白立科, 邱隆伟, 杨勇强, 杜双虎, 杨保良, 韩晓彤. (2020)山东峡山湖东岸现代滩坝沉积模式及控制因素* [J]. 古地理学报, 22(2): 278-294
Bai Li-Ke, Qiu Long-Wei, Yang Yong-Qiang, Du Shuang-Hu, Yang Bao-Liang, Han Xiao-Tong. (2020)Sedimentary model and controlling factors of modern beach-bar sediments in east coast of Xiashan Lake in Shandong Province[J]. Journal Of Palaeogeography, 22(2): 278-294.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2020.06.062
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山东峡山湖东岸现代滩坝沉积模式及控制因素*
白立科1, 邱隆伟1,2,3, 杨勇强1,2,3, 杜双虎1, 杨保良1, 韩晓彤1
1 中国石油大学(华东)地球科学与技术学院,山东青岛 266580
2 深层油气重点实验室,山东青岛 266580
3 海洋试点国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东青岛 266237
通讯作者简介 邱隆伟,男,1967年生,中国石油大学(华东)教授、博士生导师,主要从事矿物岩石学、沉积学及储层地质学研究。E-mail: qiulwsd@163.com。

第一作者简介 白立科,男,1994年生,中国石油大学(华东)硕士研究生,研究方向为沉积学及储层地质学。E-mail: b495093084@163.com。

收稿日期:2019-06-25
基金资助:*国家科技重大专项(编号: 2017ZX05009-002,2017ZX05072-002)、国家自然科学基金项目(编号: 41972099)联合资助
摘要

滩坝作为发育于滨岸带非常重要的沉积储集层类型之一,已成为隐蔽油气藏勘探的目标。为进一步明确峡山湖东岸滨浅湖滩坝沉积模式,以现代沉积考察为基础,结合探地雷达技术和粒度分析资料,对东岸研究区滩坝砂体的沉积特征以及控制因素进行详细分析。结果表明: 峡山湖东岸主要发育风成沙丘及滩坝 2种沉积体系。早期风成沉积物以发育连续性好的大型板状交错层理细砂为主,分选较好,粒度概率曲线以两段式为特征;滩坝沉积物以发育连续性差的板状交错层理、平行层理中砂为主,主要为反粒序或者复合粒序,具冲刷构造,岩性较混杂并以砂泥薄互层为特征,发育大量植物根系,粒度概率曲线以三段式为主,跳跃组分分为 2段,分选较好。探地雷达资料表明研究区下部主要以厚层层状反射结构砂体为主,与风成沙丘沉积反射特征较为一致,环境敏感粒度组分对滩坝沉积较强的水动力作用有较好的指示。总体上,风力作用控制了风成砂体的沉积发育并且改变了古地貌条件,风浪作用冲刷改造了早期砂体,为滩坝的发育提供了物源,控制了滩坝发育的规模和地理位置,可概括为“风运—湖改”滩坝沉积模式,可为滩坝体系的识别和有利储集层预测提供指导。

关键词: 峡山湖; 滩坝; 风成沙丘; 沉积模式; 控制因素
中图分类号:P512.32 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2020)02-0278-17
Sedimentary model and controlling factors of modern beach-bar sediments in east coast of Xiashan Lake in Shandong Province
Bai Li-Ke1, Qiu Long-Wei1,2,3, Yang Yong-Qiang1,2,3, Du Shuang-Hu1, Yang Bao-Liang1, Han Xiao-Tong1
1 School of Geosciences,China University of Petroleum(East China),Shandong Qingdao 266580,China
2 Key Laboratory of Deep Oil and Gas,Shandong Qingdao 266580,China
3 Laboratory for Marine Mineral Resources,Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology,Shandong Qingdao 266237,China
About the corresponding author Qiu Long-Wei,born in 1967,is a professor and Ph.D. supervisor in School of Geosciences,China University of Petroleum(East China). He is mainly engaged in mineralogy and petrology,sedimentology and reservoir geology. E-mail: qiulwsd@163.com.

About the first author Bai Li-Ke,born in 1994,is a master degree candidate in School of Geosciences,China University of Petroleum(East China). He is mainly engaged in researches on sedimentology and reservoir geology. E-mail: b495093084@163.com.

Fund:Co-funded by the National Science and Technology Major Project(No.2017ZX05009-002,2017ZX05072-002)and the National Natural Science Foundation of China(No.41972099)
Abstract

Beach-bars, one of the important hydrocarbon reservoirs formed in the coastal zone,become the exploration target in terms of subtle reservoirs. In order to figure out the sedimentary model of beach bars deposited in the east coast of Xiashan Lake,a detailed study on sedimentary characteristics and controlling factors of beach-bars was carried out by using ground penetrating radar (GPR) and grain size analysis. The results show that,the east coast of Xiashan Lake has developed two types of sedimentary systems including beach bars and eolian dunes. The eolian sediments in the early stage are well-sorted fine-grained sandstones, which are characterized by large tabular cross-bedding and two-segment pattern on grain size cumulative frequency plot. The beach bars sediments are reverse graded medium-grained sandstone and feature the low-continuity tabular cross-bedding. Plant roots,scouring structure,interbedding of sand and mud and three-segment pattern on on grain size cumulative frequency plot arethe typical characteristics of beach￣bar deposits. The saltation proportion is divided into two different parts indicating high energy hydrodynamic condition. Layered reflecting structures can be confirmed through GPR which implies the eolian sediments depositional pattern. The analyses of environmentally sensitive components of the grain size of eolian sediments suggest two different hydrodynamic environment. In conclusion,eolian sediments and the change of paleogeomorphy environment depend on wind action. The coastal erosion plays an important role in the early stage of the position and sand supply for beach bars. According to the sedimentary model as well as its formation mechanism,we propose a ‘wind transporting-wave modifying’ sedimentary system,which will be helpful for identification of beach bars and the prediction of favorable reservoir.

Key words: Xiashan Lake; beach-bar; eolian dune; sedimentary model; controlling factor
1 概述

“ 非主物源体系” 的浅水滩坝砂体已成为中国油气勘探的重要接替目标, 潜力巨大(姜在兴等, 2017)。滩坝作为一种发育于滨岸带重要的沉积砂体, 对于陆相湖盆滩坝沉积特征及沉积模式, 学者们已经做了大量研究(张宇, 2008; 韩元红等, 2016; 邓世彪等, 2017; 姜在兴等, 2017; 时瑞坤等, 2018; 王旭影和姜在兴, 2018)。对于滩坝沉积类型的分类研究, 朱筱敏等(1994)把陆相湖盆中滩坝划分为湖岸线拐弯处滩坝、水下古隆起滩坝、开阔浅湖滩坝和短轴三角洲侧缘滩坝; 陈世悦等(2000)分析了惠民凹陷西部古近系沙河街组砂质滩坝和生物碎屑滩坝的沉积特征及沉积模式; 操应长等(2009)根据滨浅湖地区地貌特征及水动力条件差异, 将滨浅湖滩坝沉积在空间上分为滩坝共生、有滩无坝及有坝无滩3种组合模式。对于滩坝发育的成因机制及控制因素, 越来越多的学者更加重视不同物源体系及沉积动力学对于滩坝沉积的影响。姜在兴等(2015)提出滩坝是“ 风(风浪)-源(物源)-盆(盆地演化)” 系统内综合作用下的产物并分析其耦合关系; 杨勇强等(2011)认为滩坝形成受到物源类型、物源供应强度及水动力等因素综合影响, 并建立了基岩— 滩坝、正常三角洲— 滩坝、扇三角洲— 滩坝以及碳酸盐岩滩坝4种沉积模式; 李国斌等(2008)则提出“ 气(气候)-源(物源)-盆(盆地)” 系统控制滩坝沉积, 波浪、物源和盆地的构造特点以及古地貌等因素联合控制滩坝的沉积作用; 田继军和姜在兴(2012)认为构造运动、物质供给以及沉积水动力对滩坝砂体空间分布有重要的控制作用。滩坝沉积模式研究多集中于陆相断陷湖盆沉积环境, 由于滩坝受三角洲物源体系影响较大, 其发育特征常有较强的继承性, 而对于现代开阔浅湖的近物源滩坝砂体成因研究相对较少。实际上, 开阔浅湖滩坝沉积更多受到古地貌及古物源的控制, 并受到沿岸流及波浪的改造, 先前沉积物受较短距离搬运改造再沉积, 其发育规模对于后期滩坝沉积具有重要影响。

图 1 山东峡山湖(a)及研究剖面(b)位置(据邱隆伟等, 2009; 商晓飞等, 2018; 有修改)Fig.1 Location of Xiashan Lake in Shandong Province(a), and the study sections(b)(modified from Qiu et al., 2009; Shang et al., 2018)

前人对峡山湖现代沉积滩砂以及坝砂的沉积特征和沉积演化进行了详细分析, 湖水位、湖浪作用以及风的改造分别成为坝砂及滩砂形成及演化的关键因素(邱隆伟等, 2009, 2010; 王升兰等, 2014)。但是对于该区域滩坝的纵向沉积特征解剖不够, 另外, 尽管也意识到了风成物质在研究区滩坝沉积中的存在, 但是对于其和滩坝之间的关系及形成过程等问题研究不足。笔者在野外实地考察的基础上, 以沉积学以及沉积水动力学为指导, 利用露头、探地雷达(GPR)和探槽等技术对典型滩坝沉积剖面进行精细分析, 并结合各目的层位粒度分析资料, 提取敏感粒度组分, 利用对数粒级提取法分析水动力条件变化及沉积环境的演化, 弄清峡山湖东岸滩坝砂体发育主控因素以及沉积模式, 以期为此类储集层的勘探开发提供较为可靠的参考。

2 研究区概况

峡山水库是潍河流域在山东半岛地区的一个大型水库, 也是山东省最大的水库。峡山水库是人为作用形成的潍河中下游低洼地和流水汇集区, 由坝和两岸的高地或围堤而形成。四季常受季风的影响, 在水面常形成波浪、水体大规模流动等现象, 其与湖泊相比, 可以说是现代的人工湖。峡山水库位于山东半岛东部潍坊市境内(图 1), 地理位置介于东经119° 21'~119° 31'、北纬36° 16'~36° 31'之间。水库南北长30 km, 东西宽15 km, 水库集水面积4210 km2(郭照河等, 2004; 郑岩和胡志强, 2016; 王杰, 2018)。水库位于潍坊市南部, 潍坊市近45年平均风速呈西北— 东南走向, 中部存在最大值, 风速大于3.4 m/s, 随地形深入大陆, 风速逐渐递减, 潍坊市南部出现风速最大值3.4 m/s(张秀珍等, 2008; 高晓梅等, 2009)。水库轮廓类似于喇叭型, 南部较窄, 北部较宽。坝体在北部, 潍河河水从南边入库。水库西边地势较陡, 东边地势较低。研究区位于峡山湖东部(图1-a)。每年春季和夏季枯水期湖水位下降幅度较大, 各个沉积体常暴露于水面之上(商晓飞等, 2018), 为野外实地研究提供了良好的条件。

3 滩坝沉积类型及分布

峡山湖东部研究区内沿湖岸线有不同类型的滩坝沉积发育, 结合姜在兴等(2015)、杨勇强等(2011)及田继军和姜在兴(2012)对滩坝沉积分类的研究, 根据研究区内滩坝的分布位置、距湖岸线的远近及成因特征将滩坝类型分为沿岸滩坝、近岸滩坝以及远岸滩坝, 本次研究的重点主要为位于研究区东北部的远岸滩坝区域(图1-b)。

湖泊东岸岸线平直处主要以沿岸滩坝沉积为主, 但砂体较薄, 分布相对较广, 主要以滩砂沉积为主, 广泛发育近似平行岸线的线状滩脊、钩镰状滩脊以及斜交岸线的鳍状滩脊(图 2-a至2-c), 受湖浪改造作用明显。随着湖水位不断下降, 早期形成的滩砂逐渐暴露于水面之上受到风成作用影响, 滩砂规模不断向湖方向发育。而湖泊近岸滩坝发育于湖泊东岸的南部, 距离岸线较远, 受到人工坝的影响造成水下的局部隆起(图 2-e), 主要以发育规模较小的坝砂体为主, 其周缘也发育规模较小的滩砂(图2-d)。随着湖水位的下降, 岸线逐渐向湖方向推移, 坝砂体顶部受到风成作用影响发育风成沉积(图 2-f), 坝后形成局部湖湾及沼泽。

图 2 山东峡山湖东岸滩坝典型沉积特征Fig.2 Typical sedimentary characteristics of beach￣bar in the east coast of Xiashan Lake in Shandong Province

远岸滩坝沉积初期由于水下隆起的存在, 波浪以及湖流在冲刷搬运沿岸沉积物之后在此区域消能, 逐渐由于沉积物的不断堆积演化为早期滩坝砂体(图 2-h, 2-i)。垂向上, 其滩坝沉积过程完整连续、沉积构造发育清晰、观测条件更为良好, 故本次重点选取其向岸一侧进行剖面研究及取样分析。研究区远岸滩坝发育初期较近岸滩坝距离岸线更远, 随着湖水位及岸线的不断变化, 滩坝砂体受到风、沿岸流以及波浪的多重改造作用, 枯水期坝体接受风的改造作用, 丰水期则接受湖浪改造作用, 逐渐形成多期的滩坝展布形态。最终以砂坝沉积为主, 坝前发育滩脊及席状砂沉积, 坝主体规模较大, 最大坝体厚度距离湖面可达4 m左右, 并且其坝后发育较大规模湖湾及沼泽(图 2-g), 顶部发育薄层风成砂沉积。

4 沉积特征

本次研究对多个不同类型的滩坝剖面进行野外观察分析, 选取了研究区北部远岸滩坝东侧的2个人工剖面进行详细分析(图 1), 并取得样品进行室内粒度参数分析; 提取环境敏感粒度组分分析沉积环境中沉积动力的变化; 综合利用GPR技术对研究区东岸古风向及古地貌进行恢复, 在探槽剖面南部选取了2个特征明显的垂直岸线雷达剖面进行对比研究。

4.1 沉积构造及粒度分析

剖面1平面上位于远岸滩坝东侧坝后湖湾(图1-b), 由于季节性枯水期剖面出露较好。剖面整体高1.8 m左右, 由底部至顶部沉积特征变化明显。剖面根据沉积特征可分为顶部、上部及下部3部分, 层系界面较为清晰, 不具冲刷现象, 层系间为突变接触(图 3), 上下2部分具明显的风成沉积特征。

图 3 山东峡山湖探槽剖面1及其沉积特征Fig.3 Trench section 1 and its sedimentary characteristics of Xiashan Lake in Shandong Province

下部砂质沉积由黄色粉— 细砂层组成, 分选较好, 泥质含量极少, 不含粗粒物质, 层理主要发育规模较大的低角度板状交错层理及水平纹层, 水平纹层层系横向延展性较强且类似席状, 垂向整体厚度约0.6 m, 其较细粒的砂质沉积物、大型交错层理的发育及低泥质含量与风成沉积特征基本一致(李志德等, 2004; 梅冥相等, 2004; 梅冥相和苏德辰, 2014; 陈骥等, 2018)。

上部砂质沉积较厚, 粒度稍有变粗, 以细— 中砂为主, 发育高角度大型板状交错层理, 倾角为10~20° , 局部层系界面呈低角度楔状相交, 且不存在冲刷构造, 分选较好, 推测为风成沙丘沉积, 发育有顶积层; 局部纹层中还观察到规模较小的粘附波痕及波状纹层, 是暂时性水流或潜水位的上升所发育的潮湿型沙丘间沉积的特殊构造(李志德等, 2004)。

剖面顶部泥质含量明显增加, 并且砂质层中粗粒物质明显增多, 分选有变差的趋势, 剖面可见明显砂泥薄互层, 整体沉积表现为不明显的反粒序, 平行层理、冲洗层理、波状层理发育, 局部纹层规模较小。厚度较下部风成沉积小且岩性横向差异较大, 最厚0.3~0.4 m, 并且保存有大量植物根系以及生物螺化石, 为水成沉积作用的重要特征, 系水位上升— 下降之后, 不断向湖方向推移形成的坝后沼泽或暂时性湖湾(图 4)。

图 4 山东峡山湖探槽剖面1垂向相序及沉积特征分析Fig.4 Sedimentary characteristic analysis and vertical phase sequence of trench section 1 of Xiashan Lake in Shandong Province

剖面2与剖面1距离较近(图1-b), 出露亦较好(图 5)。剖面高度约为3 m, 底部沉积物以发育大型低角度交错层理及水平纹层的黄色及暗红色细砂为主, 分选较好, 层系界面平直, 不具冲刷构造, 厚度约为1.2 m且横向延伸较好, 不存在粗粒物质且泥质含量很低; 剖面中部发育大型板状交错层理以及块状层理, 以细砂为主; 受气候以及流水改造影响, 沙丘间沉积被充填改造, 层系间发育粘附瘤, 使得部分层理发育不明显而以块状构造为主, 不含生物介壳或植物根系; 与上部砂质沉积之间存在1层暗色泥质层, 与下部砂质沉积为突变接触, 层系界面存在明显的风蚀现象。暗色泥质层及其上部整体厚度为0.8 m左右, 横向厚度发育差别较大, 以板状交错层理、平行层理为主, 出现砂泥混杂沉积以及薄互层, 整体岩性相对混杂但分选较好, 粗粒物质增多; 顶部泥质层发育大量植物根系以及生物碎屑。

图 5 山东峡山湖探槽剖面2及其沉积特征Fig.5 Trench section 2 and its sedimentary characteristics of Xiashan Lake in Shandong Province

垂向上剖面2与剖面1相似(图 6), 剖面下部砂体主要以连续性较好的大型板状交错层理及水平纹层细砂为主, 粒序不明显, 分选较好, 泥质含量极少, 中部砂体单层厚度变大, 层系间可见风蚀现象; 剖面上部则出现砂泥互层现象, 发育平行层理、波状层理及板状交错层理, 泥质含量有所增加, 沉积物主要以分选较好的中砂为主, 粗粒物质增多且出现大量生物碎屑, 整体粒序特征以反粒序或复合粒序为主。

图 6 山东峡山湖探槽剖面2垂向相序及沉积特征分析Fig.6 Sedimentary characteristic analysis and vertical phase sequence of trench section 2 of Xiashan Lake in Shandong Province

在其他人工剖面的观察中也发现了滩坝沉积下部有较多的特征风成沙丘及沙丘间沉积, 包括: (1)小型交错纹层砂(图 7-A), 指示沙丘间沉积; (2)粘附波痕(图 7-B), 说明因短暂发育的潮湿型沙丘间沉积将跳跃组分风成颗粒粘附; (3)泥质砂层(图 7-C), 指示了由于地下潜水位上升或外部径流注入而发育的覆水型沙丘间沉积; (4)砂脉(图 7-D), 反映一种风成砂质沉积物快速覆盖在未固结泥质沉积物之上, 且由于自身重力作用向下嵌入到泥质沉积物中而形成的准同生构造(李志德等, 2004; 刘立安和姜在兴, 2011; 陈骥等, 2018)。

图 7 山东峡山湖风成沙丘及沙丘间典型沉积构造
A— 小型交错纹层; B— 粘附波痕; C— 覆水型沙丘间; D— 砂脉Fig.7 Typical sedimentary structures of eolian dune and interdune of Xiashan Lake in Shandong Province

本次研究主要对2个重点剖面采集了近60余组样品, 分别对其进行标准偏差、平均粒径、偏度、峰度等粒度参数计算(表 1), 尤其对于2个典型剖面进行粒度分析对比, 绘制不同层位粒度概率累积曲线并对其规律进行分析。通过对滩坝沉积及其下部砂体的粒度参数和概率密度曲线的对比研究, 发现其粒径以细砂为主, 标准偏差指示分选好, 偏度为正偏, 峰度很尖锐; 萨胡判别函数: Y风成: 海滩=-3.568Mz+3.7016σ 2-2.0766SK1+3.1135KG计算结果并没有很好地指示风成沉积环境, 一方面, 此公式是区别海滩沙与风成沙丘沉积物的公式, 可能对于湖岸滩坝环境与风成沉积并不适用; 另一方面, 粒度参数特征主要取决于发育条件和演化过程, 由此可知各地风成砂的粒度参数特征必然存在一定的差异性(董玉祥, 2003, 2006; 德勒恰提等, 2012)。

表 1 山东峡山湖剖面样品粒度参数 Table1 Grain size parameters of profile samples of Xiashan Lake in Shandong Province

粒度概率曲线可以分为4种类型: 高斜两段式、低斜高截三段式、高斜低截三段式和低斜两段式(图 8)。

图 8 山东峡山湖剖面粒度概率曲线特征
A、B— 高斜两段式; C— 低斜高截三段式; D、E— 高斜低截三段式; F— 低斜两段式Fig.8 Features of grain size probability curves of Xiashan Lake in Shandong Province

下部风成沉积物平均粒径较小, 标准偏差值为1.10左右, 沙丘间沉积峰度值大于沙丘沉积, 整体分选较好; 粒度概率累积曲线以高斜两段式和低斜高截三段式为主。其中两段式居多, 粒度区间较大, 跳跃组分斜率高, 最高为80° 左右, 且含量一般大于90%, 缺失滚动组分, 悬移组分含量很少, 一般小于10%, 直线段倾角为6° 左右, 细截点位于3~4ϕ 左右, 粒度较为集中, 反映搬运介质能量的均一性, 分选较好, 在样品中比较常见, 说明其受风力作用明显, 符合风成砂粒度特征; 低斜高截式中, 整体直线斜率下降, 细截点位于5ϕ 左右, 跳跃组分分为2段, 2段跳跃次总体曲线一陡一缓, 其截点与上部滩坝沉积有明显区别, 仍然缺失滚动组分, 因沉积过程受暂时性水流或地下水位的影响, 粒度分选受到影响, 可能指示了潮湿型沙丘间沉积特征(李志德等, 2004)。

上部滩坝沉积平均粒径以中— 细砂级为主, 受泥质含量影响, 垂向粒度变化迅速, 也反映了复杂的水动力条件; 粒度概率累积曲线呈现三段式或者四段式, 多为上拱型, 高斜低截三段式是本次研究最主要的滩坝沉积粒度概率累积曲线, 跳跃组分具分段性, 说明沉积物明显受波浪等水动力的冲刷改造(操应长等, 2009; 路慎强等, 2013; 商晓飞等, 2014), 含量90%左右, 斜率小于下部风成沉积砂体, 分选较好, 滚动组分极少, 悬移组分含量变化较大, 2种组分的交切点较粗, 与下部风成沉积砂体粒度特征有明显的区别, 反映出滨浅湖区水动力作用较强, 但整体曲线粒度范围类似, 说明风成作用阶段演化为水成作用阶段过程中可能具有一定的继承性, 表现为水流不断对先前风成沉积物的淘洗、改造。低斜两段式在研究区中较少, 其跳跃组分斜率很低, 反映湖水位迅速上升使得先前沉积的风成沉积物沉积环境发生改变, 搬运介质多样, 泥质含量增加, 分选变差, 可能是风成沉积与滩坝沉积之间的过渡沉积单元。

环境敏感粒度组分是对沉积环境中的水动力变化非常敏感、可以指示沉积环境中不同水动力的粒度组分(操应长等, 2010)。敏感粒度组分的提取是将粒度频率分布曲线中分离出单一粒度进行水动力分析, 因为不同沉积环境所对应的水动力条件有所差别, 其所能搬运粒度的大小也具有一定范围, 因此不同能量的水动力具有对应的环境敏感粒度组分(Sun et al., 2002; 沈星等, 2015; 赵西西等, 2015)。近些年来, 学者们对于沉积物粒度不同来源组分分离的方法主要包括基于Weibull分布的函数拟合法(沈星等, 2015)、端元模型法(Prins et al., 2000; 陈桥等, 2013)以及粒径— 标准偏差法(孙有斌等, 2003; Chu et al., 2006; 陈桥等, 2013)等, 并且在海洋沉积(Chu et al., 2006; 向荣等, 2006; 滕珊等, 2018)、滩坝沉积(徐树建, 2007; 操应长等, 2010)、以及风成沉积(徐树建, 2007; 牛光明等, 2010; 李腾飞等, 2017)研究中已有较多应用。李腾飞等(2017)对对数粒级提取法与线性粒级提取法进行对比, 认为在运用粒级标准偏差法提取环境敏感粒度指标时, 2种划分方法都能有效地提取粗粒敏感组分(徐树建, 2007)。本次分析重点针对2个剖面顶部所取样品, 运用对数粒级— 标准偏差法, 首先以等对数间距划分样品粒级, 然后运用以下公式:

S=[∑i=1n(xi-x̅)-2]/n

对研究区每组样品不同粒径的样品质量百分比分别进行粒度敏感组分的计算及提取, 其中S为偏差, xi为第i个样品的百分含量, $\bar{x}$为样品的平均粒度分布, n为样品总数。图中较高的标准偏差值所对应的粒径是对沉积环境较为敏感的粒度组分, 对研究区的水动力条件有较好的指示意义, 最后对每组样品进行了3次(a、b、c)提取、分析和对比以保证数据的合理性。

研究区样品的3次分析中粒径-标准偏差曲线基本一致(图 9), 均呈现出多峰型样式, 粒度较细部分峰值不明显, 并且第1组样品中出现1个粒度较细的峰值, 粒径范围大约86~110 μ m, 在后2组中表现不是很明显, 而在粒径120~450 μ m之间存在1个明显的峰值, 说明沉积物粒度可能受到2种沉积动力的控制。但第2个粒度偏粗的峰值明显高于粒度偏细的峰值, 说明粗粒径组分可能对沉积环境具有更好的指示作用, 反映水体能量较强的水动力条件, 但同时也说明了研究区存在2种不同的沉积动力条件。

图 9 山东峡山湖剖面样品粒径-标准偏差图Fig.9 Profile sample grain-size vs. standard deviation curves of Xiashan Lake in Shandong Province

4.2 探地雷达资料分析

探地雷达技术(GPR)通过接受自发电磁波来反映不同地下介质特征, 电磁波反射特征是由地下土壤中电阻抗的变化产生, 在剖面上反映为振幅的强弱(朱如凯等, 2013; 刘澜波和钱荣毅, 2015)。对于分析沙丘的内部结构, 探地雷达技术成为比较有效地探测手段, 如Bristow 和Mountney(2013)利用GPR对于沙漠中沙丘的形成、分类和演化进行了详细的阐述。

不同地下介质具有不同的成分、含水率等, 导致其导电系数的差异, 所以可能会导致不同地区GPR数据在电磁波剖面上的表现不同(白旸等, 2011; 朱如凯等, 2013)。为确保较为准确地预测地下砂体形态, 本次研究首先对地面实测进行对比。2次实测位置表面露头均为较厚层风成沉积砂体, 而由2次实测的GPR剖面资料可知, 根据邻近地表的砂体沉积反射规律(0~3 m), 砂体反射界面为连续性较强的反射振幅, 频率较高, 泥岩则振幅比较弱(图 10)。

图 10 山东峡山湖东岸研究区探地雷达(GPR)剖面分析Fig.10 Analysis of GPR profiles in the east coast of Xiashan Lake in Shandong Province

根据以上反射特征可知, GPR资料剖面a(位置见图1-b)中距地面较近距离存在平行及平行— 倾斜结构的反射振幅特征, 连续性一般, 向下过渡为连续性较好的、振幅较强的近似平行的层状结构, 略微出现凹凸形反射现象(图10-a); 剖面b(位置见图1-b)中整体连续性不如a剖面, 砂体局部也可呈现孤立型的平行— 倾斜层状结构及波形— 近平行反射结构, 中部主要以平行层状结构为主(图10-b)。2个剖面最下部反射均变差。层状反射结构及凹凸形反射现象常见于风成沉积构造, Vriend等(2012)利用GPR技术对美国加利福尼亚Mojave Desert中的2个沙丘进行分析研究, 认为沙丘内部经过固结的层状结构有利于沙丘稳定, 并且对于后期迁移有所影响。波形— 近平行反射结构可能指示了暂时性水流的存在, 平行— 倾斜反射特征为海岸带风成沙丘前积层理的典型反射特征(赖海成等, 2016, 2017), 但湖岸沙丘并不像海岸沙丘一样, 其风动力条件较弱, 沙丘虽移动迅速但规模较小, 故其平行— 倾斜反射特征出现较少, 但仍可成为风成沙丘沉积的重要指示。综上, 研究区下部存在较厚层的砂体堆积, 层状结构及风成沙丘的特征反射指示了风成沉积的存在, 局部由于沙丘的移动及暂时性水流而出现连续性变差的趋势。

5 沉积模式

发育于滨浅湖区域的碎屑岩滩坝沉积一般受到风浪或沿岸流的作用, 是对邻近地区三角洲或其他滨岸体系的砂体沉积进行二次搬运再沉积。国内研究多集中于发育在陆相断陷湖盆三角洲前端的滩坝沉积微相划分以及沉积特征分析。缓坡带、正向地形、物源供给充足通常是滩坝砂体沉积的重要条件, 而风作为一种重要的地质营力, 对于滨岸带沉积动力条件及沉积体系的重要作用逐渐受到学者们的关注(姜在兴等, 2015, 2017)。本次研究通过对现代滩坝沉积成因分析发现, 滨浅湖滩坝的形成其物源受到早期近岸砂体沉积发育的控制, 研究区近岸风成沙丘的发育改造了古地貌形态, 风成沉积物的大面积发育不仅对滨浅湖区域的物源体系具有重要的影响, 并且成为影响滩坝砂体有利发育区的重要因素。从而控制了岸线附近滩坝砂体发育的位置及规模, 水位变化控制着滩坝砂体的迁移, 波浪及其派生沿岸流作用对后期滩坝砂体的平面形态影响较大。

研究区东岸滩坝沉积发育之前的早期, 区内主要以西风和西北风向为主, 湖水水位较低, 沿岸沉积主要受到古气候(主要是风)的影响, 大规模发育沙丘以及沙丘间沉积(图11-a), 不同于海岸附近的沙丘沉积(董玉祥, 2002; 德勒恰提等, 2012), 沙丘移动较慢, 湖岸沙丘移动较快, 风成沙丘与沙丘间沉积过渡迅速, 沙丘规模较小, 受水位及气候影响更为明显, 导致其粒度特征及分选性受到一定影响; 大型低角度交错层理的发育, 层系发育横向延展性较好, 泥质含量极低, 粒度细、分选较好是风成沉积的重要响应; 沙丘沉积随着风力的持续作用不断堆积发育, 改造湖东岸的古地貌形态, 地貌形态的改造为后期水位上升、波浪作用在此消能、沉积物大量堆积提供了条件。

图 11 山东峡山湖东岸“ 风运— 湖改” 滩坝沉积模式
a— 湖水位较低, 风成沙丘发育明显; b— 湖水位上升, 湖浪作用加强; c— 沙丘沉积物受改造, 滩坝砂体发育明显; d— 湖水位摆动, 风力、湖浪对滩坝沉积改造作用明显Fig.11 The‘ wind transporting-wave modifying’ sedimentary model of beach bar in the east coast of Xiashan Lake in Shandong Province

湖平面快速上升阶段, 早期形成的风成沉积物被湖水所淹没, 岸线向岸方向远距离推进, 风成沉积上部出现湖相泥质层(图11-b)。由于波浪及湖浪的作用加强, 开始对早期的沉积物进行冲刷再搬运, 泥质层与混杂沉积交替出现, 下部风成砂受到流水充填改造。湖平面开始下降时, 水位不断变化使得湖水不断冲刷改造先前的沉积物, 冲刷回流携带沉积物在新的岸线附近二次沉积下来, 在相对稳定的岸线平直处发育大面积薄层滩砂(图11-c)。在北部以及南部水下隆起处由于强风浪所携带的沉积物搬运距离较远而逐渐发育坝砂。随着湖平面的继续下降, 岸线移动迅速, 波浪派生质体流及沿岸流对滩砂以及坝砂改造明显, 使得东部岸线平直处大量发育线状滩脊以及鳍状滩脊, 滩砂微相发育明显, 由于岸线的向湖推进, 滩砂后缘暴露再次接受风成改造, 植被大面积覆盖(图11-d)。垂向上, 表现为“ 风成— 滩坝— 风成” 的特征沉积演化, 最终在湖岸形成近源改造的“ 风运— 湖改” 滩坝沉积模式。

6 讨论
6.1 沉积动力

研究区重点剖面粒度特征分析研究表明, 剖面下部砂质沉积物主要以大型板状交错层理为主, 局部发育特征的沙丘及沙丘间沉积构造, 粒度特征明显, 粒度整体偏细, 以细、粉砂为主, 泥质含量极少, 分选性较好, 粒度概率曲线主要以高斜两段式为主, 跳跃组分含量大、斜率较高, 反映搬运能量均一, 滚动组分缺失, 悬移组分极少, 粒度分布较为集中, 具有明显风成沉积物特征(李志德等, 2004; 梅冥相等, 2004; 梅冥相和苏德辰, 2014; 唐丽和董玉祥, 2015); 而上部剖面主要以平行层理、波状层理、砂泥互层的发育及大量生物碎屑为特征, 整体沉积物粒度稍偏粗, 以中— 细砂为主, 泥质含量明显增加, 粒度概率曲线以三段式为主, 跳跃组分分为2段, 反映水体能量较强, 沉积环境水动力变化较快, 缺乏滚动组分、且与下部风成沉积物曲线类似说明在以风成沉积为主演化为水成沉积过程中, 风成沉积物可能受到水动力作用的近源改造, 成为东岸滩坝沉积发育的主要物源。GPR资料显示的稳定层状结构、平行— 倾斜及波形等反射特征反映了风成沉积物的发育及局部暂时性水流的存在, 由于湖盆滨岸与海岸风动力及水动力相比较弱, 故其特征以层状结构或近平行反射为主, 指示风成沙丘可能移动较为缓慢。研究区主要存在2组环境敏感粒度组分, 表明了2种沉积环境的沉积水动力条件。第1组粒径范围为86~110 μ m, 对应粒度概率累积曲线的跳跃组分较细的部分, 但峰值仅出现在第1组数据; 第2组敏感粒度组分粒径范围为120~450 μ m, 对应粒度概率累积曲线的跳跃组分较粗的部分, 也是整个曲线较粗的部分。前人研究认为, 大于63 μ m的砂级颗粒组分每次只能上升到几厘米到几米的高度范围(Pye and Tsoar, 1987), 并且大于100 μ m的风成沉积物敏感粒度组分偏少, 在部分地区也存在140~360 μ m中细砂组分指示风沙活动的强弱(隆浩等, 2007; 牛光明等, 2010; 温小浩等, 2015; 姚正毅等, 2015)。由于不同地区风力情况、源区范围及风化作用程度不同, 敏感组分粒度存在一定的差异性, 推测第1组不明显的敏感粒度组分可能指示1次较强的风沙活动。结合剖面沉积构造及现代滩坝水动力研究, 第2组粗敏感粒度组分峰值明显, 对应粒径中的粗粒组分, 说明风成沉积物在经历风成作用之后受到能量较强的水流冲刷改造, 一方面指示滩坝沉积较强的水动力条件, 与波浪对于源区沉积物的改造和冲刷作用有关, 另一方面也表明风成沉积物的发育为滩坝沉积提供了良好的物源条件。

6.2 控制因素

通过对峡山湖现代滩坝沉积特征分析, 滩坝的形成及演化在滨浅湖地区近源体系中受到多种因素控制, 总体受到气候特征、湖水位、物源条件、地貌特征以及水动力条件的影响。早期风成沙丘沉积受到古气候(以风为主)影响在沿岸地区大量发育, 不仅改造了沿岸地区的地貌条件, 而且为滩坝沉积提供了丰富的物质来源和良好的地理条件, 随着湖水位的上升, 受西北风影响, 波浪不断向东传播, 在东岸岸边沙丘发育处消能, 冲刷改造了近岸早期风成沙丘沉积, 沿岸流和冲刷回流将风成砂体二次搬运, 水位和地貌形态联合控制了滩坝发育的位置, 从而在湖东岸发育了大规模的滩砂沉积。受风力持续作用影响, 波浪派生质体流以及沿岸流作用对后期形成的滩坝砂体外貌形态进行改造, 湖水位的变化造成滩坝砂体的多期发育。因此各因素并非独立发挥作用, 但古地貌控制了滨浅湖滩坝砂体的物源供给, 风成沙丘沉积发育区可能成为滩坝沉积发育的有利区带, 可以概括为“ 风运— 湖改” 系统成因滩坝, 为滩坝沉积体系成因解释、油气勘探及相关有利储集层的预测提供了新思路。

7 结论

1)峡山湖东岸滨浅湖滩坝砂体发育之前发育了大规模风成砂体。风成砂体发育沙丘以及沙丘间亚相, 以细砂为主, 发育连续性好的大型板状交错层理、不具冲刷构造, 泥质含量极少; 分选较好, 粒度概率曲线以两段式为主, 跳跃组分斜率较大。滩坝砂体以中砂为主, 与风成砂体沉积呈侵蚀接触, 显反粒序或复合粒序, 分选相对较差, 发育连续性较差的板状交错层理和平行层理, 频繁发育砂泥岩互层并出现混杂沉积, 含大量植物根系; 粒度概率曲线以三段式为主, 粒度范围与风成砂体类似, 但跳跃组分包含两段次总体, 反映了较强的水动力作用。环境敏感粒度组分指示了研究区2种不同的沉积动力; GPR资料分析表明研究区主要以风成沉积的层状及平行— 倾斜反射特征为主。

2)峡山湖东岸早期受风力作用大规模发育风成砂体沉积, 改造了滨岸带古地貌形态; 后期水位上升, 持续的风浪作用冲刷改造了早期形成的风成沙丘以及沙丘间沉积, 将其沉积物二次搬运、沉积在滨岸带形成滩坝砂体, 波浪作用控制了滨浅湖砂体展布及地貌形态的改变。总体认为峡山湖东岸滨浅湖滩坝砂体受气候、地貌特征、物源条件以及湖水位等因素联合控制, 其中风力作用形成的风成沙丘沉积可能是影响滨岸带滩坝砂体发育及物源供给的关键因素, 滩坝沉积的发育模式可以概括为“ 风运— 湖改” 模式。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐 杰)

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