周川闽，张志杰，邱振，成大伟，袁选俊，刘银河，黄秀

1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083

2.提高石油采收率国家重点实验室，北京 100083

0 引言

沉积物理模拟通常指在限定的实验条件下，对自然环境中所发生的沉积过程进行模拟，以准确测定各种物理参数，并据此分析沉积物起动、输运、沉积和分布等的一种重要的沉积学研究技术。其发展及应用对于研究水利工程、环境科学、环境工程、土壤学、海洋学、古环境及油气勘探等具有重要意义。水槽是沉积物理模拟的主要载体，“水槽”一词源于拉丁文，现在泛指用于输送流水的倾斜槽道[1]，广义的水槽还包括风洞、管路中的槽道及沉降管（或水池）等。自然环境可视为天然的“水槽”。早期沉积物理模拟实验多应用于工程技术研究[2]，随后被广泛应用于沉积地质学、生物学和地质灾害防治等领域[3-6]。

前人利用水槽实验分别研究了无黏性沙和黏性土（或泥沙）的输运与沉积。其中，无黏性沙（>62.5 μm）主要由砂级和砾级颗粒组成，可进一步划分为无黏性均匀沙和无黏性非均匀沙两类；黏性泥沙主要由黏土（<2 μm）和粉砂（<62.5 μm）级颗粒组成，含有数量不等的有机质及少量细砂[7]。无黏性沙的运动和沉积相对简单，前人已建立一系列公式用于描述颗粒的运动属性（包括沉速、受力情况、起动条件和运动状态等）、水流的动力学特性（包括紊动、流速、阻力、挟沙力和流变学特性等），以及沙波的运动状态等[8-10]，如斯托克期定律[11]、斯坦诺方程[12]、掺混长度理论[13]、水流及泥沙运动的连续性方程[14]、梅叶—彼德方程[15]、拜格诺方程[16]、爱因斯坦床沙质方程[17]等。因粒间的物理化学作用力（如化学键力、氢键力和范德华力）非常显著，颗粒易黏结形成絮团[18]和絮团集合体，这使得黏性泥沙的侵蚀、输运和沉积要比无黏性沙要复杂得多。前人在黏性泥沙的起动、输运和沉降等方面也开展了大量研究，并取得一批重要的成果认识[8-9,19-27]，但因影响因素众多，沉积过程复杂，多数成果仍停留在定性探讨阶段，相关问题仍有待深入研究。

当有机质含量足够高时，黏性泥沙即为石油地质关心的富有机质细粒沉积岩的前身物，其长期以来一直是石油地质学术界最为关注的研究对象[28-32]之一。近年来，随着非常规油气的快速发展，有学者呼吁将细粒沉积研究上升为“细粒沉积学”[33-34]和“非常规油气沉积学”[35-36]。细粒沉积物的概念由Krumbein[37]于1933 年提出，特指多数颗粒直径<60 μm的碎屑沉积物，包括黏土（岩）、页岩、粉砂（岩）及冰碛物。细粒沉积岩是指以粒径<100 μm 的颗粒为主（>50%），主要由黏土矿物和粉砂等陆源碎屑颗粒组成，或包含少量盆内生成的碳酸盐、生物硅质、磷酸盐等颗粒的沉积岩[38]。