張 可 吳勝和 許允杰 熊綺聰 高子杰 余季陶

中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

湖盆扇三角洲作為沉積盆地邊緣重要的沉積類型，是石油、天然氣等地質(zhì)礦產(chǎn)資源富集的重要場(chǎng)所，其沉積特征對(duì)于油氣精細(xì)勘探與有效開發(fā)具有至關(guān)重要的意義，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注(裘亦楠等，1982；吳勝和等，1994；鮮本忠等，2007；林煜等，2013；操應(yīng)長(zhǎng)等，2019)。

扇三角洲沉積特征復(fù)雜，其平原沉積特征類似于沖積扇，已有大量學(xué)者開展過相關(guān)研究(焦養(yǎng)泉等，1998；唐勇等，2014；于興河等，2014)。沖積扇入湖后，受湖盆水體的影響，沉積物擴(kuò)散方式發(fā)生改變，前緣沉積與水上沉積體有較大差異，主要體現(xiàn)在成因單元類型及其構(gòu)型特征2個(gè)方面。雖然學(xué)者們對(duì)扇三角洲前緣沉積進(jìn)行過大量研究，但河口壩發(fā)育程度及垂向粒度韻律特征尚存在爭(zhēng)議：(1)扇三角洲前緣分流河道及河口壩的相對(duì)發(fā)育程度存在爭(zhēng)議。大部分學(xué)者認(rèn)為扇三角洲前緣以分流河道砂體為主，而河口壩不發(fā)育或者規(guī)模較小(賈愛林等，2000；張春生等，2000；譚程鵬等，2014；張昌民等，2015)，部分學(xué)者認(rèn)為扇三角洲前緣分流河道及河口壩同時(shí)發(fā)育，甚至以河口壩為主(Billietal.，1991；Wagoner Dijketal.，2009；Wangetal.，2015；楊延強(qiáng)和吳勝和，2015)；(2)河口壩粒度韻律特征存在爭(zhēng)議。前人研究多認(rèn)為河口壩砂體呈反韻律(于興河等，1999；García-Garcíaetal.，2006；Jiaetal.，2018；李勝利等，2018)，但部分學(xué)者認(rèn)為河口壩砂體可呈正韻律(Billietal.，1991；Benvenuti，2003；Fabbricatoreetal.，2014；Wangetal.，2015)或正反復(fù)合韻律(楊延強(qiáng)和吳勝和，2015)。

河北灤平盆地桑園剖面下白堊統(tǒng)西瓜園組露頭是開展湖盆扇三角洲前緣河口壩沉積特征研究的良好地區(qū)，前人已針對(duì)該露頭進(jìn)行了大量的沉積學(xué)研究(賈愛林等，2004；郭建林等，2007；項(xiàng)華和張樂，2007；耳闖等，2010；劉策等，2017)，且多認(rèn)為河口壩巖性較細(xì)(以細(xì)砂巖為主)，反韻律特征明顯(賈愛林等，2004；賈珍臻，2016)。以該露頭為例，以前人研究為基礎(chǔ)，通過人工實(shí)測(cè)及無人機(jī)觀測(cè)相結(jié)合的方法，分析桑園剖面扇三角洲河口壩發(fā)育程度及粒度韻律特征，探討其韻律特征的形成機(jī)理，以期為湖盆扇三角洲沉積特征研究提供新的思路，為該類油氣藏精細(xì)勘探和開發(fā)方案的制定及調(diào)整奠定必要的地質(zhì)基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)背景

圖1 灤平盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)李寅，2003；Wei et al.，2012；有修改)Fig.1 Schematic geological map of the Luanping Basin(modified from Li，2003；Wei et al.，2012)

灤平盆地位于河北省灤平縣，構(gòu)造上位于燕山臺(tái)褶帶的北緣，處于尚義—平泉深斷裂與豐寧—隆化深斷裂間的楔形地帶中，盆地北緣發(fā)育紅旗—崗子斷裂，西側(cè)發(fā)育小白旗—付家店斷裂，2個(gè)邊界斷裂均為正斷層(武法東等，2000；Davisetal.，2001；Renetal.，2002；李寅，2003；Mengetal.，2003；Cope and Graham，2007)(圖1)。灤平盆地沉積基底為太古代變質(zhì)巖及元古代侵入巖，之上依次出露的地層為侏羅系、下白堊統(tǒng)及第四系(田樹剛等，2004；武法東等，2004)。灤平盆地自中生代經(jīng)歷了裂陷—萎縮期，在白堊紀(jì)西瓜園組沉積時(shí)期，北部的紅旗—崗子斷裂活動(dòng)強(qiáng)度大于西部的小白旗—付家店斷裂，在斷裂活動(dòng)的背景下，湖盆整體上呈現(xiàn)出北陡南緩、沿北東—南西向展布的構(gòu)造特征，為典型的半地塹盆地，大套厚層砂(礫)巖體沿湖盆周緣分布。

桑園剖面位于灤平盆地西部，沿北西—南東向出露，剖面上發(fā)育1套礫巖、砂巖、粉砂巖及泥巖沉積，其中以中礫巖、細(xì)礫巖、小礫巖及粗砂巖為主，沉積厚度約為500 m。物源來自北西西方向，沿長(zhǎng)軸方向展布，為緩坡扇三角洲沉積(Copeetal.，2010；Weietal.，2012)(剖面位置見圖1中的AA′)。剖面與物源方向呈一定角度斜交，沉積砂巖及礫巖側(cè)向延伸距離長(zhǎng)，側(cè)向變化豐富，巖石學(xué)及沉積構(gòu)型特征明顯。剖面發(fā)育1個(gè)完整的四級(jí)基準(zhǔn)面旋回(羅平，2007)，從下至上沉積物粒度先變細(xì)后變粗，沉積物厚度先變薄再變厚，由厚層礫巖(厚度多大于3 m)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸由皫r—泥巖層(厚度多小于2 m)，后又轉(zhuǎn)變?yōu)楹駥拥[巖(厚度多大于8 m)，本次研究的重點(diǎn)為該四級(jí)基準(zhǔn)面旋回內(nèi)部的沉積體。

目前，關(guān)于下白堊統(tǒng)西瓜園組桑園剖面沉積砂(礫)巖體的沉積相類型存在分歧，一種觀點(diǎn)認(rèn)為桑園剖面為扇三角洲前緣沉積體系(羅平，2007；Copeetal.，2010；Weietal.，2012；楊保良等，2021)，但水體深度存在爭(zhēng)議；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為桑園剖面發(fā)育深水沉積(異重流沉積)(Yanetal.，2020)或近岸水下扇沉積(白立科等，2020)。作者認(rèn)為桑園剖面西瓜園組沉積相類型為扇三角洲，下文將進(jìn)行具體闡述。

經(jīng)緯度及海拔數(shù)據(jù)均來自無人機(jī)測(cè)量結(jié)果(藍(lán)色的虛線為湖泛面，紅色的虛線為基準(zhǔn)面旋回界面)圖2 利用無人機(jī)掃描數(shù)據(jù)建立的桑園剖面三維定量化數(shù)據(jù)體Fig.2 3D quantitative model of Sangyuan outcrop established by UAV scanning data

2 研究方法及數(shù)據(jù)

采用人工實(shí)測(cè)及無人機(jī)觀測(cè)分析相結(jié)合的方法對(duì)桑園剖面進(jìn)行研究。人工實(shí)測(cè)是在近處進(jìn)行精細(xì)觀察及描述，識(shí)別不同巖性、沉積構(gòu)造(層面構(gòu)造、層理等)及粒度韻律等特征。拍攝高清照片超過400張，典型層面構(gòu)造照片分布位置見 圖2 中的L1-L8，典型巖性及層理照片分布位置見 圖2 中的F1-F8；同時(shí)，繪制桑園剖面沉積柱狀 圖17 張，共計(jì)420 m，繪制精度為1︰20。另外，取樣18塊，在中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行粒度分析。

無人機(jī)觀測(cè)分析方法是利用從不同方位采集到的數(shù)據(jù)，建立野外露頭三維數(shù)據(jù)體來進(jìn)行定量研究的方法。該方法不僅可彌補(bǔ)野外高、陡部位人工測(cè)量難的不足，還可得到三維測(cè)量的數(shù)據(jù)體，有利于進(jìn)行地質(zhì)體幾何形態(tài)及分布的定量分析(印森林等，2018)。本次研究采用集成五鏡頭傾斜相機(jī)的六旋翼無人機(jī)，設(shè)置巡航高度300 m，巡航航線垂直于剖面展布方向，共計(jì)28條，拍攝帶坐標(biāo)照片超過5500張，建立了帶三維坐標(biāo)的定量模型(圖2)，分辨率為0.2 m。三維定量模型用于開展桑園剖面扇三角洲沉積體的宏觀展布特征研究及成因單元的定量規(guī)模研究。

在桑園剖面扇三角洲沉積特征研究的基礎(chǔ)上，開展水槽模擬實(shí)驗(yàn)闡明桑園剖面河口壩粒度韻律特征的形成機(jī)理。水槽模擬實(shí)驗(yàn)是在長(zhǎng)江大學(xué)水槽模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，水槽長(zhǎng)2.25 m，寬2.16 m，深30 cm，作為沉積盆地接受沉積，在沉積盆地內(nèi)部可人工鋪設(shè)具有不同坡度的沉積底形。沉積盆地前部設(shè)有長(zhǎng)度為0.8 m、寬度為0.05 m的通道，作為為沉積盆地提供流體與沉積物的供給通道，供給流量可通過調(diào)節(jié)進(jìn)水量來控制。供給通道最前端設(shè)置有沉積物供給裝置，由給料漏斗與震動(dòng)盤組成，實(shí)驗(yàn)過程中可通過改變震動(dòng)盤的震動(dòng)頻率調(diào)節(jié)沉積物供給速率。沉積物與水流在供給通道最前端進(jìn)行混合，保證流體以穩(wěn)定射流的形式進(jìn)入沉積盆地。沉積盆地后部設(shè)有排水池，水泵可將沉積盆地內(nèi)的水體排入排水池，調(diào)節(jié)沉積盆地內(nèi)湖平面變化(圖3)。實(shí)驗(yàn)完成后，分別在近、中、遠(yuǎn)切物源剖面及順物源剖面河口壩內(nèi)部取樣進(jìn)行粒度分析，共計(jì)樣品78份。

圖3 水槽模擬實(shí)驗(yàn)裝置Fig.3 Flume simulation experiment device

3 扇三角洲沉積相的厘定及成因單元類型

3.1 沉積相的厘定

桑園剖面西瓜園組的沉積相類型為扇三角洲，主要依據(jù)如下。

3.1.1 湖盆水體較淺，水下沉積與水上沉積并存

桑園剖面發(fā)育反映淺水環(huán)境的波痕及反映水上沉積環(huán)境的泥裂層面構(gòu)造(圖4)。波痕類型包括流水波痕及浪成波痕。流水波痕呈不對(duì)稱狀，指示單向水流，波長(zhǎng)約為5.5 cm，波高約為3 mm，波痕指數(shù)(波長(zhǎng)/波高)大于15(圖4-H)；浪成波痕指示沉積環(huán)境為淺水環(huán)境(位于湖盆浪基面之上)，其可呈對(duì)稱狀(圖4-B，4-E，4-F，4-G)或不對(duì)稱狀(圖4-D)，波峰尖銳、波谷圓滑，不對(duì)稱浪成波痕平面呈分支狀，常見分而復(fù)合的現(xiàn)象。浪成波痕在桑園剖面上多處出現(xiàn)(圖2中的L2、L4、L5、L6、L7)，分布在整個(gè)基準(zhǔn)面旋回內(nèi)部，且在湖泛面附近(圖2中的藍(lán)色虛線)的深灰—灰黑色泥巖中發(fā)現(xiàn)對(duì)稱狀浪成波痕(圖4-B)，表明西瓜園組沉積時(shí)沉積主體處于淺水沉積環(huán)境。

泥裂在層面上呈網(wǎng)格狀龜裂紋，將巖石切割成多邊形，可見于灰色粉砂—泥巖層面(圖4-A)；泥裂鑄模形狀呈“V”字形，上部寬度小于2 cm，可見于部分砂(礫)巖體底部(圖4-C，4-F)，指示沉積物沉積時(shí)經(jīng)歷了短期淺水暴露環(huán)境，屬于水上沉積環(huán)境。泥裂層面構(gòu)造在桑園剖面多處出現(xiàn)(圖2中的L1、L3、L6)，表明西瓜園組沉積時(shí)期整體水體較淺，多次水退出現(xiàn)短期暴露環(huán)境。

3.1.2 具重力流與牽引流并存的沉積物搬運(yùn)機(jī)制

桑園剖面西瓜園組發(fā)育反映重力流沉積的塊狀構(gòu)造(圖5-A)、正粒序?qū)永?圖5-D)、滑塌構(gòu)造(圖5-C)及泥巖撕裂屑(圖5-G)等典型標(biāo)志(發(fā)育位置見 圖2 中的F1、F3、F4、F7)。其中，塊狀礫巖整體分選差，礫石顆粒無定向，沉積物以整體凍結(jié)的方式卸載，沉積物搬運(yùn)機(jī)制為碎屑流；正粒序?qū)永淼[巖反映沉積流體在失去外力推動(dòng)的情況下，沉積顆粒逐一沉降形成，為濁流沉積。此外，還可見一種特殊類型的分選極差的疊瓦狀礫巖(圖5-H，發(fā)育位置見 圖2 中的F8)，沉積物在弱黏性碎屑流流體中搬運(yùn)，內(nèi)聚力較弱，大的碎屑顆?？梢砸苿?dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致扁平狀礫石顆粒定向性明顯，沉積物搬運(yùn)機(jī)制為弱黏性碎屑流。

除了發(fā)育典型的重力流沉積構(gòu)造之外，桑園剖面廣泛發(fā)育反映牽引流成因的沉積構(gòu)造，包括槽狀交錯(cuò)層理(圖5-B)、楔狀交錯(cuò)層理(圖5-F)、平行層理(圖5-E)等(發(fā)育位置見 圖2 中的F2、F5、F6)。

A—灰色泥巖頂面泥裂構(gòu)造；B—對(duì)稱波痕；C—中礫巖底部泥裂鑄模；D—不對(duì)稱波痕；E—對(duì)稱波痕(4組，波峰走向不一致)；F—對(duì)稱波痕及泥裂鑄模；G—對(duì)稱波痕；H—不對(duì)稱波痕。A-H分布位置依次對(duì)應(yīng) 圖2 中的L1-L8圖4 灤平盆地桑園剖面西瓜園組層面構(gòu)造特征Fig.4 Bedding plane structures in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

A—塊狀構(gòu)造，分選差；B—槽狀交錯(cuò)層理；C—滑塌構(gòu)造；D—正粒序?qū)永?；E—平行層理；F—楔狀交錯(cuò)層理；G— 塊狀，泥巖撕裂屑；H—礫石具有明顯定向性，分選極差。A-H分布位置依次對(duì)應(yīng)圖2中的F1-F8圖5 灤平盆地桑園剖面西瓜園組典型重力流與牽引流沉積標(biāo)志Fig.5 Typical signs of gravity flow and traction flow deposition in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

3.1.3 發(fā)育頂平底凸的水道型及底平頂凸的堆積型砂(礫)巖體

桑園剖面西瓜園組既發(fā)育頂平底凸的水道型砂(礫)巖體，又發(fā)育底平頂凸的堆積型砂(礫)巖體。前者在剖面上常下切下伏地層，后者與兩側(cè)巖層呈上超關(guān)系(圖6)。

A—水道型砂體下切下伏地層；B—堆積型砂體頂界與兩側(cè)地層呈上超關(guān)系圖6 灤平盆地桑園剖面西瓜園組砂體剖面形態(tài)及相鄰地層充填樣式Fig.6 Profile characteristics of sandbodies and filling patterns of adjacent strata in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

綜上所述，研究區(qū)湖盆水體較淺，同時(shí)發(fā)育水上及水下沉積，具有重力流與牽引流共存的沉積物搬運(yùn)機(jī)制，發(fā)育頂平底凸的水道型及底平頂凸的堆積型砂(礫)巖體，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)沉積背景(Copeetal.，2010；Weietal.，2012)，判斷桑園剖面西瓜園組為扇三角洲沉積相類型。

3.2 成因單元類型及特征

西瓜園組沉積時(shí)期，湖平面不斷變化，研究區(qū)整體處于淺水環(huán)境，偶爾暴露地表，因此桑園剖面主要發(fā)育扇三角洲前緣沉積，少量層段發(fā)育扇三角洲平原沉積。在砂(礫)巖體中，主要的成因單元類型包括分流河道、河口壩及席狀砂。

1)分流河道。在剖面上呈頂平底凸?fàn)睿撞靠梢姏_刷面(圖6-A)。巖性以礫巖為主，含少量砂巖，發(fā)育塊狀構(gòu)造、粒序?qū)永?、疊瓦狀構(gòu)造、交錯(cuò)層理等，垂向上呈正韻律特征。分流河道礫巖體厚度一般為2～11 m，最厚可達(dá)28 m；寬度一般為9～244 m，寬厚比為6～40。

2)河口壩。本文所稱的河口壩為廣義的河口壩，包括水上分流河道攜帶沉積物在河口處卸載形成的河口壩沉積以及水下分流河道前端的朵葉體沉積。在剖面上呈底平頂凸?fàn)?圖6-B)。厚度一般為1～8 m，最厚可達(dá)15 m；寬度為94～282 m，寬厚比為13～121。巖性以礫巖、砂巖為主，發(fā)育塊狀構(gòu)造、交錯(cuò)層理及平行層理等，韻律特征復(fù)雜，垂向上呈正韻律或反韻律。

3)席狀砂。在剖面上呈薄層板狀，側(cè)向厚度變化小，常與灰綠色、灰黑色泥巖相鄰(圖7)。巖性以粉砂巖為主，含少量砂巖，發(fā)育平行層理、波狀交錯(cuò)層理等，垂向上呈均質(zhì)韻律或反韻律特征。席狀砂厚度一般為0.34～0.83 m，寬度為100～124 m，寬厚比為121～354。

圖7 灤平盆地桑園剖面西瓜園組席狀砂剖面形態(tài)及巖性特征Fig.7 Profile characteristics and lithofacies of sheet sand in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

3種成因單元在剖面上最重要的識(shí)別標(biāo)志為剖面形態(tài)差異，即分流河道的頂平底凸?fàn)睢⒑涌趬蔚牡灼巾斖範(fàn)钜约跋癄钌暗谋影鍫睢?yīng)用無人機(jī)測(cè)量的數(shù)字露頭模型，根據(jù)成因單元的剖面形態(tài)識(shí)別標(biāo)志，繪制了桑園剖面成因單元剖面分布圖，對(duì)剖面中各成因單元的比例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。在整個(gè)剖面中，砂(礫)巖體占比為31.67%。在砂(礫)巖體中，分流河道與河口壩發(fā)育程度高，占比分別為53.42%及45.27%。席狀砂發(fā)育程度低，占比僅為1.31%(圖8)。

垂向上，研究區(qū)扇三角洲平原—前緣砂(礫)巖體與前三角洲—淺湖泥巖互層，多期砂(礫)巖體之間發(fā)育較為穩(wěn)定的泥質(zhì)層，部分分流河道會(huì)切穿下伏泥質(zhì)隔層導(dǎo)致2期砂礫巖體垂向連通。側(cè)向上，部分砂(礫)巖體側(cè)向切疊或疊置，砂(礫)巖體側(cè)向連通，另一部分砂(礫)巖體兩側(cè)發(fā)育較為穩(wěn)定的粉砂—泥質(zhì)沉積。砂(礫)巖體的空間疊置樣式多樣，包括分流河道側(cè)向—垂向切疊型、分流河道深切河口壩型、分流河道與河口壩側(cè)向疊置型、河口壩側(cè)向疊置型、河口壩孤立型及席狀砂孤立型(圖9)。在分流河道深切河口壩型中，分流河道下切能力強(qiáng)，分流河道下部易發(fā)育殘余反韻律河口壩，河口壩厚度與分流河道相比明顯較薄。在分流河道與河口壩側(cè)向疊置型中，當(dāng)分流河道規(guī)模較小時(shí)(寬度小于20 m，厚度小于1.5 m)，分流河道邊部易發(fā)育反韻律河口壩，河口壩厚度較薄；當(dāng)分流河道規(guī)模較大時(shí)，其邊部易發(fā)育正韻律河口壩。而圖8-B中用紅色箭頭指示的發(fā)育在規(guī)模較大的分流河道附近的厚層反韻律河口壩砂礫巖體，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與上述厚度較薄的反韻律河口壩不同，為特殊類型的反韻律河口壩砂礫巖體。

圖9 灤平盆地桑園剖面扇三角洲沉積構(gòu)型模式圖Fig.9 Architecture pattern of fan delta of Sangyuan outcrop，Luanping Basin

4 河口壩粒度韻律特征及形成機(jī)理探討

本節(jié)以典型的具有底平頂凸剖面形態(tài)的河口壩為對(duì)象，研究河口壩內(nèi)部垂向粒度韻律特征，并開展水槽模擬實(shí)驗(yàn)，探討桑園剖面河口壩不同韻律特征的形成機(jī)理。

4.1 河口壩粒度韻律特征4.1.1 河口壩增生體韻律特征

河口壩通常由多期增生體組成，增生體為河口壩內(nèi)部的單一韻律層，其頂部及底部可見粒度突變界面，厚度規(guī)模差異大，多介于0.2～4 m之間(圖10)，可根據(jù)巖性變化將該河口壩劃分為5個(gè)增生體(紅色虛線為巖性突變界面)。自下而上對(duì)5個(gè)增生體進(jìn)行編號(hào)，①號(hào)增生體巖性以粗砂巖為主；②號(hào)增生體底部為細(xì)礫巖，向上逐漸過渡為粗砂巖；③號(hào)增生體底部為小礫巖，向上逐漸過渡為粗砂巖；④號(hào)增生體巖性為小礫巖；⑤號(hào)增生體巖性為中、粗砂巖。

測(cè)量分析表明，增生體的粒度韻律與巖性密切相關(guān)。當(dāng)增生體主要由砂巖組成時(shí)，呈粒度反韻律特征，底部主要發(fā)育平行層理、交錯(cuò)層理中細(xì)砂巖，向上逐漸變?yōu)槠叫袑永泶稚皫r。如 圖11 柱1及柱2所示，分流河道砂體下伏的河口壩由多個(gè)砂質(zhì)增生體組成，每個(gè)增生體均呈反韻律特征。下部增生體規(guī)模小、厚度薄(約為0.7 m)，巖性以中細(xì)砂巖為主，向上增生體規(guī)模變大、厚度變厚(約為5.5 m)，且沉積物粒度變粗，發(fā)育平行層理中細(xì)砂巖—粗砂巖。增生體頂部被分流河道侵蝕，其間發(fā)育沖刷面。

當(dāng)增生體主要由礫巖組成(礫巖厚度大于30%)時(shí)，呈粒度正韻律特征，底部以塊狀礫巖為主，向上逐漸變?yōu)閴K狀粗砂巖、交錯(cuò)層理粗砂巖等。如 圖11 柱3所示，分流河道砂體下伏的河口壩由多個(gè)礫質(zhì)增生體組成，每個(gè)增生體均呈正韻律特征，增生體底部發(fā)育塊狀小礫巖或塊狀細(xì)礫巖，頂部發(fā)育塊狀粗砂巖。增生體頂部被分流河道侵蝕，其間發(fā)育沖刷面。

圖12 灤平盆地桑園剖面西瓜園組扇三角洲河口壩內(nèi)部增生體韻律性與沉積物粒度的關(guān)系Fig.12 Relationship between vertical grain-size trend of accretion bodies and grain size of sediment within mouth bar in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

圖13 灤平盆地桑園剖面西瓜園組多期正反韻律增生體疊置而成的反韻律河口壩沉積特征Fig.13 Sedimentary characteristics of coarsening-upward mouth bar which is characterized by fining-up successions coupled with coarsening-up successions in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

筆者在具有不同韻律特征的河口壩增生體內(nèi)部取樣并進(jìn)行粒度分析。統(tǒng)計(jì)表明，沉積物粒度中值小于1000 μm時(shí)，河口壩內(nèi)部增生體呈現(xiàn)出反韻律的特征；沉積物粒度中值大于1000 μm時(shí)，河口壩內(nèi)部增生體多呈現(xiàn)出正韻律特征(圖12)。沉積物粒度差異為影響河口壩內(nèi)部增生體韻律性的重要因素。

4.1.2 河口壩整體韻律特征

由多期增生體疊置而成的河口壩，既可呈反韻律特征又可呈正韻律特征。

反韻律河口壩：整體呈粒度反韻律，可呈現(xiàn)多期反韻律增生體疊置、正韻律增生體疊置及正反韻律增生體疊置。圖11展示了多期反韻律增生體疊置及多期正韻律增生體疊置的反韻律河口壩特征，多期反韻律增生體疊置的河口壩底部主要發(fā)育平行層理細(xì)砂巖，向上逐漸變?yōu)槠叫袑永碇猩皫r及平行層理粗砂巖；多期正韻律增生體疊置的河口壩底部以塊狀砂巖為主，向上逐漸變粗，以塊狀礫巖為主。圖13則為正反韻律增生體疊置而成的反韻律河口壩，底部以平行層理中細(xì)砂巖、槽狀交錯(cuò)層理砂巖為主，向上逐漸變粗，以塊狀礫巖為主。砂(礫)巖體整體呈現(xiàn)出底平頂凸的剖面形態(tài)特征，其內(nèi)部未見分流河道下切及頂平底凸的分流河道標(biāo)志性剖面特征(圖13)。因此，該砂(礫)巖體為完整的河口壩沉積，下部發(fā)育反韻律增生體，巖性為砂巖；中上部發(fā)育多期正韻律增生體，巖性以礫巖及粗砂巖為主。其中，由正韻律增生體疊置及正反韻律增生體疊置而成的反韻律河口壩為圖8-B中特征類型的反韻律河口壩砂礫巖體，其內(nèi)部河口壩增生體仍多呈現(xiàn)正韻律特征。在桑園剖面河口壩砂(礫)巖體中，反韻律河口壩占比為43.05%。

圖14 灤平盆地桑園剖面西瓜園組多期正韻律增生體疊置而成的正韻律河口壩沉積特征Fig.14 Sedimentary characteristics of fining-upward mouth bar which is characterized by repeating fining-upward packages in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

正韻律河口壩：整體呈粒度正韻律，內(nèi)部呈現(xiàn)多期正韻律增生體疊置。巖性以礫巖為主，砂巖含量相對(duì)較少，發(fā)育平行層理及塊狀構(gòu)造。如圖14 所示，正韻律河口壩底部以塊狀礫巖為主，向上逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀砂巖及平行層理砂巖。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在桑園剖面河口壩砂(礫)巖體中，正韻律河口壩占比為56.95%。

4.2 河口壩粒度韻律特征的形成機(jī)理探討

沉積物由河道搬運(yùn)至湖盆時(shí)，河口處沉積物的沉積主要受底床摩擦力及慣性力的共同影響(Wright，1977；Postma，1990；Wangetal.，2015)。在摩擦力主控的水流擴(kuò)散模式下，沉積物粒度沿前積層面逐漸減小，增生體易顯示出反韻律特征；而在慣性力主控的水流擴(kuò)散模式下，沉積物粒度沿前積層面逐漸增大，增生體易顯示出正韻律特征。河口處的水流擴(kuò)散模式取決于河口處的反映流體流態(tài)的弗勞德數(shù)(Fr)與雷諾數(shù)(Re)的大小(Wright，1977)，

(1)

(2)

其中，v為河口處平均流速，h0與b0分別為河口河道深度及寬度，μ為流體黏度。前人研究表明，當(dāng)Fr大于16.1或者Re大于2300時(shí)，流體表現(xiàn)為完全湍流狀態(tài)，河口處水流擴(kuò)散模式為慣性力主導(dǎo)(Hayashietal.，1967；Barkleyetal.，2015)。當(dāng)Fr小于16.1或Re小于2300時(shí)，水流擴(kuò)散模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ亮χ骺亍?/p>

A為粗粒河口壩：A1為切物源剖面，A2為順物源剖面，A3為柱狀圖(展示A1黑框處及A2黑色實(shí)線處沉積物垂向分布情況)B為細(xì)粒河口壩：B1為切物源剖面，B2為順物源剖面，B3為柱狀圖(展示B1黑框處及B2黑色實(shí)線處沉積物垂向分布情況)圖15 水槽模擬實(shí)驗(yàn)的粗粒河口壩與細(xì)粒河口壩增生體內(nèi)部沉積物分布情況Fig.15 Sediment distribution in accretion bodies of coarse-grained and fine-grained mouth bars in flume experiments

從弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)的計(jì)算公式可以看出，在同一河口系統(tǒng)下，影響兩者的主要參數(shù)為流體流速及黏度。與流速相關(guān)的地質(zhì)因素包括流量、沉積物底形坡度等；與黏度相關(guān)的地質(zhì)因素包括沉積物粒度、泥質(zhì)含量等。由于野外露頭上僅能觀察到沉積物粒度差異，因此這里重點(diǎn)探討沉積物粒度對(duì)河口壩增生體韻律性的影響。

筆者分別對(duì)粗粒和細(xì)粒河口壩增生體在河口處的沉積過程進(jìn)行了水槽模擬，觀察不同粒度沉積物沿前積層面的排列方式。沉積物粒度的設(shè)置參考桑園剖面扇三角洲河口壩增生體韻律差異的粒度臨界值(1000 μm)，同時(shí)考慮到水槽模擬實(shí)驗(yàn)規(guī)模較野外露頭沉積小，設(shè)置粗粒沉積物粒度中值為712 μm，細(xì)粒沉積物粒度中值為228 μm。在沉積過程中，流量、初始流速、湖平面及沉積底形坡度始終保持一致。

研究發(fā)現(xiàn)，在細(xì)粒河口壩增生體水槽模擬實(shí)驗(yàn)中，粒度較粗的沉積物沉積在前積層近端，粒度較細(xì)的沉積物搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)，在遠(yuǎn)端沉積(圖15-A2)；而在粗粒河口壩增生體水槽模擬實(shí)驗(yàn)中，沉積物沿前積層面沉積時(shí)，粒度較粗的沉積物沉積在遠(yuǎn)端，較細(xì)粒沉積物在近端沉積(圖15-B2)。這是由于沉積物粒度越細(xì)，流體黏度隨細(xì)粒物質(zhì)含量增高而增大，導(dǎo)致河口處Re降低，水流擴(kuò)散模式為摩擦力主控，沉積物沿前積層面沉積時(shí)，相對(duì)粗粒物質(zhì)受到較大底床摩擦力的阻礙，沉積在前積層近端。而在粗粒實(shí)驗(yàn)中，沉積物在河口處的沉積過程主要受慣性力影響，相對(duì)粗粒物質(zhì)在較大慣性力的控制下沉積在遠(yuǎn)端。

沉積物在湖盆水體內(nèi)向前搬運(yùn)并不斷沉積，沉積物粒度隨搬運(yùn)距離增加而減小，但對(duì)于同一個(gè)增生體來說，沉積物粒度減小的幅度很小，幾乎可以忽略不計(jì)，因此在底床摩擦力主控的沉積模式下河口壩內(nèi)部細(xì)粒增生體呈反韻律特征，在慣性力主控的沉積模式下河口壩內(nèi)部粗粒增生體呈正韻律特征(圖15)。

河口壩的整體韻律性受控于增生體的垂向疊置樣式。當(dāng)向上疊置的增生體變粗時(shí)，河口壩呈反韻律特征；而當(dāng)向上疊置的增生體變細(xì)時(shí)，河口壩呈正韻律特征。

5 結(jié)論

1)灤平盆地桑園剖面西瓜園組扇三角洲前緣既發(fā)育分流河道，又發(fā)育河口壩，前者在整個(gè)剖面中占砂(礫)巖體的53.42%，后者占45.27%，另外還包含1.31%的席狀砂。河口壩在剖面上呈底平頂凸?fàn)?，厚度一般?～8 m，最大厚度可達(dá)15 m；寬度為94～282 m，寬厚比為13～121；巖性以礫巖、砂巖為主，發(fā)育塊狀構(gòu)造、交錯(cuò)層理及平行層理等，垂向粒度韻律復(fù)雜，即可呈正韻律又可呈反韻律。

2)沉積物粒度對(duì)扇三角洲河口壩內(nèi)部增生體的韻律具有較大的影響。當(dāng)河口壩增生體主要由砂巖組成時(shí)，主要呈反韻律特征，其河口水流擴(kuò)散模式為摩擦力主控，粒度較粗的沉積物受到較大底床摩擦力的阻礙，沉積在前積層近端，粒度較細(xì)的沉積物搬運(yùn)距離較遠(yuǎn)而在遠(yuǎn)端沉積，從而形成反韻律增生體；而當(dāng)河口壩增生體主要由礫巖組成時(shí)，主要呈正韻律特征，其河口水流擴(kuò)散模式為慣性力主控，粒度較粗的沉積物在較大慣性力的控制下沉積在遠(yuǎn)端，較細(xì)粒沉積物則在近端沉積，從而形成正韻律河口壩增生體。河口壩整體韻律受控于增生體的垂向疊置樣式，既可呈反韻律特征又可呈正韻律特征。

致謝中國(guó)石油大學(xué)(北京)朱筱敏教授、紀(jì)友亮教授在文章撰寫階段提供了寶貴意見，在此表示衷心感謝。感謝3位稿件評(píng)審專家給稿件修改提出的很好的意見和建議。