河流—波浪—潮汐混合作用過程研究進展

彭旸，龔承林，李順利

1.中國石油大學（北京）油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

2.中國石油大學（北京）地球科學學院，北京 102249

3.中國地質大學（北京）能源學院，北京 100083

0 引言

三角洲等海（湖）陸過渡沉積體系不僅是沉積學研究領域的重要組成部分，而且是油氣勘探中重要的油氣富集儲層之一，其沉積物擴散搬運模式、沉積地層平面幾何形態和空間結構、砂體規模和展布規律等與河流、波浪和潮汐沉積過程息息相關[1-4]。基于對現代三角洲沉積的認識，河流、波浪和潮汐作用的相對強弱對三角洲的形成和發育起直接控制作用[5-6]。以河流作用為主的三角洲，沉積物在河口區的堆積速度遠大于波浪或者潮汐對沉積物的改造速度，所以通常形成向海（湖）突出、增長速度快、砂泥比低的鳥足狀或朵狀形態沉積體[6]。當波浪、潮汐或其他海流的改造能力大于河流輸入沉積物的能力時，河口區堆積的沉積物被海洋（湖泊）中水動力強烈破壞和改造，形成浪控和潮控三角洲等一些海（湖）陸過渡沉積體系[5-6]。在波浪為主導的沉積環境下，三角洲分流河道通常比較少，其沉積物被改造和再分配到河口兩側，形成一系列平行于海岸的海灘和沙壩，所以三角洲平面形態多呈鳥嘴狀。在潮汐為主導的沉積環境下，三角洲主要呈港灣狀，河口區發育有散射且不連續的潮汐沙壩。

然而，現代很多三角洲等海（湖）陸過渡體系都是由河流、波浪、潮汐中兩種或者三種沉積過程共同作用[7-9]，這些沉積過程作用于沉積體系的不同部位，而且其相對強度在時間和空間上不斷變化[2,10]。全球現代沉積海岸線中，至少有三分之一受到河流、波浪、潮汐混合作用過程的影響[11]。例如，我國現代珠江三角洲的北部主要是由潮汐與河流混合作用控制，而南部主要受波浪與河流的共同影響[12]。美國密西西比三角洲的多個朵葉（Sale-Cypremort,Teche,St.Bernard,Lafourche）在幾千年內由向前進積的河控三角洲逐漸演化成以波浪作用為主的三角洲，并最終轉化成障壁島[10]。在空間上，密西西比三角洲中的Balize 和Atchafalaya 朵葉主要受河流作用影響，而與其同一時期的三角洲朵葉多數受波浪作用控制。東南亞湄公河三角洲（Mekong delta）沉積在過去6 ky到3 ky 之間以潮汐作用為主，但隨后一些沙脊開始平行于海岸線發育并且距離越來越近，這表明三角洲沉積作用逐漸從潮汐作用為主過渡到波浪作用為主[13]。

隨著對三角洲等沉積體系研究的不斷深入，學者們發現單一沉積作用無法解釋沉積記錄中復雜的砂體內部構型和空間分布。近年來，河流、波浪、潮汐混合作用過程在三角洲等海（湖）陸過渡沉積體系的研究日益增多[14-19]。因此，本文旨在總結受河流、波浪、潮汐沉積過程（兩種或者三種）共同作用的混合作用過程沉積體系。首先介紹以三角洲為主的海（湖）陸過渡相按沉積過程劃分的分類方案，以及河流、波浪與潮汐沉積作用在地層中的識別，然后著重通過現代、古代、模擬等方面實例來闡述河流、波浪、潮汐混合作用過程的研究進展，最后簡要探討混合作用過程在沉積體系中的表征與量化。通過梳理河流、波浪、潮汐混合作用過程的相關研究，以期進一步推動混合作用過程在沉積記錄中的識別和預測，并對今后的油氣勘探和開發提供理論依據。

1 三角洲等海（湖）過渡沉積體系的劃分

目前最為廣泛接受和應用的三角洲分類方案是20世紀70年代由Colemanet al.[20]和Galloway[6]所提出的三分方案，這種分類方案按照主要沉積過程（即河流、波浪、潮汐），將現代三角洲分為河控、浪控、潮控三個端元（圖1a）。例如，美國密西西比三角洲為典型的河控三角洲，巴西圣弗朗西斯科三角洲為典型的浪控三角洲，新幾內亞島弗萊河三角洲為典型的潮控三角洲（圖1a）。三角洲的平面形態和內部地層結構主要由河流沉積物供給、波浪和潮汐改造作用的相對強度所控制。因為該分類方案針對沉積過程中的主要控制作用，所以應用此種分類方案的三角洲體系（尤其是古代三角洲）通常得出較為簡單的沉積模式。在Galloway[6]的基礎上，薛良清等[21]強調扇三角洲、辮狀河三角洲與正常三角洲類似，同樣受到海洋中波浪和潮汐或者湖盆中波浪作用的改造，所以將三種三角洲按照沉積物粒度和沉積過程等因素歸納出一個三角洲沉積體系分類的連續譜系圖（圖1b）。值得注意的是，由于離物源區較近且蓄水體波浪、潮汐能量較弱，辮狀河三角洲和扇三角洲受波浪或潮汐的影響沒有正常三角洲明顯。

Ortonet al.[22]強調除了河流流量、波浪的能量和潮差等水動力參數外，沉積物粒度也是三角洲形成和發育過程中重要的影響因素。沉積物粒度主要影響：1）三角洲平原中河流體系的坡度和河道形態；2）沉積物匯入河口時與周圍水體的混合方式；3）海岸線的類型（反射或耗散的）以及對波浪和潮汐作用的響應；4）水下三角洲前緣的滑塌變形和再沉積過程。此外，Orton 按照沉積物粒度粗細將三角洲分為礫、砂礫、砂和粉砂/泥質為主的四種類型，其中每一類型進一步應用Galloway[6]和Colemanet al.[20]的分類方案中河控、浪控和潮控三個端元（圖1b）。該研究指出目前僅將三角洲分為河控、浪控和潮控三個類別是不夠的，三角洲體系對沉積物供給的響應同樣需要探究。除了三角洲，其他海（湖）陸過渡體系同樣受到河流、波浪和潮汐的影響，所以在Galloway[6]的三角洲三分方案的基礎上，進一步將河口灣、潟湖、濱岸和潮坪等沉積體系按照這三種沉積作用的影響程度歸納到一起，得出三角洲等海（湖）陸過渡體系的三端元分類方案（圖1c）[5,23-24]。

2 河流、波浪與潮汐作用的識別

河流、波浪和潮汐作用在沉積物粒度、沉積構造、生物擾動、有機質含量等方面對沉積體系產生不同的影響[25-27]。河流作用的沉積地層粒度突然變粗、單層粒度呈正韻律到反韻律，通常發育槽狀或板狀交錯層理、沖刷充填構造、單向流水沙紋、爬升沙紋，并且富含有機質（例如植物碎片）等（圖2）。在有河流注入的環境中，水流流速較強、沉積物供給速度較大且河口附近水體鹽度較低，不利于生物的寄居和發育，所以一般生物擾動較少[25-26]。波浪和風暴浪作用為主的沉積環境通常可見對稱性浪成沙紋、丘狀—洼狀交錯層理、低角度交錯層理等（圖2）。一般情況下，波浪作用形成的地層具有大量且豐富的遺跡化石。潮汐作用的環境下所形成的巖石記錄通常發育有序的交錯層理（如S 形交錯層理、復合交錯層理）、羽狀交錯層理（雙向交錯層理）、雙向流水沙紋、砂泥互層的韻律層理、透鏡狀—波狀—脈狀層理等（圖2），在個別保存較好的地層，可觀察到由大潮—小潮交替形成的韻律層[15]。此外，由于潮汐的枯水期使水流速度周期性降低，使得沉積地層富含大量泥質披覆層、雙黏土層。潮汐作用的沉積環境中，由于河流和海水不斷混合形成的鹽度一般只適合有限種類的生物遺跡化石發育。值得注意的是，一些沉積構造或者特征不能指示單個沉積過程和環境，例如，平行層理在河流、波浪、潮汐三種沉積環境中均可發育。正粒序遞變層理可以由河流作用的異重流或者波浪作用（如浪控沉積物重力流）形成。因此，正如Rossiet al.[27]所提出的常見沉積構造以及對應的沉積過程概率所示，沉積過程和沉積環境的解釋應考慮沉積過程的多解性并綜合考慮其他指示性特征。

圖1 （a）淺海三角洲按照河流、波浪、潮汐的三分方案（據Galloway[6]修改）；（b）三角洲按照沉積過程（河流、波浪和潮汐）和沉積物粒度的分類方案（據薛良清等[21]；Orton et al.[22]修改)；（c）海陸過渡體系按照沉積過程的三端元分類方案（據Dashtgard et al.[23]修改）Fig.1 (a) The threefold division of shallow-marine deltas into fluvial-dominated, wave-dominated, and tide-dominated types with modern examples (modified from Galloway[6]); (b) Delta classification based on dominant process (river, wave and tide) of sediment dispersal and grain size at the delta front (modified from Xue et al.[21]; Orton et al.[22] ); (c) Ternary diagram of coastal environments with prevailing physical processes (modified from Dashtgard et al.[23])

3 河流、浪浪、潮汐混合作用過程及沉積特征

很多混合作用沉積體系中的河流、波浪和潮汐沉積過程是同時存在的，這里我們主要總結沉積體系中相對主導的沉積過程的相互作用。

3.1 河流和波浪混合作用過程

河流和波浪的相互作用主要發生在河流與海洋（或者湖泊）交匯的河口處，河流和波浪的相對強度以及波浪的入射方向決定三角洲被波浪改造的程度[28]。在河流噴流較弱的情況下，波浪斜交岸線產生明顯單向的沿岸流，強烈改造沿岸流上游和河口壩并向下游搬運沉積物；而當波浪垂直岸線入射時，則形成由河口向兩側分散的雙向沿岸流，對河口壩進行改造，并將沉積物向河口兩側搬運（圖3a，b）[29]。較強的河流噴流會對波浪進行阻擋并且對沿岸流產生干擾和破壞，河口處沉積物的穩定性得到增強，最終對河口壩的形成起到促進作用（圖3c，d）[30]。此外，波浪可以通過改變河流噴流方向、增加河口底部剪切應力、增強噴流延展程度[31]，間接影響三角洲河口壩和分流河道的發育[29]。數值模擬結果表明，較弱的波浪通過增強噴射流的擴散程度，以及波浪與水流相互作用導致底部摩擦增加，都能夠促使河口壩快速形成[31]，這種情況下形成的河口壩離河口的距離比沒有波浪參與的情況下會近35%，而且形成速度會快40%[32]。較強的波浪導致河流噴流偏轉或者噴流不穩定，從而阻礙河口壩的形成[32-33]。波浪通過抑制河口壩沉積控制分流河道的發育，使得小規模的分流河道很難形成[32-34]。河口壩沉積速率相對較大使得波浪無法及時搬運疏散，或者波浪與河口沉積底部摩擦而能量快速損耗，可導致河口處的流水通道被泥沙堵塞，最終河道決口改道[35-36]。

圖2 淺海沉積環境中的主要沉積構造和相應的沉積過程的概率（據Rossi et al.[27]修改）該圖基于廣泛的文獻調研，其中每個沉積構造的百分比代表該構造由河流、波浪或潮汐沉積過程形成的概率Fig.2 Main sedimentary structures and probability of processes in shallow marine deposits from extensive literature review(modified from Rossi et al.[27])Percentage=probability that a given structure results from fluvial,wave or tidal process

圖3 河流和波浪在河口處相互作用示意圖（據Anthony[29]修改）波浪在弱河流作用下改造河口沙壩（a，b），但在強河流作用下，波浪受到阻擋，沿岸流被擾亂（水力堤壩效應-hydraulic groyne effect），從而促進形成河口壩的發育（c，d）Fig.3 Simplified interactions between river currents and waves at a deltaic river mouth (modified from Anthony[29])(a,b)waves re-work river mouth bar under weak river influence;(c,d)strong river jets block waves and disrupt longshore currents,promoting formation of a river mouth bar

河流與波浪相互作用可形成非對稱性浪控三角洲，沿岸流上游由于波浪的反復沖刷和改造形成分選較好、以砂質沉積物為主的海灘沙脊，而下游由于河流噴流對沿岸流起到水力堤壩效應以及早期波浪建造的障壁島對波浪的遮擋作用，發育偏泥質的灣頂三角洲（bayhead delta）、障壁島、潟湖等沉積環境（圖4）。現代很多波浪作用為主的三角洲海岸都呈現不對稱性特征，例如，黑海中的多瑙河三角洲[37-38]、意大利的波河三角洲[39]、澳大利亞的米切爾河三角洲[40]。Bhattacharyaet al.[7]通過對現代河流和波浪相互作用形成非對稱三角洲的研究，指出古沉積地層同樣存在地貌和內部結構較為復雜的非對稱三角洲沉積（圖4）。自此以后，許多古代地層被解釋成非對稱性三角洲，根據沉積學和遺跡化石方面的記錄，大多數研究發現浪控濱岸和河流作用為主的三角洲前緣沉積沿地層走向分布，進而推測非對稱三角洲的存在[18,26,41-43]。譬如，Hampsonet al.[44]和Charvinet al.[45]將美國猶他州晚白堊紀Book Cliff地層解釋成一個非對稱結構三角洲沉積體系。研究區地層的準層序下部是以波浪作用為主的臨濱—淺海陸架沉積，上部是以河流作用為主的三角洲前緣沉積，Charvinet al.[45]認為該準層序代表非對稱三角洲的沿岸流上游和下游周期性改變沉積位置所形成的沉積地層。我國很多湖盆存在河流和波浪相互作用，比如現代的青海湖[46]、塔里木盆地[47]、渤海灣盆地東營凹陷[48]。波浪在湖盆濱岸帶普遍存在，河流搬運沉積物輸入到湖盆形成三角洲時，較強的波浪作用能夠改造以河流作用為主的河口壩、水下分流河道以及三角洲前緣砂體，逐漸形成沿岸砂壩[46,49]和席狀砂[48]。

圖4 河流和波浪沉積過程影響下的非對稱三角洲的概念演化模型（據Bhattacharya et al.[7]修改）沿岸流上流由海灘沙脊組成，下游由灣頂三角洲、潟湖和障壁島組成Fig.4 Conceptual evolution model for asymmetric deltas influenced by river and wave processes (modified from Bhattacharya et al.[7])Updrift flank consists of beach ridge plain;downdrift flank consists of bayhead deltas,lagoons and barrier islands

值得注意的是，在重建古地理和古沉積環境過程中，河流和波浪沉積作用的共存并一定能夠指示非對稱性三角洲地層，尤其在數據控制點較少或者缺少足夠古水流數據的情況下。通過對沉積學和遺跡化石方面的研究，Liet al.[42]認為美國猶他州Ferron砂巖段為非對稱性三角洲沉積地層，其中一側是以波浪作用為主的砂質濱岸并且含有大量豐富和形態多樣的Cruziana和Skolithos遺跡相，另一側為混合的河流和波浪/風暴浪作用沉積體系，地層中少量且形態簡單的遺跡相指示沉積環境逐漸接近分流河道，由于河流和海水的混合使河口附近水體的鹽度突變、沉積速率增加進而不利于生物發育。因此，沉積過程和遺跡化石沿走向差異分布的特征可能指示該地層代表非對稱三角洲沉積體系。然而，經過后續的區域系統研究，Liet al.[50]發現該段地層代表規模較小、以河流作用為主的末端分流河道（2～3 m 深，10～100 m 寬）和河口壩（高為10 m 左右，長度延伸＜1 km），且類似規模的分流河道和河口壩延伸面積約為200 km2[50-51]。由于這種較小規模的末端分流河道和河口壩與Liet al.[42]提出的非對稱三角洲模式（河口壩長約4 km、寬約1 km）在規模上不符，所以該地層更有可能代表發育在下切谷內、以河流作用為主的對稱性三角洲，周圍障壁島的存在使得河流相沉積地層免受波浪的破壞和改造。

河流和波浪的共同作用（波浪作用為主）能夠形成復合斜坡型三角洲（compound-clinoform delta），這種三角洲是由岸線斜坡（shoreline clinoform）和水下斜坡（subaqueous clinoform）通過水下臺地（subaqueous platform）連接而形成復合斜坡形態（圖5）。目前，這種復合斜坡型三角洲沉積模式在現代沉積[52-54]、古代沉積[9,15,55-59]、數值模擬[60-62]均已得到證實。河流沉積物供給和波浪—風暴浪之間的相互作用共同控制岸線斜坡和水下斜坡的沉積物分配[60-61,63]。波浪將河流帶來的沉積物向遠離岸線方向搬運，由于波浪在底床的剪切應力隨著海水深度增加而逐漸減小，沉積物最終被堆積在水下斜坡的前積層。波浪對沉積物不斷地侵蝕、改造和搬運，形成相對較平坦但沉積速率較低的水下臺地[9,55]。這種浪控復合斜坡型三角洲在地層上呈現兩分的進積疊加單元，由下細上粗再變細（CUFU）或者向上變粗（CU）的偏泥質單元，和一個上覆的向上變粗（CU）的偏砂質單元所組成，這兩個單元分別代表水下斜坡和岸線斜坡地層。水下斜坡沉積以波浪—風暴浪作用為主，由較強生物擾動的泥巖和粉砂巖的底積層，向上逐漸過渡成以浪控沉積物重力流（WSGF,waveenhanced sediment-gravity flow）沉積和薄層的丘狀交錯層理為主的前積層。岸線斜坡為河流和波浪混合作用的結果，主要由向上變厚的丘狀—洼狀和槽狀、板狀交錯層理的砂巖與少量泥巖組成。連接兩個斜坡的水下臺地受頻繁的波浪改造和再沉積作用，主要發育波浪沖刷的小型凹槽、泥質碎屑和一些WSGF沉積物[9]。

圖5 基于現代（*）和古代沉積地層研究得出的河流和波浪作用下的復合斜坡型三角洲的三維沉積相模式（據Peng et al.[9]修改）Fig.5 Three-dimensional block diagram of wave-and river-influenced compound-clinoform deltas with facies distribution based on modern (*) and ancient examples (modified from Peng et al.[9])

河流作用下的沉積地層能夠在波浪作用為主的沉積環境得以保存需要特殊的沉積條件，這主要是由于大多數情況下強烈的波浪—風暴浪傾向于快速侵蝕和改造河流作用形成的沉積地層[64-66]。譬如，南非Karoo盆地的陸架邊緣同時受河流和波浪的影響，但由于河流作用較強并且沉積物供給量很大，尤其在主要的水下分流河道附近，波浪和風暴浪無法充分改造河流攜帶來的沉積物[67]，致使河流作用的沉積地層得以保存。另外，在海平面下降或者低位體系域晚期，由于受到水深的限制，波浪和風暴浪的影響可能不明顯[68]，這種情況同樣有利于河流作用為主的沉積地層的保存。例如，我國珠江口盆地中新世陸架邊緣保存了河流—波浪交互作用形成的陸架邊緣三角洲地層，隨著相對海平面的下降，陸架寬度減小，波浪能量衰減程度減小，導致波浪作用不斷增強，進而在分流河道河口附近存在河流和波浪共同控制的沉積地層[69]。除此之外，風暴浪作用能夠將沉積物改造成沿岸的障壁島，從而對后期的風暴浪起到屏蔽作用，致使以河流作用為主的三角洲地層可在局部發育并保存[43,45]。南美洲上新世Orinoco 陸架邊緣浪控三角洲地層保留了部分由河流作用形成的三角洲前緣地層，可能是由于盆地較高的沉降速率和埋藏速率阻礙了地層被波浪和風暴浪的快速改造[70]。

3.2 河流和潮汐混合作用過程

河流和潮汐的相互作用通常發生在潮汐作用比較顯著（強潮汐或中潮汐）的三角洲[71-72]或河口灣區域的河流—海洋過渡帶（fluvial-to-marine transition zone）[73]。全球很多現代大型河流三角洲都存在較強潮汐作用的影響，比如亞馬遜河、長江、恒河—雅魯藏布江、弗萊河等。這些大型河流通常具有低坡度的地形，從而具有較大的納潮量（tidal prism），因此特別容易受到潮汐的強烈影響。顯著的潮汐作用使得一系列細長的潮汐沙壩和潮汐水道垂直海岸線分布（圖6）。此類三角洲或者河口灣的河流—海洋過渡帶可沿著河流延伸數百千米，延伸范圍取決于河流和潮汐的相對強度和濱海平原的坡度[8,74]。通常，坡度向海變緩以及分流河道的分流作用，導致河流作用沿向海方向逐漸減小；而潮水涌入三角形海灣被壓縮在一個逐漸減小的空間，使得潮差和潮流逐漸增大，所以潮汐作用向陸逐漸增強，直到底床摩擦作用使其減弱；波浪作用從淺海陸架到岸線逐漸增強，在河口處達到最大值，隨后因摩擦力而逐漸減弱（圖6）。當然，河流、潮汐和波浪在河流—海洋過渡帶的相對強度會隨著季節、氣候等因素有一定變化。

圖6 潮控三角洲河流—海洋過渡帶（上）與其相應的河流、潮汐和波浪的相對強度變化（下）（據Dalrymple et al.[8]修改），其中中間區域河流和潮汐共同作用較為明顯Fig.6 (Upper) Schematic diagram of river-tide interaction in river-marine transition zone; (lower) Longitudinal variation of river currents, tidal currents and waves in tide-dominated deltas (modified from Dalrymple et al.[8]),highlighted zone indicates significant fluvial and tidal interaction

在洪水期—間洪期尺度上，潮汐與河流的混合作用主要在間洪期較為顯著，這時洪水逐漸減弱而潮汐作用相對增強，使得一些局部位置能夠保存潮汐沉積的記錄。例如，美國科羅拉多州Campanian Loyd Sandstone 組地層發育在較淺的盆地，波浪作用相對不發育，其三角洲前緣和前三角洲主要保存河流和潮汐混合作用過程的沉積記錄[75]。河流洪水期雖然相對短暫，但卻輸入大量泥沙并以平行層理砂巖沉積為主；而在河流流量減少的間洪期，河流作用下形成的三角洲沉積被潮汐不斷改造并伴有強烈的生物擾動，形成具有泥質披覆層的砂泥互層，而且巖層通常含有大量且多樣性的遺跡化石[75]。在季節尺度上，雨季期間的河流—海洋過渡帶下游區域受河流和潮汐共同作用的影響，上游此時以河流作用為主；旱季期間的下游區域河流作用很小，潮汐作用相對較強，而上游的河流和潮汐作用都較弱[76]。通過對湄公河三角洲河流—海洋過渡帶沉積過程和沉積物分布的研究，Gugliottaet al.[76]發現過渡帶下游（約100 km）主要發育潮汐與河流共同作用形成的砂泥巖互層的韻律層，而上游發育以河流作用為主的含礫砂巖或砂巖。潮汐和河流共同作用的三角洲的典型沉積特征是以最粗和最細沉積物互層，河流沖刷河床底部并沉積礫石和交錯層理砂巖，潮流周期性流速降低致使較厚泥層快速沉積。例如，現代弗萊河三角洲是典型的潮控三角洲，大潮時的潮差將近5 m，河床底部的潮流超過1 m/s[71]，分流河道底部常有較粗粒的礫石和浮泥沉積（fluid-mud deposits），泥層厚度一般大于1 cm。河道底部向上過渡為由河流和潮汐共同作用的沙壩，沙壩整體粒度向上變粗，從下到上由砂泥互層過渡成含薄泥層的砂層，整個序列至少含有50%的泥質沉積物[71]。

潮汐和河流作用共同影響的三角洲和河口灣沉積經常反復疊加發育[77-79]，二者的發育主要受沉積物供給、構造沉降和海平面升降等因素的控制。隨著相對海平面上升或沉積物供給減少，沉積體系由進積型疊置模式的三角洲沉積轉變成退積型疊置模式的河口灣沉積[80]。譬如，南美洲特立尼達晚上新世Morne L’Enfer組保存約17個河口灣相—三角洲相層序（單個層序厚度約40～60 m），該地層主要由古Orinoco 三角洲在陸架上隨著海侵—海退旋回（持續時間約90～120 ky）反復遷移所形成[77]。中國東海陸架西湖凹陷南部始新世平湖組保存河流和潮汐共同影響的三角洲地層，上覆的漸新世花港組由以潮汐為主、河流影響的河口灣沉積組成[78]。Liet al.[78]認為研究區在始新世晚期盆地的伸展使西湖凹陷成為具有一定沉降速率（163 m/My）的裂谷盆地，為三角洲層序的快速進積和疊加提供了可容空間；而盆地在漸新世早期沉積速率逐漸降低（110 m/My）形成相對平緩的陸架，使得河口灣沉積體系廣泛發育。此外，當河流流入以潮汐作用為主的海峽時，同樣存在河流和潮汐沉積過程的相互作用，但形成地層的沉積特征與典型河流—潮汐作用的三角洲有所不同。例如，意大利早更新世Siderno 古海峽地層被認為保存了河流和潮汐相互作用的詳細記錄，河流作用為主的三角洲進入潮汐作用較強的海峽，潮流將沉積在海岸附近的大量沉積物沿著海峽搬運較遠距離，導致三角洲前緣的沉積物沿著海岸線偏轉并呈現明顯的不對稱性[81]。

河流和潮汐相互作用控制砂體的地層結構和空間展布，因此河流和潮汐沉積過程的相對重要性對儲層的正確預測具有重要意義。河流作用下的河口沙壩主要沿著向海方向加積，形成地層的走向通常垂直于砂體延伸方向[51]；而潮汐作用使沙壩側向加積的比例增加，導致地層的走向平行于砂體的長軸方向[71,82]。阿根廷中侏羅紀Lajas 組野外露頭保存河流作用為主和河流—潮汐相互作用形成的兩種河口沙壩[83]。通過對Lajas組地層的研究，Kurcinkaet al.[83]發現河口沙壩在河流作用為主的沉積環境中要比在有潮汐作用影響下形成的斜坡地形更陡（河流作用下的河口沙壩坡度為7°～10°，而潮汐影響下的河口沙壩為4°～7°）。在砂體平面形態上，形成于河控作用和潮控作用的砂壩長寬比分別為2∶1[1]和10∶1，河流和潮汐混合作用過程形成的砂壩長寬比則在兩者之間，大約為2∶1到6∶1[83]。此外，與河流作用下形成的河口沙壩相比，潮汐影響的河口沙壩地層含有大量的泥質夾層[71,84]，這些泥層可能會對儲層流體起到潛在的隔擋作用。

3.3 潮汐和波浪混合作用過程

現代沉積表明，發育在較寬的大陸架環境下且具有較大港灣形態的沉積環境，潮汐和波浪混合作用比較明顯。弱潮汐（microtidal）影響的浪控體系通常發育在狹窄和較陡的陸架；而強潮汐（macrotidal）影響的浪控沉積環境更容易發育在較寬且平緩的陸架。潮汐對波浪作用的濱岸具有直接性和間接性的影響。潮汐的直接性影響體現在直接控制濱岸沉積物的沉積過程，這種沉積過程通常發生在波浪影響較小、但潮汐作用較為強烈的沉積環境下，例如狹長的海灣或者海峽，潮流能夠達到較大的流速（例如，Juan de Fuca 海峽的潮流有1 m/s）[85]，進而對沉積物的搬運起主要作用。潮汐作用下的泥砂搬運和沉積在下臨濱帶最為顯著，其次是中臨濱帶，在這些區域，潮流的速度一般超過波浪水質點的軌跡運動速度[85]。潮汐對波浪作用濱岸的間接性影響體現在漲潮和落潮能夠移動波浪帶。例如，Vakarelovet al.[57]通過對加拿大阿爾伯塔省Campanian Bearpaw-Horseshoe Canyon 組地層的研究，并結合相關地貌學研究的調研，提出了潮汐對浪控海岸具有上下移動升浪、破浪—碎浪和沖浪帶的作用（圖7），而且潮差越大影響越顯著。強潮汐在水較淺且寬緩的陸架上下移動波浪帶，導致沉積相帶存在明顯差異，從而使潮間帶沉積的比例增大。因此，發育在波浪帶、具有平行到低角度交錯層理的沉積地層可能相對較厚，而發育在風暴浪影響區域、具有丘狀—洼狀交錯層理的沉積地層可能相對較薄（圖7）。

潮控三角洲的遠端接近陸架的區域通常有潮汐和波浪的相互作用（圖6）。例如，美國科羅拉多州白堊紀Sego Sandstone三角洲存在波浪和潮汐共同作用的記錄[14]。三角洲近端潮汐沙壩中砂質沉積物的搬運以潮汐作用為主，而泥質沉積物則被波浪懸浮在水體中并被搬運到遠離岸線的位置。向海方向過渡的潮汐沙壩存在潮汐和波浪共同影響的沉積記錄，波浪作用逐漸增強導致潮汐沙壩頂部被風暴浪重新改造，砂質沉積物向海搬運并再沉積形成低角度或丘狀交錯層理砂巖。在潮汐沙壩的遠端，沉積物主要是通過風暴浪被搬運，但潮汐作用所引起的水深周期性變化能夠使風暴浪的波高和強度隨著潮汐周期性變化[86]，所以局部位置保存丘狀交錯層理與小型丘狀或浪成沙紋交錯層理互層的周期性砂質韻律沉積（圖8）。北海侏羅紀Rannoch 組一直被傳統地解釋成浪控三角洲，而Weiet al.[87]在三角洲前緣地層中發現風暴浪和潮汐交互作用的存在。該組風暴浪形成的地層之間存在一些明顯的潮汐作用產物，比如，雙黏土層（double mud drapes）、潮汐束狀體（tidal bundles）、較好的砂泥互層等。因此，潮汐沉積在風暴浪沉積之間的形成和保存揭示該地層可能發育在具有較大潮差的大型河口附近，或者發育在沉積速率和沉降速率較高的環境中，從而使風暴浪沒有完全改造潮汐作用的沉積物。

圖7 弱潮汐、中潮汐、強潮汐對浪控沉積體系差異影響的概念模型（a～c）與弱潮汐和強潮汐影響的浪控濱岸沉積序列（d，e）對比（據Vakarelov et al.[57]修改）Fig.7 (a-c) Conceptual model of key differences among microtidal, mesotidal and macrotidal wave-dominated environments;(d,e) Facies successions for microtidal and macrotidal wave-dominated shoreface systems (modified from Vakarelov et al.[57])

開闊海岸潮坪（open-coast tidal flat）是典型的波浪和潮汐混合作用的沉積體系。在巴西寒武—奧陶紀Lagarto 和Palmares 組沉積地層，Basiliciet al.[88]發現開闊海岸潮坪體系保存有風暴浪—波浪與潮汐相互作用的記錄。該開闊海岸潮坪地層被細分成四個巖相組合，分別代表從近端到遠端、具有不同潮汐和風暴能量變化的潮間帶區域。潮汐和風暴浪作用在各個相帶基本都存在，潮汐作用整體沿向陸方向增加但在遠端較為少見，而風暴浪強度從遠端到近端呈逐漸減小趨勢。Yanget al.[89]對韓國Baeksu和加拿大Parksville Bay 現代開闊海岸潮坪進行詳細研究，提出了波浪和潮汐相互作用形成的浪成潮汐束狀體（wave-generated tidal bundle）的沉積序列特征和相關沉積機制。一個完整的浪成潮汐束狀體是一個潮汐周期內波浪和潮汐相互作用的產物，具體包括三個不同的層段：1）最底層為漲潮時波浪和潮汐復合流（combined flow）所形成的向陸遷移的沙紋交錯層理；2）中間層為高潮期波浪作用（潮流較弱）沉積的對稱性浪成沙紋；3）最頂層為退潮時波浪—潮汐復合流產生的向海遷移的沙紋交錯層理（圖9）。由此可見，古代沉積地層可能存在比現有解釋更加復雜的沉積過程相互作用，而這需要更多的研究來探明和揭示。

圖8 波浪和潮汐沉積過程相互作用以及沿沉積方向從近（左）到遠（右）相應的沉積產物（據Legler et al.[14]修改）Fig.8 Tide-wave interactions and resulting deposits from proximal (left) to distal (right) locations along a depositional dip section(modified from Legler et al.[14])

圖9 左側顯示高潮和低潮期間沉積過程的變化以及相應的沉積物向陸和向海方向的移動，右側為相應的由復合流沙紋和浪成沙紋組成的浪成潮汐束狀體（據Yang et al.[89]修改）Fig.9 (Left) Process changes between high-and low-tide periods, showing landward and seaward sediment movement;(right) Resulting rhythmical deposits of combined-flow ripples and wave ripples (modified from Yang et al.[89])

3.4 河流、波浪和潮汐混合作用過程

近年來，越來越多的研究表明淺海陸架沉積體系（尤其是三角洲）同時受河流、波浪和潮汐沉積作用的影響[12,15-18,26,70,90-94]。Ainsworthet al.[18]通過對加拿大阿爾伯塔省晚白堊紀Bearpaw-Horseshoe Canyon組的研究，識別混合作用過程下的河口壩體系，并展示了該體系與經典的河流作用為主的河口壩在沉積相、地層空間結構和平面幾何形態等方面存在顯著不同的特征。該組的河口壩沉積地層保存和記錄了混合作用隨著潮汐周期的變化過程。在低潮期間，河流攜帶沉積物并堆積在河口，因此河口壩主要受河流和潮汐沉積作用；而在高潮期間，分流河道被上漲的潮流淹沒，導致河流沉積物卸載在河口向陸方向的位置，所以河口壩位置主要受波浪和潮汐作用影響（圖10）[18]。在這種情況下，河流作用形成的河口壩在波浪和潮流的參與下，其沉積構型也必然受到一定程度的影響。阿根廷侏羅紀Lajas 組地層不同于典型河控和浪控三角洲地層，Rossiet al.[16]通過對沉積相、古水流和地層疊加模式的分析，不僅探明該地層代表河流、波浪和潮汐混合作用形成的三角洲，而且將三種沉積作用在地層中得以區分。整體地層反映波浪能量在三角洲遠端和兩側區域較強，潮汐能量在三角洲前緣和水下臺地區域作用較明顯，河流主要作用在近端區域。東南亞加里曼丹島中新世Lambir 組沉積相、生物遺跡化石和地層結構綜合反映一個從進積到快速加積的大型混合作用三角洲地層，其下三角洲平原以河流和潮汐作用為主，而三角洲前緣受河流和波浪—風暴浪作用為主并有微弱潮汐影響[92]。風暴浪、潮汐和較弱的河流作用的相關地層更容易保留在分流河道兩側的間灣區域。最新研究表明，古代地層中同樣存在由河流—潮汐—波浪混合作用（潮汐作用為主）所形成的復合斜坡型三角洲（圖11），其中岸線斜坡和水下臺地內部主要受河流和潮汐作用，而水下臺地外部和水下斜坡主要受潮汐和波浪混合作用[9,15]。

圖10 潮汐周期期間河流、波浪和潮汐在河口沙壩位置的相互作用以及相應沉積產物（據Ainsworth et al.[18]修改）Fig.10 River, wave and tidal process interactions and resulting deposits during tidal cycles observed on mouth-bar foresets(modified from Ainsworth et al.[18])

河流、波浪和潮汐混合作用的沉積體系通常同時受沉積物供給、海平面升降、構造沉降等因素的影響。譬如，挪威侏羅紀Halten Terrace 淺海地層保存并記錄了混合作用的三角洲地層在12.5 Myr 內的兩次進積和一次加積過程[19]。進積階段由河流和波浪作用為主并受潮汐影響的三角洲地層所組成，加積階段則由更復雜的沉積地層組成，其中包括河流和潮汐作用為主并有波浪影響的三角洲、下濱岸、以及非三角洲海岸線沉積（潮汐水道、潮坪、沼澤）。van Cappelleet al.[19]指出該沉積序列由下到上粒度逐漸減小，總體上呈現河流作用減弱、潮汐作用增強的過程，這一演化過程主要受裂谷盆地構造活動所引起的可容空間增長速率加快（相對于沉積物供給速率）的影響。過去一直認為墨西哥灣晚古新世Lower Wilcox 組是典型的河控三角洲地層，而最新研究表明該三角洲地層是由明顯的河流、波浪和潮汐混合作用所形成[90]。在該地層中，波浪和風暴浪形成的地層與河流洪水期發育的異重流沉積、以及潮汐作用形成的泥質韻律層存在著頻繁互層。Lower Wilcox 三角洲發育在較寬的淺海陸架和沉積物供給速率減小的背景下，從而使得強烈的波浪和潮汐作用與較弱的河流作用共同影響三角洲的形成和發育過程[90]。澳大利亞全新世米切爾河三角洲發育在低可容空間的陸表海，強制海退過程中形成了一個平面形態較復雜的混合作用過程體系[40]。三角洲進積過程從浪控的對稱性三角洲（受河流影響和潮汐作用影響），演變成快速進積的潮控三角洲（受河流和波浪作用影響）。這種沉積過程的轉變主要受可容空間和沉積物供給速率變化的控制，較高的可容空間與沉積物供給速率的比值（A/S）導致三角洲的進積過程更易受波浪作用的影響，而隨著海平面逐漸降低，A/S減少導致后期三角洲進積主要受潮汐作用的影響[40]。

圖11 基于現代（*）和古代沉積地層研究得出的潮汐—河流—波浪作用的復合斜坡型三角洲的三維沉積相模式（據Peng et al.[9]修改）Fig.11 Three-dimensional block diagram of tide-, river- and wave-influenced compound-clinoform deltas, with facies distribution(modified from Peng et al.[9])

陸架邊緣三角洲中同樣存在河流、波浪和潮汐共同作用，但是河流和潮汐沉積能在波浪作用為主導的陸架邊緣得以保存需要有特殊的沉積環境。在南美洲大西洋特立尼達陸架邊緣的上新世Orinoco三角洲Moruga 組，河流—潮汐—波浪混合作用和河流作用為主的三角洲前緣地層很好地保存在整體為波浪—風暴浪為主的沉積環境下[70]。混合作用過程的三角洲前緣地層發育河流和潮汐共同作用的雙向流水沙紋和一些波浪作用形成的丘狀/洼狀交錯層理，河流作用為主的三角洲前緣則發育平行層理、低角度交錯層理、單向流水沙紋并伴有較薄的正韻律層。其他大部分陸架邊緣地層受波浪—風暴浪控制，發育浪成沙紋和丘狀/洼狀交錯層理。Penget al.[70]提出導致河流和潮汐沉積地層在強波浪控制的環境下保存的原因可能包括古海岸形態對波浪有一定屏蔽作用，或者在地層發育時期強風暴浪出現頻率較低，但更有可能的是，盆地快速的沉降和埋藏速率使得河流和潮汐地層沒有被風暴浪完全改造。

4 沉積體系混合作用過程的表征與量化

通過上述研究可見，河流—波浪—潮汐混合作用過程無論是在古代還是現代沉積體系都十分常見，但是研究混合作用過程具有一定難度和挑戰性。這主要是由于一方面識別沉積構造和沉積特征所對應的沉積過程有一些不確定性，另一方面缺少適當的量化和表征方法。Ainsworthet al.[2]針對碎屑巖海陸過渡沉積體系提出一種描述和預測沉積過程的半定量分類方法（圖12）。這種方法在Galloway（1975）三角洲三端元分類的基礎上擴展到包括無河流注入的海岸體系，并根據河流、波浪、潮汐作用的相對強度進行排列組合得出15 種海岸沉積體系的可能組合。Ainsworthet al.[2]通過決策樹（圖12）或者矩陣（如Ainsworthet al.[2]中圖9），并且同時考慮盆地地形、海岸線形態、可容空間、沉積物供給、陸架寬度等參數，來綜合描述和預測沉積體系的沉積過程。但是，該方法比較復雜且不夠直觀，當應用在古代沉積地層時，很多需要考慮的參數無法確定或者被推測。

在古代或現代沉積地層的研究中，一個實際的問題就是在同一段地層中可能同時保存河流、波浪和潮汐兩種或三種沉積作用形成的沉積構造和特征[15-16]，而且一些沉積構造或特征并不能作為指示單一某種沉積作用或者沉積環境的標志。因此，Rossiet al.[27]提出了新的量化方法，通過沉積構造和其他沉積特征對巖層或地層單元計算出三個百分比，分別代表該單元可能由河流、波浪、潮汐作用所形成的概率。這種量化方法是基于對大量古代、現代沉積和物理模擬實驗等的調研總結，每個沉積構造得出一組百分比數值，分別代表該沉積構造可能由河流、波浪和潮汐這三種沉積過程形成的概率（圖2）。如果巖層或地層單元呈現多于一種沉積構造或特征，可對河流、波浪、潮汐過程的百分比值分別取平均值來獲得該層的最終沉積過程概率。在一段地層中將每個巖層或地層單元相應的沉積過程概率整合起來即可得出沉積過程隨地質時間變化的概率圖（圖13）。通過應用此方法在已研究區域（比如阿根廷侏羅紀Las Lajas組和美國白堊紀Sego Sandstone）（圖13），并與之前研究結果進行比較，不僅此方法的有效性得到驗證，而且其系統性和直觀性一目了然。此方法有效量化了古代沉積體系中沉積過程隨地質時間的變化過程，并且改進了預測沉積環境演化的表征方式。

圖12 使用決策樹對海岸沉積體系沉積過程的預測（據Ainsworth et al.[2]修改）Fig.12 Decision tree to predict dominant depositional process for coastal systems (modified from Ainsworth et al.[2])

圖13 一種新的定量化方法通過觀察和描述古沉積環境保存的沉積記錄來表征沉積序列和其相應的混合作用過程（據Rossi et al.[27]修改）（a）阿根廷侏羅紀Las Lajas組三角洲地層中的一個準層序的傳統地層描述；（b）波浪、河流和潮汐隨時間變化的混合作用過程的概率圖Fig.13 Quantitative approach to characterize a sedimentary succession and the influence of mixed processes from recorded paleo-environmental signals (modified from Rossi et al.[27])(a)classical sedimentological log of a parasequence from Jurassic Las Lajas(Argentina)deltaic strata;(b)probability graph showing mixed wave,fluvial and tidal processes over time

通過運用此方法，Penget al.[15]重建了上新世Orinoco三角洲一段沉積地層中河流、波浪和潮汐的相互作用沉積過程。此研究識別了古三角洲地層中混合作用過程下的沉積特征，并從米和厘米—分米兩種尺度來量化河流、波浪和潮汐相互作用過程。研究結果表明，Manzanilla 組的研究層段代表復合斜坡型三角洲（compound-clinoform delta），該三角洲沉積體系受到波浪、潮汐和河流混合能量的改造，并同時受到周圍大量泥質沉積物的影響。在準層序尺度（30～50 m）上，波浪沉積記錄先從三角洲水下斜坡向水下臺地外部增加，然后向水下臺地內部減少，而潮汐記錄則呈相反的趨勢變化（詳見Penget al.[15]）。這種沉積過程變化趨勢表明風暴浪沉積作用主要改造了遠端河口壩和潮汐沙壩，并將沉積物輸送到水下臺地外部和水下斜坡。三角洲水下臺地的大量泥質沉積物減弱了風暴浪的影響，導致三角洲水下臺地的河流和潮汐沉積記錄得以保存，而且泥質沉積物對海岸起到一定的穩固作用，從而使得三角洲復合斜坡體系能夠快速向前推進。在此基礎上，該研究在三角洲復合斜坡上選取個別層段進行精細（厘米到分米尺度）描述和量化，探明波浪、潮汐和河流在三角洲復合斜坡不同位置上高頻的相互作用過程（圖14）。由此可見，該方法可有效地運用到具有巖心或者露頭數據的古沉積體系或者現代沉積體系，而且通過對具有多變性的沉積地層更系統地描述和解釋，能夠允許不同沉積體系或者儲層之間的比較。

圖14 古Orinoco 地層通過應用Rossi et al.[27]的新量化方法，表征復合斜坡型三角洲不同位置的河流、波浪和潮汐相互作用過程（據Peng et al.[15]修改），其中每個位置由傳統地層描述（左）和混合作用過程的概率圖（右）表示Fig.14 Sedimentary successions (left) and probability graphs of mixed processes over time (right) using the quantitative approach proposed in reference [27], illustrating variable interaction of river, wave and tidal processes at different locations in a compound-clinoform delta (modified from Peng et al.[15])

5 地質意義與展望

現代沉積體系研究表明，很多海（湖）岸系統是相對復雜并且由分散的沉積單元組成，每個沉積單元可能代表河流、波浪和潮汐不同程度相互作用的產物。這些混合作用過程不僅在空間上的不同沉積單元之間存在變化，而且在時間（天、季節、年或者更長的時間尺度）上也是不斷變化。然而，目前的碎屑巖海（湖）岸體系的沉積模式相對簡單，學者們通常只關注沉積體系最主要的沉積過程。以主控沉積過程對三角洲的朵葉復合體進行描述和分類雖然是可行的，但卻忽略了參與三角洲構建的其他沉積過程、以及沉積過程之間的相互作用和變化，而且不能解決重建三角洲朵葉級別或者更小規模的復雜沉積構型的難題[10]。尤其是隨著油氣勘探和生產實踐的發展，對沉積相精細刻畫的要求日益提高，對油田一個區帶開展評價時，需要對砂組級別甚至是單砂體級別開展沉積微相的刻畫[46]。因此，對三角洲沉積單元或者砂組的河流、波浪和潮汐混合作用過程以及相應的沉積構型進行精細研究和分析，是目前推動沉積學發展和滿足油氣藏評價以及開發需求非常重要的一步。

雖然近年來對三角洲沉積體系中河流、波浪和潮汐的混合作用過程的研究逐漸增多，但是絕大多數研究仍然處于對沉積體系中沉積作用過程定性的描述。未來對三角洲混合作用過程的研究需要逐漸由定性描述轉為定量化研究，這需要對巖心、野外露頭、現代沉積、密井網或者高頻地震區域開展精細描述和定量化分析。對沉積盆地進行定量的沉積過程分析，可揭示不同盆地地形、海岸線形態、可容空間、沉積物供給、陸架寬度等因素的影響下沉積過程的相互作用，推動沉積學領域研究進展。同時，在定量沉積過程的約束下，對三角洲沉積單元的內部構型和空間分布進行解析，建立一系列定量的、可預測三角洲沉積單元或者砂體的沉積構型模式，也可對油氣勘探和開發實踐提供有力的指導和理論支持。

6 結論

無論在現代還是古代沉積體系，河流、波浪和潮汐的混合作用過程是普遍存在的，本文對目前河流、波浪和潮汐的混合作用過程的研究進展進行了梳理和總結。

（1）河流和波浪的相互作用一般發育在河口附近，兩者的相對強度以及波浪入射方向控制三角洲被改造的程度。波浪垂直入射岸線形成向河口兩側分散的雙向沿岸流，對河口壩進行改造，將沉積物向兩側搬運；而波浪斜交岸線可產生明顯的單向沿岸流，可改造沿岸流上游和河口壩，并向下游搬運沉積物。

（2）河流和潮汐的相互作用通常發生在潮汐作用比較顯著的三角洲或河口灣區域的河流—海洋過渡帶。在河流間洪期，河流作用逐漸減弱，而潮汐作用相對增強，此時潮汐與河流的混合作用較為顯著，一些局部沉積環境能夠保存潮汐沉積記錄。在河流—海洋過渡帶的下游區域，河流和潮汐共存的沉積過程在雨季時比較普遍，而旱季期間河流作用很小，潮汐作用相對較強。隨著相對海平面升降、沉積物供給變化和氣候變化等因素的影響，潮汐和河流作用共同影響的三角洲和河口灣沉積通常反復疊加發育，形成由進積疊加模式的三角洲沉積轉變成退積疊加模式的河口灣沉積。

（3）潮汐和波浪的相互作用主要體現在潮汐直接控制波浪作用體系中沉積物的沉積過程，以及通過漲潮和落潮間接性移動波浪帶和相應的沉積相帶。

（4）很多淺海三角洲同時存在河流、波浪和潮汐的沉積作用，這些沉積體系的發育受沉積物供給、海平面升降、構造沉降等因素的影響，其相互作用過程有待通過不同區域進行深入研究。

（5）沉積環境中河流、波浪、潮汐混合作用過程的研究具有復雜性和一定的挑戰性，這主要是由于識別沉積構造和沉積特征以及與其相對應的沉積過程的不確定性，和缺少適當的表征和量化方法。通過沉積構造和其他沉積特征對巖層或地層單元計算可能的河流、波浪、潮汐作用過程的概率是目前較為適用的量化方法，此方法可較為有效地表征沉積體系中沉積序列及其相對應的沉積過程隨地質時間的演化過程。致謝 此篇文章是基于作者在美國德克薩斯大學奧斯汀分校攻讀博士期間的研究工作，感謝導師Ronald J. Steel 教授和Cornel Olariu 研究員在此方向的引導。鮮本忠教授提供了有啟發意義的討論，兩位審稿專家對文章的內容和圖件提出了建設性修改意見和建議，在此一并感謝。