阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇构型的水槽模拟实验^*

Flume simulation experiment of architecture of braided alluvial fans under episodic flood conditions

摘要

阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇沉积演化和改造过程影响该类型冲积扇储层构型及其分布,但是该类型冲积扇构型的演化过程、形成机理和控制因素尚不清楚。本研究通过水槽模拟实验,模拟了阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇体不同地貌单元和沉积构型的演化及改造过程,研究了不同流态的阵发性洪水流体的各种建造和改造机制,明确了阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇的演化过程及构型特征。研究表明: (1)阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇的地形坡度、物源供应是影响扇体形态的主控因素。随着坡度的增加,扇体更倾向轴向生长,长宽比增大; 物源供应量增加使得扇体面积增大,但对扇体长宽比影响不大; 物源数量的增加导致扇体平面交汇区增多,单个扇体的长宽比降低。(2)洪水期和间洪期流体性质的转化是控制沉积构型的重要因素。在洪水期,扇根及扇中上部多发生席状化的片流沉积; 随着洪水的分散和强度的减弱,扇中下部和扇缘,转变为辫流沉积; 在间洪期,持续的涓涓细流在限制性的辫状水道中流动,改造前期洪水形成的洪水重力流沉积物,形成条带状的辫状河道沉积。(3)洪水期形成的片流沉积物被间洪期形成的辫状河道沉积物频繁改造和叠置,在时空上形成了阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇的复杂沉积构型。根据水槽模拟实验的结果,结合对白杨河冲积扇的野外考察和解剖,构建了阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇的沉积构型模式。该项研究不仅丰富了冲积扇的沉积学理论,完善了冲积扇的成因机理分析,而且对该类型冲积扇储集层的预测具有重要的实用价值。

Abstract

The sedimentary evolution and modification of braided alluvial fans under episodic flood conditions play a key role in shaping the reservoir architecture and distribution patterns of these dynamic systems. However,the evolutionary processes,formation mechanisms,and controlling factors of the architecture of this type of alluvial fan remain unclear. Through flume simulation experiments,this study simulated the evolution and reworking process of different geomorphic units and sedimentary architectures of braided alluvial fans under episodic flood conditions. It also investigated various construction and reworking mechanisms of episodic flood fluids with different flow states,clarifying the evolutionary process and architectural characteristics of braided alluvial fans under episodic flood conditions. The research shows that: (1)Under episodic flood conditions,the topographic slope and sediment supply are the main controlling factors affecting the morphology of the fan. As the slope increases,the fan tends to grow axially,with an increasing length-to-width ratio. An increase in sediment supply leads to an expansion in fan area but has little effect on the length-to-width ratio. An increase in the number of sediment sources results in more planar intersection areas between individual fans,reducing the length-to-width ratio of each fan.(2)The transformation of fluid properties between flood and inter-flood periods is a crucial factor controlling sedimentary architecture. During the flood period, sheet flow deposits predominantly occur in the fan apex and upper-middle parts. As the flood disperses and weakens,the lower-middle parts and fan edges transition to braided stream deposits. During the inter-flood period,persistent trickling streams flow through confined braided channels,reworking the flood gravity flow deposits formed during the previous flood period,resulting in strip-shaped braided channel deposits. The positions of transformation from sheet flow to unrestricted braided flow and from unrestricted braided flow to runoff are controlled by the flood flow velocity,sediment supply amount,and topographic slope.(3)The sheet flow deposits formed during the flood period are frequently reworked and superimposed by braided channel deposits formed during the inter-flood period,forming a complex sedimentary architecture of braided alluvial fans under episodic flood conditions in both time and space. Based on the results of flume simulation experiments,combined with the field investigation and anatomy of the Baiyang River alluvial fan,a sedimentary architecture model for braided alluvial fans under episodic flood conditions was established. This research not only enriches the sedimentological theory of alluvial fans and improves the analysis of their formation mechanisms,but also has significant practical value for the prediction of reservoirs of this type of alluvial fan.

Graphical abstract

关键词

阵发性洪水 / 辫状河型冲积扇 / 水槽模拟实验 / 控制因素 / 沉积演化 / 沉积构型 / 构型模式

Key words

episodic flood / braided alluvial fan / flume simulation experiment / controlling factor / sedimentary evolution / sedimentary architecture / architecture model

自然界冲积扇的类型多种多样, 有重力流成因的、 牵引流成因的, 还有牵引流和重力流复合成因的冲积扇及末端扇, 对于这些不同类型的冲积扇, 前人都进行了大量的详细解剖和研究, 并对其演化过程开展了物理模拟实验(张纪易, 1985; Bull, 1997; 伊振林等, 2010; 吴胜和等, 2012, 2016; 张昌民等, 2020)。 除此之外, 自然界中还存在一种阵发性洪水条件下的辫状河型冲积扇, 白杨河冲积扇就是这种扇体的典型代表之一, 这种扇体规模往往较大, 可形成大规模的油气储层, 一直是国内外学者关注和研究的热点领域之一, 其沉积演化和改造过程控制着该类型冲积扇储层构型及其分布。

笔者前期已通过对白杨河冲积扇的野外考察和解剖, 对该类型冲积扇的地貌单元、 沉积微相和不同级别的构型进行了详细研究, 并建立了其沉积构型模式(刘大卫等, 2018, 2020; 靳军等, 2019; 高崇龙等2020; Gao et al., 2020; 张月等, 2020; Liu et al., 2021; Zhang et al., 2021; 纪友亮等, 2023; 高晨曦等, 2025)。 但该类型冲积扇洪水期及间洪期地貌单元的演化过程和改造机理以及沉积构型的主要控制因素仍不清楚, 在洪水期, 冲积扇上了发育什么样的地貌单元? 间洪期又发育了什么样的地貌特征? 洪水期和间洪期交替过程中, 冲积扇的地貌单元是如何演化的? 另外, 其沉积构型的演化过程如何? 间洪期的辫状水道对洪水期的沉积物是如何改造的? 其改造机理是什么样的? 水流流量、 强度和沉积物供应量、 地形坡度、 物源数量、 沉积物粒度等是如何影响冲积扇沉积构型的?

为此, 本研究在对准噶尔盆地西北缘干旱气候下发育的白杨河冲积扇的形成背景、 地貌单元特征、 气候条件、 洪水期和间洪期沉积微相及不同级次沉积构型单元进行测量和分析的基础上, 开展了水槽模拟实验, 模拟了阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇体不同地貌单元和沉积构型的演化及改造过程, 分析了阵发性洪水条件下不同流态流体的建造和改造机制, 明确了阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇的演化过程及构型特征, 并探讨了影响其沉积演化的控制因素。根据物理模拟实验的结果,结合对白杨河冲积扇的野外考察和解剖,构建了阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇的沉积构型模式。该项研究不仅丰富了冲积扇的沉积学理论,完善了冲积扇的成因机理分析,而且对该类型冲积扇储集层的预测具有重要的实用价值。

1 模拟方案设计

1.1 模拟目标

本次模拟的目标是阵发性洪水条件下的辫状河型冲积扇洪水期及间洪期地貌单元的演化过程和改造机理以及沉积构型的主要控制因素。文中模拟了洪水期和间洪期冲积扇上的地貌特征及其差异,以及洪水期和间洪期交替过程中,冲积扇的地貌单元的演化过程、沉积构型的演化过程。另外,还模拟了水流流量、强度和沉积物供应量、地形坡度、物源数量、沉积物粒度等对冲积扇沉积构型的控制。

1.2 沉积背景和模拟参数的设置

1.2.1 沉积背景

为了探讨阵发性洪水条件下的辫状河型冲积扇的演化过程及构型控制因素,以白杨河冲积扇作为原始模型,按着一定的比例设置模拟参数,包括地形坡度、沉积物粒度、流速和流量等参数,最大限度地逼近原始沉积条件。白杨河冲积扇处于新疆中部,属于寒温带大陆性干旱—极干旱气候,平均降水量171 mm/yr,降水少且分配不均,白杨河平均流量3.60 m³/s,流速0.8~2.5 m/s,年变幅较大,每年5月至8月是白杨河流域降水最多的月份,以季节融雪和降水补给为主,形成全年枯水、中水、洪水的交替规律; 白杨河冲积扇扇面坡度较平缓,坡度为0.1%~0.7%,平均坡度0.4%~0.8%,坡度角为0.3°~0.9°(冉玲等,2010;高崇龙等,2020);沉积物主要为砾石和砂,粒度概率分布曲线有二段式、三段式、四段式以及弧形曲线(刘大卫等,2018,2020;高崇龙等,2020);白杨河冲积扇的两侧有多个平行的冲积扇体发育。

1.2.2 物理模拟实验装置及实验材料的设计

本次实验在长江大学水槽沉积模拟实验室完成,实验水槽长8.5 m,宽6 m,高0.8 m(图1),实验室设置有循环的进出水系统,水槽的底板可做任意形态的调整,以适应不同坡度和不同原始地貌和“气候”条件的实验。本次实验采用的具体装置和实验材料如下:

1)实验用砂。实验室用砂共9种,其中物源用砂为5种,粒度比白杨河冲积扇的粒度缩小10倍,单次实验混入物源为泥(<0.01 mm)、粉砂(0.03~0.1 mm)、中细砂(黄色、黑色2种)(0.1~1.6 mm)、砾石(2~10 mm),按着野外白杨河冲积扇不同岩相的粒度比例(粒度概率曲线的种类)来混合,按弧形粒度概率曲线比例配置的混合物用来模拟洪水重力流,按二段式和三段式粒度概率曲线的比例配置的混合物用来模拟牵引流,用于模拟实验中多轮次物源供给之间的隔离用砂为4种不同颜色的彩砂,包括白色、红色、绿色及黑色石英彩砂。

2)底形设计。为模拟坡度和地形条件、物源数量对阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇的演化过程及构型的控制,本次设计单物源单坡度底形、单物源多坡度底形和多物源多台阶底形(图1)。考虑到实验水槽尺度与实际冲积扇的尺度相比太小,按着白杨河冲积扇的坡度(0.3°~0.9°)来设计地形,坡度的影响效果不明显,因此坡度较白杨河冲积扇的实际坡度放大了约10倍。为模拟坡度变化对冲积扇构型的影响,水槽内设置了3级平台,不同平台坡度不同(图1-B,1-C)。多物源底形的设计是为了模拟多物源条件下,冲积扇群交汇区的构型特征。

3)物源供应设计。自然条件下,冲积扇的形成过程有洪水重力流和牵引流的共同参与,为还原真实地质条件,本次实验设置了洪水重力流和牵引流2种供源形式交替进行,洪水重力流设置在洪水期初期,牵引流设置在洪水期的中、后期和间洪期。洪水重力流为快速释放供源模式,持续时间在100~150 s,洪水重力流物源配比见表1,其比例是按重力流的上凸弧形粒度概率分布曲线的比例配置的。

1.3 物理模拟实验方案及步骤

1.3.1 沉积模拟方案及步骤

为尽可能准确模拟白杨河冲积扇的沉积过程及其发育的主控因素,共设置了14轮实验,其中一级平台7轮,二级平台7轮,每轮包含1次洪水期洪水重力流及8次洪水期和间洪期牵引流(表2)。

洪水重力流总物源量为100 L,用时90 s放完,流速控制在1.2~1.8 m/s;牵引流每轮分做8次,每次牵引流的流量由大到小,以洪水、中水、枯水的形式模拟自然界洪水期、间洪期和枯水期的沉积过程。每次的洪水、中水、枯水持续时间分别为2 min、4 min、2 min,对应的流速控制在0.8~1.0 m/s、0.4~0.8 m/s、0.2~0.3 m/s,单轮牵引流持续时间64 min,实验过程中出水口持续向外循环抽水,稳定加沙。每轮实验中以黑色/绿色彩砂作为分割线。中部Ⅱ号物源牵引流加沙过程混入白色/黄色中细砂,用以区分其他两侧物源,也便于进行分层标定。14轮实验共用时15 h 17 min,最厚区域的总沉积厚度为34 cm。

1.3.2 沉积切片方案及步骤

为了观察模拟实验形成的“冲积扇”的顺物源方向和垂直物源方向剖面构型单元的特征,设计了沉积切片方案及步骤。沉积体经过20天的晒干处理后,做了13条横剖面和15条纵剖面的切片(图2),分别以H1-H13和Z1-Z15命名,剖面的交点处以横剖面数字与纵剖面数字结合的方式命名。其中每个方块间隔50 cm。中间物源口距H13约40 cm,人字形物源口距Z15约50 cm。

2 冲积扇演化过程分析

沉积模拟实验过程中,为贴近自然界真实条件,模拟了洪水重力流沉积,洪水重力流形成的扇体紧邻坡脚发育。洪水重力流沉积阶段为冲积扇建造提供了雏形,在此基础上,冲积扇不断扩大。中部物源(物源Ⅱ)是重点研究对象。

2.1 不同物理模拟实验阶段冲积扇的形态特征

前面已经提到,水槽实验共分为2个平台,共14轮进行。其中第一平台7轮实验,第二平台7轮实验。每轮实验由1次洪水重力流沉积和8次交替进行的洪水、中水、枯水牵引流沉积完成。14轮实验中3个物源形成的扇体的长度和宽度数据如表3。 表中物源轮次的编号,是以平台编号和轮次编号相结合的命名方式做记录的,例如“2-7”代表二级平台第7轮实验结果。

从所模拟不同轮次冲积扇面积的变化(图3,1-1至1-7,2-1至2-7)和测量数据(表3)可以得知,实验过程中扇体的分布面积逐渐增大,扇体的长度也逐渐增大,每个扇体宽度虽然也呈逐渐增大的趋势,但由于物源的交汇和扇体之间的互相影响,时而出现宽度变小的情况。总体而言,每轮扇体的长度和宽度呈现增长的趋势。

2.1.1 单个扇体的形态特征及演化过程

以Ⅱ号扇体为例,在第1次洪水重力流形成的锥形朵体的基础上,洪水期水流首先沿着低地势区侵蚀锥形朵体,形成“U”形下切水道(图4-A),水道的形态与白杨河下切谷的形态很相似(图4-B)。随着水流强度的增加,漫出“U”形下切水道,形成第1个活动朵体,在活动朵体的根部形成片流带,在朵体的中部水流开始分叉,形成辫流带(图5-A)。低势区被逐渐填满之后,该活动朵体已变为高势区,水流随即改道,在其旁边的新低势区形成新的活动朵体。每个朵体的形态呈小型长条形的“枫叶状”,整个洪水期水道多次摆动,形成的多期朵体互相交叉和叠置,形成大型“枫叶状”冲积扇复合体。

扇体发育早期阶段,此时扇体较小,如I号扇体2-3期洪水期,牵引流片流呈扇形,无限制辫流呈放射状(图5-A)。而在扇体发育晚期阶段,此时扇体较大,如Ⅰ号扇体1-7期洪水期,牵引流片流呈一喇叭形,无限制辫流呈放射状(图5-B)。

在水退期或中水期,水流强度减弱,水流仅在扇面上的低洼处流动,形成辫状水道,高出水面的部分形成形态各异的心滩,水流不断地把辫状水道的中粒和细粒沉积物搬运至下游沉积。

在枯水期,水流强度进一步减弱,涓涓细流仅在1~2条水道流动,水流在辫状水道中不断地侵蚀,把细粒沉积物搬运至下游沉积。

2.1.2 多个扇体之间的互相影响

从14轮模拟实验的统计结果来看,每个扇体长度和宽度的增长都与模拟时间长度呈正相关的对数关系(图6-A,6-B),相关性均在0.8~0.9范围内。但是由于扇体之间的互相干扰,使得它们宽度的增长速度出现变化,甚至出现宽度随模拟时间变小的瞬间。从图4可以看出,在1-1时期结束时,3个物源形成的扇体已经开始交汇,其中Ⅰ号扇体展布面积最小,这是由于Ⅱ号扇体的增长占据了横向可容空间,抑制了Ⅰ号扇体宽度的增长速度,使其长度的增长速度变快; Ⅲ号扇体的展布面积最大,这是由于人字形断层对物源有良好的导流作用,使得沉积物运输距离更远,导致扇体的面积增加更快,而Ⅲ号扇体的快速增长,抑制了Ⅱ号扇体宽度的增长。在1-2时期结束时,3个扇体长度的生长速度加快,这是由于在横向上,他们互相挤压,互相叠置,导致横向可容空间降低,使得扇体更易在轴向上延展。

在1-3至1-6沉积期,Ⅰ号和Ⅱ号扇体宽度和长度的增长速度均变慢,这是由于它们在下游也开始交汇,互相挤压,使得它们在下游区的横向可容空间也减小,沉积物只能在上游区沉积,使得上游的沉积物厚度快速增加; 而Ⅲ号扇体由于没有同方向物源扇体占据可容空间,故而可以稳定增生。

在2-1至2-7期,在第二平台上,3个扇体也表现出与第一平台同样的增生规律,均为先快速增生,而后趋于稳定。在快速增生阶段,扇体的增长主要体现在面积上,在趋于稳定阶段,扇体的增长主要体现在垂向上厚度的增长。

2.2 洪水期冲积扇的演化过程和扇面地貌特征的变化

在本次实验模拟过程中,模拟了14轮的洪水期沉积,观察了洪水期冲积扇的演化过程和扇面地貌特征的变化。在洪水期发育的不同阶段,冲积扇的扇面地貌特征是不同的。

早期阶段,在初始洪水重力流形成的冲积扇雏形基础上,洪水牵引流沉积物使得扇体快速生长。洪水流携带沉积物快速地从出水口流出,其流速快、流量大,下切扇体的能力强,首先在扇根处形成下切“河道”,下切河道带占扇体总面积约为1.85%。扇根下切河道的形成,保证了输沙通道的稳定,并使得洪水流携带的沉积物能够稳步向前推进。下切河道内以涌流为主,可见水体明显的翻腾现象,以搅动沉积物和快速侵蚀底床为特征,在此区域,流体仍保持了部分洪水重力流特征。在洪水流的侵蚀作用和碎屑颗粒对底床摩擦力的双重作用下,在扇体上开始形成“U”型下切谷(图4),“U”型下切谷从活动朵体的根部,一直延伸至扇缘部位。从扇根至扇缘,“U”型下切谷深度呈现逐渐降低的趋势,宽度呈现先增宽后变窄的趋势。不同时期的朵体上的下切谷独立存在,不发生交汇或分岔。

在洪水期的高峰期和中、后期阶段,随着流体和沉积物流量的持续增加,除了扇根内带仍保留了下切水道的形态外,在扇根外带的扇面开阔处,水流和沉积物漫出“U”型下切谷,在扇面上散开,涌流现象消失,形成片状水流。由于流体快速散开,其携带沉积物的能力降低,片状水流在扇中位置加积卸载,形成片流沉积,片流带在扇面上呈“扇形”或“喇叭形”,占扇体总面积的比例为6.27%,地貌形态平坦(图5-A)。当水体继续向前流动到扇中至扇缘区时,由于坡度增加,导致水流大面积散开,不能继续维持连续的片流状态,逐步转化为无限制辫流带,即出现了河道化的特征,水流明显分岔,地貌高低不平,心滩和辫状水道相间发育,其位置和形态不固定,随时间的变化不停地迁移和变动,无限制辫状河道带占扇体总面积的比例约为18.19%。之后,水流继续前进至扇缘区,由于坡度降低,水体能量下降明显,原来的辫流水道合并为流速较低的径流水道,径流水道数量较少,多支径流水道形成了径流带,径流带占扇体总面积约为17%。同时,在扇根处,由于扇体两侧地势较低,部分水体溢出扇根水道向扇体两侧分散流出,形成了多股小型的自由分流水道。

模拟实验的观察和测量结果表明,洪水期片流带、辫流带和径流带的面积占扇体总面积的比例,与白杨河冲积扇野外考察识别出的相应沉积所占扇体面积的比例相当(高崇龙等,2020)。

2.3 间洪期冲积扇的演化过程和扇面地貌特征的变化

间洪期是冲积扇发育过程中的主要的改造阶段,在实验室模拟过程中,每轮牵引流的中水后期和枯水期沉积过程即对应了冲积扇发育的间洪期(图7)。

2.3.1 间洪期冲积扇面形态特征

由于间洪期的水流量和沉积物供应量远小于洪水期,其水流以改造作用为主,因此,间洪期的地貌特征是在洪水期地貌特征的基础上改造和增生的结果。在扇根处,间洪期扇面形态与洪水期相似,发育了主水道,但河道宽度小于洪水期下切河道带,这是由于水流强度减弱所致。河道带内的主槽间未被水流波及的部位是原来的洪水期沉积,这部分未被改造的洪水期沉积区域形成了槽间滩,其内部还保留了洪水期沉积物的特征。在片流带,间洪期水流对洪水期形成的平坦地貌进行持续侵蚀和淘洗,形成了多支辫流河道。在原来的辫流带,低势区继续发育辫状河道,高势区发育成心滩和辫状流岛。在原来的径流带,除了水流减弱、河道变窄之外,地貌特征基本没变。总之,在间洪期,扇面以多条辫状河道为主要特征,且水道的频繁迁移改道形成了不同规模的心滩,从扇中至扇缘的区域,辫流河道和心滩最发育,其发育程度向扇缘方向呈增加趋势,形成覆盖扇面的辫状河道网络(图7)。

2.3.2 间洪期冲积扇的演化过程

间洪期的水流携带少量沉积物,从出水口流出。在扇根处,水流在洪水期形成的下切河道内流动,没有分岔,形成主槽,主槽内水体能量集中,将洪水期沉积物中的细粒物质冲向下游。在扇根向扇中转化的位置,水道发生分岔,随着水体流量的逐步降低,分岔水道数量逐渐增多,但水道宽度逐渐降低(图8),分岔水道频繁改道并侵蚀凹岸,逐渐形成新的心滩,心滩在扇根至扇中处数量少,规模小,这是由于辫状水道的规模大,分岔改道不频繁所致; 向扇缘方向,心滩数量增加、规模增大,辫状水道的侧向迁移使得心滩内部形成斜层理。间洪期辫状水道扫过扇面的过程是沉积物再平衡的过程,水道将高部位沉积物侵蚀携带至低部位沉积,使得砂体内部分选及物性较洪水期更好。

间洪期内辫状水道的频繁改道是自旋回过程。间洪期形成的辫状水道在扇面的水体覆盖率较洪水期明显降低25%左右,在输沙平衡的条件下,辫状水道不再能搬运大粒径颗粒,以搬运细粒颗粒为主。

3 冲积扇体内部构型单元特征

本次实验结束后,对沉积体进行了密集的切片工作,在对剖面进行了详细的拍照和拼接后,在彩砂分隔层的标定下,进行了详细的构型解剖工作。由于沉积体厚度较自然界中沉积体厚度小,故构型单元仅能识别到5级,极少数区域可识别到4级单元。

3.1 冲积扇垂向演化规律

从图9和图10可以看出,单一冲积扇体在轴向剖面上呈楔形,扇根厚,向扇缘逐渐减薄(图9);扇体在横向剖面上呈底平顶凸的透镜状,中间厚,两侧逐渐减薄(图10)。垂向上洪水重力流沉积物、洪水期沉积物和间洪期沉积物相互叠置。由于洪水重力流分布面积小,在平面上呈舌状分布,轴向延伸距离有限,因此,在扇根至扇中区域,洪水重力流、洪水期和间洪期3期沉积物相互叠置; 而扇中至扇缘区域,主要是洪水期和间洪期沉积物的相互叠置。

从剖面上可以看出,每轮实验形成的沉积体很薄,约2.43 cm。洪水期扇根发育了分选差的块状含砾砂岩为特征的洪水重力流沉积,在扇中发育了以平行层理砂岩和含砾砂岩为主的片流沉积,在扇缘发育了底部侵蚀作用和改造作用明显的水道沉积。而水退期和间洪期,从扇根、扇中和扇缘均发育了水道沉积和心滩沉积。水道沉积在形态上为顶平底凸形,心滩沉积在形态上为底平顶凸形,心滩沉积和水道沉积相间分布。

在垂向剖面上还可以看出,洪水期沉积物分布在每一期沉积的底部,粒度较粗,水退期和间洪期分布在每一期沉积的顶部,沉积物粒度较细。从扇根向扇缘方向粗粒沉积物的含量逐渐降低,细粒沉积物的含量逐渐增加,这也证明了水体能量由近端向远端逐渐降低的总体趋势。

3.2 垂向各级次构型单元的特征

由于中部物源Ⅱ号扇体分层界限清晰,垂向变化规律完善,本研究以Ⅱ号扇体为例,进行详细的冲积扇体不同级次构型单元的解剖。通过解剖自扇根至扇缘区域的横剖面和纵剖面,能够观察冲积扇垂向构型单元特征的变化规律。

3.2.1 7级(冲积扇群)构型单元特征

14轮次实验叠合了多期的冲积扇朵体,形成了复合冲积扇群,即7级构型单元。7级构型单元在垂向上不同位置显示出了不同的构型特征。自扇根至扇缘的切物源剖面上,整体呈现出底平顶凸的透镜状形态,中间厚、两侧薄,最厚处达34 cm,最薄处约30 cm(图10)。在顺物源方向上,复合冲积扇为楔状。在扇根区域,沉积物粒度粗,以砂砾为主,向扇缘方向,粒度变细,以砂泥等细颗粒为主(图10)。

3.2.2 6级构型单元特征

6级构型单元是由单一期次的洪水期及间洪期冲积扇组成的复合体。单轮次的模拟实验模拟了洪水期及间洪期沉积叠合形成的冲积扇复合体,即6级构型单元,14轮次的彩砂界面显示了14个6级构型界面(图9; 图10)。6级构型单元最厚处约为2.43 cm,切物源剖面呈现底平顶凸的透镜体形态,顺物源剖面呈现楔形。在扇根区域,粗粒块状的洪水重力流沉积体受到了洪水期下切河道的侵蚀,洪水期下切河道又受到了间洪期的主槽侵蚀。因此扇根区域6级构型的主要特征为“顶平底凸”的间洪期主槽沉积叠加在“顶凹底凸”的洪水期下切河道沉积之上,两者又叠加在洪水重力流沉积体上。在扇中区域,粗粒沉积物含量降低,洪水重力流沉积物含量减少,以被侵蚀的洪水重力流沉积体、洪水期片流带及无限制辫流带沉积物和间洪期的辫状水道组成; 洪水期片流带沉积呈平行层理状,洪水期限制辫流带沉积物和间洪期的辫状水道沉积呈槽状层理。在扇缘区域,粗粒沉积物含量继续降低,洪水重力流沉积物消失,主要以洪水期及间洪期呈槽状层理的沉积物叠合为主。

3.2.3 5级构型单元特征

5级构型单元由单一期次洪水期沉积或单一期次的间洪期沉积物构成。实验过程中,单轮次内,洪水沉积、中水—枯水沉积分别对应着单一期次的洪水期及间洪期构型单元,由于进行了14次洪水和中水的循环,根据彩砂的出现,识别出28个5级构型界面(图9;图10),由于中水(间洪期)沉积分布局限,所以5级构型单元横向上分布不连续,在缺少(间洪期)沉积的区域,5级构型单元的界面就会与6级构型单元界面合并。在洪水重力流沉积之上,即为洪水期和间洪期的叠合沉积体,可通过砂体颜色和水道底部的冲刷面识别5级构型界面。

在扇根部位,洪水期5级构型的特征主要表现为顶凹底凸的下切河道沉积,砂体厚度为1~2 cm,宽度约为30 cm(以平面数据测得);间洪期5级构型的特征主要表现为顶平底凸的主槽和废弃主槽沉积,砂体厚度为1~1.3 cm,主槽宽度约为20 cm(通过废弃主槽测得)。

在扇中部位,洪水期5级构型的特征主要表现为平行层理发育的片流沉积,砂体厚度为2~2.5 cm,宽度约为60 cm(以平面数据测得);间洪期5级构型的特征主要表现为顶平底凸的辫状沟槽沉积,砂体厚度约为1 cm,辫状沟槽宽度约为20 cm。

在扇缘部位,洪水期5级构型的特征主要表现为顶凹底凸无限制辫流水道和径流水道沉积,砂体厚度为1~2 m,宽度为30~60 cm(以平面数据测得);间洪期5级构型的特征主要表现为顶平底凸的辫状沟槽和径流水道沉沉积,砂体厚度约为1 cm,辫状沟槽宽度约为20 cm。

4 阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇构型主控因素

为了研究阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇构型的主控因素,本研究通过水槽模拟实验,模拟了不同底形条件、不同地形坡度、不同物源供给及沉积物配比等条件下,该类冲积扇构型特征的差异,明确了其主控因素。本次水槽模拟实验设计了多级平台(图1-B)及控因变量,但加沙方式、水体流动形式等与前述综合实验保持一致,以便保持其他因素相同的条件下对控因的研究。

4.1 地形坡度对冲积扇构型的控制作用

为模拟地形坡度对冲积扇构型的控制作用,设计了3级坡折,坡度分别为2°、5°、8°(图12),实验先在第一平台进行,第一平台实验结束后,转入第二平台实验,第二平台实验结束后,再转入第三平台实验。在流体机制、物源供给、加沙方式等相同的条件下,冲积扇构型表现出不同的特征。

实验结果显示,坡度越大,越容易发育朵体和片流沉积,分支水道下切深度也越浅,单个活动朵体的长宽比越大,扇体的总体长宽比也越大(图11)。这是由于在坡度更大的地形中,沉积物冲出时的重力分力主要转化成了沉积物向远端运动的动能,而下切的动能会相应减小。

在切物源方向上,7级构型特征显示,冲积扇复合体形成的透镜体的宽度随着坡度的增加而减小(图12-A,12-B);6级构型特征显示,单一冲积扇体呈现中间厚、两侧薄的特征,但扇体向两侧减薄的角度随着地形坡度的增加而增加; 5级构型特征显示,洪水期各微相带的宽度随着地形坡度的增加而变窄(图12-C),各微相带在轴向上的长度随着地形坡度的增加而增加,下切水道的深度随着地形坡度的增加而减小(图12-D);间洪期的分支河道分岔点位置随着地形坡度的增加而向扇缘方向移动(图12-F),辫状河道弯度指数随着地形坡度的增加降低(图12-E),辫状河道的下切深度也随着地形坡度的增加而减小(图12-D)。总之地形坡度对扇体构型的影响较大,是影响冲积扇构型的主控因素。

4.2 物源对冲积扇构型的控制作用

为模拟物源对冲积扇构型的控制作用,设计了在同等条件下,物源供应量和物源数量变化对构型特征的影响。在3级坡折的条件下,分别设计相同配比下50 L、75 L、100 L、125 L的供应量。实验结果显示,物源供应量对扇体的长宽比影响较小(图13),对扇体面积影响较大,两者呈正比关系(图14)。在供应量变化时,不同级次构型单元的规模也发生变化,洪水期各微相带的宽度随物源供应量的增加而增加,同时,间洪期的辫状河道数量也随物源供应量的增加而增加。另外,无论是洪水期还是间洪期,辫状河道的下切深度都随物源供应量的增加而增加,这是因为,物源供应量的增加,增加了水动力强度,导致下切深度增加。值得注意的是,物源供应量对河道的弯度指数和分叉位置影响不明显。

5 白杨河冲积扇构型和物理模拟冲积扇构型样式的对比

根据白杨河冲积扇的构型解剖(纪友亮等,2023)和水槽模拟实验所得阵发性洪水条件下冲积扇构型解剖结果对比,确定了2者构型的异同,也明确了不同级次构型的形成演化过程。

1)二者构型的相同点。 7级构型为复合冲积扇,由多期枫叶状的6级构型冲积扇体在3维空间上连片且叠合形成; 6级构型为单一冲积扇体,由洪水期和间洪期等5级构型组成。

2)洪水期沉积构型的特征。扇根和扇中的上部区域发育了顶凹底凸形的下切河道沉积,下切水道内部为块状砂砾岩相沉积,下切水道的深度、宽度和沉积物厚度与沉积物供应量呈正相关关系,与坡度呈负相关关系。在下切水道两旁的区域,发育了片流沉积物,主要为平行层理砂砾岩相。在扇中下部和扇缘上部区域,片流转化为无限制型的辫流,沉积了无限制型的辫流带沉积物,其构型特征同样为顶凹底凸的水道中的低角度交错层理砂砾岩沉积。在扇缘的下部,辫流逐渐转变为径流,沉积了顶平底凸形态的波纹层理砂岩相,径流河道之间为泥岩相(纪友亮等,2023)。从模拟实验过程得知,片流向无限制辫流、无限制辫流向径流转化的位置,受洪水流速、沉积物供应量和地形坡度控制。

3)间洪期的构型特征。在扇根区域,限制性的涓涓细流在洪水期形成的下切河道内流动,形成了顶平底凸型的主槽沉积,但其宽度和厚度远小于洪水期下切河道沉积,其沉积物以叠瓦状的递变块状砂砾岩相为主。水流在扇根向扇中的过渡区开始大量分岔,形成了多条顶平底凸型辫流带沉积,其特征是以高角度的槽状交错层理的砂砾岩相和砂岩相为主,可以细分为辫状河道和心滩坝沉积。在扇中向扇缘的过渡区,水道的分岔进一步增多,发育了众多小规模的辫状河道和心滩坝,进入扇缘区,辫状河道消失,汇入径流带和冲积平原,径流带主要发育了河道、边滩和心滩,其沉积物为槽状交错层理和波状层理的砂砾岩相、砂岩相和粉细砂岩相(纪友亮等,2023)。

4)垂向上的特征。在垂向上洪水期沉积和间洪期沉积频繁叠置,构成了阵发性洪水条件的辫状河型冲积扇的特殊构型。

5)二者构型的差异。 白杨河冲积扇的洪水期构型和水槽模拟实验所得冲积扇的洪水期构型的差异在于,二者的体积差异太大,白杨河冲积扇可以识别出7~12级构型,而水槽模拟实验所得冲积扇得构型只能识别出7~5级,另外心滩和水道沉积在水槽模拟实验所得的冲积扇切片上不易识别。

6 结论

1)模拟实验表明: 阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇的地貌特征在洪水期和间洪期有很大差异。在洪水期,冲积扇活动朵体上形成“U”型下切谷,从扇根一直延伸至扇缘部位。在下切谷之外,靠近扇根部位地形平坦,是发育片流的位置,从扇根外带到扇中,出现多条分叉发散的辫流带,从扇中外带到扇缘,辫流带发生汇聚合并,形成几条径流带。间洪期,在扇根处与洪水期相似,发育主水道,水道(主槽)之外未被间洪期水流波及的部位保留了洪水期沉积,形成了槽间滩; 扇中至扇缘发育辫流河道和心滩,在扇缘之外汇入径流带。

2)模拟实验揭示了阵发性洪水条件下的辫状河型冲积扇的演化过程。在洪水期,洪水自出水口流出,冲积扇在洪水重力流沉积体的雏形上继续生长,在扇根处形成下切河道,随着流体向前运动到扇面开阔处,河道之外形成片流,片流沉积在扇面上呈喇叭形。当水流继续前进,流动到扇中至扇缘区,逐步转化为无限制辫流带,水体继续前进至扇缘区,能量下降明显,减弱为径流,多支径流水道形成了径流带。在间洪期,扇根处,水流在洪水期形成的下切河道内流动,没有分岔,形成主槽,在扇根至扇中位置水道发生分岔改道,随着水体流量的逐步降低,分岔水道数量逐渐增多,且水道宽度逐渐降低,分岔水道频繁改道、侵蚀凹岸,并形成心滩。

3)模拟实验的结果可以识别出单期冲积扇体。在单期扇体的洪水期,自扇根至扇缘由下切河道带、片流带、无限制辫流带和径流带组成; 在单期扇体的间洪期,自扇根至扇缘,槽流带逐渐分岔,形成限制型辫流带,限制型辫流带在扇缘下部汇入径流带。在单期扇体内,洪水期沉积物被间洪期的辫状河道改造和频繁叠置,形成了阵发性洪水条件下辫状河冲积扇的复杂构型。

4)模拟实验表明, 地形坡度、物源供应量和流量是影响阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇构型的主控因素。扇体的宽度、洪水期各微相带的宽度、下切水道的深度、片流带的长度等随着地形坡度的增加而减小; 辫状河道弯度指数、辫状河道的下切深度等随着地形坡度的增加而减小;间洪期的分支河道分岔点位置随着地形坡度的增加向扇缘方向移动。物源供应量的增加使得扇体面积增大,片流面积增大,水道的分叉增多、深度和宽度增大,但对扇体长宽比影响不大。

参考文献

[1] 高崇龙, 纪友亮, 靳军, 王剑, 杨召, 罗正江, 任影, 张月. 2020. 阵发性洪水控制的河流型冲积扇沉积特征及沉积演化模式: 以和什托洛盖盆地北缘现代白杨冲积扇为例. 石油学报, 41(3): 310-328.

[2] [Gao C L, Ji Y L, Jin J, Wang J, Yang Z, Luo Z J, Ren Y, Zhang Y. 2020. Sedimentary characteristics and evolution model of fluvial fan dominated by intermittent flood flows: a case study of Baiyang alluvial fan within the northern margin of Heshituoluogai Basin. Acta Petrolei Sinica, 41(3): 310-328]

[3] 高晨曦, 张月, 纪友亮, 周勇, 计璐璐, 刘大卫, 段小兵, 桓芝俊, 高崇龙, 郭瑞婧, 庞传猛, 孙佳, 杨栋吉, 任红燕, 郭姗姗, 刘笑语, 马铮涛. 2025. 砾质辫状河型冲积扇构型对优质储层的影响: 以准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇为例. 沉积学报, 43(1): 254-272.

[4] [Gao C X, Zhang Y, Ji Y L, Zhou Y, Ji L L, Liu D W, Duan X B, Huan Z J, Gao C L, Guo R J, Pang C M, Sun J, Yang D J, Ren H Y, Guo S S, Liu X Y, Ma Z T. 2025. Influence of architecture on high quality reservoir of gravely braided-river alluvial fan: a case study of a modern poplar river alluvial fan in the northwestern margin of the Junggar Basin. Acta Sedimentologica Sinica, 43(1): 254-272]

[5] 纪友亮, 张月, 周勇, 计璐璐, 任红燕, 郭姗姗, 高晨曦, 马铮涛, 刘笑语, 刘大卫, 段小兵, 桓芝俊, 高崇龙, 郭瑞婧, 庞传猛, 孙佳, 杨栋吉. 2023. 阵发性洪水条件下辫状河型冲积扇构型研究: 以准噶尔盆地西北缘现代白杨河冲积扇为例. 古地理学报, 25(2): 255-276.

[6] [Ji Y L, Zhang Y, Zhou Y, Ji L L, Ren H Y, Guo S S, Gao C X, Ma Z T, Liu X Y, Liu D W, Duan X B, Huan Z J, Gao C L, Guo R J, Pang C M, Sun J, Yang D J. 2023. Architecture of braided river alluvial fan under episodic flood conditions: a case study of modern Baiyang River alluvial fan in northwestern margin of Junggar Basin. Journal of Palaeogeography(Chinese Edition), 25(2): 255-276]

[7] 靳军, 刘大卫, 纪友亮, 杨召, 高崇龙, 王剑, 段小兵, 桓芝俊, 罗妮娜. 2019. 砾质辫状河型冲积扇岩相类型、成因及分布规律: 以准噶尔盆地西北缘现代白杨河冲积扇为例. 沉积学报, 37(2): 254-267.

[8] [Jin J, Liu D W, Ji Y L, Yang Z, Gao C L, Wang J, Duan X B, Huan Z J, Luo N N. 2019. Research on lithofacies types,cause mechanisms and distribution of a gravel braided-river alluvial fan: a case study of the modern poplar river alluvial fan,northwestern Junggar Basin. Acta Sedimentologica Sinica, 37(2): 254-267]

[9] 刘大卫, 纪友亮, 高崇龙, 靳军, 杨召, 段小兵, 桓芝俊, 罗妮娜. 2018. 砾质辫状河型冲积扇沉积微相及沉积模式: 以准噶尔盆地西北缘现代白杨河冲积扇为例. 古地理学报, 20(3): 435-451.

[10] [Liu D W, Ji Y L, Gao C L, Jin J, Yang Z, Duan X B, Huan Z J, Luo N N. 2018. Microfacies and sedimentary models of gravelly braided-river alluvial fan: a case study of modern Baiyanghe-river alluvial fan in northwestern margin of Junggar Basin. Journal of Palaeogeography(Chinese Edition), 20(3): 435-451]

[11] 刘大卫, 纪友亮, 高崇龙, 靳军, 杨召, 段小兵, 桓芝俊, 张月, 季梦瑶. 2020. 辫状河型冲积扇片流带特征与支撑砾岩成因研究: 以准噶尔盆地西北缘现代白杨河冲积扇为例. 沉积学报, 38(5): 1026-1036.

[12] [Liu D W, Ji Y L, Gao C L, Jin J, Yang Z, Duan X B, Huan Z J, Zhang Y, Ji M Y. 2020. Research on the sheetflow zone and frame-support conglomerate in a braided-river alluvial fan: case study of the modern poplar river alluvial fan,northwestern Junggar Basin. Acta Sedimentologica Sinica, 38(5): 1026-1036]

[13] 冉玲, 朱海江, 阿依努尔·孜牙别克.. 2010. 1962—2007年新疆塔城白杨河流域气候变化对水文情势的影响. 冰川冻土, 32(5): 921-926.

[14] [Ran L, Zhu H J, Ayinuer·Ziyabieke. 2010. Impact of climate change on hydrological regime in the Baiyanghe River Basin in Tacheng,Xinjiang during 1962—2007. Journal of Glaciology and Geocryology, 32(5): 921-926]

[15] 吴胜和, 范峥, 许长福, 岳大力, 郑占, 彭寿昌, 王伟. 2012. 新疆克拉玛依油田三叠系克下组冲积扇内部构型. 古地理学报, 14(3): 331-340.

[16] [Wu S H, Fan Z, Xu C F, Yue D L, Zheng Z, Peng S C, Wang W. 2012. Internal architecture of alluvial fan in the Triassic Lower Karamay Formation in Karamay Oilfield, Xinjiang. Journal of Palaeogeography(Chinese Edition), 14(3): 331-340]

[17] 吴胜和, 冯文杰, 印森林, 喻宸, 张可. 2016. 冲积扇沉积构型研究进展. 古地理学报, 18(4): 497-512.

[18] [Wu S H, Feng W J, Yin S L, Yu C, Zhang K. 2016. Research advances in alluvial fan depositional architecture. Journal of Palaeogeography(Chinese Edition), 18(4): 497-512]

[19] 伊振林, 吴胜和, 杜庆龙, 张保国, 岳大力, 李艳平. 2010. 冲积扇储层构型精细解剖方法: 以克拉玛依油田六中区下克拉玛依组为例. 吉林大学学报(地球科学版), 40(4): 939-946.

[20] [Yi Z L, Wu S H, Du Q L, Zhang B G, Yue D L, Li Y P. 2010. An accurate anatomizing method for structure of reservoir of alluvial fan: a case study on lower Karamay Formation,Liuzhong area,Karamay Oilfield. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 40(4): 939-946]

[21] 张昌民, 王绪龙, 陈哲, 吴涛, 张祥辉, 赵康, 黄远光, 张坦, 冯文杰, 袁瑞. 2020. 季节性河道与暂时性河道的沉积特征: 以新疆白杨河冲积扇为例. 沉积学报, 38(3): 505-517.

[22] [Zhang C M, Wang X L, Chen Z, Wu T, Zhang X H, Zhao K, Huang Y G, Zhang T, Feng W J, Yuan R. 2020. Sedimentary characteristics of ephemeral and intermittent channels: a case study of the Baiyanghe fan,Xinjiang,China. Acta Sedimentologica Sinica, 38(3): 505-517]

[23] 张纪易. 1985. 粗碎屑洪积扇的某些沉积特征和微相划分. 沉积学报, 3(3): 75-85.

[24] [Zhang J Y. 1985. Some depositional characteristics and microfacies subdivision of coarse clastic alluvial fans. Acta Sedimentologica Sinica, 3(3): 75-85]

[25] 张月, 纪友亮, 高崇龙, 靳军, 杨召, 宋万达, 白东来, 刘大卫. 2020. 冲积扇“颗粒支撑砾岩”的成因和分布及其油气地质意义. 中国矿业大学学报, 49(2): 352-366.

[26] [Zhang Y, Ji Y L, Gao C L, Jin J, Yang Z, Song W D, Bai D L, Liu D W. 2020. Genetic mechanism,distribution and significance for hydrocarbon exploration of the grain-supported conglomerate in alluvial fans. Journal of China University of Mining & Technology, 49(2): 352-366]

[27] Bull W B. 1997. The alluvial-fan environment. Progress in Physical Geography, 1(2): 222-270.

[28] Gao C L, Ji Y L, Wu C L, Jin J, Ren Y, Yang Z, Liu D W, Huan Z J, Duan X B, Zhou Y Q. 2020. Facies and depositional model of alluvial fan dominated by episodic flood events in arid conditions: an example from the Quaternary Poplar Fan,north-western China. Sedimentology,67: 1750-1796.

[29] Liu D W, Ji Y L, Gao C L, Zhong J, Qi Y. 2021. Lithofacies characteristics and sedimentary model of a gravelly braided river-dominated fan: a case study of modern Poplar River alluvial fan(northwest Junggar Basin,China). Australian Journal of Earth Sciences,68: 1179-1200.

[30] Zhang Y, Colombera L, Mountney N P, Gao C L, Ji Y L, Wu H, Du W, Liu D W, Bai D L, Song W D. 2021. Sedimentation of open-framework gravels in alluvial-fan settings: Quaternary Poplar Fan,northwest China. Marine and Petroleum Geology,134: 105376.

基金资助

*国家自然科学基金项目(42072115)

新疆维吾尔自治区“天池英才”计划资助项目共同资助。