综述：密度流和浊流形成的床形：从涟漪到循环阶跃的综述

《Earth-Science Reviews》：Regimes of bedforms created by down-slope density currents

这篇综述系统梳理了密度流（turbidity currents）和浊流（density currents）形成的各类床形（bedforms），从亚临界流（subcritical regime）的涟漪（ripples）和沙丘（dunes），到超临界流（supercritical regime）的下游迁移反沙丘（DMA）、上游迁移反沙丘（UMA）和循环阶跃（CS）。文章通过实验和野外数据，建立了基于弗劳德数（Frd）、希尔兹数（τ*）和床形几何参数的分类图谱，为解读古代和现代海底沉积记录提供了关键诊断工具。

　　

引言：海底的“沙波”之谜

在深邃的海底，强大的密度流和浊流如同水下河流，塑造着丰富多彩的床形地貌。这些床形不仅是水流动力条件的忠实记录者，更是解读地质历史中沉积过程、古水流和古环境的关键密码。从微小的涟漪到绵延数公里的巨大沉积波，它们的形态、尺寸和迁移方向共同构成了一部复杂的水动力学“语言”。长期以来，研究者们试图解读这种语言，将海底观测、水槽实验和河流动力学理论相结合，以期建立一个统一且实用的床形分类体系。

床形分类与流体动力学基础

床形的本质是水流与可动床面之间相互作用的产物。其类型主要受控于两个核心无量纲参数：基于重力的弗劳德数（Fr_d）和基于颗粒起动的希尔兹数（τ*）。弗劳德数区分了亚临界流（Fr_d < 1，流速小于波速，扰动可向上游传播）和超临界流（Fr_d > 1，流速大于波速，扰动仅影响下游）。对于密度流，常使用密度弗劳德数（Fr_d = U / √(g' H)），其中g'为减量重力加速度。

值得注意的是，密度流的垂向结构通常分层明显，存在一个靠近床底、承载大部分动量和输沙的基底层（basal layer）。因此，分析密度流床形时，使用基底层的参数（如基底层厚度H_b、基底层弗劳德数Fr_db）比使用全流深参数更为合理，这使其能与结构相对均匀的河流水流进行更有效的对比。

亚临界流体制下的床形：涟漪与沙丘

当密度流处于亚临界状态（通常对应较缓的坡度，S < ~0.3%），会形成向下游迁移的不对称床形。

涟漪（Ripples） 是规模最小的床形，其波高（Δ）与基底流厚（H_b）之比通常小于1/6，波长（λ）与中值粒径（d₅₀）之比通常小于2000。它们通常由较细的沉积物组成，床面粗糙度较小，其形成与粘性底层的发展密切相关。涟漪具有明显的下游不对称性（陡峭的背流面，平缓的迎流面），并在背流面发生水流分离。其内部沉积构造常显示向上变细的序列。

沙丘（Dunes） 在形态上与涟漪相似，但规模更大，Δ/H_b > 1/6 或 λ/d₅₀ > 2000。沙丘形成于水力粗糙床面，床面颗粒粗糙度足以破坏粘性底层，导致床面附近湍流活动剧烈，床载和悬移质输沙均较活跃。与涟漪一样，沙丘也向下游迁移，并显著影响上覆水流的界面。实验表明，密度流形成的沙丘其形态和尺度关系与河流沙丘具有很好的可比性。

超临界流体制下的床形：反沙丘与循环阶跃

当坡度变陡（S > ~0.3-1.0%），密度流更容易加速进入超临界状态，此时会形成一系列独特的床形。这些床形的一个共同特征是，其形态与水流自由表面或密度界面存在明显的同相位或反相位关系，即床形波谷对应流线收敛、流速加快的区域，波峰对应流线发散、流速减慢的区域。

下游迁移反沙丘（Downstream-Migrating Antidunes, DMA） 是近于对称或略呈下游不对称的床形。水流在整个床形上保持附着状态，不发生分离。沉积物在波峰处堆积，导致床形整体向下游迁移。DMA的陡度（ζ = Δ/λ）通常中等偏高。

上游迁移反沙丘（Upstream-Migrating Antidunes, UMA） 是典型的对称或轻微上游不对称的正弦波形床形。其形成机制在于：水流在迎流面（stoss side）因流动扩张而减速增厚，导致沉积物发生净堆积；在背流面（lee side）则因流动收缩而加速变薄，发生净侵蚀。这种沉积与侵蚀在空间上的差异，导致床形整体向上游方向迁移。UMA通常具有较低的陡度。

循环阶跃（Cyclic Steps, CS） 是超临界流体制下规模最大、也最富特征的床形。它们由一系列被水跃（hydraulic jump）分隔的阶梯状地形组成。在每个阶跃的背流面，水流为薄而快的超临界流；水流越过阶跃后，在水跃处突然减速、增厚，转变为厚而慢的亚临界流，并在长长的迎流面上运行，直至下一个阶跃的起点再次加速为超临界流。CS总是向上游迁移，其波长很长（k_b很小），波高和陡度变化范围很大，不对称性可从明显下游不对称到上游不对称。CS的形成需要足够陡的底坡和强大的水流，常见于海底峡谷、水道和陡坡环境。

超临界沙丘（Supercritical Dunes, SD）和超临界涟漪（Supercritical Ripples, SR） 在超临界流中也能形成向下游迁移的、具有流动分离的不对称床形。它们与亚临界流的沙丘和涟漪在形态上相似，但形成的水动力背景不同。区分它们与DMA/UMA的关键在于是否存在稳定的流动分离区。

关键控制因素与判别图谱

床形的最终类型是多种因素共同作用的结果：

1. 1.
   底坡（S）：是控制弗劳德数 regime 的首要因素。缓坡（<0.3%）利于亚临界流和涟漪/沙丘发育；陡坡（>1%）则几乎总是导致超临界流和各种反沙丘、循环阶步的出现。
2. 2.
   流量与密度：更大的流量（单位宽度的流量q_b）和更高的超量密度（ρ_b - ρ_a）会增强水流能力，通常产生更大尺度的床形。
3. 3.
   沉积物粒度（d₅₀）：在相同水流条件下，较粗的沉积物倾向于形成UMA，中等粒度利于DMA，而较细的沉积物则易形成SD/SR。
4. 4.
   几何形态：床形的不对称性（A）、陡度（ζ）和迎流面坡度（S_s）是重要的判别指标。例如，正的迎流面坡度（S_s > ~0.3%）是UMA区别于CS的有力证据。

研究者们综合这些参数，构建了多种判别图谱（如Kennedy图、Shields图），并提出了一个实用的流程图，帮助研究者在缺乏直接水流观测数据的情况下，仅根据床形几何形态和区域底坡来推断其可能的类型和形成时的水流 regime。

野外实例与地质意义

综述中列举了全球范围内大量的海底床形实例，从活跃大陆边缘的峡谷（如蒙特雷峡谷Monterey Canyon、劳伦仙峡谷Laurentian Valley）到火山岛翼的沉积扇（如留尼汪岛La Réunion），这些实例验证了分类方案的适用性。例如，蒙特雷峡谷中游的凹面朝向上游的床形，结合其陡峭的底坡和观测到的高速浊流，被解释为UMA。而弗雷泽三角洲前缘斜坡上规模巨大、向上游迁移的沉积波，则被认为是CS的典型代表。

准确识别古代岩石记录中的床形类型，对于重建古水流、古坡度、古水深和沉积物供给等古环境条件至关重要。例如，识别出CS可以指示陡峭的古坡度和高能量的沉积事件（如浊流）；而保存良好的UMA则可能指示持续稳定的超临界流条件。这些信息对于油气储层表征、地质灾害评估以及理解地球历史中的气候变化和沉积过程都具有不可估量的价值。

结论与展望

这篇综述系统性地整合了密度流和浊流床形的研究成果，建立了一个基于水动力原理的、统一的分类框架。它强调了使用基底层参数分析密度流床形的重要性，并提供了可用于野外和古代沉积记录解释的实用工具。未来的研究需要更多结合了同步水流、地形和沉积物测量的现场观测，以进一步厘清床形动力学细节，并探索非常规条件（如高浓度、生物扰动、多期叠加）下的床形演化规律，从而更精确地解读这部写在海底的“动力之书”。