石良 金振奎 李桂仔 高白水 閆偉
中國石油大學(北京)地球科學學院
古代辮狀河三角洲沉積在我國準噶爾盆地、塔里木盆地、鄂爾多斯盆地、柴達木盆地、渤海灣盆地、四川盆地、松遼盆地等廣泛發(fā)育[1-10],并成為油氣成藏的有利條件之一。前人對古代辮狀河三角洲進行了大量研究,但關于現代湖泊辮狀河三角洲的研究卻很少[11-12]。對古代辮狀河三角洲進行研究最大的缺點是地層精細對比以及微相解釋的正確性難以保證,由此建立的沉積模式的正確性也難以保證。要真正掌握、理解辮狀河三角洲沉積模式,需從現代實例研究入手,因為“現在是認識過去的鑰匙”。內古蒙古岱海辮狀河三角洲是為數不多的、發(fā)育良好的現代實例。本次對岱海辮狀河三角洲沉積特征進行了考察研究,并得出了與前人不同的認識。
岱海位于內蒙古自治區(qū)烏蘭察布市涼城縣境內,湖面海拔約為1 220m,是一個典型的封閉式內陸湖泊[13],無出水口,形成于早更新世初,其南為馬頭山,北為蠻漢山?,F今湖域總體呈冬瓜形,東西長約14km,南北寬約8km,面積約110km2(圖1),最大水深約17 m,平均水深約7m,總體上湖底北陡南緩。岱海盆地是一個地塹式的斷陷盆地,成因類型屬斷層構造湖[13]。該地區(qū)屬于半濕潤氣候,年平均降水量為400mm左右,集中在每年的6—9月,多以暴雨形式出現,其年蒸發(fā)量平均在1 200mm左右。旱季和雨季湖平面波動幅度約1m。湖水為微咸水,鹽度在0.45%左右。
圖1 內蒙古岱海衛(wèi)星照片
有學者認為,岱海周圍的山前為洪積扇群[11,13-14]。但筆者經過實地考察認為,山前不是洪積扇,因為河流出山口處并沒有呈扇狀散開的礫質沉積,而是繼續(xù)以河道形式向盆地內延伸,衛(wèi)星照片上也沒有顯示扇體的輪廓,這與新疆、青海地區(qū)的典型洪積扇完全不同。因此筆者認為,該區(qū)山前為辮狀河平原,僅西部長軸方向發(fā)育一條曲流河,并形成曲流河平原(圖1)。
岱海周邊有21條河流注入,但多為季節(jié)性的,雨季水大流急,旱季基本斷流。這些河流大都為辮狀河,以北岸最發(fā)育(圖1),僅西部長軸方向上的河流為曲流河。
辮狀河寬幾米到100m左右,多為5~30m,深幾十厘米到2m左右。這些河流入湖形成了一系列三角洲朵葉體,致使湖岸線呈“波浪”狀。波峰指向湖泊,為朵葉體;波谷凹向陸地,為朵葉間(圖1)。這些朵葉體長(沿水流方向)500~1 100m,寬(垂直水流方向)400~900m,向湖凸出幅度(即波高)100~300m。有的朵葉體現已廢棄,其上的分流河道已被充填而完全消失。
朵葉體大小與河流大小有關,大河流形成大朵葉體,小河流形成小朵葉體。這些朵葉體連成一片,形成“辮狀河三角洲群”,向湖泊“齊頭并進”,這應是半濕潤氣候下山間湖盆三角洲的特點。
辮狀河三角洲是辮狀河入湖形成的三角洲,可分為三角洲平原、三角洲前緣和前三角洲(圖2)。
圖2 岱海辮狀河三角洲沉積模式圖
辮狀河三角洲平原上發(fā)育4種微相:分流河道、河岸、河漫灘、濕原。
3.1.1 分流河道
分流河道寬度和深度都不大,其寬度多為幾米到50m左右,沒有超過100m的;其深度(河床到岸邊地面垂直距離)多為1~2m。這些河道都是季節(jié)性的,雨季有水,旱季幾乎都會干涸,僅個別有涓涓細流。2002年夏季,該區(qū)曾發(fā)生過50年一遇的大洪水,洪水漫出了河道。
考察發(fā)現,該區(qū)分流河道有兩類,即辮狀分流河道和曲流分流河道(圖3-a、3-b),前者沉積物普遍比后者粗。規(guī)模較大的三角洲朵葉體上,為曲流分流河道,辮狀河進入三角洲平原后,分叉為曲流分流河道;而規(guī)模小的三角洲朵葉體上,為辮狀分流河道。筆者認為,隨著三角洲不斷推進、生長,其規(guī)模逐漸變大,三角洲平原也逐漸變平坦,分流河道也就由辮狀分流河道演化為曲流分流河道。因此,辮狀河三角洲后期可演化為曲流河三角洲。
圖3 岱海辮狀河三角洲平原上的分流河道圖
3.1.1.1 辮狀分流河道沉積特征
辮狀分流河道較直,以礫石質沉積為主,向下游方向逐漸變細,砂質增多,到達湖岸線附近時以細礫和中、粗砂為主,寬2~15m,深幾十厘米到1m左右。其內可進一步劃分為心灘和水道兩個亞微相。
心灘寬1~3m,長也多為幾米到10m左右,高十幾到幾十厘米,主要由礫石質沉積組成。礫石大小多為1~10cm,個別達十幾到二十幾厘米,從上游向下游方向,粒度總體逐漸變細。礫石成分復雜,有花崗巖、花崗片麻巖、中性火山巖及火山角礫巖等;磨圓普遍差,多為次棱角狀和棱角狀,分選較差;礫石間充填砂和少量泥與粉砂。心灘向下游方向遷移,并形成大型板狀和楔狀交錯層理,層系厚十幾到二十幾厘米,個別達三十幾厘米。其底面為沖刷面。
水道穿流于心灘間,寬多為幾十厘米到2m左右,深十幾到幾十厘米,其沉積可分為上、下兩部分。下部以礫石質沉積為主,特征與相鄰的心灘相似,不易區(qū)別。上部多為砂質沉積(細、中或粗砂),為水道充填沉積,常呈透鏡狀,這是由于洪水過后,心灘露出水面,水道中的水流逐漸變?yōu)殇镐讣毩?,流速降低,從而使砂沉積下來,充填于低洼處。低洼處通常是洪水期渦流淘洗出來的。
3.1.1.2 曲流分流河道沉積特征
曲流分流河道彎曲,以砂質沉積為主,并向下游方向逐漸變細,寬4~20m,深幾十厘米到1m左右。其內可進一步劃分為邊灘和水道兩個亞微相。
水道是河道內最低洼的部分,位于凹岸側,寬多為幾十厘米到1m左右,深幾十厘米。其沉積主要為含礫的中、粗砂沉積,即所謂的“河床滯留沉積”,其底面為凹凸不平的沖刷面。
邊灘寬2~4m,長也多為幾米,高幾十厘米,主要由中、細砂組成,具有向上變細的沉積序列,發(fā)育側積層理。邊灘之下,為河床滯留沉積。
3.1.1.3 落淤層的類型及成因
無論是辮狀分流河道還是曲流分流河道,其內都可形成落淤層?,F以辮狀分流河道內的落淤層為例,闡述其類型及成因。根據現場觀察,落淤層有兩類,即孤立狀和連片狀,以前者為主(圖4)。
圖4 岱海北部辮狀河三角洲平原分流河道中的落淤層照片(照片中央的小心灘寬約50cm)
孤立狀落淤層呈孤立的條帶或斑塊狀分布于河道中,厚幾毫米到幾厘米,是河道徹底斷流后,河道低洼處積水沉積形成的,也可以算是一種充填沉積,多分布在水道內。
連片狀落淤層覆蓋整個河床,厚幾毫米到幾厘米。這類落淤層是洪水后期,剛剛漫過心灘的、很混濁的水流流速降低時,卸載沉積形成的。呈懸浮搬運的泥質,并非只能在靜水條件下沉積,如果水中泥質含量很高,流速降低時,即使仍在流動,也可導致泥質沉積。例如,黃河進入黃土高原后,河水變渾,泥質含量很高,河道內水雖在流動,但泥和粉砂淤積在河床上,使得河床比地面高出十多米,成為“懸河”。泥和粉砂沉積就是流速降低時發(fā)生的。
泥質一旦沉積,由于具有黏性,其抗侵蝕能力比松散的砂質甚至礫質沉積還要強。因此,落淤層常常能保存下來。河道徹底干涸后,落淤層暴露,形成泥裂(圖4)。下次水流可將泥裂沖碎,形成泥礫。
現今每個三角洲朵葉上,雖然大都只有一條河道,但隨著不斷沉積,河道逐漸變淺,發(fā)育到一定程度后,某次大洪水可導致改道,形成新的河道。在現今河道下切形成的河岸剖面上,常見古河道沉積與今河道斜交。因此,在三角洲朵葉發(fā)育演化過程中,分流河道是在不斷改道的,并不斷下切侵蝕以前的河道沉積,使不同時期的河道沉積拼合疊置,形成辮狀河三角洲平原(及辮狀河)特征的拼合板狀結構。晚期的河道可切斷早期的河道砂(礫)巖體,如果晚期河道突然廢棄并充填泥質,可在早期河道砂(礫)巖體上傾方向形成泥巖封堵,從而形成巖性圈閉。即使晚期河道沉積的砂(礫)巖與早期河道砂(礫)巖體接觸,由于儲集物性不同,也可形成物性圈閉。多期河道的相互切割,可以形成一系列巖性和物性圈閉。盡管不同時期的河道延伸方向有差異,但總體方向基本一致,河道間的夾角通常小于90°。因此這些巖性及物性圈閉大致呈菱形,向下游方向伸長。
3.1.2 河岸沉積特征
河岸即分流河道兩岸。這里當洪水溢出分流河道時,懸浮搬運的碎屑物質由于流速降低而發(fā)生沉積,形成河岸沉積。由于辮狀分流河道水流急,懸浮的物質較粗,為細砂級。因此,河岸沉積主要為細砂,平行層理發(fā)育,厚度多為中、薄層,可與泥質沉積互層。如果分流河道有彎曲,在凹岸的河岸更發(fā)育些,厚度更大,分布面積也更廣些。
3.1.3 河漫灘沉積特征
河漫灘位于分流河道之間,主要在洪水泛濫期發(fā)生沉積,主要為泥質粉砂、粉砂質泥等沉積,呈土褐色,其上草本植物發(fā)育,為“草灘”。有的草灘現已為莊稼地。草灘沉積呈塊狀,層理不發(fā)育,可見一些植物根莖。
3.1.4 濕原沉積特征
濕原是濕地的一種[15]。其特征是地面潮濕,植物繁茂,有積水。該區(qū)濕原不太發(fā)育,僅局部見于湖岸線附近,其上的植物為草本植物及樹叢,其沉積為黑色、深灰色泥、粉砂質泥,富含植物根、莖、葉等化石。與河漫灘不同的是泥巖呈還原色,且富含植物化石。
根據現場考察,研究區(qū)三角洲前緣主體為河口壩、遠砂壩、席狀灘和支流間灣。與辮狀河三角洲平原相比,前緣沉積普遍變細,其沉積以砂和細礫為主,這是由于分流河道流入湖泊時受湖水頂托作用,流速大減。因此只能搬運和沉積較細的沉積物。
3.2.1 河口壩
河口壩位于分流河道入湖口前方,總體呈舌狀,地形上略有隆起,壩脊大體垂直湖岸延伸,是河水靠慣性向前方流動、沉積所致(圖5,由于水位下降,部分河口壩已露出水面)。河口壩向湖內延伸距離為幾十米到100多米,可延至水深1.5m左右處。
圖5 岱海北部辮狀分流河道前方的河口壩圖
隨著湖水加深,其粒度逐漸變細。在河口附近,主要為細礫和中、粗砂,向末端,逐漸變?yōu)榧毶?。洪水期,水流速度較急,可發(fā)育平行層理,紋層向湖低角度(一般小于3°)傾斜。斷流期,河口壩表面遭受波浪改造,形成小型波痕,波脊總體平行于湖岸。該區(qū)河口壩具有向上變粗的反旋回韻律。
3.2.2 遠砂壩
遠砂壩位于河口壩外側,與河口壩相接,是河口壩向湖的延伸,只是由于水體變深,水動力變弱,沉積物以粉砂和泥質粉砂為主,顏色也偏暗。粉砂和泥主要是呈懸浮狀態(tài)由靠慣性向前流動的河水搬運、沉積的。在沉積過程中,沿岸流的作用可使混濁的河水向兩側擴散。因此遠砂壩的沉積范圍比河口壩的要大。在岱海南岸有一個發(fā)電廠,排出的污水沿人工渠流入湖中。人工渠寬約10m,水深約1m,流速較急,約0.7m/s,與辮狀河流速相近。污水在湖中的擴散形式可以反映河水在湖泊中的擴散形式(圖6)。
圖6 岱海南岸電廠人工水渠排出污水團的形態(tài)圖
3.2.3 席狀灘
席狀灘是湖泊沿岸流搬運沉積的,位于河口壩兩側。前人稱其為“席狀砂”[1,5,8,16-18],但筆者認為此稱呼不嚴謹,“砂”是沉積物,而不是地貌單元。席狀灘沉積與河口壩非常相似,主要區(qū)別是席狀灘平坦、較薄,且平行湖岸線分布,而河口壩較厚,地形上隆起,且垂直于湖岸線展布。
該區(qū)相鄰河口壩間的席狀灘連片,與河口壩一起,形成沿湖岸連續(xù)分布的砂灘,統(tǒng)稱“三角洲前緣砂體”。如果三角洲向前推進,即發(fā)生湖退,三角洲前緣砂體可形成向上變粗的沉積序列,其上可直接覆蓋三角洲平原分流河道間的泥質沉積;也可直接覆蓋分流河道砂、礫質沉積,兩者之間為沖刷侵蝕面。如果發(fā)生湖侵,三角洲前緣砂體可形成向上變粗再變細的完整的沉積旋回。
3.2.4 支流間灣
支流間灣位于兩個三角洲朵葉體之間,水體相對較安靜,其沉積主要為暗色淤泥。不過在該區(qū),支流間灣很少見,很多朵葉體之間的湖岸也是砂質沉積(前緣砂體),只有兩個明顯向湖突出的朵葉體之間才形成支流間灣,如元子溝一帶的支流間灣。
3.2.5 關于水下分流河道
教科書上有關三角洲經典的沉積模式中,三角洲前緣一般發(fā)育水下分流河道[17]。在許多關于三角洲的文獻和研究報告中,沉積微相圖上的水下分流河道延伸數千米甚至幾十千米[1,5-7,19-20]。
但金振奎等根據水槽實驗、現代沉積考察和理論分析認為,湖泊三角洲前緣中不發(fā)育水下分流河道,三角洲平原上的分流河道一延伸到湖平面處就消失了[21]。岱海周邊的辮狀河和曲流河三角洲前緣,都沒有水下分流河道,進一步證實了這一觀點。三角洲平原上的分流河道向湖岸逐漸變淺,一到達湖岸線便消失,其末端呈喇叭狀向湖撒開。
分流河道都是在湖平面這個沉積基準面之上由水流下切形成的。湖泊在演化過程中,湖平面是頻繁升降的,湖底經常暴露。暴露期間,河流下切,形成河道。這些河道經常切入三角洲前緣砂體中。岱海北岸就有前緣砂體出露,是高湖平面時期沉積的,但現今由于湖平面下降已變?yōu)槿侵奁皆?,并被分流河道所切割?/p>
如果后期湖平面上升可將其淹沒于水下,但其作為河道的沉積活動卻已停止,廢棄,如此就不是真正意義上的水下分流河道。
有的學者認為,河水中因含有泥質等懸浮物質,其密度比湖水密度大,在河口處會下切,形成水下分流河道。但筆者認為,河水遇到湖水頂托,流速大減。由于流速降低引起的沉積要多于由于微小的密度差引起的下切,況且河水流入湖泊后會與湖水混合。這種混合水的密度與河水密度的差異可以忽略不計。
前三角洲沉積為暗色泥、粉砂質泥,與正常的湖泊沉積不易區(qū)分。根據人工水渠污水分布范圍推測,其水深在幾米到10m左右(圖6)。其沉積中含有介形蟲。湖中的魚類死后沉落水底,可形成魚化石。
1)三角洲前緣沒有水下分流河道,分流河道一入湖即消失。三角洲前緣河口壩與席狀灘連片,沿湖岸連續(xù)展布,形成濱岸砂灘。
2)辮狀河入湖可以形成兩種三角洲,即分流河道呈辮狀河的三角洲和分流河道呈曲流河的三角洲,前者發(fā)育于三角洲形成早期階段,三角洲平原較小、坡度較大;后者發(fā)育于三角洲形成晚期階段,三角洲平原變大、變平緩,皆呈朵狀。
3)早期階段的辮狀河三角洲,分流河道兩岸溢岸砂發(fā)育,主要為細砂;而晚期階段則以粉砂和泥為主。
4)三角洲前緣砂體比平原分流河道的細,前者以砂質沉積為主,后者以礫質沉積為主。
5)該區(qū)辮狀河平原上,辮狀河寬幾米到100m,多為5~30m,深幾十厘米到2m。三角洲平原上的分流河道寬2~20m,多為幾米到十幾米,深幾十厘米到1m。
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