吴胜和, 冯文杰, 印森林, 喻宸, 张可. (2016)冲积扇沉积构型研究进展* [J]. 古地理学报, 18(4): 497-512
Wu Shenghe, Feng Wenjie, Yin Senlin, Yu Chen, Zhang Ke. (2016)Research advances in alluvial fan depositional architecture[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(4): 497-512. DOI:10.7605/gdlxb.2016.04.036  
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冲积扇沉积构型研究进展*
吴胜和1,2, 冯文杰1,2, 印森林3, 喻宸1,2, 张可1,2
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
3 长江大学录井技术与工程研究院,湖北荆州 434023

第一作者简介 吴胜和,男,1963年生,中国石油大学(北京)教授,博士生导师。主要从事储集层地质学、油藏表征及三维地质建模的教学与科研工作。E-mail: reser@cup.edu.cn。

收稿日期:2016-04-07
基金:国家自然科学基金面上项目(编号:41372116)资助; [Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(No.41372116)]
摘要

冲积扇是发育于盆地边缘的一种重要的沉积相类型。近 20年来,在冲积扇分布的控制作用、内部构型及储集层特征研究等方面取得了很大的进展:( 1)深化了断层活动、物源岩性条件及不同级次基准面旋回对冲积扇沉积构型的控制作用机理;( 2)建立了碎屑流主控、碎屑流与河流主控、河流主控的冲积扇以及末端扇的沉积构型模式;( 3)分析了冲积扇沉积机制及沉积构型对储集层质量的控制作用。今后有必要充分应用水槽模拟实验、沉积数值模拟和探地雷达等先进技术,对冲积扇沉积过程、内部构型及储集层非均质性进行更为深入的研究。

关键词: 冲积扇; 控制因素与机理; 沉积构型; 储集层质量
中图分类号:P512.2,TE122.1 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)04-0497-16
Research advances in alluvial fan depositional architecture
Wu Shenghe1,2, Feng Wenjie1,2, Yin Senlin3, Yu Chen1,2, Zhang Ke1,2
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
3 Institute of Mud Logging Technology and Engineering,Yangtze University,Jingzhou 434023,Hubei;

About the first author Wu Shenghe,born in 1963,is a professor and doctoral supervisor of China University of Petroleum(Beijing). Now he is mainly engaged in research and teaching of reservoir geology,reservoir characterization and 3D geological modeling. E-mail: reser@cup.edu.cn.

Abstract

Alluvial fan,which develops in the margin of the basin,is a significant sedimentary facies type. In recent two decades,great progress has been made in the controlling of distribution,internal architecture and reservoir characteristics of alluvial fans. Firstly,the controlling of fault activities,lithology of provenance,and the base-level cycles on alluvial fan depositional architecture were elaborated. Secondly,three depositional architecture models of alluvial fans and terminal fans were established,including the alluvial fan dominated by debris flow,alluvial fan co-dominated by debris flow and fluvial and fluvial fan. Thirdly,how depositional fabric and mechanism of alluvial fan control the reservoir quality was analyzed. Further research is required on the process of deposition,internal architecture and reservoir heterogeneity of alluvial fans through advanced technologies,such as advanced flume simulation experiment,numerical simulation of deposition,GPR and so on.

Key words: alluvial fan; controlling factors and mechanism; depositional architecture; reservoir quality

冲积扇(Alluvial fan)是发育于盆地边缘的一种常见的沉积相类型, 为一个沿山口向外伸展的锥形沉积体, 锥体顶端指向山口, 锥底指向山前平原。自Drew(1873)提出冲积扇的概念以来, 众多学者对冲积扇沉积学进行了深入的研究, 并取得了丰富的研究成果。国内外沉积学教科书和著作曾较为系统地总结了20世纪90年代以前冲积扇沉积学研究的进展, 主要包括以下认识:(1)冲积扇为间歇性急流堆积的产物, 岩性变化大, 粒度粗, 结构和成分成熟度低(Bull, 1977; Galloway and Hobday, 1983; 赵澄林, 2001); (2)冲积扇沉积过程复杂, 可出现2种类型的搬运和沉积作用, 分别形成水携沉积物和碎屑流沉积物, 前者又包括河道沉积、漫流沉积和筛状沉积(Friedman and Sanders, 1978; Nilsen, 1982; Galloway and Hobday, 1983); (3)冲积扇平面上呈扇状, 横切物源方向呈底平顶凸的形态, 顺源方向厚度变小呈楔状, 按其地貌特征和沉积特征划分为扇根、扇中和扇缘3个亚相(Spearing, 1974; 朱筱敏, 2008); (4)按照气候条件的不同, 可将冲积扇划分为干旱扇和润湿扇2种类型, 其河流性质、河床分布特征、沉积机制、沉积物特征及扇体规模等方面均有较大的差异(Schumm, 1977; Friedman and Sanders, 1978; 冯增昭, 2013); (5)冲积扇形成和发育过程中可发生退积和进积作用, 分别形成下粗上细的正旋回层序和下细上粗的反旋回层序。

近20年来, 随着研究方法的进步以及地质矿产勘探与开发、地质灾害预防等方面需求的增长, 冲积扇沉积学研究日益受到重视, 特别是国际沉积学家协会自1995年以来, 召开了5次四年一度的国际冲积扇沉积学专题研讨会, 极大地促进了冲积扇沉积学的发展, 特别是在冲积扇沉积过程、控制沉积构型的因素与作用机理、沉积构型模式及储集层质量等方面取得了长足的进展。作者拟在广泛调研冲积扇沉积学研究文献的基础上, 系统总结冲积扇沉积构型研究的进展, 并分析该领域的未来发展方向, 以进一步促进冲积扇沉积学的发展。

1 控制冲积扇沉积构型的地质因素及作用机理

前人曾就气候等因素对冲积扇沉积的控制作用机理进行过深入的研究。近20年来, 在断层活动(包括沉积区断层类型、断层活动方式及其组合样式)、物源岩性条件及不同级次的基准面旋回等因素对冲积扇沉积过程与沉积特征(包括冲积扇分布特征、叠置样式、沉积类型与分布等)的控制作用方面取得了较大的研究进展。

1.1 断层活动对冲积扇沉积构型的控制作用

冲积扇发育于盆地边缘, 在沉积过程中, 断层活动十分常见。单一断层的活动过程对物源区、沉积区的地貌特征、可容空间的分布等具有明显的控制作用, 导致冲积扇沉积过程与沉积特征复杂化, 而多条断层的活动则将这一过程进一步复杂化。

1.1.1 单一断层对冲积扇沉积构型的控制作用 1)断裂坡折对冲积扇沉积构型的控制作用。断裂坡折是由断层活动引起的地形突变。坡折带地形坡度突然增大, 形成局部的高可容空间, 并导致冲积扇优先在此沉积(林畅松等, 2000; Feng et al., 2013)。根据断层性质的差异, 断裂坡折可分为正断层坡折和逆断层坡折, 两类坡折的沉积充填过程不同:在正断层坡折带, 沉积物经断层下盘直接进入断坡发生沉积, 并优先在断距较大的部位发生沉积(林畅松等, 2000; 任建业等, 2004; 冯有良和徐秀生, 2006); 而在逆断层坡折带, 逆断层上盘断距较大部位往往是古地貌高部位, 沉积物往往沿着上盘断距较小的部位搬运到下盘发生沉积, 扇体由逆断层断距较小的部位向断距较大的部位延伸(印森林等, 2014)。在顺断层倾向方向, 沉积厚度从坡上到坡下往往呈“ 薄— 厚— 薄” 的变化趋势。

2)断层活动强度对冲积扇沉积构型的控制作用。断层活动可以控制冲积扇物源区的差异隆升, 进而控制冲积扇的沉积物通量和扇体沉积过程。在冲积扇广泛发育的挤压盆地边缘, 逆冲断层的持续活动导致位于逆断层上盘的物源区不断隆升并接受剥蚀。逆断层活动强度越大, 位于上盘的剥蚀区破裂程度、风化作用强度及沉积物搬运势能也越大, 源区提供的沉积物通量也随之增大, 山前冲积扇的规模也就越大(图 1)(雷振宇等, 2005; 蔚远江等, 2007; Srivastava et al., 2009)。在不同的逆断层活动强度背景下, 沉积物通量的增减也影响了扇体纵向演化序列和平面分布样式, 活动强度增强则冲积扇不断进积, 而活动强度减弱时冲积扇不断退积(Bullen et al., 2001)。

图1 印度北部Palampur-Rihlu地区冲积扇规模与源区逆冲幅度相关关系(据Srivastava, 2009, 有修改)Fig.1 Correlation between alluvial fan scale and elevation of source area constructed by thrust fault in northern India (modified from Srivastava, 2009)

盆地边缘断层活动强度差异不仅控制冲积扇物源区的差异隆升, 还控制了冲积扇沉积区古地貌特征与沉积过程。在挤压盆地边缘沉积区, 单一逆冲断层不同部位的挤压强度存在差异, 在挤压强度相对较大的部位可形成古地貌高部位。逆断层整体活动强度的大小控制了断层上盘的沉积特征:①在断层活动强度较小的情况下, 局部隆起会导致逆断层上盘沉积厚度不均(Barrier et al., 2013); ②在断层活动强度较大的情况下, 局部隆起部位可阻挡水流, 形成局部的沉积过路区, 沉积物经由隆起两侧低部位搬运到逆断层下盘沉积, 而隆起部位则出现地层缺失或遭受剥蚀, 受到上盘隆起的控制, 断层下盘冲积扇沉积往往集中在挤压强度较小的构造低部位(Arenas et al., 2001; Barrier et al., 2002, 2010; 印森林, 2014; 印森林等, 2014)。

1.1.2 断层组合对冲积扇沉积构型的控制作用 1)调节断层— 逆冲断层组合对冲积扇沉积物搬运与沉积构型的控制作用。调节断层是指为保持区域应变守恒而变形、破裂产生的具有平移性质的断层(贾承造, 2005; 陈发景, 2007; 漆家福, 2007)。冲积扇主要发育于盆地边缘, 挤压或拉张作用强烈, 调节断层往往成为沟通断裂系统、调节应变的重要构造单元(余一欣等, 2008; Feng et al., 2013; 吴孔友等, 2014)。在挤压盆地边缘, 调节断层常与逆断层组近垂直分布, 并连接不同的逆冲断层(雷振宇等, 2005; 蔚远江等, 2007; 吴孔友等, 2014), 其组合控制了沉积物的搬运和沉积。

准噶尔盆地西北缘断层组合研究表明, 冲断带内发育多条与逆冲断层走向近垂直的调节断层, 控制了沉积物搬运通道(徐朝晖, 2008; 印森林等, 2016)。调节断层的性质为同沉积走滑逆断层, 其两侧存在明显高差。两条横断层所夹的断块呈单斜构造, 其倾向与逆断层走向平行。横断层贯穿多条逆断层, 逆断层组合与横断层共同构成连通的优势渠道体系, 进而控制了冲积扇物源进入盆地的入口和渠道。在挤压断裂带内横断层的控制下, 古水系主要顺横断层发育, 沉积物以横断层及顺横断层发育的低部位为搬运通道, 搬运到逆断层下盘沉积, 形成多期冲积扇侧向、垂向叠覆的砂砾岩复合体(图 2)。

图2 同沉积逆断层组合控制下冲积扇的形成过程与叠置样式(据印森林等, 2016, 有修改)Fig.2 Deposition and superimposition styles of alluvial fans controlled by different combinations
of contemporaneous reverse faults(modified from Yin et al., 2016)

调节断层— 逆断层组合不仅控制冲积扇沉积物搬运通道, 而且对沉积地貌与可容空间具有决定性的控制作用, 并进一步控制冲积扇的沉积构型( 图 2)。在挤压盆地边缘, 逆冲断层的组合样式包括平行状和交叉状2种, 调节断层或切断平行状逆断层组合或由交叉状逆断层交点向物源区延伸( 图 2)。在调节断层横切平行逆断层组合的情况下, 发育正梳状( 图 2-a)和反梳状断层组合样式( 图 2-b)。在正梳状断层组合控制下, 若逆断层逐步后展发育, 则冲积扇随之向后退积, 导致冲积扇规模较小, 叠覆程度低( 图 2-a); 而在反梳状断层组合的控制下, 逆断层组合控制的扇体具有向前(盆地方向)移动和侧向平移的趋势, 导致多期冲积扇侧向叠置, 其沉积厚度较大, 叠覆程度高。在调节断层由交叉状逆断层交点向物源区延伸的情况下, 调节断层成为物源区水流汇集的稳定通道, 沉积物由调节断层搬运到交叉状逆断层组合所夹的有限沉积区发生沉积, 形成多个侧向迁移、叠覆的巨厚冲积扇组合(图2-c; 吴胜和等, 2012; 印森林, 2014)。

2)多条断层控制的多级断坡对冲积扇沉积构型的控制作用。盆地边缘断裂系统十分复杂, 不同性质、不同产状的断层控制的断坡可组合形成多种样式的断裂坡折带。在断陷盆地边缘, 多条正断层控制的坡折组合形成多种样式坡折带, 包括帚状、陡坡平行(断阶)状、缓坡平行(断阶)状、交叉状及梳状构造坡折带, 而控制这些坡折的正断层往往具有同沉积性质, 冲积扇主要沉积于各单一断裂坡折内部可容空间(断距)较大的部位, 扇体主要沿着坡折带内低部位的连线迁移(王英民等, 2003; 冯有良和徐秀生, 2006)。在挤压盆地边缘, 受多条逆断层的控制, 可发育多级断崖状断坡(张继庆等, 1992; 丘东洲和赵玉光, 1993), 多阶断坡则控制了沉积区可容空间的分布, 并主导冲积扇逐步沉积在各个断坡上。

1.2 物源区母岩性质对冲积扇沉积构型的控制作用

物源是控制沉积物类型及其分布的基本因素之一。冲积扇为近源沉积, 其物源直接来源于源区母岩的风化产物, 因而母岩的性质直接决定了沉积物特征。若母岩为火山岩、变质岩, 其风化产物往往为分选较差、棱角— 次棱角状粗颗粒(粗— 中砾为主), 由洪水搬运并沉积于近山口处, 形成粗粒冲积扇(张纪易, 1985; Brierley et al., 1993; Blair and Mcpherson, 1994, 1998, 1999; 程立华等, 2006; 吴胜和等, 2012; 印森林等, 2013; 冯文杰等, 2015); 若母岩为碎屑沉积岩, 风化产物往往为中— 细颗粒(粗砂、中砂、细砂, 少量细砾)且泥质含量高, 由洪水搬运至近山口处, 形成较细粒的冲积扇(Wu and Yu, 2015; 喻宸等, 2015a, 2015b)。

粗粒冲积扇较为常见, 国内外学者对粗粒冲积扇进行了大量研究, 典型的粗粒冲积扇包括准噶尔盆地西北缘三叠系冲积扇(何登发等, 2004; 吴胜和等, 2012; 冯文杰等, 2015)、印度Ganga扇(Shukla, 2009)、太原盆地风峪扇(李新坡等, 2007)等; 而细粒冲积扇则相对少见, 自Campbell(1998)首次提出了细粒冲积扇的概念以来, 细粒冲积扇研究受到了关注(Moreno and Romero-segura, 1997; Wu and Yu, 2015; 喻宸等, 2015b)。

对比两类冲积扇发现, 粗粒与细粒冲积扇在多个方面存在明显的差别:(1)物源特征。粗粒冲积扇源区母岩性质多以变质岩、火山岩为主, 而细粒冲积扇物源区母岩性质则以碎屑沉积岩为主; (2)主控沉积机制。粗粒冲积扇扇根发育厚层碎屑流成因的砂砾岩体, 其沉积厚度较大且分布较广, 扇中以高流态砂砾质辫流水道为主(Shukla, 2009; 冯文杰等, 2015), 而细粒冲积扇的扇根则以高流态牵引流为主, 砂质碎屑流沉积发育程度较低且仅分布于冲积扇底部近端, 扇中以低流态辫状水道为主(喻宸等, 2015a); (3)岩性特征。粗粒冲积扇以中— 细砾岩、中— 粗砂岩为主( 图 3; 图4-a, 4-b), 细砂主要存在于扇缘径流相带, 细粒沉积物含量较少(Brierley et al., 1993; 郑占等, 2010; 印森林等, 2013), 而细粒冲积扇以中— 细砂岩、粉砂岩为主, 细砾岩比例较小, 其中含细砾的中砂主要集中于扇根( 图 3; 图4-c, 4-d), 扇中以中— 细砂岩为主(Stanistreet and McCarthy, 1993; 喻宸等, 2015a, 2015b); (4)沉积物分布特征。粗粒冲积扇扇根厚度非常大, 并快速向盆地方向减薄, 在切物源方向上呈窄而厚的高幅度顶凸形分布, 而细粒冲积扇由扇根到扇缘的厚度分布较为均衡, 切物源方向上呈宽而薄的低幅度顶凸形; (5)扇面坡度。粗粒冲积扇扇根坡度较大(可达3° ~10° ), 由扇根至扇缘坡度快速变缓, 而细粒冲积扇坡度总体较小, 由扇根到扇缘坡度变化不大( 表 1)。

表1 粗粒与细粒冲积扇沉积特征对比 Table1 Comparison of sedimentary characteristics between coarse-grained and fine-grained alluvial fans

图3 粗粒冲积扇与细粒冲积扇垂向序列差异对比Fig.3 Comparison of vertical sequences between coarse-grained and fine-grained alluvial fans

图4 粗粒冲积扇与细粒冲积扇岩心特征对比Fig.4 Comparison of core characteristics between coarse-grained and fine-grained alluvial fans

1.3 基准面旋回对冲积扇沉积构型的控制作用

基准面旋回是控制沉积层序与沉积体系内部构型的重要因素之一。研究表明, 不同级别的基准面升降旋回对冲积扇沉积层序、沉积体系分布及其内部构型具有不同的控制作用。

长期基准面旋回主要受控于源区与冲积扇沉积区的区域构造活动, 并控制冲积扇的沉积层序:在长期基准面上升期, 冲积扇不断退积, 形成多期向后退积的冲积扇复合体, 而在长期基准面下降期, 主要发育向盆地逐期进积的冲积扇复合体(赵澄林, 2001; Harvey, 2005; 李新坡等, 2006), 准噶尔盆地西北缘三叠系克拉玛依组冲积扇即受长期基准面上升的控制而逐步退积(蔚远江等, 2007; 吴胜和等, 2008, 2012)。

中期基准面旋回升降控制冲积扇砂(砾岩)体的分布模式(郭建华等, 2003; 张昌民等, 2007; 吴胜和等, 2008), 在中期基准面上升旋回内部, 由下至上依次发育连片状、宽带状及窄带状砂体, 砂体宽度和厚度逐渐变小, 砂体由侧向切叠逐步转变为孤立分布, 中期旋回界面往往被水道侵蚀改造, 细粒沉积物较少。

短期旋回控制着多个单期砂体的演化, 在短期旋回界面, 细粒沉积具有一定的侧向连续性, 短期旋回界面则往往被后期水流冲刷, 细粒沉积少见(吴胜和等, 2008)。超短期旋回控制着单期砂体的演化。

基准面升降可由沉积区低序次断层活动控制, 并对沉积区局部沉积过程产生影响。发育于沉积区域内部的同生正断层上盘幕式沉降可造成下盘中— 短期基准面下降, 上盘已沉积的扇体遭受侵蚀, 形成溯源的侵蚀水道, 切穿下盘冲积扇沉积并与上盘水道体系汇合, 导致上盘的沉积物供给和水动力强度大大增强, 形成辫状水道并对上盘扇体进行侵蚀改造(Stokes and Mather, 2000)。基准面旋回是控制冲积扇沉积构型的重要因素, 但在其他因素的作用下, 其控制作用可能被掩盖。在物源供给充足的条件下, 即使基准面上升, 冲积扇仍可逐步加积或进积; 而在物源供给不足的条件下, 即使基准面下降, 冲积扇也可退积(Harvey, 2002, 2005)。

图5 辫状水道对碎屑流朵体的改造作用 (据Blair 和Mcpherson, 1998, 有修改)Fig.5 Reconstruction effect of braided streams on debris lobe(modified from Blair and Mcpherson, 1998)

2 冲积扇内部沉积构型

冲积扇沉积过程复杂, 其内部沉积单元的分布亦十分复杂。Spearing(1974)曾描述了冲积扇内部碎屑流沉积、辫状水道、漫流沉积等单元的复杂分布。进一步的研究表明, 不同沉积机制形成的冲积扇, 其内部沉积单元的分布具有较大的差别。Stanistreet 和McCarthy(1993)曾尝试将碎屑流沉积、辫状水道沉积和曲流水道沉积作为三端元, 划分了3类冲积扇, 即碎屑流主控型、辫状水道主控型和曲流水道主控型。在这种方案中, 将曲流水道沉积占主导的扇形沉积体划归为冲积扇, 但这种观点一直存在争议, 而且这种类型的冲积扇十分少见。另外, 在现代沉积与地层记录中广泛存在一种碎屑流与辫状水道共同控制的冲积扇, 其沉积特征与内部构型明显有别于碎屑流主控和辫状水道主控的冲积扇(Bull, 1977; Nilsen, 1982; Blair and Mcpherson, 1998; 吴胜和等, 2012; 单新等, 2014)。为此, 作者重点介绍3类冲积扇(碎屑流主控型、碎屑流与河流共同控制型、河流主控型)的沉积构型特征。此外, 还介绍一种与冲积扇密切关联的扇形沉积体— 末端扇(Kelly and Olsen, 1993; Li, 2014; Pati et al., 2015)。

2.1 碎屑流主控的冲积扇沉积构型

碎屑流主控的冲积扇本质上是由多期碎屑流沉积复合而成的扇形沉积体, 间洪期可发育小规模季节性水道, 并对碎屑流沉积造成一定程度的侵蚀和改造。在沉积过程中, 大量碎屑物质快速搬运至山前卸载, 形成长条朵状砾石体, 并在间洪期接受暂时性辫状水道体系的侵蚀改造, 形成冲沟。冲沟两侧为未被侵蚀的残余朵体, 多为中粗砾沉积体, 可视为砾石堤( 图 5-a)。水道经历长时间的冲刷、淘洗后形成两类沉积物:原有朵体中的粗粒沉积物被淘洗后滞留在原地, 形成粗粒的水道滞留沉积( 图 5); 辫状水道在沉积过程中形成细砾、粗砂充填水道, 分布于辫流水道内侧(Blair and Mcpherson, 1998; Blair, 1999)。顺水流方向上, 辫状水道对碎屑流朵体的侵蚀作用由强变弱, 在冲积扇近端部位可形成较深的深切水道( 图 5-a), 而在远端部位下切作用减弱, 碎屑流朵体得到较好的保存( 图 5-b)。Blair 等(1998, 1999)在观察和分析碎屑流— 辫流现代沉积作用的基础上提出了碎屑流主控的冲积扇沉积构型模式( 图 6)。

碎屑流主控的冲积扇在顺源方向上可划分为堤岸主控(levee dominated)和朵体主控(lobe dominated)2个带( 图 6-a), 堤岸主控带分布于冲积扇近端( 图 6-b, 6-c)。

图6 碎屑流主控型冲积扇沉积构型模式(据Blair 和 Mcpherson, 1998, 有修改)Fig.6 Sedimentary architectural model of debris flow dominated alluvial fan(modified from Blair and Mcpherson, 1988)

堤岸主控带内主要发育的构型要素包括碎屑流残留堤和辫状水道两类。碎屑流残留堤以粗— 中砾沉积物为主, 砾石混杂堆积, 整体呈块状, 垂向上多呈均质韵律。碎屑流朵体被深切水道分隔为多个沿顺源方向平行分布的残留堤组合, 单一残留堤一般宽数十米至数百米, 厚数米至数十米。辫状水道以细砾— 粗砂沉积物为主, 发育槽状、板状交错层理等代表高流态牵引流机制的沉积构造, 水道底部发育一定厚度的滞留砾石层, 垂向上多呈正韵律。单一辫状水道宽数十米、深数米至十数米, 由于碎屑流朵体规模较大, 单一辫状水道往往不能将其切穿。在堤岸主控带内, 辫流水道往往在碎屑流朵体内部深切并形成大规模的砂砾质充填水道, 两侧为砾石坝残留堤。平面上, 多个水道— 残留堤复合体侧向再复合, 形成大规模侧向连续的顶凸状砾石体( 图 6-c); 顺源方向上, 碎屑流朵体的厚度逐渐变小, 辫流水道的下切深度也逐渐变浅( 图 6-b)。

朵体主控带内主要发育碎屑流朵体和冲沟(属于辫状水道末端)2类构型要素。碎屑流朵体撒开, 形成宽而薄的朵体, 多期碎屑流朵体横向、垂向复合, 形成底平顶凸的大规模砾石体, 辫流水道则变浅至消失, 少数延伸较远的水道仍然可侵蚀碎屑流朵体, 形成小规模砂质充填的冲沟( 图 6-d)。

坡积扇是完全由碎屑流沉积控制的一种特殊扇体, 由岩体风化或冰川消退, 导致岩层或冰川沉积物垮塌, 发生就地或极短距离搬运后沉积而成。岩层风化垮塌形成的坡积扇沉积过程中几乎不发育牵引流水道沉积, 沉积物分选较差, 结构成熟度较低, 砾石颗粒主要来源于岩层崩落; 而由冰川消退形成的坡积扇则可能发育一定程度的牵引流水道沉积, 并使得沉积在坡积扇上形成一定程度的顺源分异。冰川消退形成的坡积扇近端以松散冰川沉积物垮塌沉积为主, 沉积物混杂堆积,

结构成熟度极低, 而在远端可能存在融冻泥流等细粒沉积物(Krzysztof, 2015; Krzysztof et al., 2015)。坡积扇可形成于不同的气候条件下, 坡度可达50° (Krzysztof et al., 2015), 顺源方向上由厚变薄, 呈楔状, 切物源方向则呈顶凸底平状( 图 7)。在坡积扇内部, 不同期次的碎屑流朵体界面不明显, 单一碎屑流朵体内部沉积构造以厚层块状为主, 少见牵引流成因的交错层理。

图7 新西兰南岛地区现代坡积扇Fig.7 Modern talus fan in South Island district in New Zealand

坡积扇概念的提出较早, 但长期以来未受到足够的重视。近年来, 国内外学者开始重视坡积扇沉积过程、沉积机理及其内部结构的分析, 在2015年国际冲积扇大会上坡积扇沉积学成为一个热点议题。Wojciech(2015a)在第31届国际沉积学大会上作了题为“ Colluvium: the ugly duckling of clastic sedimentology” 的大会报告, 呼吁国际沉积学界加强对坡积扇的关注。

2.2 碎屑流与河流共同控制的冲积扇沉积构型

在冲积扇形成过程中, 若碎屑流和牵引流作用占据大体相当的比重, 则可将其归属为碎屑流和河流(牵引流)共同控制的冲积扇。在近山口处, 冲积扇以碎屑流沉积为主, 而在远山口处, 碎屑流转化为牵引流, 形成辫状水道和径流水道。与完全由碎屑流主控的冲积扇相比, 这类冲积扇多发育在半干旱气候条件下, 且水流相对充足, 碎屑流沉积物的浓度相对较低。笔者曾较为系统地研究了中国准噶尔盆地西北缘顺扎伊尔山前展布的三叠系克拉玛依组碎屑流与辫状水道共同控制的冲积扇, 明确了冲积扇内部各级构型单元的成因、分布特征、形态、空间接触关系、岩石相及岩电响应特征, 并建立了这类冲积扇的沉积构型模式( 图 8, 吴胜和等, 2008, 2012)。

图8 碎屑流与辫状水道控制的冲积扇构型样式(据吴胜和等, 2012, 有修改)Fig.8 Architecture pattern of alluvial fan dominated by debris flow and braided streams(modified from Wu et al., 2012)

根据单一扇体的相带分布特征, 将整个冲积扇划分为扇根、扇中及扇缘3个亚相。需要注意的是, 这3个亚相在平面上是逐步演变的, 不存在亚相分界面(构型界面)。在各亚相内部可进一步划分构型单元。

扇根可划分为扇根内带(包括槽流带和漫洪带)和扇根外带(即片流带)。扇根内带主要受控于沟谷限制的地形而形成厚层宽带状砂砾岩体, 剖面呈下凸的半透镜状; 槽流砾石体垂向上看似一体, 实际上是由多期洪水事件携带的粗粒沉积物垂向叠加而成(吴胜和等, 2012); 单期槽流砾石体一般呈不太明显的正韵律, 其顶部往往被间洪期水流改造、充填, 形成非均质性较弱的小规模砂体网络, 即流沟(吴胜和等, 2012; 冯文杰等, 2015)。扇根外带则是碎屑流冲出沟槽地形后撒开并快速沉积形成的扇形连片砂砾岩体。片流带平面呈扇状, 剖面上呈上凸半透镜状, 规模较大。看似泛连通的片流带由多个单一片流朵体(由一次洪水事件形成, 一般呈朵状或舌状)侧向、垂向复合而成, 单一片流朵体顶部往往在间洪期内发育披覆泥岩, 并经成岩作用最终形成泥质夹层(印森林, 2014; 冯文杰等, 2015)。

扇中以牵引流沉积作用为主, 由辫流带和漫流带组成。根据水动力强度的不同, 可将其内部的辫流水道分为洪水水道和间洪水道两类; 洪水水道形成于洪水期, 水动力强, 沉积物粒度较粗, 水道规模较大, 水道侧向切割、汇合及分叉现象频繁, 形成侧向连续性较好的宽带状水道体系, 主要分布于近片流相带前方; 间洪水道形成于间洪期, 水动力较弱, 沉积物粒度明显较细, 水道规模较小, 水道的侧向复合现象较少。两类水道的规模和储集层物性和油水运动特征差异较大(吴胜和等, 2012)。

扇缘主要由径流水道和漫流带组成。径流水道呈孤立状分布于泥岩中, 水道侧向复合现象少, 而尖灭现象多见。

2.3 河流主控的冲积扇沉积构型

河流主控的冲积扇实质上为扇状的多河流体系, 因此又称为河流扇(fluvial fan)。这类扇主要由河流在扇面来回迁移摆动沉积形成, 扇体面积大, 可达数千平方千米, 因而部分学者将其称为巨型冲积扇(megafan), 包括印度的Kosi、Ganga、Gandak、Sarda等冲积扇(Singh et al., 1993; Shukla et al., 2001)。这类扇主要发育于潮湿的气候条件下, 主要为湿地扇(wet fan)(Schumm, 1977)。河流主控冲积扇的沉积构型特征与其他沉积机制控制的冲积扇具有明显的区别(Friedman and Sanders, 1978; Nilsen, 1982; Galloway and Hobday, 1983; 朱筱敏, 2008)。Shukla(2001)曾对印度Ganga扇进行了深入的构型分析, 在顺源方向上将冲积扇划分为4个带, 即:Ⅰ — 砾质辫流带、Ⅱ — 砂质辫流带、Ⅲ — 网状交织河道带和Ⅳ — 孤立曲流河道带( 图 9)。

图9 辫状河控制的冲积扇构型样式 (据Shukla et al., 2001, 有修改)Fig.9 Architecture pattern of alluvial fan dominated by braided streams(modified from Shukla et al., 2001)

相带Ⅰ 最靠近出山口部位, 由宽带状砾质辫流水道(宽15~20, km)构成, 在近端部位主要为砾质坝复合体, 而在远端则以砂质— 砾质坝互层为主( 图 9-b, 9-c)。

相带Ⅱ 本质上为一个辫流平原, 由多条宽带状辫流水道带构成, 不同的辫流水道带活动时期不同( 图 9-b)。该相带以砂质沉积为主, 偶见洪水成因的砾石层。辫流水道深1~2, m, 单期心滩坝厚2~3, m, 一个完整的心滩坝旋回一般由2~3期心滩坝组成, 2期坝间往往存在泥质夹层, 总厚4~5, m( 图 9-c)。在长期活动的辫流水道带内的心滩坝往往受到反复的侵蚀改造, 保存程度不高, 若辫流水道突然改道, 心滩坝可完整保存。

相带Ⅲ 由网状分流水道体系构成, 河道间泥质沉积物丰富, 植被发育( 图 9-b)。分流水道浅而窄, 由于水道分叉较多, 水动力强度减小, 单一水道水携沉积物也较少, 水道内沉积物粒度顺源快速变小( 图 9-c); 侧向上由水道砂体快速转变为河间泥质沉积( 图 9-b), 剖面上水道砂体往往呈透镜状。水道复合程度较前2个相带大大降低。

相带Ⅳ 由发育于广布的水道间泥岩背景下的堤岸化曲流水道构成, 曲流水道往往孤立分布。

2.4 与冲积扇密切关联的一种特殊扇形沉积体— — 末端扇

随着冲积扇研究的逐步深入, 冲积扇扇缘末端发育的小规模扇体(即末端扇, terminal fan)逐步受到重视。现代沉积观察和露头分析表明, 末端扇一般发育于干旱— 半干旱气候条件下, 在热带气候(旱季与雨季交替)条件下末端扇也较为发育, 分布在冲积扇的扇缘前端, 由延伸至扇缘的若干条主干水道供源并向前逐步撒开沉积形成。末端扇水道体系与河流控制的冲积扇水道体系类似, 扇上的水流在分散过程中受到强蒸发作用, 多在扇上尖灭, 此外, 末端扇沉积过程中往往发育风成沉积(Kelly and Olsen, 1993; North and Warwick, 2007; Mckie, 2011; Li, 2014; Pati et al., 2015)。

Kelly 和 Olsen(1993)通过现代沉积和露头分析建立了末端扇构型模式( 图 10)。根据末端扇不同部位的沉积特征与内部结构的差异性, 将其分为供给区、分流区和盆形区3个带(图10-f)。

图10 末端扇构型样式(据Kelly和Olsen, 1993, 有修改)Fig.10 Architecture pattern of terminal fan (modified from Kelly and Olsen, 1993)

供给区(feeder zone)主要发育供给水道, 由一条供给水道不断迁移或多条供给水道切割叠置而成(图10-a)。供给水道沉积的岩性主要为细砾岩、含砾粗砂岩等, 供给水道间多发育泥岩、中— 细砂岩, 偶见风成沉积。

供给区前方为分流区(distributary zone), 由于分流区地形较为平缓, 供给水道进入分流区后分叉形成分支水道系统(图10-b至图10-d)。相对于供给水道而言, 分流水道具有更强的活动性, 因而分流区水道存在频繁的分叉现象, 且随着分流水道向下游方向逐级分叉, 单一分流水道逐步变窄、变浅, 而水道数量逐步增加, 最后形成连片水流。分流区辫状分流水道沉积的岩性以中— 粗砂岩至细砂岩为主, 顺水流方向上随着水道规模的减小, 水道沉积岩性逐渐变细, 片流沉积岩性以中— 细砂岩为主。按照主控沉积作用, 可将分流区分为近端、中端及远端3个部分:近端以强水动力辫流沉积为主, 几乎不发育片流沉积; 中端以弱水流辫流沉积为主, 片流沉积发育, 偶见风成沉积; 远端则以片流沉积为主, 辫流沉积和风成沉积发育程度低。

分流区前方为盆形区(basinal zone), 这一区域位于冲积扇前方宽阔平坦的低部位(图10-e)。由于末端扇往往发育在干旱的蒸发环境下, 盆形区不存在水体, 区内主要发育片流沉积(以悬浮搬运沉积为主)、风成沉积及化学沉积, 主要岩性为粉— 细砂岩(Kelly and Olsen, 1993)。

North和Warwick(2007)曾对上述末端扇沉积模式提出了质疑, 认为Kelly和Olsen(1993)提出的末端扇模式主要依据现代沉积观察和有限的露头分析, 缺乏更多实证; 同时, 在一些与末端扇相似的扇缘沉积体上, 水流并不总是分散消失, 而是汇入扇前盆地。Pati等(2015)通过印度Indo-Gangetic前陆盆地末端扇的研究表明, 现代末端扇广泛发育于沉积盆地中, 其沉积过程、分布特征与幕式挤压构造活动密切相关。关于末端扇的定义、沉积过程及内部构型还存在争论, 也是目前冲积扇沉积学研究的热点之一。

3 冲积扇沉积构型对储集层质量的控制作用

冲积扇储集层质量研究一直较为薄弱。1980年代开始国内学者对此进行了初步的研究, 取得了一些宏观的认识, 认为冲积扇储集层岩性粗、颗粒分选差, 储集层孔隙结构具有复模态特征、储集层质量较差等(张纪易, 1985; 赵澄林, 2001; 宋子齐等, 2005)。近年来, 在冲积扇油田开发对储集层质量非均质研究的需求的推动下, 基于冲积扇沉积构型约束的储集层质量研究得以逐步深化。

3.1 冲积扇沉积机制对储集层质量的控制作用

冲积扇沉积过程复杂, 形成的岩石类型多, 不同岩石相的孔隙结构和岩石物性具有较大的差异。在成岩非均质较弱的情况下, 不同沉积机制形成的沉积组构是控制储集层质量的关键因素(郑占等, 2010; 吴胜和等, 2012)。

碎屑流沉积主要形成砾岩、砂砾岩, 岩性粗、颗粒分选极差, 砾、砂、泥混杂堆积, 孔渗性较差, 孔隙结构呈典型的复模态特征(张纪易, 1985)。河流沉积包括高流态牵引流水道(辫状水道)和低流态牵引流河道(径流水道)2种类型, 其中辫流水道主要形成含砾砂岩、粗砂岩、中砂岩, 岩性偏粗、颗粒分选较好, 结构成熟度较高, 因而其孔隙结构多呈单模态, 孔渗性好; 而径流水道则形成中— 细砂岩, 岩性偏细含一定的泥质, 孔隙结构呈单模态, 孔渗性往往不及辫状河道沉积。漫流沉积主要形成粉砂岩、泥质粉砂岩, 孔隙结构呈单模态特征, 由于粒度细且泥质较多, 孔渗性较差。筛状沉积是冲积扇特有的沉积类型, 主要由分选较好的砾岩组成, 孔隙结构呈单模态特征, 孔隙及喉道大, 孔渗性极好。

准噶尔盆地西北缘克下组冲积扇储集层研究表明:高流态的辫状水道成因的粗砂岩孔渗结构呈单模态, 孔渗性极好, 孔隙度为19%~20%、渗透率为(800~1000)× 10-3 μ m2; 碎屑流成因的砂砾岩与细砾岩孔隙结构呈复模态, 孔渗性偏低, 孔隙度为16%± 1%、渗透率为(0.1~120)× 10-3 μ m2; 低流态的径流水道成因的中细砂岩孔隙结构呈单模态, 孔渗性低, 孔隙度为15.6%、渗透率为160× 10-3, μ m2; 漫流成因的泥质砂岩孔隙结构为单模态, 其孔渗性最差, 孔隙度为17%、渗透率约为1× 10-3 μ m2(郑占等, 2010)。

3.2 冲积扇沉积构型对储集层质量的控制作用

冲积扇内不同类型的构型单元具有不同的沉积机制, 形成不同的岩石相, 因而具有不同的储集层质量特征。冲积扇扇根主要受控于碎屑流, 形成砂砾坝复合体, 其储集层规模较大, 连片程度高但质量较差。值得注意的是, 间洪期小股牵引流水道对碎屑流沉积体进行改造后形成的流沟往往具有较好的分选性, 因而具有较好的储集层质量。总体而言, 扇根主体为大规模、高连片而孔渗性较差的储集层, 其内部发育多分支、规模小而孔渗性较好的流沟沉积体, 流沟控制的储集层在注水开发过程中可形成优势窜流通道。扇中主要受控于高流态的辫流水道体系, 辫流水道之间侧向、垂向复合程度高, 因而往往在漫流沉积的背景下形成宽带状高孔— 高渗储集层。扇缘则主要受控于低流态的径流水道及漫流沉积, 径流水道往往孤立分布, 在漫流沉积的背景下形成窄带状孤立分布的孔渗性较差的储集层。准噶尔盆地西北缘六区克下组冲积扇储集层质量研究表明, 冲积扇储集层内部, 孔渗性能最好的部位为扇根流沟和扇中辫流水道, 其次为扇根砾石坝、砂砾坝及扇缘径流水道, 漫流砂体储集层质量最差(郑占等, 2010; 吴胜和等, 2012; 冯文杰等, 2015)。

4 主要结论与展望

近20年来, 国内外学者在冲积扇沉积过程的控制因素与机理、冲积扇沉积构型及其控制的储集层质量等方面进行了大量研究并取得了长足的进展。然而, 冲积扇沉积十分复杂, 有诸多问题有待于进一步的深入研究。

1)冲积扇沉积构型的控制因素与作用机理研究有待完善。前人从构造活动、基准面旋回及源区母岩性质等方面进行了研究, 探讨了不同地质因素对冲积扇沉积过程与沉积构型的控制作用, 但受限于研究手段和有限的实例, 相关研究还不完善。需综合利用探地雷达、激光露头扫描、高分辨率三维地震等技术加强现代沉积、典型露头及地下冲积扇构型的解剖研究, 并结合沉积过程数值模拟、水槽沉积模拟等先进技术, 深入研究冲积扇沉积过程, 进一步明确不同地质因素对冲积扇沉积过程的控制作用。

2)冲积扇沉积构型模式研究需要实例和实验支撑。不同类型的冲积扇沉积机制、沉积过程及其控制的内部构型存在较大差异, 前人分析了不同沉积机制主控的冲积扇沉积特征与内部构型, 并建立了碎屑流主控、碎屑流与河流主控、河流主控的冲积扇以及末端扇的沉积构型模式。现阶段对于冲积扇沉积构型模式的研究主要基于个例, 尚未建立普适性的模式, 需要通过更多可靠的实例和模拟实验研究, 进一步明确不同沉积机制主控的冲积扇沉积构型模式及其差异性。

3)冲积扇储集层质量研究任重道远。冲积扇储集层质量受到多种沉积机制的控制, 前人从沉积机制这个根本出发, 明确了不同沉积机制控制下, 冲积扇构型控制的储集层质量特征, 但相关研究主要基于部分实例, 尚未完全阐明冲积扇储集层质量的差异分布特征与形成机理, 还需进一步研究沉积机制对储集层不同粒度的沉积物、岩石相、孔隙结构及孔渗性的控制作用, 并建立基于不同沉积构型的储集层质量非均质分布模式。

(责任编辑 庞凌云 李新坡)

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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