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作者简介:

何艺玮,女,1999年生,硕士研究生,海洋地质专业;E-mail:hyw13999210328@163.com。

通讯作者:

冯文杰,男,1988年生,副教授,硕士生导师,从事油气田开发地质学、储层表征与建模等方面的教学与科研工作;E-mail:fwj1017@yangtzeu.edu.cn。

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目录contents

    摘要

    辫状河三角洲是一类常见的沉积体系,也是一类常见的油气储层,其沉积特征、沉积演化过程及内部结构一直受到沉积学研究的关注。为明确辫状河三角洲沉积特征、演化过程及生长演变规律,笔者等通过水槽实验模拟辫状河三角洲在平缓的水下底形上逐步发育的过程,并采用三维激光扫描仪、延时拍照等手段进行精准的沉积地貌监测和定量沉积学分析。研究表明:① 辫状河三角洲沉积演化过程中,三角洲的规模、水流分散样式、沉积体表面地貌特征及沉积物分布样式存在阶段性差异,可据此将实验辫状河三角洲的演化分为3个阶段。② 在最初阶段,辫状河携带沉积物直接入“湖”堆积并形成朵状河口坝,入“湖”水流无明显的水道化特征,随着朵状河口坝逐渐堆积露出水面,三角洲平原初步形成,平原上河道开始分流并导致后续河口坝转变为连续的弧形坝分布于先期沉积体周缘,这一阶段三角洲平均半径快速增加;进入第二阶段后,三角洲平均半径增速减缓,供给河道进入三角洲平原后形成1~2条主干分流河道与多条次级分流河道,并在主干河道河口区形成弧形的前缘朵体;到第三阶段,三角洲平原面积已经较大,其平均半径增速进一步降低,平原上分流河道的分叉性更强、宽度更小,不同分流河道规模接近并可同时将沉积物输送到三角洲前缘多个部位发生沉积,在同一时期形成多个孤立的小规模的前缘朵体。③ 在整个沉积演化过程中,伴随着三角洲规模的逐渐增大,分流河道的宽度逐步减小、流程变长、分流河道数量逐步增加,三角洲前缘沉积由少量弧形的连续分布朵体转变为多个孤立分布的小规模朵体。④ 在第二、三阶段,分流河道表现为多个侵蚀—回填的自旋回演化过程,形成了多套自旋回沉积复合体。⑤ 辫状河三角洲前积层存在自下而上、由近向远表现为沉积连续性逐步减小、叠切规律逐渐复杂的特性。通过水槽实验揭示辫状河三角洲沉积演化过程及内部结构,可为露头解剖与地下储层研究提供参考。

    Abstract

    Objective: Braided river delta is a common sedimentary system and a common oil and gas reservoir. Its sedimentary characteristics, sedimentary evolution process and internal structure have always been concerned by sedimentology research.

    Methods: An experimental braided river delta was simulated above a flat bedform. The sedimentary process and topography were recorded with a time-lapsed camera and a 3D laser scanner. Quantitively sedimentary process analysis was performed to investigate the sedimentary characteristics, evolution process and internal sedimentary architecture of the experimental braided river delta.

    Results: ① In the evolution of the braided river delta, its dimension, flow pattern, surface morphology and sediment distribution showed three stages of differences. ② In the initial stage, the braided river carried sediment directly into the “lake” and a lobe-shaped mouth bar was constructed. The water flowing into the lake does not have channelization characteristics. As the flower-shaped mouth bars gradually accumulated and emerged from the water surface, the delta plain was initially formed, and the river channels on the plain began to diverge, causing the subsequent mouth bars to transform into continuous arc-shaped bars distributed around the edge of the previous sedimentary body. The average radius of the delta increased rapidly at this stage. After entering the second stage, the growth rate of the average radius of the delta slows down, one or two main distributary channels and multiple secondary distributary channels were formed, and an arc-shaped lobe was formed in the river mouth area of the main channel. By the third stage, the area of the delta plain was larger, and its average radius growth rate was further reduced. The distributary channels on the plain were more bifurcated and smaller in width. Distributary channels were similar in scale and could transport sediments to the delta front at the same time. Deposition occurred in many parts of the delta edge, and multiple isolated small-scale mouth bars were formed in one run cycle. ③ During the whole process of sedimentary evolution, with the gradual increase of the scale of the delta, the width of the distributary channel gradually decreases, the flow path became longer, and the number of distributary channels gradually increased. The delta front deposits changed from a small number of arc-shaped continuous lobe to many isolated small-scale lobes. ④ In the second and third stages, the distributary channel showed multiple erosion-backfill autogenic evolution processes, forming multiple erosion-backfill complexes. ⑤ The fore-sets of braided river deltas have the characteristics of gradually weakening sedimentary continuity and gradually complex superposition rules from bottom to top and from proximal to distal parts.

    Conclusions: Flume experiments reveal the sedimentary evolution process and internal architecture of braided river deltas, which can provide a reference for outcrop anatomy and subsurface reservoir research.

  • 辫状河三角洲是由辫状河供源形成的一类大型三角洲体系,广泛分布于陆相湖盆边缘和海陆过渡带,并多见于地层记录中(McPherson et al.,1987薛良清等,1991李文厚,1997徐安娜等,1998李军辉等,2010朱筱敏等,2019),具有物源供给充足、水动力强度较大、沉积速率较快的沉积背景,可形成大面积、厚砂储层并具有较好的生储盖条件,因而又可形成大规模油气储层,具有较大的资源潜力(徐安娜等,1998)。目前,在我国塔里木盆地(袁纯等,2020)、准噶尔盆地(高阳等,2020庞志超等,2020)、柴达木盆地(杜忠明等,2013)、吐—哈盆地(李文厚,1997)、鄂尔多斯盆地(朱筱敏等,2013崔明明等,2019Min Wenwei et al.,2020)、珠江口盆地(朱筱敏等,2019葛家旺等,2019)、渤海湾盆地(董月霞等,2014冯文杰等,2018)、焉耆盆地(Li Changhai et al.,2019);琼东南盆地(李增学等,2018)等陆相盆地及委内瑞拉MPE区块(刘书亭等,2019)、奥里诺科重油带(林承焰等,2019)、苏丹M盆地(赵国良等,2005)内发现了大量辫状河三角洲沉积记录以及伴生的大规模油气储层。开展辫状河三角洲研究不仅有助于理解三角洲演变这一科学问题,也可以有效指导油气资源勘探与开发实践,具有重要的科学意义和应用价值。

  • 辫状河三角洲的形成与演变过程十分复杂,受到多种因素的控制,并呈现不同的发育特征和演化过程。但是,即使在构造、水动力及沉积物供给均稳定的条件下,辫状河三角洲沉积体系内部仍然会出现阶段性和周期性变化(Hajek and Straub,2017)。前人利用地下地质资料、露头及现代沉积等资料针对辫状河三角洲沉积体开展了大量研究工作,深入分析了辫状河三角洲形成过程中的物源供给条件、沉积物搬运与堆积过程、水动力特征(McPherson et al.,1987;薛良清等1991;张春生和杨业洲,1994),明确了其沉积特征、分布样式,建立了相应的沉积模式(刘锐娥等,2013葛家旺等,2019Liu Ziliang et al.,2017)与沉积构型模式(印森林等,2015朱卫红等,2016)。然而,受限于地震、测井资料的分辨率有限、资料系统性和丰富性不足的问题,基于露头、地下井震资料及岩芯的研究往往难以全面的重现辫状河三角洲形成的物理过程及内部结构的演变。基于现代沉积的研究虽能够分析当前状态下辫状河三角洲的沉积特征,但难以了解其长期连续演变过程与特征(Clarke,2010)。

  • 笔者等基于水槽实验模拟稳定物源和水动力条件下辫状河三角洲生长发育的全过程,定时拍摄记录三角洲发育基本特征,利用FARO S70三维激光扫描仪记录实验过程中辫状河三角洲的沉积地貌数据,建立辫状河三角洲沉积地貌的数字模型,并利用自主设计开发的软件处理数据,通过数据分析,明确辫状河三角洲地貌和结构演化的阶段性特征以及三角洲演化过程中分流河道的特征与演变规律,并通过典型现代沉积与模拟三角洲进行对比分析,印证了模拟实验的可靠性。

  • 1 实验设计

  • 本实验根据自然条件下辫状河三角洲的沉积动力学背景和沉积环境特征,设计了一套沉积模拟与过程监测装置。装置主要包括一座模拟水槽(水槽深度为0.5 m)、一台定量供水器、一台定量供沙器、一台排水泵、一台照相机、一台FARO S70三维激光扫描仪(图1)。利用沙质平台模拟自然条件下盆地边缘地形平缓的底形,底形坡度约为0.4°,用以模拟缓坡背景下的辫状河三角洲的形成与演化过程(图1)。此外,为了模拟辫状河入湖形成三角洲的过程,在供砂供水点与入湖处之间设置了一条宽20 cm的平缓水道,以保证水流携带沉积物入“湖”口之前,先形成辫状河。考虑模拟实验装置的规模,采用定量供水器通过一条通道向水槽提供稳定的水流(0.4 L/s),供砂量为8 g/s,干砂的粒度中值为350 μm。在模拟过程中,水流和物源供应条件稳定不变。水槽内水体深度设为4 cm,并且在整个模拟实验过程中保持水位不变,以模拟“湖平面”稳定条件下辫状河三角洲的自然演化过程。

  • 实验中采用三维激光扫描仪(FARO S70)对沉积地貌特征进行扫测。该扫描仪的点云精度为2 mm@10m,测距精度为±1 mm,通过多站扫描覆盖,可以获得亚毫米级精度的三维地貌数据。水槽模拟实验全程分50回次进行,每30 min为一回次,每回次结束后排出槽内的水,以完整扫描实验三角洲的沉积地貌,扫描完成后恢复水位至设定值。实验期间延时摄影设备不间断录制沉积过程。

  • 图1 实验装置示意图:(a) 平面图;(b)剖面图

  • Fig.1 Schematic diagram of experimental device: (a) plane diagram; (b) profile)

  • 1 —摄录相机;2—供水管路;3—供沙装置;4—粗糙边界;5—三维激光扫描站点;6—照明灯阵列;7—供源辫状河道;8—辫状河三角洲沉积区(预计);9—预计流线;10—湖区;11—天花板;12—砂质底床;13—水体

  • 1 —camera; 2—water supply pipeline; 3—sand supply device; 4—rough boundary; 5—3D laser scanning station; 6—array of lighting lamps; 7—braided river channel; 8—braided river delta sedimentary area ( expected) ; 9—predicted streamline; 10—lake area; 11—ceiling; 12—sandy bed; 13—water

  • 图2 辫状河三角洲平均半径变化趋势(a)和辫状河三角洲岸线分布图(b1)—(b3)

  • Fig.2 Trend of average radius of braided river delta ( a) and distribution map of braided river delta shoreline (b1) — (b3)

  • 实验数据采集后,利用自主开发的点云数据处理和定量沉积学分析软件,建立辫状河三角洲沉积体数字模型并通过定量化沉积学分析明确了辫状河三角洲沉积演化的阶段性特征、和沉积构型单元与空间结构的特征,构建辫状河三角洲沉积构型模式。

  • 2 辫状河三角洲演化阶段划分及特征分析

  • 综合实验过程与沉积地貌数据定量分析发现,辫状河三角洲的沉积演化过程存在明显的阶段性特征。在不同的演化阶段,辫状河三角洲沉积特征存在显著的差异性并主要表现为三角洲的规模及其增长速率、三角洲平原水流样式、三角洲前缘增生样式与规律等方面。

  • 2.1 沉积演化阶段的划分

  • 实验完成后,利用自主开发的数据处理和定量沉积学分析软件,对辫状河三角洲的沉积演化过程进行了定量化分析。对每回次模拟结束后的地貌数据进行处理,获得三角洲在不同时期的边缘线(图2)。随后从水槽供水口出发,以15°为间隔测量三角洲在不同方向上的长度并计算长度平均值作为三角洲平均半径,用以指示三角洲的规模(图2a)。此外,将每回次沉积后的三角洲边缘线投影到平面上,分析每回次沉积产生的新增沉积区形态和规模,从而对比不同模拟阶段三角洲的生长规律(图2b—d)。

  • 根据三角洲平均半径的增长规律和增生规律分析,可将实验辫状河三角洲的演化分为3个阶段,分别对应第1~8回次、第9~34回次及第34~50回次,在这3个阶段内,三角洲平均半径均为增长趋势,但不同阶段的增速存在明显差异(图2a)。相应地,这3个阶段的三角洲增长样式也存在明显差异:在第一阶段,三角洲的新增沉积体主要呈环带状连续分布(图2b1);进入第二阶段,三角洲的新增沉积体呈较大面积、较为连续的朵状,每回次可能存在1~3个新增沉积区(图2b2);到第三阶段,新增沉积体呈小面积、不连续的点状(图2b3)。上述差异表明,在辫状河三角洲沉积过程中,随着三角洲规模的逐步增大,其基本沉积特征存在阶段性的差异。

  • 2.2 辫状河三角洲阶段性沉积特征

  • 2.2.1 第一阶段沉积特征

  • 在第一阶段,早期的三角洲为水下沉积,碎屑物从供源口随水流搬运至沉积区快速堆积,形成朵状沉积体(图3a),且其面积快速增长(图2a)。采用相邻两回次沉积的沉积(厚度)增量图指示每30 min内沉积地貌的变化并分析在每回次模拟过程中发生的侵蚀和沉积现象,其结果显示:本阶段第1回次沉积形成了一个朵状河口坝(图3 a,c);随后形成的河口坝则呈环带状分布在三角洲外缘(图3d)。本阶段的后期,随着供水口附近的水下空间被持续填充,水下可容空间被逐步耗尽,沉积物开始露出水面并初步形成三角洲平原,在平原上出现1~2条边界模糊的短程分流河道(图3b)。在这一阶段,沉积物的堆积从加积逐步转为加积与前积共存样式,形成的三角洲雏形整体上可视为一朵状厚层沉积体(图3)。此外,第一阶段水流一般为连片发散式分布,其水道化特征不明显(图3)。

  • 2.2.2 第二阶段沉积特征

  • 进入第二阶段后,三角洲平均半径的增长速率较第一阶段明显变缓,但仍保持了较快速增长的趋势(图2a),在第一阶段形成的三角洲雏形上进一步发育三角洲平原和前缘沉积。三角洲平原上主要发育1~2条流程较短且宽的分流河道,其边界不稳定,水流持续携带大量沉积物快速沉积于三角洲前缘部位,沿着岸线形成多个弧形河口坝(图4)。分流河道边部存在多条小规模的、因溢流形成的次要分流河道,其内部流速较缓,无法携带砂质沉积物,因而对沉积地貌的影响较小(图4)。

  • 图3 第一阶段辫状河三角洲沉积特征及沉积增量图:(a)、(b)第1个模拟轮次(后称回次)、第5回次沉积特征;(c)、(d)第1回次、第5回次沉积增量图

  • Fig.3 Sedimentation characteristics and sedimentation increment map of the braided river delta in the stage1: (a) , (b) shows the sedimentary characteristics of the1st and 5th run cycles; (c) , (d) shows the sedimentary increment maps of the 1st and 5th run cycles

  • 在这一阶段的初期,平原上分流河道规模较大且末端未明显分流,故形成的前缘河口坝连续性较强(图4c);随后,分流河道的中—末端分叉为多支,并在前缘形成多个不连续的河口坝(图4d)。在第二阶段,沉积样式存在明显的顺源分异,平原沉积以加积式为主,但分流河道流经的区域内存在侵蚀—充填沉积;三角洲前缘则以前积为主(图4)。随着平原的逐步增长,水流覆盖平原的面积比例逐步降低,水流分散程度逐步增加,前缘朵体的连续性逐步减弱、规模逐步变小而数量则逐步增加(图4)。

  • 2.2.3 第三阶段沉积特征

  • 在第三阶段,三角洲平均半径的增长速率继续降低至3个阶段的最低水平(图2a),三角洲增长缓慢,发育趋于“成熟”。在这一阶段,三角洲平原上一般同时发育2~3条流程较长且相对狭窄的分流河道(图5),其分流程度较第二阶段进一步提高、侧向迁移更为迅速,在每一回次沉积活动中,存在多条分流河道的生成和废弃。分流河道流经区域大部分发生了明显的沉积作用,而其末端形成的河口坝较第二阶段面积大大减小,新形成的河口坝呈孤立的点状零星分布在三角洲平原周围(图5c,d)。与此同时,三角洲平原上活跃的分流河道占平原面积的比例进一步减小,平原上出现了大面积的暴露区,在单回次沉积过程中,暴露区内无水流经过,沉积地貌不变,属于沉积间断区(图5)。

  • 图4 第二阶段辫状河三角洲沉积特征及沉积增量图: (a)、(b)第10回次、第29回次沉积特征;(c)、(d)第9~10回次、第28~29回次沉积增量图

  • Fig.4 Sedimentation characteristics and sedimentation increment map of the braided river delta in the stage 2: (a) , (b) shows the sedimentary characteristics of the 10th and 29th run cycles; (c) , (d) shows the sedimentary increment maps of the 9th~10th and 28th~29th run cycles

  • 这一阶段形成的沉积体同样包括平原加积体和前缘前积体,不同于前两个阶段,第三阶段三角洲平原沉积作用显著增强且其沉积活动主要发生在分流河道由盛转衰的过程中,分流河道频繁迁移导致平原沉积存在复杂的侧向切叠关系。

  • 3 辫状河三角洲沉积演化特征

  • 实验中辫状河三角洲在水下雏形形成后进入稳定的发育期,沉积作用主要包括两部分:水面上的平原沉积和水下前缘沉积。平原沉积受分流河道主控,存在周期性的“侵蚀—充填—决口”循环过程。前缘沉积以前积的朵体为主,其规模、形态及分布随沉积过程的持续而逐步演变。平原与前缘沉积相互关联,共同影响了三角洲的整体发育趋势。

  • 3.1 三角洲平原沉积演化特征

  • 3.1.1 平原分流河道基本演化过程

  • 据观察,在实验三角洲沉积演化过程中,平原上分流河道存在周期性的演化过程,一般包括:水流汇集并侵蚀原有沉积并形成暂时性河谷、暂时性河谷被回填、分流河道决口形成新的分流河道。这一过程在辫状河三角洲形成与演化的第二和第三阶段一直存在,可视为平原分流河道的基本演化过程,因而将这一过程定义为一个“分流河道演化周期”。

  • 图5 第三阶段辫状河三角洲沉积特征及沉积增量图: (a)、(b) 第36回次、第39回次沉积特征;(c)、(d)为第35~36回次、第38~39回次沉积增量图

  • Fig.5 Sedimentation characteristics and sedimentation increment map of the braided river delta in the stage 3: (a), (b) shows the sedimentary characteristics of the 36th and 39th run cycles; (c), (d) shows the sedimentary increment maps of the 35th~36th and 38th~39th run cycles

  • 实验第9回次至12回次即存在一个典型的分流河道演化周期:在第9回次,三角洲平原还未出现明显的被侵蚀现象。沉积厚度增量分布图显示,在第10回次开始出现的新生分流河道的位置在第9回次几乎没有沉积或侵蚀现象(图6a,b),此时顺物源方向的剖面(L2—R2)上,地形坡度0.5617°(图7c),这一坡度可视为该分流河道出现前三角洲平原的初始坡度。在第10回次沉积过程中,水流侵蚀三角洲平原形成“暂时性河谷-1”并导致被侵蚀部位沉积厚度明显减薄(图6b和图7b),由L2—R2剖面测得的河道顺流方向地形坡度为0.9736°(图7c),水流侵蚀作用导致新生分流河道发育部位的坡度明显增大。在第11回次,“暂时性河谷-1”被回填(图6c),由L2—R2剖面得的坡度为0.1123°(图7c)。在“暂时性河谷-1”被回填的同时,其侧缘发生决口并产生了2条新的暂时性河谷(“暂时性河谷-2”和“暂时性河谷-3”,图6c)。在第12回次,“暂时性河谷-1”回填完成(图6d),此时由L2—R2剖面得出的坡度为0.0562°(图7c),由此可见,经过河道的回填作用,三角洲平原的坡度甚至低于暂时性河谷形成前。

  • 值得注意的是,形成于第11回次的“暂时性河谷-2”和“暂时性河谷-3”在第12回次也进入回填过程,这表明不同分流河道的周期性演化过程在时序上是可以部分重叠的。对实验过程的系统观察表明,在实验三角洲沉积过程中的任意时刻,同时活跃且各自处于不同演化过程的多条分流河道共同维持了三角洲平原沉积特征的整体稳定和连续演化。

  • 图6 第9~12回次辫状河三角洲沉积厚度增量图(增量>0代表沉积,增量<0代表遭受侵蚀)

  • Fig.6 Incremental map of sediment thickness of braided river delta from the run cycles 9 to 12 (increment > 0 represents sedimentation, increment < 0 represents erosion)

  • 图7 第9~12回次辫状河三角洲平原典型分流河道位置顺、切物源位置剖面图:(a)第10回次沉积厚度图;(b)切物源方向剖面图;(c)顺物源方向剖面图

  • Fig.7 Profiles of typical distributary channel locations in the braided river delta plain in the run cycles 9~12 in both downstream and cross-source directions: (a) sediment thickness map of the run cycles 10; (b) cross-source directional profile; (c) along-source directional profile

  • 3.1.2 分流河道决口路径

  • 据观察,每一条分流河道的沉积演化末期,暂时性河谷被充填,进而发生决口改道,形成新的分流河道。决口事件是衔接时序上相邻的分流河道的演化周期的关键节点。决口事件后,新形成的分流河道分布位置一般为当前平原上地形坡度最大的通道。

  • 据观察,在第9~12回次沉积中,先期形成的分流河道在第11回次沉积中被充填并同时在其侧缘形成了两条暂时性河谷(“暂时性河谷-2”和“暂时性河谷-3”,图6c)。为了明确暂时性河谷形成部位与平原其他部位的地形特征差异,选取“暂时性河谷-2”,计算暂时性河谷发育部位及其侧缘部位的顺源坡度,结果表明形成“暂时性河谷-2”部位的坡度明显大于其两侧边缘部位(图8),其中“暂时性河谷-2”发育部位的坡度为1.7899°,而其两侧坡度则分别为0.5457°和0.1023°。这一现象表明,分流河道决口后,在重力的作用下优先汇聚于其侧缘重力势能较大的部位,由分散的水流汇聚成大股水流并逐步具备侵蚀沉积物的能力,进而侵蚀平原沉积物形成暂时性河谷。

  • 3.1.3 分流河道样式与规模

  • 根据沉积过程观察,在实验辫状河三角洲沉积演化过程中,分流河道的样式、规模及数量存在明显的渐变演化趋势。在三角洲沉积的第一阶段,沉积活动主要在水下,仅在阶段末期出现辐向发散的水流(图3d),分流河道初步形成;进入第二阶段,三角洲平原形成并快速增大,在平原上一般同时发育1~2条主干性分流河道,其宽度较大(0.05~0.18 m),主干性分流河道从供源口一直延伸到前缘部位并主导了三角洲平原沉积(图4),主干分流河道两侧可发育数条小规模次级分流河道,其宽度一般小于0.04 m;至第三阶段,分流河道数量增多,同时活跃的分流河道数量一般为2~5条,其宽度减小为0.02~0.11 m(图5),分流河道的水流分散更趋均匀,河道的主次之分变得不明显,自供源口至前缘部位存在逐级分叉现象,分流河道末端部位宽度仅约0.01 m(图5)。整体而言,三角洲平原沉积主要从第二阶段开始,其内部分流河道存在由主次分明转为规模相近、由主干分流河道直接延伸至前缘转为自供源口逐级分叉、由少量宽分流河道组合转变为多条较窄分流河道组合的特征(图3~图5)。

  • 图8 第10回次辫状河三角洲沉积增量(a);三角洲平原上L—R剖面相同回次不同位置坡度变化(b)和第10回次L—R剖面三角洲平原坡度变化折线图(c)

  • Fig.8 Incremental sedimentation of the braided river delta during the 10th run cycle (a) ; change in slope at different locations on the delta plain for the same run cycle in the L—R profile (b) ; folding line of change in slope of the delta plain in the L—R profile during the 10th run cycle (c)

  • 3.2 三角洲前缘河口坝沉积特征与演化规律

  • 辫状河三角洲物源供应充足,水动力较强,分流河道流经平原后,将大量沉积物带入前缘水域,沉积物快速卸载并形成河口坝。在沉积物厚度增量图上,三角洲边缘部位的厚层增生体即为每回次沉积作用中形成的河口坝(图3~图5)。在三角洲的逐步增长过程中,河口坝的形态、规模及分布规律随着分流河道样式与规模的变化而逐步演变。

  • 据观察,在实验辫状河三角洲沉积演化过程中,第一阶段形成的河口坝一般呈长弧形(图3c,d),第二阶段则为短弧形(图4c,d)而进入第三阶段后主要呈小规模朵形(图5c,d)。在这一过程中,每回次沉积过程中发育的河口坝数量由约4个逐步增加到约6个(图9a),河口坝的平均面积从约0.038 m2逐步减小为0.02 m2(图9b),河口坝的平均宽度(横切水流方向的弧长)从0.31 m逐渐减小为0.20 m(图9c),河口坝的平均长度(顺流延伸长度)也由0.14 m逐渐减小为约0.07 m(图9d)。这一现象与三角洲演化过程中,平原分流河道的规模逐步减小、数量逐步增多具有直接关联。

  • 3.3 “异常”大型河口坝的形成过程与特点

  • 对整个三角洲沉积过程中河口坝的定量规模分析发现,辫状河三角洲前缘河口坝的发育在3个阶段中均存在一组“异常值”,指示形成了规模远超其他沉积期次的“异常”大型河口坝:在第一阶段,“异常值”出现在第3~6回次沉积过程中;第二阶段 “异常值”出现在第30~31回次沉积过程中;第三阶段“异常值”则出现在第46~48回次(图9b—d)。

  • 在第一阶段第3~6回次主要发育2个环带状的、围绕在三角洲平原周围的河口坝(图10)。这一时期,辫状河三角洲正处于雏形形成时期,水下的可容空间十分充足,三角洲平原尚不发育,水下河口坝快速增生,造成每个沉积期新形成的河口坝规模均较大(图9、图10)。随后,三角洲平原逐步形成且规模逐步增大,水流及其携带的沉积物开始出现分流,相应地,形成的河口坝规模也显著减小(图9)。这种类型的异常仅出现在三角洲沉积的初期,不具有普遍性。

  • 在实验辫状河三角洲沉积的第二、三阶段,“异常”大型河口坝分别出现在第30~31回次和第46~48回次沉积过程中,其共同特征包括:①三角洲平原形成一条大型的侵蚀沟谷(从供源口一直延伸到三角洲平原边缘),侵蚀沟谷宽且深(图11~图12);②侵蚀沟谷末端~三角洲前缘部位发育“异常”大型河口坝,且存在侧向摆动叠覆特征,在2~3个沉积周期内形成“异常”大规模的河口坝沉积体(图11~图12)。不同于其他沉积周期内三角洲平原上分流河道快速演变引起的前缘河口坝沉积快速转变现象,在“异常”大型河口坝形成过程中,三角洲体系内除侵蚀沟谷及其前方的前缘区域外,其他区域几乎无水流覆盖和沉积活动(图11~图12)。此外,大型侵蚀沟谷的发育造成沟谷内地形坡度减小,随后发生的沟谷充填又导致地形坡度恢复至被水流侵蚀前的状态(图13);相比之下,大型侵蚀沟谷周边的地形坡度变化幅度较小。这一现象明显有别于大多数情况下分流河道的侵蚀—充填过程(图7)。这一过程与前人在冲积扇沉积模拟中观察到的周期性溯源侵蚀与充填过程类似(Van Dijk et al.,2009; De Haas et al.,2016),属于点物源供应下,陆上沉积体系自旋回过程的一种特有现象,其主要成因可能为:辫状河三角洲平原面积较大,分流河道流程较长,已有沉积物粒度较粗且未固结,因而部分水流会在入湖前因渗入平原沉积物而损失,再叠加分流河道分叉后的水动力强度下降,引起沉积物的快速卸载和三角洲平原坡度变陡,在较长时间的累积后,三角洲平原的坡度过大,导致水流重力势能过大而发生侵蚀作用,形成大型侵蚀沟谷并将超量的沉积物带入河口形成“异常”大型河口坝。

  • 图9 三角洲演化过程中河口坝特征随回次的变化趋势:(a) 河口坝数量及变化趋势; (b) 河口坝平均面积变化趋势;(c)河口坝平均宽度变化趋势;(d) 河口坝平均长度变化趋势

  • Fig.9 Trends in mouth bar characteristics over time during the evolution of the delta: (a) number and trends of mouth bars; (b) trends of average area of mouth bars; (c) trends of average width of mouth bar; (d) trends of average length of mouth bar

  • 图10 第3~6回次的沉积增量图

  • Fig.10 Incremental sedimentation map for the run cycles 3~6

  • 图11 第30~31回次的沉积增量图

  • Fig.11 Incremental sedimentation map for the run cycles 30~31

  • 图12 第46~48回次的沉积增量图

  • Fig.12 Incremental sedimentation map for the run cycles 46~48

  • 根据本实验推测,这类“异常”大型河口坝的形成在辫状河三角洲形成与演化过程中可能以较低的频次多次出现,并在沉积体内部形成一类特殊的大型 “侵蚀沟谷充填—河口坝”沉积体。值得注意的是,在3个阶段内形成的“异常”大型河口坝的规模存在随沉积演化的持续进行而逐步减小的规律(图9)。整体上,随着辫状河三角洲的持续增长,其平原分流河道沉积与前缘河口坝沉积规模都在逐步减小(图9)。

  • 图13 第30回次和第46回次前后5回次沉积过程中三角洲平原坡度变化规律

  • Fig.13 Slope change pattern of the delta plain during the 5 run cycles of deposition before and after the 30th and 46th run cycles

  • 4 典型现代辫状河三角洲沉积特征比较分析

  • 为了验证本实验过程和模拟结果的可靠性,选取典型现代辫状河三角洲为例开展沉积特征比较分析。经调研,昆仑山东段与阿尔金山交汇处的阿雅克库木湖南坡发育一典型辫状河三角洲(地理坐标为:37°28'21.3''N,89°16'23.1''E),该三角洲由一条辫状河(色斯克亚河)供给并持续生长(图14)。

  • 据时移卫星图像观察,在1985~2020年间,以阿雅克库木湖水平面逐年上涨,湖面积由1985年的620 km2增加到950 km2(图14),湖面积扩大50%以上。湖平面的快速上涨导致三角洲的面积和沉积存在快速变化,从而呈现出类似实验三角洲阶段演化的特征(图15)。

  • 在1989年,阿雅克库木湖水位较低,三角洲出露水面的区域面积较大,呈现与模拟实验第三阶段类似的沉积特征:三角洲平原面积较大,辫状河进入三角洲平原后分流形成多条分流河道并延伸至三角洲前缘,形成小规模点状河口坝体后终止(图15a)。这一沉积现象与模拟实验第三阶段中分流河道—河口坝样式一致(图5)。可见,在三角洲平原区域面积较大时,分流河道的逐步分流导致其末端宽度变窄,河口坝规模也相应较小。

  • 图14 阿雅克库木湖南坡辫状河三角洲概况

  • Fig.14 Overview of the braided river delta on the south slope of Lake Ayakkumu

  • 图15 辫状河三角洲现代沉积卫星图

  • Fig.15 Satellite map of modern sedimentation in braided river delta

  • 到2007年,阿雅克库木湖水位较1989年明显上升,导致三角洲平原区域面积减小,供给河流进入三角洲平原后仅发生一次分流即入湖,因而平原分流河道宽度较大,形成的河口坝呈短弧形(图15b),与模拟实验第二阶段中的分流河道—河口坝样式一致(图4)。虽然这一现象是由于湖区水位上升导致的,但符合辫状河三角洲演化第二阶段平原面积较小、分流河道流程较短的特征。

  • 到2020年,阿雅克库木湖水位进一步上升,三角洲平原区域进一步缩小,供给河流进入到平原后迅速入湖。供给河道还未分流即面对湖水的顶托,导致宽阔的辫状河直接入湖并形成了长弧形河口坝体系(图15c)。这一现象与模拟实验三角洲发育早期沉积特征,此时平原面积小,供给河道直接入湖,形成大规模河口坝,并在平原上快速迁移,形成长弧形河口坝(图3)。

  • 综上,阿雅克库木湖南岸典型辫状河三角洲在湖平面持续上升的背景下,呈现了与模拟实验三角洲演化过程中3个阶段的沉积特征相似的沉积特征。模拟实验再现了辫状河三角洲沉积演化过程与沉积特征。

  • 5 辫状河三角洲沉积体内部结构特征

  • 实验辫状河三角洲在时间上经历了 3 个不同的阶段,在每个阶段内,水流样式、沉积动力等因素的差异导致其内部结构特征的分异:在第一阶段,水流入“湖”形成了多层前积的水下连片状朵体,其规模有限,但连续性强、内部结构简单、非均质性低(图16a);在第二阶段,三角洲平原出现并快速增长,宽带状分流河道在平原上快速迁移演化并将大量沉积物快速搬运至三角洲平原边部形成河口坝沉积(图16b);在第三阶段,随着三角洲面积的持续增大,分流河道分叉数量增多、单一分流河道规模减小且频繁活跃与废弃,单一分流河道仅能将少量沉积物携带至前缘形成小规模河口坝(图16c)。需要注意的是,三角洲平原上分流河道的“侵蚀—回填—决口”过程频繁发育,这种自旋回沉积过程中形成的沉积体,在空间上构成辫状河三角洲沉积的主体(图16)。

  • 在阶段性沉积过程控制下,实验辫状河三角洲的剖面结构特征同样存在明显差异。整体上,该辫状河三角洲沉积体由上下两部分构成,下部由前积结构明显的前缘水下朵体构成,可视为三角洲前积层,上部则为分流河道频繁切叠而成的三角洲平原构成,可视为三角洲顶积层(图16d,e)。

  • 在切物源方向上,剖面中部以第一阶段叠覆型水下朵体为主,由多期前积朵体侧向叠覆而成,叠覆过程多为连续、少见沉积间断(图16d)。由中部向外侧依次发育第二、第三阶段前积朵体,受分流河道的发育规律影响存在着前积层逐步减薄、沉积间断出现频次逐步增多、间断时间逐步延长的趋势(图16d)。

  • 在顺物源方向上由近至远逐步发育三阶段沉积体,下部水下沉积体为主体,在第一阶段,水下沉积体以初期加积为主转为中后期前积为主,均为连续沉积;第二、三阶段水下沉积体均具前积结构,随着三角洲的增长逐步出现沉积间断且间断时间不断延长(图14e)。顺源方向上这种典型的前积结构与吕洪波等(2016)在辫状河三角洲露头上观察到的前积层一致,这种前积层倾角较大(16°~28°)、连续性强,既是辫状河三角洲沉积的主体,也可形成大规模、泛连通的优质油气储层。

  • 图16 辫状河三角洲演化规律:(a)—(c)与内部结构(d),(e)

  • Fig.16 Evolutionary pattern of braided river delta: (a) — (c) and internal structure (d) , (e)

  • 尽管第一阶段沉积时间最短,但在剖面上第一阶段沉积体的规模是3个阶段中最大的(图14d,e),这一“反常”现象主要是因为第二、三阶段沉积在平面上分布更广、顺源增生速率更慢。实际上,固定沉积边界控制下,三角洲沉积的3个阶段中,沉积体的体积是逐步增大的。此外,本实验中通过连续的水流与沉积物供应模拟辫状河三角洲,而自然界三角洲的供给河流往往存在季节性断流。这就导致实验中形成的底积层是由河口细粒沉积物沉降堆积而成,而缺乏自然条件下季节性断流期的静水泥岩沉积,故实验三角洲的底积层厚度较薄(<3 cm),其厚度难以与前积层和顶积层相比较。若考虑静水泥岩沉积作用,则可形成与典型辫状河三角洲露头观察到的底积层—前积层—顶积层一致的垂向结构(吕洪波等,2016)。

  • 6 结论

  • (1)辫状河三角洲演化过程划分为3个阶段:① 第一阶段:河流携带的碎屑物大量快速成层堆叠,逐渐形成了三角洲的雏形,此阶段三角洲主要为水下沉积,河口坝以环带状分布在三角洲平原周围;② 第二阶段:三角洲面积持续快速增加,此阶段主要发育流程近的、宽阔的分流河道。河口坝多为大面积的、朵状的、较为连续的分布在三角洲平原周围;③ 第三阶段:三角洲面积仍在增加,但是增长速率较前两个阶段明显减缓。由于可容空间的不断减小,此时分流河道的宽度更小,稳定性更强。三角洲平原发育流程远且相对狭窄的分流河道,在河流延伸至水面处,形成沉积面积小、零星分散的河口坝沉积。

  • (2)辫状河三角洲平原上分流河道的演化过程为:水流侵蚀平原形成分流河道—分流河道回填—决口产生新的分流河道。伴随着分流河道的整个演化过程,三角洲平原坡降由大至小,沉积量由少至多;前缘的河口坝沉积也由快速大量沉积演变为缓慢少量沉积至最终不再发生新沉积。

  • (3)辫状河三角洲前缘的河口坝沉积,其个数随着三角洲的演化呈递增趋势,平均面积、平均宽度、平均长度随三角洲的演化呈现递减趋势。并且发现三角洲演化的中后期,其“异常值”的出现与三角洲演化过程中新阶段的开启有关。

  • (4)辫状河三角洲发育有典型的顶积层和前积层,且顶积层的沉积厚度远小于前积层的沉积厚度。在三角洲演化过程中,河流频繁的迁移改道以及对三角洲平原的切割充填,使得顶积层上表现出复杂的分流河道叠覆以及每期沉积方位差异大的现象。前积层延伸不远沉积量逐渐变减小,随着演化的不断进行,出现沉积间断。

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