印森林，劉忠保，陳燕輝，吳小軍

1.長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院，湖北荊州 434023 2.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100 3.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000

沖積扇研究現(xiàn)狀及沉積模擬實(shí)驗(yàn)
——以碎屑流和辮狀河共同控制的沖積扇為例

印森林1，劉忠保2，陳燕輝3，吳小軍3

1.長江大學(xué)錄井技術(shù)與工程研究院，湖北荊州 434023 2.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100 3.中國石油新疆油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆克拉瑪依 834000

近年來，對沖積扇復(fù)雜沉積機(jī)制與沉積過程的研究受到關(guān)注，取得了較大進(jìn)展。從沖積扇的分類及其沉積特點(diǎn)、沖積扇沉積儲層構(gòu)型表征方法及沖積扇沉積機(jī)制等方面對沖積扇研究現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)綜述。之后，針對碎屑流與辮狀河共同控制下沖積扇水道演化機(jī)制不明的情況，利用水槽沉積模擬對沖積扇過程進(jìn)行了沉積實(shí)驗(yàn)?zāi)M。研究表明，沖積扇具有多種分類方案，反映了沖積扇的多樣性和復(fù)雜性；沖積扇表征技術(shù)主要有現(xiàn)代沉積、野外露頭、地下密井網(wǎng)解剖和水槽沉積實(shí)驗(yàn)?zāi)M等方法；控制沖積扇發(fā)育的異旋回因素主要有：構(gòu)造差異活動、同生斷層的組合樣式及物源氣候的變化等；自旋回因素控制下沖積扇存在多種沉積機(jī)制，其決定了沖積扇內(nèi)部構(gòu)型單元的分布。通過水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，對碎屑流與辮狀河共同控制下沖積扇沉積過程具有如下特點(diǎn)：①在扇體初始雛形形成后，水?dāng)y沉積物具有向扇面低勢部位堆積的趨勢；②扇面辮狀水道存在兩種重要的遷移方式，單一主水道遷移和分叉式次水道遷移方式。單一主水道的遷移是導(dǎo)致扇體輻向前積增大的主要原因，而分叉式次水道遷移方式是扇體展寬的重要機(jī)制；③在構(gòu)造條件相對穩(wěn)定的情況下，多期扇體具有明顯向源退積的特征。在前述研究基礎(chǔ)上，探討了下一步?jīng)_積扇的研究方向。

沖積扇；研究現(xiàn)狀；水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)；儲層構(gòu)型；同生斷層

0 引言

“洪積扇”或“沖積扇”，為河(洪)流出山口的扇形堆積體。與陸上其他成因的碎屑沉積體相比，沖積扇不同級次沉積體的形態(tài)、規(guī)模、方向及相互疊置關(guān)系十分復(fù)雜[1-8]。自Drew[9]提出描述山口處扇形堆積體的地貌現(xiàn)象—沖積扇(Alluvial Fan)的概念后，沖積扇受到地貌學(xué)家和沉積學(xué)家的廣泛關(guān)注[10-21]。一方面，隨著沖積扇與資源環(huán)境及人類活動日益密切，有關(guān)沖積扇發(fā)育的氣候、地貌、地形的研究取得了較大的進(jìn)展，Bull[11]率先提出了識別沖積扇的十個特征，繼而學(xué)者們探討了沖積扇發(fā)育的地形地貌特點(diǎn)[18-22]。另一方面，沖積扇沉積體具有構(gòu)造“敏感性”，其復(fù)雜的沉積機(jī)制既是解釋盆地邊緣構(gòu)造活動的鑰匙，同時也是“源—聚—匯”系統(tǒng)中“源”位研究的關(guān)鍵。沖積扇還可以作為油氣儲集體，形成典型的粗碎屑油氣藏。其儲層巖石相類型多樣，至少包括礫巖相、砂礫巖相、小礫巖相、粗砂巖相、中—細(xì)砂巖相、粉砂巖相、泥質(zhì)砂巖相、泥巖相等八種基本巖石相類型[23-24]，不同巖石相類型其顆粒分選、顆粒含量、排列方式、雜基含量、膠結(jié)物膠結(jié)方式及膠結(jié)物含量具有明顯差異性，因此各類巖石相還可以進(jìn)一步細(xì)分亞類，這導(dǎo)致了其孔隙結(jié)構(gòu)模態(tài)(包括孔隙、喉道類型及其連通關(guān)系等方面)的微觀復(fù)雜性，加大了沖積扇油氣儲層勘探開發(fā)的難度[25-27]。

沖積扇成因機(jī)制的研究由來已久，初步認(rèn)為構(gòu)造活動、氣候變化、物源供給及基準(zhǔn)面變化是沖積扇形成的重要異旋回因素，其中構(gòu)造活動是形成沖積扇的決定性因素，氣候變化、物源供給及基準(zhǔn)面變化是其形成后的重要改造因素[28-30]。構(gòu)造活動為沖積扇形成前奠定了地形條件，持續(xù)的構(gòu)造活動則為沖積扇的發(fā)展建設(shè)提供保證[1]，其直接表現(xiàn)形式主要為盆山板塊的相對運(yùn)動和不同動力機(jī)制下斷層不同組合樣式的差異活動，以此為基礎(chǔ)，學(xué)者們提出了構(gòu)造控制下沖積扇的地形地貌特征、沖積扇沉積層巖石相類型及其組合模式[23]、沖積扇內(nèi)部隔夾層分布特征[5]及沖積扇的相帶分布規(guī)律[31]等一系列學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。學(xué)者們利用沉積學(xué)理論開展沖積扇自旋回因素控制下內(nèi)部構(gòu)型要素的沉積成因及其沉積過程，探討了泥石流沉積、水道沉積、篩狀沉積及片流沉積特點(diǎn)[6-10,29]。

作為盆地邊緣重要的油氣儲集體類型，其內(nèi)部不同級次儲集體與滲流屏障的空間分布也十分復(fù)雜[32-34]。已有主要從現(xiàn)代沉積、野外露頭、地下密井網(wǎng)及沉積模擬實(shí)驗(yàn)等方面對沖積扇進(jìn)行了研究，取得了一系列的進(jìn)展，包括從不同類型沖積扇相帶的命名及其分布、沖積扇沉積微相類型、沖積扇砂礫巖體巖石相的類型及其成因、沖積扇水道沉積特征、沖積扇不同相帶儲層構(gòu)型模式及沖積扇儲層孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜模態(tài)等方面。綜上，探討沖積扇研究現(xiàn)狀，對于深化沖積扇沉積學(xué)，探討構(gòu)造與沉積的耦合關(guān)系，評價油氣儲層內(nèi)部差異性并指導(dǎo)油氣精細(xì)勘探和開發(fā)具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 沖積扇的分類及其沉積特點(diǎn)

沖積扇的分類主要有按氣候、按相層序和按沉積機(jī)制劃分三種方案[35-40]。Gallowayetal.[41]依據(jù)氣候條件差異，將沖積扇劃分為干旱型與濕潤型兩種類型，突出了氣候因素對沖積扇沉積特征的控制作用。趙澄林等[31]對這兩種類型沖積扇的沉積特征進(jìn)行了對比。分析表明，這兩種類型沖積扇在河流的性質(zhì)、地形坡度、扇體半徑、河床分布格局、沉積物分布以及垂向序列等方面具有明顯的差異。

按照沖積扇的相序和沉積序列，沖積扇可分為進(jìn)積型、退積型和加積型等類型[31]。進(jìn)積型沖積扇的地層厚度向上變厚，粒度變粗。而退積型沖積扇正好相反，地層厚度向上變薄，粒度變細(xì)。進(jìn)積型沖積扇物源供給速度大于可容空間增長的速度，形成自下而上扇緣、扇中、扇根依次疊置的相層序，因此沉積物粒度向上變粗。而退積型沖積扇與進(jìn)積型沖積扇相反，物源供給速度小于可容空間增長的速度，因此，自下而上扇根、扇中、扇緣依次疊置，沉積物粒度向上變細(xì)。加積型則物源供給速度與可容空間增長的速度相等，地層厚度、粒度變化不明顯*張紀(jì)易. 粗碎屑洪積扇沉積模式. 新疆石油管理局勘探開發(fā)研究院.1981.內(nèi)部報(bào)告.。

傳統(tǒng)認(rèn)為沖積扇的沉積類型主要為泥石流(碎屑)和辮狀河沉積物。Stanistreetetal.[42]在研究非洲南部Okavango沖積扇時提出了曲流河(或直流河)控制的沖積扇類型，擴(kuò)展了沖積扇的定義，提出了沖積扇三端元分類方案。三個端元分別為：泥石流(碎屑流)沉積為主的沖積扇、辮狀河沉積為主的沖積扇和曲流河(或直流河)沉積為主的沖積扇。

2 沖積扇沉積儲層構(gòu)型表征方法

由于沖積扇與人類活動的緊密聯(lián)系，對沖積扇的地形地貌研究由來已久，而油氣勘探發(fā)現(xiàn)沖積扇油氣儲層之后，其為典型的粗碎屑沉積體系，沖積扇儲層構(gòu)型成為研究的熱難點(diǎn)。Hornungetal.[43]通過淺層地震研究的方法對瑞士阿爾卑斯山的一洪積扇沉積特征及氣候?qū)Τ练e的控制作用進(jìn)行了研究。Saduraetal.[44]通過探地雷達(dá)對洪積扇的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，精度可以達(dá)到識別出扇體上水道的級別。除了上述兩種新的方法為，目前應(yīng)用較多的方法主要有以下三種。

2.1 現(xiàn)代沉積與野外露頭

沖積扇沉積體與河流—三角洲沉積體對比來說，它屬于“源—聚—匯”體系的“源”位，沖積扇廣泛發(fā)育在盆地邊緣。正因如此，沖積扇的研究源于現(xiàn)代沉積與野外露頭。利用野外露頭、現(xiàn)代沉積，初步建立了沖積扇巖石相及其組合類型、沖積扇構(gòu)型級次的定義、沖積扇的差異性、沖積扇的構(gòu)型模式等等。然而，由于沖積扇類型及沉積機(jī)制復(fù)雜，現(xiàn)代沉積與野外露頭出露具有局限性[45]。

2.2 地下密井網(wǎng)

沖積扇沉積體具有無序性，其儲層表征難度比河流—三角洲大。目前針對沖積扇儲層的表征，于興河等[6]、伊振林等[3]、吳勝和等[4]、印森林等[5]主要從巖石相及其組合的成因、構(gòu)型要素、構(gòu)型要素的級次，不同級次儲集體及泥質(zhì)隔夾層的疊置關(guān)系等多個方面開展。沖積扇地下儲層的表征方法包括“層次分析、模式擬合、多維互動及動態(tài)驗(yàn)證”，業(yè)已初步建立了干旱型沖積扇沉積儲層構(gòu)型模式，與此同時，初步提出了基于矢量的沖積扇沉積體三維地質(zhì)建模算法[46]。然而，因?yàn)榈叵聝颖碚魇芫g資料精度限制，具有不確定性，因此地下沖積扇構(gòu)型模式的研究具有局限性。

2.3 水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)

利用現(xiàn)代沉積、野外露頭及地下密井網(wǎng)研究均不能很好的揭示沖積扇的沉積過程，而沖積扇不同類型的沉積機(jī)制成為研究的難點(diǎn)。因此，利用水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M不同粒度的沖積扇沉積體可以對沖積扇沉積過程進(jìn)行研究。Pelletieetal.[47]利用有色染劑作為沉積物載體進(jìn)行沖積扇形成過程的模擬實(shí)驗(yàn)，分析了沖積扇發(fā)育的過程。染色劑的分布位于沖積扇的一部分，認(rèn)為扇面上水道是變遷的。Clarkeetal.[48]通過試驗(yàn)裝置對沖積扇沉積過程進(jìn)行了詳細(xì)的模擬研究。實(shí)驗(yàn)研究了沖積扇形成的過程、扇面水道遷移的規(guī)律、新水道的產(chǎn)生過程、扇面水流形態(tài)等。研究認(rèn)為，辮狀河型沖積扇在扇面不是均勻分布的，而只是占據(jù)扇面的一部分，選擇低勢區(qū)分布，并且低勢能區(qū)不停地發(fā)生遷移改變，從而導(dǎo)致了扇面水道的遷移。因?yàn)闆_積扇與不同構(gòu)造活動盆地的關(guān)系，Graveleauetal.[49]實(shí)驗(yàn)?zāi)M了擠壓性、拉張性及走滑性盆地背景下同生斷層活動與扇體的耦合關(guān)系，提出了不同背景下沖積扇的發(fā)育樣式及其特點(diǎn)。雖然水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)在沖積扇流體機(jī)制方面研究取得了重要的成果；然而，因沖積扇大多屬于粗碎屑沉積類型，其實(shí)驗(yàn)室邊界條件的設(shè)置存在較大的局限性，例如，對于粒度較大、泥質(zhì)含量較高、沉積范圍較大的沖積扇模擬就存在難度；另一方面，沖積扇沉積物源供給具有陣發(fā)性、突發(fā)性的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)室很難精確的掌握這種陣發(fā)性及突發(fā)性的時間間隔，因而模擬過程中的放水過程難以把握。

3 沖積扇沉積機(jī)制的研究現(xiàn)狀

沖積扇的形成過程和沉積特征受諸多異旋回與自旋回因素的影響，其中以構(gòu)造、源區(qū)巖性、氣候和地形等因素尤為重要，而構(gòu)造因素是最根本的因素。它既直接影響著沖積扇的建設(shè)，又間接的通過其他因素影響沖積扇的發(fā)展建設(shè)。

3.1 異旋回因素對沖積扇的控制

異旋回因素包括了多個方面，包括構(gòu)造活動、同生斷層的活動組合方式、物源以及氣候的變化等。

(1) 構(gòu)造差異活動對沖積扇的控制

沖積扇發(fā)育在構(gòu)造盆地和褶皺山系相互聯(lián)系相對獨(dú)立的構(gòu)造單元的結(jié)合部位，這些部位構(gòu)造活動強(qiáng)度和頻繁程度比盆內(nèi)大的多。因此，沖積扇可以說是構(gòu)造活動的產(chǎn)物，另一方面，當(dāng)?shù)貥?gòu)造活動的變化將敏感地在沖積扇沉積物中體現(xiàn)出來。構(gòu)造因素應(yīng)當(dāng)包括沖積扇形成前的構(gòu)造發(fā)展史和沖積扇形成時的構(gòu)造運(yùn)動特點(diǎn)兩個方面。前者主要通過其他因素間接地對沖積扇施加影響，后者則更多地表現(xiàn)為直接影響。沖積扇形成過程中，源區(qū)和沉積區(qū)可能出現(xiàn)4種構(gòu)造方式*張紀(jì)易.粗碎屑洪積扇沉積模式，新疆石油管理局勘探開發(fā)研究院，1981，內(nèi)部報(bào)告.(圖1)。

從構(gòu)造發(fā)展史來分析，假如源區(qū)構(gòu)造活動強(qiáng)烈，必然急劇抬升而形成高山大嶺，斷裂和褶皺使巖石變形破碎易于風(fēng)化搬運(yùn)，源區(qū)與沉積區(qū)高差大，導(dǎo)致山區(qū)河流坡降大、V形谷發(fā)育，水系匯流面積擴(kuò)展快。山區(qū)河流多屬于間歇性河流，氣溫變化引起的水循環(huán)活躍，多暴雨洪水。這種情況下形成的沖積扇扇體清晰，扇積物厚度大。礫石成分復(fù)雜，磨圓度較好，容易形成單層系大型交錯層理。扇緣亞相發(fā)育。微相帶特征明顯，扇根主槽，側(cè)緣槽切割較深，扇中辮流水道規(guī)模較大。

圖1 物源區(qū)和沉積區(qū)不同構(gòu)造樣式對沖積扇的控制(據(jù)張紀(jì)易，1981修改)A.源區(qū)上升沉積區(qū)下降或者兩者同時沉降，則形成簡單的退積型沖積扇；B.源區(qū)和沉積區(qū)同時抬升，則形成由扇緣過渡到扇根亞相的進(jìn)積式?jīng)_積扇；C.沉積區(qū)沉降和源區(qū)的抬升具有間歇性，復(fù)雜的疊覆式?jīng)_積扇；D.源區(qū)和沉積區(qū)間歇抬升，形成鑲套式?jīng)_積扇。Fig.1 Alluvial fan lithologic sequence controlled by different structure patterns of provenance and deposition area (modified from Zhang, 1986)

相反，假如扇體形成前源區(qū)構(gòu)造活動不活躍，則外動力地質(zhì)作用使源區(qū)向山丘陵演變，沉積區(qū)和源區(qū)間高差小，山區(qū)河流坡降小，截面寬淺，只有暫時性水流。暴雨的頻度和雨量都較小。因此，低山丘陵區(qū)的沖積扇扇體形態(tài)不清，呈漫坡狀，扇體厚度小，常與山麓面共存。巖性一般較為單純，粗碎屑均呈角礫狀，少見大型交錯層理。扇緣亞相不發(fā)育，微相帶不易區(qū)分，扇面溝槽淺、規(guī)模小。

構(gòu)造發(fā)展史與源區(qū)巖性也有關(guān)系，如源區(qū)長期處于抬升過程中，則地表裸露巖石多屬于古老變質(zhì)巖及巖漿巖，因而具有較大的脆性，有利于形成粗碎屑沖積扇。假如源區(qū)在沖積扇形成前曾一度沉降，則往往存在成巖程度差的砂泥質(zhì)沉積巖，沖積扇剖面上就不同程度地混有泥石流沉積物。

(2) 同生斷層活動樣式對沖積扇的控制

沖積扇的活動與構(gòu)造運(yùn)動相伴生，沖積扇的發(fā)展壯大與同生斷層具有重要的關(guān)系。不同的同生斷層活動樣式對沖積扇具有明顯的控制作用。已有研究表明，在正梳狀斷層組合樣式下，走滑活動導(dǎo)致物源區(qū)不斷剝蝕后退，扇體呈退積薄層條帶狀溯源疊置狀。直接導(dǎo)致了沖積扇的垂向砂礫巖體厚度薄，平面呈快速退積式的特點(diǎn)。在反梳狀斷層組合樣式下，右旋調(diào)節(jié)斷裂走滑活動會影響物源出口位置，扇體呈側(cè)向遷移疊置型；多期次不同級次的幕式擠壓抬升造成了砂礫巖體的復(fù)雜疊置關(guān)系。走滑斷裂的活動改變了物源的方向，使得扇體呈側(cè)向遷移疊置型樣式。在 “人”字形組合樣式下，斷層活動強(qiáng)烈，扇體多期厚層垂向疊置狀；“人”字形的頂部為供源的主要通道，為兩山的交接處，在強(qiáng)烈的斷層活動條件下提供的豐富物源決定了其控制下巨厚大規(guī)模的扇體[30](圖2)。

另一方面，同生逆斷層上盤地層受到不同程度的擠壓而逐漸隆起，因斷層分布的非對稱性及地層不同位置巖性受壓能力的差異性形成了不對稱的隆起背斜形態(tài)(正牽引構(gòu)造)[50]。由其引起的差異隆起的沉積底形決定了砂礫巖體的分布樣式。引起了沖積扇砂礫巖體構(gòu)型要素在空間上分布與已有沖積扇沉積模式差異較大，即不再滿足輻向距扇根部位距離相等的位置具有大體相同的構(gòu)型屬性的規(guī)律(圖3)。

(3) 物源與氣候變化

沖積扇物源供給對于沖積扇類型以及其沉積機(jī)制具有重要的影響和控制作用。沖積扇的物源供給與氣候變化具有相關(guān)性。當(dāng)物源一定，如果山區(qū)經(jīng)常暴雨，則山口易形成大規(guī)模的沖積沉積體；而如果山區(qū)少雨，則物源不易被搬運(yùn)出山口。另一方面，物源差異條件下，沖積扇的沉積機(jī)制則會發(fā)生變化，Stanistreetetal.[4]研究Okavango沖積扇時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)物源中泥質(zhì)含量較多的時候，則易形成碎屑流、泥石流控制的沖積扇，泥石流發(fā)育程度高，當(dāng)物源中砂礫巖含量較高時則易形成辮狀河控制的沖積扇，形成以牽引流沉積機(jī)制的為主的扇體；當(dāng)物源中以砂泥質(zhì)為主時，則易形成曲流河控制的沖積扇，扇體一般發(fā)育在氣候比較濕潤的地區(qū)，形成面積較大的沖積扇[51-53]。

圖2 同沉積斷層組合樣式控制下扇體展布樣式A.正梳狀斷裂組合樣式；B.反梳狀斷裂組合樣式；C.交叉狀斷層組合樣式Fig.2 Different alluvial fan patterns controlled by combined styles of contemporaneous reverse fault

圖3 沖積扇構(gòu)型差異特征a.正牽引構(gòu)造控制下沖積扇構(gòu)型特征；b.正常沖積扇構(gòu)型特征Fig.3 Different deposition architecture of alluvial fan

氣候條件對扇體的形成也具有較大的影響，Ori[52]研究潤濕型River Reno沖積扇時，提出濕潤性氣候條件下，降水頻率大，水量豐沛，水流比較穩(wěn)定。Partha[53]提出了沖積扇在大范圍暴雨控制下扇體的遷移轉(zhuǎn)化特點(diǎn)，出山口河流形成的沖積扇規(guī)模大，組成物質(zhì)分選較好，礫石磨圓度高，扇面水道發(fā)育程度高。在濕熱氣候作用下，泥巖呈現(xiàn)紅壤化。半濕潤氣候條件下，出山口河流在山前多發(fā)育大面積的沖積扇。如中國華北平原西部山前的永定河等沖積扇，表面形態(tài)扁平，坡度較小，形成廣闊的沖積扇平原。干旱區(qū)氣候條件下，Evans[54]、Harvey[55],Chakrabortyetal.[56]、Hubertetal.[57]指出沖積扇和泥石流發(fā)育的特點(diǎn)及其共存時的差異沉積機(jī)制，降雨量極少，暫時性洪流在山麓谷口處形成沖積扇。組成沖積扇的泥砂礫，顆粒粗大，磨圓度差，層理不明顯，扇面網(wǎng)狀水系發(fā)育不顯著。在山前斷裂活動的盆地，沖積扇具有很大的沉積厚度，緊靠山前部分通常厚度達(dá)數(shù)百米，沖積扇從扇根到扇緣的高差也可達(dá)數(shù)百米。

3.2 自旋回因素對沖積扇沉積過程的影響

沖積扇為近源沉積體，與河流和三角洲牽引流沉積相比沉積特征復(fù)雜，其內(nèi)部自旋回因素的控制則其沉積過程，既有牽引流沉積，也有重力流沉積。國內(nèi)外學(xué)者對沖積扇內(nèi)部的沉積類型進(jìn)行了大量的研究。

Hooke[58-59],Carter[60]詳細(xì)地描述了泥石流的沉積過程。泥石流沉積物以砂、泥、礫混雜為特征，無分選或分選極差，呈塊狀，雜基支撐，常見巨大的碎屑物“漂浮”于細(xì)粒的雜基之中形成“漂礫”。Levsonetal.[35]將沖積扇內(nèi)發(fā)育的分選差、碎屑支撐，砂礫混雜、塊狀堆積的巖石相解釋為低黏性的泥石流(碎屑流)沉積(Noncohesive debris flow)。它與之前描述的泥石流沉積不同，其沉積物中泥質(zhì)含量少，為碎屑支撐機(jī)制。而之前描述的雜基支撐泥石流沉積為高黏度的泥石流沉積，低黏度泥石流(碎屑流)沉積的外部形態(tài)呈席狀或低起伏的壩。

濕潤型沖積扇中，主體為河道充填的沉積物。在干旱型沖積扇中，河道的沉積物主要分布在沖積扇的中上部位，其交會點(diǎn)之后，洪水不受河道的束縛，形成漫流沉積[55]。沖積扇不同位置河道的類型也有較大的差別[52]。

Wasson[61]描述了篩狀沉積礫石垛體的形成過程，指出篩狀沉積的礫石體在交會點(diǎn)處河道的中央形成障礙，后期的片流經(jīng)過這個障礙發(fā)生分叉。Hooke[59]分析了死谷中戈拉克謝普沖積扇中篩狀沉積的分布特征，認(rèn)為篩狀沉積成因?yàn)楹樗?fù)載中缺少細(xì)粒沉積物，在靠近交會點(diǎn)下面時，古水流遇到高滲的沉積物，迅速滲漏，水流減小或者不能形成地表的水流，阻止了粗碎屑繼續(xù)搬運(yùn)，象篩子一樣將粗碎屑物留下來，形成篩狀沉積。篩狀沉積比較少見，形成于特殊的沉積環(huán)境，其物源區(qū)一般為解理發(fā)育的石英巖類巖石，它是沖積扇中最有特色的沉積類型。

片流(Sheetflood)位于沖積扇的末端或者河道的交會點(diǎn)的下段，由黏度較低的洪水形成[62]。洪水從沖積扇河床的末端流出，流速變緩而且水深驟然變淺，沉積物以席狀或者片狀沉積下來，形成席狀的砂或礫巖層，稱為片流沉積或者漫洪沉積、漫流沉積。最早“片流”用做泥石流的同義詞[31]。片流逐漸演化為淺的坡面徑流，退化形成辮流水道的形式。河道切割片流席狀沉積物的表面，形成分選好的砂和礫石透鏡體。片流的沉積物主要由碎屑組成，也可含有少量的粉砂和黏土，常呈塊狀(圖4)。

關(guān)于片流的定義和描述長期以來比較模糊、不明確(例如片流的位置)，主要原因在于沖積扇特征差異較大，而長期以來對沖積扇類型的劃分不完善，給沖積扇特征規(guī)律的總結(jié)帶來了困難。傳統(tǒng)定義的片流出現(xiàn)在沖積扇末端和河道的下段，粒度比河道沉積物細(xì)。然而，有些學(xué)者對于片流巖石相特征及其分布規(guī)律有不同的認(rèn)知，認(rèn)為其巖石相可以為粒度較粗的礫巖，并具有平行層理，分布范圍可以在沖積扇的近端或幾乎全部區(qū)域。

沖積扇一般包括其中一種或幾種自旋回產(chǎn)生的沉積類型。各種沉積在沖積扇中的分布位置與所占的比例也因沖積扇沉積環(huán)境不同而有較大的差異。泥石流沉積一般分布在扇頂附近，篩狀沉積分布在河道交匯點(diǎn)之下，河道沉積主要位于扇中交會點(diǎn)以上，片流沉積分布在河道交匯點(diǎn)以下及扇頂附近。

4 沖積扇沉積過程實(shí)驗(yàn)?zāi)M

目前，對碎屑流與辮狀河共同控制下的干旱型粗碎屑沖積扇來說，其形成的沉積物具有粒度粗、多沉積機(jī)制共存、多因素控制等典型特征。而自旋回控制下辮狀水道的演化和沖積扇的加積過程研究較少，因此本次在綜合調(diào)研基礎(chǔ)上，利用水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)來探索不同水道機(jī)制的演化過程及其規(guī)律。

圖4 沖積扇內(nèi)部多種水流機(jī)制A.泥石流沉積，砂礫泥混雜堆積，礫石大小不一，最大粒徑達(dá)0.6 m，新疆百口泉白楊河第四紀(jì)現(xiàn)代沖積扇；B，C.篩狀沉積，篩積物呈舌狀堆積的礫石層，粒度中間粗兩邊細(xì)，新疆天山南緣第四紀(jì)現(xiàn)代沖積扇；D，E.大型槽狀交錯層理與砂礫質(zhì)辮狀水道，新疆克拉瑪依深底溝三疊系下克拉瑪依組沖積扇露頭，T2k2；F.片流沉積形成的多層洪積層理，界面清晰夾層發(fā)育程度低，新疆第四紀(jì)現(xiàn)代沖積扇。Fig.4 Variety of water flow mechanism inside of alluvial fan

4.1 裝置規(guī)模及控制系統(tǒng)

中國石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲層長江大學(xué)沉積模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)裝置，長16 m，寬6 m，深0.8 m，距地平面高2.2 m，湖盆前部設(shè)進(jìn)(出)水口1個，兩側(cè)各設(shè)進(jìn)(出)水口2個，用于模擬復(fù)合沉積體系，尾部設(shè)出(進(jìn))水口一個。湖盆四周設(shè)環(huán)形水道(圖5)。

4.2 邊界條件設(shè)置及水槽沉積模擬

利用水槽沉積實(shí)驗(yàn)室分期模擬沖積扇陣發(fā)性形成機(jī)制和特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)底形采用約8°的斜坡，斜坡長度約1 m，整個底形坡面上利用水泥穩(wěn)固；實(shí)驗(yàn)采用顆粒物質(zhì)的配比(礫∶砂∶泥)分別是4L∶2L∶2L，通過清水?dāng)嚢韬?，混合物約200 L；整個過程采用均勻放水的方式，上游持續(xù)放水，下游水?dāng)y沉積物沉積。實(shí)驗(yàn)分為四期，每期沉積物配比及水量不變；實(shí)驗(yàn)時間每次約7分鐘(第四期因放水速度減緩約12分鐘)(圖6)。

4.3 水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.3.1 切片方式及剖面分析

經(jīng)過水槽沉積模擬試驗(yàn)后，放置一段時間(3天)，待扇體內(nèi)部水分充分流出并晾干后，對整個剖面開展切片工作，研究其剖面展布特征，以彌補(bǔ)平面研究的不足。按照模擬晾干后扇體的分布，設(shè)計(jì)了不同的橫縱剖面共26條，其中橫切扇體剖面20條，縱切扇體剖面6條，橫剖面長度0.5 m、0.8 m、1 m，縱剖面長度0.5 m、0.3 m。因切片塊不能重復(fù)，因此橫縱剖面存在順序性。具體順序如下：橫01、橫02、縱01、橫03、橫04、橫05 、縱02、橫06、橫07、縱03、橫08、橫09、橫10、縱04、橫11、橫12、縱05、橫13、橫14、橫15、縱06、橫16、橫17、橫18、橫19、橫20(圖7)。

剖面不同區(qū)域其特征存在較大的差異，從靠近扇根部位到扇緣，剖面形態(tài)及構(gòu)型特征存在較大的不同。扇根部位整體以砂礫巖為主，水道的規(guī)模較小、分叉較少，約0.08 m左右，其形態(tài)較直，彎度偏小。

圖5 水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M沖積扇邊界條件設(shè)置A.底形設(shè)計(jì)；B.不同底型模擬多個沖積扇；C.水槽模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.5 Boundary conditions settings about flume experimental simulation on alluvial fan

圖6 水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M沖積扇沉積過程Fig.6 Flume experiment simulation on alluvial fan sedimentary process

圖7 扇體剖面線位置圖Fig.7 Transverse and vertical section line of alluvial fan deposit

扇中部位砂礫巖體的厚度增加，其中砂礫巖的含量有所減小，水道規(guī)模對比扇根略有增加，形態(tài)則變得彎曲，曲率增加，水道數(shù)量增多，規(guī)模略大。扇緣部位以砂巖為主，礫巖的分布也很廣泛(與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān))，水道規(guī)模對比扇中略有減小，曲率減小，水道數(shù)量增多(圖8)。

水槽模擬實(shí)驗(yàn)中，礫巖的含量變化具有重要的特點(diǎn)。模擬四期沖積扇扇面的礫巖從根部到邊緣均發(fā)育，礫巖從根部到邊緣發(fā)育程度逐漸下降，然而局部礫巖的發(fā)育具有隨機(jī)性，不同部位均沉積了礫巖。在水道發(fā)育位置以砂巖為主，水道之間形成的壩體均以砂礫巖為主。

晾干后，剖面及平面分析發(fā)現(xiàn)泥巖含量較少，主要原因在于快速推進(jìn)的水體不易于泥質(zhì)細(xì)粒沉積物的沉積。另一方面，高水流速度以及礫、砂、泥的配比決定了泥質(zhì)沉積物難以沉積在扇體的主體部位，這也是碎屑流沉積的重要特點(diǎn)。

4.3.2 水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)總結(jié)

水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)M沖積扇沉積過程中，在扇體初始雛形形成后，水?dāng)y沉積物具有向扇面低部位堆積的趨勢，導(dǎo)致了單一期次扇體具有遷移擺動疊置特征。水?dāng)y沉積物首先在坡下正前方迅速沉積散開；隨著沉積物的堆積，形成了中部的高地，即扇體初始雛形；隨后，水?dāng)y沉積物以此為基礎(chǔ)在其側(cè)翼散開堆積，當(dāng)沉積物到一定高度后，水?dāng)y沉積物則迅速向沉積體另一低部位遷移并沉積下來；在不斷的遷移擺動中，形成了單一期次沖積扇。另外，多期扇體具有明顯向源退積的特征。通過四期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)前一期扇體形成后，扇面整體呈中間厚、四周薄的形態(tài)特征，中間厚的部位往往位于放水口的正前方。在后期扇體形成的過程中便形成了隆起底形，導(dǎo)致后期沉積物在前期厚的位置自然向源退積(圖9)。

扇體發(fā)育受自旋回因素控制另一個重要方面就是扇面水道遷移的方式。扇面水道存在兩種重要的遷移方式，單一主水道遷移和分叉式多次水道遷移方式。單一主水道的遷移是扇體前積的重要沉積特點(diǎn)，也是扇體初始沉積的主要方式。水?dāng)y沉積物從物源出口處迅速出來，沉積物沉積后，主水道開始分叉。

圖8 沖積扇沉積體剖面演化過程Fig.8 Evolution profile from root fan to marginal fan

圖9 沖積扇沉積體遷移演化特征A.第Ⅰ期扇體模擬；B.第Ⅱ期扇體模擬；C.第Ⅲ期扇體模擬；D.第Ⅳ期扇體模擬；E.第Ⅰ期扇體模擬完后邊界；F.第Ⅱ期扇體模擬結(jié)束后邊界；G.第Ⅲ期扇體模擬結(jié)束后邊界；H.第Ⅳ期扇體模擬結(jié)束后邊界。Fig.9 Evolution and migration characteristics of alluvial fan body

之后，扇體以分叉式次水道遷移方式開始各向加積，呈扇體逐漸橫向展寬的特點(diǎn)。一段時間后，扇面沉積物的達(dá)到相對平衡狀態(tài)，此時扇體開始重新轉(zhuǎn)向單一主水道的遷移方式向前快速加積，扇體輻向長度增加。這是扇體發(fā)育壯大的兩種重要方式(圖10)。單一主水道的遷移是扇體輻向前積增大的方式，而分叉式次水道遷移方式是扇體展寬的重要機(jī)制。

沉積過程反映了扇體自身的沉積作用規(guī)律，Lucy Clarkeetal.[48]提出了扇面沉積物加積及水道變化過程，扇面早期以片狀加積為主(Sheetflow dominated)，然后變?yōu)?～2個主水道(One or two main channel)，隨后進(jìn)一步演化為單一水道(Single Channel)的過程。本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探索了不同樣式的水道加積過程中沖積扇的加積、沖積扇規(guī)模變化及多期扇體疊置特點(diǎn)，具體如下：①在扇體初始雛形形成后，水?dāng)y沉積物具有向扇面低部位堆積的趨勢，導(dǎo)致了單一期次扇體具有遷移擺動疊置特征。②扇面水道存在兩種重要的遷移方式，單一主水道遷移和分叉式次水道遷移方式。單一主水道的遷移是扇體輻向前積增大方式，而分叉式多次水道遷移方式是扇體展寬的重要機(jī)制；③在構(gòu)造穩(wěn)定的條件下，多期扇體具有明顯向源退積的特征。

5 沖積扇研究展望與討論

通過上述分析與水槽沉積實(shí)驗(yàn)?zāi)M，沖積扇在以下幾個方面亟待進(jìn)一步深入研究：

(1) 不同類型盆地邊緣沖積扇的成因及其差異模式，深入的探討不同動力學(xué)機(jī)制下沖積扇的發(fā)育特征。擠壓型盆地邊緣、拉張型盆地邊緣及走滑性盆地邊緣沖積扇的沉積成因及構(gòu)型差異性特征；一方面，區(qū)域性構(gòu)造環(huán)境的差異是引起不同沖積扇的根本原因；另一方面，構(gòu)造的幕式運(yùn)動形成的多期次沖積扇沉積體是解釋構(gòu)造動力學(xué)機(jī)制的重要手段。因此，盆地邊緣的構(gòu)造動力學(xué)與沖積扇沉積學(xué)關(guān)系的研究將越來越重要。

圖10 扇體水道與朵體的遷移演化特征A.一條寬主水道；B.多條寬主水道；C.主水道控制下扇體的長度增大；D.多條次水道控制下扇體寬度增大Fig.10 Evolution and migration characteristics of alluvial fan channel and lobe

(2) 同一盆地邊緣發(fā)育的不同類型沖積扇的差異性，包括干旱型沖積扇、潤濕性沖積扇、高泥質(zhì)沖積扇、巨粒型沖積扇等。不同類型的沖積扇除受控于局部的構(gòu)造變化外，其與氣候、物源供給關(guān)系及其密切。物源的供給豐富程度改變了沖積扇沉積體的A/S比值，是揭示沖積扇內(nèi)部韻律旋回的關(guān)鍵要素。而氣候的變化導(dǎo)致了沖積扇發(fā)育地區(qū)的水動力學(xué)機(jī)制的變化，干旱地區(qū)山洪暴發(fā)一般比較猛烈頻繁，時間比較短，屬于間歇性水流，則易形成厚度大、范圍廣的粗碎屑沉積體；潤濕性氣候條件，山洪暴發(fā)相對緩和，屬于不間斷水流，一般形成源遠(yuǎn)流長型辮狀河控制沖積扇。這些差異性可以通過研究沖積扇內(nèi)部構(gòu)型要素的不同來解釋。因此，研究同一盆地邊緣發(fā)育的不同類型沖積扇的差異性可以探索自旋回因素對異旋回的響應(yīng)機(jī)理。

(3) 沖積扇內(nèi)部多水流機(jī)制的成因及其轉(zhuǎn)換過程，其內(nèi)部的泥石流、碎屑流、牽引流等各種流態(tài)的差異性是重要的科學(xué)問題。不同的水動力學(xué)機(jī)制的研究是沉積學(xué)的基本問題。沖積扇內(nèi)部的水流機(jī)制既有從扇根到扇緣的泥石流、碎屑流、牽引流的變化，同時，在單一相帶內(nèi)，側(cè)向上也存在這種變化。本文水槽沉積模擬實(shí)驗(yàn)探討了辮狀水流機(jī)制的變化及其差異性，雖然初步的解釋了兩種水道轉(zhuǎn)換過程中扇體的加積變化過程，然而因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件(粒度、水流強(qiáng)度、水流速度等)與地下情況存在較大的差異，不能盡顯其過程。因此，沖積扇不同部位流態(tài)的變化過程及其特點(diǎn)的研究顯得特別重要，是解答目前與沖積扇相關(guān)的學(xué)術(shù)爭議的關(guān)鍵。

對沖積扇復(fù)雜沉積機(jī)制的探索具有挑戰(zhàn)性。沖積扇沉積體成因及其分布模式的研究不僅對沉積學(xué)的發(fā)展具有重要的理論意義；同時，對揭示構(gòu)造控制下沉積體的響應(yīng)過程具有重要的指導(dǎo)意義。

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Research Progress and Sedimentation Experiment Simulation about Alluvial Fan: A case study on alluvial fan controlled by debris flow and braided river

YIN SenLin1,LIU ZhongBao2,CHEN YanHui3,WU XiaoJun3

1. Institute of Mud Logging Technology and Engineering, Yangtze University, Jingzhou, Hubei 434023, China 2. College of Geoscience, Yangtze University, Wuhan 430100, China 3. Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield Company,Karamay, Xinjiang 834000, China

In recent years, it has widespread attention about study of the alluvial fan complex deposition mechanism and sedimentary process. Alluvial fan correlational research has made great improvement. This paper is summarized in details about alluvial fan classification and sedimentary characteristics, alluvial fan reservoir architecture characterization, and mechanism of alluvial fan formation. Later, the experimental simulation of the alluvial fan deposition process is carried out by using the experimental of flume sedimentation simulation. Research shows that: (1) Alluvial fan has a variety of classification schemes that reflects the diversity and complexity of alluvial fan. There are many methods to characterize alluvial fan, mainly includes modern sedimentation survey and outcrop, underground dense well pattern, and experimental of flume sedimentation simulation, and so on. Controlling alluvial fan development allogenetic cycle factors mainly include difference activity of tectonic, styles of contemporaneous fault combination, climate and provenance source change etc.; There are many kinds of autogenetic cycle factors under the control of alluvial fan depositional mechanism that determines the distribution of alluvial fan internal architecture unit.(2)Alluvial fan sedimentary process has following features. Firstly, after the initial prototype fan body formation, water laden sediments has trend to deposit on low lying position. Secondly, there are two important ways of channel migration, a single main channel migration and minor branched channel migration. A main reason of fan body to increase the length caused by a single main channel migration, while the important mechanism of the fan body width increases being minor branched channel migration. Multi-period fan body obvious retrograded overlying pattern of up-dipping towards the provenance with stable tectonic conditions. Finally, on the basis of the foregoing, the next research direction was discussed.

alluvial fan; research progress; experimental of flume sedimentation simulation; reservoir architecture; contemporaneous reverse fault

1000-0550(2017)01-0010-14

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.01.002

2015-12-29；收修改稿日期： 2016-03-28

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41502126，41372116)；長江大學(xué)青年基金項(xiàng)目(2015cqn55)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No.41502126, 41372116；The Yangtze Youth Fund, No. 2015cqn55]

印森林，男，1983年出生，博士，副教授，儲層沉積學(xué)與油氣田開發(fā)地質(zhì)，E-mail：yinxiang_love@qq.com

P618.13

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