石若峰，劉忠保，馮文杰

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249）

沖積扇發(fā)育過程中礫石顆粒對砂壩和溝流的控制作用
——基于沖積扇水槽模擬實驗

石若峰1，劉忠保1，馮文杰2

（1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249）

通過觀察和記錄沖積扇自旋回沉積模擬實驗，研究在沖積扇的發(fā)育過程中，礫石顆粒對沖積扇在沉積過程中的控制機理。研究表明：在同一期洪水期的中期—后期，在沖積扇扇根片流帶中，溝流發(fā)育的優(yōu)勢方向與礫石顆粒初期分布有著重要關(guān)系，同時礫石顆粒的分布還控制著溝流改道；在沖積扇的扇中發(fā)育過程中，由于礫石顆粒是在牽引流的搬運作用下運動，因此對溝道的控制作用便更多體現(xiàn)在對溝道形態(tài)的改造與砂壩的形成上。通過對比沖積扇剖面中出現(xiàn)的多期辮流水道疊置、砂壩和溝道的分布狀態(tài)，就能夠驗證實驗過程中沖積扇表面發(fā)生的現(xiàn)象。在實驗過程中，沖積扇形成的規(guī)模是與碎屑流的動力、攜帶沉積物和沉積時間呈正比關(guān)系。在碎屑流的動力與攜帶的沉積物相對沒有變化的穩(wěn)定期內(nèi)，扇根的砂壩與溝流、扇中的溝道都與礫石顆粒的作用密切相關(guān)。

礫石顆粒；沖積扇模擬實驗；溝流成因；片流；碎屑流

0 引言

沖積扇在空間上是一個沿山口向外伸展的巨大錐形沉積體，錐體頂端指向山口，錐底指向平原，其延伸長度可達(dá)數(shù)百米至百余公里［1-18］。沖積扇發(fā)育因素［2］受到流域/構(gòu)造活動和基準(zhǔn)面等多種因素共同的影響。對沖積扇環(huán)境的研究多集中在沖積扇發(fā)育的宏觀控制因素，如構(gòu)造、氣候、沉積空間。微觀控制因素則多通過沉積構(gòu)造、層理、層序特征等來研究。而沖積扇發(fā)育過程中自身的影響因素研究相對較少。

本次研究是通過模擬實驗?zāi)M沖積扇的自旋回過程，分析沉積過程，并對沉積現(xiàn)象定性定量研究，結(jié)合已提出的沖積扇構(gòu)型類型，對比驗證沖積扇發(fā)育過程中的碎屑流攜帶的礫石顆粒在扇根、扇中所扮演的重要角色。通過正演模擬沖積扇形成過程，研究和驗證前人沖積扇的沉積構(gòu)型，探明其扇根砂礫體和扇中辮流帶作為儲集層的物性優(yōu)劣原因。

1 實驗

1.1 實驗依據(jù)

在現(xiàn)實沖積扇沉積物中，前人對托托河沖積扇扇頂至扇緣的現(xiàn)代河槽最大礫石粒徑進(jìn)行了分析，每隔600 m布測點，每個測點在任意圈定的1 m2內(nèi)選取50塊最大的礫石，求出各個測量點的平均粒徑，因此可以看作是對筆者所描述的礫石顆粒在扇體的各個部位的統(tǒng)計，然后繪制河槽方向上礫石顆粒平均粒徑的變化曲線（見圖1）［12］，從而算出回歸方程。經(jīng)過對各地沖積扇顆粒粒徑與距扇頂距離進(jìn)行回歸分析總體，得出：

式中：Y為礫石平均粒徑，m；X為距扇頂距離，m；a為沖積扇發(fā)育的環(huán)境參數(shù)；b為顆粒粒度變化速率。

由于礫石顆粒是整個沖積扇中相對粗的顆粒，因此粗顆粒平均粒徑變化曲線可以作為實驗礫石顆粒粒徑變化曲線的參照。a，b均由沖積扇沉積環(huán)境所決定，各類沖積扇礫石顆粒平均粒度變化都符合此曲線。

圖1 托托河沖積扇河槽粗顆粒平均粒徑變化

1.2 實驗方法

在長江大學(xué)沉積模擬重點實驗室內(nèi)，模擬沖積扇自旋回過程，排除了其他自然條件的隨機因素，只研究沖積扇在沉積過程中的控制因素。在實驗場地修建了水道以模擬出山口環(huán)境。沉積空間為平地，大小為6 m×8 m（見圖2）。實驗設(shè)計12期沉積物供給，每一期的沉積物量固定，實驗過程中對沉積過程進(jìn)行錄像并拍攝扇體形態(tài)。每一期的沉積間隔測量扇體的厚度、扇體在物源方向上的最大長度及垂直物源方向上的最大寬度。12期模擬實驗結(jié)束后進(jìn)行半天晾干處理，然后對扇體進(jìn)行切片，攝影并記錄切片結(jié)果。

圖2 實驗場地示意

1.3 參數(shù)設(shè)計

依據(jù)前人在克拉瑪依克下組及永康盆地白堊系下統(tǒng)中戴組下部沖積扇沉積特征研究可知，沖積扇相一般劃分為中礫巖相、砂礫巖相、細(xì)礫巖相、粗砂巖相、中—細(xì)砂巖相、泥質(zhì)砂巖相、泥巖相［13-14］。 再按照前人西雅爾崗沖積扇沉積粒度分布的概率曲線可知，滾動次總體數(shù)∶跳躍總體數(shù)∶懸浮總體數(shù)比例約為2∶3∶1。為了更好模擬現(xiàn)實沖積扇的沉積物，使沉積物分異更明顯，選擇粗砂（含礫）、中細(xì)砂（河砂）、泥伴水，分別模擬現(xiàn)實中礫石相—細(xì)礫巖相沉積顆粒、粗砂巖—泥質(zhì)砂巖相沉積顆粒、泥巖相沉積顆粒，比例2∶3∶1，水的體積約為163 m3。實驗測試表明，此時沖積扇沉積物分異效果最好。

實驗中出山口以前的山谷不作為實驗研究對象，為了模擬沖積扇強水流及避免沉積物滯留山谷，修建實驗河道并用水泥加固山谷。將山口設(shè)計為8°，是為了讓沉積物的能量除了洪水供給以外還有自然勢能。實驗時間定為為半日沉積。

1.4 實驗過程

在沖積扇自旋回實驗中，模擬洪水12期次，每一期次物源配比不變。間洪期次分別測量和記錄了每一期扇體的扇寬和扇長以及展布形態(tài)（見圖3）。沉積后的晾干過程可算是成巖過程的縮放。最后對扇體進(jìn)行橫、縱向解剖（見圖4）。在每一期記錄同一位置切片厚度，以切片分辨每一期沉積物期次界面。

2 實驗分析

在洪水初期，動能巨大，洪水對沉積空間的底（前期沉積物及地貌）具有巨大的改造能力，主要是沖蝕出一條主河道，沉積物會沿主河道方向沉積，扇體因此向前伸長。

圖3 不同期次扇體形態(tài)變化

實驗所描述的現(xiàn)象為洪水的中期—中后期，此時洪水能提供穩(wěn)定的沉積物與動力，其攜帶的巨礫、粗中礫石在扇體發(fā)育過程中會對砂壩的形成、河道的形態(tài)產(chǎn)生影響。

圖4 扇體切片示意

基于吳勝和對沖積扇構(gòu)型的分類［3-10］，在扇根片流帶、扇中辮流帶對應(yīng)的片流砂礫體和辮流帶中的砂體都有礫石和粗中礫石，且一般作為壩體出現(xiàn)。由于洪水動力的變化，形成原因有差別，因此作為儲層，其物性就會千差萬別。片流砂礫體總體物性較差，多為雜亂堆積的礫石砂壩。辮流水道砂體的平均孔隙度比片流砂礫體要高，多為有序列的砂壩與河道沉積。

2.1 扇根片流砂礫體中溝流形成的控制因素

在洪水期，洪水?dāng)y帶的顆粒沖出主槽，由于碎屑流的動能快速降低，會依照地形展布開來，形成片流砂礫體的沉積體。巖性主要是不等粒礫巖、細(xì)礫巖［4］。扇根內(nèi)片流砂礫體一般呈正韻律（見圖5），原因是此時流體低黏性且伴隨渦流，碎屑顆粒能夠自由移動且出現(xiàn)分選［5］。

圖5 扇根片流砂礫體正韻律實驗切片

在洪水期，地形分布與片流動能減小共同決定礫石顆粒的分布。一旦礫石沉積下來，溝流也就確定。扇根處沉積下來的礫石顆粒，粒徑都是粗中礫以上，因此礫石顆粒的作用與正向地形的阻隔作用是類似的，礫石顆粒改變了片流內(nèi)部流向，流體流向繞過礫石顆粒而發(fā)生匯聚，流線匯聚方向就是易形成溝流的優(yōu)勢方向（見圖6）。

溝流的方向、改道與否是由流體主動力方向與礫石顆粒連線方向（為黑色虛線所示）的角度所決定（見圖6）。圖6中：a處如果接近垂直，則會順著優(yōu)勢方向形成溝流；b處如果角度變小，則容易出現(xiàn)溝流改道。此現(xiàn)象筆者稱為“溝流伴生”現(xiàn)象（見圖7中a處，箭頭為“溝流伴生”方向）。

圖6 礫石顆粒理想沉積示意

圖7 實驗現(xiàn)象平面

切片結(jié)果見圖8。在扇根處的橫剖面頂部，可見底平頂凸的礫石壩（圖8中紅色標(biāo)出）和顆粒相對較細(xì)的溝流沉積（顏色深且細(xì)）。一般礫石壩兩側(cè)會出現(xiàn)沉積物相對較細(xì)的溝流沉積。圖8中a處為溝流，b處為砂壩，可見砂壩溝流相互交錯。

在碎屑流主動力方向上沉積的礫石顆粒，對沙壩形成起作用（見圖9）。粗大礫石后可見的條狀粗粒壩體，正是礫石顆粒在片流主要動力方向上阻隔而形成溝流堆積成為礫石砂壩。這些現(xiàn)象大多集中在沖積扇的表面，原因是剖面下部的礫石顆粒條帶多經(jīng)過了洪水后期牽引流沖刷，及后一期洪水初期對早期地形和沉積物的改造，很難留下沉積過程的痕跡。剖面下部的礫石顆粒長條帶是由于前期溝流通道已經(jīng)形成，下一期洪水進(jìn)入此優(yōu)勢通道填充而成。

圖8 扇根橫剖面11處切片示意

由現(xiàn)實沖積扇礫石顆粒分布（見圖1）可知，礫石顆粒分散在扇根各處，這些顆粒粒度都是整個沖積扇中最大的，其粒度變化速率也是整個沖積扇中最大的。礫石顆粒就近沉積，形成相對高的正向地勢，繼而有粗砂，砂等粒徑的顆粒堆積在后，形成了扇根片流砂礫體中雜亂堆積的砂壩。

圖9 扇根縱剖面切片示意及演示

2.2 扇中辮流帶中溝道形成的控制因素

扇中辮流帶中礫石分布對溝道成因的影響與在扇根片流砂礫體中是完全不一樣的，其原因是流體發(fā)生了變化。碎屑流在扇中部位動能減少很多，由片流轉(zhuǎn)為牽引流［6］。中、細(xì)礫級等沉積物因牽引流的牽引力及慣性作用被搬運到扇中末端（見圖10）。其原因是片流瞬時在各個方向上的動力大，但只要礫石顆粒沉積下來便會改變片流的流向；牽引流在主動力方向上的動力很足，在慣性作用下礫石顆粒會被搬運到很遠(yuǎn)。圖10中a處為扇中末端堆積的礫石顆粒。

圖10 間洪期扇中末端出現(xiàn)大量礫石顆粒示意

扇中辮流帶可看作多個辮流水道復(fù)合而成［6-8］，辮流水道里面可以細(xì)分為砂壩和溝道。砂壩的形成與正向地形的位置相關(guān)。牽引流攜帶礫級、粗砂級和砂級的沉積物更容易在正向地形處沉積下來形成砂壩。與此同時，沒有在扇根處和正向地形沉積下來的礫石顆粒卻能夠以推移的方式運移（見圖11），因此礫石顆粒還會對溝道底部進(jìn)一步的加深，溝道形態(tài)也會由于河床加深到一定程度出現(xiàn)側(cè)蝕而改變 （這里已與河流作用類似）。因此，扇中辮流砂礫體中砂壩的形成是牽引流定向的堆積而不是礫石顆粒簡單雜亂堆積而成，辮流帶也有了比片流砂礫體更好的物性。前人對沖積扇的儲層質(zhì)量評價歸為一類儲層［15］。圖11中a處為牽引流下礫石顆粒被搬運現(xiàn)象。

圖11 礫石顆粒在牽引流下搬運的扇中局部

現(xiàn)實沖積扇扇根末端至扇中末端 （4.8～8.4 km)礫石顆粒平均粒度小于扇根，總體雖有減小趨勢，但變化不大。因此可以驗證扇根至扇中末端礫石顆粒廣泛被牽引流廣泛搬運的現(xiàn)象（見圖1與圖11）。

3 結(jié)論

1）在沖積扇同一期，洪水中期—后期，扇根的溝流發(fā)育與礫石顆粒初期分布有著重要關(guān)系。礫石顆粒的分布位置（作用類似于正向地形）與片流流向決定了溝流最易形成的方向，并且溝流改道也與礫石顆粒的分布相關(guān)（溝流伴生現(xiàn)象）。扇根一般出現(xiàn)的是雜亂堆積的儲集物性較差的砂壩。

2）扇中礫石顆粒粒徑比扇根的小。牽引流中的礫石顆粒通過磨蝕河道，影響溝道的形態(tài)。遇到正向地形，牽引流中的礫石顆粒堆積成為砂壩，沒有堆積下來的，會被牽引流帶到扇中末端甚至扇緣沉積。因牽引流的定向性質(zhì)，在扇中形成的是序列穩(wěn)定、儲集物性較好的砂壩和流溝。

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（編輯 楊會朋）

Dominations of gravel particles to sandbar and channel in process of alluvial fan development based on alluvial fan flume experiment

SHI Ruofeng1,LIU Zhongbao1,FENG Wenjie2
(1.College of Geosciences,Yangtze University,Wuhan 430100,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

In this paper,the controlling mechanism of gravel particles in the deposition of alluvial fan during the development of alluvial fan was studied by observing and recording the simulation experiment of simulating alluvial fan autogenetic cycle deposition. The results show that:in the middle-late period of one same flood period and in the alluvial fan laminar flow zone,advantage direction of channel development has an important relationship with gravel particles early distribution.In addition,the distribution of gravel particles controls the diversion of channel;in the process of mid-alluvial fan development,because the gravel particles were transported by the traction flow,the controlling effect on the channel is more embodied in the form transformation of channel and the form of the sand dam.Comparing the distributions of multi-stage braided channel,sand bar and channel distribution in alluvial fan profile,we can verify the phenomenon of alluvial fan surface during the experiment.It is found that the scale of alluvial fan is proportional to the magnitude of debris flow,the quantity of sediment and the time of deposition.In the stable period with relatively unchanged debris flow power and sediments,the cause of sand dam and channel in the middle and bottom fan is closely related to gravel particles.

gravel particle;alluvial fan flume experiment;cause of channel;laminar flow;debris flow

國家自然科學(xué)基金項目“同生逆斷層對沖積扇沉積構(gòu)型的控制作用機理——沖積扇沉積過程分析與沉積過程研究”（41372116）

TE135

A

10.6056/dkyqt201703003

2016-10-10；改回日期：2017-03-07。

石若峰，男，1990年生，碩士研究生，主要從事沉積學(xué)與油氣成藏機理研究工作。E-mail：shiruofeng@163.com。

劉忠保，男，1965年生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事沉積學(xué)與油氣成藏機理研究工作。E-mail：lzb623@163.com。

石若峰，劉忠保，馮文杰.沖積扇發(fā)育過程中礫石顆粒對砂壩和溝流的控制作用：基于沖積扇水槽模擬實驗［J］.斷塊油氣田，2017，24（3）：311-315.

SHI Ruofeng，LIU Zhongbao，F(xiàn)ENG Wenjie.Dominations of gravel particles to sandbar and channel in the process of alluvial fan development based on alluvial fan flume experiment［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：311-315.