馮 閩，劉忠保，徐佑德，唐友軍，修金磊，胡光明，王 昕

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430100；2.中石化勝利油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院， 山東 東營(yíng) 257000;3.長(zhǎng)江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430100)

物理沉積模擬是基于沉積物物理沉積過(guò)程的一種人為控制的模擬方式[1]。物理沉積模擬的發(fā)展過(guò)程分為三個(gè)階段：以現(xiàn)象描述為主要內(nèi)容的初級(jí)階段、以底形研究為主要內(nèi)容的迅速發(fā)展階段、以砂體形成過(guò)程和演化規(guī)律為主要內(nèi)容的湖盆模擬階段[2-3]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者胡曉玲等[4]、段華庭等[5]、呂峻嶺等[6]、Baker等[7]、Ho等[8]、Mooneyham等[9]推動(dòng)了物理沉積模擬的發(fā)展。

扇三角洲是從鄰近高地推進(jìn)到穩(wěn)定水體(包括海、湖)中去的沉積體[10]。前人總結(jié)了扇三角洲展布形態(tài)的控制因素主要包括古水流、古氣候、古地形等[11-13]，這些控制因素對(duì)扇三角洲沉積過(guò)程和展布形態(tài)的影響也各不相同。除了這些控制因素，湖水位高低對(duì)扇三角洲展布形態(tài)也具有重要影響，但前人對(duì)其研究較少。本文通過(guò)沉積模擬較為系統(tǒng)地研究了湖水位高低對(duì)扇三角洲形態(tài)展布的影響，以利于預(yù)測(cè)有力儲(chǔ)層和判斷沉積環(huán)境。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

應(yīng)用沉積模擬技術(shù)，借鑒前人對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組扇三角洲古地形、水動(dòng)力和沉積物組成的研究成果[14-15]，參考唐勇等[16]對(duì)該工區(qū)扇三角洲的模擬，根據(jù)幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似三大原則及推移運(yùn)動(dòng)與懸浮運(yùn)動(dòng)兩大相似準(zhǔn)則，設(shè)置底形、水動(dòng)力和物源配比參數(shù)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄(見(jiàn)表1)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.1 實(shí)驗(yàn)底形

實(shí)驗(yàn)底形設(shè)置了導(dǎo)槽、泥砂攪拌機(jī)、攝像裝置、8°坡、湖區(qū)五部分(見(jiàn)圖1)。導(dǎo)槽起導(dǎo)流作用，使水流能模擬出山口入湖河流。泥砂攪拌機(jī)將碎屑物質(zhì)充分?jǐn)嚢?，其開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)碎屑物釋放速度，通過(guò)導(dǎo)槽將泥砂和水輸送到坡面和湖區(qū)。湖區(qū)規(guī)模為3.0 m×2.5 m。攝像裝置負(fù)責(zé)記錄扇三角洲沉積過(guò)程，進(jìn)行全程拍照、錄像。

圖1 底形圖

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

分別做三次單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后清理底形上的砂體。每次實(shí)驗(yàn)對(duì)應(yīng)的湖水位不同。每次實(shí)驗(yàn)由1個(gè)高流態(tài)洪水沉積事件(重力流)和1個(gè)低流態(tài)牽引流沉積事件(牽引流)組成。高流態(tài)洪水沉積事件的物源由粗砂(含礫)、中細(xì)砂、和泥漿構(gòu)成(沉積物一共40 L)，分別模擬借鑒工區(qū)中的礫石相沉積顆粒、粗粒巖顆粒和泥巖相沉積顆粒。供源桶中泥砂在整個(gè)高流態(tài)洪水沉積事件過(guò)程中需要用泥砂攪拌機(jī)攪動(dòng)。低流態(tài)牽引流改造分為中水、洪水、中水、枯水四個(gè)階段進(jìn)行，模擬參考工區(qū)河流四季流量和流速變化，加入極少量中細(xì)砂，并且使用湖區(qū)循環(huán)水，保持湖水位穩(wěn)定。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

當(dāng)湖水位設(shè)置為1 cm時(shí)，碎屑流從坡面迸射而下向坡底和湖區(qū)快速推進(jìn)。水流攜帶碎屑物質(zhì)沖入湖區(qū)較遠(yuǎn)處并開(kāi)始沉積，砂體縱向延伸大于橫向伸展，形成條狀砂體，后砂體厚度增加，且進(jìn)行橫向伸展。低流態(tài)牽引流時(shí)，發(fā)育向前主河道，雖然砂體也進(jìn)行著橫向發(fā)育但速率遠(yuǎn)不及縱向伸展，砂體展布面積不斷增加(見(jiàn)圖2)。

圖2 1 cm湖水位時(shí)扇三角洲沉積過(guò)程

當(dāng)湖水位設(shè)置為5 cm時(shí)，重力流快速推進(jìn)，沖入湖區(qū)。泥砂沖到坡折前處開(kāi)始沉積，砂體厚度不斷變大，橫向伸展和縱向伸展同時(shí)進(jìn)行，最后露出水面并且向物源方向延伸。低流態(tài)牽引流時(shí)，改造區(qū)主要在砂體偏左方向，后河道發(fā)生側(cè)向侵蝕和擺動(dòng)，砂體發(fā)育左右兩條主河道和許多細(xì)小分流河道。水流攜帶扇根和扇中的泥砂物質(zhì)向湖區(qū)推進(jìn)，砂體此時(shí)不斷向前延伸，縱向發(fā)育大于橫向發(fā)育，但縱向發(fā)育速率較1 cm水位時(shí)小，展布面積不斷增大(見(jiàn)圖3)。

圖3 5 cm湖水位時(shí)扇三角洲沉積過(guò)程

10 cm湖水位時(shí)，碎屑物質(zhì)在洪水?dāng)y帶下沖向湖區(qū)，到坡折處開(kāi)始沉積。砂體厚度不斷增加，露出水面后往物源方向延伸。低流態(tài)牽引流改造區(qū)主要集中在扇三角洲右側(cè)，改造區(qū)中發(fā)育許多細(xì)小河道。水流攜帶泥砂向扇體右側(cè)推進(jìn)，泥砂不斷在扇體右側(cè)堆積，砂體橫向發(fā)育速率大于縱向發(fā)育，展布面積不斷增大(見(jiàn)圖4)。

圖4 10 cm湖水時(shí)扇三角洲沉積過(guò)程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將水抽干，扇體完全暴露(見(jiàn)圖5)。受湖水位的影響，各個(gè)扇體的長(zhǎng)寬比、面積、厚度、展布位置及前緣傾角差異明顯。

圖5 扇三角洲最終形態(tài)

3.1 湖水位影響扇三角洲長(zhǎng)寬比

在扇三角洲長(zhǎng)寬比變化的過(guò)程中(見(jiàn)圖6)，1 cm湖水位時(shí)的扇體長(zhǎng)寬比始終最大，其次為5 cm湖水位時(shí)，10 cm湖水位時(shí)的扇體長(zhǎng)寬比最小。所以其他條件相同，湖水位越高，扇三角洲長(zhǎng)寬比越小，扇緣形態(tài)越平滑，湖水位與扇體長(zhǎng)寬比成反比例關(guān)系。

圖6 扇體長(zhǎng)寬比變化過(guò)程圖

這是因?yàn)楹粚?duì)扇三角洲高流態(tài)洪水沉積事件時(shí)和低流態(tài)牽引流沉積事件過(guò)程中的長(zhǎng)寬比都有影響。重力流和牽引流都受湖水頂托作用影響。湖水位越高，湖水頂托作用越強(qiáng)，重力流時(shí)水流攜帶的碎屑物質(zhì)越難向前推進(jìn)。較高的湖水位時(shí)，牽引流河道兩側(cè)擺動(dòng)速率大，側(cè)積作用強(qiáng)，砂體兩側(cè)沉積物較多，砂體橫向展布速率大，扇體長(zhǎng)寬比小。

3.2 湖水位影響扇三角洲砂體展布面積和厚度

扇三角洲的展布面積和厚度是密切相關(guān)的，且都受湖水位高低的影響。在扇三角洲展布面積變化的過(guò)程中(見(jiàn)圖7)，同一時(shí)間點(diǎn)，1 cm湖水位時(shí)的扇體展布面積始終最大，其次為5 cm湖水位時(shí)，10 cm湖水位時(shí)的扇體展布面積最小。也就是說(shuō)，其他條件相同，湖水位越高，扇三角洲展布面積越小，湖水位與扇體面積成反比例關(guān)系。

圖7 扇三角洲扇體面積變化過(guò)程圖

在扇三角洲厚度變化過(guò)程中(見(jiàn)圖8)，同一時(shí)間點(diǎn)，10 cm湖水位時(shí)的扇體厚度最大，其次是5 cm湖水位時(shí)，1 cm湖水位時(shí)的扇三角洲扇體厚度最小。所以其他條件相同，湖水位越高，扇三角洲扇體厚度越大，湖水位與扇三角洲扇體厚度成正比例關(guān)系。

圖8 扇三角洲平均厚度變化過(guò)程圖

這是因?yàn)楹辉礁?，湖水的頂托作用越?qiáng)，水流攜帶的泥砂推進(jìn)距離越短，加之扇體之上可容納空間越大，利于泥砂通過(guò)重力流和牽引流在砂體之上進(jìn)行新的沉積。垂向沉積活動(dòng)越多，扇三角洲厚度越大。物源總量不變，砂體厚度越大，展布面積就越小。

3.3 湖水位影響扇三角洲展布位置

從圖5和圖9可以看出：當(dāng)湖水位1 cm時(shí)，砂體基本全在坡底展布，離物源較遠(yuǎn)；當(dāng)湖水位5 cm時(shí)，砂體有一小部分在坡面而絕大部分仍在坡底展布，離物源較近；當(dāng)湖水位10 cm時(shí)，扇三角洲一半砂體都展布在坡面，離物源最近。所以其他條件相同，湖水位越高，扇體與物源距離就越短。

圖9 1 cm、5 cm、10 cm湖水位時(shí)的扇三角洲最終形態(tài)疊置圖

這是因?yàn)楹辉礁?，湖岸線越靠近物源，水流攜帶泥砂受到湖水頂托的位置整體越接近物源，泥砂就會(huì)在越接近物源的地方沉積。

3.4 湖水位影響扇三角洲前緣傾角

前緣傾角是影響扇三角洲前緣穩(wěn)定性的重要因素，且跟湖水位有著密切關(guān)系。在扇三角洲前緣傾角變化的過(guò)程中(見(jiàn)圖10)，同一時(shí)間點(diǎn)，10 cm湖水位時(shí)的扇體前緣傾角始終最大，其次為5 cm湖水位時(shí)，1 cm湖水位時(shí)的扇體前緣傾角最小。也就是說(shuō)，其他條件相同，湖水位越高，扇三角洲前緣傾角越大，湖水位與扇體前緣傾角成正比例關(guān)系，前緣傾角最大不會(huì)超過(guò)90°。這是因?yàn)楹辉礁?，扇體越厚，前緣高差越大，扇體前緣傾角也越大。

圖10 扇三角洲扇體前緣傾角變化過(guò)程

4 結(jié) 論

影響扇三角洲沉積演化的因素很多，本實(shí)驗(yàn)著重探討了湖水位這個(gè)單因素對(duì)扇三角洲展布形態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)表明：

(1) 湖水位影響扇三角洲長(zhǎng)寬比。較高的湖水位對(duì)河流攜帶的泥砂產(chǎn)生較強(qiáng)頂托力，阻止泥砂往湖區(qū)前進(jìn)，使水流向扇體兩側(cè)擺動(dòng)速率變大，扇體橫向展布速率變大，長(zhǎng)寬比更小。

(2) 湖水位影響扇三角洲展布面積和厚度。更高的湖水位給沉積體提供更多垂向可容納空間，利于扇體垂向沉積，厚度更大。物源量一定，厚度更大，扇體面積相應(yīng)減小。

(3) 湖水位影響扇三角洲展布位置和前緣傾角。湖水位越高，湖岸線越靠近物源，水流攜帶泥砂受到湖水頂托的位置整體越接近物源，泥砂就會(huì)在越接近物源的地方沉積，扇三角洲展布位置更靠近物源。湖水位越高，砂體厚度越大，扇體前緣高差越大，前緣傾角也越大。