通过对露头的岩性、颜色和沉积构造等特征进行详细观察, 共划分出浅水三角洲前缘和浅水三角洲平原2个亚相类型(图2)。

图 2

Fig.2

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	图 2 鄂尔多斯盆地子洲地区大理河剖面浅水三角洲沉积综合柱状图Fig.2 Comprehensive sedimentary column of shallow-water delta in Dalihe section in Zizhou area, Ordos Basin

3.1.1 浅水三角洲前缘亚相

1)河口坝。剖面底部发育河口坝。河口坝是由于分流河道入湖后水流分散, 水流流速突然降低, 造成大量粗粒沉积物在河口处沉积下来形成的。岩性以灰色、深灰色粉砂岩为主, 分选、磨圆较好, 出露地表的厚度将近2 m。河口坝整体表现出底平顶凸的形态, 厚度呈现向两侧减小的趋势, 坝主体位置厚度大, 泥质含量很低, 无泥质夹层; 河口坝边部泥质薄夹层比较发育。垂向上表现为3期上粗下细的反韵律(图 3-A), 内部可见平行层理和交错层理, 交错层理多发育于顶部(图 3-B), 平行层理多发育于河口坝中下部(图 3-C)。河口坝顶部被水下分流河道部分侵蚀, 发育冲刷面。

图 3

Fig.3

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	图 3 鄂尔多斯盆地子洲地区大理河剖面浅水三角洲前缘亚相沉积构造 A— 河口坝下细上粗反韵律; B— 河口坝顶部的交错层理; C— 河口坝中下部平行层理; D— 水下分流河道中的大型槽状交错层理; E— 末端水下分流河道发育波状交错层理, 且向上规模减小; F— 席状砂中的波状层理; G— 灰绿色泥岩中的水平层理; H— 灰色粉砂质泥岩中的浪成沙纹层理; I— 灰绿色泥岩中的块状层理Fig.3 Sedimentary structures of shallow-water delta front subfacies of Dalihe section in Zizhou area, Ordos Basin

2)水下分流河道。位于河口坝之上, 根据岩性、沉积构造和沉积韵律等的变化, 可见多期河道相互叠置的间断正韵律, 从下至上依次发育6期河道。岩性以灰色砂岩为主, 单层河道砂体中间厚两边薄, 呈顶平底凸形态。砂体内部发育槽状交错层理(图 3-D)、板状交错层理和波状交错层理(图 3-E)等沉积构造。单期河道厚度向上变小, 层理规模向上变小, 反映水动力向上减弱, 第5期和第6期水下分流河道厚度明显减小, 且其下层水下分流河道顶部的泥层有部分保留, 表明其侵蚀能力相对减弱, 据此判断第5期和第6期河道为水下分流河道的末端部分。

3)席状砂。位于水下分流河道之上, 见2期席状砂, 之间夹有1层薄层泥层。席状砂是三角洲前缘早期形成的河口坝和水下分流河道等沉积物经湖浪作用破坏改造形成的沉积物, 一般发育在被改造砂体的远端及侧方。研究区观察到的2层砂体沉积物颗粒大小均匀, 从上到下无明显的韵律变化。岩性以灰色粉砂岩和泥质粉砂岩为主, 砂质纯净, 分选好, 砂体内发育波状层理(图 3-F), 砂体顶底面平直, 横向延伸将近百米, 单层砂体厚度30~40 cm。席状砂与远砂坝砂体在沉积特征方面有明显区别, 远砂坝具有坝体典型的下细上粗反韵律结构和底平顶凸的形态特征, 据露头观察可以排除远砂坝的可能性。

4)水下分流间湾。位于席状砂之上, 沉积物以灰绿色泥岩和粉砂质泥岩为主, 层面可见碳屑及植物碎片, 发育水平层理(图 3-G)、浪成沙纹层理(图 3-H)及块状层理(图 3-I)。水下分流间湾河流作用弱, 若以波浪作用为主会形成浪成沙纹层理砂岩, 若处于静水环境则沉积发育水平层理或块状层理的灰绿色泥岩。

3.1.2 浅水三角洲平原亚相

1)分流河道。剖面见3期分流河道砂体叠置, 岩性为红色细砂岩, 砂质纯净, 分选好, 底面具冲刷面, 发育板状交错层理、楔状交错层理及波状交错层理(图 4-A), 层理规模向上变小。

图 4

Fig.4

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	图 4 鄂尔多斯盆地子洲地区大理河剖面浅水三角洲平原亚相沉积构造 A— 分流河道的冲刷面及波状交错层理; B— 天然堤中的垂直虫孔; C— 天然堤中的分叉植物茎; D— 煤线; E— 煤线下见直立炭化植物茎; F— 杂色泥岩Fig.4 Sedimentary structures of shallow-water delta plain subfacies of Dalihe section in Zizhou area, Ordos Basin

2)天然堤。由洪水期携带泥砂的洪水漫出河道淤积而成, 以粉砂岩和泥质粉砂岩为主。由于天然堤大多数时候暴露出水面, 且泥质和有机质丰富, 适合动植物在这里生长活动, 所以垂直虫孔(图 4-B)及炭化植物茎(图 4-C)很发育。

3)河漫沼泽。位于分流河道之间的低洼地区, 植物繁茂, 植物类型多为草本植物, 在长期被水淹没的还原环境中易形成暗色有机质泥岩、泥炭等, 煤线(图 4-D)及炭化植物茎(图 4-E)是典型标志, 还常含碳屑、植屑及菱铁矿等。

4)泛滥平原。位于分流河道之间的浅水环境, 水体安静、水动力弱, 沉积物以泥岩为主, 浅水氧化环境使泥质沉积物的颜色偏红, 但由于季节变化导致水面升降, 使红色泥岩中夹薄层灰色泥岩(图 3-F)。

大理河剖面沉积相的垂向叠置关系具有规律性。剖面整体分浅水三角洲前缘和浅水三角洲平原2个沉积亚相。下部是浅水三角洲前缘亚相, 上部是浅水三角洲平原亚相, 整个剖面水体是先变深后变浅的过程。浅水三角洲前缘内部由下至上依次发育河口坝— 水下分流河道— 席状砂— 水下分流间湾(图 2), 形成环境由靠近河口逐渐向湖中心迁移, 反映湖侵的过程, 三角洲不断退积。水下分流间湾沉积之上为三角洲平原沉积, 其特点是植物碎屑明显增多, 有明显氧化暴露的痕迹, 还可见煤线和杂色泥岩, 均指示为三角洲平原沉积环境。该剖面地层沉积特点与早期接受湖盆扩张形成浅湖— 浅水三角洲前缘沉积、后期基底小幅抬升形成浅水三角洲平原沉积的特点一致。

从沉积相组合上看, 研究区从下往上河口坝— 水下分流河道— 席状砂的多元沉积相组合样式, 为湖侵退积的砂体组合形式(图 5)。垂直物源方向河口坝宽度105 m, 砂体最厚处为1.7 m, 宽厚比为62。河口坝内部可细分为3期砂体, 厚度向上减小, 从下到上厚度分别为75 cm、53 cm和42 cm, 砂体之间界线不是很明显, 粒度变化是递变的, 每期砂体内部均为下细上粗的反韵律。泥质相比于砂质易风化, 所以河口坝内部可见2层砂层之间泥质被风化剥蚀形成的缝隙, 裂缝沿水平方向延伸, 裂缝之间近乎平行。由于河口坝沉积的特点为反韵律, 所以泥质条纹或上述泥质缝隙集中发育在3期河口坝底部, 上部几乎不含泥, 为均一的块状粉砂岩(图 3-A)。露头观察可见3期砂体之间缝隙的厚度存在向上变大的趋势, 反映泥质含量向上相对增加, 这一现象指示可容纳空间变大。通过观察层理的切割关系以及河口坝厚度的变化可以确定水下分流河道对河口坝顶部有侵蚀作用。

图 5

Fig.5

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	图 5 鄂尔多斯盆地子洲地区大理河剖面沉积相特征Fig.5 Sedimentary facies of Dalihe section in Zizhou area, Ordos Basin

河口坝上部的6期水下分流河道, 从下至上厚度依次为0.44 m、1 m、1.16 m、1.32 m、0.44 m和0.23 m, 第1期厚度与第2— 4期相差悬殊, 是由于第2期河道的侵蚀作用导致的。总体说来第1— 4期为水下分流河道主河道部分, 第5期和第6期为水下分流河道末端河道部分。第1— 4期河道内部发育中型的槽状交错层理, 第1期与第2期、第2期与第3期河道之间无泥质沉积, 从第3期往上河道顶部保留部分泥质沉积物, 河道厚度向上增加, 指示水流的侵蚀作用在逐渐减弱。

与下部4期河道相比, 第5期和第6期河道厚度急剧减小, 发育小型波状层理, 河道顶部保存部分泥质沉积, 是水下分流河道末端河道的特征。鄂尔多斯盆地东北缓坡带坡度一般为0.5° ~0.6° (李慧琼等, 2014), 水面升降1 m, 水平方向岸线位置变化114 m。正是由于盆地地形平缓, 才会出现末端分流河道与主干河道厚度相差如此悬殊的情况。

通过野外露头观察, 大理河剖面的河口坝是在可容纳空间变大的沉积环境中形成的。

1)垂向沉积相序列。根据瓦尔特相律, 横向上相邻的相, 垂向上才可能相互叠覆。可容纳空间变化必然导致沉积相的变化, 随之在垂向上形成不同的砂体叠置关系。就三角洲前缘而言, 可容纳空间变大时, 从下至上依次为水下分流河道— 河口坝— 远砂坝— 水下分流河道— 席状砂; 而可容纳空间变小时, 沉积微相从下至上的叠置关系正好相反。需要注意的是, 观察相序变化要看整体的多个连续的沉积相, 不能仅关注2个微相之间的组合关系, 因为相邻的沉积相之间本就相互伴生, 小范围观察很容易造成误判。比如, 河口坝与水下分流河道常伴生出现, 所以多期河道叠置时很可能在某一河口坝的上下皆为水下分流河道砂体, 如果只从中截取一部分作为依据判断可容纳空间的变化趋势得到的结果可能大相径庭。研究区从下往上发育河口坝— 水下分流河道主河道— 水下分流河道末端河道— 席状砂的三角洲前缘沉积序列, 从下到上砂体发育的位置越来越远离湖岸, 这是典型的湖侵退积时形成的垂向沉积微相组合, 反映可容纳空间变大的趋势。

2)泥层厚度。浅水三角洲沉积中, 泥质一般沉积在水体深度相对较大的低能环境中, 所以可以用泥层的厚度指示可容纳空间的变化。当泥层厚度向上增加时可指示可容纳空间变大的趋势; 相反, 如果向上泥层厚度减小, 或者没有泥层只有砂层, 说明水动力增强, 反映可容纳空间在减小。研究区内河口坝内部存在3期韵律变化, 3期韵律层之间泥层厚度呈现向上变大的趋势。多期水下分流河道之间也存在泥层从下到上从无到有的现象, 这些均指示可容纳空间在变大。

3)水下分流河道多期河道的演变规律。厚度上, 6期水下分流河道砂体存在明显的向上减薄的特点, 第5期和第6期水道厚度与前期水下分流河道厚度相差悬殊, 是水下分流河道退积从水下分流河道主河道演变为末端河道的结果, 说明湖盆当时在扩张, 可容纳空间在变大, 是湖侵退积过程; 从侵蚀作用来看, 下部3期水下分流河道之间存在侵蚀作用, 尤其以第2期对第1期的侵蚀作用明显, 砂体之间不发育泥质沉积层, 反映下部3期河流具强水动力; 而上部3期水下分流河道之间发育泥层, 泥质沉积物是沉积间断时形成的, 反映各期水道之间侵蚀作用微弱; 从层理构造规模上看, 下部3期可见中型槽状交错层理, 再向上砂体内发育小型波状交错层理。这一系列特征指示了可容空间变大的趋势。

范璎宁等(2017)认为地形坡度较缓、物源供给适中或不充分、水动力条件较弱和湖平面上升等因素控制着浅水三角洲河口坝的发育程度。朱筱敏等(2013a)也提到湖平面上升时期, 浅水三角洲前缘可以发育河口坝。浅水三角洲湖平面上升确实是河口坝保存的有利条件, 然而赵俊峰等(2014)在对裴庄剖面进行研究时发现水体变浅的情况下同样可以形成河口坝。基于这样的事实, 湖平面的升降虽然控制着沉积体内部的沉积特征, 但其并不是控制河口坝是否发育的主要因素。

其实湖平面升降以及发育位置反映的是可容纳空间(A)和沉积物供给之间相互作用的结果。二者作用的外在表现可以是水深增减和沉积位置等的不同。要使沉积物堆积下来, 必须存在可供沉积物堆积的空间, 这个空间就是可容纳空间。可容纳空间是伴随基准面存在的, 可容纳空间的增减由基准面升降和基底构造沉降控制。基准面是一个相对于地球表面波状起伏的、连续的、总体上略向海盆方向下倾的、位置和运动方向及升降幅度不断随时间而变化的抽象曲面, 其上发生侵蚀, 其下发生沉积(Cross, 1994), 基准面与湖平面不完全一致。当基准面位于地表以上时, 可容纳空间出现, 地表将发生沉积作用; 当基准面位于地表之下时, 可容纳空间消失, 地表将发生侵蚀作用; 当基准面与某处地表相重合时, 地表既不发生沉积作用也不发生侵蚀作用, 而是发生由沉积物过路产生的非沉积作用; 当基准面位于地表以上且沉积物供给严重不足时, 将产生饥饿性沉积或非沉积作用。另外, 可容纳空间的增量(Δ A)与沉积物供给值(Δ S)的比值(Δ A/Δ S)决定了沉积物的堆积速度、保存程度、叠加样式及内部结构。

由于基准面的运动是普遍存在和持续进行着的, 它并不依赖哪一种特定的环境, 因而基准面和可容纳空间变化所造成的地层记录也就更具有广泛性, 所以将可容纳空间作为河口坝发育的一个控制因素更具有普遍意义。此外, 沉积物供给作为河口坝形成的物质基础, 对于河口坝的发育也起到重要的控制作用。所以可容空间和沉积物供给是浅水三角洲河口坝发育的主控因素。

通过对子洲地区大理河剖面河口坝成因的分析, 结合前人研究成果, 将河口坝的发育总结为以下3种情况。

1)可容纳空间变大时, 河口坝的发育情况由沉积物供给量决定。如果有一定量的沉积物供给, 即A> 0, 且Δ A/Δ S> 1, 河口坝可以发育, 如果没有沉积物供给或沉积物供给停止都将限制河口坝的发育。研究区观察到的河口坝就属于可容纳空间不断变大且有沉积物供给的情况。大理河剖面发育典型的退积型三角洲前缘相组合样式(图 6-A), 由于研究区当时处于湖盆扩张期, 湖平面不断升高, 给河口坝的发育提供了充足的可容纳空间, 加上有一定量的沉积物供给, 满足河口坝发育的条件, 所以发育河口坝。

图 6

Fig.6

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	图 6 浅水三角洲河口坝发育模式 A— 可容纳空间变大的情况(以鄂尔多斯盆地大理河剖面为例); B— 可容纳空间变小的情况(以鄂尔多斯盆地裴庄剖面为例; 据赵俊峰等, 2014, 有修改)Fig.6 Development model of mouth bars in shallow-water delta

2)可容纳空间变小时, 河口坝的发育情况由可容空间决定。当存在剩余可容纳空间时, 即A> 0, 且Δ A/Δ S< 1, 河口坝可以发育, 当剩余可容纳空间消失时河口坝停止发育。鄂尔多斯盆地裴庄剖面发育的河口坝属于在沉积物持续供给情况下存在剩余空间的情况。裴庄剖面发育一套典型的水体逐渐变浅的三角洲沉积序列, 从下到上依次沉积席状砂、河口坝、水下分流间湾和水下分流河道, 表现为湖退进积过程(图 6-B; 赵俊峰等, 2014)。发育河口坝说明当时具有可容纳空间和沉积物供给, 水体逐渐变浅并不影响在剩余的可容纳空间里形成河口坝, 所以河口坝发育。后期河口坝会因为没有剩余可容纳空间而停止发育, 甚至发生侵蚀破坏。

3)没有可容纳空间, 即A< 0, 这种情况不会发育河口坝。