魏思源 劉忠保 吳勝和 王璽童

1 長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430100 2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249 3 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249

1 概述

沖積扇是一種盆地邊緣常見(jiàn)的碎屑沉積類型，同時(shí)也是重要的油氣儲(chǔ)集層沉積類型之一，其沉積體形態(tài)呈一個(gè)頂端指向山口并向平原伸展的錐形(Drew，1873;吳勝和等，2016)。近40年來(lái)，在沖積扇分布的控制作用、內(nèi)部構(gòu)型及儲(chǔ)集層特征研究等方面取得了很大的進(jìn)展，總結(jié)了碎屑流主控、碎屑流與河流主控、河流主控的沖積扇沉積構(gòu)型模式(Nilsenetal.，1982;Stanistreet and McCarthy，1993;Blair and Mcpherson，1998;吳勝和等，2012;喻宸等，2016)，并分析了沖積扇受控于斷層活動(dòng)、物源巖性條件及不同級(jí)次基準(zhǔn)面旋回的作用機(jī)理(Fernandezetal.，1993;朱筱敏，2008;Watersetal.，2010;吳勝和等，2016)。發(fā)育于盆地邊緣的同生正斷層既是油氣向沖積扇粗碎屑巖運(yùn)移的主要通道，又起著阻止油氣逸散的作用，同時(shí)直接控制盆地邊緣可容空間的分布(林暢松等，2000;任建業(yè)等，2004;雷振宇等，2005;馮有良，2006;馮有良和徐秀生，2006；孟祥超等，2009；Fengetal.，2013)，影響了沖積扇沉積過(guò)程與沉積特征。受地貌特征及斷層活動(dòng)強(qiáng)度差異影響，不同區(qū)域扇體幾何形態(tài)及規(guī)模存在較大差異(Ezquerroetal.，2019)。前人利用物理模擬實(shí)驗(yàn)研究了逆斷層正牽引構(gòu)造控制下沖積扇沉積過(guò)程(馮文杰等，2017a)及擠壓性、拉張性、走滑性盆地背景下斷層活動(dòng)與扇體的耦合關(guān)系(Fabienetal.，2015)，提出了不同背景下沖積扇發(fā)育樣式及其特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)構(gòu)造活動(dòng)產(chǎn)生的可容空間分布差異對(duì)沉積砂體的分散和充填控制明顯，同時(shí)這一控制作用也顯著地在沖積扇沉積物中體現(xiàn)出來(lái)(Francescoetal.，2018)。

國(guó)內(nèi)對(duì)沖積扇的研究主要集中在西部地區(qū)，如準(zhǔn)噶爾盆地逆斷層控制下的粗粒沖積扇(陳歡慶等，2014a，2014b，2015；馮文杰等，2015，2017b;印森林等，2016a，2016b，2017)；國(guó)外學(xué)者對(duì)沖積扇的研究主要利用地球化學(xué)及災(zāi)害地質(zhì)研究方法，針對(duì)構(gòu)造作用對(duì)沖積扇形態(tài)的影響及古氣候特征進(jìn)行分析(Giles，2010;Dani?letal.，2017；Francescoetal.，2018)，而中國(guó)東部渤海灣盆地、澳大利亞塞杜納盆地等拉張盆地邊緣正斷層控制的沖積扇儲(chǔ)集層的研究較少。為了認(rèn)識(shí)正斷層構(gòu)造控制下沖積扇沉積過(guò)程，探討發(fā)育在不同正斷層背景下沖積扇沉積特征差異，為油氣儲(chǔ)集層研究提供斷層控制沖積扇沉積體的技術(shù)支撐，利用水槽模擬實(shí)驗(yàn)有針對(duì)性地對(duì)正斷層構(gòu)造控制下的沖積扇沉積過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，其結(jié)果具有理論探討價(jià)值與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與數(shù)據(jù)采集方法

本次研究于中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司油氣儲(chǔ)層長(zhǎng)江大學(xué)沉積模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。根據(jù)Fabien等(2015)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程及Clarke(2015)的沖積扇模擬實(shí)驗(yàn)成果，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件，設(shè)置了由泥沙攪拌機(jī)、模擬山口、模擬斷層、攝錄裝置、沖積扇沉積區(qū)、測(cè)量裝置6部分組成的沉積模擬裝置(圖 1)。泥沙攪拌機(jī)負(fù)責(zé)碎屑物質(zhì)攪拌及控制釋放速度，并通過(guò)模擬山口將沉積物輸送到沉積區(qū)，模擬山口下端與沉積區(qū)頂部水平連接。沉積區(qū)分為上盤(pán)、下盤(pán)2個(gè)部分，總規(guī)模200cm×200cm，模擬斷層位于沉積區(qū)正中，橫跨整個(gè)沉積區(qū)。為了準(zhǔn)確觀測(cè)沖積扇沉積過(guò)程及其沉積特征，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中全程錄像、拍照，并在每輪放水過(guò)程結(jié)束后檢測(cè)扇體三維形態(tài)坐標(biāo)，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)實(shí)驗(yàn)扇體進(jìn)行切片，拍攝切片所得剖面全景照片。

①—泥沙攪拌機(jī)；②—模擬山口；③—模擬斷層；④—沖積扇沉積區(qū)；⑤—測(cè)量裝置；⑥—攝錄裝置

A—放水14.0imin瞬間,碎屑流；b—放水22.0imin瞬間,牽引流

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

為了更好地探究正斷層構(gòu)造對(duì)沖積扇的影響，依據(jù)前人對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地西北緣三疊系克下組沖積扇(陳歡慶等，2014a，2014b，2015;馮文杰等，2015，2017b;印森林等，2016a，2016b，2017;石若峰等，2017)及現(xiàn)代白楊河沖積扇(劉大衛(wèi)等，2018;靳軍等，2019)沉積背景與沉積特征研究基礎(chǔ)，利用模擬實(shí)驗(yàn)還原單一物源供給、碎屑流主控—河流改造的沖積扇沉積過(guò)程。本次研究共先后完成4組實(shí)驗(yàn)，為了與預(yù)計(jì)實(shí)驗(yàn)砂體厚度10icm呈定量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室條件，參照ACS泥石流跳動(dòng)系數(shù)(Adametal.，2008)，設(shè)置其中3組實(shí)驗(yàn)的正斷層斷距大小分別為3icm，6icm，8icm，同時(shí)設(shè)置無(wú)斷層對(duì)照實(shí)驗(yàn)1組。

每組實(shí)驗(yàn)由4個(gè)放水期次組成(表 1)，每個(gè)期次發(fā)生1～2次主要的高流態(tài)洪水事件和多次低流態(tài)牽引流沉積事件。為模擬現(xiàn)實(shí)沖積扇的沉積物，使沉積物分異更明顯，選擇粗沙(含礫)、中細(xì)沙(河沙)、泥伴水，比例 2︰3︰1，分別模擬現(xiàn)實(shí)中礫石相—細(xì)礫巖相沉積顆粒、粗砂巖—泥質(zhì)砂巖相沉積顆粒、泥巖相沉積顆粒。根據(jù)實(shí)驗(yàn)規(guī)模及實(shí)驗(yàn)材料的沉積速率，每一期放水設(shè)定為9imin，其中碎屑流放水時(shí)間與牽引流放水時(shí)間之比約為 2︰1(表 1)。每期放水間隔期間測(cè)量扇體的厚度及扇體展布范圍。4期放水結(jié)束后，按25cm×25cm的規(guī)格對(duì)實(shí)驗(yàn)扇體切片分析。

3 正斷層控制下沖積扇沉積過(guò)程與特殊成因單元

3.1 沖積扇沉積過(guò)程及沉積特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一般沖積扇(Run 4)發(fā)育過(guò)程中，扇體規(guī)模受物源供給的碎屑物質(zhì)多少的影響，呈現(xiàn)出以模擬山口為軸心、輻射狀發(fā)育的較規(guī)則扇形，扇體表面徑流在扇體表面有規(guī)則擺動(dòng)，自山口至扇緣砂體連貫。在不受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響的實(shí)驗(yàn)條件下，碎屑流作用期間形成1條較寬的主水道，其他位置發(fā)生漫溢(圖 2-a)；在牽引流作用期間扇體表面發(fā)育多條徑流水道，使沉積物分布更加均勻(圖 2-b)。在上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，2個(gè)時(shí)期水道擺動(dòng)均較頻繁，在實(shí)驗(yàn)期間發(fā)育的所有水道均在扇體表面發(fā)生遷移，遷移范圍波及整個(gè)扇體表面，水道及沉積物泄載位置主要受扇體自身的砂體厚度差異及初始底形影響。

A—第Ⅰ期放水0.2imin瞬間；b—第Ⅱ期放水3.0imin瞬間；c—第Ⅲ期放水2.0imin瞬間；d—第Ⅳ期放水1.0imin瞬間；e—Run 2扇體縱剖面

而正斷層影響下沖積扇沉積過(guò)程差異較大，具體可分為3個(gè)階段，以Run 2(圖 3)為例。沖積扇發(fā)育第1階段： 斷層處上、下盤(pán)存在高度差，上盤(pán)可容空間大，沉積物自模擬山口流出后在下盤(pán)沉積過(guò)路，并于上盤(pán)斷層附近快速泄載堆積(圖 3-a)，流經(jīng)斷層的沉積物受斷層影響再次分選，粗沙、礫石等粗顆粒在斷坡上堆積成一套近三角形的沙礫壩(即分水灘)，壩體沿?cái)嗥虏粩嗯噬?，主水流攜碎屑物質(zhì)流經(jīng)分水灘位置受阻后分流，并攜較細(xì)碎屑顆粒沿?cái)嗝嬖诜炙疄﹥蓚?cè)沉積，上盤(pán)扇體橫向展寬(圖 3-b)；沖積扇發(fā)育第2階段： 斷層處分水灘沉積厚度與斷距相當(dāng)，上盤(pán)扇體高度與下盤(pán)基準(zhǔn)面相近，水道攜碎屑物質(zhì)在上盤(pán)發(fā)育的大傾角扇面上越過(guò)分水灘加速向扇緣推進(jìn)，扇體縱向延伸(圖 3-c)，下盤(pán)水道分汊并頻繁擺動(dòng)，水道溢岸形成側(cè)積砂體并發(fā)育斜列沙壩，沙壩表面出現(xiàn)大面積的漫溢和串溝現(xiàn)象，分水灘尖端沿?cái)嗥履嫦虬l(fā)育，致上、下盤(pán)砂體逐漸連片(圖 3-e)；沖積扇發(fā)育第3階段： 斷層位置上、下盤(pán)砂體連貫發(fā)育，分水灘消失(圖 3-d)，沖積扇受斷層影響逐漸減小，下盤(pán)扇體表面分支水道數(shù)量增多，沙壩橫向發(fā)育，因上盤(pán)扇體坡度較大，隨碎屑物質(zhì)不斷供給，上盤(pán)扇體縱向發(fā)育明顯，整體形態(tài)及沉積現(xiàn)象趨向一般沖積扇。在每期放水過(guò)程中，碎屑流作用期間易形成1條順物源的主水道，使沖積扇縱向發(fā)育；而在牽引流作用期間沉積物在下盤(pán)沉積或在斷層處侵蝕分水灘并沿?cái)嗝娣至?，使沖積扇橫向發(fā)育。

3.2 特殊成因單元

受上下盤(pán)高差影響，沖積扇沉積過(guò)程與扇體形態(tài)同一般沖積扇有較大差異。經(jīng)實(shí)驗(yàn)沖積扇砂體解剖研究，首次提出正斷層控制下沖積扇具有3種特殊成因單元： 分水灘(圖 4-a)、斷面朵體(圖 4-b)及越灘朵體(圖 4-c)。

圖 4 正斷層控制下沖積扇沉積模式及特殊成因單元Fig.4 Model and special genetic unit of alluvial fans under normal fault control

A—第Ⅰ期放水0.5imin上盤(pán)瞬間；b—第Ⅰ期放水3.0imin上盤(pán)瞬間；c—第Ⅱ期放水1.0imin上盤(pán)瞬間；d—第Ⅱ期放水5.0imin上盤(pán)瞬間

3.2.1 分水灘成因單元

分水灘是碎屑流沖出模擬山口并經(jīng)下盤(pán)過(guò)路后，受上下盤(pán)高差影響，在上盤(pán)斷層處受阻，造成流速降低，繼而大量碎屑物質(zhì)快速泄載堆砌而成的一套粗顆粒堆積體。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程觀察發(fā)現(xiàn)，碎屑流在下盤(pán)沉積區(qū)受底形阻力小，只有少量沉積物在下盤(pán)及斷層面保留下來(lái)，一旦下盤(pán)流體接觸到斷坡，便沿?cái)嗥录铀偾斑M(jìn)，直到在上盤(pán)近斷層處發(fā)生突發(fā)性受阻，造成流速驟減，并快速堆積(圖 5-a)，發(fā)育一定規(guī)模的堆積體對(duì)后來(lái)的水流具有阻礙分流作用，進(jìn)一步加快了堆積體沿?cái)鄬用娴臋M向生長(zhǎng)。同時(shí)受牽引流及下盤(pán)分支水道等低能態(tài)水道對(duì)堆積體的改造作用影響，使得沙礫堆積體整體形態(tài)近似呈尖端指向物源的三角形，隨著沉積物的不斷供給，向物源方向逆斷坡生長(zhǎng)。在此過(guò)程中，分水灘位置遭受侵蝕作用明顯，中—細(xì)沙很難保留下來(lái)，使得此處沉積物粒度持續(xù)增長(zhǎng)，砂體形態(tài)也愈加穩(wěn)定。

沉積結(jié)果表明，在沖積扇發(fā)育的3個(gè)不同階段，分水灘成因單元表現(xiàn)出不同的沉積及形態(tài)特征，以Run 2為例。沖積扇發(fā)育第1階段(圖 5-b)，分水灘是斷層上盤(pán)扇體的主要沉積單元，碎屑流中粗沙、礫主要集中在分水灘尖端及兩側(cè)，分水灘尖端夾角(β)在110°±20°之間，此時(shí)分水灘沉積作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于侵蝕作用，分水灘兩側(cè)出現(xiàn)新的可容空間，低能態(tài)流體遇分水灘尖端分流后，攜沉積物沿?cái)嗝鏅M向發(fā)育，形成斷面朵體，使上盤(pán)扇體橫向展寬；沖積扇發(fā)育第2階段(圖 5-c)，因分水灘及斷面朵體的垂向生長(zhǎng)，上盤(pán)扇體軸部扇緣處成為新的可容空間，分水灘尖端夾角(β)在90°±10°之間，此時(shí)，分水灘的垂向疊置減小了斷層處上、下盤(pán)之間的高差，下盤(pán)攜沉積物的水道在斷層處所受阻力減小，主水流流經(jīng)分水灘表面，侵蝕分水灘后在扇緣處形成新的越灘朵體，上盤(pán)扇體縱向發(fā)育，且分水灘位置、形態(tài)不穩(wěn)定，此時(shí)分水灘受侵蝕作用大于沉積作用；沖積扇發(fā)育第3階段(圖 5-d)，分水灘位置由斷層附近遷移至斷層下盤(pán)，分水灘尖端夾角(β)在50°±10°之間，受水道匯聚及侵蝕作用影響，分水灘夾角和規(guī)模逐漸減小直至消失。

分水灘實(shí)質(zhì)上是由碎屑流受阻后快速泄載形成的，與一般沖積扇扇中辮流砂島不同的是，分水灘是發(fā)育在斷層的低部位，并沿?cái)鄬幼畹忘c(diǎn)和最高點(diǎn)連線逆向發(fā)育成一套粗粒砂體，它的存在使得水道在扇體表面的遷移規(guī)模受限，是扇體發(fā)育的形態(tài)及規(guī)模與一般沖積扇發(fā)生差異的主要因素。因此，其沉積物分選也與一般沖積扇存在較大的差異，主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：其一，粗粒碎屑物(尤其是礫、粗沙)比例更大，而較細(xì)粒的沉積物比例較小(圖 6)；其二，沉積構(gòu)造以塊狀為主，碎屑顆粒分選差異性大。同時(shí)分水灘的規(guī)模和砂體厚度也是斷層歷史發(fā)育過(guò)程的直接反饋。

圖 6 正斷層控制下沖積扇不同部位沉積物粒度分布對(duì)比Fig.6 Comparison of sediment grain size distribution in different parts of alluvial fan under normal fault control

圖 7 斷面朵體示意圖Fig.7 Schematic diagram of fault plane-dominated lobe

3.2.2 斷面朵體

斷面朵體是在分水灘具備一定規(guī)模后，因主水道在分水灘尖端受阻分流后沿著分水灘與斷面所成溝道橫向延伸，沉積物在分水灘兩側(cè)泄載而形成的一種碎屑流朵體(圖 7)。

沉積結(jié)果表明，斷面朵體主要發(fā)育在沖積扇的第1沉積階段及第2沉積階段，并在不同階段表現(xiàn)出不同的沉積及形態(tài)特征。沖積扇發(fā)育第1階段，分水灘形態(tài)穩(wěn)定且尖端夾角大，流經(jīng)下盤(pán)的碎屑流受到分水灘的阻擋而發(fā)生分流和偏轉(zhuǎn)，流向分別為180°±60°方向，并在分水灘兩側(cè)發(fā)生沉積，形成多個(gè)期次的碎屑流朵體，使上盤(pán)扇體橫向展寬(圖 8-a)。由于多數(shù)粗碎屑在分水灘尖端受阻后沉積下來(lái)，斷面朵體整體砂體粒度由分水灘尖端向朵體前緣逐漸變小，前緣處偶見(jiàn)洪水期滑塌沉積的少量粗粒。

沖積扇發(fā)育第2階段，由于分水灘的垂向生長(zhǎng)，分水灘厚度與斷距相近(圖 5-c)。水動(dòng)力較強(qiáng)時(shí)，碎屑流在斷層處所受阻力大大減小，易越過(guò)分水灘縱向發(fā)育，斷面朵體不發(fā)育(圖 8-b)；水動(dòng)力較弱時(shí)，分水灘因被侵蝕，其尖端夾角逐漸減小，水流偏轉(zhuǎn)后的流向逐漸偏轉(zhuǎn)為180°±45°方向(圖 8-c)。此時(shí)斷面朵體發(fā)育位置受斷面影響減小，其發(fā)育位置主要受控于原有斷面朵體疊置所形成的間隙溝道。

與一般沖積扇碎屑流朵體不同，因斷面朵體與分水灘屬于伴生關(guān)系，除扇面水道位置影響外，分水灘的位置、形態(tài)直接影響了斷面朵體的發(fā)育位置及砂體粒度，同時(shí)斷層的存在限制了斷面朵體的規(guī)模，其與扇體相接位置所形成的溝道，向斷面朵體提供了橫向發(fā)育的有利通道，因此扇體橫向延伸規(guī)模遠(yuǎn)超一般沖積扇。在3種特殊成因單元中斷面朵體水動(dòng)力條件最弱，粒度最小(圖 6)，分選最好。

A—第1階段初期，分水灘及橫向發(fā)育的斷面朵體；b—第2階段中期，分水灘、斷面朵體及剛開(kāi)始發(fā)育的越灘朵體；c—第2階段末期，分水灘被侵蝕，斷面朵體疊置發(fā)育；d—第2階段初期，越灘朵體在分水灘尾部發(fā)育；e—第3階段，越灘朵體大規(guī)模發(fā)育

3.2.3 越灘朵體

越灘朵體是碎屑流流經(jīng)分水灘位置后在分水灘尾部沉積的一種碎屑流朵體。其受控于因分水灘發(fā)育及水流的流向偏轉(zhuǎn)造成的可容空間的差異分布，水道侵蝕分水灘并在分水灘尾部發(fā)生沉積。

沉積結(jié)果表明，越灘朵體主要發(fā)育在沖積扇的第2沉積階段及第3沉積階段，并在不同階段表現(xiàn)出相似的沉積及形態(tài)特征。沖積扇發(fā)育第2階段，由于前一階段碎屑物質(zhì)主要在上盤(pán)近斷層處發(fā)育分水灘及斷面朵體，分水灘尾部形成新的可容空間(圖 5-c)。碎屑流除少量在下盤(pán)分流發(fā)育斜列沙壩外，大部分高流態(tài)流體突破并侵蝕分水灘后攜帶大量粗顆粒，在扇緣位置快速沉積下來(lái)，此時(shí)水道形態(tài)主要表現(xiàn)為1條順物源方向的主水道(圖 3-d)，少見(jiàn)分流，水道擺動(dòng)幅度小，主要集中在扇體中軸線附近，使得扇體縱向延伸迅速(圖 8-d)。低流態(tài)流體在下盤(pán)侵蝕少量的碎屑顆粒后沉積在原有分水灘被侵蝕位置，并在越灘朵體表面發(fā)生漫溢。沖積扇發(fā)育第3階段，此時(shí)上、下盤(pán)砂體發(fā)育連片，由于上下盤(pán)高差的存在，形成的扇體表面坡度大，碎屑流出模擬山口受重力作用在扇體表面加速，并沿扇體中軸線縱向延伸，發(fā)育大規(guī)模越灘朵體疊覆體，扇體縱向生長(zhǎng)迅速(圖 8-e)。隨著碎屑物質(zhì)的不斷供給，越灘朵體疊覆體面積增大，水道擺動(dòng)頻繁，扇體坡度趨于一般沖積扇，越灘朵體逐漸被后期碎屑流朵體覆蓋。

表 2 不同斷距下扇體展布及砂體數(shù)據(jù)Table 2 Data of lower fan body distribution and sandbody with different fault throw

圖 9 越灘朵體示意圖Fig.9 Schematic diagram of over-bar lobe

越灘朵體不直接受斷層影響，而是受控于上盤(pán)可容空間的分布，每一期次越灘朵體前緣與底形的夾角α(圖 3-e)由斷坡向扇緣逐漸減小，每期朵體的平面展布逐漸變大。與一般沖積扇碎屑流朵體不同，越灘朵體發(fā)育在扇體軸線兩側(cè)，控制著扇體的縱向延伸規(guī)模，同時(shí)由于扇體坡度大、分水灘砂體粒度大，朵體前緣存在大量粗顆粒，整體粒度大于斷面朵體(圖 9)。

圖 10 不同斷距下扇體展布示意圖Fig.10 Schematic diagram of fan body distribution with different fault throw

4 不同斷距正斷層對(duì)沖積扇控制作用差異

斷距大小對(duì)沖積扇沉積過(guò)程的控制作用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面： 首先，斷距大小決定了上下盤(pán)間的高度差，改變上盤(pán)可容空間的大小，進(jìn)而影響了沖積扇3個(gè)沉積階段的相對(duì)沉積時(shí)長(zhǎng)，在相同時(shí)間或相同沉積物總量的情況下，扇體展布規(guī)模及上下盤(pán)砂體連通性產(chǎn)生了較大差異；其次，不同斷距正斷層影響下，分水灘的沉積樣式發(fā)生改變，影響了朵體的發(fā)育期次和分支水道數(shù)量，進(jìn)而決定了碎屑顆粒的分布規(guī)律。

4.1 斷距對(duì)沖積扇沉積過(guò)程及形態(tài)控制

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斷層對(duì)沖積扇發(fā)育的3個(gè)階段均產(chǎn)生影響，且表現(xiàn)形式具有差異性(圖 10，表 2)。在第1階段，斷層的斷距越小，該階段的沉積耗時(shí)越短，分水灘形態(tài)變換越快，進(jìn)而影響水道分流、改道愈加頻繁，所得到的扇體規(guī)模更大，砂體更?。辉诘?階段，斷層的斷距越小，上盤(pán)可容空間越小，扇體坡度更加平緩，進(jìn)而造成在該階段的徑流水道分支和改道頻繁，發(fā)育更多的小型碎屑流朵體，使扇體形態(tài)快速地趨于飽和，所得到的扇體形態(tài)更容易保存下來(lái)；由于前2個(gè)階段上盤(pán)所發(fā)育的扇體因斷距不同，而產(chǎn)生的扇體表面坡度差異，直接影響后期扇體沉積過(guò)程；在第3階段，斷層的斷距越大，形成的扇體坡度越大，扇體表面水道發(fā)育越集中于扇體中軸處，且發(fā)育的單個(gè)水道規(guī)模更大，扇體縱向發(fā)育更快，扇體展布范圍更大。

實(shí)驗(yàn)最終的扇體展布及砂體厚度數(shù)據(jù)分析顯示(圖 10，表 2)，受斷距較大正斷層控制下的沖積扇，上盤(pán)的沉積范圍更大，下盤(pán)的沉積范圍更小，但整體規(guī)模更大。與一般沖積扇相比，斷層的發(fā)育使碎屑物質(zhì)更易分布在具有較大可容空間的上盤(pán)，其發(fā)育過(guò)程和發(fā)育規(guī)模具有明顯差異，斷層的斷距越大，這一差異越明顯。

4.2 斷距對(duì)沖積扇特殊成因單元控制

斷層對(duì)沖積扇發(fā)育過(guò)程和發(fā)育規(guī)模的影響，主要由其所特有的3種特殊成因單元的規(guī)模和樣式差異造成(表 2)。

實(shí)驗(yàn)表明，受斷距差異的影響，分水灘的疊置樣式及尖端夾角有明顯不同。分水灘垂向發(fā)育的最大厚度與斷距大小相近，所以，斷距越大，分水灘所能發(fā)育的規(guī)模和疊置期數(shù)越多(圖 11)，斷坡對(duì)水道加速的效果越強(qiáng)，分水灘形態(tài)也越難保留下來(lái)，碎屑顆粒排列更加雜亂。分水灘上部所發(fā)育同期次或不同期次的水道，伴隨著斷距的增大，水道數(shù)量越少，單個(gè)水道規(guī)模越大。

圖 11 不同斷距斷層處分水灘及水道疊置樣式(Y=100icm)Fig.11 Superimposed style of distributary gravel bar and channel with different fault throw(Y=100icm)

因不同斷距影響下的沉積過(guò)程及分水灘特征不同，斷面朵體和越灘朵體也存在差異。斷距越大，朵體的發(fā)育規(guī)模越廣，這也是造成扇體規(guī)模差異的主要原因。斷距越大，越灘朵體沉積物中來(lái)自分水灘所侵蝕碎屑的占比越大，扇緣處的粗顆粒越多，且每期朵體與底面的切角α更大(圖 12)。

圖 12 不同斷距斷層控制下單層砂體與地面夾角α變化曲線Fig.12 Variation curve of the angle α between monolayer sandbody and ground under control of different fault throw

5 同沉積斷層扇體發(fā)育模式

同沉積斷層發(fā)育過(guò)程中，受容納空間變化速率與沉積作用速率關(guān)系(A/S)的影響主要發(fā)育進(jìn)積型、退積型2種沖積扇沉積模式(圖 13)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中進(jìn)積型沖積扇主要經(jīng)歷第2階段和第3階段，扇體展布范圍延展迅速，主要發(fā)育越灘朵體；退積型沖積扇主要經(jīng)歷第1階段和第2階段，發(fā)育分水灘和斷面朵體，扇體垂向疊置明顯。盤(pán)底邊緣持續(xù)的構(gòu)造運(yùn)用為上盤(pán)不斷提供可容空間，分水灘的垂向疊置期次得到增加，在斷層處可發(fā)現(xiàn)大段礫石砂體，其中偶見(jiàn)洪水期切割留下的水道沉積砂體，同時(shí)斷層為扇體表面水道提供的流通通道，使得斷面朵體橫向延展迅速，增加了扇體橫向遷移的可能性，沖積扇向盆地中心位置延伸速度減緩。

圖 13 同沉積斷層扇體發(fā)育模式Fig.13 Development model of synsedimentary fault fan

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中牽引流與碎屑流所表現(xiàn)出的沖積扇形態(tài)差異，將沖積扇劃分為橫向發(fā)育和縱向發(fā)育2個(gè)過(guò)程。牽引流主控時(shí)，多發(fā)育斷面朵體，扇體橫向發(fā)育；碎屑流主控時(shí)，多發(fā)育越灘朵體，扇體縱向發(fā)育(圖 13)。同生斷層控制下，沖積扇整體實(shí)際上是多個(gè)沉積期次扇體垂向疊置的復(fù)合體，扇體的展布范圍受每個(gè)期次扇體最大邊界共同控制，在扇緣處，某處特定位置砂體的沉積年代，顯示了其所屬年代的水動(dòng)力條件。

6 正斷層控制下沖積扇沉積構(gòu)型模式

通過(guò)沖積扇水槽模擬實(shí)驗(yàn)，明確了正斷層構(gòu)造對(duì)沖積扇沉積過(guò)程、沉積特征及其內(nèi)部構(gòu)型的控制作用，建立了受正斷層構(gòu)造控制的沖積扇的沉積構(gòu)型模式(圖 14)。

圖 14 正斷層控制的沖積扇構(gòu)型模式Fig.14 Architecture model of alluvial fan controlled by normal fault

整體上，正斷層控制下的沖積扇可分為3個(gè)沉積發(fā)育階段： 第1階段沖積扇沉積主要集中上盤(pán)斷層附近，發(fā)育分水灘和斷面朵體；第2階段，上盤(pán)主要發(fā)育分水灘及受分水灘影響分異的斷面朵體及越灘朵體，下盤(pán)發(fā)育水道及斜列沙壩；第3階段，上下盤(pán)砂體發(fā)育連片，分水灘消失，越灘朵體疊覆體的樣式?jīng)Q定了扇體形態(tài)。

分水灘主要集中在上盤(pán)斷坡處，經(jīng)過(guò)多期次碎屑流沉積及牽引流侵蝕后可沿?cái)嗥麓瓜虔B置發(fā)育多期連通的分水灘復(fù)合體。斷距越大，其在上盤(pán)產(chǎn)生的可容空間越大，進(jìn)而分水灘發(fā)育時(shí)間越長(zhǎng)，沉積范圍和沉積厚度也越大。斷面朵體分布于上盤(pán)分水灘兩側(cè)，其主要受控于低流態(tài)流體，朵體個(gè)體小、厚度薄，側(cè)向整體表現(xiàn)為多期朵體交錯(cuò)疊置，斷距越大，斷面朵體沿?cái)嗝姘l(fā)育規(guī)模越大，致扇體橫向發(fā)育越明顯。越灘朵體分布于分水灘尾部，是扇體的主要組成單元，其主要受控于分水灘形態(tài)及位置，多期碎屑流發(fā)育的越灘朵體疊覆體組成了上盤(pán)扇體前緣，是沖積扇發(fā)育后期沉積特征趨向一般沖積扇主要因素。斷距越大，分水灘形態(tài)變化幅度越大，水道分支和擺動(dòng)頻率越高，斷面朵體與越灘朵體發(fā)育期次越多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)也更趨復(fù)雜。

實(shí)驗(yàn)解剖發(fā)現(xiàn)，正斷層控制下的沖積扇由下盤(pán)至上盤(pán)依次發(fā)育斜列沙壩—分水灘—碎屑流朵體(圖 14 中的Z-Z′)；切物源方向上不同位置剖面具有明顯不同的特征，下盤(pán)中部復(fù)合水道主控兩側(cè)發(fā)育大規(guī)模砂壩(圖 14中A-A′)；斷層處剖面上可見(jiàn)粗粒分水灘疊復(fù)合體，兩側(cè)發(fā)育細(xì)粒碎屑流朵體(圖 14 中B-B′)；上盤(pán)中下部由碎屑流朵體復(fù)合而成，上部由多期水道疊復(fù)體主控(圖 14中C-C′)。這與一般沖積扇整體以碎屑流朵體與復(fù)合水道為主的內(nèi)部構(gòu)型存在較大差異。

正斷層斷距的不同，對(duì)沉積過(guò)程的控制作用也存在差異，并導(dǎo)致沖積扇沉積構(gòu)型特征的差異。若斷距較小，則沖積扇下部受控于正斷層構(gòu)造，而上部發(fā)育正常沖積扇，當(dāng)上盤(pán)砂體沉積厚度超出斷距后，沖積扇形態(tài)逐步向正常沖積扇轉(zhuǎn)變，差異逐漸減?。蝗魯嗑噍^大，斷層下盤(pán)幾乎不沉積，上盤(pán)分水灘的規(guī)模和垂向發(fā)育期次隨著斷距增大隨之增加，造成越灘朵體發(fā)育規(guī)模減小，扇體整體形態(tài)呈橫向展寬。

7 結(jié)論

1)應(yīng)用沉積模擬技術(shù)再現(xiàn)了正斷層構(gòu)造控制作用下沖積扇沉積過(guò)程。識(shí)別了3種特殊成因單元，即分水灘、斷面朵體和越灘朵體。并根據(jù)3種成因單元的發(fā)育時(shí)期，將沖積扇的沉積過(guò)程分為3個(gè)階段： 第1階段，主要在上盤(pán)發(fā)育分水灘和斷面朵體；第2階段，上盤(pán)主要發(fā)育分水灘及受分水灘影響分異的斷面朵體及越灘朵體，下盤(pán)發(fā)育斜列沙壩；第3階段，分水灘消失，上下盤(pán)砂體連片。

2)正斷層斷距不同，沖積扇沉積過(guò)程具有明顯差異，主要體現(xiàn)在對(duì)上盤(pán)可容空間和分水灘的沉積樣式的控制，進(jìn)而影響了沖積扇的沉積過(guò)程和空間展布。持續(xù)的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制了斷距的生長(zhǎng)，沖積扇朵體的發(fā)育規(guī)模隨之增大，內(nèi)部分水灘疊置樣式愈顯復(fù)雜。

3)經(jīng)扇體解剖發(fā)現(xiàn)，受控于正斷層構(gòu)造的沖積扇與一般沖積扇的內(nèi)部構(gòu)型存在較大差異，縱向上前者依次發(fā)育縱向沙壩、分水灘及碎屑流朵體，而后者則整體以碎屑流朵體為主；橫向自物源處，前者依次以復(fù)合水道主控、分水灘疊復(fù)體主控、多期朵體疊復(fù)體主控，而后者則均以碎屑流朵體主控、復(fù)合水道主控為主。