沖積扇發(fā)育過(guò)程中礫石顆粒對(duì)砂壩和溝流的控制作用
——基于沖積扇水槽模擬實(shí)驗(yàn)

石若峰，劉忠保，馮文杰

（1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油大學(xué)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）

沖積扇發(fā)育過(guò)程中礫石顆粒對(duì)砂壩和溝流的控制作用
——基于沖積扇水槽模擬實(shí)驗(yàn)

石若峰1，劉忠保1，馮文杰2

（1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國(guó)石油大學(xué)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）

通過(guò)觀察和記錄沖積扇自旋回沉積模擬實(shí)驗(yàn)，研究在沖積扇的發(fā)育過(guò)程中，礫石顆粒對(duì)沖積扇在沉積過(guò)程中的控制機(jī)理。研究表明：在同一期洪水期的中期—后期，在沖積扇扇根片流帶中，溝流發(fā)育的優(yōu)勢(shì)方向與礫石顆粒初期分布有著重要關(guān)系，同時(shí)礫石顆粒的分布還控制著溝流改道；在沖積扇的扇中發(fā)育過(guò)程中，由于礫石顆粒是在牽引流的搬運(yùn)作用下運(yùn)動(dòng)，因此對(duì)溝道的控制作用便更多體現(xiàn)在對(duì)溝道形態(tài)的改造與砂壩的形成上。通過(guò)對(duì)比沖積扇剖面中出現(xiàn)的多期辮流水道疊置、砂壩和溝道的分布狀態(tài)，就能夠驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沖積扇表面發(fā)生的現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，沖積扇形成的規(guī)模是與碎屑流的動(dòng)力、攜帶沉積物和沉積時(shí)間呈正比關(guān)系。在碎屑流的動(dòng)力與攜帶的沉積物相對(duì)沒(méi)有變化的穩(wěn)定期內(nèi)，扇根的砂壩與溝流、扇中的溝道都與礫石顆粒的作用密切相關(guān)。

礫石顆粒；沖積扇模擬實(shí)驗(yàn)；溝流成因；片流；碎屑流

0 引言

沖積扇在空間上是一個(gè)沿山口向外伸展的巨大錐形沉積體，錐體頂端指向山口，錐底指向平原，其延伸長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)百米至百余公里［1-18］。沖積扇發(fā)育因素［2］受到流域/構(gòu)造活動(dòng)和基準(zhǔn)面等多種因素共同的影響。對(duì)沖積扇環(huán)境的研究多集中在沖積扇發(fā)育的宏觀控制因素，如構(gòu)造、氣候、沉積空間。微觀控制因素則多通過(guò)沉積構(gòu)造、層理、層序特征等來(lái)研究。而沖積扇發(fā)育過(guò)程中自身的影響因素研究相對(duì)較少。

本次研究是通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M沖積扇的自旋回過(guò)程，分析沉積過(guò)程，并對(duì)沉積現(xiàn)象定性定量研究，結(jié)合已提出的沖積扇構(gòu)型類(lèi)型，對(duì)比驗(yàn)證沖積扇發(fā)育過(guò)程中的碎屑流攜帶的礫石顆粒在扇根、扇中所扮演的重要角色。通過(guò)正演模擬沖積扇形成過(guò)程，研究和驗(yàn)證前人沖積扇的沉積構(gòu)型，探明其扇根砂礫體和扇中辮流帶作為儲(chǔ)集層的物性優(yōu)劣原因。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)依據(jù)

在現(xiàn)實(shí)沖積扇沉積物中，前人對(duì)托托河沖積扇扇頂至扇緣的現(xiàn)代河槽最大礫石粒徑進(jìn)行了分析，每隔600 m布測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)在任意圈定的1 m2內(nèi)選取50塊最大的礫石，求出各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均粒徑，因此可以看作是對(duì)筆者所描述的礫石顆粒在扇體的各個(gè)部位的統(tǒng)計(jì)，然后繪制河槽方向上礫石顆粒平均粒徑的變化曲線（見(jiàn)圖1）［12］，從而算出回歸方程。經(jīng)過(guò)對(duì)各地沖積扇顆粒粒徑與距扇頂距離進(jìn)行回歸分析總體，得出：

式中：Y為礫石平均粒徑，m；X為距扇頂距離，m；a為沖積扇發(fā)育的環(huán)境參數(shù)；b為顆粒粒度變化速率。

由于礫石顆粒是整個(gè)沖積扇中相對(duì)粗的顆粒，因此粗顆粒平均粒徑變化曲線可以作為實(shí)驗(yàn)礫石顆粒粒徑變化曲線的參照。a，b均由沖積扇沉積環(huán)境所決定，各類(lèi)沖積扇礫石顆粒平均粒度變化都符合此曲線。

圖1 托托河沖積扇河槽粗顆粒平均粒徑變化

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在長(zhǎng)江大學(xué)沉積模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，模擬沖積扇自旋回過(guò)程，排除了其他自然條件的隨機(jī)因素，只研究沖積扇在沉積過(guò)程中的控制因素。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地修建了水道以模擬出山口環(huán)境。沉積空間為平地，大小為6 m×8 m（見(jiàn)圖2）。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)12期沉積物供給，每一期的沉積物量固定，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)沉積過(guò)程進(jìn)行錄像并拍攝扇體形態(tài)。每一期的沉積間隔測(cè)量扇體的厚度、扇體在物源方向上的最大長(zhǎng)度及垂直物源方向上的最大寬度。12期模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行半天晾干處理，然后對(duì)扇體進(jìn)行切片，攝影并記錄切片結(jié)果。

圖2 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地示意

1.3 參數(shù)設(shè)計(jì)

依據(jù)前人在克拉瑪依克下組及永康盆地白堊系下統(tǒng)中戴組下部沖積扇沉積特征研究可知，沖積扇相一般劃分為中礫巖相、砂礫巖相、細(xì)礫巖相、粗砂巖相、中—細(xì)砂巖相、泥質(zhì)砂巖相、泥巖相［13-14］。 再按照前人西雅爾崗沖積扇沉積粒度分布的概率曲線可知，滾動(dòng)次總體數(shù)∶跳躍總體數(shù)∶懸浮總體數(shù)比例約為2∶3∶1。為了更好模擬現(xiàn)實(shí)沖積扇的沉積物，使沉積物分異更明顯，選擇粗砂（含礫）、中細(xì)砂（河砂）、泥伴水，分別模擬現(xiàn)實(shí)中礫石相—細(xì)礫巖相沉積顆粒、粗砂巖—泥質(zhì)砂巖相沉積顆粒、泥巖相沉積顆粒，比例2∶3∶1，水的體積約為163 m3。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，此時(shí)沖積扇沉積物分異效果最好。

實(shí)驗(yàn)中出山口以前的山谷不作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象，為了模擬沖積扇強(qiáng)水流及避免沉積物滯留山谷，修建實(shí)驗(yàn)河道并用水泥加固山谷。將山口設(shè)計(jì)為8°，是為了讓沉積物的能量除了洪水供給以外還有自然勢(shì)能。實(shí)驗(yàn)時(shí)間定為為半日沉積。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在沖積扇自旋回實(shí)驗(yàn)中，模擬洪水12期次，每一期次物源配比不變。間洪期次分別測(cè)量和記錄了每一期扇體的扇寬和扇長(zhǎng)以及展布形態(tài)（見(jiàn)圖3）。沉積后的晾干過(guò)程可算是成巖過(guò)程的縮放。最后對(duì)扇體進(jìn)行橫、縱向解剖（見(jiàn)圖4）。在每一期記錄同一位置切片厚度，以切片分辨每一期沉積物期次界面。

2 實(shí)驗(yàn)分析

在洪水初期，動(dòng)能巨大，洪水對(duì)沉積空間的底（前期沉積物及地貌）具有巨大的改造能力，主要是沖蝕出一條主河道，沉積物會(huì)沿主河道方向沉積，扇體因此向前伸長(zhǎng)。

圖3 不同期次扇體形態(tài)變化

實(shí)驗(yàn)所描述的現(xiàn)象為洪水的中期—中后期，此時(shí)洪水能提供穩(wěn)定的沉積物與動(dòng)力，其攜帶的巨礫、粗中礫石在扇體發(fā)育過(guò)程中會(huì)對(duì)砂壩的形成、河道的形態(tài)產(chǎn)生影響。

圖4 扇體切片示意

基于吳勝和對(duì)沖積扇構(gòu)型的分類(lèi)［3-10］，在扇根片流帶、扇中辮流帶對(duì)應(yīng)的片流砂礫體和辮流帶中的砂體都有礫石和粗中礫石，且一般作為壩體出現(xiàn)。由于洪水動(dòng)力的變化，形成原因有差別，因此作為儲(chǔ)層，其物性就會(huì)千差萬(wàn)別。片流砂礫體總體物性較差，多為雜亂堆積的礫石砂壩。辮流水道砂體的平均孔隙度比片流砂礫體要高，多為有序列的砂壩與河道沉積。

2.1 扇根片流砂礫體中溝流形成的控制因素

在洪水期，洪水?dāng)y帶的顆粒沖出主槽，由于碎屑流的動(dòng)能快速降低，會(huì)依照地形展布開(kāi)來(lái)，形成片流砂礫體的沉積體。巖性主要是不等粒礫巖、細(xì)礫巖［4］。扇根內(nèi)片流砂礫體一般呈正韻律（見(jiàn)圖5），原因是此時(shí)流體低黏性且伴隨渦流，碎屑顆粒能夠自由移動(dòng)且出現(xiàn)分選［5］。

圖5 扇根片流砂礫體正韻律實(shí)驗(yàn)切片

在洪水期，地形分布與片流動(dòng)能減小共同決定礫石顆粒的分布。一旦礫石沉積下來(lái)，溝流也就確定。扇根處沉積下來(lái)的礫石顆粒，粒徑都是粗中礫以上，因此礫石顆粒的作用與正向地形的阻隔作用是類(lèi)似的，礫石顆粒改變了片流內(nèi)部流向，流體流向繞過(guò)礫石顆粒而發(fā)生匯聚，流線匯聚方向就是易形成溝流的優(yōu)勢(shì)方向（見(jiàn)圖6）。

溝流的方向、改道與否是由流體主動(dòng)力方向與礫石顆粒連線方向（為黑色虛線所示）的角度所決定（見(jiàn)圖6）。圖6中：a處如果接近垂直，則會(huì)順著優(yōu)勢(shì)方向形成溝流；b處如果角度變小，則容易出現(xiàn)溝流改道。此現(xiàn)象筆者稱為“溝流伴生”現(xiàn)象（見(jiàn)圖7中a處，箭頭為“溝流伴生”方向）。

圖6 礫石顆粒理想沉積示意

圖7 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象平面

切片結(jié)果見(jiàn)圖8。在扇根處的橫剖面頂部，可見(jiàn)底平頂凸的礫石壩（圖8中紅色標(biāo)出）和顆粒相對(duì)較細(xì)的溝流沉積（顏色深且細(xì)）。一般礫石壩兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)沉積物相對(duì)較細(xì)的溝流沉積。圖8中a處為溝流，b處為砂壩，可見(jiàn)砂壩溝流相互交錯(cuò)。

在碎屑流主動(dòng)力方向上沉積的礫石顆粒，對(duì)沙壩形成起作用（見(jiàn)圖9）。粗大礫石后可見(jiàn)的條狀粗粒壩體，正是礫石顆粒在片流主要?jiǎng)恿Ψ较蛏献韪舳纬蓽狭鞫逊e成為礫石砂壩。這些現(xiàn)象大多集中在沖積扇的表面，原因是剖面下部的礫石顆粒條帶多經(jīng)過(guò)了洪水后期牽引流沖刷，及后一期洪水初期對(duì)早期地形和沉積物的改造，很難留下沉積過(guò)程的痕跡。剖面下部的礫石顆粒長(zhǎng)條帶是由于前期溝流通道已經(jīng)形成，下一期洪水進(jìn)入此優(yōu)勢(shì)通道填充而成。

圖8 扇根橫剖面11處切片示意

由現(xiàn)實(shí)沖積扇礫石顆粒分布（見(jiàn)圖1）可知，礫石顆粒分散在扇根各處，這些顆粒粒度都是整個(gè)沖積扇中最大的，其粒度變化速率也是整個(gè)沖積扇中最大的。礫石顆粒就近沉積，形成相對(duì)高的正向地勢(shì)，繼而有粗砂，砂等粒徑的顆粒堆積在后，形成了扇根片流砂礫體中雜亂堆積的砂壩。

圖9 扇根縱剖面切片示意及演示

2.2 扇中辮流帶中溝道形成的控制因素

扇中辮流帶中礫石分布對(duì)溝道成因的影響與在扇根片流砂礫體中是完全不一樣的，其原因是流體發(fā)生了變化。碎屑流在扇中部位動(dòng)能減少很多，由片流轉(zhuǎn)為牽引流［6］。中、細(xì)礫級(jí)等沉積物因牽引流的牽引力及慣性作用被搬運(yùn)到扇中末端（見(jiàn)圖10）。其原因是片流瞬時(shí)在各個(gè)方向上的動(dòng)力大，但只要礫石顆粒沉積下來(lái)便會(huì)改變片流的流向；牽引流在主動(dòng)力方向上的動(dòng)力很足，在慣性作用下礫石顆粒會(huì)被搬運(yùn)到很遠(yuǎn)。圖10中a處為扇中末端堆積的礫石顆粒。

圖10 間洪期扇中末端出現(xiàn)大量礫石顆粒示意

扇中辮流帶可看作多個(gè)辮流水道復(fù)合而成［6-8］，辮流水道里面可以細(xì)分為砂壩和溝道。砂壩的形成與正向地形的位置相關(guān)。牽引流攜帶礫級(jí)、粗砂級(jí)和砂級(jí)的沉積物更容易在正向地形處沉積下來(lái)形成砂壩。與此同時(shí)，沒(méi)有在扇根處和正向地形沉積下來(lái)的礫石顆粒卻能夠以推移的方式運(yùn)移（見(jiàn)圖11），因此礫石顆粒還會(huì)對(duì)溝道底部進(jìn)一步的加深，溝道形態(tài)也會(huì)由于河床加深到一定程度出現(xiàn)側(cè)蝕而改變 （這里已與河流作用類(lèi)似）。因此，扇中辮流砂礫體中砂壩的形成是牽引流定向的堆積而不是礫石顆粒簡(jiǎn)單雜亂堆積而成，辮流帶也有了比片流砂礫體更好的物性。前人對(duì)沖積扇的儲(chǔ)層質(zhì)量評(píng)價(jià)歸為一類(lèi)儲(chǔ)層［15］。圖11中a處為牽引流下礫石顆粒被搬運(yùn)現(xiàn)象。

圖11 礫石顆粒在牽引流下搬運(yùn)的扇中局部

現(xiàn)實(shí)沖積扇扇根末端至扇中末端 （4.8～8.4 km)礫石顆粒平均粒度小于扇根，總體雖有減小趨勢(shì)，但變化不大。因此可以驗(yàn)證扇根至扇中末端礫石顆粒廣泛被牽引流廣泛搬運(yùn)的現(xiàn)象（見(jiàn)圖1與圖11）。

3 結(jié)論

1）在沖積扇同一期，洪水中期—后期，扇根的溝流發(fā)育與礫石顆粒初期分布有著重要關(guān)系。礫石顆粒的分布位置（作用類(lèi)似于正向地形）與片流流向決定了溝流最易形成的方向，并且溝流改道也與礫石顆粒的分布相關(guān)（溝流伴生現(xiàn)象）。扇根一般出現(xiàn)的是雜亂堆積的儲(chǔ)集物性較差的砂壩。

2）扇中礫石顆粒粒徑比扇根的小。牽引流中的礫石顆粒通過(guò)磨蝕河道，影響溝道的形態(tài)。遇到正向地形，牽引流中的礫石顆粒堆積成為砂壩，沒(méi)有堆積下來(lái)的，會(huì)被牽引流帶到扇中末端甚至扇緣沉積。因牽引流的定向性質(zhì)，在扇中形成的是序列穩(wěn)定、儲(chǔ)集物性較好的砂壩和流溝。

［1］王曉光，賀陸明，呂建榮，等.克拉瑪依油田沖積扇構(gòu)型及剩余控制模式［J］.斷塊油氣田，2012，9（4）：93-496.

［2］李新坡，莫多聞，朱忠禮.侯馬盆地沖積扇及其流域地貌發(fā)育規(guī)律［J］.地理學(xué)報(bào)，2006，6（3）：241-248.

［3］吳勝和，范崢，許長(zhǎng)福，等.新疆克拉瑪依油田三疊系克下組沖積扇內(nèi)部構(gòu)型［J］.古地理學(xué)報(bào)，2012，14（6）：332-340.

［4］BOK CHUL KIM，DONALD R LOWE.Depositional processes of the gravelly debris flow depositis，south dolomite alluvial fan，Owens Valley California［J］.Geosciences Journal，2004，8（7）：153-170.

［5］SAMIRAN MAHAPATRA，RAJIB KUMAR DANA.Lateral variation in gravelly sediments and processes in an alluvial fan-fan-delta setting，North of Durgapur［J］.Journal Geological Society of India，2009，79（10）：480-486.

［6］馮文杰，吳勝和，許長(zhǎng)福，等.沖積扇儲(chǔ)層竄流通道及其控制的剩余油分布模式：以克拉瑪依油田一中區(qū)下克拉瑪依組為例［J］.石油學(xué)報(bào)，2015，36（7）：859-869.

［7］商曉飛，候加根，孫福亭，等.砂質(zhì)灘壩儲(chǔ)集層內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征及構(gòu)型模式：以黃驊坳陷板橋油田古近系沙河街組為例［J］.石油學(xué)報(bào)，2014，35（6）：1160-1171.

［8］孫天建，穆龍新，吳向紅，等.砂質(zhì)辮狀河儲(chǔ)層構(gòu)型表征方法：以蘇丹穆格萊特盆地Hegli油田為例［J］.石油學(xué)報(bào)，2014，35（4）：715-724.

［9］張紀(jì)易.粗碎屑洪積扇的某些特征和微相劃分［J］.沉積學(xué)報(bào)，1985，3（3）：75-85.

［10］孫永傳，李惠生.碎屑巖沉積相和沉積環(huán)境［M］.北京：地質(zhì)出版社，1986：97-104.

［11］趙澄林，朱筱敏.沉積巖石學(xué)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，2001：40-60.

［12］任達(dá)明.沖積扇比較沉積學(xué)：地下水和油氣的富集規(guī)律［J］.沉積學(xué)報(bào)，1983，10（4）：79-91.

［13］鄭占，吳勝和，許長(zhǎng)福，等.克拉瑪依油田六區(qū)克下組沖積扇巖石相及儲(chǔ)層質(zhì)量差異［J］.石油與天然氣地質(zhì)，2010，31（4）：463-471.

［14］吳因業(yè)，馮榮昌，岳婷，等.浙江中西部永康盆地及金衢盆地白堊系沖積扇特征［J］.古地理學(xué)報(bào)，2015，17（2）：160-171.

［15］包興，李君，李少華.截?cái)喔咚鼓M方法在沖積扇儲(chǔ)層構(gòu)型建模中的應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2012，19（3）：16-319.

［16］印森林，吳勝和，胡張明，等.正牽引構(gòu)造對(duì)沖積扇儲(chǔ)層內(nèi)部構(gòu)型的控制作用［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2016，38（6）：811-820.

［17］劉玉瑞.蘇北盆地高郵凹陷戴南組物源——坡折控扇研究［J］.石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2016，38（1）：23-31.

［18］伊振林，吳勝和，岳大力，等.克拉瑪依油田沖積扇巖石相特征及儲(chǔ)層質(zhì)量分析［J］.斷塊油氣田，2010，17（3）：266-269.

（編輯 楊會(huì)朋）

Dominations of gravel particles to sandbar and channel in process of alluvial fan development based on alluvial fan flume experiment

SHI Ruofeng1,LIU Zhongbao1,FENG Wenjie2
(1.College of Geosciences,Yangtze University,Wuhan 430100,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

In this paper,the controlling mechanism of gravel particles in the deposition of alluvial fan during the development of alluvial fan was studied by observing and recording the simulation experiment of simulating alluvial fan autogenetic cycle deposition. The results show that:in the middle-late period of one same flood period and in the alluvial fan laminar flow zone,advantage direction of channel development has an important relationship with gravel particles early distribution.In addition,the distribution of gravel particles controls the diversion of channel;in the process of mid-alluvial fan development,because the gravel particles were transported by the traction flow,the controlling effect on the channel is more embodied in the form transformation of channel and the form of the sand dam.Comparing the distributions of multi-stage braided channel,sand bar and channel distribution in alluvial fan profile,we can verify the phenomenon of alluvial fan surface during the experiment.It is found that the scale of alluvial fan is proportional to the magnitude of debris flow,the quantity of sediment and the time of deposition.In the stable period with relatively unchanged debris flow power and sediments,the cause of sand dam and channel in the middle and bottom fan is closely related to gravel particles.

gravel particle;alluvial fan flume experiment;cause of channel;laminar flow;debris flow

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“同生逆斷層對(duì)沖積扇沉積構(gòu)型的控制作用機(jī)理——沖積扇沉積過(guò)程分析與沉積過(guò)程研究”（41372116）

TE135

A

10.6056/dkyqt201703003

2016-10-10；改回日期：2017-03-07。

石若峰，男，1990年生，碩士研究生，主要從事沉積學(xué)與油氣成藏機(jī)理研究工作。E-mail：shiruofeng@163.com。

劉忠保，男，1965年生，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事沉積學(xué)與油氣成藏機(jī)理研究工作。E-mail：lzb623@163.com。

石若峰，劉忠保，馮文杰.沖積扇發(fā)育過(guò)程中礫石顆粒對(duì)砂壩和溝流的控制作用：基于沖積扇水槽模擬實(shí)驗(yàn)［J］.斷塊油氣田，2017，24（3）：311-315.

SHI Ruofeng，LIU Zhongbao，F(xiàn)ENG Wenjie.Dominations of gravel particles to sandbar and channel in the process of alluvial fan development based on alluvial fan flume experiment［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：311-315.