内蒙古岱海元子沟冲积扇内部构型特征及分布规律

冯 烁， 于兴河， 李顺利， 付 超， 彭子霄， 徐 帅

( 1. 中国地质大学( 北京) 能源学院，北京 100083； 2. 中国石油东方地球物理勘探公司，河北 涿州 072751 )

0 引言

冲积扇沉积体系在中国各大陆相含油气盆地内部广泛发育，具有规模庞大、生储盖配置良好等特点[1]。准噶尔盆地冲积扇体系油气勘探获得突破，具有良好的勘探潜力[2]。由于点物源冲积扇以单点方式为扇体发育提供物源，具有单一水道供给、分支水道发育的辐射状外观形态[3]，位于出山口处的单一水道为扇体的物源供给点。点物源冲积扇有较强的非均质性，有关点物源冲积扇的研究相对滞后。细粒沉积的复杂成因与结构特性使得研究进展较为缓慢[4-5]，导致油气资源量不能接替粗粒沉积[1]，以砂砾岩为主的粗粒沉积成为研究热点[6]。

有关岱海盆地沉积特征的研究多集中于沉积亚相[3]、流体性质对三角洲前缘沉积的影响[7]，以及河流对沉积构造特征的耦合[8]。于兴河等在对内蒙古岱海湖现代三角洲沉积考察的过程中，总结岱海盆地辫状河三角洲的沉积特征，并类比中国东部陆相含油气盆地的沉积特征[9]。高白水描述河谷类型及河流各个分段的特征，细化岱海盆地河流相的展布，认为物源供给和湖底坡降是控制各粒级沉积物分布深度的重要因素[10]。冲积扇沉积构型需要实例支撑，且不同类型的冲积扇在构型特征上存在较大的差异[11]。岱海元子沟冲积扇是具有断陷湖盆沉积背景的冲积扇，且发育较多连续且完整的剖面，关于岱海盆地冲积扇研究，尤其是扇体内部构型及沉积特征规律研究相对较少。

以岱海元子沟冲积扇为例，笔者利用野外露头观察、剖面精细刻画等资料，结合构型精细解释、构型单元量化数据等，明确研究区内部构型单元类型及组合方式，总结冲积扇沉积特征，归纳构型单元分布规律，为指导相似相带油气勘探提供参考。

1 区域地质概况

1.1 地理位置与气候

岱海盆地位于中国内蒙古自治区凉城县，年平均降水量为350～450 mm[12]，主要为中温带半干旱大陆季风气候[13]。研究区位于岱海湖西侧1 km的元子沟—半滩子区域，发育一条NW—SW向的辫状河和多个小型河流，露头位于岱海以北几公里处的元子沟村西部(见图1)。受构造与沉积环境因素的影响，研究区有利于点物源冲积扇的形成且具有较好的沉积露头，选取岱海盆地点物源冲积扇作为研究对象。

图1 岱海湖元子沟冲积扇平面分布Fig.1 The planer distribution of the Yuanzigou alluvial fan of Daihai Lake

岱海湖在第四纪初已经存在，受到地壳升降运动及气候变迁影响，湖平面多次涨落，近年来降水量减少，由于水资源过度开采，湖域面积现为78 km2[14]。

1.2 构造沉积特征

岱海湖盆为典型的半地堑断陷湖盆[15]，北部发育蛮汉山背斜，南部发育马头山向斜，西部及中部发育断裂带。受中生代燕山运动与喜马拉雅运动的影响，岱海湖盆发育大量断裂，上新世末期至第四纪初期产生块状升降运动[10]，盆地北部出露较多太古界片麻岩，且河流多为NW—SE向。第四纪初，受地壳升降运动及气候的影响，导致岱海湖盆南北不对称且存在较大的坡度差，呈现北岸陡、南岸缓的特点。在“北陡南缓”的构造背景下，元子沟冲积扇在新的构造运动影响下形成。

2 岩相类型与垂向序列

由于同一种层理构造在不同岩性中表示的沉积环境不同[16]，且大多数不止出现在一种沉积环境中，通常不用单个沉积构造进行沉积环境解释，利用岩相类型及垂向沉积序列的组合可以较为准确地判断沉积环境。

2.1 岩相类型

在野外露头观察及精细描述的基础上，综合粒度大小、颗粒支撑形式和沉积构造，元子沟冲积扇采取砾岩的结构成因分类方案。划分与识别岩相的主要标志是岩性、粒度、沉积构造及颜色等。根据河流沉积物岩相划分标准[17-19]，岩相的名称通常用代码表示，代码由两部分组成，第一部分表示岩性及粒度，用一个大写字母表示，如G表示砾岩，S表示砂岩，F表示粉砂岩，M表示泥岩等；第二部分反映岩相具有的某种沉积构造或颜色，用一个或两个小写字母表示，如t表示槽状交错层理，p表示板状交错层理，m表示块状层理等。因此，研究区岩相共划分10种，即8种砾岩相、1种砂岩相、1种泥岩相(见图2)。

根据元子沟冲积扇识别岩相，可以反映沉积环境下的沉积过程或作用[20]。其中砾岩岩相较为明显反映碎屑流沉积[21]，碎屑流内部沉积组分复杂，典型的识别特征为砾岩的杂乱堆积，直立砾石大量发育，为块状构造，交错层理不发育。泥质基质支撑砾岩相Gmm、多级颗粒支撑砾岩相Gcm、粒级层理砾岩相Gg、叠瓦状砾岩相Gi、槽状交错层理砾岩相Gt、板状交错层理砾岩相Gp为典型碎屑流沉积岩相。砂岩岩相与泥岩岩相反映牵引流沉积，牵引流服从牛顿内摩擦定律，搬运方式包括溶解负载、悬移负载和床砂负载。槽状交错层理砂岩相St是具有典型牵引流沉积特征的岩相。

图2 元子沟冲积扇典型照片Fig.2 Typical photos of Yuanzigou alluvial fan

2.2 垂向序列

利用垂向序列可以判别沉积体系或沉积相类型，根据沉积厚度、岩相(粒度、沉积构造)及颜色等在垂向上的变化规律建立分布模式[22]。岱海湖元子沟冲积扇识别岩相反映短期沉积过程，不能完整表现研究区沉积环境特点[23]。选择岩相组合可以更全面体现沉积环境特征。研究区有6种垂向序列组合(见图3)，不同的垂向序列组合代表不同的沉积水动力条件及在垂向上的沉积演化过程。

2.2.1 FA-1(Gcm-Gmm)

此种岩相组合类型一般为冲积扇扇根的主辫流水道沉积或泥石流沉积体，岩性以中、粗砾和巨砾为主，大小混杂，砾质支撑，多为块状构造。底部发育以富砾碎屑流为主的沉积，存在少部分洪流沉积，向上过渡为富砾碎屑流与颗粒流沉积。自下而上分别发育多级颗粒支撑砾岩相Gcm、泥质基质支撑砾岩相Gmm。

2.2.2 FA-2(Gcm-Gi-St)

此种岩相组合类型为扇根外侧的分支辫流水道沉积，岩性以中、细砾石为主，大小混杂，底部多见粗砾，整体为砾质及砂质支撑，多为块状构造。底部为富砾碎屑流及洪流沉积，向上逐渐变为颗粒流，顶部过渡为稳定牵引流沉积，可见明显的槽状交错层理。自下而上分别发育多级颗粒支撑砾岩相Gcm、叠瓦状砾岩相Gi、槽状交错层理砂岩相St。

2.2.3 FA-3(Gcm-Gg)

此种岩相组合类型为扇根内侧的主辫流水道沉积，岩性以中、粗砾石为主，主要为砾质与砂质支撑，多为块状构造，扇根存在间歇性洪水水流作用，发育以碎屑流向洪流过渡的沉积，物性较差，沉积速率快，分选、磨圆较差。在组合类型FA-1的基础上叠置层理砾岩相。自下而上分别发育多级颗粒支撑砾岩相Gcm、粒级层理砾岩相Gg。

图3 元子沟冲积扇岩相组合序列Fig.3 Lithofacies assemblage sequence of Yuanzigou alluvial fan

2.2.4 FA-4(Gms-Gcm-Gi)

此种岩相组合序列多发育于扇中的分支辫流水道及辫流坝，岩性多以中、粗砾石为主，粒径大小混杂，砾质支撑，多见直立砾石，分选、磨圆较差，多为块状构造，偶尔可见平行层理。由底部的富砂碎屑流沉积向洪流过渡。自下而上分别发育砂质基质支撑砾岩相Gms、多级颗粒支撑砾岩相Gcm、叠瓦状砾岩相Gi。

2.2.5 FA-5(Gcm-Gms)

此种岩相组合序列发育于扇中的分支辫流水道，岩性多以中、细砾石为主，底部可见粗粒，粒径分布范围相对集中，砾质、砂质支撑，多正粒序，分选、磨圆极差，多为块状构造。底部富砾碎屑流沉积向上过渡为富砂洪流沉积，砾石排列杂乱。反映水体能量逐渐变小，泥质含量较低，颗粒之间多被中粗砂充填，物性相对较好。自下而上分别发育多级颗粒支撑砾岩相Gcm、砂质基质支撑砾岩相Gms。

2.2.6 FA-6(Gms-Gi-Gt)

此种岩相组合序列多发育于扇中的分支辫流水道沉积和漫洪沉积，岩性以中、细砾石为主，可见砂质充填，偶见较大的直立砾石，砾石的定向排列现象明显，分选、磨圆较差，可见槽状交错层理，底部为砂质支撑砾岩相。向上过渡为叠瓦状砾岩相和槽状交错层理砾岩相，流体性质由洪流逐渐过渡为牵引流，在水流淘洗作用下，颗粒之间相互支撑或被砂质细粒、中粗砂充填，物性相对较好。自下而上分别发育砂质基质支撑砾岩相Gms、叠瓦状砾岩相Gi、槽状交错层理砾岩相Gt。

扇根主要为砾、砂、泥混杂的泥石流沉积(FA-1)，同时伴有主河道沉积。岩石类型以混杂砾岩为主，分选、磨圆极差(FA-2)，沉积物粒度较粗，砾石占比较大，颜色以灰褐色为主，岩石成分以片麻岩、辉绿岩、火山碎屑岩及玄武岩为主，层理不发育，多呈块状或不明显的递变层理(FA-3)。

扇中位于冲积扇中部，露头剖面位于扇根剖面下游方向。扇中以砾石层与砂层的不等厚互层为特征，主要为分支辫流水道沉积、辫流坝沉积、漫洪沉积，同时伴有冲沟。地貌坡度明显变缓，沉积物粒度较扇根的明显变小(FA-4)，分选、磨圆略有改善，仍然较差，呈次棱角状和少量浑圆状，砂质成分明显变多(FA-5)。砾石的成层性较好，在同一层中紧密排列，主要呈叠瓦状排列(FA-6)，最大倾角方向为水流上游方向，可见较明显的平行层理和交错层理。

3 构型单元类型

通过野外露头剖面精细刻画，对元子沟冲积扇内部构型单元进行识别，将构型单元根据沉积微相划分进行归类[24]。研究区构型单元特征见表1。其中扇根识别主辫流水道、泥石流沉积及片洪沉积3种构型单元；扇中识别分支辫流水道、辫流坝、漫洪沉积及冲沟4种构型单元(见图4)。

表1 元子沟冲积扇构型单元特征

3.1 水道

水道是最常见的构型单元之一，在剖面形态上，通常呈顶平底凹不对称透镜状(见表1)。根据研究区水道发育位置及水动力强弱，将水道分为主辫流水道和分支辫流水道。主辫流水道靠近扇体根部，以碎屑流作用为主，内部发育岩相以Gcm、Gmg为主，垂向序列以FA-1为主。分支辫流水道发育于扇体中部，由主辫流水道演化而来，以洪流及牵引流作用为主，内部发育岩相以Gms、Gcm为主，对应发育岩相序列为FA-2和FA-5。野外剖面测量结果表明，主辫流水道构型单元的厚度介于0.5～1.0 m，宽度介于10.0～15.0 m，宽厚比为10.0～30.0。分支辫流水道构型单元厚度介于0.3～0.7 m，宽度介于8.0～10.0 m，宽厚比为11.4～33.3。

3.2 泥石流沉积

泥石流沉积常见于扇根，通常呈块状，岩性泥质含量高，以中粗砾岩为主，内部常发育岩相Gmm、Gmg，分选、磨圆较差。垂向序列对应岩相序列FA-1。泥石流沉积构型单元厚度介于0.5～1.0 m，宽度介于5.0～8.0 m，宽厚比为5.0～16.0(见表1)。

3.3 片洪沉积

片洪沉积主要发育于扇根，是洪水顺水流方向冲出的扇面沉积，主要发育于早期[25]，平面上呈发散片状(见表1)。垂向序列对应岩相序列FA-3。以含中细砾岩、粗砂岩为主，分选差，磨圆差至中等，杂基含量高，随沉积物卸载，顶部发育小型辫流水道，沉积平行层理中粗砂。野外剖面实测结果表明，片洪沉积构型单元厚度介于0.5～0.7 m，宽度介于8.0～10.0 m，宽厚比为11.4～20.0。

图4 元子沟冲积扇内部构型单元识别Fig.4 Identification of internal configuration units in Yuanzigou alluvial fan

3.4 漫洪沉积

漫洪沉积常见于扇中，通常呈薄饼状。以含细砾岩、中粗砂岩为主，内部常发育岩相Gt、Gp。垂向序列对应岩相序列FA-6。野外剖面实测结果表明，漫洪沉积构型单元厚度介于0.3～0.5 m，宽度介于15.0～20.0 m，宽厚比为30.0～66.7(见表1)。

3.5 辫流坝

辫流坝是较为常见的构型单元，通常分布于扇中，在剖面上通常呈底平顶凸的透镜状(见表1)。垂向序列对应岩相序列FA-4。由于搬运距离较近，粒度整体偏粗，杂基含量偏高，沉积物分选、磨圆较差。野外剖面实测结果表明，辫流坝构型单元厚度介于0.5～0.7 m，宽度介于5.0～8.0 m，宽厚比为7.1～16.0。辫流坝在垂向上呈明显的反粒序，与水道厚度相近但宽厚比小于水道的。

3.6 冲沟

冲沟位于扇中较高处，下切作用较为频繁，常见于辫流坝顶部[26]，在剖面上呈底凹顶平不对称透镜状(见表1)，整体粒度相对较细，以中、细砾岩为主，内部发育岩相以Gt、Gms为主。垂向序列对应岩相序列为FA-6。冲沟构型单元厚度介于0.1～0.3 m，宽度介于1.0～2.0 m，宽厚比为3.3～20.0。

4 构型单元分布规律

4.1 叠置方式

根据构型界面限定的沉积单元，构型单元叠置方式具有不同的规模。在构型单元识别基础上，对元子沟冲积扇同一时期的构型单元叠置方式进行识别，识别4种构型单元叠置方式。第一类为同层位不同期砂砾岩体叠置方式：垂向叠置、侧向叠置；第二类为同期不同层位砂砾岩体叠置方式：侧向分隔、侧向拼接(见表2)。

表2 元子沟冲积扇构型单元叠置方式

元子沟冲积扇为典型陡岸冲积扇，发育较多间歇性洪水[27]，野外露头观察和成因砂砾岩体对比表明，元子沟冲积扇扇根主要以物源充足型前积为主，扇中以物源中等型前积为主。

在剖面上，扇根反映主辫流水道在泥石流沉积及片洪沉积中发育。在垂向上表现为多期主辫流水道的叠置(见图5A)，中间夹杂少量细粒沉积。由于不同时期物源供给及水动力条件不同，垂向上主辫流水道的规模有所不同，以至于扇根不发育坝体。

在剖面上，扇中表现为水道与砂坝的相互转换，其主要成因为不同期次叠加产生的水道对坝体的分割作用。在垂向上表现为分支辫流水道与辫流坝的侧向叠置(见图5C)与侧向拼接(见图5B)。侧向叠置砂体形成于同一层位不同期次，后期形成的砂体部分叠置于前期；侧向拼接砂体是在同一期次内被细粒沉积分割而形成的；扇中外侧可见侧向拼接的接触方式，但较为少见，主要表现为砂坝与水道的侧向接触，为同一期次沉积时水体流速降低，携带沉积物能力下降，逐渐产生沉积分异作用[28]，先滞留的沉积物较为连续，导致后期形成的砂体在侧向上接触。侧向分隔(见图5D)是同一时期形成的两期河道在平面上彼此不接触，河道间为富泥质沉积物，扇中边缘部位沉积物供给相对较差，水动力不足，辫状水道摆动频率相对较低。

不同的叠置方式指示不同的沉积物供给强度和水动力条件变化，扇根以多期厚层块状堆积的砂砾岩体为主。由于扇根洪水水体能量较大，携带沉积物粒度较粗，水道下切作用强，导致水道深度较深，下一期次的沉积物受到上一期次河道形态的限制，水道物源供给较为稳定，从而形成垂向叠置方式。

自扇根到扇中，进积趋势变缓，水动力下降，物源供给逐渐减弱但保持相对较高的沉积速率，形成的砂体具有较大的厚度。由于水动力条件及物源供给变弱，扇中辫状水道频繁冲刷、摆动、改道，形成以带状相互交织的砂砾岩体，砂体出现侧向分隔、侧向叠置和侧向拼接的叠置方式，在扇中出现的频率较高。

由于水动力及物源供给持续减弱，扇端水道规模小，限制水道摆动的因素少，扇端多以窄带状分支辫流水道和漫洪砂体沉积，扇中部位形成的砂体平面展布范围较大，且泥质含量相对较少，物性较好并具有一定厚度，是冲积扇形成储层最有利的部位[29]，可以成为油气勘探重点。

图5 元子沟冲积扇构型平面分布Fig.5 Plane distribution of Yuanzigou alluvial fan configuration

4.2 平面展布

传统意义上的冲击扇是在山地河流或间歇性洪流出口处形成的扇状沉积体[30]，岱海元子沟冲积扇在宏观形态上近似符合传统冲积扇的形态特征，由山口向河流下游方向呈放射状散开，平面形态为锥形或扇状[31]，并且存在流体性质转化的过程，从扇根到扇端流体性质逐渐自碎屑流过渡为洪流，为牵引流转化特征[3]。根据元子沟冲积扇识别7种构型单元，总结平面分布规律(见图5)并分析成因。

扇根发育以主辫流水道、泥石流沉积及片洪沉积体为主的构型单元，表现为碎屑流沉积特点。粒度自下向上中—粗砾含量逐渐降低，细砾—粗砂含量逐渐增加，整体表现为粒度减小特征。发育的垂向序列FA-1、FA-2、FA-3，表现为主辫流水道搬运的粗粒沉积物与间歇性水流导致的泥石流沉积，以及漫洪沉积携带的细粒沉积混合形成高密度的混合物，导致流体黏度较大，形成块状内部沉积及分异相对较差，平面上表现为主辫流水道在扇根摆动较小，水道宽度相对变宽。

扇中发育以分支辫流水道、辫流坝、漫洪沉积及冲沟为主的构型单元。根据垂向序列FA-4、FA-5及构型分布规律，分支辫流水道是水动力相对变弱，沉积物被搬运的速度相对降低，粗粒物质受垂向分异作用影响先行沉积，对主辫流水道进行分割而形成的。漫洪沉积是间歇性降水或洪水导致河道中的水流量超过自身的承载能力并漫溢而形成的，与冲沟的形成密切相关，当漫洪沉积形成的漫溢沉积对辫流坝产生侵蚀时，随水流的不断下切，在辫流坝的顶部形成冲沟。辫流坝(见图5C)是早期滞留的粗粒沉积，在对主辫流河道分流的过程中不断沉积形成的，与垂向序列FA-6具有较好的对应。

5 结论

(1)内蒙古岱海元子沟冲积扇发育10种典型的岩相类型、6种垂向序列，其中岩相类型分别为砂质基质支撑砾岩相Gms、泥质基质支撑砾岩相Gmm、同级颗粒支撑砾岩相Gcs、多级颗粒支撑砾岩相Gcm、粒级层理砾岩相Gg、叠瓦状砾岩相Gi、槽状交错层理砾岩相Gt、板状交错层理砾岩相Gp、槽状交错层理砂岩相St、块状层理泥岩相Mm。其中扇根发育FA-1(Gcm-Gmm)、FA-2(Gcm-Gi-St)、FA-3(Gcm-Gg)岩相序列，扇中发育FA-4(Gms-Gcm-Gi)、FA-5(Gcm-Gms)、FA-6(Gms-Gi-Gt)岩相序列，反映扇根以碎屑流为主、扇中以牵引流为主的流体类型。

(2)元子沟点物源冲积扇发育4种构型单元叠置方式，分别为垂向叠置、侧向叠置、侧向分隔、侧向拼接。扇根发育以垂向叠置为主的构型叠置方式，扇中发育以侧向叠置、侧向分隔、侧向拼接为主的构型叠置方式。

(3)扇根发育主辫流水道、泥石流沉积、片洪沉积3种构型单元，以主辫流水道发育为主体，多以垂向叠置方式沉积；扇中发育分支辫流水道、辫流坝、漫洪沉积、冲沟4种构型单元，以分支辫流水道与辫流坝为主体，多以侧向叠置、侧向分隔、侧向拼接的方式沉积。