1 概述
中国油气资源以陆相碎屑岩储集层为主,河流相储集层占比高,如渤海湾盆地、松辽盆地、塔里木盆地和四川盆地等均发现了大量河流相油气储集层(胡光义等,
2014;岳大力等,
2018;李胜利等,
2022),占总开发储量的42.6%(岳大力等,
2007),具有重要经济价值与战略意义。
由于河流持续性迁移和频繁改道,沉积物的外部形态和内部结构不断变化,导致曲流河沉积结构复杂化(黄建廷等,
2022)。尽管前人采用各种手段进行研究,但曲流河内部沉积微相空间变化和叠迁样式刻画仍不够精细。露头观察仅能获取出露地表的较小范围信息,且部分地区露头风化剥蚀或变形严重(徐琪等,
2023);测井与岩心数据虽可得到较为连续的垂向地层信息,但其横向连续性差,大井距的井间推测性大(Ni
et al.,
2023);地震资料可获得连续的横向地层信息,但成像品质差、精度低,难以准确表征精细地层信息,存在多解性(张宪国等,
2022);水槽沉积模拟实验为河道迁移演化提供了依据(Bathurst
et al.,
2002;Nelson and Morgan,
2018),但由于规模较小且源-汇体系不完整,难以全面总结其规律(Lunt
et al.,
2004)。
探地雷达(GPR)具有分辨率高、无损探测且连续成像的优势,最大程度拓展了横向探测信息连续性(Gizzi and Leucci,
2018)。其纵向分辨率可以达到10 cm,解决了传统地震资料分辨率不足的问题,对于描述和解释沉积环境至关重要(Guo
et al.,
2022),同时也克服了岩心和测井资料横向不连续的局限。目前,GPR技术已经广泛应用于工程测试(Hugenschmidt,
2000;Lahouar and Al-Qadi,
2008)、考古(Himi
et al.,
2016;Malagodi
et al.,
1996)、地球物理勘探(Hickin
et al.,
2009;Beauprêtre
et al.,
2013)等浅部探测领域,充分体现了其在描述不同介质环境结构方面的巨大潜力。20世纪末GPR首次应用于曲流河沉积构型研究,获得了高分辨率剖面(Bridge
et al.,
1995)。在曲流河和辫状河的研究中,总结了河漫滩和点坝的GPR相特征并分析了在不同沉积环境下的差异(Vandenberghe and Overmeeren,
1999;Kostic and Aigner,
2007),但研究规模大,精度较低,尚未完全阐明其形成机制。GPR已被用于解释河床沉积物的非均质性和结构特征(Dara
et al.,
2019),但其复杂性和设备精度问题都制约了对其发育机理和几何形态的研究。
以平—剖对应为主线,结合GPR、现代沉积调查、无人机与遥感影像对新疆呼图壁河和额尔齐斯河砾石质曲流河段沉积物(河漫滩、废弃河道、点坝、滞留沉积)进行了详细的沉积学特征研究(
图1),总结以点坝发育为核心的沉积模式,构建砾石质曲流河地质模型,为砾石质曲流河储集层的表征和预测提供知识库。
呼图壁河位于天山中段北麓、准噶尔盆地南缘(86°05'~87°08'E),全长258 km,流域面积10 255 km
2(耿峻岭等,
2005)。额尔齐斯河位于阿尔泰山脉南麓(85°51'~91°06'E),中国境内延伸633 km,流域面积为57 000 km
2(努尔兰·哈再孜,
2022)(
图 1-a)。本次研究的GPR探测点、无人机、现代沉积信息获取位置分别位于新疆维吾尔自治区呼图壁县147县道龙王庙附近(86°48'42.56″, 44°3'34.50″)(
图 1-b,1-d)和阿勒泰市西南角(87°46'31.22″, 47°23'42.78″)(
图 1-c,1-d,1-e,1-f)。
2 方法
2.1 GPR剖面采集
GPR技术是一种利用高频电磁波来确定介质内部物质分布规律的地球物理方法,其反射波差异由介电常数差异引起,而介电常数变化与沉积物类型、纹理结构、成分和内部孔隙数量有关(Van and Schlager,
2000;Kowalsky
et al.,
2001)。
本次数据采集使用意大利IDS公司生产的RIS-K2探地雷达,共设计4个探测区(
图 1-d,1-e)。初步在点1上进行了200 MHz、400 MHz这2种不同频率测试,由于高频电磁波的波速和衰减受地下介质的介电常数影响,近地表环境中含水地层会加速GPR信号的衰减(谭绍泉等,
2003)。400 MHz成像效果较差,对沉积构造的反映辨识度有限。因此,综合考虑纵向探测深度和分辨率,最终选择200 MHz天线频率。采集时窗为128 ns,每扫采样点数为512个,通过直径50 cm的测量轮记录剖面长度。
通过人工拖行方式进行数据采集,以大约1 m/s步行速度平稳拖拽,以减少仪器跳动,确保图像清晰准确。测量轮记录仪器拖拽过程中的距离变化,以确定每条测线的长度(
表 1)。
2.2 GPR数据处理
GPR数据处理的目的是压制由地表天气、地下介质与仪器拖拽震动等因素产生的噪声,增强有效信号,提高资料信噪比,以便从数据中提取振幅、频率、相位等特征信息,帮助后期能够准确顺利开展地质解释(Gu
et al.,
2019)。
本次数据处理采用意大利IDS公司研发的GRED软件。首先进行数据的预处理,包括数据合并、剔除无效数据以及统一剖面方向。随后进行剖面数据的信号增强和噪声抑制处理,包括: 零点漂移(去除首波)、背景去噪、水平与直带通滤波处理以及线性和平滑增益。
3 结果
3.1 GPR相
GPR相类似于地震相,通过一系列属性定义(Roksandić,
1978;Sangree and Widmier,
1979),包括反射幅度、连续性、几何形状、主导频率和穿透程度等(Shan
et al.,
2015)。利用雷达地层学的目的是识别特征GPR相,并将其与特定的沉积环境相关联,进而通过GPR研究重建沉积环境(Vandenberghe and Overmeeren,
1999)。GPR相与沉积微相之间的识别需多要素约束,例如反射线的形状、倾角、空间位置和连续性等组合关系(Neal,
2004),确保GPR相与沉积微相形成良好的对应关系。
GPR成像解译中大多数界面和沉积层序与沉积物供应和可容纳空间的变化有关,这些变化与周期性、高频季节性事件(如洪水)或河流过程(如点坝迁移)有关,从而形成了典型的GPR反射结构。
本次研究共识别出4种GPR相,即GPR相Ⅰ、GPR相Ⅱ、GPR相Ⅲ和GPR相Ⅳ,分别对应4种沉积微相: 河漫滩、废弃河道、点坝、滞留沉积(
图 2)。
3.1.1 GPR相Ⅰ
在GPR剖面上整体呈现较为连续的亚平行低—中振幅反射,反射波组平行组合,偶见轻微波动,同相轴连续,厚度为0.5~0.8 m(
图 2-a)。现代沉积剖面中该相主要发育深灰色细粒岩、中砾岩包含泥砂杂基,磨圆分选较好。可见小型波状层理、水平纹层、生物活动痕迹及植物根系,发育在曲流河沉积体系最上部(
图 2-b)。露头以褐红色至砖红色泥岩和粉砂质泥岩为主,夹薄层状粉砂岩与粉细砂岩,发育平行层理或水平层理,渗透性较低(
图 2-c)。平面上呈板状,可见粒度变化(
图 2-d,2-q)。
这种GPR相特征形成主要与地下介质较为单一、密实性强有关(Rucsandra
et al.,
2001)。垂向上呈现不明显向上变细的趋势,反映了水动力条件较弱且沉积环境稳定的特征,综合分析GPR相Ⅰ为河漫滩(Wooldridge and Hickin,
2005;Yue
et al.,
2019)。
3.1.2 GPR相Ⅱ
在GPR剖面上整体呈现低振幅反射,近似顶平底凸的反射波组,内部较为连续,厚度为0.5~1 m,底部出现不连续高振幅反射(
图 2-e)。现代沉积中,此相呈正粒序结构,主要由深灰色细粒岩包含泥砂杂基组成,发育于河漫滩下部,呈不对称透镜状。以细粒沉积为主,含大块砾石,结构成熟度低,多为棱角—次棱角状,颗粒种类多,分选性差(
图 2-f)。露头呈顶平底凸状,以红褐色细砂岩为主,发育平行层理,渗透性低,底部可见冲刷面。内部砾石分选性与磨圆度较差,多呈次棱角状及次圆状,粒径大小不均,但仍有向上粒度变小的趋势(
图 2-g)。
底部不连续高振幅反映了底部沉积有较大的砾石,是阵发性高能洪水的产物。现代沉积和露头均显示正粒序结构,2D的GPR模式中上部反射更为连续(
图 2-e),揭示了沉积过程中水动力逐渐减弱和物源减少的沉积特征,综合分析GPR相Ⅱ为废弃河道(Vandenberghe and Overmeeren,
1999;Hugenholtz
et al.,
2007)。该废弃河道为“串沟截直”方式形成,这直接影响到了沉积序列,沉积序列砂薄泥厚,内部主要发育黏土和细砂沉积,底部发育略粗的中—粗砂。平面上呈狭长带状分布(
图 2-q;
图 3-a)。GPR剖面上可观察到明显的废弃河道细粒沉积物与周围沉积物的分界面(Skelly
et al.,
2003),呈现顶平底凸型(
图 2-h;
图 3-c)。
3.1.3 GPR相Ⅲ
在GPR剖面上整体呈现倾斜状高振幅反射,内部连续性好,厚度为1~1.5 m,由多个同方向倾斜的反射构成反射波组(
图 2-i),与废弃河道平面上相接。现代沉积中,该相主要发育灰色中粗砾岩包含泥砂杂基,具有向上变细的结构特点,砾石磨圆分选较好。呈叠瓦状披覆于前期砂体之上,表现出多期侧向平行发育的产状特征(
图 2-j)。其下倾方向与河流沉积体底界面相交,上倾方向延伸至地表或与更晚期的此类沉积体界面相交。
露头可见由若干侧积体组成,侧积体间发育斜交层理的泥质夹层,发育槽状交错层理和板状交错层理(
图 2-k)。剖面上GPR相Ⅲ呈现楔状,平面上呈新月形(
图 2-l,2-q),由多个向上逐渐变细的正粒序组成,揭示了水动力条件强弱频繁交替的沉积特征,综合分析GPR相Ⅲ为点坝(Yue
et al.,
2019)。
后期侵蚀出露的点坝上半部分,出露地表 1.5 m,由灰黑色、灰白色砂、砾石组成,砾石呈椭圆状,分选差。内部砾石顺层排列,发育前积纹层和板状交错层理,砾石扁平面倾向上游方向,倾角30°左右,具叠瓦状构造。前积体内部可见正粒序,反映了减小的洪水流作用(
图 4-a,4-b)。
平面上,点坝可观察到砾石呈向凹岸弧形排列(
图 4-c),指示点坝的侧向加积和向下游迁移,最终形成大型侧积纹层(
图 4-d)。点坝侧积体图像可见明显的平面粒度变化(
图 4-e)。串沟发育在点坝之上,是洪水高能特征的产物(Hagstrom
et al.,
2018),在洪水事件时冲掘形成,为辅助过水通道(王家豪等,
2018)。顺河道弧形弯曲,现正值枯水期,故干涸暴露在外。
3.1.4 GPR相Ⅳ
在GPR剖面上整体呈现倾斜状小范围高振幅不连续反射,厚度为0.2~1 m,振幅普遍高于周围连续反射波,具有突变性。GPR相Ⅳ通常在废弃河道、点坝底部(
图 2-m)。现代沉积中,此相位于曲流河沉积体系的最底部,砾石粒径大多为0.1~0.5 m,形态多样,分选和磨圆较差。大多无沉积构造,偶见叠瓦状定向排列,砾石扁平面倾向河流下游方向,长轴垂直于河流流向(
图 2-n;
图 4-c)。露头上发育在河道底部,粒度明显大于河道内部沉积物,发育冲刷面(
图 2-o)。平面上,堆积成不连续的小范围片状、厚度不均(
图 2-p,2-q;
图 4-c),综合分析GPR相Ⅳ为滞留沉积(Zuk,
2011;Korus
et al.,
2020)。
3.2 GPR剖面特征
3.2.1 点1
在点1上选取特征性GPR剖面A
1(长度31 m)与A
2(长度12 m),分别沿南北、东西2个方向采集,2.5 m以下反射杂乱已无法有效识别出沉积构造,有效探测深度2.5 m(
图 5)。
GPR剖面A
1和A
2顶部的河漫滩(GPR相Ⅰ)整体呈现低振幅反射,反射波组较为连续,少见大规模杂乱反射,厚度0.5 m,向外侧延伸。反射特征反映此沉积微相岩性相对均匀,水动力条件相对较弱,沉积环境稳定(Dara
et al.,
2019)。在河漫滩上方识别出2个小型顶平底凸的反射结构,内部连续反射,厚度为0.2~0.3 m,解释为串沟(
图 5-a)。在无人机影像上可见2条平行于河道的串沟,底部细粒沉积,上部覆盖有1层厚度不均的粗砂和细砾,为短暂高能洪水带来的(Srisunthon and Choowong,
2019)(
图 5-b)。
在GPR剖面A
1和A
2中部的废弃河道(GPR相Ⅱ),叠置在河漫滩下方,反射波组整体呈顶平底凸且内部平行,上部较下部更为连续,与周围沉积物有明显的反射界面,厚度约为1 m(
图 5-b)。GPR反射特征揭示出沉积过程中水动力逐渐减弱的特征,上部沉积物更细粒且均质(Yue
et al.,
2019)。废弃河道与周围的沉积物粒度有差别,相比上部的河漫滩粒度更大。
点坝(GPR相Ⅲ)与废弃河道相接,叠置在河漫滩下方,反射波组整体呈倾斜状,反射波组连续性好,厚度为1~1.5 m(
图 5-b)。GPR反射特征反映了此沉积微相的发育过程,洪水事件形成的侧积体呈叠瓦状侧向叠加于前一侧积体之上,组合为一个点坝(马世忠等,
2008)。
在点坝内部识别到几组小尺度、不连续、波动的反射,每组由几个不同深度的不连续波形组成,整体呈倾斜特征,在空间上呈现倾斜交替叠置。尽管这些不连续反射振幅变化复杂且范围从中到高,但其振幅通常高于其他较连续区域。对于此沉积物的识别还结合无人机影像,在影像对应位置观察到更深的颜色(
图 5-a),沉积物粒度明显也更细。分析是在每次侧积体形成的末期,水动力严重减弱时形成的,解释为低渗透侧积薄夹层(Yue
et al.,
2019)。
滞留沉积(GPR相Ⅳ)不规律分布在废弃河道和点坝底部,厚度与长度无规律。此反射特征就是在废弃河道和点坝形成过程中,因河水搬运力有限,粒度较大的砾石滞留在底部,从而在GPR剖面上识别到了与周围细粒沉积不同的高振幅反射(Smith
et al.,
2009)。
3.2.2 点2
在点2上选取典型废弃河道特征性的GPR剖面B
1(长度20 m)与B
2(长度18 m),分别沿东西、南北方向采集,有效探测深度2.5 m(
图 6)。
点2的河漫滩(GPR相Ⅰ)相较于点1,在GPR剖面图像上厚度更大且反射波组更连续,表明点2沉积河漫滩时水动力减缓趋势更慢,沉积物更多且均质(
图 6-b)。
废弃河道(GPR相Ⅱ)叠置在河漫滩下方,厚度为0.5~1 m。亚平行连续反射占主要部分,说明废弃河道的形成是逐渐的,为“串沟截直”式废弃河道(李胜利等,
2017)。河道上部沉积物的粒度变化小,观察以细砂为主,夹杂直径1~3 cm小砾石(
图 6-a)。废弃河道表面局部覆盖有5~8 cm的较大砾石,分析是在洪水事件时水位上涨导致河道被暂时重新激活,河水流经已经废弃的河道,带来砾石。河漫滩上部反射特征与废弃河道相似,表明两者沉积物粒度和均质性接近。
点坝(GPR相Ⅲ)反射波形整体反射波组连续性好,厚度大约1 m(
图 6-b,6-c)。其中内部有倾斜的连续高振幅反射为低渗透侧积薄夹层,与点1夹层相比角度稍缓,分析是沉积时水流较缓,沉积速率较慢所致。
在点坝和河道底部不规律分布的滞留沉积(GPR相Ⅳ),呈不连续高振幅反射波组,该部分与点坝和废弃河道的反射振幅有明显不同,表明粒度较大的砾石滞留在了底部(
图 6-b,6-c)。
3.2.3 点3
点3为正在发育过程中的点坝,GPR剖面C
1(长度42 m)与C
2(长度13 m),分别沿南北、东西2个方向采集,有效探测深度2.5 m(
图 7)。
GPR剖面C
1和C
2采集时河道仍有水流,探测区内含水量较高,导致雷达波穿透力降低,信号衰减影响了沉积物的探测(Neal,
2004),在成像后反射波组相较于点1和点2剖面更为杂乱。
顶部的河漫滩(GPR相Ⅰ),反射波组连续,厚度0.2~0.4 m(
图 7-b,7-c)。与点1和点2相比,点3的河漫滩厚度小且反射波组更为杂乱,表明其发育仍处在初期,沉积物厚度薄且非均质性强(齐云龙等,
2007)。
点坝(GPR相Ⅲ)同样叠置在河漫滩下方,整体中高振幅,反射波形整体呈倾斜状,厚度约1.5 m。在GPR剖面C
2中可观察到几组连续性较好的高振幅反射波组从左至右规律出现(
图 7-c),在现代沉积中可见粗粒和细粒交替沉积,体现出明显的韵律性(
图 4-e),细粒沉积解释为低渗透侧积薄夹层。
底部的滞留沉积(GPR相Ⅳ)分布在点坝底部,呈几组不连续的高振幅反射,形状与大小不一(
图 7-b,7-c)。相较于点1,点3滞留沉积反射波组更连续且范围更大,分析是由于点3处洪水事件水量更大且持续时间更长,导致粒径更大的砾石排列规则并更连续。
3.2.4 点4
在点4上选取特征GPR剖面D
3(长度154 m)与D
5(长度79 m),分别沿南北、东西2个方向采集,有效探测深度2.5 m(
图 8)。
点4识别的河漫滩(GPR相Ⅰ)发育厚度约0.5 m,与其他探测点相比较,出现了更明显的波动,说明点4河漫滩沉积时发生水位突然增加事件,导致沉积物均质性降低(
图 8-b)。
废弃河道(GPR相Ⅱ)识别厚度约1 m。反射波组整体呈顶平底凸且内部也呈现出类似形状反射线,与周围沉积物有明显的反射界面(
图 8-b,8-c),说明沉积时有不同水动力,导致与周围沉积物有粒度差异(Yue
et al.,
2019)。
GPR剖面上识别的点坝(GPR相Ⅲ)与废弃河道相接,反射波形整体连续性好,厚度1~1.5 m。在其内部也识别到一定角度的连续高振幅反射,解释为低渗透侧积薄夹层。剖面D
3识别出的点坝有明显的厚度差异,分析在其沉积时因为水流量的不同,使得水动力大小不一,进而影响了沉积物总量和沉积厚度(
图 8-b)。
在点坝和河道底部不规律分布的滞留沉积(GPR相Ⅳ),呈不连续高振幅反射波组。在废弃河道的外侧出现异常的大范围高振幅反射,此处为基岩,砾石磨圆差、粒度差异大,未经过河流的沉积分异作用(
图 8-b,8-c)。
3.3 曲流河的平—剖结构表征
利用Google Earth获取的额尔齐斯河曲流河段1988—2024年观测点5(47°23'42.78″N, 87°46'31.22″E)(
图 1-f)发育过程遥感影像(
图 9),从中可分辨出活动河道、点坝的平面结构,再结合前文利用GPR得到的曲流河内部沉积构造,对点坝叠迁过程进行研究,进而总结曲流河发育规律。平面结构表征参数用于定量描述点坝叠迁的地貌形态(Deb
et al.,
2012;姚宗全等,
2020),选取了弯度(
S,Sinuosity),曲率(
C,Curvature)及扩张系数(
E,Expansion index)对点坝进行量化与表征。
弯度(S): 用于表征河道弯曲程度,河道长度与河谷长度的比值,其公式可表示为: S=L/AD,式中: L=A 为河道的长度,AD为河谷的长度;
曲率(C): 用来表征河道的弯曲程度。其公式可为: C=1/R,式中: R为河道弯曲半径;
扩张系数(E): 用来表征河道的扩张收敛情况。E>1,说明河道处于扩张期; E<1,说明河道处于收敛期。其公式为: E=AD/2R。
对观测点5(1988—2024年)的河道平面结构表征参数、点坝宽度、河道数量进行测量与统计(
表 2),量化其发育规律性。
阶段Ⅰ为1988年观测点遥感影像(
图 9-a),活动河道弯曲程度较小且处于扩张期,点坝呈现对称状。
阶段Ⅱ为1999年观测点遥感影像(
图 9-b),活动河道弯曲程度逐渐变大且处于扩张期,但扩张系数减小。点坝弯曲顶点逐渐远离弯曲带轴线,开始呈现出不对称状。点坝上游和下游不断扩张,靠近河道处变宽。
阶段Ⅲ为2007年观测点遥感影像(
图 9-c),活动河道弯曲程度逐渐变大且处于扩张期,扩张系数减小。点坝弯曲顶点更加远离弯曲带轴线,呈现不对称状,点坝上游和下游更加扩张。
阶段Ⅳ为2013年观测点遥感影像(
图 9-d),新增1条河道,新的活动河道发育在旧的点坝上。活动河道1为旧河道,弯曲程度逐渐变大且处于扩张期,扩张系数继续减小。点坝呈现不对称状; 活动河道2为新发育的河道,弯曲程度大且处于扩张期,但扩张系数较小。
阶段Ⅴ为2018年观测点遥感影像(
图 9-e)。因为阶段Ⅳ新河道的生成,导致旧河道水流量大幅度减少,活动河道1扩张系数减小至趋近于1,点坝几乎没有进一步发育,从而进入平稳期。
阶段Ⅵ为2024年观测点遥感影像(
图 9-f),发育3条活动河道。活动河道1弯曲程度减小且处于扩张期,扩张系数又进一步增大。点坝弯曲顶点远离弯曲带轴线,呈现不对称状发育; 活动河道2为最新冲掘出的河道,河道弯曲程度小且处于收敛期; 活动河道3弯曲程度大且处于收敛期。
从阶段Ⅰ到阶段Ⅳ活动河道曲率(C)持续增加,扩张系数(E)均大于1但逐渐减小。表明1988—2013年水流量呈下降趋势,使得点坝侧积速度逐渐减缓。阶段Ⅳ发育了1条新的河道,分析在2013年水流量突然增加,导致水流在原有点坝上冲掘出新的河道。阶段Ⅳ到阶段Ⅴ,2条活动河道继续发育,旧河道扩张系数进一步减小,新河道扩张系数逐渐增大。阶段Ⅴ到阶段Ⅵ降水量增加,在2条旧河道中间冲掘出1条新河道。最初河道扩张系数E>1,表明点坝可能在后期会继续发育。而后发育的2条河道扩张系数E<1,点坝发育缓慢甚至停止。由此总结规律: 当河道曲率C>0.4,扩张系数E>1并增大时,点坝会扩张旋转发育; 扩张系数(E)减小并趋近于1时,点坝发育会减缓并呈对称发育; 当河道曲率C<0.4,扩张系数 E<1 时,点坝发育缓慢接近停止。
4 讨论
4.1 砾石质曲流河沉积特征
研究区点坝上部细粒沉积占较小比例,底部与顶部粒度变化显著,具有典型正旋回序列。理想的完整韵律层从物质成分组合顺序上应该是砾—砂—泥(钟建华等,
2002),但通过研究区点坝的现代沉积观察显示,很多韵律是不完整的,缺少砂或泥,甚至部分完全由砾石组成,表明此次研究的曲流河段为砾石质的。形成这种现象与水动力和物源密切相关: 水动力较强,且物源以砾为主(秦国省等,
2018),导致研究区形成了这种以砾石为主的韵律层。
点坝内部观察到砾石分选差和分期沉积现象,单层韵律厚约1 m,砾石呈一定倾角排列(
图 10-a,10-b)。GPR图像上可见粒度变化的接触面表现为高振幅反射(曹淞等,
2016)(
图 10-c)。此现象的形成原因是一次洪水事件高峰期带来粒度最大的砾石,加之河水淘洗作用,导致底部的细粒泥沙很少(王昊等,
2021)。随着洪水逐渐消退,水动力逐渐变弱,沉积下来的砾石粒径也逐渐减小,从而形成了这种正旋回韵律(石雨昕等,
2019)。
4.2 点坝与废弃河道成因机制
GPR剖面中观察到的点坝通常位于河道附近,并表现出相同的倾角方向。这表明点坝的形成与河道的横向迁移密切相关(Kostic and Aigner,
2007;Hickin
et al.,
2009;Yue
et al.,
2019)。
点坝粒度和侧向迁移导致了曲流河沉积体系的复杂性(Dara
et al.,
2019)。以点4(
图 1-e)为例,砾石质曲流河河道蚀凹增凸的侧积作用主要发生在洪水事件时(Davies and Gibling,
2010),点坝叠迁样式随着此过程而发生演变。水流呈螺旋状前进,表流的主流线靠近凹岸(
图 11-a),受惯性作用影响,在凹岸产生壅水现象,而后一部分水流受阻形成底流,侵蚀河底(姚宗全等,
2020)。同时,水流从凹岸流向凸岸,河道内的主水流产生郎缪尔环流(Nanson,
1980)。在这种不对称环流作用和剪切应力作用下,凹岸垮塌,坡度变陡(Hickin,
1974),凸岸流速减缓,底负载在主应力带迅速沉积,最终形成点坝(
图 11-b)。
废弃的河道在探地雷达剖面上通常表现为顶平底凸、孤立、对称或不对称的特征(Kostic and Aigner,
2007)。废弃河道内的反射通常很弱,而与周围的沉积物呈现出清晰的界面(Hickin
et al.,
2009;Srisunthon and Choowong,
2019)。由于离心力及惯性作用影响,河水在河道弯曲部分侧向迁移活动加剧(Yao
et al.,
2018),河道弯曲度增大,导致在洪水高峰期,弯曲部分改道,形成新的河道,而弯曲部分遗留下来,成为废弃河道(李华等,
2011)(
图 11-a)。河道废弃,侧积作用才停止,点坝发育才结束(程岳宏等,
2012)。只有在洪水高峰期会有少量水流从废弃河道通过,废弃河道内水体能量较弱(周新茂等,
2010),以悬浮组分为主、夹杂少量跳跃组分的细粒沉积,导致废弃河道沉积粒度比周围沉积物粒度细(孔凡立等,
2012)(
图 11-b)。
4.3 砾石质曲流河沉积模式与三维地质模型
结合GPR获取的内部特征、现代沉积观察、无人机与遥感影像,总结砾石质曲流河多期次综合沉积模式:
滞留沉积(涨水期): 流速接近最大,在横剖面上河道和点坝底部常见冲刷面,上次落洪后期形成的泥质夹层也常被冲蚀。因流速最大,水动力强,携带颗粒最粗,当流速稍有降低时,最粗的滚动负载(砾石)沉积于河底或点坝底部,构成砾石为主的滞溜沉积。
点坝下部(落洪初期): 发育位置逐渐偏向凸岸,水体变浅,水动力降低但仍很大,最粗的滚动负载(砾石)和跳跃负载中的最粗组分(粗—中砂)成为主体沉积物,由于螺旋底流与最大流速方向存在一定夹角,易形成槽状交错层理,由此构成槽状交错层理砾石—粗砂岩岩相的下点坝底部沉积。
点坝上部(落洪中期): 水动力进一步减弱,跳跃负载中的较粗组分(中砂)按机械分异作用也逐渐沉积于滞留沉积和点坝之上。在横剖面上,沉积物向凸岸方向的粒度、层理规模逐渐变小,形成中型槽状交错层理的中砂岩岩相的点坝上部沉积。
河漫滩(落洪后期和枯水期): 水位下降至最低,流速最低,水动力弱,跳跃负载中的细粒组分(细—粉砂)和悬浮泥质沉积下来,横剖面上形成小型波状层理或水平纹层粉砂岩或泥岩岩相的河漫滩沉积。
从河道底部向上河水渐浅、流速渐降,水动力减弱,导致沉积粒度渐细,主要沉积负载由滚动变为跳跃再到悬浮。垂向上形成的沉积层理类型与规模渐变,而在不同部位形成不同岩相。横向上单一洪水事件从涨洪—落洪—枯水期分为不同时期,每一时期都具有相似水动力特征,并在横剖面上形成了相似的层理类型和沉积物。
结合以上研究,确定砾石质曲流河河漫滩、废弃河道、点坝、滞留沉积在三维空间中的构型,其中包括形态、规模、方向、叠置关系,建立三维地质模型(
图 12-a,12-b)。
利用点4测得的7条GPR剖面建立网格(
图 12-c),东西方向的3条GPR剖面上废弃河道向西迁移,废弃河道的宽度有所增加,反射特征相似; 南北方向的4条GPR剖面可观察到河道底部边界的反射特征,相较东西剖面整体更为连续。GPR三维模型中可以观察到废弃河道呈顶平底凸状,与周围沉积物边界有明显反射特征,废弃河道被点坝所包围,侧积体反射波组呈倾斜状(
图 12-d)。
5 结论
1)利用GPR技术识别出连续的亚平行低—中振幅反射、连续的顶平底凸型低—中振幅反射、连续倾斜中—高振幅反射以及不连续倾斜高振幅反射4种GPR相,分别对应4种沉积微相(河漫滩、废弃河道、点坝、滞留沉积)。
2)通过遥感历史影像定量计算,发现曲流河曲率(C)和扩张指数(E)与点坝迁移具有良好的相关性。当河道曲率C>0.4,扩张系数E>1并增大时,点坝发育会扩张旋转; 扩张系数(E)减小并趋近于1时,点坝发育会减缓并呈对称; 当河道曲率C<0.4,扩张系数E<1时,点坝发育缓慢接近停止。
3)总结了点坝垂向和横向沉积特征演变和交互作用的多期次沉积模式,阐明了涨水期、落洪初期、落洪中期及落洪后期和枯水期的沉积地质响应与产物; 建立了砾石质曲流河三维地质模型,为相似沉积环境下的储层预测提供指导。
*国家自然科学基金(41902109)
新疆维吾尔自治区天山英才项目(2023TSYCCX0002)
京公网安备11010202008535号
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