曲流河扇相模式及應(yīng)用

張金亮北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部自然資源學(xué)院，北京，100875

內(nèi)容提要: 分支河流體系的討論有助于促進(jìn)各類沖積體系的分類學(xué)研究，并可促進(jìn)源—匯體系分析的定量化。博茨瓦納的奧卡萬戈(Okavango)曲流河扇是分支河流體系的典型代表，具有獨特的沉積學(xué)、水文學(xué)和地貌學(xué)特征，主要特點如下：①河道形態(tài)屬于單線曲流河道向下游分叉型，順流方向產(chǎn)生彎度不一的分支河道網(wǎng)絡(luò)，從頂點向下游方向，河道呈放射狀，由河谷內(nèi)的限制性河道變?yōu)榕璧貎?nèi)的非限制性河道；②順斜坡向下，河道分叉作用增強，河道的尺度和規(guī)模減小，受物源控制，無論是曲流河道還是低彎度河道，皆為砂質(zhì)載荷，河道寬度、水體深度和沉積物粒度雖有系統(tǒng)變化但不顯著，且在極低的坡度控制下，隨著流量的減少，河道由曲流河逐漸變?yōu)榈蛷澏群?，河道形態(tài)轉(zhuǎn)化的主要影響因素是坡度、流量、沉積物粒級和河岸強度；③根據(jù)濕地和河道分布特征，可將扇體劃分為補給河谷、近源扇、中部扇和遠(yuǎn)端扇4個亞環(huán)境：補給河谷以單線曲流帶和不同規(guī)模的迂回壩發(fā)育為特征，近源扇主要為泥炭限制的分支河道和河間沼澤沉積，中部扇主要為曲流河和低彎度河沉積，沼澤減少，漫灘增加，遠(yuǎn)端扇為寬淺型的非限定性河道，以沙島林地之間的漫灘沉積為主；④沉積物主要為未固結(jié)的石英砂，主要來源于卡拉哈里盆地近代風(fēng)成沉積，砂質(zhì)純凈，分選和磨圓俱佳，缺乏細(xì)粒雜基，粒間細(xì)粒組分主要為生物成因的硅藻、植硅石和有機(jī)物質(zhì)，亦見有方解石和二氧化硅膠結(jié)物。

隨著人們對現(xiàn)代河流地貌學(xué)研究的深入，對古代河流沉積物類型和沉積層序的認(rèn)識也逐漸深化。自從 Allen(1964，1965a，1965b)提出了向上變細(xì)層序的曲流點沙壩的側(cè)向遷移模式以來，在河流沉積研究領(lǐng)域，涌現(xiàn)出大量有關(guān)古代河道砂巖成因的研究實例，人們通過對現(xiàn)代河流的研究，認(rèn)識到河流沉積作用受一系列變量所制約，沉積類型具有多樣性，并進(jìn)一步確定了4種基本的河流類型，即辮狀河、曲流河、網(wǎng)狀河和順直河(Rust，1978；錢寧，1985)。隨后的研究涉及了河流地貌學(xué)、水動力學(xué)及工程地質(zhì)學(xué)的許多問題，對河流類型及其沉積物的多樣性和復(fù)雜性有了更加深入的理解，除了研究河流垂向?qū)有蛲猓€注重了河流的底形和各級界面的識別，提出了河流沉積學(xué)研究的新思路和新方法，取得了令人矚目的研究進(jìn)展(Schumm，1985；Miall，1985；Bridge, 2003；張昌民等，2004)。

河流體系的水動力條件、平面形態(tài)和沉積特征是極為復(fù)雜的，不同學(xué)者基于不同的研究側(cè)重點建立了不同的河流相模式，特別是對于多河道沖積體系，在Allen(1965b)分支河流網(wǎng)絡(luò)(distributive net)的基礎(chǔ)上，先后提出了末端扇、辮狀河扇、低彎度曲流河扇、河流分支體系、分支河流體系等，導(dǎo)致目前河流的分類和沉積相研究進(jìn)入了一個復(fù)雜的混亂和紛爭狀態(tài)(Kelly and Olsen，1993；Stanistreet和McCarthy，1993；張金亮等，2007，2008，2011；Nichols and Fisher，2017；Weissmann et al.，2010；Hartley et al.，2010；張昌民等，2020)。

1 多河道沖積體系類型

Weissmann等(2010)和Hartley等(2010)基于Google Earth圖像分析，對發(fā)育在不同構(gòu)造背景下的河流體系進(jìn)行了描述，提出了分支河流體系(distributive fluvial system，簡稱DFS)的概念, 并對DFS的基本特征及其分布進(jìn)行了闡述。正如Hartley 等(2010)所指出的，分支河流體系(DFS)表示河流體系沉積物在平面上呈現(xiàn)放射狀的分支河道分布型式，而非指所有河道都同時有水流活動，盡管在某些情況下多個河道可以是同時流動的。也就是說DFS上的河道呈分支狀，但不一定同時期都在活動，有活動河道也有廢棄河道，單一的辮狀河或者單一的曲流河都可以構(gòu)建一個DFS。因此，Hartley等(2010)將發(fā)育在不同構(gòu)造背景和氣候條件下的DFS的河道分布模式分為6種：即單一辮狀河道分叉型(I型)、單一主要辮狀河道型(Ⅱ型)、單一辮狀轉(zhuǎn)曲流河道型(Ⅲ型)、單一主要曲流河道型(Ⅳ型)、單一曲流河道分叉型(Ⅴ型)和多個曲流河道型(Ⅵ型)。Davidson等(2013)根據(jù)所觀察到的河道寬度和平面形態(tài)的順流變化，將上述6種河道分布模式歸納為3種地貌要素模式并進(jìn)行相帶劃分，3種地貌要素模式包括： ①辮狀分叉型DFS；②多線分叉型DFS和③單線曲流分叉型DFS。這些體系的主要特點包括：①從頂點向下游方向，河道呈放射狀，河道沉積作用為非限制性； ②順斜坡向下游方向，河道不斷分叉，河道規(guī)模減??；③河道形態(tài)多樣，可以是辮狀河、曲流河、網(wǎng)狀河或過渡類型；④順著斜坡向下游方向，沉積物粒度變細(xì)，漫岸細(xì)粒沉積與河道所占面積的比值不斷增大；⑤平面形態(tài)為扇狀或席狀，常形成橫剖面呈上凸?fàn)詈涂v剖面呈下凹狀的形態(tài)。

可見，分支河流體系的概念涵蓋了沖積扇、河流扇和巨型扇多種體系類型。雖然對沖積扇、河流扇和巨型扇上河道形態(tài)的認(rèn)識存在差異，但只要有活動的或廢棄的呈放射狀展布的河流體系，都屬于DFS的范疇。國內(nèi)一般將陣發(fā)性山區(qū)洪水因卸載其攜帶物而形成的沉積物叫洪積扇或者沖積扇，基本涵義就是由粗碎屑物質(zhì)組成的沿山前或陡坡向外部低凹地帶伸展的錐形、舌形或弧形的沉積體。它們常發(fā)育在那些地勢起伏較大，而且沉積物補給豐富的地區(qū)，代表陸上沉積體系中最粗、分選最差的近源單元，通常在下傾方向上變成細(xì)粒、坡度較小的河流體系。Galloway和Hobday(1983)將沖積扇劃分為5種類型，前兩種為干扇(arid fan)和濕扇(wetfan)，干扇即干旱環(huán)境形成的沖積扇，濕扇為潮濕氣候下形成的沖積扇；后3種是指某些扇的前端直接進(jìn)入湖泊或海盆形成的扇三角洲類型，即湖泊扇三角洲、波浪改造的扇三角洲和潮汐改造的扇三角洲。隨后，Galloway和Hobday(1996)又把沖積扇概括為3種類型，即(沖積)扇、扇三角洲和末端扇，其中沖積扇進(jìn)一步劃分為泥石流扇(debris-flow fan)、河流扇(streamflow fan)和片流扇(sheetflood fan)，并在河流扇和片流扇之間劃分出辮狀平原扇(braidplain fan)，但沒有限制這些扇的具體尺度和規(guī)模。

綜合前人不同的觀點，現(xiàn)將常見多河道沖積體系劃分為三大類型，即沖積扇體系(Ⅰ)、末端扇體系(Ⅱ)和河流扇體系(Ⅲ)。構(gòu)造背景、物源供給和氣候條件都會對沖積體系的發(fā)育起到控制作用，在特定的構(gòu)造背景或氣候條件下，這些沖積體系類型的發(fā)育有一定的預(yù)選性(圖1)。沖積扇體系主要是在干旱和半干旱地區(qū)由重力流和河道化水流形成的陸上粗碎屑扇形沉積體，坡度一般較陡，傾角一般大于1°，尺度規(guī)模中等以下，一般長度小于30 km，扇體面積小于1000 km2，按照沉積作用類型的占比不同分為泥石流扇、辮流扇和片流扇，其中辮流扇即辮狀平原扇，是山區(qū)辮狀河出山口后在辮狀平原上形成的同期或不同期辮流帶遷移疊加而形成的扇體。末端扇體系是干旱和半干旱地區(qū)主要由曲流河道末端形成的砂質(zhì)扇體，主體沉積環(huán)境處于泛濫盆地，缺乏明顯的水體改造特征，可稱之為河流末端扇，其實在河道推進(jìn)到不穩(wěn)定水體中也可以形成類似的朵葉體，與三角洲體系的不同在于遠(yuǎn)端受到盆地作用的改造很弱或不明顯，沉積作用主要為河道分支體系，可稱之為近岸末端扇或盆緣末端扇。河流扇體系主要由河流作用形成，坡度一般較緩，傾角一般小于1°，一般長度大于30 km，扇體面積大于 1000 km2，主要類型有辮狀河扇、曲流河扇及其過渡類型。河流扇還有不同的稱謂，如巨型扇(megafan)、沖積巨型扇(alluvial megafan)、大型河流扇(large fluvial fan)、潮濕河流扇(wet fluvial fan)等(DeCelles and Cavazza, 1999; Leier et al., 2005; Weissmann et al., 2010；Fontana et al., 2008,2014)。

圖1 常見多河道沖積體系類型及影響因素示意圖Fig. 1 Schematic illustration of main types and influencing factors in distributive fluvial system

曲流河扇是分支河流體系家族的主要成員，現(xiàn)代曲流河扇以博茨瓦納的奧卡萬戈扇(Okavango fan)為代表。由于沉積作用發(fā)生在沙漠干旱區(qū)，沉積物保存了大量敏感的氣候記錄，又是野生動物的樂園，是不可多得的社會與環(huán)境變化研究的天然實驗室。雖然區(qū)域氣候背景處于干旱沙漠沙丘地帶，但補給水流充足，扇體大都處于濕地環(huán)境。同時，這里人跡罕至，各種沉積現(xiàn)象渾然天成，是開展“將今論古”類比研究的重要場所，目前已經(jīng)成為沉積學(xué)研究關(guān)注的熱點區(qū)域(McCarthy et al.，1991；1997；2010；McCarthy and Ellery，1995；Gumbricht et al.，2004；Tooth and McCarthy，2004；Murray-Hudson et al.，2011；張金亮，2019)。

在這一大型的河流復(fù)合體系中，低彎度到高彎度的曲流河道都十分發(fā)育。植被的發(fā)育阻礙了河道的快速遷移，對沉積作用起到重要的控制因素。奧卡萬戈曲流河扇的形成原因、河道類型、河道轉(zhuǎn)變模式、沉積環(huán)境類型和特點都與當(dāng)今人們對沖積體系的認(rèn)識存在一定的差異。因此，通過對奧卡萬戈曲流河扇的現(xiàn)代沉積考察，建立曲流河扇沉積相模式，可為我國沖積體系中油氣資源的挖潛提供新的參考模式。

2 現(xiàn)代曲流河扇沉積環(huán)境

奧卡萬戈扇地處博茨瓦納西北部，處于南緯18°到21°，東經(jīng)23°到27°之間，扇長約150 km，寬約120 km，面積約為 18000 km2，是世界上最大的“內(nèi)陸三角洲”。曲流河扇四周被卡拉哈里沙漠沙丘區(qū)環(huán)繞，扇上植被發(fā)育，扇體表面上的植被覆蓋率達(dá)70%以上。從扇的地貌單元來看，奧卡萬戈扇主要由兩大部分組成：一是狹長的走廊地帶，是扇體的補給河谷地區(qū)，也稱為潘漢德爾(Panhandle)，河谷長約100 km，寬約15 km，坡度為1∶5570；二是寬闊的扇體部分，扇體長約150 km ，寬約120 km，扇上的坡度為1∶3400(McCarthy et al.，1997)。根據(jù)濕地的發(fā)育情況可以劃分為永久性濕地、季節(jié)性濕地和旱地分布區(qū)(圖2)。根據(jù)濕地、河道和河道間沉積特征的差異，可將奧卡萬戈扇劃分為補給河谷、近源扇、中部扇和遠(yuǎn)端扇 4 個亞環(huán)境。

圖2 奧卡萬戈地理位置及環(huán)境分布(海拔等高線據(jù)McCarthy，2013)Fig. 2 Topography and environment zonation of the Okavango Fan(Contour lines according to McCarthy, 2013)

2.1 補給河谷亞環(huán)境

潘漢德爾地區(qū)為一個向扇體展寬的河谷，谷岸地形坡度較陡，從河道匯聚點到谷口長約110 km區(qū)間內(nèi)，海拔由1025 m變?yōu)?75 m，坡度1∶2200，坡度值大于河谷泛濫平原。補給河谷由于河谷寬闊，奧卡萬戈河在濃密的紙莎草(Cyperuspapyrus)和蘆葦(Phragmitescommunis)沼澤中漫游和遷移。河谷內(nèi)為一永久性濕地環(huán)境，主要發(fā)育單一的曲流河道，由于河谷坡度小，河道具有較高的曲率，曲率變化范圍1.2到1.9，河道寬度較扇上河道相對較大，一般80～120 m，河道水深2～4 m，寬深比15～35不等。谷內(nèi)發(fā)育很好的曲流帶，單一的活動河道伴有明顯的點壩和反向點壩沉積，砂體表面多被植被覆蓋。河漫地區(qū)發(fā)育很好的廢棄河道帶，可見河道的沖裂作用和廢棄作用在近期非常發(fā)育。點壩或濱河床沙壩多呈彎曲的弓形，多期點壩形成一系列脊溝相隔的渦形壩或迂回壩。在航空照片或衛(wèi)星照片上可以清楚地看到，迂回壩上分布有一系列向上游張開、往下游收斂的弓形堤壩?；顒雍拥劳鈧?cè)的泛濫平原地區(qū)大都被廢棄的迂回壩所占據(jù)，除了缺乏陸源細(xì)粒沉積外，這一河谷內(nèi)發(fā)育的河流體系與現(xiàn)代曲流河沉積體系的相結(jié)構(gòu)具有相似性。河谷內(nèi)主要的微環(huán)境單元包括活動河道、河岸沼澤(天然堤)、河漫沼澤、河漫湖泊、廢棄河道(牛軛湖)、迂回壩、草地、林地和沙島等(圖3)。林地多與迂回壩或沙島伴生，可稱為沙島林地。河谷內(nèi)的沙島雖然有多種成因類型，但多數(shù)都離不開河流的侵蝕沖裂和沉積。由于河水的泛濫，河谷內(nèi)原來的風(fēng)成地貌多被流水改造，規(guī)模不等的沙島地貌多屬于迂回壩成因類型。零散的小型沙島多屬于廢棄的點壩和反點壩成因的砂體，迂回壩的彎曲形態(tài)較為明顯；某些伸長狀的帶狀沙島屬于廢棄的河道帶沉積，迂回壩形態(tài)部分可以識別，還有一些較大規(guī)模的沙島系由縱橫交錯的廢棄河道帶組成，雖然有些被植被覆蓋導(dǎo)致迂回壩特征不明顯，但沙島表面上可顯示出明顯的河道化水流的改造特征，脊與脊之間的洼槽多被植被和樹木占據(jù)。在暴雨季節(jié)，河水泛濫，大量的沉積物除了河床底部沉積，隨著河流水面升高，河水從河道中溢出，形成大量的漫岸沼澤沉積。每年進(jìn)入潘漢德爾地區(qū)的砂質(zhì)載荷沉積物達(dá)170 kt (即17萬噸)，懸浮載荷為39 kt，還有硅、鈣、鎂、鈉和鉀等化學(xué)溶解物質(zhì)大約是碎屑物質(zhì)的兩倍(McCarthy and Ellery, 1995)。具有強大水流流量的主河道奧卡萬戈河穿行于兩側(cè)被山地所夾持的這一走廊地帶，不斷地發(fā)生遷移和廢棄，形成了復(fù)雜的曲流河及泛濫平原沉積。另外，河馬可撕裂天然堤進(jìn)入河漫沼澤，形成小型的決口河道。奧卡萬戈河是奧卡萬戈扇的主河道，在潘漢德爾河谷的下游分叉，形成Nqoga河和Thaoge河兩個分支河道，其中Nqoga河是奧卡萬戈河的主要傳承河流。

圖3 潘漢德爾河谷下部出口和內(nèi)扇頂部主要河道及廢棄河道帶特征Fig. 3 Schematic map of the lower panhandle and uppermost fan showing a confined entry channel and abandoned meander belts

2.2 近源扇亞環(huán)境

潘漢德爾地區(qū)雨季所匯集的能量出山谷后，便形成了規(guī)模巨大的河流分支體系。奧卡萬戈河通過潘漢德爾河谷后被分成多條分支河道進(jìn)入永久性濕地扇區(qū)，形成近源扇或上扇沉積。近源扇分布從谷口海拔975 m到海拔960 m處，長度約50～60 km，環(huán)境分帶界線受河道和河間性質(zhì)影響很不規(guī)則。河谷下游形成的Nqoga河流經(jīng)盆地邊界斷裂后分叉形成Jao-Boro河，隨后Nqoga河向下游進(jìn)一步分叉，形成Maunachira河和Mboroga河。這些分支河道類型主要為彎度不等的曲流河。河道兩翼為泥炭沉積，泥炭層的表面多為紙莎草和蘆葦覆蓋，顯然紙莎草起到了穩(wěn)定河岸的作用，避免了水流對下浮泥炭層的侵蝕。這種由植被及其腐化產(chǎn)物泥炭層組成的天然堤并不能阻止水體的滲漏，加之河間地區(qū)略低于天然堤，導(dǎo)致了河水大量進(jìn)入河間地區(qū)，在廣闊的河間地區(qū)形成了分布廣泛的河漫沼澤。與潘漢德爾河谷地區(qū)相比，河道的寬度和彎曲度都有所變小，Nqoga、Jao-Boro和Maunachira分支河寬度50～80 m，水深2～4 m，寬深比10～25，河道曲率一般1.2～1.9，平均1.5。Maunachira 分支河道有不同彎度的河段發(fā)育，由于植被的覆蓋，凸岸迂回壩特征不明顯。不僅在分支河道的河岸長滿了茂密的植物，河間也有大面積的沼澤發(fā)育，在旱季大部分沼澤干枯，形成大面積分布的河漫灘(圖4)。近源扇區(qū)發(fā)育了多種微環(huán)境，主要有分支河道、泥炭天然堤、河間沼澤及湖泊、廢棄河道(牛軛湖)、草地和沙島林地。河間沼澤地區(qū)出現(xiàn)的牛軛湖說明洪水期河道的具有一定的裁彎取直和廢棄作用。在近源區(qū)也有主要分支河道的廢棄，如Thaoge河由于河道內(nèi)大量的植被生長，導(dǎo)致河道被堵塞，沉積物停止搬運，形成大段的廢棄河段。

圖4 奧卡萬戈曲流河扇上Maunachira分支河部分河段沉積環(huán)境分布特征Fig. 4 Sedimentary features of the Maunachira meander belt in the active part of the proximal fan sub environments

河道內(nèi)可以有多種類型的底形發(fā)育，有河道內(nèi)的順流加積體也有凸岸的側(cè)向加積體，可以發(fā)育大小不一的點壩和反向點壩砂體，形成迂回壩。天然堤沼澤的基座部分為泥炭層，厚度0.5～2 m不等，泥炭層水面以上為茂密的莖葉。它們可以出現(xiàn)在河道兩側(cè)，也可以出現(xiàn)在河道的中央。它們平行河道延伸，橫斷面成楔狀或不對稱的透鏡狀，向河道一側(cè)較陡，另一側(cè)較緩并逐漸過渡到泛濫平原的沼澤和草地(圖5)。近源扇上的泥炭天然堤發(fā)育較好，有些與分流間沼澤連為一體，形成寬廣的沼澤發(fā)育區(qū)。廣泛分布的濕地為河馬、鱷魚、虎魚、魚鷹、翠鳥等提供了一個理想的生態(tài)環(huán)境。

圖5 奧卡萬戈扇分支河道—泥炭天然堤分布橫剖面示意圖Fig. 5 Schematic cross-section through a distributive channel and inferred relationship between channel and peat levees on the Okavango fan

流入沙漠的最原始的河道可能是具有很高的寬深比的席狀河道。正所謂有了水便有了生命，隨著紙莎草和蘆葦?shù)亩ㄖ埠脱杆俜毖?，寬闊的河道受到限制和分割，逐漸形成了由植被和泥炭構(gòu)成的堤岸類型。河岸沼澤和河漫灘上分布有縱橫交錯的河馬水道，正是由于河馬(Hippopotamusamphibius)的活動，天然堤常常被撕裂，從而促進(jìn)了河道的新生。河馬水道多為低彎度小型水道，可被隨后的水流改造形成小型分支河道，河道一般寬3～4 m，深2～3 m，河道內(nèi)有不等厚度的砂體充填。由于河道水流作用很難撕裂這種特殊的堤岸，因此扇上的決口沉積不發(fā)育，這與某些由決口組成的河道分支體系有著很大的差別(Nichols and Fisher，2017)。

奧卡萬戈扇地勢平坦、氣候溫暖潮濕，加之河水在旱季幾乎呈停滯狀態(tài)，為植物的生長提供了底質(zhì)條件。河水中除了紙莎草、蘆葦、香蒲(Typhacapensis)、睡蓮(Nymphaeaspp.)和河馬草(Vossiacuspidata)外，還生長著各種藻類和浮游生物，它們死亡后沉入河底并形成腐泥—腐殖質(zhì)層，河馬等動物的排泄物也為河底沉積物提供了有機(jī)質(zhì)。隨著泥炭堆積物離岸向河道發(fā)展，并逐漸使河道變窄。

從近源扇地區(qū)的沉積環(huán)境組成來看，主要有活動河道、堤岸、河間沼澤、湖泊、廢棄河道、草地和沙島林地。與潘漢德爾地區(qū)不同的是，部分沙島林地可能屬于原來的風(fēng)成沙丘沉積，河流的侵蝕和改造作用較弱，已經(jīng)不屬于正常泛濫平原的沉積單元。

2.3 中部扇亞環(huán)境

中部扇區(qū)是一個受季節(jié)性洪水影響的廣闊區(qū)域，分布范圍從扇上海拔960 m到945 m處，長度約55 km。在5月和9月之間季節(jié)性洪水到來時，中扇大部分地區(qū)一片澤國。由于洪水可透過天然堤向分流間地區(qū)傾瀉，河間低洼地區(qū)形成大面積分布的沼澤和湖泊。當(dāng)旱季到來，河水減弱和蒸發(fā)，河間地區(qū)沼澤和湖泊萎縮，部分地區(qū)暴露成為漫灘，草地出現(xiàn)，食草動物繁盛，成千上萬的野牛、大象、獅子、長頸鹿、斑馬和疣豬漫步于草地和叢林中。當(dāng)干旱繼續(xù)發(fā)生，部分湖泊和沼澤逐漸干涸，沼澤植被枯萎，草地退化，大型食草動物的活動和動物的掘穴可導(dǎo)致草地的破壞而形成沙地，嚴(yán)重地區(qū)還可形成風(fēng)成沙丘。中扇是曲流河扇環(huán)境多變的地區(qū)，也是河道體系最復(fù)雜的地區(qū)，河道的寬度變化不大，但彎曲度變化較大。河道寬度20～40 m，水深2～4 m，寬深比10～20。順斜坡方向可進(jìn)一步劃分為扇中分支河道、扇中河道間和扇中前緣3個微環(huán)境。

扇中分支河道是近源扇主要分支河道的延伸和進(jìn)一步分叉，臨近近源區(qū)的河道內(nèi)和河道邊緣發(fā)育紙莎草和蘆葦，形成河道內(nèi)泥炭層堆積和泥炭天然堤(圖6a、b)。某些曲流河道圍繞著沙島、林地和草地蜿蜒遷移，在彎曲的過程中，所攜帶的碎屑物在凸岸泥炭層內(nèi)側(cè)沉積下來，形成點壩。局部地區(qū)河道天然堤與分流間沼澤連為一體，形成寬廣的沼澤發(fā)育區(qū)。河道和河岸沼澤生活有大量的河馬和鱷魚，河馬的活動不僅在沼澤里面開挖出小型分支河道，還可以撕裂天然堤促進(jìn)了河道的沖裂作用(圖6c、d)。

圖6 奧卡萬戈曲流河扇中分支河道和河道間沉積特征Fig. 6 Sedimentary characteristics of meandering channels and their interchannels on the middle fan subenvironments (a) 河道內(nèi)和河道邊緣發(fā)育的紙莎草河蘆葦沼澤，沿岸有林木生長，右上角插圖為河岸泥炭層； (b) 圍繞著沙島林地和草地穿行的寬窄不一的河道，紙莎草部分堵塞河道，左上角插圖為河道內(nèi)發(fā)育的紙莎草；(c)沼澤中發(fā)育的分支河道，小型河道多由河馬水道的后期改造而形成，左上角插圖為河馬撕裂泥炭天然堤形成的河馬水道； (d)小型分支河道，多為河馬水道，右上角插圖為縱橫交錯的河馬水道； (e)河道中有大量河馬棲息，左上角插圖顯示遠(yuǎn)處的草地和林地有大型食草動物活動； (f)河間地區(qū)發(fā)育開闊的草地、林地和干涸的水塘，草地上有大型食草動物活動，右上角插圖為河間地區(qū)白蟻建造的巢穴(a) Papyrus and phragmites swamps are developed in the channel and channel margines, with riparian forests growing on thebankside. The illustration in the upper right corner shows the peat layer on the natural levee. (b) The distributive channels with different width run around grasslands, dry woodlands and savannahs, with papyrus partially blocking the channels. The illustration in the upper left corner shows papyrus developed in the channels. (c) The secondary channels developed in the swamp, and the minor channels are mostly formed by the later transformation of the hippo channels. The illustration in the upper left corner shows the hippo channel formed by the hippo tearing the peat natural embankment. (d) minor channels, mostly hippo channels, with crisscross hippo channels in the illustration at the upper right corner. (e) There are a large number of hippos in the channels. The illustration in the upper left corner shows that there are large herbivores in the grassland and woodland. (f) grasslands, woodlands and savannahs are developed in the interchannels. There are large herbivores on the grassland. The illustration in the upper right corner shows the nest built by termites

扇中河道間環(huán)境類型多樣，除了圍繞分支河道體系發(fā)育的大量植被及腐化產(chǎn)物泥炭層外，河岸沼澤外側(cè)，生長有河岸森林，森林外側(cè)大多分布有草地、沙島林地和白蟻丘(圖6e、f)。草地除了局部生長紙莎草、蘆葦和芒草(Miscanthusjunceus)外，主要生長鋪地黍(Panicumrepens)和白茅(Imperatacylindrical)。河岸森林樹木常見類型有南美榕(Ficusnatalensis)和聚果榕(F.sycomorus)等樹種，還有中毛柿(Diospyrosmespiliformis)、刺棗(Phoenixreclinata)和山竹(Garcinialivingstonei)等。有些樹木占據(jù)地勢較高的沙島形成林地，多數(shù)樹木環(huán)島生長。這些沙島林地分布廣泛，數(shù)量眾多，面積從幾平方米到幾平方千米不等，樹木以各類榕樹為主，偶見猴面包樹(Adansoniadigitata.)。大型的沙島多是原來的沙丘地形高地，酋長島就是一個最大的沙島林地，沉積物與河流底質(zhì)砂體屬于同一沉積類型，但表層已經(jīng)受到植物擾動和土壤化。中—小型的沙島多是廢棄的迂回壩，從脊溝地貌發(fā)育特點可以進(jìn)行識別。草地和林地都普見白蟻丘，系由白蟻(Macrotermesmichaelseni)建造的巢穴，為最小的沙島類型，高達(dá)1～3 m，巢穴多建在樹邊和樹下，有的環(huán)樹而建。有的草地和森林會被天火焚燒，形成草木灰或碳化碎屑，這些碳化植物屑可形成獨具特色的漫灘沉積。

扇中前緣是扇中分支河道和河道間的順流延伸，位于中部扇的前緣地帶。隨著河道的向前延伸，沼澤的發(fā)育受到限制，泥炭層減少，河流的固有作用被激發(fā)，曲流點壩沉積活躍。河道的決口和遷移改道頻繁，曲流沉積作用發(fā)育。當(dāng)洪水期來到時，水位增高，點壩部分沒于水下，受到水流的沖刷和切割，形成眾多的流槽和流槽壩。河道的兩側(cè)還可以發(fā)育決口扇，在天然堤外側(cè)形成扇狀堆積物。隨著曲流河的彎曲變大，逐漸形成蛇曲，相鄰的河彎會越來越靠近，一旦發(fā)生洪水，侵蝕作用劇增，水流就會沖潰曲頸直接流入下一河彎，完成河道的截彎取直，被遺棄的彎曲河道則多演變?yōu)榕＼椇?。牛軛湖沉積也是扇上較為突出的地貌特征，有些已經(jīng)干涸，僅有彎曲的河道形態(tài)。本區(qū)河道和點壩的不斷廢棄和新生，形成了寬達(dá)1～2 km的曲流帶(圖7a)。除了凸岸形成的點壩砂體外，在河道的凹岸一帶同樣可以出現(xiàn)反向點壩(圖7b)。與Smith等(2009)所提出的反向點壩多為點壩的細(xì)粒尾部沉積不同，本區(qū)反向點壩與點壩的粒度差別不大，皆為分選好的中—細(xì)粒石英砂。

扇中前緣已進(jìn)入半干旱環(huán)境，蒸發(fā)作用較強，河流流量減少，河流形態(tài)由曲流河逐漸演化為低彎度曲流河或順直河(圖7c、d)。這些低彎度河或順直河道內(nèi)底形十分豐富，有各種曲脊的沙丘、直脊的沙浪、流水波痕和平坦的床沙，以及大型底形如側(cè)壩(點壩)和水下淺灘(河灘)，沉積作用表現(xiàn)為潭—灘組合。除了河道內(nèi)有大量的河馬外，森林和草地上仍有大量的食草動物活動，常見野牛群和象群。

圖7 奧卡萬戈曲流河扇扇中前緣至扇端河道發(fā)育特征Fig. 7 Aerial photographs illustrating channel patterns and major components from the front part of middle fan to the distal fan subenvironments on the Okavango fan(a) 由活動河道、廢棄河道和點壩組成河道帶砂體，右下角插圖為點壩上發(fā)育的流槽、流槽壩及脊溝單元；(b)河道凹岸處發(fā)育的反向點壩砂體，左上角插圖箭頭所指處為反向點壩砂體；(c)低彎度曲流河凸岸發(fā)育點壩，河道內(nèi)發(fā)育淺灘，右上角插圖點壩砂體為白色石英砂；(d)順直河道，河道內(nèi)發(fā)育淺灘，右上角插圖顯示河道兩側(cè)發(fā)育側(cè)壩砂體；(e)遠(yuǎn)端扇上干涸的寬淺型河道特征，河馬水道遺跡縱橫交錯，右上角插圖顯示干涸的漫流和沙島，白色條帶為干涸的河槽；(f)遠(yuǎn)端扇上干涸的淺河道和河岸沼澤，右下角插圖顯示干涸的漫流帶環(huán)繞著沙島林地(照片放大后可看到野象和野牛等大型食草動物)(a) Meander belt sands are composed of active channel, abandoned channels and point bars. The illustration in the lower right corner shows the chute, chute bar, ridge and swall units on the point bar. (b) Counter point bar deposits in the distributive channel have concave scroll bar patterns in contrast to convex scroll patterns for point bars.The arrow in the illustration at the upper left corner is the sand body of counter point bar on the concave bank of the channel. (c) Point bar is developed on the convex bank of low sinuosity channel, riffles are developed in the channel, and the sand body of point bar in the illustration at the upper right corner is white quartz sands. (d) Riffles are developed in the straight channel, and the illustration in the upper right corner shows that side bars on both banks of the channel. (e) The lower fan in which annual floods from relatively unconfined channels spread over the fan surface，and hippo channel relics are densely crisscross, the illustration in the upper right corner shows unconfined channels and sand islands, and the white strip is dry channel. (f) Dry unconfined shallow channels and swamps interact with pre-existing aeolian and alluvial deposits. The illustration in the lower right shows the dry unconfined shallow channels surrounding the islands (When the photo is enlarged, large wild animals such as wild elephants and buffaloes can be seen)

河道形態(tài)及其流動方式受到諸多因素的控制，包括流量、坡度、氣候和植被。根據(jù)現(xiàn)代河流搬運的沉積物負(fù)載，可把沖積河道分為床沙載荷型(bed-load channels)、混合載荷型(mixed-load channels)和懸浮載荷型(suspended-load channels，辮狀河主要是床沙載荷河道，曲流河為混合載荷河道和懸移載荷河道，而網(wǎng)狀河則多為懸移載荷河道(Schumm，1985)。但是，在奧卡萬戈扇上，河道搬運的沉積物負(fù)載、河道幾何形態(tài)、河道沉積物類型三者之間的關(guān)系，并不遵循上述規(guī)則。奧卡萬戈河道沉積物缺乏細(xì)粒組分，床沙載荷比例一般50%～70%，河谷內(nèi)河道床沙載荷高達(dá)75%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于床沙載荷和混合載荷的分界值11%。在如此高的床沙載荷條件下，從河谷到扇上都沒有出現(xiàn)砂質(zhì)辮狀河道沉積類型，說明河道平面形態(tài)不完全受河道載荷類型的控制。從河谷到扇上河道類型的演化可以看出，在近源水流能量較大的地區(qū)，河道類型以曲流河占優(yōu)勢，而在水流能量較弱的地區(qū)河道類型則以低彎度河或順直河發(fā)育為特征。這些特征說明，扇上的河道形態(tài)的發(fā)育與流量的強弱有關(guān)。由此可見，在低—極低坡度下，即使存在很高的床沙載荷也難以發(fā)育辮狀河道，只能發(fā)育曲流河道和低彎度河道，而曲流河道和低彎度河道的發(fā)育則受到河流流量的控制。

河道由曲流河到順直河的河道轉(zhuǎn)變機(jī)理比較復(fù)雜，除了低坡度背景下的河流流量控制外，還可能存在其他的地質(zhì)因素。首先該區(qū)沉積物缺乏懸浮物質(zhì)，很難產(chǎn)生黏土塞，從而限制了河道的遷移；其次干旱氣候條件下的毛細(xì)管濃縮作用導(dǎo)致了化學(xué)膠結(jié)作用的增強，增加了河岸的穩(wěn)定性；第三，季節(jié)性濕地中某些河道兩側(cè)發(fā)育了較窄的河岸沼澤，它們沿著河道分布，限制了河道的遷移，也增大了河岸的穩(wěn)定性?？傊珊禋夂蚝投虝汉樗慕Y(jié)合，加上沉積條件的特殊性，形成了有利于順直河的發(fā)育條件。

2.4 遠(yuǎn)端扇亞環(huán)境

遠(yuǎn)端扇區(qū)是一個受季節(jié)性洪水影響的末端區(qū)域，分布范圍到橫向支流邊界處，扇上海拔大約從945 m到935 m，長度約40～50 km。奧卡萬戈河平均泄水量為335 m3/s，泄水高峰出現(xiàn)在每年的2月到3月，然后緩慢地流經(jīng)沼澤地區(qū)，大約需要4個月的時間才能到達(dá)扇邊緣的馬翁地區(qū)。在這一漫長的流水運動期間，大約95%的泄水量會通過蒸發(fā)作用散失掉，另外3%會通過向地下水進(jìn)行滲透，只有2%地表的流水會流經(jīng)扇體表面最終流入下游的恩加米湖(McCarthy，2013)。流水中攜帶的陸源碎屑物質(zhì)和碳酸鹽、硅酸鹽物質(zhì)都會在扇體表面沉降下來，石英顆粒之間的化學(xué)膠結(jié)十分活躍，淺表沉積物部分已處于弱固結(jié)成巖狀態(tài)。

奧卡萬戈扇的遠(yuǎn)端地區(qū)，河道作用已經(jīng)很弱，雖然洪水期大部分地區(qū)被河水淹沒，但河水的流動已經(jīng)不受河道的限制，形成遠(yuǎn)端漫流沉積。雨季來臨，沙島被淺水圍限，散落如珠，不可勝數(shù)。在旱季，只有局部地區(qū)存在少量有水的河道。分流河道經(jīng)過進(jìn)一步的多次分割，能量衰減，最后在在該區(qū)終止，形成漫流和沙島地貌特征(圖7e、f)。沙島上生長有樹木，尤以刺槐(Acaciaerioloba)最為發(fā)育。林間有白蟻丘，沙島表面為鈣質(zhì)膠結(jié)中—細(xì)砂。干旱氣候下的蒸發(fā)作用使得地下淺水區(qū)的鹽度沿下坡升高，造成了該區(qū)局部鹽沼的發(fā)育。森林和草地上有大量野象和野牛群活動，殘留水潭內(nèi)有大量河馬棲息，干枯的河道表面有大量的動物腳印和河馬水道遺跡。

3 曲流河扇相模式

3.1 砂體類型及沉積層序

根據(jù)衛(wèi)星圖像資料分析，從扇頂部到端部，植被沼澤和穩(wěn)定水體的面積逐漸減少。盡管沉積作用發(fā)生在沙漠旱地環(huán)境，蒸發(fā)和蒸騰導(dǎo)致水分的散失遠(yuǎn)超過降水量，但這些河流受到高強度季節(jié)性降水的影響，河水流量與沉積載荷的比例變化很大，能夠維持扇體大部分地區(qū)處于穩(wěn)定的濕地生態(tài)環(huán)境。從沉積作用類型來看，近源扇地區(qū)的地層剖面以泥炭層包裹河道砂為特點，而在中部扇地區(qū)則主要發(fā)育河道—點壩和漫灘沉積。遠(yuǎn)端扇則主要以席狀漫流沉積為主。

曲流河扇體系的骨架砂體為河道—點壩砂體，局部出現(xiàn)少量的反向點壩。在洪水期點壩增長較快，新舊點沙壩形成一系列脊溝相隔的迂回壩。脊代表著一次洪水期中點壩遷移的結(jié)果，溝代表著兩次洪水之間的結(jié)合部。根據(jù)實際勘測，河道沉積層序大致呈現(xiàn)向上變細(xì)的特點，泛濫平原沉積厚度較薄，多為中—薄層的石英砂和炭質(zhì)砂與泥炭層的疊合，有時可見厘米級的草木灰層和炭化植物屑。單一點壩厚度一般1.0～2.0 m，底部缺乏明顯的滯留泥礫沉積層，可見少量的砂質(zhì)碎屑和植物碎屑，侵蝕沖刷作用較弱，層序下部為不清晰的低角度斜層理中—細(xì)砂，頂部是植物根系擾動的不清晰的低角度斜層理細(xì)砂(圖8)。本區(qū)曲流河沉積主要有河道充填和點壩沉積組成，河道充填顯示了河道內(nèi)底形的進(jìn)積和填積作用，點壩砂體規(guī)模雖然較小，但表現(xiàn)出明顯的側(cè)向加積作用。點壩表面有大量的河馬水道遺跡和流槽侵蝕溝槽，某些河馬水道可能充當(dāng)了流槽的作用。流槽內(nèi)出現(xiàn)漂流植物碎屑、淡水軟體動物、大型動物的腳印和泥裂等，部分砂質(zhì)充填溝槽具有小型河道的沖刷—充填層序(圖9)。

圖8 奧卡萬戈曲流河河道砂體探槽剖面沉積特征Fig. 8 Sedimentary characteristics of point bars derived from excavations into abandoned channel margins on the Okavango fan(a)本文作者在干枯的河床上進(jìn)行探槽挖掘，沉積物為弱固結(jié)的石英砂，右上角插圖為剖面取樣位置； (b)本文作者在廢棄的河道點壩上進(jìn)行探槽挖掘，石英砂組成點壩有植被生長，背后廢棄河道內(nèi)有大量河馬活動，左上角插圖為點壩沉積剖面，顯示植物擾動紋層和沉積界面；(c)分支河道剖面，層理顯現(xiàn)不好，發(fā)育模糊不連續(xù)斜層理，向上變?yōu)橹参锔鶖_動的砂層；(d)分支河點壩沉積剖面，由斷續(xù)低角度交錯層中—細(xì)砂組成，上部被植物根系擾動(a) The author conducted prospectingpit on the dry riverbed. The sediment is weakly consolidated quartz sand, and the upper right corner is illustrated as the section sampling positions. (b) The author carried out prospecting trench on the abandoned channel side. The point bar composed of quartz sand has vegetation growth. There are a large number of hippopotamus activities in the abandoned channels . The point bar sedimentary profile is illustrated in the upper left corner, showing the plant disturbed lamina and sedimentary interface. (c) The section of distributive channel commonly includes plant remains, and fuzzy discontinuous oblique bedding is developed. (d) The sedimentary profile of the upper point bar in the distributive channel is composed of intermittent low angle cross bedding medium—fine sands, and is disturbed by plant roots

圖9 奧卡萬戈曲流河扇廢棄河段的河道—點壩組合橫剖面示意圖Fig. 9 Excavated cross-section through the abandoned distributive channel and inferred internal architecture of the subaqueous channel fills

3.2 沉積相模式

奧卡萬戈扇是目前地球上最大的河道分支體系，輻射范圍超過150 km。潘漢德爾地區(qū)相當(dāng)于扇體的補給主河道或補給河谷，河谷內(nèi)部奧卡萬戈河具有中度到強烈彎曲度，在限制性河谷內(nèi)不斷遷移和加積，形成了復(fù)雜的廢棄河道和點壩系統(tǒng)，活動河道兩岸被長滿植被的泥炭層所限制，植被類型主要是紙莎草和蘆葦。河谷和扇的近源部分發(fā)育有十分茂盛的植被，屬于永久性濕地區(qū)，中部扇區(qū)則主要受每年的洪水影響而發(fā)育植被，稱為季節(jié)性濕地，而遠(yuǎn)端扇則進(jìn)入旱地區(qū)(圖10)。

圖10 奧卡萬戈曲流河扇沉積相模式： (a) 奧卡萬戈曲流河扇相分布示意圖；(b) 奧卡萬戈曲流河扇上不同亞環(huán)境的河道發(fā)育特征Fig. 10 Sedimentary facies model of Okavango meandering fluvial fan: (a) Facies distribution diagram of the Okavango fan; (b) Diagrams showing the channel patterns of different subenvironments on the Okavango fan

奧卡萬戈曲流河扇的河道形態(tài)屬于單線曲流河道向下游分叉型，順流方向產(chǎn)生彎度不一的規(guī)模變小的分支河道，河道以分叉作用為主，交織作用出現(xiàn)得較少。河流坡度在所有河流分支體系中最低，即使豐富的床沙載荷也難以形成辮狀河道形態(tài)，在順流方向上隨著坡度的減小，河道發(fā)生一系列的流槽取直和頸部取直，形成一系列的曲流帶。在低坡度泛濫平原或扇中前緣地區(qū)，由于流量的減少，河道以低彎度曲流河或順直河發(fā)育為特點。當(dāng)進(jìn)入扇端部位，河道能量減弱到不能形成固定的深切型線狀水流，多以漫流沉積作用為主。

奧卡萬戈扇的沉積物主要來源于卡拉哈里盆地古近紀(jì)以來發(fā)育的風(fēng)成石英砂，石英含量為96%～99%，偶見長石顆粒。顆粒具有很好的磨圓和分選，粒度和礦物成熟度在整個扇區(qū)范圍內(nèi)沒有發(fā)生明顯的變化。外來的陸源碎屑細(xì)粒沉積物很少，粒間細(xì)粒組分主要為生物成因的植硅石、硅藻和有機(jī)質(zhì)，早期成巖礦物有石英、方解石和附著在顆粒表面生長的黏土(圖11)。

圖11 分支河道砂體的掃描電鏡特征Fig. 11 SEM characteristics of sand bodies in distribuyive fluvial channels(a)弱固結(jié)的石英砂，石英顆粒具有弱加大特征，50倍，OKWJK012；；(b)弱固結(jié)的石英砂，石英顆粒表面有黏土生長，部分顆粒具有加大邊，180倍，OKWJK009；(c)石英砂顆粒之間充填各種生物硅質(zhì)體，3000倍，OKWJK008； (d)石英砂顆粒之間充填各種生物硅質(zhì)體；顆粒表面有黏土生長，5000倍，OKWJK008.(a) Weakly consolidated quartz sand with weakly enlarged quartz particles, 50 times, okwjk012. (b) Weakly consolidated quartz sand, clay growth on the surface of quartz particles, and some particles have enlarged edges, 180 times, okwjk009. (c) Quartz sand particles are filled with various biological silicalites, 3000 times, okwjk008. (d) Various biological siliceous bodies are filled between quartz sand particles; There is clay growth on the particle surface, 5000 times, okwjk008

曲流河扇是沉積盆地內(nèi)發(fā)育的大型沉積體系。大型曲流河體系的發(fā)育受到多種因素的控制，除了構(gòu)造和氣候環(huán)境外，物源的充足、盆地的地形和坡度都很重要。若物源和水流能源充足，那么分支體系延伸距離較長，反之則延伸距離較短。曲流河扇的發(fā)育受水流流量的控制作用遠(yuǎn)大于氣候，即使河流流入干旱區(qū)或沙漠區(qū)，只要水流流量足夠大，也可以對流域內(nèi)的氣候和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行重建，形成旱地沙漠背景的河流濕地扇。

4 相模式應(yīng)用

現(xiàn)代沉積調(diào)研是研究沉積作用、分析沉積機(jī)理、進(jìn)行沉積構(gòu)造及水動力學(xué)解釋和建立沉積相模式的的重要手段?，F(xiàn)代地理信息技術(shù)的發(fā)展使得人們能夠更全面地觀察沉積體系及地貌要素的構(gòu)成。每一種沉積體系都有其共性 ，但具體到每個體系外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)各不相同。它山之石可以攻玉，對現(xiàn)代曲流河扇體系進(jìn)行調(diào)查的重要目的就是研究地下類似沉積體系的分布，從而為油氣資源的勘探開發(fā)提供預(yù)測模式。鄂爾多斯盆地二疊系山西組沉積時期，受構(gòu)造、氣候、水文和物源條件的控制，發(fā)育了各種類型的分支河流體系，其中曲流河扇體系形成了重要的天然氣儲層。

鄂爾多斯盆地位于中國華北地塊的西緣，是一個多旋回克拉通盆地，面積37×104km2。盆地基底由太古宇及元古宇變質(zhì)巖組成，中—新元古界以海相、陸相的裂谷沉積為特征，厚度為200～3000 m；下古生界以海相碳酸鹽巖為主，厚度為400～1600 m；上古生界發(fā)育的石炭系—二疊系沉積不整合超覆在元古宇或下古生界(主要是奧陶系)組成的沉積基礎(chǔ)層之上，缺失泥盆系—下石炭統(tǒng)，厚度為600～1700 m；中生界地層厚500～300 m；新生界在盆地內(nèi)部較薄，一般厚約300 m；盆地內(nèi)部構(gòu)造平緩、斷裂發(fā)育較少(戴金星，2014)。

在鄂爾多斯盆地上古生界油氣勘探過程中，國內(nèi)許多專家先后對上古生界地層、沉積格局、沉積環(huán)境、沉積演化等諸多方面進(jìn)行了不同尺度規(guī)模的研究(郭英海等，1998；朱筱敏等，2002；付鎖堂等，2003；楊仁超等，2004；陳洪德等，2011)。雖然對同一地區(qū)、同一層系的沉積體系所得出的結(jié)論不盡一致，但其中對于山西組沉積特點的認(rèn)識仍有一些共識，即普遍持有三角洲沉積觀點。隨著油氣田勘探實踐的深入，人們逐漸認(rèn)識到這種三角洲沉積環(huán)境有別于正常的三角洲模式，三角洲前緣的水下改造特征不明顯，尤其是前三角洲相帶分布狹窄，分流河道終止于不穩(wěn)定水體，應(yīng)屬于分支河流體系(張金亮，2019)。天然氣氣源巖的研究也表明，盆地中北部地區(qū)濕地沼澤分布廣泛，煤層和暗色泥巖最為發(fā)育，而中南部地區(qū)暗色泥巖并不發(fā)育(戴金星，2014)。

下二疊統(tǒng)山西組厚度約90～120 m, 為一套含煤碎屑沉積，巖性主要是灰白色石英砂巖和細(xì)礫巖，部分巖屑砂巖，夾薄層粉砂巖、泥巖和煤層，自下而上劃分為山2和山1段。中二疊統(tǒng)下石盒子組厚度約140～160 m，為一套河流沉積，巖性為淺灰色含礫粗砂巖，灰—灰白色中粗砂巖及灰綠色長石巖屑質(zhì)石英砂巖，夾灰綠色泥巖，自下而上可分為盒8、盒7，盒6、盒5四個段。太原組和山西組發(fā)育的濱岸體系和河流濕地扇體系是大氣田的主要生儲巖系，同時也是上覆含氣層系供烴中心(圖12)。鄂爾多斯盆地在太原組沉積末期結(jié)束了障壁海岸—淺水海盆的沉積歷史，經(jīng)過一段時間的抬升剝蝕，進(jìn)入了陸內(nèi)坳陷盆地的演化階段。

山西組山1段沉積時期，沉積作用受盆地北緣物源控制，三個主要的物源體系左右了河流扇沉積格局。西部為烏?！y川物源區(qū)，巖石類型主要為石英砂巖和長石石英砂巖；中部為杭錦旗—東勝物源區(qū)，以石英砂巖為主；東部為準(zhǔn)格爾旗—府谷物源區(qū)，巖石類型以巖屑砂巖、石英巖屑砂巖為主。中部物源體系沉積物碎屑組分中石英含量較高，同時受物源變化的影響，局部也出現(xiàn)一定量的巖屑砂巖及巖屑石英砂巖，巖屑為巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖巖混合區(qū)，但以變質(zhì)巖巖屑含量最高，重礦物組合以鋯石、電氣石、白鈦礦和磁鐵礦為特征。中部物源體系不僅礦物的成熟度高，而且山地匯集區(qū)面積大，形成了本區(qū)最高的流量供給區(qū)，致使分支河流體系延伸距離最長。來自北緣山區(qū)充沛的降雨攜帶大量的粗碎屑物質(zhì)由4～5條山谷傾入鄂爾多斯盆地，洶涌的洪流除了在山口附近形成了厚層近源的砂礫巖體外，向盆地方向形成了大型河流分支體系，在寬闊的濕地平原上發(fā)育了一套曲流河扇沉積體系(圖13)。

圖13 鄂爾多斯盆地山西組山1段曲流河扇相分布示意圖Fig. 13 Facies distribution of meandering fluvial fan in Shan 1 member of Shanxi Formation, Ordos Basin

盆地內(nèi)分流體系的分布特征表明，在盆地北緣山區(qū)存在多個大型的匯流體系。每一個匯流體系向下游逐漸形成單一的由山地流域供給的河道，分支體系的地貌形態(tài)和沉積作用則主要受控于山區(qū)供給的流域和沉積物供給等因素。山地供給的河流從河谷流出，搬運能力減弱，沖積體系中粗粒部分將率先沉積下來，在山前平原上形成沖積扇和粗粒河道沉積。隨著水流向前，坡度降低，切入沖積扇的主河道跨越?jīng)_積扇區(qū)很快轉(zhuǎn)變?yōu)榍骱拥缼АＧ鲙?nèi)沙壩較發(fā)育，表明床沙載荷沉積活躍。河道間發(fā)育漫岸細(xì)粒沉積，低洼沼澤中植被發(fā)育，穩(wěn)定煤層的發(fā)育表明永久性濕地環(huán)境的存在。河道帶延伸長度250～450 km，以中部軸向河道體系最為發(fā)育，延伸長度最大。在長達(dá)450 km的盆地長軸方向上，遍布有河道、濕地、沙島、漫灘和草地，由近源至遠(yuǎn)源，隨著河道的延伸和分叉，河道的尺度規(guī)模也逐漸變小，并隨著河道的延伸，水體不斷蒸發(fā)和滲漏，濕地逐漸減少，旱地逐漸增加，永久性沼澤逐漸變?yōu)榧竟?jié)性沼澤和泥灘。隨著河道頻繁側(cè)向遷移，彎曲度的增加則導(dǎo)致河道決口更為普遍。隨著沉積物粒度向下游減小，來自于漫岸的細(xì)粒沉積物在泛濫平原上形成泥質(zhì)沉積物(圖14)。

圖14 鄂爾多斯盆地山1段中部物源區(qū)曲流河扇沉積相模式示意圖Fig. 14 Sedimentary facies model of meandering fluvial fan in Shan 1 member of Shanxi Formation, Ordos Basin

從盆地內(nèi)主干河道長距離保持穩(wěn)定來看，主干河道并沒有很快分叉成更小的分流河道，但從縱向上主干河道區(qū)的小層制圖可以看出，分支河道遷移頻繁，同時反應(yīng)出氣候、坡度、流量和物源供給的變化制約著分支河道體系網(wǎng)絡(luò)的演化。蘇里格氣田的主體位于杭錦旗一東勝物源體系的中部地區(qū)，并受到東西兩側(cè)物源的干擾，河道規(guī)模和儲層物性也表現(xiàn)出一定的差異，中區(qū)物性最好，其次為西區(qū)，東部區(qū)塊物性最差。在中部扇亞相帶，主要發(fā)育分支曲流河體系，沉積微相由分支河道、漫岸及決口扇、漫灘及濕地沼澤等組成。可見，中部扇區(qū)，河道帶分叉后變得更為復(fù)雜，隨著河道彎度增大，河道帶以點壩砂體發(fā)育為主(圖15)。盡管單個河道寬度向扇體下游方向減小，但河道帶寬度增加。中部扇區(qū)的分支河道一般寬200～400 m，河水深度4～6 m，單一河道點壩砂體長300～500 m，寬200～300 m，河道帶寬度一般1200～1800 m(張金亮等，2018)。從蘇6區(qū)塊加密井區(qū)山1段橫向連井剖面可以看出，河道帶砂巖的分布呈席狀和帶狀分布，砂體規(guī)模總體上向上變小，并發(fā)生側(cè)向遷移(圖16)。

圖15 蘇里格氣田蘇6-22-11井山1段河道砂體巖芯及沉積層序Fig. 15 The core lithofacies and sedimentary sequence of channel sandbody in the Member 1 of Shanxi Formation, Well Su 6-22-11, Sulige Gas Field(a)河道砂體的巖芯特征，河道底部沖刷，含有大量的泥礫，向上發(fā)育槽狀交錯層細(xì)礫巖(Gt)、槽狀交錯層砂巖(St)、斜層理砂巖(Sp)、平行層理砂巖(Sh)和水流沙紋層理細(xì)砂巖(Sr)，頂部為含有砂質(zhì)條帶的泥巖(Fl)；(b)該井段巖芯顯示完整的向上變細(xì)的曲流河沉積層序，由河道底部單元和點壩組成，頂部為漫岸細(xì)粒沉積(a) The figure shows the core characteristics of the channel sand body. There is a scouring surface at the bottom of the channel, containing a large amount of mud clasts. lithofacies from bottom to top include: trough cross-bedded pebbly conglomerate and pebbly sandstone facies Gt, trough cross-bedded sandstone facies St, planar cross-bedded sandstone facies St, ripple cross-laminated sandstone facies Sr, horizontally bedded and laminated sandstone facies Sh, interlaminated siltstone and claystone facies Fl. (b) The sedimentary characteristics of individual fining-upward cycles in the coring section are remarkably uniform, recording the initiation, infill and final abandonment of a meandering channel element

圖16 鄂爾多斯盆地蘇里格氣田加密井區(qū)山1段砂體分布剖面圖: (a)河道帶砂體規(guī)模向上變??；(b)河道帶砂體向上向右遷移Fig. 16 Sand body distribution profile of Shan 1 member in infill well area of Sulige gas field, Ordos Basin: (a) The scale of sand bodies in channel belt decreases upward; (b) Sand bodies in the channel belt migrate upward and right

5 結(jié)論

分支河流體系是指呈放射狀展布的多河道沉積體系，涵蓋了沖積扇、末端扇和河流扇多種體系類型。河流扇是沉積盆地內(nèi)發(fā)育的大型分支河流體系，主要由河流作用形成，可進(jìn)一步劃分為辮狀河扇、曲流河扇及其辮狀河分叉變?yōu)榍骱拥倪^渡類型。河流扇體系的發(fā)育受到多種因素的控制，除了構(gòu)造和氣候環(huán)境外，物源供給、盆地地形、坡度和植被發(fā)育都很重要。

博茨瓦納奧卡萬戈曲流河扇是分支河流體系的典型代表，具有獨特的沉積學(xué)、水文學(xué)和地貌學(xué)特征。綜合濕地發(fā)育狀況、河道和河道間沉積特征，將奧卡萬戈扇劃分為補給河谷、近源扇、中部扇和遠(yuǎn)端扇4個亞環(huán)境。河谷內(nèi)發(fā)育很好的曲流帶，單一的活動河道被長滿植被的泥炭層所限制，泛濫平原被廢棄的迂回壩和沼澤所占據(jù)；奧卡萬戈河在河谷的下游發(fā)生分叉，分支河道進(jìn)入永久性濕地扇區(qū)，形成近源扇或上扇沉積，分支河道類型主要為彎度變化不等的曲流河并發(fā)育沼澤堤岸，河道間為沼澤、漫灘、迂回壩和沙島，河道內(nèi)大量的植被生長可導(dǎo)致河道被堵塞，形成廢棄河道；中部扇區(qū)是一個受季節(jié)性洪水影響的廣闊區(qū)域，順斜坡方向可進(jìn)一步劃分為扇中分支河道、扇中河道間和扇中前緣3個微環(huán)境，分支河道形態(tài)及其流動方式受到諸多因素的控制，包括流量、坡度、氣候和植被，但在極低坡度下隨著流量減少，河道平面形態(tài)由曲流河變?yōu)榈蛷澏群踊蝽樦焙樱贿h(yuǎn)端扇區(qū)是一個受季節(jié)性洪水影響的末端區(qū)域，分流河道經(jīng)過進(jìn)一步的多次分割，能量衰減，最后在在該區(qū)終止，形成漫流和沙島地貌特征。曲流河扇的發(fā)育受水流流量的控制作用遠(yuǎn)大于氣候，即使河流流入干旱區(qū)或沙漠區(qū)，只要水流流量足夠大，也可以對流域內(nèi)的氣候和生態(tài)環(huán)境進(jìn)行重建，形成旱地沙漠背景的河流濕地扇。

對現(xiàn)代曲流河扇體系進(jìn)行調(diào)查的重要目的就是研究地下類似沉積體系的分布，從而為油氣資源的勘探開發(fā)提供預(yù)測模式。鄂爾多斯盆地二疊系山西組山1段沉積時期，受構(gòu)造、氣候、水文和物源條件的控制，發(fā)育了各種類型的分支河流體系，其中曲流河扇體系形成了重要的天然氣儲層。來自于北部山區(qū)匯流體系網(wǎng)絡(luò)的季節(jié)性水流，在廣闊的鄂爾多斯盆地的泛濫平原上，形成了特大型的曲流河扇沉積體系。分支體系的地貌形態(tài)和沉積作用受控于山區(qū)匯流體系和沉積物供給等因素，山地河流首先在山前平原上形成沖積扇和粗粒河道沉積，隨著順流坡度降低，切入沖積扇的主河道越過沖積扇區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)閷掗煹那骱拥溃纬蓪掗煹纳百|(zhì)曲流帶。河道間發(fā)育漫岸細(xì)粒沉積，低洼沼澤中植被發(fā)育，穩(wěn)定煤層的發(fā)育表明永久性濕地環(huán)境的存在。順斜坡向下，沉積物粒度變小，河道的尺度規(guī)模減??；河道的遠(yuǎn)端缺乏穩(wěn)定的水體，不存在傳統(tǒng)的三角洲水下沉積環(huán)境；從近源到遠(yuǎn)源，煤層和暗色泥巖的分布厚度變小。本區(qū)發(fā)育的大型河流分支體系，形成了廣闊的曲流河扇沉積，主要表現(xiàn)為分支河道砂巖、漫岸細(xì)粒沉積與濕地泥巖及煤層的互層，為大氣田的形成奠定了沉積基礎(chǔ)。

致謝：王金凱副教授和秦敬女士參加了博茨瓦納奧卡萬戈河流扇野外地質(zhì)考察； 謝俊教授和李存磊教授參加了鄂爾多斯盆地山西組巖芯描述和相分析； 張昌民教授、侯明才教授、章雨旭研究員審閱文稿，對論文提出了很好的修改建議； 張昌民教授還對文中觀點與作者進(jìn)行過多次討論； 在此一并致以衷心的感謝！

(The literature whose publishing year followed by a “&” is in Chinese with English abstract; The literature whose publishing year followed by a “#” is in Chinese without English abstract)

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