永定河沉積特征研究

鄧皓勻，吳勝和

（中國石油大學(xué)，北京102249）

0 引言

永定河是華北海河水系的最大支流，全長(zhǎng)548 km，流域5.08×104km2.由于河流遷徙、容易堆積，受北西向兩組基巖斷裂及大興凸起的控制，曾多次擺動(dòng)遷移，連接了延慶盆地和北京平原.永定河上游三家店至蘆構(gòu)橋段屬?zèng)_積扇區(qū)高坡降辮狀河，流程11 km，坡降4%.中下游蘆溝橋至西麻莊為沖積平原區(qū)低坡降辮狀河，流程36 km，坡降0.77%.

近年來，國內(nèi)外對(duì)辮狀河儲(chǔ)層沉積特征的研究逐漸地傾向于對(duì)現(xiàn)代沉積和古代露頭的研究［1-4］.國內(nèi)對(duì)于永定河的現(xiàn)代沉積研究成果也越來越多.2004年，李樹德等［5］研究了永定河古河道后指出，對(duì)于每一個(gè)沉積旋回，不但在垂向上從下至上沉積物顆粒具有明顯的由粗到細(xì)的特征，而且在水平向上沉積物顆粒也具有從上游至下游由粗變細(xì)的特征.張春生等［6］根據(jù)湖盆模擬分析了辮狀河砂體的展布特征.廖保方等［7］對(duì)中國永定河進(jìn)行了剖析，分析了辮狀河現(xiàn)代沉特征并總結(jié)了相模式.

河流相儲(chǔ)層占我國東部油氣儲(chǔ)層的一半以上，因此研究河流相儲(chǔ)層具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.但國內(nèi)對(duì)辮狀河的研究多立足于油田實(shí)際，而基礎(chǔ)性的研究較少.永定河作為中國華北平原重要的辮狀河流，在門頭溝-盧溝橋段和盧溝橋-河北固安縣2個(gè)河段具有明顯的沉積差異，因此分析永定河不同河段的沉積差異及其形成機(jī)理，對(duì)比不同類型辮狀河的沉積特征，能夠豐富辮狀河沉積的原型模型，為我國河流相儲(chǔ)層的油氣開發(fā)提供參考依據(jù).

本文選取了位于永定河上游的下葦?shù)槎魏臀挥谙掠蔚木┝脊窐蚨芜@2個(gè)重要采樣點(diǎn)（圖1），通過研究對(duì)比不同河段的粒度、層理及垂向?qū)有?個(gè)方面，分析永定河的沉積特沉及其控制因素.

1 永定河不同河段的沉積特征分析

1.1 粒度分析

了解永定河上、下游的粒度大小和粒度分布，可以進(jìn)一步分析永定河沉積能量以及水動(dòng)力條件，由此對(duì)比不同河段的沉積差異.

永定河上游下葦?shù)閰^(qū)屬于永定河古河道，該處出露的地層以較粗的辮狀河沉積為主，可見大小迥異的鵝卵石，巖性豐富，有變質(zhì)巖、沉積巖和巖漿巖.沉積剖面以礫石和砂質(zhì)沉積為特征，巖性粗，砂泥比值高.泥質(zhì)夾層較少，為典型的礫包砂形式.上游粗礫見圖2.

永定河下游的京良公路橋下的永定河古河道里幾乎看不到礫石層，整體為黃色砂泥巖（圖3），只能偶爾看到一些磨圓較好的礫石夾雜在砂巖層中間.河道里的砂巖層巨厚，幾乎整體都是砂巖層，其分選、磨圓非常好.整個(gè)沉積區(qū)沒有明顯的二元結(jié)構(gòu)，但是仍能觀察到上細(xì)下粗的總體特征.沉積區(qū)整體為黃色砂泥巖，局部含有少量礫石.

通過上述分析可知，從永定河上游到下游，巖石的粒度有明顯的遞減現(xiàn)象，即上游的沉積物粗，下游則較細(xì).從成因上說，上游段永定河剖面沉積旋回的最底部為粗礫到巨礫，礫石磨圓較好，為次磨圓，向上逐漸變細(xì).由于處于河流上游，流水速度較快，由密度很高、毫無分選的沉積物組成重力流沉積而成.旋回中的礫石排列傾向一致，可判斷古水流的方向.京良公路橋段由于水流減慢，坡度較緩，物源距離較遠(yuǎn)，懸浮搬運(yùn)的細(xì)粒物質(zhì)逐漸沉積下來.在洪水期，可見磨圓較好的粗粒物質(zhì)沉積.

1.2 層理特征

永定河的現(xiàn)代沉積雖未成巖，但已可見清晰的層理.由于上游下葦?shù)樗畡?dòng)力條件較強(qiáng)，主要沉積為礫石，層理以塊狀為主.而中下游的永定河水動(dòng)力條件相對(duì)較弱，主要發(fā)育中、粗砂巖，有豐富的層理類型.其中，大型槽狀交錯(cuò)層理、大型板狀交錯(cuò)層理及平行層理數(shù)量較多.可見上攀交錯(cuò)層理、板狀交錯(cuò)層理、遞變層理及豐富的底礫石沖刷面.

1.2.1 永定河下葦?shù)槎?/p>

位于永定河上游，其層理剖面（圖4）高約11.50 m，剖面中主要以礫石的正遞變?yōu)橹?每一個(gè)旋回間夾有薄層的泥質(zhì)和砂質(zhì)，發(fā)育有小型的平行層理和槽狀交錯(cuò)層理.每一個(gè)旋回的厚度為2.5～3 m，旋回的最底部為粗礫到巨礫，礫石磨圓較好，為次磨圓，向上逐漸變細(xì).旋回中的礫石排列傾向一致，可判斷古水流的方向.

該剖面整體為均質(zhì)層理，泥砂礫混雜，組分和結(jié)構(gòu)沒有明顯分異現(xiàn)象.由于處于河流上游，流水速度較快，則由密度很高、毫無分選的沉積物組成的重力流沉積而成.剖面中的礫石組合為典型的下粗上細(xì)的辮狀河垂向序列，下部有小型的槽狀交錯(cuò)層理發(fā)育，以粗砂巖和礫質(zhì)砂巖為主，上部可見平行層理.由于剖面被破壞，所以該點(diǎn)未能仔細(xì)觀察層理的類型及其形態(tài).

1.2.2 京良公路橋段

位于永定河下游，剖面較豐富，可見保存良好的平行層理和槽狀交錯(cuò)層理單獨(dú)出現(xiàn).層理內(nèi)部可見小的粒度旋回，說明在大的水動(dòng)力條件不變的情況下，有小的水流變化.

1）大型槽狀交錯(cuò)層理-平行層理剖面組合

圖5所示為京良公路橋段層理剖面組合.該點(diǎn)的槽狀交錯(cuò)層理和平行層理交互出現(xiàn)，向上粒度有規(guī)律地變化.槽狀交錯(cuò)層理層系角度大約15°.在不同的層理之間，可見一層薄的礫石沖刷面.由交錯(cuò)層理與平行層理的頻繁變化以及多層礫石沖刷面的存在，可知此處有多起洪水作用，并且水動(dòng)力條件有明顯能量強(qiáng)弱的交替變化和沖刷作用.

2）板狀交錯(cuò)層理-槽狀交錯(cuò)層理-平行層理剖面組合

圖6為京良公路橋段板狀交錯(cuò)層理-槽狀交錯(cuò)層理-平行層理組合剖面圖.該剖面中下部的板狀交錯(cuò)層理和槽狀交錯(cuò)層理由中粗砂組成，上部的平行層理由中細(xì)砂組成，可見一些細(xì)礫懸浮其中.由中下部向上粒度逐漸變細(xì)，層理規(guī)模減小，表現(xiàn)為正韻律特征.層理中間的底礫石沖刷面，代表著水動(dòng)力條件的改變.

3）上攀交錯(cuò)層理-平行層理剖面組合

上攀交錯(cuò)層理是砂波遷移的產(chǎn)物.此處的上攀交錯(cuò)層理發(fā)育規(guī)模不大，但可見清晰的層系界面.層系傾角約17°，紋層斜交于層系界面，大約呈水平方向.下覆平行層理，紋層有較小的傾角（圖7）.

該剖面由中細(xì)粒砂組成，上部被破壞，但可見小的遞變層理，沖刷面清晰.下部平行層理代表著急流環(huán)境，流水能量較高，沉積較厚，占整個(gè)剖面的1/2.向上過渡為上攀交錯(cuò)層理，形成于搬運(yùn)水流的懸浮載荷與低載荷比率近于相等時(shí).上部的遞變層理沉積較薄，礫石懸浮于中細(xì)粒砂中，向上逐漸變細(xì)，可能由重力流沉積形成.該剖面的形成環(huán)境由河道的高能環(huán)境逐漸變?yōu)闈崃鞒练e環(huán)境或河流的邊灘上部、泛濫平原等，具體尚需進(jìn)一步探究.

4）遞變層理

圖8為遞變層理剖面圖.該剖面的遞變層理層系厚度在5 cm左右，全層均有細(xì)粒物質(zhì)分布，粒度向上均勻變細(xì)，由中礫到細(xì)礫到中粗粒的砂，可見5～6層的旋回.粒度變細(xì)，反映水動(dòng)力條件的周期性減弱.

1.2.3 層理成因分析

1）地域成因：上游常見粗礫石印證了其于物源區(qū)較近的特征，而下游由于搬運(yùn)作用在交錯(cuò)層理底界面，可見明顯的底礫石沖刷面.

2）環(huán)境成因：平行層理主要發(fā)育在砂巖中，由于在平坦砂床上連續(xù)滾動(dòng)的沙粒產(chǎn)生粗細(xì)分離而顯現(xiàn)的平行紋層形成，槽狀層理是由于砂體在陡坡加積作用一側(cè)形成了由一系列紋層組成的斜層系，斜層理互相切割形成了槽狀交錯(cuò)層理.

2 垂向?qū)有蚍治?/h2>

從永定河沉積體沉積物特征、垂向砂體組合及粒度分析可以看出，永定河沉積體在不同河段表現(xiàn)出不同的沉積特征.辮狀河河床寬淺，河道反復(fù)分叉合并，受不穩(wěn)定水流作用河道易廢棄改道，所以觀察區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育河床亞相.根據(jù)其沉積特征，可進(jìn)一步劃分為河床亞相的2個(gè)微相：河床滯留沉積和心灘微相.

2.1 下葦?shù)椴课怀练e剖面分析

永定河上游下葦?shù)椴墒悠拭鏋榻拼怪彼鞣较虻钠拭妫鐖D9所示.在垂向上表現(xiàn)為兩期沉積，單一期次表現(xiàn)為二元結(jié)構(gòu).

第一期沉積表現(xiàn)為河床亞相的心灘微相.其主要以粗砂、細(xì)礫巖為主，心灘內(nèi)部發(fā)育局部連片的粉砂巖薄層，側(cè)向延伸距離短，一般5～10 m.心灘形成后，沖刷面由礫石等粗碎屑物質(zhì)為主填充覆蓋至第二期沉積.在此期間由于河床中水流的選擇性搬運(yùn)，將呈懸浮搬運(yùn)的細(xì)粒物質(zhì)帶走，而將上游搬來的或就近側(cè)向侵蝕河岸形成的礫石等粗碎屑物質(zhì)滯留在河床底部，進(jìn)而演變?yōu)楹哟矞舫练e.

第二期底部主要由砂礫巖構(gòu)成，厚度較大，屬于河床底部滯留沉積.礫石分選差，粒度2～20 cm，磨圓較差，為次棱角狀.礫石整體呈疊瓦狀排列，且向上粒度逐漸變小.二元結(jié)構(gòu)的頂部為灰黃色的粉砂質(zhì)黏土，局部含有少量的泥巖層.粉砂質(zhì)黏土層厚度較小，屬于泛濫平原沉積，主要是大量細(xì)粒的懸浮物質(zhì)在洪泛期垂相加積作用形成.

永定河在下葦?shù)槎蔚拇瓜驅(qū)有蛏暇哂幸韵绿攸c(diǎn).

1）相比于曲流河的二元結(jié)構(gòu)，其底層粗粒發(fā)育良好，厚度較大，而頂層細(xì)粒發(fā)育厚度較小.

2）地層沉積的粒度粗，成分和結(jié)構(gòu)成熟度較低，發(fā)育砂礫巖.

2.2 京良公路橋段沉積剖面分析

第一期沉積主要為薄層粗礫以下厚層泥質(zhì)沉積.第二期沉積由礫石填充之后，層理主要為槽狀交錯(cuò)層理和平行層理交互出現(xiàn)，巖性以中細(xì)粒為主的沉積組合.向上粒度有規(guī)律地變化.在不同的層理之間，可見一層薄的礫石沖刷面.由交錯(cuò)層理與平行層理的頻繁變化以及所觀察到的多層的礫石沖刷面，可知此處有多起洪水作用，并且水動(dòng)力條件有明顯能量強(qiáng)弱的交替變化和沖刷作用.

永定河在京良公路橋段的垂向?qū)有蛏暇哂幸韵绿攸c(diǎn).

1）發(fā)育由河道遷移形成的各種類型層理，如明顯的平行層理、巨型槽狀交錯(cuò)層理及單組大型板狀交錯(cuò)層理.

2）相比于曲流河不發(fā)育邊灘沉積，但廣泛發(fā)育心灘沉積.

3 沉積特征的控制因素

3.1 物源距離

永定河上游下葦?shù)槎闻c下游京良公路橋段直線距離32.2084 km.下葦?shù)槎挝挥诒本┦虚T頭溝區(qū)妙峰山，屬于上游山區(qū)，離物源較近.物源主要為大塊的礫石，礫石成疊瓦狀排列，指示水流方向.下游京良公路橋段離物源遠(yuǎn)，水動(dòng)力條件較弱，粗大礫石在中上游沉積下來，下游主要為中細(xì)粒的砂.

3.2 坡度

上游下葦?shù)槎魏０屋^高，坡降較大，為4%，四周地形較陡，水淺流急，有利于大型礫石的沉積及上粗下細(xì)的二元結(jié)構(gòu)的形成.下游京良公路橋段海拔較低，坡降較小0.77%，四周地形開闊平緩，水深流緩，有利于中細(xì)粒砂的沉積及中小型交錯(cuò)層理和遞變層理的的形成.

4 結(jié)論

1）永定河上游至下游沉積特征存在的差異如下.

①從粒度上來說，由上游大部分的礫石沉積變?yōu)橄掠沃屑?xì)砂的沉積.

②從層理上來說，上游段整體為均質(zhì)層理，發(fā)育有大型的平行層理和交錯(cuò)層理的旋回變?yōu)橄掠涡⌒徒诲e(cuò)層理和遞變層理的組合.

③從垂向?qū)有蛏蟻碚f，上游底部為粗砂細(xì)礫組成的心灘亞相，上部為粗粒組成的河床滯留沉積.下游多為各種小型層理的組合，沉積物分選及成熟度較高.

2）永定河上游至下游沉積特征的差異受到物源距離和坡降的影響.

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