陆隆区域，陆隆就是由⼀系列的海底扇相互叠合交叉形成的。

这⾥有个观点需要注意，重⼒流与牵引流的区别就在于，重⼒流中碎屑物是主动的、流⽔是被动的，碎屑物带着流⽔运动；⽽牵引流中碎屑物是被动的、流⽔是主动的，流⽔带着碎屑物运动。

同时，重⼒流是⼀种底流，底流就是在流体的底部运动，这也是由于它的密度⼤所造成的，属于其重要的特征之⼀。

下⾯来看看重⼒流的类型，按照流体的⽀撑机理主要可以分为4类：碎屑流、颗粒流、液化流和浊流。

碎屑流是以基质⽀撑，这⾥的基质⼀般是指粘⼟、细粉砂，从图中可以看到碎屑流中砾⽯是漂浮在粘⼟细粉砂杂基之中的；颗粒流是以颗粒为⽀撑的，依靠颗粒与颗粒碰撞流动。

液化流是以颗粒间的超孔隙压⼒⽀撑的，就是说颗粒与颗粒之间的流体压⼒⼤于上覆地层的压⼒，沉积物可以在其中流动。

浊流是由湍流⽀撑的，形成的岩⽯为浊积岩，具有鲍马序列。

再来看重⼒流的形成条件，主要有以下四点：1、重⼒流是在⼀定的滞⽔环境和⾜够的⽔深，为风暴浪基⾯之下，太浅会被风暴搅起再沉积；2、⾜够的坡⾓；3、充沛的物源；4、⼀定的触发机制，⽐如构造运动、洪⽔、地震、海啸巨浪、风暴潮和⽕⼭爆发。

今天先更新到这，下次讨论浊积岩的基本特征。

Ps：湍流是流体的⼀种流动状态。

当流速很⼩时，流体分层流动，互不混合，称为层流，也称为稳流或⽚流；逐渐增加流速，流体的流线开始出现波浪状的摆动，摆动的频率及振幅随流速的增加⽽增加，此种流体称为过渡流；当流速增加到很⼤时，流线不再清楚可辨，流场中有许多⼩漩涡，层流被破坏，相邻流层间不但有滑动，还有混合。

这时的流体作不规则运动，有垂直于流管轴线⽅向的分速度产⽣，这种运动称为湍流，⼜称为乱流、扰流或紊流。

第9章--重力流沉积及沉积相第9章重力流沉积及沉积相第一节概述一、浊流理论的意义浊流理论的提出，可算作碎屑岩研究的一场大革命（Walker,1973）。

明确提出浊流和浊流岩概念的是Johnson（1938），里程碑是1950年Kuenen and Migliorini的文章《浊流是形成递变层理的原因》以及1962年鲍玛发现鲍玛层序。

浊流理论解释了许多以前无法解释的现象，更找到了丰富的油气。

一方面，人们认识到深海（湖）中沉积的碎屑物质是由高密度浊流搬运和堆积，因而消除了认为砂泥间互的复理石沉积是由构造垂向频繁活动而引起深水和浅水交替沉积的产物的简单结论；另一方面，浊流理论还能解释某些反常现象，打破了多年来占统治地位的砾石在岸边，泥质沉积在深水的重力分异作用的概念。

二、重力流简介（一）浊积岩的广义概念广义的浊积岩是泛指形成于各种深水沉积环境的各种重力流沉积物及其所形成的沉积岩的总和。

水下沉积物重力流包括泥石流、颗粒流，液化沉积物流和浊流，这些我们已在前面的章节中学习过。

在这里，浊流只是重力流的一种，这是浊流的狭义含义。

（二）重力流沉积作用简介沉积物重力流物质可以来自峡谷长轴向岸的上端，也可来自短轴方向，又可以是多方向的。

物质到达峡谷后，总是沿峡谷长轴下倾方向流动。

在峡谷下部，有部分最粗的砂砾沉积下来；到了峡谷出口处，由于它处于大陆斜坡到深海平原的转折处，因斜坡变缓，重力流速度骤减，大量碎屑物质在这里堆积下来形成扇状堆积体，称为海底扇；细的碎屑物质再向前搬运，在海底平原上扩散开来，形成宽广平坦的席状浊积层。

可见，海底峡谷→海底扇→海底平原是重力流搬运所经的途径，也是它的不同沉积场所。

总之，无论是在海洋还是在湖泊中，重力流都是沿水下斜坡或峡谷流动的、含大量砂泥并呈悬浮搬运的高密度底流。

也就是说，重力流与一般水流不同，它是含大量泥、砂、砾石等碎屑物质的高密度流，这些物质呈悬浮态搬运，在密度比它低的水体之下流动，而且流速很大，这是一种非牛顿流体。

重力流、浊流、浊积岩的沉积模式以及相关的一些知识深水浊积扇与滑塌浊积扇是寻找隐蔽油气藏的重要场所，浊积扇砂体以其有利的生储盖组合条件成为油田最具潜力的勘探目标之一。

二、什么叫沉积物重力流、浊流、浊积岩?沉积物重力流(Sedimentgravityflow)是指沉积物或沉积物与水的混合物在重力作用下，顺斜坡运动形成流动，简称沉积物流，也称块体流。

按支撑沉积物的颗粒机制的差异，可分为4类:a.浊流，沉积物主要由流体湍流的向上的分力支撑;b.液化沉积物流，沉积物由粒lbJ逸出的向上运动的流体支撑;c.颗粒流，沉积物直接由颗粒与颗粒间的相互作用(碰撞或紧密靠近)所产生的分散应力支撑;d.碎屑流，沉积物中较粗颗粒由基质支撑，基质是较细的沉积物与孔隙内流体的混合物，它有一定的屈服强度。

四种主要的沉积物重力流(Middleton&Hampton，1973)浊积岩(turbidite)就是由浊流沉积作用而形成的岩石组合。

狭义的浊积岩(典型浊积岩)是指可以用Bouma序列描述的、由经典浊流沉积而形成的;广义的浊积岩是指形成于深水环境的各种类型重力流沉积物及其所形成的沉积岩的总称。

它既包括典型浊积岩，也包含不能用Bouma序列描述的岩系(通常所说的沟道浊积岩)，如块状砾岩、块状砂砾岩、块状砂岩、或由顺坡的块体运动形成的一些滑塌堆积，甚至包括远洋泥页岩等。

沉积物重力流按流变学演化示意图(Donad.R.Lowe，1982)在自然界中出现的沉积物重力流，常常包含一种以上的机制，在不同的阶段有不同的表现，即使经典浊积岩也不能简单地理解为单一的湍流支撑和悬浮作用，其下部的块状段也包含隙间流体的向上流动和颗粒碰撞产生的分散应力支撑，而在沉积的后期阶段还有牵引作用。

而且这几类沉积物重力流在其流动过程中是可以互相转化的，最常出现的是向浊流转化，如碎屑流加水稀释、颗粒流加水和泥，液化流加水均可变成浊流。

所以，这4类沉积物重力流中以浊流最普遍。

按压力获取方式分类按压力获取方式不同可分为机压输水系统和自压输水系统。

1.机压（水泵提水）输水系统它又分为水泵直送式和蓄水池式。

当水源水位不能满足自压输水要求时，要利用水泵加压将水输送到所需要的高度或蓄水池中，通过分水口或管道输水至田间。

目前，井灌区大部分采用直送式。

2.自压输水系统当水源较高时，可利用地形自然落差所提供的水头作为管道输水所需要的工作压力。

在丘陵地区的自流灌区多采用这种形式。

浅谈长距离重力流输水管道中的压力特点一、重力流输水的分类根据水力学的重力流输原理，我们将供水系统的重力流输水分成了以下两类。

明渠或者暗涵均可以划分为第一类无压流输水，而另一类是承压流输水一般而言指的也是暗涵。

所谓的无压流输水就是在输送途中不产生水压，类似与自然界的河水流态。

无压流输水在输水过程中流速的缓急完全取决于地形的陡峭程度，渠道的坡度决定了水流的坡度。

无压流输水的供给目的地一般都是开阔的蓄水池、水库等无压力且足够大的储水地。

承压流输水在输水过程中则主要依赖于动水压力和静水压，它的输送原理和水泵加压输水也有差别。

但用承压流输水方式进行供水的时候，水需要流经暗管，进入管道后就形成了压力，压力的大小与输送管道的长短相关。

因为承压流输水管的压力由静水压和动水压力组成，所以在水力坡度与地势一致时，动水压力就不存在，只剩下静水压；当停止输水并保持管道中的水充盈状态，此时管道末端的静水压力最大。

由于承压流输水输送的水压力很大，所以这种形式的供水可以直接提供水到城市供水网或者高处建筑物。

二、重力流输水的特点由于重力流输水有节约能源、操作便捷、成本低、投入少等好处，所以该供水方案成立当前最佳的供水选择。

但是重力流输水也存在自身的局限性，在地势平坦的地区就不能实现重力输水，一定要在有一定地形高度差的地方才能实行。

在重力流输水供水过程中，目标供水地的不同对地势的要求也不一样，例如城市供水管网的用户过多，需要的压力也随着增加，这就需要较为陡峭的地势才能产生足够大的压力，保证城市供水管网的水资源供应。