湖水位对扇三角洲展布形态影响的物理沉积模拟研究

冯 闽，刘忠保，徐佑德，唐友军，修金磊，胡光明，王 昕

(1.长江大学 地球科学学院， 湖北 武汉 430100；2.中石化胜利油田分公司勘探开发研究院， 山东 东营 257000;3.长江大学 资源与环境学院， 湖北 武汉 430100)

物理沉积模拟是基于沉积物物理沉积过程的一种人为控制的模拟方式[1]。物理沉积模拟的发展过程分为三个阶段：以现象描述为主要内容的初级阶段、以底形研究为主要内容的迅速发展阶段、以砂体形成过程和演化规律为主要内容的湖盆模拟阶段[2-3]。近年来，国内外学者胡晓玲等[4]、段华庭等[5]、吕峻岭等[6]、Baker等[7]、Ho等[8]、Mooneyham等[9]推动了物理沉积模拟的发展。

扇三角洲是从邻近高地推进到稳定水体(包括海、湖)中去的沉积体[10]。前人总结了扇三角洲展布形态的控制因素主要包括古水流、古气候、古地形等[11-13]，这些控制因素对扇三角洲沉积过程和展布形态的影响也各不相同。除了这些控制因素，湖水位高低对扇三角洲展布形态也具有重要影响，但前人对其研究较少。本文通过沉积模拟较为系统地研究了湖水位高低对扇三角洲形态展布的影响，以利于预测有力储层和判断沉积环境。

1 实验设计

应用沉积模拟技术，借鉴前人对准噶尔盆地玛湖凹陷下三叠统百口泉组扇三角洲古地形、水动力和沉积物组成的研究成果[14-15]，参考唐勇等[16]对该工区扇三角洲的模拟，根据几何相似、运动相似和动力相似三大原则及推移运动与悬浮运动两大相似准则，设置底形、水动力和物源配比参数，并对实验过程中的数据进行记录(见表1)。

表1 实验参数

1.1 实验底形

实验底形设置了导槽、泥砂搅拌机、摄像装置、8°坡、湖区五部分(见图1)。导槽起导流作用，使水流能模拟出山口入湖河流。泥砂搅拌机将碎屑物质充分搅拌，其开关调节碎屑物释放速度，通过导槽将泥砂和水输送到坡面和湖区。湖区规模为3.0 m×2.5 m。摄像装置负责记录扇三角洲沉积过程，进行全程拍照、录像。

图1 底形图

1.2 实验方案

分别做三次单独的实验，每次实验结束后清理底形上的砂体。每次实验对应的湖水位不同。每次实验由1个高流态洪水沉积事件(重力流)和1个低流态牵引流沉积事件(牵引流)组成。高流态洪水沉积事件的物源由粗砂(含砾)、中细砂、和泥浆构成(沉积物一共40 L)，分别模拟借鉴工区中的砾石相沉积颗粒、粗粒岩颗粒和泥岩相沉积颗粒。供源桶中泥砂在整个高流态洪水沉积事件过程中需要用泥砂搅拌机搅动。低流态牵引流改造分为中水、洪水、中水、枯水四个阶段进行，模拟参考工区河流四季流量和流速变化，加入极少量中细砂，并且使用湖区循环水，保持湖水位稳定。

2 实验过程

当湖水位设置为1 cm时，碎屑流从坡面迸射而下向坡底和湖区快速推进。水流携带碎屑物质冲入湖区较远处并开始沉积，砂体纵向延伸大于横向伸展，形成条状砂体，后砂体厚度增加，且进行横向伸展。低流态牵引流时，发育向前主河道，虽然砂体也进行着横向发育但速率远不及纵向伸展，砂体展布面积不断增加(见图2)。

图2 1 cm湖水位时扇三角洲沉积过程

当湖水位设置为5 cm时，重力流快速推进，冲入湖区。泥砂冲到坡折前处开始沉积，砂体厚度不断变大，横向伸展和纵向伸展同时进行，最后露出水面并且向物源方向延伸。低流态牵引流时，改造区主要在砂体偏左方向，后河道发生侧向侵蚀和摆动，砂体发育左右两条主河道和许多细小分流河道。水流携带扇根和扇中的泥砂物质向湖区推进，砂体此时不断向前延伸，纵向发育大于横向发育，但纵向发育速率较1 cm水位时小，展布面积不断增大(见图3)。

图3 5 cm湖水位时扇三角洲沉积过程

10 cm湖水位时，碎屑物质在洪水携带下冲向湖区，到坡折处开始沉积。砂体厚度不断增加，露出水面后往物源方向延伸。低流态牵引流改造区主要集中在扇三角洲右侧，改造区中发育许多细小河道。水流携带泥砂向扇体右侧推进，泥砂不断在扇体右侧堆积，砂体横向发育速率大于纵向发育，展布面积不断增大(见图4)。

图4 10 cm湖水时扇三角洲沉积过程

3 实验结果和分析

实验结束后将水抽干，扇体完全暴露(见图5)。受湖水位的影响，各个扇体的长宽比、面积、厚度、展布位置及前缘倾角差异明显。

图5 扇三角洲最终形态

3.1 湖水位影响扇三角洲长宽比

在扇三角洲长宽比变化的过程中(见图6)，1 cm湖水位时的扇体长宽比始终最大，其次为5 cm湖水位时，10 cm湖水位时的扇体长宽比最小。所以其他条件相同，湖水位越高，扇三角洲长宽比越小，扇缘形态越平滑，湖水位与扇体长宽比成反比例关系。

图6 扇体长宽比变化过程图

这是因为湖水位对扇三角洲高流态洪水沉积事件时和低流态牵引流沉积事件过程中的长宽比都有影响。重力流和牵引流都受湖水顶托作用影响。湖水位越高，湖水顶托作用越强，重力流时水流携带的碎屑物质越难向前推进。较高的湖水位时，牵引流河道两侧摆动速率大，侧积作用强，砂体两侧沉积物较多，砂体横向展布速率大，扇体长宽比小。

3.2 湖水位影响扇三角洲砂体展布面积和厚度

扇三角洲的展布面积和厚度是密切相关的，且都受湖水位高低的影响。在扇三角洲展布面积变化的过程中(见图7)，同一时间点，1 cm湖水位时的扇体展布面积始终最大，其次为5 cm湖水位时，10 cm湖水位时的扇体展布面积最小。也就是说，其他条件相同，湖水位越高，扇三角洲展布面积越小，湖水位与扇体面积成反比例关系。

图7 扇三角洲扇体面积变化过程图

在扇三角洲厚度变化过程中(见图8)，同一时间点，10 cm湖水位时的扇体厚度最大，其次是5 cm湖水位时，1 cm湖水位时的扇三角洲扇体厚度最小。所以其他条件相同，湖水位越高，扇三角洲扇体厚度越大，湖水位与扇三角洲扇体厚度成正比例关系。

图8 扇三角洲平均厚度变化过程图

这是因为湖水位越高，湖水的顶托作用越强，水流携带的泥砂推进距离越短，加之扇体之上可容纳空间越大，利于泥砂通过重力流和牵引流在砂体之上进行新的沉积。垂向沉积活动越多，扇三角洲厚度越大。物源总量不变，砂体厚度越大，展布面积就越小。

3.3 湖水位影响扇三角洲展布位置

从图5和图9可以看出：当湖水位1 cm时，砂体基本全在坡底展布，离物源较远；当湖水位5 cm时，砂体有一小部分在坡面而绝大部分仍在坡底展布，离物源较近；当湖水位10 cm时，扇三角洲一半砂体都展布在坡面，离物源最近。所以其他条件相同，湖水位越高，扇体与物源距离就越短。

图9 1 cm、5 cm、10 cm湖水位时的扇三角洲最终形态叠置图

这是因为湖水位越高，湖岸线越靠近物源，水流携带泥砂受到湖水顶托的位置整体越接近物源，泥砂就会在越接近物源的地方沉积。

3.4 湖水位影响扇三角洲前缘倾角

前缘倾角是影响扇三角洲前缘稳定性的重要因素，且跟湖水位有着密切关系。在扇三角洲前缘倾角变化的过程中(见图10)，同一时间点，10 cm湖水位时的扇体前缘倾角始终最大，其次为5 cm湖水位时，1 cm湖水位时的扇体前缘倾角最小。也就是说，其他条件相同，湖水位越高，扇三角洲前缘倾角越大，湖水位与扇体前缘倾角成正比例关系，前缘倾角最大不会超过90°。这是因为湖水位越高，扇体越厚，前缘高差越大，扇体前缘倾角也越大。

图10 扇三角洲扇体前缘倾角变化过程

4 结 论

影响扇三角洲沉积演化的因素很多，本实验着重探讨了湖水位这个单因素对扇三角洲展布形态的影响。实验表明：

(1) 湖水位影响扇三角洲长宽比。较高的湖水位对河流携带的泥砂产生较强顶托力，阻止泥砂往湖区前进，使水流向扇体两侧摆动速率变大，扇体横向展布速率变大，长宽比更小。

(2) 湖水位影响扇三角洲展布面积和厚度。更高的湖水位给沉积体提供更多垂向可容纳空间，利于扇体垂向沉积，厚度更大。物源量一定，厚度更大，扇体面积相应减小。

(3) 湖水位影响扇三角洲展布位置和前缘倾角。湖水位越高，湖岸线越靠近物源，水流携带泥砂受到湖水顶托的位置整体越接近物源，泥砂就会在越接近物源的地方沉积，扇三角洲展布位置更靠近物源。湖水位越高，砂体厚度越大，扇体前缘高差越大，前缘倾角也越大。