张春生，刘帆，斤朕，周行天，林雪莲，施冬

长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100

前人根据野外露头及地下地质资料对沙湾凹陷三工河组二段的砂体沉积体系进行了大量研究，认为三工河组二段为辫状河三角洲沉积体系[1-2]。刘伟伟等[3]认为三工河组处于盆地腹部，是在缓坡浅水的沉积背景下发育的一套沉积体系。朱筱敏等[4]认为三工河组沉积的砂体具有岩性粗、砾石含量较高、分选和磨圆差的特点，并且沉积的辫状河三角洲与传统的辫状河三角洲有一定区别，如沉积体分布广、砂体延伸远、坡度小等。尽管前人对沙湾凹陷三工河组辫状河三角洲沉积体系作了大量的研究，但这种“静态”的研究过程对于砂体沉积特征的阶段性演化规律认识还不够透彻，对于沉积过程中单一因素的影响研究不够突出。沉积模拟实验早期主要是研究水动力条件与底型之间的关系，直到近20年，众多学者开始着重研究湖盆和浅水区域砂体沉积过程及其演变规律[5-7]。曹军等[8]通过沉积模拟实验对鄂尔多斯盆地延安地区山西组二段浅水三角洲沉积模式进行研究。本文利用沉积模拟实验技术，根据沙湾凹陷三工河组的沉积条件，再现沉积过程，精细刻画砂体发育阶段、分布特征及演化规律，进一步明确其控制因素。

1 原型地质背景

1.1 地质概况

1.2 物源特征

1.2.1 物源方向

研究区发育北部、西北部两支物源[13]，两支物源体系岩石组分及成熟度有明显差异。以三工河组二段上亚段为例，通过对研究区部分标志井岩心分析发现：北部和西北部两支物源从上游到下游，石英含量及成分成熟度逐渐升高；北部物源比西北部物源石英含量高，成分成熟度更高(见表1)。因此实验过程设置北部物源A和西北部物源B。

表1 沙湾凹陷标志性井位岩石组分及成熟度统计表(部分)

1.2.2 粒度组成

依据测井解释成果和岩心分析结果[14-16]，工区内沉积物以细砂和粉砂为主，部分为泥岩、中砂和砾石，其中细砂平均约占55%，粉砂平均约占30%，泥岩平均约占5%～10%，中砂平均约占5%～10%。

1.2.3 古地形

准噶尔盆地沙湾凹陷三工河组沉积期，沙湾凹陷整体上为一个区域性向南倾斜的单斜构造，斜坡上发育两个次级坡折带，地层南低北高，地层倾角为1～2°[16]。

1.2.4 古水深

研究区岩心观察表明，波状层理和平行层理比较发育，一般形成于滨湖到浅湖的高能环境，因此本文认为三工河组处于滨湖-浅湖亚相，其水体深度一般为0～15 m[17-18]。

2 实验方案设计

2.1 原始底型设计

本次模拟实验在长江大学CNPC沉积模拟重点实验室进行，实验主体装置是一个Y方向长16 m，X方向宽6 m，Z方向深度0.8 m的实验平台。考虑到后期压实作用的影响以及为更直观地展现模拟现象，同时缩短模拟实验所需要的时间，并考虑原始地形坡折特征，设计Y=3～5 m地形坡度为4°；Y=5～7 m地形坡度为3°；7m以后地形坡度为2°，原始底型见图1。

图1 模拟实验底型及等值线图Fig.1 Simulated experiment bottom type and isogram

2.2 供给周期和砂泥比设计

表2 实验基本参数

2.3 比例尺设计

根据研究区沙湾凹陷地形和模拟实验室的尺寸，设计如下：①平面比例尺依据。研究区东西方向长40 km，南北方向宽30 km，对应沉积模拟实验室研究区域为X方向长度为6 m，Y方向上3.5～11.5 m处，共计长8 m，根据等比例尺尽可能放大，以提高准确性的要求，平面比例尺设计为1∶5 000。②砂体垂向比例。依据研究区资料可知，三工河组二段沉积最大厚度为165 m，根据实验平台深度限制，垂向砂体比例尺选取为1∶750。③水深垂向比例。依据研究区资料可知，研究区古水深一般认为小于15 m，水深和砂体厚度比过小，为体现水体对砂体沉积厚度的影响，水体垂向比例为1∶50，其中以X=0，Y=7 m处的水体深度为基准面。

3 物理模拟实验过程

本次实验主要模拟三工河组二段沉积过程，并连续进行三期沉积模拟实验。各沉积期都以洪水-平水-枯水交替进行直至该期结束，并利用活动底板的升降来模拟不同时期的构造活动。

第一期沉积模拟，初始水深15 cm：初期物源A、B两砂体主要在出水口发育，砂体在垂向上快速沉积且沿着水动力方向前积，沉积砂体露出水面后开始整体呈现椭圆状展布(见图2(a))；实验中期随沉积体向前发育，随着水动力条件减弱，河流侧蚀能力加强，河道开始加宽，之后随着砂体纵向沉积河道加长，河道开始发生迁移，两物源河道分别向两侧展开，开始促进砂体横向发育，在河道下游发育砂坝并不断被切割生长(见图2(b))；实验后期河道迁移越发频繁，有明显的辫状河三角洲特征(见图2(c))。

第二期沉积模拟，初始水深25 cm：对比第一期初始水位上升，初期砂体仍然是在物源出口处附近沉积，但相较于第一期，物源A砂体在垂向上沉积厚度增大，且砂体生长速率较快，快速向湖发育，砂体整体形态呈现舌型(见图2(d))；实验中期水位缓慢上升，沉积体垂向上厚度继续增大，向前沉积速度变缓，河道主要沿着Y轴发育，并且河道发育不稳定，砂体形态大多呈舌型(见图2(e))；实验后期，河流改道愈发频繁，不断切割前期沉积砂体，砂体呈现近横向椭圆形态，砂体远端受湖平面改造沿岸线展布(见图2(f))。

第三期沉积模拟，初始水深20 cm：对比第二期初始水位下降，河道下蚀能力加强并切割上一期沉积砂体，整体呈现扇形向湖方向快速发育(见图2(g))；实验中期，水位上升，沉积体在垂向上沉积厚度增大，可容纳空间被充填后砂体继续向湖发育同时随分支河道的迁移在横向上发育，部分砂体呈现近圆形(见图2(h))；实验后期在河道入水口处不断发育砂坝，砂坝一般由长Y轴椭圆状砂坝发育为长X轴椭圆状砂坝，最后消亡，如此反复发育砂坝(见图2(i))。

图2 沉积模拟实验过程Fig.2 Sedimentation simulation experiment process

4 实验结果分析

4.1 原型对比

表3 砂体厚度原型对比

4.2 砂体发育规律

4.2.1 不同相对水深条件下砂体纵、横向发育对比

对砂体沉积的纵、横向发育对比分析，当纵、横向生长速率相等时砂体处于发育平衡时期。当砂体发育达到一定规模时，砂体进入发育平衡时期，此时砂体的规模与相对水深关系密切(见表4)。对砂体发育进一步分析发现水深条件与砂体发育有如下关系：相对水深越深，砂体达到发育平衡点时生长规模越大，同时沉积砂体的纵向生长速率和横向生长速率峰值越大，且沉积砂体在发育初期的纵、横生长速率峰值的差值越大。

表4 不同水深对砂体发育的影响

4.2.2 砂体发育模式

图3 砂体生长模式示意图Fig.3 Schematic diagram of the growth pattern of the sand body

研究发现辫状河三角洲砂体沉积发育有三阶段差异(见图3)：①砂体发育初期，此处主要为出水口附近，水动力较强，砂体沉积主要以河道搬运为主，砂体主要沿水流方向(Y轴)发育，此阶段砂体一般在物源口呈现椭圆状分布，椭圆长轴沿水流方向(Y轴)(见图3(a))。②砂体发育平衡期，砂体纵向沉积速率与砂体横向展宽速率近乎相等，此阶段由于水动力慢慢减弱，河道侧蚀能力开始增强，河道发生左右迁移和频繁改道，砂体发育呈近圆状向前展布(见图3(b))。③砂体发育后期，随着砂体不断向前推移，远离物源，水动力减弱，伴随河道左右迁移加剧，砂体主要以横向展宽为主，纵向沉积次之，砂体主要呈现椭圆状分布，椭圆短轴与Y轴同向(见图3(c))。

4.3 砂体连通性与叠置关系分析

4.3.1 连通性分析

河道发育很大程度上决定着砂体的连通性和叠置关系。实验不同部位剖面的分析表明，随着沉积体不断发育，辫状河三角洲不同部位砂体连通性及连续性存在差异：①辫状河三角洲平原上部，此处距离物源距离近，水动力强劲，下蚀作用强于侧蚀作用，河道砂体主要为垂向叠置关系，由于侧蚀作用较差，河流改道作用微弱，各河道之间独立发育，河道砂体主要沿水动力(纵)方向生长，导致河道砂体侧向连续性差(见图4(a))。②辫状河三角洲平原下部，距离物源出水口距离适中。此处水流经历一定距离的搬运之后，水动力开始减弱并发生侧向改道。河道砂体主要为错位叠置关系，河道下蚀能力和侧蚀能力都适中，河道砂体垂向连通性适中，并且改道能力适中使得同期河道砂体也会进行叠置，河道砂体侧向连续性适中(见图4(b))。③辫状河三角洲前缘，距离物源出水口较远，此处水动力微弱，河道下蚀作用微弱，不能完全侵蚀河道之间隔层，此处河道砂体主要为侧向叠置，新旧河道在垂向上连通性较差。由于河流侧蚀作用较强，在此处改道作用明显，河道频繁改道，河道向左右两侧迁移使得同期河道砂体相互叠置，故侧向上连续性较好(见图4(c))。

图4 砂体叠置关系分析Fig.4 Analysis of sand body superposition relationship

4.3.2 砂体叠置关系分析

表5 砂体叠置关系分类

图5 新型河道形成模式图Fig.5 Pattern of new river formation

根据模拟实验观察剖面，将河道叠置关系分为垂向叠置、错位叠置和侧向叠置3类，再根据每种叠置关系的连通性划分为9种(见表5)。

4.4 新型河道

在沉积模拟实验中发现在水动力较强时会发育一种特殊新型河道，通过实验砂体切片发现该特殊河道不同于传统河道：①该新型河道没有直接的物源供应，而是由两股斜向对流水体所引起的局部携带水体增高，并由这两股溢岸流后续应力维持其河道稳定，且由溢岸流为其提供碎屑物质，该河道比传统河道所处沉积部位要高；②这种河道由于形成条件较为复杂，持续时间受溢岸流存在时间控制，河道一般不易主动发生迁移，发育不稳定，受水动力条件控制，持续时间较短，砂体沉积厚度一般较小。③平面上未能发现心滩沉积微相，通过实验砂体切片，垂向上并未发现该河道下蚀作用引起对下伏砂体的侵蚀，未发现冲刷面构造。

基于以上认识及实验记录，本文认为，当水动力强劲时(洪水期)，水流破坏天然堤溢出原始河道，发生溢岸流，多股溢岸流相互作用会产生新型河道，当两股溢岸流产生叠加时，在两股溢岸流叠加区域会出现一条优势沉积物搬运通道，但随着水动力的减弱该条优势通道慢慢消亡。溢岸流所携带的碎屑物质在该优势沉积通道沉积，形成一条新的河道(见图5)。

5 辫状河三角洲砂体成因主控因素

对沙湾凹陷三工河组的模拟实验中，为接近原型沉积的环境条件，严格控制各项有可能对实验结果产生影响的影响因子，实验过程表明，砂体的沉积特征主要受控于古地形坡度、水动力条件、物源供给、湖平面变化及构造强度等5种因素。

5.1 地形坡度主控砂体沉积速率

实验设计时对实验模型地形坡度进行阶梯式降低，沿Y轴从出水口到实验池尾端坡度逐渐减小，并对不同底型坡度处的砂体沉积速率进行测量(见表6)。

表6 不同坡度对沉积速率的影响

通过对比可以清晰发现三期实验中砂体伸长与展宽速率与原始地形坡度呈负相关关系：相同物源距离下，原始地形坡度越大，砂体伸长与展宽速率越小，即第二期大于第三期，第三期大于第一期。实验表明：辫状河三角洲发育早期，碎屑沉积物的沉积方式主要以填充为主，砂体顺水流方向发育较快，砂体发育到一定程度以后，开始发生河道的迁移并形成分支河道，砂坝不断形成；辫状河三角洲发育晚期，砂体发育基本处于平衡调整阶段，后续的辫状河三角洲发育和演化基本与原始地形坡度无关，三角洲发育转控于其他影响因素。

5.2 水动力变化决定砂体内部结构

沙湾凹陷三工河组早期处于潮湿-半潮湿的亚热带环境，中-晚期处于温暖潮湿的暖温带环境，气候趋于半潮湿。而气候对沉积过程的影响主要是控制河流流量，从而影响沉积过程，即水动力和流量的季节性变化。

实验设计洪水期、平水期、枯水期三种水动力，通过实验发现不同水动力对砂体发育有着不同的贡献：洪水期产生强大的水动力，逐渐破坏河道两侧的天然堤，对前期河道进行侧蚀使河道加宽或形成溢岸流。同时河道侧蚀携带大量碎屑物和泥沙，并在河流下游形成大量砂坝，加速三角洲的早期沉积。平水期，稳定持久的水动力条件下河流的侧蚀作用和下蚀作用适中，三角洲上游河道继续加深拓宽；三角洲中下游侧蚀作用大于下蚀作用，河道主要发生左右迁移，促进砂体横向发育形成辫状河。枯水期水动力条件弱，河道位置难以发生变化，前期较小的分支河道可能因水动力的降低逐渐成为废弃河道，河流对砂体主要以雕刻为主，岸线附近砂体主要受湖岸线的改造。

5.3 物源供给主导砂体发育形态

在坡度、水动力等条件相同的环境下，物源的供给可以决定砂体发育特征，物源供给可以分为物源供给量、物源的成分组成两个方面。当物源供应充足时，辫状河三角洲表现为河道弯曲度高并且分流河道发育，在三角洲平原上出现典型辫状河特征，发育废弃河道、心滩等沉积微相，在三角洲前缘部位出现水下分支河道河口砂坝及支流间湾等沉积微相；物源供应不充足时，水流侵蚀早期沉积体并在上一期河道处沿着河流惯性方向重新发育。

当砂泥比较大时，砂体随着水体流向被分散搬运，分布范围扩大，砂体在平面上快速发育，辫状河三角洲范围不断扩大；砂泥比较小时，原始河道开始发生下蚀作用，河道加深，水体切割早期砂体来供应碎屑物质，并沿着优势搬运通道发育一条新的河道。

5.4 湖平面变化深化改造砂体

湖平面变化是影响辫状河三角洲沉积演变的重要因素，当湖平面上升时，辫状河三角洲平原部分面积减小，河道变短，使河流搬运过程中携带的沉积物减少；同时辫状河三角洲前缘部分面积增大，湖水深度加大为砂体沉积所提供空间增大，水流携带碎屑沉积物进入湖水体，受到水体阻力和湖水的顶托作用，水体流速快速降低，砂体就近堆积在河流入水处。当湖平面下降时，三角洲平原和前缘部分面积变大，三角洲砂体沿河流方向发育速率加快，推进距离也变得更远，并且由于三角洲平原部位分支河道迁移改道频繁，前缘的水下分支河道也不断发生左右迁移并对前期形成的沉积砂体进行切割。

5.5 构造强度影响砂体分布范围

本次沉积模拟实验过程中，通过对活动底板的调节来模拟基底构造活动影响。当沉积基底下降(活动底板下降)时，辫状河三角洲前缘砂体在垂向上沉积发育，这是由于基底的下降使得沉积储集空间及可容纳空间变大且导致的地形坡度变陡，促进了砂体在垂向上的沉积，此时基底的下降幅度与砂体垂向增加厚度呈正相关。而当基底上升时，砂体在垂向上的发育受到限制，此时砂体转为平面上纵、横向发育，辫状河三角洲砂体呈现扇形扩张。

6 结论

1)辫状河三角洲在沉积过程中砂体进入湖泊时，砂体发育存在发育平衡点，砂体发育呈现三阶段差异。

2)辫状河三角洲不同部位砂体叠置关系不同，砂体的横向连续性随距物源出水口的距离变远而逐渐变好，垂向砂体的连通性则与之相反。

3)辫状河三角洲平原部分除了有传统意义上的分支河道和废弃河道外，还存在一种新型河道，新型河道的下蚀作用能力微弱甚至无下蚀能力，后期会慢慢消亡或转化为一条分支河道，形成时间较短且发育不稳定。

4)地形坡度、水动力条件、物源供给、湖平面变化及构造强度是沙湾凹陷三工河组辫状河三角洲砂体成因的主要控制因素。