河控三角洲砂体形成之后, 后期改造较弱, 由于三角洲砂体物性好、近油源、规模大, 往往是国内外油气勘探的重点目标区。因此, 三角洲砂体厚度、范围、分布位置等是油气勘探研究的重点内容之一。影响河控三角洲砂体的因素较多, 宏观上构造活动控制了盆地的类型、形成、演化、沉积底型形态、坡度及物源等。在构造相对稳定时期, 河控三角洲砂体主要受3种因素控制: 物源供屑及河流输砂能力(简称物源)、沉积底型坡度(简称坡度)和湖岸线位置(简称岸线)。

物源供屑及河流输砂能力控制了河控三角洲砂体规模, 体现在砂体粒度、厚度及范围; 沉积底型坡度控制了砂体宽厚比; 湖岸线河口处是沉积物主要卸载区, 其位置及迁移幅度控制了砂体位置及连续性(图 1), 是气候变化、湖水升降、基底沉降或隆升等作用的综合体现。3种因素的不同变化组合形成了不同特征的三角洲砂体分布模式。

图 1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 1 河控三角洲三因素控砂示意图Fig.1 Sketch map of ternary control sand of river-dominated delta

物源供屑充足, 岸线相对稳定时, 分别对相对陡坡和缓坡2种情况进行了研究。关于坡度陡缓的定量值目前尚没有非常明确的定论, 在湖盆中, 一般把坡度大于5° 认为是坡度较陡, 小于3° 时认为坡度较缓(于兴河等, 2013), 坡度大于20° 主要是断层作用形成的(冯友良和李思田, 2001)。断陷盆地沉积时坡度较陡, 拗陷湖盆沉积时坡度较缓, 如鄂尔多斯盆地延长组长8、长6等主要油层组三角洲沉积时坡度小于1° (杨俊杰, 2002)。对地下沉积体的地形特征与坡度恢复时, 由于沉积岩经过差异压实的过程, 多数情况下难以考虑, 特别是当上覆地层存在剥蚀时, 坡度陡缓不易定量化。地形坡度的计算, 应是古地形坡度, 而不是填满后的现今地形坡度(于兴河等, 2018)。水槽模拟实验表明, 古地形坡度的准确计算对分析沉积体系的砂体展布、内部构型以及滑塌浊积体(操应长和刘晖, 2007)的发育均具有指导意义。

综上所述, 一般认为沉积时底型坡度大于5° 时发育的三角洲称为陡坡型三角洲(又称深水型三角洲, 多指常规三角洲), 断陷盆地中坡度较陡, 坡度一般十几度至几十度, 河口坝及滑塌沉积较发育。坡度小于3° 时发育的三角洲称为浅水三角洲, 大型拗陷湖盆中沉积坡度较小, 一般不到1° , 多发育浅水型三角洲。

1.2.1 坡度较陡情况下砂体分布特征

当物源供屑充足、岸线相对稳定、沉积底型坡度陡时, 三角洲沉积可容空间大, 侧向分枝少, 顺水流方向三角洲砂体三层结构(顶积层、前积层、底积层)明显, 砂体连续进积叠加(图 2-a中AB剖面), 典型的如吉尔伯特型三角洲等。垂向上分流河道及河口坝砂体分布较连续, 单个砂体厚度大, 多个砂体复合连续叠加、砂体间多切割接触(图 2-a中顺水流方向CD横截剖面)。

图 2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 2 坡度较陡时河控三角洲不同演化阶段砂体特征 a— 三角洲发育早期三角洲特征及砂体分布特征; b— 三角洲发育晚期三角洲特征及砂体特征; c— 湖岸线迁移时砂体特征; d— 三角洲演化过程中砂体剖面变化特征(①②③表示不同的时间段)Fig.2 Characteristics of river-dominated delta sand body at steep slope in different evolution stages

随着三角洲的不断沉积, 三角洲朵体发生了迁移, 由于可容空间较大, 三角洲侧向摆动幅度较小, 分流河道朵体小幅度钟摆型迁移, 砂体在湖岸线附近及其前端厚层分布, 连续性好(图 2-b中CD剖面, ①②③代表不同期次三角洲朵体砂体)。如现代的贝加尔湖(Lake Baikal)为坡度较陡的现代断陷湖盆, 最深处达1637m, 平均水深730m(百度资料), 是世界第一深湖。湖泊东南最大的色楞格河三角洲是典型的陡坡型三角洲, 朵状, 可划分为5期三角洲, 各期三角洲侧向摆动迁移幅度小, 砂体范围局限, 连续性强, 厚度大。

湖水升降时, 岸线迁移幅度相对较小, 砂体垂向、侧向连续性强, 如图 2-c中早期(①)砂体与晚期砂体(②)平面上重叠部分较多, 剖面上连续性强(AB剖面)。

三角洲演化过程中砂体剖面上具有一定的变化, 以常见的湖退型三角洲为例, 随着三角洲向盆地中心方向推进, 砂体也逐渐向盆地方向延展, 粒度变细; 砂体具有两端薄中间厚特征, 即顶积层、底积层薄, 前积层厚度大, 三层结构明显; 单期砂体一般也具有这种特征(图 2-d)。

供屑能力弱时, 砂体规律基本相同, 但厚度及规模较小。

1.2.2 坡度较缓情况下砂体分布特征

当沉积底型坡度较缓、物源供屑充足、岸线相对稳定时, 则形成了岸线迁移幅度大频率高的缓坡(浅水)型三角洲, 三角洲分流河道发育, 三层结构不明显(图 3-a中AB剖面), 三角洲河道向沉积中心推进能力强。鄂尔多斯盆地延长组三角洲多有此特点, 以长8最为典型(李士祥等, 2013; 李树同等, 2013)。

图 3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 3 坡度较缓时河控三角洲不同演化阶段砂体特征 a— 三角洲演化早期砂体特征; b— 三角洲演化晚期砂体特征; c— 三角洲演化过程中砂体剖面变化特征(①、②、③表示不同的时间段); d— 湖岸线迁移时砂体特征(图a、b和d中的符号①表示不同时期湖岸线的位置)Fig.3 Characteristics of sand bodies of river-dominated delta at a gentle slope in different evolution stages

随着砂体的沉积, 可容空间快速减少, 导致河道侧向决口分枝频繁, 三角洲形态演变为钝角三角形(图 3-b), 形成了砂体沿湖岸线大面积分布特征, 这就解释了浅水三角洲砂体通常具有大面积分布的原因。

三角洲演化过程中砂体剖面上也具有一定的变化, 由于坡度缓, 砂体三层结构非常不明显, 总体表现为砂体延伸远、厚度稳定的特征, 仍具有两端薄中间厚规律, 但与陡坡差异明显(图 2-d); 单期砂体一般也具有该特征(图 3-c)。

湖水升降时, 湖岸线大幅度迁移时, 砂体顺物源方向条带状展布, 沿湖岸线坨状分布, 砂体间分布距离远、连续性较差(图 3-d), 即湖岸线控砂(李元昊等, 2009)。

非洲马里的代博湖三角洲中湖岸线控砂较为典型, 该湖目前处于萎缩消亡阶段。从卫星照片(图4)可以明显识别出3期三角洲, 表明湖岸线位置进行了3次大幅度迁移, 代表了3次大规模的湖退。

图 4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 4 可以识别出3期三角洲的马里代博湖三角洲(图片来自Google Earth)Fig.4 Three phase delta can be identified in the Debo lake delta(picture from Google Earth)

若湖盆地质演化阶段不明显, 稳定湖退或湖进, 则湖岸线摆动幅度小, 形成了多个三角洲朵体复合连片沉积格局。砂体平面连片性特征更显著, 常形成满盆含砂分布特征。

物源供屑能力弱时, 砂体规律基本相同, 但规模较小, 连续性、连片性差。由于供屑能力及河流水动力较弱, 早期砂体多被湖浪搬运形成较发育的滩坝等砂体。

随着沉积物的堆积, 底型坡度逐渐变缓, 坡度较陡的三角洲最终向缓坡浅水型三角洲演变。多幕次的构造活动形成了盆地多个不同规模、不同特征的沉积旋回, 垂向上形成了不同特征的三角洲砂体相互叠置组合。

在坡度不变与湖岸线位置相对稳定时, 物源供屑能力控制了河控三角洲砂体的形态和规模。三角洲沉积物量的多少主要受河流从母岩区携带的沉积物多少控制, 体现在2个方面:一是母岩易风化, 如母岩区构造活跃, 母岩岩性较松散等; 二是河流流量大且稳定, 受气候影响明显。总之, 三角洲区卸载沉积量的多少是综合因素控制的, 但主要受蚀源区风化程度及河流搬运能力的制约。

当河流水动力强含沙量高时, 三角洲呈朵状及鸟足状, 砂体厚度大, 延伸远, 连续性好, 以分流河道和河口坝砂体为主。分流河道弯度小, 这种类型的三角洲是最为常见的三角洲类型(图 5-a), 如黄河三角洲(图6-a)、密西西比河三角洲等。

图 5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 5 相同坡度岸线相对稳定条件下物源供给量不同时砂体特征 a— 物源供应较充分时砂体特征; b— 物源供应欠充分时砂体特征; c— 物源供应较少时砂体特征Fig.5 Characteristics of sand bodies with different sources of supply under the same slope and relatively stable coastline conditions

当河流水动力中等含沙量欠充足时, 三角洲多呈鸟足状, 朵体之间连续性相对较差, 砂体规模中等, 横向连续性较差(图 5-b), 以分流河道砂体为主, 少量河口坝砂体, 分流河道具有低弯度曲流特征, 如阿塞拜疆Mingacevir水库北部三角洲(图 6-b), 随着演化后期会有多个分支河道。

图 6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 6 不同物源供给量三角洲及砂体特征(图片来自Google Earth) a— 具有充沛物源的黄河三角洲; b— 较充分物源的阿塞拜疆Mingacevir水库三角洲; c— 贫物源的刚果基萨莱湖东部三角洲Fig.6 Characteristics of delta and sand bodies in different source supply(pictures from Google Earth)

当河流水动力较弱含沙量较少时, 三角洲多呈鸟足状, 朵体之间连续性相对较差, 砂体厚度薄、宽度小, 横向连续性较差(图 5-c), 以分流河道砂为主, 分流河道具有高弯度曲流特征, 如刚果基萨莱湖东部三角洲(图 6-c)。

1)构造稳定时期河控三角洲三因素控砂是否具有普遍性规律?

该文的目的也是想试图总结出一些普遍性的地质规律, 这也是一次尝试和探索。根据较多的盆地资料及现代实例和笔者较长时间的思考, 笔者认为在构造相对稳定时期河控三角洲砂体分布还是有一定规律的。物源、坡度、湖(海)岸线位置3个条件能够把河控三角洲砂体的规模、形态、分布位置等表述清楚。某一因素变化时, 相应的砂体特征也发生了变化, 能够较合理地解释古代三角洲砂体的特征并分析其形成的主控地质因素。

2)什么控制了沉积底型坡度?坡度是根本性控制因素还只是结果?

无论是断陷或拗陷湖盆甚至浅海环境, 构造活动都是形成沉积物初始底型坡度的最主要因素, 后期沉积压实等也是改变底型坡度的因素之一, 但程度相对较弱。一次构造活动后其形成的沉积底型坡度是相对稳定的, 但不同类型盆地或同一盆地不同位置形成的坡度应是不同的, 特别是不对称型盆地更为显著, 盆内发育的河控三角洲砂体分布和沉积特征也是不同的。在其他条件不变的情况下, 较陡和较缓的坡度区其沉积的三角洲砂体特征明显不同, 这也是为什么说坡度是控制砂体特征的因素之一的主要依据。

3)坡度和湖岸线是不是控制因素?

对一个具体三角洲砂体而言确实是一些先前条件, 但对不同条件下形成的不同类型砂体而言就是控制因素。如其他条件相同时, 显而易见, 陡坡砂体厚度大, 缓坡厚度较小, 坡度影响砂体宽厚比, 如断陷盆地的陡坡带与缓坡带三角洲砂体特征差异显著等就较为典型。在湖水升降时, 湖岸线位置是河流入湖后水动力快速降低处, 也是沉积砂体卸载量最多处, 湖岸线位置变化了, 沉积砂体的位置也随之迁移, 缓坡条件下更为显著。

需要说明的是, 为方便探讨, 在讨论某一种模式时其他条件假设是相对稳定不变的, 否则太复杂, 不便总结归纳。实际上, 在沉积过程中各种地质因素都不会一成不变, 常常是强弱相互转化相互影响, 但往往以某一两种地质因素变化起主导作用。

在构造稳定的背景下, 上述河控三角洲三元控砂模式在完整的演化过程中不是固定不变的, 只是理想模式, 实际中有较多过渡状态的砂体分布模式, 同时3个控制因素也是变化的、相互影响的。一是随着湖盆演化, 沉积底型坡度是变化的。一般来说, 在三角洲发育早期, 沉积底型坡度较陡, 湖水较深湖面较广, 沉积物供应尚不充分。随着沉积物充填, 湖盆范围缩小, 早期沉积物使底型坡度变缓, 三角洲进积加强, 砂体发育。晚期, 随着湖盆沉积充填, 湖盆变浅, 岸线向湖中心迁移, 底型进一步变缓, 三角洲逐渐演变为浅水型三角洲。二是受气候、湖水升降等因素控制湖岸线位置是变化的。如洪水期、枯水期导致湖平面升降, 季节性高频升降还是长时期低频升降对砂体的影响也有差异, 实际砂体分布更为复杂, 没有模式那么理想, 模式仅供参考。三是受母岩性质、气候、搬运动力等多种因素控制, 沉积物源也是变化的。物源的变化影响了沉积物规模、底型坡度变化及岸线迁移, 一般三角洲演化中期物源供应最多, 早晚期较少。表现为垂向上砂体通常最下部的早期砂体较薄、横向范围小; 中间砂体最为发育, 厚度大、范围广、横向连续性好; 上部砂体规模又进一步变小, 厚度薄、范围广、横向连续性差。

物源及坡度不仅控制了三角洲形态及砂体展布, 也控制了三角洲向沉积中心推进方式, 进而控制了砂体分布, 特别是砂体横向连续性。根据现代河控三角洲向沉积中心推进特征, 可以总结为4种三角洲发育推进模式:钟摆型, 整体推进型, 朵状摆动型, 枝状突进型。他们在物源供给程度、坡度等方面存在明显差异。

2.3.1 钟摆型推进模式

该类型发育在坡度陡、近物源且供屑充足、水流动力强的环境中, 与扇三角洲形成条件相似。三角洲形成以后, 河流携带大量碎屑物质在三角洲前段卸载。随着堆积的进行, 河道和河口处底型逐渐抬高变缓, 稳定性降低, 河道开始向两侧较低处改道, 新一期沉积开始, 周而复始, 形成了扇形河控三角洲(图 7-a)。此类型三角洲现今多发育在较干旱环境的高山湖盆三角洲环境中, 砂体厚度大、粒度粗、连片性好, 单砂体间侵蚀面发育。如蒙古国Uureg湖西的三角洲, 从卫星照片(图8)可以看出, 该三角洲发育有2个阶段, 存在2个明显的湖岸线, 每个阶段河流多次从分岔处似钟摆状沉积迁移。

图 7

Fig.7

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 7 河控三角洲发育推进模式 a— 钟摆型; b— 整体推进型; c— 朵状摆动型; d— 枝状突进型; ①、②和③表示不同时间段Fig.7 Development and propulsion models of river-dominated delta

图 8

Fig.8

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 8 河控三角洲推进现代实例蒙古Uureg湖三角洲 (图片来自Google Earth)Fig.8 Modern example of river-dominated delta propulsion-Monglia Unrge Lake delta(from Google Earth)

2.3.2 整体推进型发育模式

该类型主要发育在坡度缓、物源供屑较充足、水流动力较强的环境中。三角洲入水以后, 向四周同时形成多个分流河道, 河道间水动力较弱处砂体沉积形成河口坝。随着堆积的进行, 底型逐渐抬高变缓, 河口坝出露并限制了河道, 三角洲前端持续向前整体推进, 三角洲规模逐渐变大, 形成了扇形河控三角洲, 扇型顶角一般为钝角(图 7-b)。随着进一步发展, 河道推进方向以前方为主、侧向为辅, 三角洲形状逐渐演化为棕榈叶形状。现代典型的例子如美国Wax和Archafalaya三角洲(图 9), 虽然其形成只有几十年, 明显具有整体推进发育特征。

图 9

Fig.9

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 9 美国Wax和Archafalaya三角洲演化过程(资料引自NASA网)Fig.9 Evolution of America Wax and Archafalaya deltas(data from NASA)

2.3.3 朵状摆动型发育模式

该类型主要发育在坡度缓、物源供屑充足、水流动力强的环境中。三角洲入水以后, 由于沉积迅速, 河口坝分流河道砂体发育。随着水道堆积的进行, 底型逐渐抬高变缓, 虽然河道两侧堤岸发育并限制了河道, 但在洪水期较低处容易决口改道, 进而形成新的河道朵体, 如此反复形成了三角洲(图 7-c)。如黄河三角洲(图10), 最近几十年其演化具有此特征。1995年, 三角洲朵体河流入水方向为南东向; 1999年决口形成新的朵叶体, 入水口北东向; 到2004年该朵体入水口因新朵体的升高改为南东东向; 2009年该朵体废弃, 入水口方向又为北东向; 现今又向东流入海(图10)。

图 10

Fig.10

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图 10 黄河三角洲近年来演化过程(资料引自NASA网)Fig.10 Evolution of Huanghe river delta(data from NASA)

2.3.4 枝状突进型发育模式

该类型主要发育在坡度较缓、物源供屑欠充足、水流动力较弱的环境中。三角洲入水以后, 由于水动力较弱, 沉积堆积速度缓慢, 出露水面部分砂体植被发育, 河道稳定性进一步加强, 决口改道能力较弱, 往往只发育几条树枝状的较稳定的河道向湖心方向延伸(图 7-d)。该类型三角洲砂体不甚发育, 侧向连续性较差。现代沉积的河控三角洲中发育比例不高, 典型的如前文中阿塞拜疆Mingacevir水库北部的三角洲等(图 6-b)。

陆相湖盆是中国含油气盆地的主要类型之一, 主要有断陷和拗陷湖盆2种类型, 由于形成的地质背景差异导致了2种湖盆河控三角洲沉积特征差异显著, 陡坡带与缓坡带有别(表 1)。总体上拗陷湖盆具有盆地范围大、构造活动较弱、底型坡度小、源远流长、沉积物规模大、粒度细及分选好等特征。断陷湖盆具有盆地范围小、构造活动幕次多、次级凹陷多、底型坡度大、近源沉积、沉积物规模较大、粒度粗及分选较差等特征; 断陷湖盆演化后期, 构造活动弱, 通常具有小型拗陷湖盆沉积特征。

表 1

Table1

表 1(Table1)

表 1 构造稳定时期拗陷湖盆与断陷湖盆河控三角洲特征对比 Table1 Characteristics of river-dominated delta in depression lake basin and faulted lake basin during tectonic stability period 类别 拗陷湖盆 断陷湖盆 陡坡带 缓坡带 陡坡带 缓坡带 地质背景 盆地规模大, 构造活动较少, 坡度缓 盆地规模小, 构造活动幕次多, 坡度陡 三角洲特征 辫状河三角洲, 规模较大, 数量较少 曲流河三角洲, 规模大, 数量少 扇三角洲, 规模小, 数量多 辫状河三角洲, 规模大, 数量较少 主要岩性特征 中细粒砂岩, 分析较好, 磨圆中等 细砂岩为主, 分选磨圆好 砾岩、含砾粗砂岩为主, 分选磨圆差 中粗砂岩, 分选磨圆中等 湖岸线迁移幅度 幅度较大 幅度很大 幅度小 幅度较大 物源供应程度 较充足 较充足 充足 充足 砂体特征 厚度较大, 范围较广, 连片性好 厚度中等, 范围广, 连片性好 厚度大, 范围小, 连片性较好 厚度较大, 范围广, 连片性较好

表 1 构造稳定时期拗陷湖盆与断陷湖盆河控三角洲特征对比 Table1 Characteristics of river-dominated delta in depression lake basin and faulted lake basin during tectonic stability period