田荣恒, 鲜本忠, 晁储志, 刘建平, 张国栋, 王俊辉, 陈鹏. (2021). 湖相重力流水道沉积特征与沉积模式:以鄂尔多斯盆地瑶曲铁路桥剖面三叠系延长组为例* [J]. 古地理学报, 23(5): 967-982.
Tian Rong-Heng, Xian Ben-Zhong, Chao Chu-Zhi, Liu Jian-Ping, Zhang Guo-Dong, Wang Jun-Hui, Chen Peng. (2021). Sedimentary characteristics and model of lacustrine gravity flow channels: a case study of the Triassic Yanchang Formation of Yaoqu railway-bridge section in Ordos Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 23(5): 967-982.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2021.05.059
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湖相重力流水道沉积特征与沉积模式:以鄂尔多斯盆地瑶曲铁路桥剖面三叠系延长组为例*
田荣恒1,2, 鲜本忠1,2, 晁储志2, 刘建平3,4,5, 张国栋6, 王俊辉1,2, 陈鹏1,2
1 油气资源与探测国家重点实验室,中国石油大学(北京),北京 102249
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 自然资源部广州海洋地质调查局,广东广州 510760
4 自然资源部海底矿产资源重点实验室,广东广州 510760
5 中山大学海洋科学学院,广东珠海 519000
6 山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队,山东济南 250014
通讯作者简介 鲜本忠,男,教授,从事层序地层学、沉积学与储层地质学研究。E-mail: xianbzh@cup.edu.cn。

第一作者简介 田荣恒,男,博士研究生,从事沉积学与储层地质学研究。E-mail: tianrh1996@126.com。

收稿日期:2021-02-24 修回日期:2021-04-20
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41872113,41702104)、国家科技重大专项(编号: 2017ZX05009-002)和中国石油天然气集团有限公司—中国石油大学(北京)战略合作科技专项(编号: ZLZX2020-02)联合资助
摘要

陆相深水重力流水道的类型细分及其沉积模式是制约其油气勘探开发的重要因素,但研究程度低。通过对鄂尔多斯盆地南缘瑶曲铁路桥剖面三叠系延长组实测、水道形态参数统计及岩相、粒度等分析,开展了湖相重力流水道的沉积特征、沉积过程及沉积模式研究。结果表明:( 1)研究区内可识别出 4期复合水道,主要为洪水重力流成因。根据其内部单一水道及单砂体形态特征、岩相组成,将其细分为沉积型和过渡型两类。( 2)剖面下部 2期复合水道为沉积型,以悬浮载荷成因岩相为主,常见块状净细砂岩、薄层泥岩岩相组合和鲍马序列岩相组合;上部 2期复合水道为过渡型,岩相以底床载荷与悬浮载荷共存为特征,自下而上以交错层理细砂岩或叠瓦状泥砾细砂岩与含泥砾 /泥岩撕裂屑块状细砂岩、平行层理粗粉砂岩及薄层泥岩的岩相组合为特征。( 3)结合单一水道规模及其相互关系,建立了区内过渡、沉积型重力流水道的半定量沉积模式。过渡型水道内部侵蚀与沉积作用共存,单一水道宽度小、宽厚比低,呈透镜状,水道间切割性强,砂体横向稳定性较低,表现出不定向叠加、侧向拼接样式;沉积型水道内部由沉积作用主导,单一水道宽度较大、宽厚比较高,呈似板状—透镜状,砂体横向稳定性较高,表现出稳定的垂向加积样式。

关键词: 重力流水道; 岩相组合; 沉积型水道; 过渡型水道; 沉积模式; 延长组; 鄂尔多斯盆地
中图分类号:TE122.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2021)05-967-16
Sedimentary characteristics and model of lacustrine gravity flow channels: a case study of the Triassic Yanchang Formation of Yaoqu railway-bridge section in Ordos Basin
Tian Rong-Heng1,2, Xian Ben-Zhong1,2, Chao Chu-Zhi2, Liu Jian-Ping3,4,5, Zhang Guo-Dong6, Wang Jun-Hui1,2, Chen Peng1,2
1 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 Guangzhou Marine Geological Survey,Ministry of Natural Resources,Guangzhou 510760,China
4 MNR Key Laboratory of Marine Mineral Resources,Guangzhou Marine Geological Survey,Guangzhou 510760,China
5 School of Marine Sciences,Sun Yat-sen University,Guangdong Zhuhai 519000,China
6 801 Institute of Hydrogeology and Engineering Geology,Shandong Provincial Bureau of Geology & Mineral Resources,Jinan 250014,China;
About the corresponding author Xian Ben-Zhong,professor,is mainly engaged in sequence stratigraphy,sedimentology and reservoir geology. E-mail: xianbzh@cup.edu.cn.

About the first author Tian Rong-Heng,is a doctoral candidate in China University of Petroleum(Beijing). Now he is engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: tianrh1996@126.com.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41872113,41702104),National Science and Technology Major Project(No.2017ZX05009-002)and the Strategic Cooperation Science and Technology Special Project between China National Petroleum Corporation and China University of Petroleum(Beijing)(No. ZLZX2020-02)
Abstract

The classification of lacustrine deep-water gravity flow channels and the sedimentary model are the key controls on hydrocarbon exploration and development. In this paper,depositional characteristics,sedimentary processes and sedimentary model are studied using section measurement of the Triassic Yanchang Formation of Yaoqu railway-bridge outcrop,morphological parameter statistics for single channel,lithofacies and grain-size analysis. This study shows that: (1)There are at least four sets of gravity flow composite channels,which were mainly triggered by flood events. According to the morphological characteristics,lithofacies composition of single channel,composite channels can be divided into depositional channels and transitional channels. (2)The two composite channels in the lower part of the section belong to depositional type with suspended load lithofacies association including massive clean fine sandstone,thin layered mudstone and the Bouma facies sequence. Besides,the two channels in the upper part of the studied section belong to transitional channel with mixed lithofacies of bed load and suspended load,which is characterized by vertical lithofacies association of cross-bedding fine sandstone or fine sandstone with imbricated mud clasts,massive fine sandstone containing ripped mud clasts,parallel bedding coarse siltstone and thin mudstone facies. (3)A semi-quantitative sedimentary model of transitional and depositional gravity channel is proposed by analyzing size and architecture of the single channels in the composite channel. Both erosional and depositional process occurred in the transitional channel. A single transitional channel shows a smaller width,lower ratio of width to thickness,lenticular shape,and strong erosional ability. The sand body shows a low stability in lateral and a stacking pattern of random superposition or lateral splicing. The depositional channel,showing plate-like and lenticular shape and dominated by sedimentation,has a bigger width,higher width to thickness ratio of single channels,higher lateral stability and the stacking pattern of stable vertical aggradation.

Key words: gravity flow channel; lithofacies associations; depositional channel; transitional channel; sedimentary model; Yanchang Formation; Ordos Basin

开放科学(资源服务)标识码(OSID)

重力流沉积自1950年以来引起了地质学界的广泛关注(鲜本忠等, 2014), 其科学研究和社会经济价值广泛体现于沉积地貌建造、地质灾害防治、油气资源等领域(Talling et al., 2013)。近年来, 砂质与泥质碎屑流(sandy and muddy debris flows)、异重流(hyperpycnal flow)、混合海底流(hybrid submarine flow)等概念的重新认识及其沉积响应模式的建立将重力流沉积研究推向了新的高度(Talling, 2013; Liu et al., 2017; 潘树新等, 2017; Xian et al., 2017)。

长期以来, 海相环境是重力流沉积研究的主要对象。自Mutti和Normark(1991)等提出水道、溢岸、朵体、水道—朵叶过渡带和侵蚀地形5类海相重力流沉积(环境)单元划分方案以来, 建立具有预测意义的重力流沉积模式便成为了深化重力流沉积规律认识、有效指导深水沉积油气资源勘探的关键。重力流水道在海相深水沉积体系中发育普遍, 加之储集层规模大、质量好, 现已成为科学研究和油气勘探开发的重要对象。前人根据侵蚀或沉积作用强度, 将重力流水道分为侵蚀型、侵蚀—沉积复合型和沉积型(Normark, 1970)。此外, 前人还根据水道的弯曲度, 将其分为顺直型、低弯度型及高弯度型水道(Mayall et al., 2006; Wynn et al., 2007); 根据水道内部砂体叠置特征, 将水道划分为孤立型(isolated)、侧向叠置型(lateral stacked)和垂向叠置型(vertically stacked)(Clark and Pickering, 1996); 根据水道限制性程度, 将其分为限制性水道、低限制性水道及非限制性水道(朵体)(Moody et al., 2012)。上述重力流水道类型的划分, 深化了对其沉积过程和沉积规律的认识, 也促进了深水重力流沉积油气的高效勘探开发。

但是, 由于湖相深水重力流水道沉积规模较小、研究程度较低, 当前对其规律的认识程度仍然很低, 远不及海相重力流沉积。近年来, 在对古气候研究的关注和陆相油气资源开发需要的共同推动下, 湖相深水重力流沉积研究得到了快速发展。比如, 通过对中国渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、松辽盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地的研究, 发现了大量重力流沉积相关的油气资源(刘桠颖等, 2009; 鲜本忠等, 2012; 付金华等, 2013; 张庆石等, 2014; 王建功等, 2020)。但是, 由于大部分湖相沉积盆地深水区面积有限、重力流沉积的规模相对较小, 且湖相重力流沉积单元的识别难度大, 导致目前缺少对湖相重力流沉积单元、尤其是湖相重力流水道的精细研究。这严重影响了对湖相重力流沉积过程及重力流水道沉积模式的认识, 也制约着湖相重力流水道储集层的高效勘探开发。

作者以鄂尔多斯盆地南缘瑶曲铁路桥剖面三叠系延长组深水沉积露头为研究对象, 通过野外剖面实测、室内分析测试, 以期落实重力流水道期次和规模, 明确各期水道的沉积特征、沉积机制, 深化湖相重力流水道沉积规律的认识, 为高效开发其油气资源提供预测性地质模型。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地是位于中国中部的大型坳陷盆地, 面积约37× 104 km2, 蕴藏着丰富的矿产资源(乔亚斌等, 2020; 李明培等, 2021)。根据盆地构造特征分为6个一级构造单元 (图 1-A), 受印支期强烈构造运动的影响, 形成了厚度达1000 m的三叠系延长组碎屑岩地层(杨华等, 2012)。根据沉积旋回、凝灰岩标志层的纵向分布规律, 将三叠系延长组自上而下分为长1—长10段 (图 1-B)。其中, 延长组7段(长7段)沉积时期, 鄂尔多斯盆地处于强烈拗陷阶段, 湖盆快速扩张, 发育大面积的半深湖—深湖相厚层暗色泥岩、油页岩及重力流砂岩(陈飞等, 2010; 冯娟萍等, 2012; 李云等, 2019)。从延长组6段(长6段)沉积时期开始, 三角洲大规模发育, 盆地开始萎缩(王岚等, 2012; 杨仁超等, 2014)。

图 1 鄂尔多斯盆地构造单元分布、研究剖面位置(A)和上三叠统延长组地层柱状图(B)(A图据张国栋等, 2019, 修改; B图据梁晓伟等, 2021, 修改)Fig.1 Structural belt of Ordos Basin and location of Yaoqu railway-bridge section(A), and column map of the Upper TriassicYanchang Formation(B)(Fig. A is modified from Zhang et al., 2019; Fig. B is modified from Liang et al., 2021)

瑶曲铁路桥剖面位于陕西省铜川市瑶曲镇政府西北方向, 属于长7段2亚段(长72)—长6段3亚段(长63), 地层厚度80~120 m。该区地层产状平缓、露头条件较好, 以湖相深水沉积为背景, 露头岩性以灰色、浅黄色—灰色细砂岩、深灰色泥岩以及油页岩为主, 是研究湖相深水重力流沉积的理想场所。构造上, 该区属于鄂尔多斯盆地南缘渭北隆起。后期的构造抬升及风化剥蚀作用, 导致该区延长组保存不全(贺静等, 2011)。

2 资料和方法

野外露头研究具有大尺度、高精度、高连续性、直观性等其他沉积特征研究方法无可比拟的优势。瑶曲铁路桥剖面呈北西高、东南低的地貌特征, 剖面总长度约1.2 km。该剖面走向为NW40° , 根据区域砂体展布方向及古水流方向研究结果(张国栋等, 2019; 梁晓伟等, 2021), 本剖面基本垂直于长7段物源方向, 有利于表征水道的真实形态特征及规模。本次研究选取了12个出露良好的露头(1-1、1-2、2-1、2-2、2-3、3、4、 5-1A 、5-1B、5-1C、5-1D、5-2)进行观察、岩性实测和取样 (图 2)。

图 2 瑶曲铁路桥剖面地貌特征及实测露头位置Fig.2 Geomorphic characteristics of Yaoqu railway-bridge section and location of measured outcrops

基于鄂尔多斯盆地瑶曲铁路桥剖面的精细分析, 实测12个位置的岩性剖面柱图, 拍摄高清照片约800张。利用照片拼接, 以不同部位岩性柱状图实测结果作为标定, 落实单砂层厚度、岩相组合及其展布; 统计重力流水道期次和形态参数, 落实重力流单一水道和复合水道的规模、重力流水道的期次。此外, 在5个采样点采集了218块岩石样品, 通过岩相分析、粒度测试等技术开展重力流水道类型细分研究, 明确各期水道岩石学特征、粒度组成、粒度参数、相序变化、沉积构造等特征, 宏观与微观结合, 恢复单一水道主控性沉积过程、搬运及沉积机制, 明确砂体成因机制。

3 重力流水道期次与规模
3.1 重力流水道期次划分

前人对鄂尔多斯盆地南缘的旬邑、黄陵、铜川等露头区长7—长6段暗色泥岩、页岩中砂岩的研究中提出, 鄂尔多斯盆地长7—长6段沉积时期在半深湖—深湖背景下发育了规模较大的重力流水道沉积(Xian et al., 2018)。

参考前人总结的沉积特征, 结合研究区野外剖面中长72—长63发育于深灰色泥岩、页岩之间的砂岩层顶平底凸的形态特征和岩相组成, 初步判定本区铁路桥剖面发育重力流水道沉积。剖面中半透镜状砂体相互切割、相互叠置 (图 3), 既体现了该区砂质沉积明显的特征, 也体现了后期水流对早期沉积一定程度的侵蚀作用。根据剖面中出露条件较好的12处岩性实测剖面柱状图 (图 4), 经过野外剖面的照片处理, 综合砂体垂向、横向连通性及隔夹层发育程度, 对铁路桥剖面重力流水道进行砂体对比与期次划分。在剖面中共识别出15期重力流单一水道和4期(Ⅰ -Ⅳ)重力流复合水道 (图 3; 表 1)。自下而上, 第1期复合水道包含至少2期单一水道, 第2期复合水道包括至少6期单一水道, 第3、4期复合水道则分别由4期、3期单一水道组成 (图 3-B)。

图 3 瑶曲铁路桥剖面野外照片(A)和基于实测剖面的重力流水道期次划分(B)
图中Ⅰ 、Ⅱ 、Ⅲ 、Ⅳ 为复合水道编号, 1-1、1-2等为实测露头编号Fig.3 Overall photos of Yaoqu railway-bridge section (A)and compound channel division based on measured outcrops(B)

表 1 瑶曲铁路桥剖面单一水道形态特征及内部砂层参数统计 Table 1 Statistics of single-channel geometric parameters and inner sandstone beds of Yaoqu railway-bridge section

图 4 瑶曲铁路桥剖面实测露头岩性柱状图(露头位置详见见图2及图3-A)Fig.4 Measured lithological columns of outcrops in Y aoqu railway-bridge section (see Fig. 2 or Fig.3-A for the location of outerops)

3.2 重力流水道形态特征及变化趋势

为了表征重力流水道的几何形状及空间分布特征, 在12条实测岩性柱状剖面的约束下针对单一水道开展了水道宽度、厚度、宽厚比、单砂层数以及单砂层最大厚度等特征参数的统计 (表 1)。统计结果表明, 铁路桥剖面单一水道的宽度变化较大, 最小720 m, 最大1880 m; 单一水道厚度分布在1.8~4.0 m之间, 平均厚度2.9 m; 宽厚比变化较大, 分布在215~709之间 (表 1; 图 4)。

单一水道是由一定时间内多次重力流事件沉积而成, 其位置相对稳定, 核心部位砂体因侵蚀而直接接触, 通常由多层砂体构成。因此, 单一水道内部并非只有一个砂岩层。为了进一步了解单一水道内单砂层的发育特征, 分期统计了单一水道内部的单砂层的层数、最大厚度和横向减薄率。统计结果表明, 单一水道内部砂层数最多7层, 最少2层; 单砂层的厚度最大1.7 m, 最小0.4 m (表 1; 图 4)。

为了对比不同水道内单砂层的板状特征(tabularity)及横向稳定性, 按照下列公式计算了水道内单砂层的减薄率：

$Tr=[∑ _{i-1}^{n} (B_{i}max-B_{i}min)/Li]/n$(1)

式中： n为水道内单砂层数; $B_{i}max$为水道内可观测该单砂层最大厚度; $B_{i}min$为水道内可观测该单砂层最小厚度; Li为两观测点间的距离。

统计结果表明, 水道单砂层减薄率在0.28％~0.71％之间, 整体较低, 砂体横向延伸较为稳定, 板状特征明显 (表 1; 图 3)。

从不同复合水道内单一水道和单砂层发育特征的统计结果来看, 从早到晚, 从复合水道Ⅰ 到复合水道Ⅳ , 内部的单一水道平均宽度从1445 m、1377 m减小到908 m、777 m (表 1), 呈现早期单一水道宽、晚期单一水道变窄的趋势。此外, 早期复合水道中单一水道的平均厚度反较晚期的小, 进一步导致单一水道的宽厚比平均值从早期(复合水道Ⅰ 、Ⅱ)的569、497快速下降到晚期(复合水道Ⅲ 、Ⅳ)的355和239, 呈现出从早到晚单一水道横向稳定性快速变差的特点, 水道几何形态由似板状向微透镜状、透镜状过渡 (表 1; 图 3)。

单一水道内部的单砂体(层)也有类似的变化特征。从早期(复合水道Ⅰ)到中期(复合水道Ⅱ 、Ⅲ), 再到晚期(复合水道Ⅳ)单砂层的平均最大厚度从1.5 m下降到1.2 m, 再降到0.6 m, 最大单砂层厚度呈现逐渐减小的趋势; 从减薄率来看, 从早期(复合水道Ⅰ)到中期(复合水道Ⅱ 、Ⅲ), 再到晚期(复合水道Ⅳ), 其平均值从0.36逐渐增加到0.64, 单砂层的减薄率增高, 横向稳定性逐渐变差 (表 1; 图 3)。

4 沉积特征分析
4.1 岩相类型及其组合

岩相是由岩石类型与沉积构造表征的具有特定沉积环境意义的岩石单元(Miall, 1987)。一个岩相组合通常是一次沉积事件的产物。通过识别不同的岩相组合有助于判断沉积过程和沉积介质性质, 恢复沉积环境及其演化。

研究中, 基于野外露头剖面实测, 在研究区识别出11种岩相 (表 2)和4种岩相组合 (图 7)。

表 2 瑶曲铁路桥剖面岩相类型 Table 2 Lithofacies types of Yaoqu railway-bridge section

1)槽状交错层理细砂岩相(B2s-a)。为灰—浅黄色细砂岩, 层系界面呈槽形, 相互切割 (图 5, 图 6-A)。单层厚度变化快, 平均厚度0.45 m, 实测露头1-2、5-1A及5-1C上部较为典型 (图 4), 底部常见与深灰色块状泥岩突变接触。该岩相的发育反映了该区在沉积过程中存在具有牵引流特征的底床载荷的沉积物搬运过程(Zavala et al., 2011; Xian et al., 2018)。

图 5 瑶曲铁路桥剖面岩相分类方案(修改自Zavala et al., 2011)Fig.5 Lithofacies classification scheme of Yaoqu railway bridge section(modified from Zavala et al., 2011)

图 6 瑶曲铁路桥剖面露头典型岩相照片
A—槽状交错层理细砂岩相, 拍自实测露头5-1A (图 4); B—楔状交错层理细砂岩相, 拍自实测露头5-1B (图 4); C—叠瓦状泥砾细砂岩相, 底部为深灰色泥页岩, 顶部过渡为含泥砾、撕裂屑块状细砂岩, 拍自实测露头2-3 (图 4); D—块状净细砂岩相, 顶底可见平行层理细砂岩相, 拍自实测露头1-1 (图 4); E—含泥砾及泥岩撕裂屑块状细砂岩相, 拍自实测露头2-2 (图 4); F—递变层理砂岩相, 顶部逐渐过渡为平行层理粗粉砂岩及水平层理泥页岩, 拍自实测露头2-3 (图 4); G—波纹层理细粉砂岩相, 底部可见平行层理粗粉砂岩, 拍自实测露头1-1 (图 4); H—爬升波纹细粉砂岩相, 拍自实测露头5-1B (图 4); I—严重风化后的块状泥岩相, 拍自实测露头1-1 (图 4)Fig.6 Typical lithofacies photos of outcrops of Yaoqu railway-bridge section

图 7 瑶曲铁路桥剖面重力流水道典型岩相组合类型(岩相描述见表 2)
A—岩相组合A; B——岩相组合B; C—岩相组合C; D—岩相组合DFig.7 Typical lithofacies associations of gravity channel in Yaoqu railway-bridge section(lithofacies description in Table 2)

2)楔状交错层理细砂岩相(B2s-b)。多为浅灰色—黄褐色细砂岩, 层系界面呈楔形, 层系组沉积厚度较大, 平均厚度0.8 m (图 5, 图 6-B), 横向分布相对稳定, 在实测露头 图 1-1 、 1-2 及5-1B均有发现 (图 4), 其形成也与底床载荷有关, 指示形成该岩相的流体介质具有牵引流的性质。

3)含叠瓦状泥砾细砂岩相(B3s)。灰色砂岩层的下部或底部含长条状泥砾, 彼此呈叠瓦状定向排列 (图 5, 图 6-C), 平均厚度为0.7 m。呈现牵引流搬运与沉积特征, 集中出露于在实测露头 1-1 上部以及实测露头1-2、2-3中部 (图 4)。该岩相底部的泥岩/泥页岩常被冲刷侵蚀而存在一定规模的侵蚀面。此外, 该岩相常常向上可过渡为含泥砾/泥岩撕裂屑的块状砂岩(S1-b) (图 6-C)。

4)块状净细砂岩相(S1-a)。该岩相是研究区露头剖面中最主要的岩相类型, 一般为灰色或者浅灰色块状细砂岩, 在本次实测的12个露头中均有发育。其平均砂岩厚度约0.5 m, 最大厚度达1.2 m。露头上未见任何成层构造, 底界面也相对平坦。顶部向上常逐渐过渡为平行层理粗粉砂岩相(S2) (图 5-D), 可解释为高浓度沉积物重力流中悬浮载荷快速沉积而成。

5)含泥砾/泥岩撕裂屑块状细砂岩相(S1-b)。多为浅灰色细砂岩, 平均厚度为0.4 m, 表现为块状细砂岩内部发育定向或者无规则的黄褐色泥砾以及深灰色的泥岩撕裂屑, 底面平整, 无明显侵蚀特征 (图 6-E)。除实测露头5-1B以及5-1D外, 其他的实测露头中均有发现, 发育程度仅次于块状净细砂岩相(S1-a) (图 4)。

6)递变层理砂岩相(S1-c)。为浅灰色细砂岩—粉砂岩, 厚度较薄, 最小厚度仅为0.03 m, 平均厚度为0.3 m, 侧向延伸较为稳定, 在实测露头2-2以及2-3、5-2均有发育, 集中在中、下层位 (图 4)。常发育在鲍马序列a段, 向上逐渐过渡为平行层理细粉砂岩 (图 6-F), 为典型的浊流沉积产物。

7)平行层理粗粉砂岩相(S2)。岩性为灰色、浅灰色粗粉砂岩, 厚度薄, 最小仅为0.03 m, 平均厚度为0.1 m, 侧向延伸通常不稳定, 在实测露头1-1底部出露较为明显。多发育于鲍马序列b段, 常见与递变层理砂岩相(S1-c)及波纹层理细粉砂岩相(S3-a)共生 (图 6-F, 6-G)。

8)波纹层理细粉砂岩相(S3-a)。要发现于瑶曲铁路桥剖面中、下层剖面, 岩性为灰色细粉砂岩, 纹层呈波纹状。与其他岩相相比, 出现频率较低, 平均厚度为0.1 m。在实测露头1-1、5-1B和5-2中有发现 (图 4), 通常与平行层理粗粉砂岩相共生 (图 6-G), 常见于鲍马序列c段。

9)爬升波纹层理细粉砂岩相(S3-b)。主要发现于铁路桥剖面中、下层, 岩性为灰色—浅灰色细粉砂岩, 由一系列相互叠置的细小波纹层组成, 出现频率相对较低, 见于实测露头5-1B, 厚度小, 仅在0.05 m左右 (图 4, 图 6-H)。通常指示持续时间长的浊流作用, 发育于浊流能量的减弱下牵引和悬浮沉降共同作用阶段(Zavala et al., 2011)。

10)块状泥岩相(S4-a)。主要发育灰色、深灰色泥岩, 出露厚度为0.1~2.0 m, 平均0.15 m, 以薄层为主。广泛出露于瑶曲铁路桥剖面各个实测露头 (图 4)。一般认为, 块状泥岩相是低能环境下形成的最细粒岩相之一, 研究区出露的块状泥岩多遭到严重风化 (图 6-I)。

11)水平层理泥页岩相(S4-b)。岩性为深灰色泥页岩。厚度较小, 仅为0.02~0.30 m, 平均0.16 m。页理发育, 横向分布相对稳定, 但也可见被砂岩切割的现象 (图 6-C, 6-F), 在实测露头2-3、3、4等均有发育 (图 4)。有机质含量高, 顶部常见突变为交错层理细砂岩相(B2s-a/ B2s-b ), 为悬浮沉降作用下形成的细粒物质 (图 5)。

通过整理各种岩相组合的特征, 识别出4种岩相组合。

1)岩相组合A。自下而上为具叠瓦状泥砾细砂岩相(B3s)、交错层理砂岩相(B2s-a/b)向上过渡为含泥砾/泥岩撕裂屑块状细砂岩相(S1-b)和平行层理粗粉砂岩相(S2)的组合特征, 其中主要相类型为S1-b, 可占到整个组合厚度的50％以上 (图 7-A)。底界面常见小规模侵蚀特征, 代表了典型底床载荷沉积的结果。

2)岩相组合B。岩相单一, 仅由块状净细砂岩相(S1-a)组成, 内部也可能存在薄层的泥岩相(S4-a/b), 通常不存在侵蚀面 (图 7-B), 其中块状层理指示快速沉积的过程, 可能来自于高密度浊流或砂质碎屑流的沉积结果。

3)岩相组合C。自下而上由递变层理砂岩相(S1-c)、平行层理粗粉砂岩相(S2)、波纹层理细粉砂岩相(S3-a)/爬升波纹层理细粉砂岩相(S3-b)、泥岩相(S4-a/b)组成, 形成1个典型的鲍马序列 (图 7-C), 反映了低密度浊流的沉积过程。

4)岩相组合D。自下而上由波纹层理细粉砂岩相(S3-a)/爬升波纹层理细粉砂岩相(S3-b)、泥岩相(S4-a/b)2种岩相组成, 粒度偏细, 厚度小, 平均组合厚度仅为0.1 m (图 7-D), 可能形成于早期悬浮载荷性质的浊流沉积的中后阶段或早期底床载荷性质的异重流的中后阶段。

4.2 典型岩相砂岩粒度特征

通过对实测剖面5-1A中部 (图 4)厚度约0.4 m的块状净细砂岩(S1-a)钻取的16个岩石样品 (图 8-A)进行的粒度测试及其中值粒径等参数统计分析可知, 该0.4 m厚的块状砂岩层在垂向上实际呈现为3个向上变细半旋回(蓝色箭头)以及2个向上变粗(红色箭头)半旋回, 构成2个半粒度的复合旋回。图中黄色部表现为颗粒变粗, 分选变好, 峰度、偏度增大, 中砂和细砂增多、粉砂和泥减少、悬浮组分减少的特征, 判断为能量持续增强期; 蓝色部分主要表现为颗粒粒径逐渐减小、分选变差、峰度及偏度减小的特征, 粉砂和泥质含量相对增大, 判断为能量衰减期 (图 8-B)。

图 8 块状砂岩取样位置照片(A)和瑶曲铁路桥剖面块状砂岩垂向粒度参数(B)(照片拍自图 4中实测露头5-1A)Fig.8 Photo of sampling locations of massive sandstone(A)and vertical grain size parameters of massive sandstone in Yaoqu railway-bridge section(B)(photo from measured outcrop 5-1A in Fig.4)

5 重力流水道类型及沉积模式
5.1 重力流水道类型

综合分析4个复合水道内部的单一水道及单砂体形态特征 (图 3; 表 1)和岩相及其组合特征可知, 该剖面中早期和晚期的重力流复合水道存在明显的差异性。参考侵蚀型、侵蚀—沉积复合型和沉积型重力流水道划分方案(Normark, 1970)和该区早期的研究认识(Xian et al., 2018), 将研究区内水道类型分为过渡型水道和沉积型水道2种类型, 其中复合水道Ⅲ 、Ⅳ 为过渡型水道, 复合水道Ⅰ 、Ⅱ 为沉积型水道 (表 3)。

表 3 瑶曲铁路桥剖面重力流水道分类及特征 Table 3 Classification and characteristics of gravity-flow channel in Yaoqu railway-bridge section

5.1.1 过渡型水道

过渡型水道介于早期的侵蚀型水道和晚期的沉积型水道之间, 其形成过程中存在侵蚀作用和沉积作用的共同影响。瑶曲铁路桥剖面中复合水道Ⅲ 和Ⅳ 具有过渡型重力流水道的特征： (1)岩相以底床载荷与悬浮载荷2种成因共存为特征, 底部砂岩常见牵引流性质的交错层理(见于岩相B2s-a/b)或者叠瓦状泥砾(见于岩相B3s), 中部过渡为含泥砾/泥岩撕裂屑块状细砂岩相(S1-b), 上部多见平行层理粗粉砂岩相(S2), 砂岩常被薄层泥岩相(S4-a/b)所分隔, 常表现为岩相组合A (图 7); (2)富 砂沉积, 砂地比在65％以上 (图 9-B); (3)单 一水道两侧溢岸沉积发育程度低, 限制性作用弱而呈现较强的水道迁徙摆动, 导致单一水道及其内部单砂层横向稳定性较弱、宽厚比较小且砂体之间的切割性增强、垂向连通性增强 (图 3, 图 9; 表 1)。

图 9 瑶曲铁路桥剖面典型过渡型水道特征(实测露头2-3, 位置见图 2或图 3)
A—野外照片; B—野外照片解释; C—过渡型水道解释模型Fig.9 Typical transitional channel characteristics of Yaoqu railway-bridge section(outcrop 2-3, location in Fig.2 or Fig.3)

5.1.2 沉积型水道

在水道完全扩张形成朵体之前可能会经历1个由沉积作用主控而缺乏侵蚀作用的阶段(Xian et al., 2018), 即沉积型水道发育阶段, 该类型水道通常不具有侵蚀特征而表现为底部相对规则 (图 10-C)。

图 10 瑶曲铁路桥剖面典型沉积型水道特征(实测露头2-2, 位置见图 2或图 3)
A—沉积型水道剖面特征; B—沉积型水道示意图; C—沉积型水道解释模型Fig.10 Typical depositional channel characteristics of Yaoqu railway-bridge section(outcrop 2-2, location in Fig.2 or Fig.3)

以露头2-2中复合水道Ⅱ 为例 (图 10-A), 认为沉积型水道具有以下特征： (1)岩相以悬浮沉降类型为主, 多见由块状净细砂岩相(S1-a)以及薄层泥岩相(S4-a/b)组成的岩相组合B (图 7-B), 也存在由典型鲍马序列特征的岩相组合C (图 7-C), 水道侧缘通常发育一定规模由波纹层理细粉砂岩相(S3-a)/爬升波纹层理细粉砂岩相(S3-b)和泥岩相(S4-a/b)组成的岩相组合D (图 7-D)为特征的天然堤; (2)沟 道内通常被富砂沉积物所填满, 砂地比可达80％以上 (图 10-B, 10-C); (3)内 部的单一水道及其单砂体横向稳定性较好、宽厚比高而减薄率较小, 漫溢沉积较发育而导致水道迁徙程度减弱。

5.2 重力流水道沉积机制

研究区长6—7段沉积时期发育灰色—深灰色泥岩、页岩, 代表其沉积环境为深水环境。然而水道内的槽状交错层理砂岩相(B2s-a)以及楔状层理砂岩相(B2s-b)的发育 (图 5-A, 5-B)通常指示沉积物通过推移负载的方式进行搬运, 即典型的牵引流沉积特征。在砂岩中可见大小不一的炭屑以及植物碎片, 呈定向—微定向状排列 (图 11-A, 11-B)。此外, 砂岩内常见红褐色泥砾呈低角度定向或者杂乱排列 (图 11-C, 11-D)。

图 11 瑶曲铁路桥剖面洪水型水道沉积特征
A—炭屑, 拍自实测露头3; B—定向排列的植物碎屑, 拍自实测露头3; C—黄褐色泥砾呈低角度定向排列, 拍自实测露头2-2; D—黄褐色泥砾杂乱排列, 拍自实测露头2-3Fig.11 Sedimentary characteristics of flood channel in Yaoqu railway-bridge section

推测这些典型牵引流沉积构造以及炭屑、植物碎片、氧化色泥砾等盆外物质与洪水触发形成的异重流沉积有关。垂向上粒度参数体现出来的向上变粗再变细的复合旋回特征 (图 8-B), 指示了洪泛增强—减弱的完整变化过程, 也说明不仅是具有底床载荷特征的岩相组合 (图 7-A), 该区最为发育的干净块状砂岩(岩相组合B, 图 7-B) 也应来自洪水成因。因此, 推断研究区深水背景下的重力流水道主要形成于洪水型重力流事件。关于鄂尔多斯盆地古环境研究揭示的长7段沉积时期微咸水—淡水湖泊形成于暖湿的温带—亚热带气候的认识(付金华等, 2018)也支持上述洪水成因的判断： 暖湿的气候条件易于爆发季节性洪水, 而近于淡水的河水中沉积物密度只要高于1 kg/m3便可能形成湖相异重流(Zavala and Pan, 2018)。

5.3 研究区重力流水道沉积模式

山间洪水的爆发使沉积物的动能及流体强度得到了增强, 经盆地斜坡的加速, 能量进一步增强, 近源水道具有较强的侵蚀能力, 随着搬运距离的增加导致洪水能量衰减, 水道的下切侵蚀作用也在逐渐变弱, 天然堤开始形成, 水道类型由侵蚀作用主导的侵蚀型水道向侵蚀、沉积作用共存的过渡型水道转变。水道内部发育大套厚层砂岩, 由于剪切拖曳作用, 底部常具底床载荷特征, 顶部具悬浮载荷特征, 表现为岩相组合A。内部单一水道宽度在720~1050 m之间, 厚度为1.8~4.0 m, 宽厚比在215~500之间, 单砂层减薄率为0.50％~0.71％ (复合水道Ⅲ 、Ⅳ , 表 1; 图 12-A), 几何形态呈透镜状。受天然堤限制程度较低导致水道摆动频繁, 相互切割性强, 砂体横向稳定性低, 垂向剖面上常表现为不定向叠加甚至侧向拼接样式 (图 9-B, 图 12-A)。

图 12 瑶曲铁路桥剖面过渡型(A)和沉积型(B)重力流水道沉积模式Fig.12 Sedimentary model of transitional gravity channel(A)and depositional gravity channel(B)in Yaoqu railway-bridge section

随着斜坡变缓, 洪水能量进一步的衰减, 水道逐渐失去侵蚀能力, 以悬浮沉降作用为主, 以岩相组合D为特征的天然堤沉积更为发育, 表现为沉积型水道特征。水道内充填大量砂质沉积, 常见悬浮载荷成因的岩相组合B、C。内部单一水道宽度超过1 km, 厚度为2.0~4.0 m, 宽厚比在369~709之间, 单砂层减薄率为0.28％~0.49％ (复合水道Ⅰ 、Ⅱ , 表 1; 图 12-B), 几何形态呈似板状—透镜状。砂体横向稳定性较好, 受天然堤限制程度高而表现为稳定的垂向加积样式 (图 10-B, 图 12-B)。

6 结论

1)鄂尔多斯盆地南缘瑶曲铁路桥剖面发育4期重力流复合水道和至少15期单一水道。单一水道的宽度最大1880 m, 厚度最大4 m, 宽厚比215~709。自下而上, 单一水道的宽度减小、宽厚比增大、横向稳定性减弱, 水道几何形态从似板状向微透镜状—透镜状变化。

2)研究区水道可分为过渡型和沉积型水道。除了几何形态特征的差异外, 不同时期重力流复合水道内岩相的组成也存在明显差异。其中过渡型水道内岩相呈现底床载荷与悬浮载荷共存、以底床载荷成因为主的特征; 而沉积型水道的岩相则以悬浮沉降成因为主。岩相特征与粒度分析结果表明, 研究区水道沉积主要为洪水成因。

3)建立了研究区过渡、沉积型重力流水道半定量沉积模式——随着洪水能量的衰减, 近源侵蚀型水道逐渐转化为沉积、侵蚀作用共存的过渡型水道, 过渡型水道受天然堤限制作用较弱而摆动频繁, 具有宽度小、透镜状、不定向叠加/侧向拼接样式等几何形态及水道砂体叠置特征; 随着斜坡变缓, 过渡型水道逐渐失去侵蚀能力而转变为沉积作用主导的沉积型水道, 水道受天然堤限制作用强, 具有宽度大、似板状—透镜状、稳定的垂向加积样式等特征。

致谢 本次研究过程中, 得到中国石油大学(北京)国家油气勘探重点实验室的大力支持!感谢同门李倩、吴千然、张文淼和陈连锐在问题讨论和论文撰写中提出的宝贵意见!

(责任编辑 李新坡; 英文审校 徐杰)

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