杜 威，邱春光，賈 屾，詹 鑫，閆靜怡，紀友亮，吳 浩

（1.中國海洋石油國際有限公司，北京 100028；2.油氣資源與探測國家重點實驗室中國石油大學（北京），北京 102249；3.浙江自然博物院，浙江杭州 310014；4.蘭州大學地質科學與礦產資源學院，甘肅蘭州 730000）

自然界中的三角洲形態(tài)“豐富多彩、奇形怪狀”，例如匯入墨西哥灣的密西西比河三角洲是典型的鳥足狀三角洲，由多個指狀砂壩組成；而阿拉法拉亞三角洲是典型的朵葉狀三角洲，由于被多條分流河道分割，平面上形似多個巨型孤立的分流砂壩［1］。隨著中國油氣田滾動勘探開發(fā)的逐漸深入，儲層構型理論成為指導開發(fā)井網部署的重要依據(jù)，河控三角洲砂體形態(tài)的研究就此拉開帷幕［2-6］?；谛l(wèi)星影像，中國學者按照平面形態(tài)將河控三角洲劃分為分流沙壩型和指狀壩型，按照河口地貌劃分為舌狀、單指狀、多指狀和席狀等［7-9］。然而，目前所報道的河控三角洲形態(tài)分類僅局限于定性的命名，對形態(tài)的定量化表征有待進一步研究。

沉積過程決定沉積體系的平面形態(tài)和剖面結構。隨著遙感成像、物理模擬和數(shù)值模擬技術的不斷發(fā)展，中外學者們總結出河控三角洲生長過程的控制因素，包括河流能量、沉積物粒度組成、泥質含量、地形坡度和基準面變化等［10-19］。較強的河流能量增加決口水道的數(shù)量和分流河道的寬度［20］；沉積物組分特征控制著三角洲的圓度，例如富泥質三角洲整體上呈現(xiàn)扇狀且不發(fā)育分流河道［21-24］；地形坡度控制著分流河道的發(fā)散和匯聚［1，20］；基準面變化控制著三角洲的延伸距離［25-26］。然而，在不同主控因素下針對河控三角洲形態(tài)對生長過程的響應缺乏系統(tǒng)的定量研究。

據(jù)此，基于分形幾何學和控制變量的思路，利用構型尺度的沉積正演數(shù)值模擬方法，分析河控三角洲主體和河壩復合體朵葉的形態(tài)類型和特征（值），明確了沉積物供給速率、沉積物組分和盆地水深對形態(tài)的控制作用，建立形態(tài)與生長過程主控因素之間的定量表征模型，旨在為中國含油氣盆地巖性油氣藏儲層構型研究提供理論指導，也進一步豐富了三角洲沉積學和形態(tài)學理論體系。

1 河控三角洲形態(tài)學定義

1.1 三角洲主體

正常湖退背景下，河控三角洲生長-沉積-保存的動態(tài)過程可以概括為：前緣增生階段是三角洲主要的生長期和沉積期，主分流河道向前進積和決口分叉建設前緣增生體（同一時期三角洲前緣的多個河壩復合體朵葉），河口壩快速“水下”充填，河道沿壩快速“水上”建造；平原改造階段是三角洲主要的沉積期和保存期，主分流河道側向遷移和陸上決口緩慢“水上”改造廢棄前緣增生體，并建設自生的河道砂壩（圖1a）。強制湖退背景下，強制湖退階段形成的平原主分流河道使河壩復合體朵葉在平面上不連續(xù)（圖1b）。三角洲主體是指河控三角洲生長過程中不斷被平原改造的三角洲前緣增生體的總和，主要由主分流河道、前緣決口水道、平原決口水道和河口壩組成（表1）。其中，主分流河道（或長期活動河道）是指供源河流在初始河口處決口分叉形成的活動性較強的長期活動分流河道，一般貫穿三角洲主體，決口分叉、下切和側向遷移能力較強，內部充填多期疊置的河道砂壩，測井曲線呈箱型；前緣決口水道（或前緣短期活動河道）是指前緣增生階段三角洲前緣內主分流河道決口分叉形成的短期活動分流河道，一般不均勻地分布于主分流河道兩側，決口分叉、下切和側向遷移能力較弱，內部充填泥質含量較高的砂質沉積物，測井曲線呈鐘型；平原決口水道（或平原短期活動河道）是指平原改造階段主分流河道決口分叉輕微下切三角洲平原形成的富泥質分流河道，偶見于主分流河道的凸岸，活動時間較短且規(guī)模較小，不具備決口分叉和側向遷移能力，在測井上很難與分流間灣泥區(qū)分。與平原決口水道不同，主分流河道和前緣決口水道在前緣增生階段均下切于自生的河口壩中，平面上形成“河在壩間走”的格局，筆者將這種分流河道和河口壩的組合稱為河壩復合體，測井曲線呈上箱型-下漏斗型或上鐘型-下漏斗型（圖1a，1b）。

表1 河控三角洲主體分流河道的類型及差異Table1 Types and differences of distributary channels in river-dominated deltaic main bodies

圖1 河控三角洲主體沉積演化模式Fig.1 Sedimentary evolution model of river-dominated deltaic main bodies

1.2 河壩復合體朵葉

河壩復合體朵葉是指同一河口系統(tǒng)發(fā)育的前緣增生河壩復合體的集合，一般由1 個主分流河道河壩復合體和1個或多個前緣決口水道河壩復合體組成，是三角洲主體分形幾何學意義上的基本生長單元，多期河口系統(tǒng)處河壩復合體朵葉疊加成為三角洲主體（圖2）。按照不同時期主分流河道的行為，可以將河壩復合體朵葉的生長過程劃分為4 個階段：①初始河口壩階段。低彎度主分流河道卸載河口壩，內部搬運不沉積（圖2a）。②主分流河道建設階段。低彎度主分流河道決口分叉，內部搬運不沉積，前緣決口水道初步形成，與主分流河道共同建設河口壩（圖2b）。③主分流河道改造階段。高彎度主分流河道側向遷移，內部搬運并沉積，前緣決口水道活動性減弱并輕微變曲，河口壩繼續(xù)建造（圖2c）。④準平原化階段。高彎度主分流河道側向遷移和平原決口，內部搬運并沉積，兩側的前緣決口水道被廢棄充填，主分流河道繼續(xù)建造河口壩，向物源方向形成地貌學意義上的心灘和河漫沼澤（圖2d）。當前緣決口水道完全廢棄且主分流河道完成路徑選擇時，標志著一期河壩復合體朵葉廢棄，下一期河壩復合體朵葉開始生長。

圖2 河控三角洲河壩復合體朵葉沉積演化模式Fig.2 Sedimentary evolution model of CMCLs in the river-dominated deltas

2 河控三角洲形態(tài)類型和特征

2.1 形態(tài)類型

三角洲主體主要包括2 種形態(tài)類型：河網砂壩型和分支間灣型（圖3）。其中，河網砂壩型三角洲主分流河道數(shù)量多，水動力強，河道分叉匯聚呈網絡，將三角洲主體切割成為多個相對獨立的砂壩或砂泥復合壩（圖3a，3c）；分支間灣型三角洲主分流河道數(shù)量少且?guī)缀醪环植妫侵拗黧w呈樹枝狀，常將湖泊包絡形成分流間灣（圖3b，3d）。

圖3 河控三角洲三角洲主體形態(tài)類型Fig.3 Morphological types of river-dominated deltaic main bodies

河壩復合體朵葉主要包括3 種形態(tài)類型：Ⅰ型（多水道復合指狀朵葉）、Ⅱ型（少水道復合指狀朵葉）和Ⅲ型（主河道橢圓狀朵葉）（圖4）。Ⅰ型河壩復合體朵葉在相同或臨近河口處決口水道數(shù)量多，形成的河壩復合體數(shù)量多且呈指狀，平面上呈復合指狀（圖4a，4d）；Ⅱ型河壩復合體朵葉在相同或臨近河口處決口水道數(shù)量少且呈指狀，平面上呈單一或復合指狀（圖4b，4e）；Ⅲ型河壩復合體朵葉以主分流河道為主，朵葉僅發(fā)育一個主分流河道河壩復合體，呈橢圓狀（圖4c，4f）。

圖4 河控三角洲河壩復合體朵葉形態(tài)類型Fig.4 Morphological types of CMCLs in river-dominated deltas

2.2 形態(tài)特征

為了定量描述河控三角洲的形態(tài)特征，結合三角洲主體和河壩復合體朵葉的形態(tài)類型，引入以下5 種形態(tài)特征值：初始河口主分流河道間夾角、節(jié)點間距、單一河口或節(jié)點處河壩復合體數(shù)量、主分流河道數(shù)量和主分流河道比例，這5 種形態(tài)特征值均與三角洲生長時間無關。其中，初始河口主分流河道間夾角反映了三角洲主體的收斂性或開度，夾角越小，三角洲主體收斂性越強，開度越小。節(jié)點是指前緣決口水道與主分流河道的交點。由于主分流河道不一定在每一個河口都發(fā)生決口，這意味著節(jié)點是指主分流河道發(fā)生決口的河口。節(jié)點間距是指節(jié)點在主分流河道軌跡上的距離，反映了三角洲主體的分叉程度。主分流河道比例是指主分流河道數(shù)量與所有河道和水道數(shù)量的比值（圖5）。

圖5 河控三角洲形態(tài)特征值示意Fig.5 Schematic diagram of morphological features of river-dominated deltas

3 不同主控因素下的生長過程對河控三角洲形態(tài)的控制作用

正常湖退背景下，在不考慮沿岸流和風浪對三角洲二次改造的情況下，基于構型尺度的Delft3D模型，運用控制變量法設計了18 組（其中A2，B3，C1均為對照組）沉積正演模擬實驗，分別模擬不同沉積物供給速率、沉積物組分和盆地水深主控的河控三角洲生長過程，并利用含砂量來刻畫三角洲的形態(tài)（表2）。

表2 沉積正演模擬實驗參數(shù)設置Table2 Parameter setting of sedimentary forward modeling experiments

3.1 沉積物供給速率

沉積物供給速率可以用沉積物流量表征，由供源河流流量和河流沉積物濃度的乘積決定。根據(jù)2002—2020年《中國河流泥沙公報》，中國大部分河流的徑流量為102～103m3/s，河流沉積物濃度為0.01～10 kg/m3［27］。據(jù)此，設計9 組沉積正演模擬實驗（A1—A9），以富細砂質三角洲為例，保持砂泥比、砂質沉積物粒度中值和地形坡度不變，改變河流流量、沉積物濃度和沉積物流量。

根據(jù)A1—A9沉積正演模擬結果（圖6），三角洲主體隨著沉積物供給速率變化具有以下特征：①在河流沉積物濃度一定且數(shù)量級為0.01～0.1 kg/m3的條件下，隨著河流流量的增加，主分流河道數(shù)量逐漸增加，相同時間內三角洲主體的生長面積更大。②在河流沉積物濃度一定且數(shù)量級為1 kg/m3的條件下，隨著河流流量的增加，主分流河道數(shù)量和三角洲主體的生長面積基本不變，而三角洲主體的次級分支逐漸減小。③在河流流量一定的條件下，隨著河流沉積物濃度的增加，三角洲主體的平面含砂量和偏砂相面積逐漸減小，說明緩慢的生長速率是砂質沉積物富集的有利條件，三角洲主體由連片狀或扇狀向樹枝狀或指狀轉化，初始河口主分流河道間夾角逐漸增大。

圖6 不同沉積物供給速率控制下三角洲主體的形態(tài)特征Fig.6 Morphological features of deltaic main bodies controlled by different sediment supply rates

鄱陽湖西南緣贛江三角洲具有多條高流量主分流河道，不斷改造前期的三角洲前緣，平面上呈扇狀，形成“河多壩少、河在壩間”的格局，是典型的阿拉法拉亞河網砂壩型三角洲，與A4或A7模擬結果相似（圖3a，圖6）。同時，贛江三角洲也具有河流沉積物濃度小的特點，說明在河流流量較高且沉積物濃度較小的情況下極易形成河網砂壩型三角洲。相比之下，鄱陽湖東北緣章田河三角洲與A3模擬結果最為相似，三角洲主體呈多分支指狀，且主分流河道數(shù)量較少，可以推測分支間灣型的章田河三角洲可能形成于低河流流量和高沉積物濃度的環(huán)境（圖3b，圖6）。另外，當河流流量和沉積物濃度（1 kg/m3）均很高時，三角洲主體更形似沖積平原河流或深水水道，但本質上仍是三角洲沉積體系。

通過實時觀測A1—A9沉積正演模擬實驗中不同沉積時期的河壩復合體朵葉，選取典型的朵葉并研究其形態(tài)。結果表明，河壩復合體朵葉隨著沉積物供給速率變化具有以下特征（圖7）：①在河流沉積物濃度一定的條件下，隨著河流流量的增加，河壩復合體朵葉的河壩復合體數(shù)量逐漸增加或保持不變。②在河流流量一定的條件下，隨著河流沉積物濃度的增加，河壩復合體朵葉的河壩復合體數(shù)量逐漸減少且變化幅度較大。③隨著沉積物流量的增加，河壩復合體朵葉的河壩復合體數(shù)量逐漸減少。

鄱陽湖西南緣贛江三角洲存在類似的現(xiàn)象，即主分流河道決口分叉較少導致前緣決口水道河壩復合體數(shù)量較少，說明隨著沉積物供給速率的增大，主分流河道河壩復合體建造速度加快阻礙了主分流河道決口分叉機制，導致河壩復合體朵葉由Ⅰ型向Ⅱ型轉化（圖4a，4b，圖7）。

圖7 不同沉積物供給速率控制下河壩復合體朵葉的形態(tài)特征Fig.7 Morphological features of CMCLs controlled by different sediment supply rates

3.2 沉積物組分

沉積物組分特征包括砂質（非黏滯性）沉積物的粒度和泥質（黏滯性）沉積物的含量，可以用粒度中值和砂泥比反映?，F(xiàn)代和古代沉積實例表明，河控三角洲的粒度最大可達礫石和粗砂級別，最小可以達到黏土級別［28-31］。據(jù)此，設計6 組沉積正演模擬實驗（B1—B6），保持河流流量、沉積物濃度、沉積物流量和地形坡度不變，改變粒度中值（B1—B5）和砂泥比（B4和B6），分析粗砂、中砂、細砂、粉細砂和粉砂質三角洲的形態(tài)。為了印證砂質和泥質三角洲的形態(tài)差異，引入B4的對比模型B6，兩者砂泥比互為倒數(shù)。為了直觀觀察三角洲的平面形態(tài)和便于測量其形態(tài)特征值，選取100 m3/s 和0.1 kg/m3數(shù)量級的河流流量和沉積物濃度，防止高河流流量對三角洲的破壞，也防止河壩復合體朵葉的過多分叉。

根據(jù)B1—B6沉積正演模擬實驗結果（圖8），三角洲主體隨著沉積物組分變化具有以下特征：①在砂泥比一定的條件下，隨著砂質沉積物粒度中值減小，三角洲主體由收斂向發(fā)散轉化，初始河口主分流河道間夾角逐漸增大，節(jié)點數(shù)量逐漸減少，節(jié)點間距逐漸增加；三角洲主體向分支間灣型轉化，河壩復合體朵葉向Ⅱ型轉化，但是究其成因與沉積物流量主控不同，這是由于節(jié)點間距增大產生的視覺效果，并非同一河口處的河壩復合體數(shù)量減少。②在砂質沉積物粒度中值一定的條件下，富泥質三角洲相同時間內生長速率更快，具有更大的初始河口主分流河道間夾角和節(jié)點間距，與砂質沉積物粒度中值減小的作用類似，這可能由于泥質沉積物擴散速率大，主分流河道的決口速率遠遠小于河道的進積建造速率，無法在相同或臨近河口形成大規(guī)模決口，從而造成了節(jié)點的分散。這一結果說明鄱陽湖章田河三角洲亦可能形成于供源河流沉積物粒度較細或泥質含量較高的環(huán)境中（圖4b）。③無論是粒度中值減小還是泥質含量增加，主分流河道側向遷移和下切能力增強，主分流河道和前緣決口水道均趨于彎曲、平滑和圓潤。

圖8 不同沉積物組分特征控制下三角洲主體的形態(tài)特征Fig.8 Morphological features of deltaic main bodies controlled by different sediment compositions

3.3 盆地水深

在基準面一定的情況下，盆地水深分布由基底地貌決定，與基底的地形坡度和非均質性有關。目前所報道的最大盆地坡度可達5°，最小可達0.03°［28-31］。據(jù)此，設計5 個沉積正演模擬實驗（C1—C5），保持砂泥比、砂質沉積物粒度中值、河流流量、沉積物濃度和沉積物流量不變，改變地形坡度。其中C1—C4沉積正演模擬實驗的盆地水深是線性變化的，C5沉積正演模擬實驗的盆地水深是非均質的。

根據(jù)C1—C5沉積正演模擬實驗結果（圖9，圖10），三角洲主體隨著盆地水深變化具有以下特征：①隨著盆地坡度增加，盆地水深增大，相同時間內三角洲主體的生長面積減小，三角洲主體含砂量增加，主分流河道占比增加，前緣決口水道的數(shù)量減小，河口壩由指狀向橢圓狀轉化，河壩復合體朵葉逐漸取代三角洲主體。②相同地形坡度的條件下，與線性變化盆地水深相比，非線性盆地水深條件下分流河道的生長方向受控于地形梯度，未改變主分流河道占總分流河道的比例，即水深的非均質性僅改變河道的流向。③垂向上，隨著盆地坡度增加，分流河道的延伸距離更短，三角洲由頂積層主控向前積層主控轉化，前積結構由隱性前積向疊瓦狀前積和S型斜交前積轉化。

圖10 不同盆地水深控制下三角洲主體縱切面Fig.10 Deltaic sections of deltaic main bodies controlled by different basin bathymetry

現(xiàn)代青海湖布哈河三角洲遠端最新一期河壩復合體朵葉呈橢圓狀，被多條主分流河道下切，形態(tài)上類似于C3正演模擬實驗結果中初始河口壩階段Ⅲ型河壩復合體朵葉（圖4c，圖9）。與Ⅰ型和Ⅱ型朵葉不同的是，Ⅲ型朵葉不發(fā)育前緣決口水道，一般形成于低河流流量穩(wěn)定岸線處、水體較深的河口處和供源河流初始河口處，與可容納空間有關，說明較深的盆地水體不易形成大型的三角洲主體，而是形成規(guī)模較小的Ⅲ型河壩復合體朵葉。

圖9 不同盆地水深控制下三角洲主體的形態(tài)特征Fig.9 Morphological features of deltaic main bodies controlled by different basin bathymetry

4 河控三角洲形態(tài)的定量表征模型

基于回歸分析，建立了河控三角洲形態(tài)特征值與生長過程主控因素之間的定量關系。結果表明（圖11）：①在沉積物濃度一定且數(shù)量級介于0.01～0.1 kg/m3的條件下，主分流河道數(shù)量與河流流量呈線性正相關，而沉積物濃度數(shù)量級大于1 kg/m3時，主分流河道數(shù)量保持不變。②河流流量一定的條件下，單一河口或節(jié)點處河壩復合體數(shù)量與沉積物濃度和沉積物流量呈線性負相關。③河流流量一定的條件下，初始河口主分流河道間夾角與沉積物濃度呈線性正相關，而與沉積物粒度中值呈線性負相關。④節(jié)點間距與沉積物粒度中值呈冪負相關。⑤主分流河道比例與盆地水深呈對數(shù)正相關。

圖11 河控三角洲形態(tài)特征值與生長過程主控因素之間的定量關系Fig.11 Quantitative relationships between values of river-dominated deltaic morphological features and dominant controlling factors of growth processes

據(jù)此，將上述5個形態(tài)特征值作為端元，建立河控三角洲形態(tài)類型和特征的定量表征模型（圖12）?？傮w上，隨著河流流量增大且沉積物濃度較小時，三角洲主體由分支間灣型向河網砂壩型轉化；隨著沉積物流量增加或沉積物粒度減小，三角洲主體向分支間灣型轉化且收斂性減弱，河壩復合體朵葉由Ⅰ型向Ⅱ型轉化；隨著盆地水深增加，三角洲主體趨于單一的Ⅲ型河壩復合體朵葉。

圖12 河控三角洲形態(tài)的定量表征模型Fig.12 Quantitative characterization model of river-dominated deltaic morphology

值得一提的是，河控三角洲生長過程中的沉積物供給速率、沉積物組分特征和盆地水深并不是一成不變的，即三角洲的平面形態(tài)不僅取決于初始河口處的沉積物供給和盆地水深，也取決于三角洲生長過程中河壩復合體朵葉最新河口系統(tǒng)處的沉積物供給和盆地水深。反過來，三角洲主體和河壩復合體朵葉的平面形態(tài)也可以作為推測其構型尺度生長過程主控因素的證據(jù)。另外，這一模型僅適用于正常湖退模式，強制湖退模式下高頻基準面變化使形態(tài)與發(fā)育過程控制因素之間的對應關系變得更為復雜［22］。

5 結論

河控三角洲主體的形態(tài)類型包括河網砂壩型和分支間灣型，河壩復合體朵葉的形態(tài)類型包括多水道復合指狀朵葉、少水道復合指狀朵葉和主河道橢圓狀朵葉，其形態(tài)特征可以由初始河口主分流河道間夾角、節(jié)點間距、單一河口或節(jié)點處河壩復合體數(shù)量、主分流河道數(shù)量和主分流河道比例進行表征，受沉積物供給速率、沉積物組分特征和盆地水深共同控制。

主分流河道數(shù)量與河流流量呈線性正相關；單一河口或節(jié)點處河壩復合體數(shù)量與沉積物濃度和沉積物流量呈線性負相關；初始河口主分流河道間夾角與沉積物濃度呈線性正相關，與沉積物粒度中值呈線性負相關；節(jié)點間距與沉積物粒度中值呈冪負相關；主分流河道比例與盆地水深呈對數(shù)正相關。

隨著河流流量增大且沉積物濃度較小時，三角洲主體由分支間灣型向河網砂壩型轉化；隨著沉積物流量增加或沉積物粒度減小，三角洲主體向分支間灣型轉化且收斂性減弱，河壩復合體朵葉由多水道復合指狀朵葉向少水道復合指狀朵葉轉化；隨著盆地水深增加，三角洲主體趨于單一的主河道橢圓狀朵葉。