現代渭河西安段沉積體沉積相與巖相特征①

郭 嶺 賈超超 朱 毓 任文波 段錦川

(1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室 西安 710069;2.西北大學地質學系 西安 710069)

0 引言

河流一方面是人類賴以生存的重要的淡水來源，另一方面也是航運、漁業等行業的重要載體。對現代河流沉積的研究興起于20世紀50年代末和60年代初，近幾十年來，人們在曲流河、辮狀河和網狀河的沉積模式及其環境演化模式等方面取得了眾多成果［1-9］。近年來，隨著油氣勘探的進一步深入，巖性油氣藏日益成為勘探重點。曲流河河道砂體的物性好，儲油量大，在油氣藏勘探中占有重要地位［10］。曲流河河道橫向變化快、砂體分布不集中，油氣勘探難度大，主要是因為缺少對曲流河沉積相的精細描述。眾多學者對歷史時期渭河河道變遷、洪水變化、河流侵蝕和流量的相對變化等進行了許多研究［11-13］。然而國內以往對渭河沉積相及巖相特征的研究很少，也缺少以露頭沉積體為依據的研究。本文在詳細的野外考察基礎上，根據野外露頭及深挖的探槽資料，研究了現代渭河西安段草灘沉積體巖相、沉積相與沉積模式等。這一研究對現代渭河的治理、開發具有重要的意義，另一方面對尋找古代曲流河巖性油氣藏也會有重要的啟示意義。

1 研究區自然地理概況

渭河發源于甘肅省渭源縣烏鼠山，流經隴西、天水、寶雞、咸陽、西安、渭南、潼關等縣市，于潼關港口注入黃河，流域面積134 766 km2，其中在陜西省有33 548 km2，渭河全長818 km，在陜西省境內長450 km，寶雞峽以上為上游，寶雞峽至咸陽為中游，咸陽以下為下游［11］。渭河西安段東西長約40 km，南有灃河、灞河等注入，北有涇河相匯。所處地貌單元主要為關中平原，南與秦嶺山前洪積扇及黃土臺塬相鄰，北與渭北臺塬相接，平均海拔360～450 m，南北寬50～80 km。研究區渭河河道寬淺，多邊灘沉積，枯水期河寬50～100 m，洪水期河寬100～200 m。研究區位于西安城北的草灘鎮(圖1)，海拔高度360 m左右，剖面及探槽地處東經 109°00.3186＇～ 109°00.1069＇，北 緯36°24.0742＇～36°26.0017＇。通過野外調查和剖面對比，我們在西安渭河草灘大橋西側，選擇了8個保存較好的代表性剖面和探槽作為研究對象。這些剖面和探槽高出現代河面水位15 m左右，剖面多為天然陡坎，或建筑挖砂留下來的坑，此外對部分剖面的底部垂直下挖0.5～1.0 m，以期更好的顯示完整的沉積旋回。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 The geographical location map of the study area

2 渭河西安段草灘沉積體沉積特征

2.1 沉積物粒度特征

沉積物的粒度特征能夠反映水體的搬運性能，是判別沉積時的自然地理環境以及水動力條件的良好標志，此外沉積物固結成巖后形成的碎屑巖的儲油物性與其粒度有密切相關，因此粒度分析是沉積物(沉積巖)研究的一個重要方面［14］。本次研究，對研究區8個剖面點的15塊樣品進行了粒度分析，表1為部分樣品的巖性、位置等信息。樣品由西北大學大陸動力學國家重點實驗室測試完成，測試儀器為英國MALVERN公司生產的MS-2000激光粒度分析儀。

碎屑顆粒的粒度分級，目前有著各種不同的劃分方案，本次研究按照趙澄林等人提出的十進制的劃分方案［15］，即顆粒直徑 2～10 mm 為細礫，1～2 mm 為巨砂，0.5～1 mm 為粗砂，0.25～0.5 mm 為中砂，0.25～0.1為細砂，0.05～0.1 mm為粉砂，＜0.05 mm為泥。不同的水動力條件所能搬運的顆粒大小不同，對于碎屑巖來講，碎屑物質在流水中的搬運通常分為三種組分:即懸浮搬運組分，其顆粒大小一般小于0.05 mm;跳躍搬運組分，其顆粒大小一般在0.05～2 mm。滾動搬運組分，顆粒大小通常大于2 mm［15］。按照以上劃分方案，研究區河流沉積體主要由三種類型沉積物組成:砂質、泥質和礫質沉積，并以砂質沉積和泥質沉積為主，沉積物固結程度弱—中等，其中砂質和礫質沉積體固結程度相對較強，而泥質含量高的泛濫平原沉積體固結程度相對較差。圖2展示了研究區三種不同類型粒度累積曲線特征，結合上述趙澄林等人對不同粒度沉積物搬運方式的劃分，對各個樣品的沉積物顆粒組分和搬運方式特征進行分析。由圖2粒度累積曲線可以看出，采自剖面3的樣品WXS3中，顆粒小于0.05 mm的約占5%，0.05～2 mm約占94%，大于2 mm約占0.5%，表明該樣品中跳躍組分占主體，少量懸浮和滾動組分;剖面7的樣品WXN7-1中，顆粒小于0.05mm的約占6%，0.05～2 mm約占94%，表明該樣品中跳躍組分最多，其次為懸浮組分。剖面5的樣品WXM5，顆粒小于0.05 mm的約占4%，0.05～2 mm約占97%，表明該樣品中跳躍組分最多，其次為懸浮組分;剖面7的樣品WXN7-2中，顆粒小于0.05 mm的約占5%，0.05～2 mm約占95%，同樣表明該樣品中跳躍組分最多，少量懸浮組分。剖面4的樣品WXM4-2中，顆粒小于0.05 mm的約占70%，0.05～2 mm約占30%，表明該樣品中主要為懸浮組分，少量跳躍組分。剖面7頂部樣品WXN7-6中，顆粒小于0.05 mm的約占60%，0.05～2 mm約占40%，表明該樣品中沉積物主要為懸浮組分，少量的跳躍組分。

2.2 沉積微相發育類型及特征

表1 研究區部分樣品巖性、位置信息表Table 1 Lithology and location of some selected samples in the study area

渭河西安段現代沉積物發育多種類型的沉積構造，如雨痕、泥裂、沖刷面、波痕、水平層理、平行層理、槽狀交錯層理、塊狀層理等，根據這些沉積構造結合沉積物粒度等特征對研究區沉積相進行了劃分，認為研究區河流沉積體主要為曲流河沉積，共識別出河床滯留沉積、邊灘和泛濫平原三種沉積微相。

圖2 研究區樣品粒度累積曲線圖Fig.2 Particle size cumulative curves of selected samples in the study area

圖3 渭河西安段沉積體沉積構造特征Fig.3 Characteristics of sedimentary structures of Weihe River in Xi’an

2.2.1 河床滯留沉積

河床亞相包括河床滯留沉積和邊灘兩種沉積微相，河床是河谷中經常流水的地方，即平水期水流所占的最低部分，河床亞相又稱為河道亞相［14］，在渭河草灘沉積體內，河床滯留沉積和邊灘沉積體均廣泛發育。

河流中從上游搬運來的以及就地侵蝕的物質，細粒物質被帶走，粗粒物質被留下來堆積成不連續的透鏡體，稱為河床滯留沉積［14，16］，河床滯留沉積在渭河草灘沉積體中廣泛發育。其沉積厚度較薄，單層厚度一般在0.5～1.0 m。由于探槽深度的限制，在可觀測的深度內，共發現兩層含有泥礫和石英質礫石的河床沉積，巖性類型主要為含礫粗砂巖、含泥礫中砂巖和細砂巖，土黃色泥礫發育(圖3B)。研究區河床滯留沉積中發育多種類型的沉積構造，如平行層理、沖刷構造等(圖3A～D)，高健等人指出原生沉積構造，特別是層理的研究，有助于恢復古代沉積物沉積時的水動力狀況［17］。平行層理和沖刷構造的發育顯示了研究區該時期較強的水動力條件，從樣品WXS3和樣品WXN7-1粒度分析結果來看(圖2)，該沉積環境下的樣品中跳躍組分占主體，同樣顯示了較強的水動力條件，研究區沖刷構造發育的地層可能是陣發性的洪積形成的沉積地層。

2.2.2 邊灘

邊灘是河床沉積物側向加積的結果［15］。該微相在草灘曲流河沉積體內廣泛發育，是構成研究區河流沉積的主體部分，其位于河道沉積的上部，巖性以中細砂為主。垂向上由多個由粗到細的旋回組成，多呈向上變細的正粒序，下部為中粗砂沉積物，發育有槽狀交錯層理和平行層理(圖3E，F)，向上過渡為細砂、粉砂質泥和泥。樣品WXS5和WXN7-2是取自該環境下的樣品，由圖2粒度累積曲線圖可以看出，該環境下主要為跳躍組分的沉積物，同河床滯留沉積中的沉積物相比，顆粒較大的滾動組分含量明顯減少。邊灘沉積體是渭河草灘段的主體，從剖面和探槽的分析結果來看，邊灘在該地區發育的厚度一般在1.5～3 m。

2.2.3 泛濫平原

細粒的低負載和懸浮物質沉積物在洪水期向河泛區漫溢形成泛濫平原［14，16］。研究區泛濫平原沉積物以泥和粉砂為主，厚度約10～80 cm，樣品WXM4-2是剖面4所取樣品，由圖2可以看出，粒度累積曲線的斜率很大，說明粒度分布集中，顆粒分選好，同時顆粒小于0.1 mm的約占97%，小于0.05 mm占70%，其它粒徑顆粒很少，說明該沉積物主要為泥，少量粉砂。研究區泛濫平原沉積中發育三種類型的可顯示當時沉積環境的沉積構造，即雨痕、泥裂和波痕(圖3G，H，I)。雨痕是雨滴在柔軟的沉積物表面撞擊出的小坑［16］，研究區雨痕發育在弱固結的泥質沉積物中，上覆沉積物厚度約0.5 cm(偶然的一次揭露表面弱固結的上覆層時發現了保存完好的雨痕構造);泥裂是沉積物露出水面時因暴曬干涸所發生的收縮裂縫［16］，研究區泥裂主要發育在泛濫平原中形成的小型已廢棄河流的邊緣地帶。波痕是在波浪或水流等作用下，沉積物表面所形成的一種波狀起伏的痕跡［11］，研究區波痕發育在距離河道不遠的已廢棄河道或干涸的小型河漫湖泊中，Galloway et al.［16］人認為這種河漫湖泊是高潛水面的情況下，在泛濫平原環境中形成的，研究區泛濫平原上河漫湖泊的形成可能有兩個方面的原因，一方面當渭河上游河水供給量增大時，河流水體表面抬升，高出距離河道不遠(幾十米)的泛濫平原上的洼地，造成潛水面抬升;另一方面水量的增加造成河道的短期決口，水從決口水道流入河漫湖泊。研究區現代渭河沉積物中發育的波痕構造(圖3G)，就位于泛濫平原上小型的河漫湖泊中，距離河道的距離僅幾十米，其形態主要為彎曲狀，波高在1～2 cm，說明水動力條件較弱。

2.3 沉積層序與沉積模式

2.3.1 沉積層序

在對渭河西安段草灘沉積體沉積特征研究的基礎上，對草灘沉積體垂向層序進行了詳細的分析，以剖面7為例，該剖面垂向上主要由3套沉積組成，每一套沉積體均具有典型的河流“二元”沉積結構(圖4):

底部:主要包括N1、N2和N3層，總的特點是由下至上為明顯的正韻律，底部為40～60 cm厚的灰褐色含礫粗砂巖，發育平行層理，礫石主要為石英礫，少量泥礫，礫石直徑一般為2～7mm，向上逐漸變為平行層理發育的淺灰色粗砂巖和中細砂巖，反映了水動力條件逐漸減弱的過程。

中部:包括N4、N5和N6層，底部為交錯層理發育的含礫中砂巖，厚度20 cm左右，向上變為中細砂巖，該套層序的頂層為40 cm左右的灰白色泥巖，含少量的植物根莖，該套層序發育較差，厚度薄，在部分探槽中沒有發現該層，或僅發育薄層的中細砂巖。

頂部:包括N7、N8和N9層，同樣由下到上粒度變細，底部為厚約50 cm的淺灰色細砂巖，該套細砂巖較為純凈，為一套邊灘沉積體，向上變為厚度約80 cm的灰白色泥巖，反映了水動力條件的逐漸減弱過程，頂層泥巖已經土壤化，表層含有豐富的植物根。

通過對沉積構造、結構特征及沉積環境的演化過程分析，筆者認為這3套地層的形成主要與沉積速率、可容空間變化、氣候及河岸的性質等因素有關。

首先河流搬運的碎屑物質要沉積下來，需要有足夠的沉積空間:盆地或河谷可以提供沉積物沉積的可容空間，若沒有足夠的可容空間，河流就有可能達到平衡狀態，致使沉積物不能夠保存下來［18］，影響可容空間大小的潛水面的高低受到氣候、上游供水量等條件的制約，當處于干旱氣候條件下時，地下水水位可能較低，造成潛水面降低，在濕潤的氣候條件下時，地下水水位可能較高，形成較高的潛水面，這也是泛濫平原上小型河漫湖泊形成的一個重要原因。研究區3套地層的形成，應證了這一點:受到可容空間變化、沉積物的供給速度以及河岸性質等的影響，在底部層序中粗粒沉積物供給相對充足，可容空間大，河流攜帶的粗粒物質沉積下來形成了厚度較大的河床滯留沉積和邊灘沉積體，上部兩套地層粗粒沉積物供給相對減少，形成的河床沉積物較薄。同時在底部地層中，河床滯留沉積物中含有大量的泥礫，這反映了沉積時的水動力是陣發性的洪積，造成沉積物分選極差，其在河水的快速沖蝕下，并迅速堆積在河道中，進而形成了泥礫沉積，而后期的兩套沉積體中泥礫物質含量很少。

2.3.2 沉積模式

沉積模式是對一定環境中的現代沉積物的物理、化學、生物特征綜合研究的基礎上概括出的沉積環境及其沉積物的物化模型［16，19］。本次研究通過對現代渭河西安草灘沉積體的沉積構造、沉積物粒度、沉積微相和沉積層序等特征的分析，建立了渭河草灘沉積體的沉積模式(圖5)，結果認為現代渭河西安段為曲流河沉積，主要發育河床滯留沉積、邊灘和泛濫平原三種類型的沉積微相。

3 巖相類型

按照Miall［1］提出的河流相巖相分類方案，結合草灘河流沉積體的具體特征，研究區內共劃分出了6種巖相類型:

(1)平行層理含細礫粗砂巖相(石英礫為主):平行層理和較大顆粒沉積體通常是河道等較強水動力條件下沉積的產物［17，20］，主要分布在每一期河流沉積的底部，從研究區垂向沉積剖面圖中可以看出，平行層理含細礫粗砂巖相主要發育在層N1和N4，這兩層為兩期河流沉積旋回的開始(圖4)。礫石主要為灰白色的石英礫，磨圓較好。

圖4 渭河西安段草灘沉積體沉積特征(剖面7)Fig.4 Characteristics of sedimentary body of Weihe River in Xi’an(Section 7)

圖5 渭河西安段沉積體沉積模式Fig.5 Depositional model of Weihe River in Xi’an

(2)槽狀交錯層理中細砂巖相:主要分布在N3和N7層段，由圖4可以看出，這三期河流沉積中(由于探槽深度的限制，未能見底，只能觀察到三期河流沉積旋回)，底部第一期沉積時間較長，水動力相對較大，沉積了較厚層的砂質沉積，在第一期地層的頂部(N3層段)發育較厚層的槽狀交錯層理中細砂巖相。

(3)平行層理中細砂巖相:一般位于垂向上每一期河流沉積的中部，主要由中砂巖和細砂巖組成，部分層段含有粉砂和泥，層理主要由較小規模的紋層組成，角度通常較低，主要分布在N3和N5層段。

(4)塊狀層理含礫中砂巖相:發育較為局限，只在部分剖面和層段發育，主要為沉積物快速沉積的條件下形成，研究區發育的塊狀層理含礫中砂巖可能是河流短期決口時在決口扇中形成的沉積體(圖6A)。

(5)交錯層理含礫中砂巖相:主要分布在N1層段底部第一期沉積旋回中，其水動力強度相對較大，顆粒分選較差(圖6B)。

(6)塊狀層理泥巖相:通常發育在每期旋回的頂部，和塊狀層理的粉砂質泥巖通常伴生，其中含少量植物根莖，顏色通常為灰白色(圖6C)。

4 討論

現代河流沉積學的研究，一方面是河流沉積學的基礎研究，識別河流的各個沉積亞相、微相，建立河流的沉積模式;另一方面是為人類更好的開發和保護自然資源提供依據，如利用現代河流沉積特征去了解古代河流的沉積特征，進而為儲存在河流砂體中的石油、天然氣等資源的開發提供模型支持，此外也可以為河流資源的保護、治理和開發利用等提供服務［21-22］。河流可提供的資源多種多樣，如水資源、生物資源和礦產資源等。20世紀末，世界各地進行了許多河流的開發工作，美國田納西河流域便是河流開發的成功典范［23］。本研究識別出了河床滯留沉積、邊灘和泛濫平原三種沉積微相，建立了渭河西安草灘沉積體的沉積模式，該模式的建立為古代河流沉積的識別提供了一個對比和參考;此外渭河河流沉積物中可見砂金，是一種可以利用的礦產資源。

目前我國大多數地區的建筑用砂主要是取自河道［24］，本研究的粒度分析結果表明，河床滯留沉積物中的砂粒粒徑多分布在0.2～1.2 mm，邊灘沉積物中砂體粒徑多分布在0.1～1.0 mm，兩者皆可作為建筑用砂［25］。然而本次研究在踏勘過程中發現有采砂留下的礦坑，部分礦坑內被垃圾等填埋，這種采礦方式勢必會影響該區的生態環境以及下游水體的水質，因此在渭河資源開發過程中，不能忽視對資源和環境的保護。

圖6 渭河西安段沉積體巖相特征Fig.6 Characteristics of lithofacies of Weihe River in Xi’an

5 結論

(1)現代渭河西安段草灘沉積體是一個由多期河道組成的曲流河沉積體，主要發育3種沉積微相，即河床滯留沉積、邊灘和泛濫平原;6種巖相，即平行層理含細礫粗砂巖相、槽狀交錯層理中細砂巖相、平行層理中細砂巖相、塊狀層理含礫中砂巖相、交錯層理含礫中砂巖相和塊狀層理泥巖相。

(2)現代渭河西安段草灘沉積體在垂向上可見3個沉積旋回，每一期沉積體均具有典型的河流相“二元”結構，反映了水動力是一個由強變弱的過程。

(3)現代渭河西安草灘段沉積體沉積模式的建立為識別古代河流研究提供了對比模型，如砂體展布、砂泥的厚度及疊置關系等。沉積特征的研究對尋找砂礦、地下水等具有一定的指導意義，同時在采礦和抽取地下水的過程中需要注意對生態環境的保護。

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