辮狀河三角洲砂體沉積模擬實驗研究
——以沙灣凹陷三工河組為例

張春生，劉帆，斤朕，周行天，林雪蓮，施冬

長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100

前人根據野外露頭及地下地質資料對沙灣凹陷三工河組二段的砂體沉積體系進行了大量研究，認為三工河組二段為辮狀河三角洲沉積體系[1-2]。劉偉偉等[3]認為三工河組處于盆地腹部，是在緩坡淺水的沉積背景下發育的一套沉積體系。朱筱敏等[4]認為三工河組沉積的砂體具有巖性粗、礫石含量較高、分選和磨圓差的特點，并且沉積的辮狀河三角洲與傳統的辮狀河三角洲有一定區別，如沉積體分布廣、砂體延伸遠、坡度小等。盡管前人對沙灣凹陷三工河組辮狀河三角洲沉積體系作了大量的研究，但這種“靜態”的研究過程對于砂體沉積特征的階段性演化規律認識還不夠透徹，對于沉積過程中單一因素的影響研究不夠突出。沉積模擬實驗早期主要是研究水動力條件與底型之間的關系，直到近20年，眾多學者開始著重研究湖盆和淺水區域砂體沉積過程及其演變規律[5-7]。曹軍等[8]通過沉積模擬實驗對鄂爾多斯盆地延安地區山西組二段淺水三角洲沉積模式進行研究。本文利用沉積模擬實驗技術，根據沙灣凹陷三工河組的沉積條件，再現沉積過程，精細刻畫砂體發育階段、分布特征及演化規律，進一步明確其控制因素。

1 原型地質背景

1.1 地質概況

1.2 物源特征

1.2.1 物源方向

研究區發育北部、西北部兩支物源[13]，兩支物源體系巖石組分及成熟度有明顯差異。以三工河組二段上亞段為例，通過對研究區部分標志井巖心分析發現：北部和西北部兩支物源從上游到下游，石英含量及成分成熟度逐漸升高；北部物源比西北部物源石英含量高，成分成熟度更高(見表1)。因此實驗過程設置北部物源A和西北部物源B。

表1 沙灣凹陷標志性井位巖石組分及成熟度統計表(部分)

1.2.2 粒度組成

依據測井解釋成果和巖心分析結果[14-16]，工區內沉積物以細砂和粉砂為主，部分為泥巖、中砂和礫石，其中細砂平均約占55%，粉砂平均約占30%，泥巖平均約占5%～10%，中砂平均約占5%～10%。

1.2.3 古地形

準噶爾盆地沙灣凹陷三工河組沉積期，沙灣凹陷整體上為一個區域性向南傾斜的單斜構造，斜坡上發育兩個次級坡折帶，地層南低北高，地層傾角為1～2°[16]。

1.2.4 古水深

研究區巖心觀察表明，波狀層理和平行層理比較發育，一般形成于濱湖到淺湖的高能環境，因此本文認為三工河組處于濱湖-淺湖亞相，其水體深度一般為0～15 m[17-18]。

2 實驗方案設計

2.1 原始底型設計

本次模擬實驗在長江大學CNPC沉積模擬重點實驗室進行，實驗主體裝置是一個Y方向長16 m，X方向寬6 m，Z方向深度0.8 m的實驗平臺?？紤]到后期壓實作用的影響以及為更直觀地展現模擬現象，同時縮短模擬實驗所需要的時間，并考慮原始地形坡折特征，設計Y=3～5 m地形坡度為4°；Y=5～7 m地形坡度為3°；7m以后地形坡度為2°，原始底型見圖1。

圖1 模擬實驗底型及等值線圖Fig.1 Simulated experiment bottom type and isogram

2.2 供給周期和砂泥比設計

表2 實驗基本參數

2.3 比例尺設計

根據研究區沙灣凹陷地形和模擬實驗室的尺寸，設計如下：①平面比例尺依據。研究區東西方向長40 km，南北方向寬30 km，對應沉積模擬實驗室研究區域為X方向長度為6 m，Y方向上3.5～11.5 m處，共計長8 m，根據等比例尺盡可能放大，以提高準確性的要求，平面比例尺設計為1∶5 000。②砂體垂向比例。依據研究區資料可知，三工河組二段沉積最大厚度為165 m，根據實驗平臺深度限制，垂向砂體比例尺選取為1∶750。③水深垂向比例。依據研究區資料可知，研究區古水深一般認為小于15 m，水深和砂體厚度比過小，為體現水體對砂體沉積厚度的影響，水體垂向比例為1∶50，其中以X=0，Y=7 m處的水體深度為基準面。

3 物理模擬實驗過程

本次實驗主要模擬三工河組二段沉積過程，并連續進行三期沉積模擬實驗。各沉積期都以洪水-平水-枯水交替進行直至該期結束，并利用活動底板的升降來模擬不同時期的構造活動。

第一期沉積模擬，初始水深15 cm：初期物源A、B兩砂體主要在出水口發育，砂體在垂向上快速沉積且沿著水動力方向前積，沉積砂體露出水面后開始整體呈現橢圓狀展布(見圖2(a))；實驗中期隨沉積體向前發育，隨著水動力條件減弱，河流側蝕能力加強，河道開始加寬，之后隨著砂體縱向沉積河道加長，河道開始發生遷移，兩物源河道分別向兩側展開，開始促進砂體橫向發育，在河道下游發育砂壩并不斷被切割生長(見圖2(b))；實驗后期河道遷移越發頻繁，有明顯的辮狀河三角洲特征(見圖2(c))。

第二期沉積模擬，初始水深25 cm：對比第一期初始水位上升，初期砂體仍然是在物源出口處附近沉積，但相較于第一期，物源A砂體在垂向上沉積厚度增大，且砂體生長速率較快，快速向湖發育，砂體整體形態呈現舌型(見圖2(d))；實驗中期水位緩慢上升，沉積體垂向上厚度繼續增大，向前沉積速度變緩，河道主要沿著Y軸發育，并且河道發育不穩定，砂體形態大多呈舌型(見圖2(e))；實驗后期，河流改道愈發頻繁，不斷切割前期沉積砂體，砂體呈現近橫向橢圓形態，砂體遠端受湖平面改造沿岸線展布(見圖2(f))。

第三期沉積模擬，初始水深20 cm：對比第二期初始水位下降，河道下蝕能力加強并切割上一期沉積砂體，整體呈現扇形向湖方向快速發育(見圖2(g))；實驗中期，水位上升，沉積體在垂向上沉積厚度增大，可容納空間被充填后砂體繼續向湖發育同時隨分支河道的遷移在橫向上發育，部分砂體呈現近圓形(見圖2(h))；實驗后期在河道入水口處不斷發育砂壩，砂壩一般由長Y軸橢圓狀砂壩發育為長X軸橢圓狀砂壩，最后消亡，如此反復發育砂壩(見圖2(i))。

圖2 沉積模擬實驗過程Fig.2 Sedimentation simulation experiment process

4 實驗結果分析

4.1 原型對比

表3 砂體厚度原型對比

4.2 砂體發育規律

4.2.1 不同相對水深條件下砂體縱、橫向發育對比

對砂體沉積的縱、橫向發育對比分析，當縱、橫向生長速率相等時砂體處于發育平衡時期。當砂體發育達到一定規模時，砂體進入發育平衡時期，此時砂體的規模與相對水深關系密切(見表4)。對砂體發育進一步分析發現水深條件與砂體發育有如下關系：相對水深越深，砂體達到發育平衡點時生長規模越大，同時沉積砂體的縱向生長速率和橫向生長速率峰值越大，且沉積砂體在發育初期的縱、橫生長速率峰值的差值越大。

表4 不同水深對砂體發育的影響

4.2.2 砂體發育模式

圖3 砂體生長模式示意圖Fig.3 Schematic diagram of the growth pattern of the sand body

研究發現辮狀河三角洲砂體沉積發育有三階段差異(見圖3)：①砂體發育初期，此處主要為出水口附近，水動力較強，砂體沉積主要以河道搬運為主，砂體主要沿水流方向(Y軸)發育，此階段砂體一般在物源口呈現橢圓狀分布，橢圓長軸沿水流方向(Y軸)(見圖3(a))。②砂體發育平衡期，砂體縱向沉積速率與砂體橫向展寬速率近乎相等，此階段由于水動力慢慢減弱，河道側蝕能力開始增強，河道發生左右遷移和頻繁改道，砂體發育呈近圓狀向前展布(見圖3(b))。③砂體發育后期，隨著砂體不斷向前推移，遠離物源，水動力減弱，伴隨河道左右遷移加劇，砂體主要以橫向展寬為主，縱向沉積次之，砂體主要呈現橢圓狀分布，橢圓短軸與Y軸同向(見圖3(c))。

4.3 砂體連通性與疊置關系分析

4.3.1 連通性分析

河道發育很大程度上決定著砂體的連通性和疊置關系。實驗不同部位剖面的分析表明，隨著沉積體不斷發育，辮狀河三角洲不同部位砂體連通性及連續性存在差異：①辮狀河三角洲平原上部，此處距離物源距離近，水動力強勁，下蝕作用強于側蝕作用，河道砂體主要為垂向疊置關系，由于側蝕作用較差，河流改道作用微弱，各河道之間獨立發育，河道砂體主要沿水動力(縱)方向生長，導致河道砂體側向連續性差(見圖4(a))。②辮狀河三角洲平原下部，距離物源出水口距離適中。此處水流經歷一定距離的搬運之后，水動力開始減弱并發生側向改道。河道砂體主要為錯位疊置關系，河道下蝕能力和側蝕能力都適中，河道砂體垂向連通性適中，并且改道能力適中使得同期河道砂體也會進行疊置，河道砂體側向連續性適中(見圖4(b))。③辮狀河三角洲前緣，距離物源出水口較遠，此處水動力微弱，河道下蝕作用微弱，不能完全侵蝕河道之間隔層，此處河道砂體主要為側向疊置，新舊河道在垂向上連通性較差。由于河流側蝕作用較強，在此處改道作用明顯，河道頻繁改道，河道向左右兩側遷移使得同期河道砂體相互疊置，故側向上連續性較好(見圖4(c))。

圖4 砂體疊置關系分析Fig.4 Analysis of sand body superposition relationship

4.3.2 砂體疊置關系分析

表5 砂體疊置關系分類

圖5 新型河道形成模式圖Fig.5 Pattern of new river formation

根據模擬實驗觀察剖面，將河道疊置關系分為垂向疊置、錯位疊置和側向疊置3類，再根據每種疊置關系的連通性劃分為9種(見表5)。

4.4 新型河道

在沉積模擬實驗中發現在水動力較強時會發育一種特殊新型河道，通過實驗砂體切片發現該特殊河道不同于傳統河道：①該新型河道沒有直接的物源供應，而是由兩股斜向對流水體所引起的局部攜帶水體增高，并由這兩股溢岸流后續應力維持其河道穩定，且由溢岸流為其提供碎屑物質，該河道比傳統河道所處沉積部位要高；②這種河道由于形成條件較為復雜，持續時間受溢岸流存在時間控制，河道一般不易主動發生遷移，發育不穩定，受水動力條件控制，持續時間較短，砂體沉積厚度一般較小。③平面上未能發現心灘沉積微相，通過實驗砂體切片，垂向上并未發現該河道下蝕作用引起對下伏砂體的侵蝕，未發現沖刷面構造。

基于以上認識及實驗記錄，本文認為，當水動力強勁時(洪水期)，水流破壞天然堤溢出原始河道，發生溢岸流，多股溢岸流相互作用會產生新型河道，當兩股溢岸流產生疊加時，在兩股溢岸流疊加區域會出現一條優勢沉積物搬運通道，但隨著水動力的減弱該條優勢通道慢慢消亡。溢岸流所攜帶的碎屑物質在該優勢沉積通道沉積，形成一條新的河道(見圖5)。

5 辮狀河三角洲砂體成因主控因素

對沙灣凹陷三工河組的模擬實驗中，為接近原型沉積的環境條件，嚴格控制各項有可能對實驗結果產生影響的影響因子，實驗過程表明，砂體的沉積特征主要受控于古地形坡度、水動力條件、物源供給、湖平面變化及構造強度等5種因素。

5.1 地形坡度主控砂體沉積速率

實驗設計時對實驗模型地形坡度進行階梯式降低，沿Y軸從出水口到實驗池尾端坡度逐漸減小，并對不同底型坡度處的砂體沉積速率進行測量(見表6)。

表6 不同坡度對沉積速率的影響

通過對比可以清晰發現三期實驗中砂體伸長與展寬速率與原始地形坡度呈負相關關系：相同物源距離下，原始地形坡度越大，砂體伸長與展寬速率越小，即第二期大于第三期，第三期大于第一期。實驗表明：辮狀河三角洲發育早期，碎屑沉積物的沉積方式主要以填充為主，砂體順水流方向發育較快，砂體發育到一定程度以后，開始發生河道的遷移并形成分支河道，砂壩不斷形成；辮狀河三角洲發育晚期，砂體發育基本處于平衡調整階段，后續的辮狀河三角洲發育和演化基本與原始地形坡度無關，三角洲發育轉控于其他影響因素。

5.2 水動力變化決定砂體內部結構

沙灣凹陷三工河組早期處于潮濕-半潮濕的亞熱帶環境，中-晚期處于溫暖潮濕的暖溫帶環境，氣候趨于半潮濕。而氣候對沉積過程的影響主要是控制河流流量，從而影響沉積過程，即水動力和流量的季節性變化。

實驗設計洪水期、平水期、枯水期三種水動力，通過實驗發現不同水動力對砂體發育有著不同的貢獻：洪水期產生強大的水動力，逐漸破壞河道兩側的天然堤，對前期河道進行側蝕使河道加寬或形成溢岸流。同時河道側蝕攜帶大量碎屑物和泥沙，并在河流下游形成大量砂壩，加速三角洲的早期沉積。平水期，穩定持久的水動力條件下河流的側蝕作用和下蝕作用適中，三角洲上游河道繼續加深拓寬；三角洲中下游側蝕作用大于下蝕作用，河道主要發生左右遷移，促進砂體橫向發育形成辮狀河?？菟谒畡恿l件弱，河道位置難以發生變化，前期較小的分支河道可能因水動力的降低逐漸成為廢棄河道，河流對砂體主要以雕刻為主，岸線附近砂體主要受湖岸線的改造。

5.3 物源供給主導砂體發育形態

在坡度、水動力等條件相同的環境下，物源的供給可以決定砂體發育特征，物源供給可以分為物源供給量、物源的成分組成兩個方面。當物源供應充足時，辮狀河三角洲表現為河道彎曲度高并且分流河道發育，在三角洲平原上出現典型辮狀河特征，發育廢棄河道、心灘等沉積微相，在三角洲前緣部位出現水下分支河道河口砂壩及支流間灣等沉積微相；物源供應不充足時，水流侵蝕早期沉積體并在上一期河道處沿著河流慣性方向重新發育。

當砂泥比較大時，砂體隨著水體流向被分散搬運，分布范圍擴大，砂體在平面上快速發育，辮狀河三角洲范圍不斷擴大；砂泥比較小時，原始河道開始發生下蝕作用，河道加深，水體切割早期砂體來供應碎屑物質，并沿著優勢搬運通道發育一條新的河道。

5.4 湖平面變化深化改造砂體

湖平面變化是影響辮狀河三角洲沉積演變的重要因素，當湖平面上升時，辮狀河三角洲平原部分面積減小，河道變短，使河流搬運過程中攜帶的沉積物減少；同時辮狀河三角洲前緣部分面積增大，湖水深度加大為砂體沉積所提供空間增大，水流攜帶碎屑沉積物進入湖水體，受到水體阻力和湖水的頂托作用，水體流速快速降低，砂體就近堆積在河流入水處。當湖平面下降時，三角洲平原和前緣部分面積變大，三角洲砂體沿河流方向發育速率加快，推進距離也變得更遠，并且由于三角洲平原部位分支河道遷移改道頻繁，前緣的水下分支河道也不斷發生左右遷移并對前期形成的沉積砂體進行切割。

5.5 構造強度影響砂體分布范圍

本次沉積模擬實驗過程中，通過對活動底板的調節來模擬基底構造活動影響。當沉積基底下降(活動底板下降)時，辮狀河三角洲前緣砂體在垂向上沉積發育，這是由于基底的下降使得沉積儲集空間及可容納空間變大且導致的地形坡度變陡，促進了砂體在垂向上的沉積，此時基底的下降幅度與砂體垂向增加厚度呈正相關。而當基底上升時，砂體在垂向上的發育受到限制，此時砂體轉為平面上縱、橫向發育，辮狀河三角洲砂體呈現扇形擴張。

6 結論

1)辮狀河三角洲在沉積過程中砂體進入湖泊時，砂體發育存在發育平衡點，砂體發育呈現三階段差異。

2)辮狀河三角洲不同部位砂體疊置關系不同，砂體的橫向連續性隨距物源出水口的距離變遠而逐漸變好，垂向砂體的連通性則與之相反。

3)辮狀河三角洲平原部分除了有傳統意義上的分支河道和廢棄河道外，還存在一種新型河道，新型河道的下蝕作用能力微弱甚至無下蝕能力，后期會慢慢消亡或轉化為一條分支河道，形成時間較短且發育不穩定。

4)地形坡度、水動力條件、物源供給、湖平面變化及構造強度是沙灣凹陷三工河組辮狀河三角洲砂體成因的主要控制因素。