海底浊流及其沉积的若干重要基础问题的实验研究

在综合分析国内外研究水下重力流各种实验成果及设施的基础上，建立一在尺度及性能均优的研究海底浊流及其沉积的水槽及其配套设施，通过实验来一方面检验最近我们关于水下重力流的理论及数值模拟分析的一些重要的新的发现：如水下重力流的临界弗雷德数不为1及水下重力流的水卷吸系数为底坡坡度的线性函数等；另一方面也通过实验研究不同地形及环境条件下的水下浊流和其沉积之间的关系，为探索浊积岩的沉积机理、由浊流沉积相推断浊流沉积环境及原始油气储层的形成条件、及为验证相关的数值计算模拟提供宝贵的实验基准数据库。

本项目“海底浊流及其沉积的若干重要基础问题的实验研究”的提出是在已有的有关重力流或海底浊流的实验均是针对单一坡度且缺乏获得有关断面比能数据的背景下提出的，主要研究内容为探讨在大范围（0～15°）变化的坡度对重力流的流动、环境流体的夹带（entrainment）、及沉积结构和构造的影响，同时也首次从断面比能的角度对重力流进行全新的分析。经4年的研究，可以说，研究使我们发现了底坡坡度对浊流的流动性质、夹带系数及沉积结构和构造起着主要的控制作用。具体的重要研究结果有：1）有关重力流的本质特性的再认识/对于斜坡上的过量密度比小于10%(波西勒斯克假设适用的/Bossinesq assumption applicable)多数重力流（包括海底浊流）来说，尽管其密度弗雷德数大于1（理查德森数小于1），但从断面比能(specific energy)角度去观察，和明渠流不同其依然为缓流（subcritical），其仅在波度转换的一小段距离内呈现急流(supercritical)的特性，其科学意义在于可以帮助我们科学地预测坡道转换处的海底浊流的沉积可能比我们原来设想的由水下水跃(subaqueous hydraulic jump)所产生的杂乱沉积要规律的多；2）坡度对海底浊流沉积的结构及构造的强控制作用/坡度小于2°时，沉积呈由上游至下游的厚度渐渐减小、粒度渐渐变细而缺乏垂向变化的特征；坡度位于2～4°之间时，多次类似浊流事件后的沉积呈典型的在野外实测中观察到较多的向上游迁移式台阶（cyclic steps），台阶内部沉积物分选程度差；坡度大于4°时，斜坡上为侵蚀，而在下游坡度转换处由弱水下水跃形成一向上游迁移的较大隆起，其内部具明显的各次浊流事件沉积的底部粗上部细及迎流面粒径较粗，被流面较细的沉积韵律结构，其科学意义在于为我们根据浊流的沉积结构及构造来推测古环境及根据现代的地形预测将来的浊流的沉积变迁提供了较为系统的依据；3）揭示了向上游迁移式循环台阶（cyclic steps）的成因及其形成条件/成因为坡道转换处的初期扰动渐渐向上游传播形成粗细颗粒相间沉积的初期被不平整进而形成上游迁移式台阶；其形成条件有二个，一是浊流含有多种粒径的颗粒，二是在浊流对应所含粒径的一定的坡度范围内。其科学意义在于揭示了循环台阶的形成机理，可为我们对水库、海港、海岸及洋底的管理及开发提供一定的参考。