冲积扇发育过程中砾石颗粒对砂坝和沟流的控制作用——基于冲积扇水槽模拟实验

石若峰，刘忠保，冯文杰

（1.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100；2.中国石油大学地球科学学院油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

冲积扇发育过程中砾石颗粒对砂坝和沟流的控制作用
——基于冲积扇水槽模拟实验

石若峰1，刘忠保1，冯文杰2

（1.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100；2.中国石油大学地球科学学院油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249）

通过观察和记录冲积扇自旋回沉积模拟实验，研究在冲积扇的发育过程中，砾石颗粒对冲积扇在沉积过程中的控制机理。研究表明：在同一期洪水期的中期—后期，在冲积扇扇根片流带中，沟流发育的优势方向与砾石颗粒初期分布有着重要关系，同时砾石颗粒的分布还控制着沟流改道；在冲积扇的扇中发育过程中，由于砾石颗粒是在牵引流的搬运作用下运动，因此对沟道的控制作用便更多体现在对沟道形态的改造与砂坝的形成上。通过对比冲积扇剖面中出现的多期辫流水道叠置、砂坝和沟道的分布状态，就能够验证实验过程中冲积扇表面发生的现象。在实验过程中，冲积扇形成的规模是与碎屑流的动力、携带沉积物和沉积时间呈正比关系。在碎屑流的动力与携带的沉积物相对没有变化的稳定期内，扇根的砂坝与沟流、扇中的沟道都与砾石颗粒的作用密切相关。

砾石颗粒；冲积扇模拟实验；沟流成因；片流；碎屑流

0 引言

冲积扇在空间上是一个沿山口向外伸展的巨大锥形沉积体，锥体顶端指向山口，锥底指向平原，其延伸长度可达数百米至百余公里［1-18］。冲积扇发育因素［2］受到流域/构造活动和基准面等多种因素共同的影响。对冲积扇环境的研究多集中在冲积扇发育的宏观控制因素，如构造、气候、沉积空间。微观控制因素则多通过沉积构造、层理、层序特征等来研究。而冲积扇发育过程中自身的影响因素研究相对较少。

本次研究是通过模拟实验模拟冲积扇的自旋回过程，分析沉积过程，并对沉积现象定性定量研究，结合已提出的冲积扇构型类型，对比验证冲积扇发育过程中的碎屑流携带的砾石颗粒在扇根、扇中所扮演的重要角色。通过正演模拟冲积扇形成过程，研究和验证前人冲积扇的沉积构型，探明其扇根砂砾体和扇中辫流带作为储集层的物性优劣原因。

1 实验

1.1 实验依据

在现实冲积扇沉积物中，前人对托托河冲积扇扇顶至扇缘的现代河槽最大砾石粒径进行了分析，每隔600 m布测点，每个测点在任意圈定的1 m2内选取50块最大的砾石，求出各个测量点的平均粒径，因此可以看作是对笔者所描述的砾石颗粒在扇体的各个部位的统计，然后绘制河槽方向上砾石颗粒平均粒径的变化曲线（见图1）［12］，从而算出回归方程。经过对各地冲积扇颗粒粒径与距扇顶距离进行回归分析总体，得出：

式中：Y为砾石平均粒径，m；X为距扇顶距离，m；a为冲积扇发育的环境参数；b为颗粒粒度变化速率。

由于砾石颗粒是整个冲积扇中相对粗的颗粒，因此粗颗粒平均粒径变化曲线可以作为实验砾石颗粒粒径变化曲线的参照。a，b均由冲积扇沉积环境所决定，各类冲积扇砾石颗粒平均粒度变化都符合此曲线。

图1 托托河冲积扇河槽粗颗粒平均粒径变化

1.2 实验方法

在长江大学沉积模拟重点实验室内，模拟冲积扇自旋回过程，排除了其他自然条件的随机因素，只研究冲积扇在沉积过程中的控制因素。在实验场地修建了水道以模拟出山口环境。沉积空间为平地，大小为6 m×8 m（见图2）。实验设计12期沉积物供给，每一期的沉积物量固定，实验过程中对沉积过程进行录像并拍摄扇体形态。每一期的沉积间隔测量扇体的厚度、扇体在物源方向上的最大长度及垂直物源方向上的最大宽度。12期模拟实验结束后进行半天晾干处理，然后对扇体进行切片，摄影并记录切片结果。

图2 实验场地示意

1.3 参数设计

依据前人在克拉玛依克下组及永康盆地白垩系下统中戴组下部冲积扇沉积特征研究可知，冲积扇相一般划分为中砾岩相、砂砾岩相、细砾岩相、粗砂岩相、中—细砂岩相、泥质砂岩相、泥岩相［13-14］。 再按照前人西雅尔岗冲积扇沉积粒度分布的概率曲线可知，滚动次总体数∶跳跃总体数∶悬浮总体数比例约为2∶3∶1。为了更好模拟现实冲积扇的沉积物，使沉积物分异更明显，选择粗砂（含砾）、中细砂（河砂）、泥伴水，分别模拟现实中砾石相—细砾岩相沉积颗粒、粗砂岩—泥质砂岩相沉积颗粒、泥岩相沉积颗粒，比例2∶3∶1，水的体积约为163 m3。实验测试表明，此时冲积扇沉积物分异效果最好。

实验中出山口以前的山谷不作为实验研究对象，为了模拟冲积扇强水流及避免沉积物滞留山谷，修建实验河道并用水泥加固山谷。将山口设计为8°，是为了让沉积物的能量除了洪水供给以外还有自然势能。实验时间定为为半日沉积。

1.4 实验过程

在冲积扇自旋回实验中，模拟洪水12期次，每一期次物源配比不变。间洪期次分别测量和记录了每一期扇体的扇宽和扇长以及展布形态（见图3）。沉积后的晾干过程可算是成岩过程的缩放。最后对扇体进行横、纵向解剖（见图4）。在每一期记录同一位置切片厚度，以切片分辨每一期沉积物期次界面。

2 实验分析

在洪水初期，动能巨大，洪水对沉积空间的底（前期沉积物及地貌）具有巨大的改造能力，主要是冲蚀出一条主河道，沉积物会沿主河道方向沉积，扇体因此向前伸长。

图3 不同期次扇体形态变化

实验所描述的现象为洪水的中期—中后期，此时洪水能提供稳定的沉积物与动力，其携带的巨砾、粗中砾石在扇体发育过程中会对砂坝的形成、河道的形态产生影响。

图4 扇体切片示意

基于吴胜和对冲积扇构型的分类［3-10］，在扇根片流带、扇中辫流带对应的片流砂砾体和辫流带中的砂体都有砾石和粗中砾石，且一般作为坝体出现。由于洪水动力的变化，形成原因有差别，因此作为储层，其物性就会千差万别。片流砂砾体总体物性较差，多为杂乱堆积的砾石砂坝。辫流水道砂体的平均孔隙度比片流砂砾体要高，多为有序列的砂坝与河道沉积。

2.1 扇根片流砂砾体中沟流形成的控制因素

在洪水期，洪水携带的颗粒冲出主槽，由于碎屑流的动能快速降低，会依照地形展布开来，形成片流砂砾体的沉积体。岩性主要是不等粒砾岩、细砾岩［4］。扇根内片流砂砾体一般呈正韵律（见图5），原因是此时流体低黏性且伴随涡流，碎屑颗粒能够自由移动且出现分选［5］。

图5 扇根片流砂砾体正韵律实验切片

在洪水期，地形分布与片流动能减小共同决定砾石颗粒的分布。一旦砾石沉积下来，沟流也就确定。扇根处沉积下来的砾石颗粒，粒径都是粗中砾以上，因此砾石颗粒的作用与正向地形的阻隔作用是类似的，砾石颗粒改变了片流内部流向，流体流向绕过砾石颗粒而发生汇聚，流线汇聚方向就是易形成沟流的优势方向（见图6）。

沟流的方向、改道与否是由流体主动力方向与砾石颗粒连线方向（为黑色虚线所示）的角度所决定（见图6）。图6中：a处如果接近垂直，则会顺着优势方向形成沟流；b处如果角度变小，则容易出现沟流改道。此现象笔者称为“沟流伴生”现象（见图7中a处，箭头为“沟流伴生”方向）。

图6 砾石颗粒理想沉积示意

图7 实验现象平面

切片结果见图8。在扇根处的横剖面顶部，可见底平顶凸的砾石坝（图8中红色标出）和颗粒相对较细的沟流沉积（颜色深且细）。一般砾石坝两侧会出现沉积物相对较细的沟流沉积。图8中a处为沟流，b处为砂坝，可见砂坝沟流相互交错。

在碎屑流主动力方向上沉积的砾石颗粒，对沙坝形成起作用（见图9）。粗大砾石后可见的条状粗粒坝体，正是砾石颗粒在片流主要动力方向上阻隔而形成沟流堆积成为砾石砂坝。这些现象大多集中在冲积扇的表面，原因是剖面下部的砾石颗粒条带多经过了洪水后期牵引流冲刷，及后一期洪水初期对早期地形和沉积物的改造，很难留下沉积过程的痕迹。剖面下部的砾石颗粒长条带是由于前期沟流通道已经形成，下一期洪水进入此优势通道填充而成。

图8 扇根横剖面11处切片示意

由现实冲积扇砾石颗粒分布（见图1）可知，砾石颗粒分散在扇根各处，这些颗粒粒度都是整个冲积扇中最大的，其粒度变化速率也是整个冲积扇中最大的。砾石颗粒就近沉积，形成相对高的正向地势，继而有粗砂，砂等粒径的颗粒堆积在后，形成了扇根片流砂砾体中杂乱堆积的砂坝。

图9 扇根纵剖面切片示意及演示

2.2 扇中辫流带中沟道形成的控制因素

扇中辫流带中砾石分布对沟道成因的影响与在扇根片流砂砾体中是完全不一样的，其原因是流体发生了变化。碎屑流在扇中部位动能减少很多，由片流转为牵引流［6］。中、细砾级等沉积物因牵引流的牵引力及惯性作用被搬运到扇中末端（见图10）。其原因是片流瞬时在各个方向上的动力大，但只要砾石颗粒沉积下来便会改变片流的流向；牵引流在主动力方向上的动力很足，在惯性作用下砾石颗粒会被搬运到很远。图10中a处为扇中末端堆积的砾石颗粒。

图10 间洪期扇中末端出现大量砾石颗粒示意

扇中辫流带可看作多个辫流水道复合而成［6-8］，辫流水道里面可以细分为砂坝和沟道。砂坝的形成与正向地形的位置相关。牵引流携带砾级、粗砂级和砂级的沉积物更容易在正向地形处沉积下来形成砂坝。与此同时，没有在扇根处和正向地形沉积下来的砾石颗粒却能够以推移的方式运移（见图11），因此砾石颗粒还会对沟道底部进一步的加深，沟道形态也会由于河床加深到一定程度出现侧蚀而改变 （这里已与河流作用类似）。因此，扇中辫流砂砾体中砂坝的形成是牵引流定向的堆积而不是砾石颗粒简单杂乱堆积而成，辫流带也有了比片流砂砾体更好的物性。前人对冲积扇的储层质量评价归为一类储层［15］。图11中a处为牵引流下砾石颗粒被搬运现象。

图11 砾石颗粒在牵引流下搬运的扇中局部

现实冲积扇扇根末端至扇中末端 （4.8～8.4 km)砾石颗粒平均粒度小于扇根，总体虽有减小趋势，但变化不大。因此可以验证扇根至扇中末端砾石颗粒广泛被牵引流广泛搬运的现象（见图1与图11）。

3 结论

1）在冲积扇同一期，洪水中期—后期，扇根的沟流发育与砾石颗粒初期分布有着重要关系。砾石颗粒的分布位置（作用类似于正向地形）与片流流向决定了沟流最易形成的方向，并且沟流改道也与砾石颗粒的分布相关（沟流伴生现象）。扇根一般出现的是杂乱堆积的储集物性较差的砂坝。

2）扇中砾石颗粒粒径比扇根的小。牵引流中的砾石颗粒通过磨蚀河道，影响沟道的形态。遇到正向地形，牵引流中的砾石颗粒堆积成为砂坝，没有堆积下来的，会被牵引流带到扇中末端甚至扇缘沉积。因牵引流的定向性质，在扇中形成的是序列稳定、储集物性较好的砂坝和流沟。

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（编辑 杨会朋）

Dominations of gravel particles to sandbar and channel in process of alluvial fan development based on alluvial fan flume experiment

SHI Ruofeng1,LIU Zhongbao1,FENG Wenjie2
(1.College of Geosciences,Yangtze University,Wuhan 430100,China;2.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,College of Geosciences,China University of Petroleum,Beijing 102249,China)

In this paper,the controlling mechanism of gravel particles in the deposition of alluvial fan during the development of alluvial fan was studied by observing and recording the simulation experiment of simulating alluvial fan autogenetic cycle deposition. The results show that:in the middle-late period of one same flood period and in the alluvial fan laminar flow zone,advantage direction of channel development has an important relationship with gravel particles early distribution.In addition,the distribution of gravel particles controls the diversion of channel;in the process of mid-alluvial fan development,because the gravel particles were transported by the traction flow,the controlling effect on the channel is more embodied in the form transformation of channel and the form of the sand dam.Comparing the distributions of multi-stage braided channel,sand bar and channel distribution in alluvial fan profile,we can verify the phenomenon of alluvial fan surface during the experiment.It is found that the scale of alluvial fan is proportional to the magnitude of debris flow,the quantity of sediment and the time of deposition.In the stable period with relatively unchanged debris flow power and sediments,the cause of sand dam and channel in the middle and bottom fan is closely related to gravel particles.

gravel particle;alluvial fan flume experiment;cause of channel;laminar flow;debris flow

国家自然科学基金项目“同生逆断层对冲积扇沉积构型的控制作用机理——冲积扇沉积过程分析与沉积过程研究”（41372116）

TE135

A

10.6056/dkyqt201703003

2016-10-10；改回日期：2017-03-07。

石若峰，男，1990年生，硕士研究生，主要从事沉积学与油气成藏机理研究工作。E-mail：shiruofeng@163.com。

刘忠保，男，1965年生，教授，硕士生导师，主要从事沉积学与油气成藏机理研究工作。E-mail：lzb623@163.com。

石若峰，刘忠保，冯文杰.冲积扇发育过程中砾石颗粒对砂坝和沟流的控制作用：基于冲积扇水槽模拟实验［J］.断块油气田，2017，24（3）：311-315.

SHI Ruofeng，LIU Zhongbao，FENG Wenjie.Dominations of gravel particles to sandbar and channel in the process of alluvial fan development based on alluvial fan flume experiment［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（3）：311-315.