河控三角洲前緣沉積體系定量研究①——以鄱陽湖三角洲為例

段冬平 侯加根 劉鈺銘 王成剛 高 建

(1．中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249;2．中海石油(中國)有限公司上海分公司 上海 200030;3．中國石油勘探開發(fā)研究院 北京 100086)

0 引言

儲集體地質(zhì)知識庫是建立精細地質(zhì)模型的關(guān)鍵［1］。河控三角洲是我國陸相儲層重要組成部分之一，豐富并完善其地質(zhì)知識庫的建立，進行沉積體系的定量研究有重要的意義。目前主要采用以下三種方法來建立儲集體地質(zhì)知識庫:

(1)利用密井網(wǎng)資料建立地質(zhì)知識庫。在缺少露頭資料與相似現(xiàn)代沉積的地區(qū)，利用密井網(wǎng)資料建立地質(zhì)知識庫可以較好對儲層研究進行指導(dǎo)［3，4］。但其精度比露頭或現(xiàn)代沉積低，可用于指導(dǎo)相對稀井網(wǎng)區(qū)的隨機建模研究［5］。

(2)利用露頭資料建立地質(zhì)知識庫。露頭研究具有直觀性、完整性、精確性、可檢驗性等優(yōu)點，利用露頭資料可以詳細觀察垂向上不同沉積單元之間接觸關(guān)系和幾何形態(tài)，便于建立和積累地質(zhì)知識庫［6～10］。

(3)利用現(xiàn)代沉積建立地質(zhì)知識庫?，F(xiàn)代沉積考察是建立地質(zhì)知識庫的關(guān)鍵途徑之一，尤其是可以定性及定量描述不同沉積單元的平面發(fā)育形態(tài)［11～17］。

雖然國內(nèi)外學(xué)者們針對較大規(guī)模的河控三角洲進行了大量的測量分析工作，但其研究的規(guī)模要遠超我國陸相湖盆河控三角洲，致所獲得的各類參數(shù)較難直接應(yīng)用到陸相盆地的三角洲沉積儲層研究中。為此急需開展典型河控三角洲前緣儲層現(xiàn)代沉積研究，尤其是其主力儲層水下分流河道與河口壩的定性及定量認知。因此，本文通過Google Earth軟件利用高分辨率的衛(wèi)星照片對現(xiàn)代河控三角洲的平面形態(tài)進行觀察與測量，完善并充實河控三角洲前緣地質(zhì)知識庫。選取中國鄱陽湖三角洲為主要研究對象，并參考美國Wax Lake Delta(圖1)，進行詳細的測量。通過衛(wèi)星照片(照片精度為50 m)，研究分流河道與河口壩兩種沉積單元的定量幾何形態(tài)特征與數(shù)據(jù)特點，豐富并完善河控三角洲前緣儲層地質(zhì)知識庫，為類似地下儲層的精細解剖研究提供定量數(shù)據(jù)的指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

鄱陽湖三角洲和Wax Lake Delta雖然處于不同的地區(qū)，但二者都是物源供給充足的高建設(shè)性河控三角洲，蓄水盆地的地形坡度平緩，平面具一定的相似性。

圖1 考察用的三角洲衛(wèi)星照片F(xiàn)ig．1 Deltaic satellite photograph for the investigation

1．1 鄱陽湖三角洲概況

鄱陽湖位于長江以南，江西省北部，由贛江、撫河、修水、信江、饒河五河匯入，贛江過南昌后分西、北、中、南四支入湖，鄱陽湖在全新世晚期發(fā)育三角洲體系，而距今1700年前～250年前之間的破壞型三角洲沉積，250年前至今為高建設(shè)型河控三角洲沉積。目前鄱陽湖處于湖盆充填階段，湖水較淺，地形坡度平緩［18］。本文以匯入鄱陽湖的贛江中支河道形成的三角洲朵葉體為例，在受人類活動影響較小的區(qū)域，利用衛(wèi)星圖像對其進行測量(圖1a)。

1.2 Wax Lake Delta概況

Wax Lake Delta位于美國墨西哥灣北部的阿查法拉亞灣地區(qū)，該區(qū)地形異常平坦，其傾斜角度小于1°。1954年美國政府將阿查法拉亞河的一條支流(Wax Lake出口道)改成為人工修筑的防洪道，Wax Lake Delta開始形成［19］。在1974年時，三角洲的雛形開始發(fā)育，分流河道體系尚未形成(圖2a)，短短30年過后，現(xiàn)今的Wax Lake Delta，平面形態(tài)已演變成具多分支河道的河控三角洲(圖2b)［20］，其平面形態(tài)特征及定量數(shù)據(jù)對沉積模式的建立有重要的指導(dǎo)意義。

2 分流河道特征

圖2 不同年代的Wax Lake Delta衛(wèi)星照片［20］Fig．2 Wax Lake Deltaic satellite photograph in different years［20］

水下分流河道與河口壩是三角洲前緣最活躍的沉積體，水下分流河道是分流河道的水下延伸部分，隨著三角洲不斷進積，前期的水下分流河道演變成分流河道。而隨著氣候變化、湖平面的頻繁升降，三角洲前緣的水下分流河道與三角洲平原的分流河道不斷轉(zhuǎn)換。因此，在現(xiàn)代沉積中，目前能看到出露水面的分流河道也就是早期的水下分流河道，為明確研究范圍，避免混淆概念，本文將研究區(qū)內(nèi)的分流河道與水下分流河道統(tǒng)稱為分流河道。

在三角洲進積過程中，分流河道不斷分叉，常呈倒三角網(wǎng)狀的幾何形態(tài)，下游河道與上一級河道之間彼此相連。因此主要以分流河道的平面形態(tài)為研究目標，從分流河道的數(shù)量變化、分叉角度及河道寬度變化等方面來描述。

2．1 分流河道數(shù)量變化

通過對鄱陽湖三角洲和Wax Lake Delta的研究發(fā)現(xiàn)，隨著河流的入湖(入海)河道開始由原來的一支變得越來越多，呈扇狀發(fā)散，構(gòu)成了三角洲沉積的骨架;鄱陽湖三角洲從開始分叉點到末端湖岸線的垂直距離只有5 km，分流河道數(shù)量已經(jīng)由原來的2條增加到末端湖岸線時的25條，三角洲呈扇形展開，展開角度為120°(圖3);Wax Lake Delta從開始分叉點到末端湖岸線的垂直距離為10 km，分流河道數(shù)量已經(jīng)由原來的1支增加到末端的30支，三角洲呈扇形展開，展開角度為105°(圖3)。

圖3 現(xiàn)代三角洲河道體系及測線位置圖Fig．3 Modern deltaic channel system and survey line location

由于每個三角洲的形狀并不是完全規(guī)則的，所以以1 km為測量間距，從三角洲開始發(fā)散點到湖岸線(海岸線)拉測線(圖3)，測量鄱陽湖三角洲和Wax Lake Delta河道數(shù)量的變化。隨著三角洲的進積，河道數(shù)量與距離呈線性關(guān)系，鄱陽湖三角洲自扇形頂點向湖盆方向每增加1 km，河道數(shù)平均增加5．7條，二者關(guān)系式為y=5.7x－3.7(y為河道數(shù)量，x為距離)，相關(guān)系數(shù)平方(R2)為0．986 9(圖 4)。Wax Lake Delta自扇形頂點向湖盆方向每增加1 km，河道數(shù)平均增加4條，二者關(guān)系式為y=4.05x－4.96(y為河道數(shù)量，x為距離)，相關(guān)系數(shù)平方(R2)為0．961 7(圖4)，相關(guān)性好?？梢?，雖然每個三角洲因為發(fā)育規(guī)模的不同，導(dǎo)致河道增加數(shù)量不同，但隨著三角洲向前進積，河道數(shù)量隨進積距離的增加都呈線性增加的關(guān)系。

圖4 現(xiàn)代三角洲進積過程中河道數(shù)量變化圖Fig．4 Variation of channel number in modern deltaic progradation process

2．2 分流河道分叉角度

對鄱陽湖三角洲和Wax Lake Delta的每一次分流河道分叉時的分叉角度進行了測量，鄱陽湖三角洲河道的分叉角度在25°～85°之間，主要集中在20°～30°和 50°～ 60°之間，平均為 51°，Wax Lake Delta河道的分叉角度在25°～85°之間，主要集中在30°～40°和 50°～60°之間，平均為 52°(圖 5)。雖然兩個三角洲在發(fā)育形態(tài)、規(guī)模、發(fā)育時間等方面有差異，但在分流河道的分叉角度變化上具有共同的特征，就是分流河道每分叉一次均為銳角分叉，其平均值在50°左右，分叉角度主要集中在50°～60°之間，分流河道分叉角度極少大于90°。

圖5 Wax Lake Delta與鄱陽湖三角洲分流河道分叉角度分布直方圖Fig．5 Bifurcation angle distribution histogram of underwater distributary channel in Wax Lake Delta and Poyang Lake Delta

2．3 分流河道寬度變化

贛江中支河道自南向北流入鄱陽湖，河道不斷分叉，最終形成了擴展角度達120°的扇形河道復(fù)合體，在這一過程中，河道的規(guī)模也一直在變化。以整個河道體系中的一條主河道為例(圖6a)，自起始測量點到湖岸線的末端，河道共發(fā)生了多達11次的分叉與合并的現(xiàn)象，從整體上看，自陸地向湖盆方向河道寬度越來越窄，測量了11處分叉與合并處河道的寬度，河道寬度由第1處的540 m降至最末端11處的50 m(圖6b)。

將新的分叉河道與其上一級的老河道寬度進行對比，用新河道寬度除以老河道的寬度，計算得出總的新老河道的寬度比在0．5～1．3之間(圖6c)。從測量結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，河道的分叉會導(dǎo)致寬度降低，如圖 6a 中所示的 1、2、3、5、6、7、8、10、11 這九處均存在河道分叉，新生成的河道寬度比老河道寬度降低，新老河道寬度比在 0．5～0．95之間，平均值為0．72。而兩個河道的合并則會導(dǎo)致河道變寬，如圖6a中所示的4、9兩處存在河道的合并現(xiàn)象，致使新河道寬度比老河道寬度大，新老河道寬度比在1．04～1．32 之間，平均值為 1．18。

沿鄱陽湖三角洲湖岸線跨河道測量末端分流河道與河口壩的寬度，末端分流河道寬度在30～150 m之間，平均為60 m，85%以上的末端分流河道寬度集中在30～120 m之間(圖6d);而末端分流河道間河口壩的寬度在60～750 m之間，32%集中在100～300 m之間，平均為260 m(圖6e)。不同地區(qū)不同河流形成的三角洲的末端河道規(guī)模及河口壩規(guī)模是不同的，如俄羅斯地區(qū)的勒拿河三角洲末端分流河道寬度集中在100～400 m之間，最寬的河道寬度達3 300 m，河口壩寬度集中在300～400 m之間，最寬河口壩達3 000 m，無論是三角洲的規(guī)模還是分流河道及河口壩的規(guī)模都較鄱陽湖三角洲大許多，因此，利用這類數(shù)據(jù)進行類比是無效的。但是，通過計算發(fā)現(xiàn)，勒拿河三角洲的新老分流河道的分叉后寬度比平均為0．73，這與鄱陽湖三角洲新老分流河道寬度比0．72極為接近。因此，三角洲內(nèi)在的沉積特征是可以相互借鑒的，但準確的寬度與長度數(shù)據(jù)在不同的三角洲沉積中應(yīng)該是各具特色、各有不同。

圖6 鄱陽湖三角洲分流河道與河口壩統(tǒng)計圖Fig．6 The statistic graph of underwater distributary channel and mouth bar in Poyang Lake Delta

3 河口壩特征

3．1 河口壩的形態(tài)特征

通過對現(xiàn)代沉積中河口壩的平面形態(tài)觀察，按其平面形態(tài)的不同，可將河口壩劃分為兩種:物源方向銳角收斂的三角狀河口壩和兩端銳角收斂的狹長心灘狀河口壩。

(1)三角狀河口壩

三角狀河口壩是指平面形態(tài)呈三角狀的河口壩砂體。主要發(fā)育在三角洲分流河道與湖岸線(海岸線)交匯地區(qū)，由末端分流河道控制形成。當(dāng)河道延伸至蓄水體時，在湖水(海水)的頂托作用下，碎屑沉積物快速堆積，河口壩開始迅速生長，河口壩的生長迫使分流河道銳角分叉向前延伸，從而形成了向物源方向呈銳角的三角狀河口壩。在河控三角洲中，分流河道向前延伸開始分叉時形成的河口壩均為三角狀。在不同的三角洲現(xiàn)代沉積中，可以發(fā)現(xiàn)新形成的河口壩砂體最初均為三角狀(圖7a)。在靠近湖岸線(海岸線)新生成的河口壩均為向物源方向銳角收斂的三角形狀，由于蓄水體及河道的改造作用弱，平面形態(tài)得以較好的保留下來。

(2)狹長心灘狀河口壩

狹長心灘狀河口壩是指兩個長軸端銳角收斂，中心部位寬度大，在平面形態(tài)類似于狹長辮狀河心灘沉積的河口壩砂體。

狹長心灘狀河口壩最初形成時也為三角狀，隨著河口壩砂體不斷向前發(fā)育，被河口壩分隔的兩條分流河道不斷向前延伸，當(dāng)分流河道延伸到一定距離時，新的河口壩砂體開始沉積發(fā)育，迫使分流河道繼續(xù)以平均50°分叉角度的分叉，在分叉過程中分流河道開始交匯，切割破壞早期的河口壩沉積，將初期的三角狀河口壩改造為狹長心灘狀。該類型河口壩砂體主要分布在三角洲前緣的中上部，其形態(tài)主要受分流河道發(fā)育的限制，因分流河道的分叉在頂部形成銳角狀，在末端同樣受到分流河道的分叉與合并的影響，形成銳角收斂的形態(tài)(圖7b)。

3．2 河口壩長度與寬度變化規(guī)律

利用現(xiàn)代沉積的衛(wèi)星照片可以直觀的獲取單一河口壩砂體的長度、寬度數(shù)據(jù)，并對長寬比進行計算。通過Google Earth軟件上鄱陽湖三角洲的衛(wèi)星照片，以前述的河口壩形態(tài)特征對不同類型的單一河口壩進行劃分(圖8)，在鄱陽湖三角洲里共識別出37個單一河口壩沉積，其中在三角洲前緣中上部的心灘狀河口壩有18個，在三角洲前緣下部，因分流河道持續(xù)分叉，數(shù)量增多，河口壩平面形態(tài)主要表現(xiàn)為三角狀，河口壩的數(shù)量也相應(yīng)增至19個。

測量了鄱陽湖三角洲每個單一河口壩的長度和寬度數(shù)據(jù)，同時計算了每個單一河口壩砂體的長寬比，測量及計算結(jié)果詳見表1，測量結(jié)果表明:主要位于三角洲前緣中上部的狹長心灘狀河口壩長度集中分布在0．5～1．5 km 之間，寬度集中分布在 250～500 m之間，長寬比介于 2．53～7．45 之間，平均為4．16);三角狀河口壩規(guī)模變化較大，長度集中在0．5～1．5 km之間，寬度集中分布在200～700 m之間，長寬比在 0．96～4．47，平均為 2．45。鄱陽湖三角洲測量的不同類型河口壩長寬比平均為3．28。

圖7 現(xiàn)代沉積中典型的河口壩Fig．7 The typical mouth bar in modern sediments

鄱陽湖三角洲不同類型河口壩砂體的長度與寬度數(shù)據(jù)分析表明(圖9)，三角狀河口壩的長度(L)與寬度(W)之間相關(guān)性差，相關(guān)系數(shù)R2僅為0．36，這主要是因末端分流河道分布不均勻及局部分叉頻繁導(dǎo)致其形態(tài)的不規(guī)則;而狹長心灘狀河口壩的長度(L)與寬度(W)之間的相關(guān)系數(shù)較高(R2=0．65)，長度(L)與寬度(W)數(shù)據(jù)存在定量的線性對應(yīng)關(guān)系，關(guān)系式為:L=0．19W+106。

圖8 鄱陽湖三角洲不同類型河口壩的分布示意圖Fig．8 The distribution schematic diagram of different kinds of mouth bars in Poyang Lake Delta

表1 鄱陽湖三角洲河口壩測量數(shù)據(jù)表Table 1 Measured data of mouth bars in Poyang Lake delta

Robert(2004)對多個三角洲河口壩的長度與寬度進行了測量，不同三角洲河口壩的形態(tài)雖然類似，但長度與寬度規(guī)模各不相同，Colville Delta河口壩長度集中在 0．5～2．1 km，寬度在 0．4～0．9 km;Kuparuk Delta 河口壩長度集中在 0．4～0．7 km，寬度在 0．2～0．5 km;Sagavanirktok Delta 河口壩長度集中在 0．3 ～0．8 km，寬度在 0．2～0．4 km;Atachafalaya Delta 河口壩長度規(guī)模較大，寬度集中在0．9 km附近［17］。與前面測量的鄱陽湖三角洲的河口壩規(guī)模相比，每個三角洲因其地形坡度、沉積物供給與水動力條件的差異，造成發(fā)育的河口壩規(guī)模不同。因此，河口壩的平面形態(tài)特征及長寬比的幾何特征對河控三角洲前緣定量模式的建立更具有切實的指導(dǎo)意義。

圖9 鄱陽湖三角洲不同類型河口壩長度寬度交會圖Fig．9 Length and width cross plot of different kinds of mouth bars in Poyang Lake delta

4 分流河道與河口壩的定量沉積模式

依據(jù)鄱陽湖三角洲不同沉積單元平面上的定性、定量研究及其他幾個典型河控三角洲現(xiàn)代沉積衛(wèi)星照片的觀察，總結(jié)了朵狀河控三角洲前緣分流河道與河口壩砂體的沉積模式(圖10)，沉積模式具有以下定性及定量特征:

(1)分流河道是河控三角洲前緣的骨骼與血管，其發(fā)展演化存在兩種主要的形式，即分叉與合并。分叉的原因是在河口處形成的河口壩砂體的阻礙作用，分流河道每分叉一次寬度平均降低0．72倍，持續(xù)的分叉導(dǎo)致分流河道不斷變窄，數(shù)量不斷增多;而合并則是分叉的分流河道在向湖盆的延伸過程中，與另外一條分流河道交匯，交匯處的河道寬度可以比上游河道寬度大。

(2)河控三角洲前緣的河口壩存在兩種形式:一是在分流河道發(fā)育的三角洲前緣的中上部，河口壩砂體的側(cè)向發(fā)育受到分流河道的限制，形成平面形態(tài)類似于辮狀河心灘的狹長心灘狀河口壩砂體;二是在三角洲前緣的前部，形成的三角狀河口壩砂體，整體上河口壩砂體的長寬比平均為3．28。

①狹長心灘狀河口壩

隨著三角洲不斷進積，河口壩最終出露水面，而分流河道不斷向前分叉、合并。河口壩的生長促進了分流河道的分叉，而新形成的分流河道由于其侵蝕作用則又限制著河口壩砂體的側(cè)向遷移。因此分流河道的發(fā)育控制著河口壩的平面形態(tài)，狹長心灘狀河口壩的長寬比平均為4．28，其長度與寬度呈極好的線性相關(guān)。

②三角狀河口壩

在河控三角洲前緣分流河道末端，分流河道變窄變多，直至河道特征消失。末端分流河道在河口處形成一系列三角狀河口壩砂體，其形狀多為不規(guī)則的類三角狀砂體，長度與寬度等測量數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性差，河口壩長寬比平均為2．14。隨著末端分流河道消失，不同分流河道形成的河口壩將會拼接形成連片扇狀砂席，環(huán)繞在末端水下分支河道前端。

圖10 河控三角洲前緣分流河道與河口壩沉積模式圖Fig．10 Depositional model graph of underwater distributary channel and mouth bar in fluvial delta front

5 結(jié)論與建議

通過研究取得了以下結(jié)論與認識:

(1)不同地區(qū)的三角洲的分流河道與河口壩沉積的規(guī)模各不相同，僅利用現(xiàn)代沉積統(tǒng)計的發(fā)育規(guī)模參數(shù)去指導(dǎo)地下儲集體的精細解剖具有片面性。

(2)不同河控三角洲的分流河道與河口壩的形成機理是一致的。平面上水下分流河道呈發(fā)散分叉變窄的葉脈狀，水下分流河道呈銳角分叉(平均分叉角度近50°)，向下游方向河道數(shù)量變多、寬度變窄(新老河道寬度比0．72);河口壩在三角洲前緣中上部呈兩端銳角收斂的狹長心灘狀，在三角洲前緣中下部呈三角狀，河口壩的長度與寬度之間存在明顯的線性關(guān)系。

(3)依據(jù)平面形態(tài)特征及統(tǒng)計的定量參數(shù)，建立了朵狀河控三角洲前緣水下分流河道與河口壩的定量沉積模式。

目前我國對典型河控三角洲現(xiàn)代沉積研究仍不夠深入，建議繼續(xù)加強以鄱陽湖三角洲為代表的典型河控三角洲現(xiàn)代沉積研究。除了衛(wèi)星照片研究其平面規(guī)模，還應(yīng)在條件允許的情況下，實地鉆井、測井、取樣、分析化驗，測量水下分流河道的深度與延伸距離，利用探底雷達測量河口壩內(nèi)部的結(jié)構(gòu)特征，微觀、宏觀相結(jié)合，以期建立更為精準的現(xiàn)代沉積原型模型。

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