沉積物理與數值模擬研究進展

沉積動力學研究的核心在于從機理上探究沉積物侵蝕、搬運、堆積過程、機制以及沉積環境效應，以“從過程到產物”的觀點來研究沉積演化特征。其研究的尺度小至泥沙顆粒的搬運與沉積、大至沉積盆地的充填與演化。沉積物理與數值模擬是開展沉積動力學研究的重要手段，具有實驗條件可控性、實驗結果可重復性、沉積過程正演性、模型與原型可對比性等特點。與現代沉積考察相比，沉積模擬一方面能夠克服時間、空間、以及自然條件的限制，從而更方便地研究各類沉積過程；另一方面，沉積模擬可以通過控制變量更為科學、明確地討論單一因素對沉積過程的控制作用，進而幫助人們對多因素控制下的沉積過程和產物做出更合理的解釋。傳統巖心觀察、現代沉積觀察和露頭分析等主要提供一維或二維沉積特征信息，存在時間尺度與空間尺度的局限性。而沉積物理與數值模擬可以還原沉積體的時空四維演化過程并系統采集數據，可為“人工智能 + 沉積學\"提供豐富的沉積數據樣本，在當前人工智能快速發展階段表現出尤為廣闊的發展和應用前景。

近年來，我國學者圍繞“沉積物理與數值模擬”開展了廣泛而深入的研究工作，取得了一系列重要成果。為進一步推動“沉積物理與數值模擬”理論與應用研究，我們組織了本專欄，集中討論該領域的一系列最新成果認識。本專欄共收錄了學術論文11篇，涉及河流、三角洲、重力流、細粒沉積等領域。

水槽物理實驗始終是沉積學領域最為活躍的研究主題之一，對早期沉積學關鍵概念的建立，以及當前沉積學定量化發展的推進都具有重要意義。水槽沉積物理實驗在河流和三角洲定量化研究領域涌現出一批最新成果。在河流水槽物理模擬實驗研究方面：馮文杰等采用方形水槽實驗裝置開展砂質辮狀河沉積過程模擬及定量化解剖，提出了辮狀水道與心灘的三種演化機制，包括辮狀水道側積主導心灘側向增生、辮狀水道廢棄充填并與心灘疊合、辮狀水道匯水沖刷導致下游心灘重塑；唐明明團隊洪瑞峰等開展了曲流河方形水槽物理模擬實驗，分析了供源組分和流量對曲流河形態變化的影響，認為供源沙粒徑直接影響曲流河彎曲度，在供源沙粒度和流量保持不變的條件下，高嶺土含量越高，河道寬深比越低。在三角洲水槽物理模擬實驗方面：胡光明團隊李恬恬等選取泥沙比、岸線遷移速度（湖平面下降速度）、入口流量三個影響因素，開展了淺水三角洲沉積方形水槽實驗，提出了淺水三角洲兩種發育機制，其一是分流河道分流與扇面片流交替所致的朵體與前緣交替生長，其二是河口不斷改道所致的朵體交替生長；王俊輝等通過水槽實驗研究了不同盆地水深背景下三角洲的演化特征，進一步通過分析水深對三角洲陸上、水下沉積物分配的影響，定義了平衡指數（單位時間內沉積物在陸上分配的體積與沉積物供給的總體積之比），對揭示深水、淺水三角洲地貌差異的原理，解釋除水深之外的其他因素對三角洲地貌演變的影響具有一定潛力。

近年來，面向深水沉積的新型環形水槽物理模擬實驗裝置正發揮著越來越重要的影響。孫浩南等系統分析了環形水槽在重力流沉積、深水細粒沉積等方面的發展，不僅闡明了環形水槽在還原深水復雜沉積過程中的重要作用，同時提出了環形水槽的二次環流效應以及沉積物橫向演化的追蹤對比誤差分析等進一步發展的方向。呂奇奇等基于環形水槽模擬實驗，模擬并分析了濁流攜帶細粒沉積物搬運沉積過程，發現濁流搬運下的細粒沉積物在流動過程中會出現“水下水躍”、“雙流分割”、“上浮作用”、“頭部抬升”、“新頭部”等特殊實驗現象，尤其發現的“新頭部\"現象，對分散型砂體的形成與展布規律研究具有重要意義。

沉積數值模擬是沉積學定量化研究的最新方向之一，對完整刻畫沉積時空四維演化規律具有不可替代的重要作用。胡光明團隊李恬恬等構建了基于Delf3D的淺水三角洲模擬模型，提出淺水三角洲的成長過程始終伴隨著決口導致舊分流河道的廢棄、新分流河道和河口砂壩（朵體）的快速形成，表明了決口過程的重要作用。唐明明團隊彭晨陽等基于Delf3D沉積模擬模型，定量分析了河流與潮汐聯合作用對潮控三角洲砂體分布和時空演化的影響，提出潮控三角洲生長的三個階段：河口堆積期、河流一潮汐聯合搬運期以及河流一潮汐聯合改造期。李莉和王俊輝基于Dionisos沉積數值模擬軟件，對沉積物由沖積河流穩定供給、基準面曲折上升背景下的陸架邊緣生長過程進行二維數值模擬，定量刻畫了陸架邊緣軌跡的自動后退現象，對豐富和完善現有層序地層理論體系具有重要意義。

重力流沉積數值模擬是當前深水沉積研究的熱點領域之一，對全面刻畫深水沉積過程，預測深水沉積分布具有重要意義。鮮本忠團隊耿軍陽等系統對比分析了Flow-3D、Fluent、Deff3D、Sedsim等重力流數值模擬的平臺特點，并指出未來應在關鍵節點物理模擬結果約束下，利用數值模擬的連續性結果，進一步深化重力流沉積機理。王俊輝團隊賴孟濤等基于Kosic-Parker模型構建了一維濁流數值模擬模型，考慮了濁流對環境水以及沉積物的夾帶作用，提出在相同初始流速下，粗顆粒沉積物含量越高濁流厚度越大，且沉積物主要堆積在中軸處，在中軸處后，沉積物厚度單調遞減。葛智淵團隊盧心煒等基于Flow3D研究了被動大陸邊緣常發育的深水褶皺帶濁流沉積系統，發現濁流在多段平行褶皺的影響下，其底部會發育逆向流，包括濁流受褶皺阻擋而產生的向上游傳播的逆向底流，以及濁流躍過褶皺后受擾動而出現的向下游傳播的逆向底波，前排褶皺對濁流的擾動以及褶皺間距影響著濁流流經后排褶皺時的水動力和沉積特征。

我們期望，這些最新成果可以提升沉積物理與數值模擬的基礎研究水平，促進定量化研究方法在沉積動力學領域和沉積應用方面的新突破，進而更好指導礦產資源的勘探與開發。