湖水位對扇三角洲展布形態(tài)影響的物理沉積模擬研究

馮 閩，劉忠保，徐佑德，唐友軍，修金磊，胡光明，王 昕

(1.長江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430100；2.中石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院， 山東 東營 257000;3.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430100)

物理沉積模擬是基于沉積物物理沉積過程的一種人為控制的模擬方式[1]。物理沉積模擬的發(fā)展過程分為三個階段：以現(xiàn)象描述為主要內(nèi)容的初級階段、以底形研究為主要內(nèi)容的迅速發(fā)展階段、以砂體形成過程和演化規(guī)律為主要內(nèi)容的湖盆模擬階段[2-3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者胡曉玲等[4]、段華庭等[5]、呂峻嶺等[6]、Baker等[7]、Ho等[8]、Mooneyham等[9]推動了物理沉積模擬的發(fā)展。

扇三角洲是從鄰近高地推進到穩(wěn)定水體(包括海、湖)中去的沉積體[10]。前人總結(jié)了扇三角洲展布形態(tài)的控制因素主要包括古水流、古氣候、古地形等[11-13]，這些控制因素對扇三角洲沉積過程和展布形態(tài)的影響也各不相同。除了這些控制因素，湖水位高低對扇三角洲展布形態(tài)也具有重要影響，但前人對其研究較少。本文通過沉積模擬較為系統(tǒng)地研究了湖水位高低對扇三角洲形態(tài)展布的影響，以利于預(yù)測有力儲層和判斷沉積環(huán)境。

1 實驗設(shè)計

應(yīng)用沉積模擬技術(shù)，借鑒前人對準噶爾盆地瑪湖凹陷下三疊統(tǒng)百口泉組扇三角洲古地形、水動力和沉積物組成的研究成果[14-15]，參考唐勇等[16]對該工區(qū)扇三角洲的模擬，根據(jù)幾何相似、運動相似和動力相似三大原則及推移運動與懸浮運動兩大相似準則，設(shè)置底形、水動力和物源配比參數(shù)，并對實驗過程中的數(shù)據(jù)進行記錄(見表1)。

表1 實驗參數(shù)

1.1 實驗底形

實驗底形設(shè)置了導(dǎo)槽、泥砂攪拌機、攝像裝置、8°坡、湖區(qū)五部分(見圖1)。導(dǎo)槽起導(dǎo)流作用，使水流能模擬出山口入湖河流。泥砂攪拌機將碎屑物質(zhì)充分攪拌，其開關(guān)調(diào)節(jié)碎屑物釋放速度，通過導(dǎo)槽將泥砂和水輸送到坡面和湖區(qū)。湖區(qū)規(guī)模為3.0 m×2.5 m。攝像裝置負責(zé)記錄扇三角洲沉積過程，進行全程拍照、錄像。

圖1 底形圖

1.2 實驗方案

分別做三次單獨的實驗，每次實驗結(jié)束后清理底形上的砂體。每次實驗對應(yīng)的湖水位不同。每次實驗由1個高流態(tài)洪水沉積事件(重力流)和1個低流態(tài)牽引流沉積事件(牽引流)組成。高流態(tài)洪水沉積事件的物源由粗砂(含礫)、中細砂、和泥漿構(gòu)成(沉積物一共40 L)，分別模擬借鑒工區(qū)中的礫石相沉積顆粒、粗粒巖顆粒和泥巖相沉積顆粒。供源桶中泥砂在整個高流態(tài)洪水沉積事件過程中需要用泥砂攪拌機攪動。低流態(tài)牽引流改造分為中水、洪水、中水、枯水四個階段進行，模擬參考工區(qū)河流四季流量和流速變化，加入極少量中細砂，并且使用湖區(qū)循環(huán)水，保持湖水位穩(wěn)定。

2 實驗過程

當(dāng)湖水位設(shè)置為1 cm時，碎屑流從坡面迸射而下向坡底和湖區(qū)快速推進。水流攜帶碎屑物質(zhì)沖入湖區(qū)較遠處并開始沉積，砂體縱向延伸大于橫向伸展，形成條狀砂體，后砂體厚度增加，且進行橫向伸展。低流態(tài)牽引流時，發(fā)育向前主河道，雖然砂體也進行著橫向發(fā)育但速率遠不及縱向伸展，砂體展布面積不斷增加(見圖2)。

圖2 1 cm湖水位時扇三角洲沉積過程

當(dāng)湖水位設(shè)置為5 cm時，重力流快速推進，沖入湖區(qū)。泥砂沖到坡折前處開始沉積，砂體厚度不斷變大，橫向伸展和縱向伸展同時進行，最后露出水面并且向物源方向延伸。低流態(tài)牽引流時，改造區(qū)主要在砂體偏左方向，后河道發(fā)生側(cè)向侵蝕和擺動，砂體發(fā)育左右兩條主河道和許多細小分流河道。水流攜帶扇根和扇中的泥砂物質(zhì)向湖區(qū)推進，砂體此時不斷向前延伸，縱向發(fā)育大于橫向發(fā)育，但縱向發(fā)育速率較1 cm水位時小，展布面積不斷增大(見圖3)。

圖3 5 cm湖水位時扇三角洲沉積過程

10 cm湖水位時，碎屑物質(zhì)在洪水?dāng)y帶下沖向湖區(qū)，到坡折處開始沉積。砂體厚度不斷增加，露出水面后往物源方向延伸。低流態(tài)牽引流改造區(qū)主要集中在扇三角洲右側(cè)，改造區(qū)中發(fā)育許多細小河道。水流攜帶泥砂向扇體右側(cè)推進，泥砂不斷在扇體右側(cè)堆積，砂體橫向發(fā)育速率大于縱向發(fā)育，展布面積不斷增大(見圖4)。

圖4 10 cm湖水時扇三角洲沉積過程

3 實驗結(jié)果和分析

實驗結(jié)束后將水抽干，扇體完全暴露(見圖5)。受湖水位的影響，各個扇體的長寬比、面積、厚度、展布位置及前緣傾角差異明顯。

圖5 扇三角洲最終形態(tài)

3.1 湖水位影響扇三角洲長寬比

在扇三角洲長寬比變化的過程中(見圖6)，1 cm湖水位時的扇體長寬比始終最大，其次為5 cm湖水位時，10 cm湖水位時的扇體長寬比最小。所以其他條件相同，湖水位越高，扇三角洲長寬比越小，扇緣形態(tài)越平滑，湖水位與扇體長寬比成反比例關(guān)系。

圖6 扇體長寬比變化過程圖

這是因為湖水位對扇三角洲高流態(tài)洪水沉積事件時和低流態(tài)牽引流沉積事件過程中的長寬比都有影響。重力流和牽引流都受湖水頂托作用影響。湖水位越高，湖水頂托作用越強，重力流時水流攜帶的碎屑物質(zhì)越難向前推進。較高的湖水位時，牽引流河道兩側(cè)擺動速率大，側(cè)積作用強，砂體兩側(cè)沉積物較多，砂體橫向展布速率大，扇體長寬比小。

3.2 湖水位影響扇三角洲砂體展布面積和厚度

扇三角洲的展布面積和厚度是密切相關(guān)的，且都受湖水位高低的影響。在扇三角洲展布面積變化的過程中(見圖7)，同一時間點，1 cm湖水位時的扇體展布面積始終最大，其次為5 cm湖水位時，10 cm湖水位時的扇體展布面積最小。也就是說，其他條件相同，湖水位越高，扇三角洲展布面積越小，湖水位與扇體面積成反比例關(guān)系。

圖7 扇三角洲扇體面積變化過程圖

在扇三角洲厚度變化過程中(見圖8)，同一時間點，10 cm湖水位時的扇體厚度最大，其次是5 cm湖水位時，1 cm湖水位時的扇三角洲扇體厚度最小。所以其他條件相同，湖水位越高，扇三角洲扇體厚度越大，湖水位與扇三角洲扇體厚度成正比例關(guān)系。

圖8 扇三角洲平均厚度變化過程圖

這是因為湖水位越高，湖水的頂托作用越強，水流攜帶的泥砂推進距離越短，加之扇體之上可容納空間越大，利于泥砂通過重力流和牽引流在砂體之上進行新的沉積。垂向沉積活動越多，扇三角洲厚度越大。物源總量不變，砂體厚度越大，展布面積就越小。

3.3 湖水位影響扇三角洲展布位置

從圖5和圖9可以看出：當(dāng)湖水位1 cm時，砂體基本全在坡底展布，離物源較遠；當(dāng)湖水位5 cm時，砂體有一小部分在坡面而絕大部分仍在坡底展布，離物源較近；當(dāng)湖水位10 cm時，扇三角洲一半砂體都展布在坡面，離物源最近。所以其他條件相同，湖水位越高，扇體與物源距離就越短。

圖9 1 cm、5 cm、10 cm湖水位時的扇三角洲最終形態(tài)疊置圖

這是因為湖水位越高，湖岸線越靠近物源，水流攜帶泥砂受到湖水頂托的位置整體越接近物源，泥砂就會在越接近物源的地方沉積。

3.4 湖水位影響扇三角洲前緣傾角

前緣傾角是影響扇三角洲前緣穩(wěn)定性的重要因素，且跟湖水位有著密切關(guān)系。在扇三角洲前緣傾角變化的過程中(見圖10)，同一時間點，10 cm湖水位時的扇體前緣傾角始終最大，其次為5 cm湖水位時，1 cm湖水位時的扇體前緣傾角最小。也就是說，其他條件相同，湖水位越高，扇三角洲前緣傾角越大，湖水位與扇體前緣傾角成正比例關(guān)系，前緣傾角最大不會超過90°。這是因為湖水位越高，扇體越厚，前緣高差越大，扇體前緣傾角也越大。

圖10 扇三角洲扇體前緣傾角變化過程

4 結(jié) 論

影響扇三角洲沉積演化的因素很多，本實驗著重探討了湖水位這個單因素對扇三角洲展布形態(tài)的影響。實驗表明：

(1) 湖水位影響扇三角洲長寬比。較高的湖水位對河流攜帶的泥砂產(chǎn)生較強頂托力，阻止泥砂往湖區(qū)前進，使水流向扇體兩側(cè)擺動速率變大，扇體橫向展布速率變大，長寬比更小。

(2) 湖水位影響扇三角洲展布面積和厚度。更高的湖水位給沉積體提供更多垂向可容納空間，利于扇體垂向沉積，厚度更大。物源量一定，厚度更大，扇體面積相應(yīng)減小。

(3) 湖水位影響扇三角洲展布位置和前緣傾角。湖水位越高，湖岸線越靠近物源，水流攜帶泥砂受到湖水頂托的位置整體越接近物源，泥砂就會在越接近物源的地方沉積，扇三角洲展布位置更靠近物源。湖水位越高，砂體厚度越大，扇體前緣高差越大，前緣傾角也越大。