基于物理模擬的三角洲前緣橫向砂壩發育過程及形成機理

關鍵詞 三角洲；波浪作用；沉積模擬；橫向砂壩；沿岸流

0 引言

三角洲前緣是三角洲中砂巖的集中發育帶，發育頗為豐富的砂體類型，其中包括水下分流河道、席狀砂、河口壩和遠砂壩等，同時也發育富含有機質的泥頁巖，其共同形成的生儲蓋組合不但有利于油氣的運移與聚集，在油氣成藏中也極為重要[1?6]。在前人的研究中發現，三角洲的發育受湖平面升降、潮汐作用等多種因素的影響，致使沉積過程和砂體展布大有不同，而物理沉積模擬技術是研究這些內容的重要途徑，該技術是一種從動態、正演的角度研究問題的技術手段，是其他實驗技術無法替代的。前人在三角洲模擬實驗研究方面已有較為成熟的經驗[7?12]，深入研究了辮狀河三角洲[9?11]、扇三角洲[12]中岸線位置、物源差異等因素對三角洲的控制，并分析了三角洲的沉積過程、沉積特征及儲層構型。

在近年的研究中發現，風場、波浪、沿岸流等因素對三角洲沉積過程產生較大影響。姜在興等[13]對盆地體系風場—物源—沉積動力學的研究中發現，風力產生的湖波和湖流，影響了沉積體系的分布；劉翰林[14]在隴東地區長82段三角洲前緣研究中，提出在岸流和波浪的改造和篩選下，河口砂壩末端側向遷移的過程；陳林等[15]在盆地西南部延長組長8油層組研究中，也強調了波浪強烈改造對水下分流河道及河口壩的影響；國外學者對于波浪作用及波浪產生的波生沿岸流，對岸線沉積物離岸、橫向搬運進行了研究，并總結了波浪及沿岸流同河流流量之間的阻塞效應[16?20]，I L?nne et al.[21]認為波浪造成了前緣砂體的垂向加積，而沿岸流造成了前緣砂體橫向展布及遷移，Anthony[22]發現波浪、沿岸流及河口組成的小型環流系統控制著河口處沉積物的搬運，且河口處流量越小，波浪作用越明顯。

為正確認識波浪作用對三角洲前緣的影響，深入探討波浪作用對三角洲前緣砂體的控制作用機理，運用物理模擬實驗方法，研究隴東地區長82橫向砂體的發育機理及分布特征，并建立相應的響應模式。這一研究不僅有助于進一步掌握波浪作用下三角洲前緣砂體的發育樣式，而且對油氣精細勘探和開發具有重要的指導意義。

1 實驗裝置與實驗設計

1.1 實驗原型分析

本次實驗以鄂爾多斯盆地西南部延長組長82三角洲沉積區為原型，受盆地的隴西古陸和秦嶺古陸影響，研究區主要受西南和南部兩大方向物源所控制，向盆地中心發育沉積類型依次為：辮狀河三角洲平原—辮狀河三角洲前緣—濱淺湖（圖1）；在該沉積期湖盆底部形態，呈東北較緩、西南較陡的不對稱特征，其中西部環縣—鎮原一帶最陡[23?26]；氣候主要為溫暖潤濕的亞熱帶季風氣候。

該時期三角洲沉積的巖石類型以細砂巖、粉砂巖、泥巖為主；砂巖分選性良好，粒度概率累積曲線主要為兩段式；其中跳躍總體十分發育（累積含量為90%～99%）、懸浮總體次之（lt;10%）；跳躍組分存在兩個次總體，反映了長82油層砂體沉積時期強烈的沖刷回流作用。其長82砂體展布受坡折和湖浪改造的雙重控制，在三角洲平原—前緣近端主力砂體呈條帶狀展布，而在三角洲前緣遠端—淺湖線附近主力砂體沿淺湖線一帶呈坨狀、片狀橫向分布[27]。

1.2 實驗裝置與底型設計

本次物理模擬實驗在長江大學CNPC沉積水槽模擬重點實驗室完成。根據研究區湖盆底形特征及實驗室條件，設計實驗物源及底形如圖2，其中西南部物源控制下的緩坡辮狀河三角洲沉積區設計坡度為1°～2°，西部物源控制下的陡坡辮狀河三角洲沉積區設計坡度為3°～4°；沉積區總規模為6 m×12 m，X方向有效使用范圍0～6.0 m，比例尺為1∶30 000；Y方向有效使用范圍5.5～12.0 m，比例尺為1∶30 000；Z方向厚度比例尺為1∶100。Y=4.0～5.5 m 為固定河道區，不計入有效測量范圍；Y=5.5～12.0 m為三角洲沉積區；Y=12.0～15.0 m為湖區。造浪裝置選用固定頻率噴射脈沖式造浪器，并置于Y=11 m附近，其1 m遠處所測波長為20 cm、波高為4 cm。

1.3 實驗方案設計

根據研究區長82油層組砂巖粒度設置加沙組成如表1所示，其中西部物源粒度較粗，西南部物源粒度較細。按照自然界中的一般規律，設計洪水期、中水期、枯水期，其流量比例為6∶3∶1。

根據研究區長82油層組沉積旋回特征，本次物理模擬實驗共分5個沉積期次，每期實驗按不同實驗要求進行了中水期—洪水期—中水期—枯水期的過程模擬。實驗過程中各期實驗條件及水動力參數見表2。為了對比研究波浪作用與河水流量相對強度差異對三角洲沉積特征差異，設置一期無浪對照組（Run1），設置兩期弱浪組（Run2），設置兩期強浪組（Run3），每期實驗通過改變造浪的方向，對比波浪入射差異。在實驗過程中，每個實驗沉積期湖水位不斷變換，局部呈現為湖退，總體上是一個湖侵的沉積過程。

為了更加準確地觀察和測量三角洲的沉積過程以及沉積的局部特征，實驗時采取全程錄像記錄、對重要實驗現象進行拍照，在每輪沉積結束后鋪設彩砂，并在實驗結束后對三角洲沉積體采用25 cm×25 cm網格進行三維切片分析。

2 實驗過程及結果

2.1 實驗過程描述

實驗共經歷5個期次，在實驗過程中持續記錄，并詳細記錄了三角洲沉積過程及橫向砂壩發育過程（圖3）。

2.1.1 第一沉積期（Run1）

模擬湖退條件下的辮狀河三角洲形成過程，共經歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程，歷時50 h（圖3a～d）。湖水位逐漸降低，變化范圍（h）35.0～25.0 cm。中水期三角洲砂體表面發育一條主水道，隨著主水流的頻繁擺動，砂體發育的優勢方向隨之改變，砂體全方位發育，呈指狀或鳥足狀；枯水期分流河道非常發育，主要形成縱向砂壩、斜列砂壩以及河口砂壩；洪水期水流強度大，砂體表面大面積強片流，水流搬運較大顆粒向前推進，砂壩形態不明顯。

2.1.2 第二、第三沉積期（Run2?1、Run2?2）

第二、第三沉積期，分別模擬湖水位不變、流量和物源供給較大、波浪作用較小條件下，波浪與砂體正交（90°）和斜交（60°）時辮狀河三角洲沉積發育過程。

Run2-1：模擬流量（0.9～1.5 L/s），物源供給較大、波浪作用較小，波浪與砂體正交條件下橫向砂壩形成過程，經歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程（圖3e～h），歷時40 h，水位變化范圍（h）25.5～23.5 cm。實驗開始后河流沿襲Run1沉積期分流河道入湖，頻繁擺動，先發育的河口壩疊置于早期河口壩之上，當三角洲發育到Y=7.5 m附近，波浪對三角洲的前積作用影響明顯，河道向兩側偏轉，以避開正面波浪的水動力干涉，原有指狀的鳥足狀砂壩發育不明顯，三角洲前緣輪廓近水平狀；當三角洲發育到Y=8 m處，波浪作用愈加明顯，在河口兩側砂體上有明顯的侵蝕現象，并攜帶沉積物在前緣砂體表面沉積下來，形成長條狀薄層砂壩，并逆水流方向發育；當三角洲發育到Y=8.5 m附近，橫向長條狀砂壩垂向疊置明顯，砂體形態清晰，肉眼可見；枯水期水流量較小，波浪作用愈加明顯，除河口處少量區域外，其余前緣砂體表面均發育橫向砂壩，河道選擇在砂壩間隙流動并入湖；洪水期強片流作用攜帶大量較粗碎屑顆粒，橫向砂壩被后來的沉積物覆蓋，較好地保存下來。

Run2-2：模擬流量（0.9～1.5 L/s），物源供給較大、波浪作用較小，波浪與砂體斜交條件下橫向砂壩形成過程，經歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程（圖3i～l），水位變化范圍（h）26.5～24.0 cm。三角洲發育到Y=7.5 m附近，波浪對三角洲的前積作用影響明顯，主要體現在河口處泥沙噴射受波浪及沿岸流影響，發生彎折后向一側發育，沉積物在前緣沉積下來。和正交波浪不同的是，斜交波浪侵蝕波浪入射位置的沉積物，并被沿岸流帶到波浪未波及位置卸載下來，橫向砂壩的發育不是長條狀逆向發育，而是沿岸線橫向延展的。洪水期片流作用攜帶的泥沙被波浪淘洗和橫向砂壩砂體混合在一起，導致砂壩形態不明顯。

2.1.3 第四、第五沉積期（Run3?1、Run3?2）

第四、第五沉積期，分別模擬湖水位不變、流量和物源供給較小、波浪作用較大條件下，波浪與砂體正交（90°）和斜交（60°）時辮狀河三角洲沉積發育過程。

Run3-1：模擬流量（0.6～1.2 L/s），物源供給較小、波浪作用較大，波浪與砂體正交條件下橫向砂壩形成過程，經歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程（圖3m～p），歷時40 h 水位變化范圍（h）27.5～26.0 cm。三角洲發育到Y=6 m附近，前積作用受阻明顯，較Run1和Run2-1砂體厚度明顯增加，Y=7 m附近，橫向砂壩沿岸線大面積發育，河流改道致使橫向砂壩被侵蝕，隨后又快速發育；枯水期前緣橫向砂壩大規模發育，河道擺動及河口位置受到橫向砂壩的影響，河道不斷切割砂壩周緣，致使砂壩形態更加明顯。該沉積期橫向砂壩在Y=7 m處開始發育，并在Y=9 m處保存最終形態，較Run2-1期橫向砂壩，該期橫向砂壩發育范圍廣、規模大且形態更明顯。

Run3-2：模擬流量（0.6～1.2 L/s），物源供給較小、波浪作用較大，波浪與砂體斜交條件下橫向砂壩形成過程，經歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程（圖3q～t），歷時20 h，水位變化范圍（h）29.0～26.0 cm。三角洲發育到Y=7 m附近，波浪作用愈加明顯，尤其在枯水期，波浪及沿岸流作用控制著三角洲砂壩的發育形態，此時河口壩不發育，河口處泥沙還未沉積就被沿岸流攜帶至另一側沉積下來，三角洲整體形態呈斜向發育，一側沉積規模遠大于另一側；三角洲發育到Y=9.5 m時，橫向砂壩發育范圍集中在波浪未波及一側，且個數較少、規模較大，波浪入射一側砂體受侵蝕和波浪改造現象明顯。

2.2 實驗結果

通過對實驗過程觀察以及三維切片分析發現，實驗條件下共識別出水下分流河道砂體、河口壩及橫向砂壩等3種成因類型的砂體。其中橫向砂壩是在實驗中湖水位不斷變化，波浪對三角洲前緣持續改造，每一輪造浪結束后都在三角洲前緣形成多個與湖岸平行的砂壩；各期橫向砂壩的分布位置受湖平面的升降控制，當湖平面下降時，橫向砂壩向湖盆方向推進（圖4）。橫向砂壩特征表現為：在縱剖面上其形態呈“下平頂凸”的不對稱透鏡狀，厚度較薄，在其后部發育凹槽。

本次對4輪造浪實驗所形成的橫向砂壩進行編號，并測量了其長度和寬度（表3）。其結果如下：Run2-1沉積期，橫向砂壩的長寬比介于1.0～1.7，平均值為1.5；Run2-2沉積期，橫向砂壩的長寬比介于2～5，平均值為3.3；Run3-1沉積期，橫向砂壩的長寬比介于2.50～5.29，平均值為3.4；Run3-2沉積期，橫向砂壩的長寬比介于4.13～4.60，平均值為4.4。數據表明，在不同波浪強度、造浪角度情況下，所形成的橫向砂壩存在明顯差異。

3 橫向砂壩形成機理

波浪與上游來水在三角洲前緣交互，水流的運動速度減小，水流方向受波浪阻擋被迫向兩側轉向，波浪與水流攜帶沉積物卸載在相互作用區域，形成長條形的砂壩雛形，波浪與水流的交互區為橫向砂壩堆積區（圖5）。

3.1 沿岸流使砂壩橫向延伸

波浪與水流交匯時會產生兩條平行于岸線的水流，即沿岸流。在橫向砂壩堆積區，沿岸流可將波浪和河流帶來的沉積物向砂壩兩側搬運沉積，使砂壩橫向延伸，形成平行于湖岸的橫向砂壩（圖6）。

波浪與水流交匯時會產生平行于岸線的沿岸流。在橫向砂壩堆積區，沿岸流可將波浪和河流帶來的沉積物向砂壩兩側搬運沉積，使砂壩橫向延伸，形成平行于湖岸的橫向砂壩。Run2-1正交波浪期次，河口兩側均發育局部沿岸流（圖6），Run2-2斜交波浪期次，沿岸流沿岸線某一方向入射，攜帶沉積物橫向搬運的同時，不斷侵蝕沖溝，使得橫向砂壩形態更加顯著。

3.2 離岸流、向岸流使砂壩垂向增厚

從對河床底部的波浪擾動開始，在向岸流與離岸流的作用下，波浪破碎沉積物向破浪線聚集開始形成砂壩，并在水動力、沉積物搬運、砂壩形態的相互反饋作用下發育，最終在壩頂破浪處達到向岸搬運與離岸搬運的平衡，形成砂壩，壩后發育沖溝。

從淺水區向岸傳播的波浪，與湖底作用產生向岸流，將湖盆的沉積物向岸搬運（圖7）。同時，向岸方向波浪破碎之后，受砂壩位置的阻礙作用，回流只能在橫向砂壩間隙中產生，并在間隙中加速，形成離岸流，尤其在Run3-1期橫向砂壩規模較大、間隙較小的情況下，離岸流作用明顯。離岸流侵蝕并攜帶三角洲前緣砂體表面沉積物及沖溝內沉積物向湖盆方向離岸搬運，兩者共同作用使砂壩垂向增厚、輪廓清晰。

實驗發現，在三角洲前緣區，波浪作用對前緣砂體的改造分為3個區：疊覆區、淘洗區及沉積區。沉積區在底部離岸流、向岸流和沿岸流共同作用下，形成橫向砂壩；淘洗區形成沖溝，發育于橫向砂壩向岸一側；疊覆區因沖浪作用主要形成沿湖岸線附近廣布的粒度較細的沉積物（圖8）。

3.3 橫向砂壩大小受波浪傳播方向、水砂條件變化控制

當物源供砂量、來水量相同時，波浪傳播方向與斜交湖岸條件下形成的橫向砂壩長寬比較大；當波浪傳播方向相同時，且物源供砂量較少、來水量較弱條件下形成的橫向砂壩長寬比較大（表3）。因此，橫向砂壩大小受波浪傳播方向、水砂條件變化控制。在波浪傳播方向斜交湖岸，并且物源供砂量較少、來水量較弱，形成的橫向砂壩長寬比較大，其分布主要受湖平面變化控制。

3.4 實驗砂體特征與工區實際特征對比

實驗中由波浪作用形成的橫向砂壩與湖岸線平行，呈坨狀、帶狀展布的特征。砂體背部形成凹槽，橫向連通性好，在與隴東地區長82的三角洲前緣砂體平面展布實際特征進行對比時，實驗條件下砂體可劃分出三角洲平原區、前緣區和淺湖區，并且在淺湖區發育橫向砂壩，與工區具有較好耦合關系（圖1，4）。

4 結論

（1） 波浪作用影響了河口泥沙的沉積位置，并對三角洲砂體具有侵蝕、改造作用，三角洲前緣發生侵蝕—再沉積過程，這一過程是三角洲前緣發育沿岸線展布橫向砂壩的主要因素。

（2） 橫向砂壩形成受波浪、湖平面及水砂條件共同控制。波浪與河口上游來水的相互干涉作用在混合區形成橫向砂壩；沿岸流使砂壩橫向延伸，離岸流、向岸流使砂壩垂向增厚。

（3） 正交波浪影響下，橫向砂壩逆向疊置發育，砂體較薄，規模較??；斜交波浪影響下，橫向砂壩沿岸線橫向發育，并沿波浪入射方向伸展，砂體較厚，且不易保存。波浪作用相對較強時，橫向砂壩連片發育，發育期次多且規模大；波浪作用相對較弱時，橫向砂壩獨立發育，發育期次少且規模小。

（4） 實驗條件下砂體分布特征與工區實際特征較吻合，表明該實驗認識對波浪作用下三角洲前緣砂體發育樣式研究有一定的指導意義。