田榮恒 鮮本忠 晁儲(chǔ)志 劉建平 張國棟 王俊輝 陳 鵬

1 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249 2 中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249 3 自然資源部廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，廣東廣州 510760 4 自然資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510760 5 中山大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，廣東珠海 519000 6 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東濟(jì)南 250014

重力流沉積自1950年以來引起了地質(zhì)學(xué)界的廣泛關(guān)注(鮮本忠等，2014)，其科學(xué)研究和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值廣泛體現(xiàn)于沉積地貌建造、地質(zhì)災(zāi)害防治、油氣資源等領(lǐng)域(Tallingetal.，2013)。近年來，砂質(zhì)與泥質(zhì)碎屑流(sandy and muddy debris flows)、異重流(hyperpycnal flow)、混合海底流(hybrid submarine flow)等概念的重新認(rèn)識(shí)及其沉積響應(yīng)模式的建立將重力流沉積研究推向了新的高度(Talling，2013；Liuetal.，2017；潘樹新等，2017；Xianetal.，2017)。

長期以來，海相環(huán)境是重力流沉積研究的主要對(duì)象。自Mutti和Normark(1991)等提出水道、溢岸、朵體、水道—朵葉過渡帶和侵蝕地形5類海相重力流沉積(環(huán)境)單元?jiǎng)澐址桨敢詠?，建立具有預(yù)測(cè)意義的重力流沉積模式便成為了深化重力流沉積規(guī)律認(rèn)識(shí)、有效指導(dǎo)深水沉積油氣資源勘探的關(guān)鍵。重力流水道在海相深水沉積體系中發(fā)育普遍，加之儲(chǔ)集層規(guī)模大、質(zhì)量好，現(xiàn)已成為科學(xué)研究和油氣勘探開發(fā)的重要對(duì)象。前人根據(jù)侵蝕或沉積作用強(qiáng)度，將重力流水道分為侵蝕型、侵蝕—沉積復(fù)合型和沉積型(Normark，1970)。此外，前人還根據(jù)水道的彎曲度，將其分為順直型、低彎度型及高彎度型水道(Mayalletal.，2006；Wynnetal.，2007)；根據(jù)水道內(nèi)部砂體疊置特征，將水道劃分為孤立型(isolated)、側(cè)向疊置型(lateral stacked)和垂向疊置型(vertically stacked)(Clark and Pickering，1996)；根據(jù)水道限制性程度，將其分為限制性水道、低限制性水道及非限制性水道(朵體)(Moodyetal.，2012)。上述重力流水道類型的劃分，深化了對(duì)其沉積過程和沉積規(guī)律的認(rèn)識(shí)，也促進(jìn)了深水重力流沉積油氣的高效勘探開發(fā)。

但是，由于湖相深水重力流水道沉積規(guī)模較小、研究程度較低，當(dāng)前對(duì)其規(guī)律的認(rèn)識(shí)程度仍然很低，遠(yuǎn)不及海相重力流沉積。近年來，在對(duì)古氣候研究的關(guān)注和陸相油氣資源開發(fā)需要的共同推動(dòng)下，湖相深水重力流沉積研究得到了快速發(fā)展。比如，通過對(duì)中國渤海灣盆地、鄂爾多斯盆地、松遼盆地、準(zhǔn)噶爾盆地、柴達(dá)木盆地的研究，發(fā)現(xiàn)了大量重力流沉積相關(guān)的油氣資源(劉椏穎等，2009；鮮本忠等，2012；付金華等，2013；張慶石等，2014；王建功等，2020)。但是，由于大部分湖相沉積盆地深水區(qū)面積有限、重力流沉積的規(guī)模相對(duì)較小，且湖相重力流沉積單元的識(shí)別難度大，導(dǎo)致目前缺少對(duì)湖相重力流沉積單元、尤其是湖相重力流水道的精細(xì)研究。這嚴(yán)重影響了對(duì)湖相重力流沉積過程及重力流水道沉積模式的認(rèn)識(shí)，也制約著湖相重力流水道儲(chǔ)集層的高效勘探開發(fā)。

作者以鄂爾多斯盆地南緣瑤曲鐵路橋剖面三疊系延長組深水沉積露頭為研究對(duì)象，通過野外剖面實(shí)測(cè)、室內(nèi)分析測(cè)試，以期落實(shí)重力流水道期次和規(guī)模，明確各期水道的沉積特征、沉積機(jī)制，深化湖相重力流水道沉積規(guī)律的認(rèn)識(shí)，為高效開發(fā)其油氣資源提供預(yù)測(cè)性地質(zhì)模型。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

鄂爾多斯盆地是位于中國中部的大型坳陷盆地，面積約37×104￣￣km2，蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)資源(喬亞斌等，2020；李明培等，2021)。根據(jù)盆地構(gòu)造特征分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元(圖1-A)，受印支期強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，形成了厚度達(dá)1000m的三疊系延長組碎屑巖地層(楊華等，2012)。根據(jù)沉積旋回、凝灰?guī)r標(biāo)志層的縱向分布規(guī)律，將三疊系延長組自上而下分為長1—長10段(圖1-B)。其中，延長組7段(長7段)沉積時(shí)期，鄂爾多斯盆地處于強(qiáng)烈拗陷階段，湖盆快速擴(kuò)張，發(fā)育大面積的半深湖—深湖相厚層暗色泥巖、油頁巖及重力流砂巖(陳飛等，2010；馮娟萍等，2012；李云等，2019)。從延長組6段(長6段)沉積時(shí)期開始，三角洲大規(guī)模發(fā)育，盆地開始萎縮(王嵐等，2012；楊仁超等，2014)。

瑤曲鐵路橋剖面位于陜西省銅川市瑤曲鎮(zhèn)政府西北方向，屬于長7段2亞段(長72)—長6段3亞段(長63)，地層厚度80～120m。該區(qū)地層產(chǎn)狀平緩、露頭條件較好，以湖相深水沉積為背景，露頭巖性以灰色、淺黃色—灰色細(xì)砂巖、深灰色泥巖以及油頁巖為主，是研究湖相深水重力流沉積的理想場(chǎng)所。構(gòu)造上，該區(qū)屬于鄂爾多斯盆地南緣渭北隆起。后期的構(gòu)造抬升及風(fēng)化剝蝕作用，導(dǎo)致該區(qū)延長組保存不全(賀靜等，2011)。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元分布、研究剖面位置(A)和上三疊統(tǒng)延長組地層柱狀圖(B)(A圖據(jù)張國棟等，2019，修改；B圖據(jù)梁曉偉等，2021，修改)Fig.1 Structural belt of Ordos Basin and location of Yaoqu railway-bridge section(A)，and column map of the Upper Triassic Yanchang Formation(B)(Fig. A is modified from Zhang et al.，2019； Fig. B is modified from Liang et al.，2021)

2 資料和方法

野外露頭研究具有大尺度、高精度、高連續(xù)性、直觀性等其他沉積特征研究方法無可比擬的優(yōu)勢(shì)?，幥F路橋剖面呈北西高、東南低的地貌特征，剖面總長度約1.2km。該剖面走向?yàn)镹W40°，根據(jù)區(qū)域砂體展布方向及古水流方向研究結(jié)果(張國棟等，2019；梁曉偉等，2021)，本剖面基本垂直于長7段物源方向，有利于表征水道的真實(shí)形態(tài)特征及規(guī)模。本次研究選取了12個(gè)出露良好的露頭(1-1、1-2、2-1、2-2、2-3、3、4、5-1A、5-1B、5-1C、5-1D、5-2)進(jìn)行觀察、巖性實(shí)測(cè)和取樣(圖2)。

基于鄂爾多斯盆地瑤曲鐵路橋剖面的精細(xì)分析，實(shí)測(cè)12個(gè)位置的巖性剖面柱圖，拍攝高清照片約800張。利用照片拼接，以不同部位巖性柱狀圖實(shí)測(cè)結(jié)果作為標(biāo)定，落實(shí)單砂層厚度、巖相組合及其展布；統(tǒng)計(jì)重力流水道期次和形態(tài)參數(shù)，落實(shí)重力流單一水道和復(fù)合水道的規(guī)模、重力流水道的期次。此外，在5個(gè)采樣點(diǎn)采集了218塊巖石樣品，通過巖相分析、粒度測(cè)試等技術(shù)開展重力流水道類型細(xì)分研究，明確各期水道巖石學(xué)特征、粒度組成、粒度參數(shù)、相序變化、沉積構(gòu)造等特征，宏觀與微觀結(jié)合，恢復(fù)單一水道主控性沉積過程、搬運(yùn)及沉積機(jī)制，明確砂體成因機(jī)制。

3 重力流水道期次與規(guī)模

3.1 重力流水道期次劃分

圖2 瑤曲鐵路橋剖面地貌特征及實(shí)測(cè)露頭位置Fig.2 Geomorphic characteristics of Yaoqu railway-bridge section and location of measured outcrops

前人對(duì)鄂爾多斯盆地南緣的旬邑、黃陵、銅川等露頭區(qū)長7—長6段暗色泥巖、頁巖中砂巖的研究中提出，鄂爾多斯盆地長7—長6段沉積時(shí)期在半深湖—深湖背景下發(fā)育了規(guī)模較大的重力流水道沉積(Xianetal.，2018)。參考前人總結(jié)的沉積特征，結(jié)合研究區(qū)野外剖面中長72—長63發(fā)育于深灰色泥巖、頁巖之間的砂巖層頂平底凸的形態(tài)特征和巖相組成，初步判定本區(qū)鐵路橋剖面發(fā)育重力流水道沉積。剖面中半透鏡狀砂體相互切割、相互疊置(圖3)，既體現(xiàn)了該區(qū)砂質(zhì)沉積明顯的特征，也體現(xiàn)了后期水流對(duì)早期沉積一定程度的侵蝕作用。根據(jù)剖面中出露條件較好的12處巖性實(shí)測(cè)剖面柱狀圖(圖4)，經(jīng)過野外剖面的照片處理，綜合砂體垂向、橫向連通性及隔夾層發(fā)育程度，對(duì)鐵路橋剖面重力流水道進(jìn)行砂體對(duì)比與期次劃分。在剖面中共識(shí)別出15期重力流單一水道和4期(Ⅰ-Ⅳ)重力流復(fù)合水道(圖3；表1)。自下而上，第1期復(fù)合水道包含至少2期單一水道，第2期復(fù)合水道包括至少6期單一水道，第3、4期復(fù)合水道則分別由4期、3期單一水道組成(圖3-B)。

3.2 重力流水道形態(tài)特征及變化趨勢(shì)

為了表征重力流水道的幾何形狀及空間分布特征，在12條實(shí)測(cè)巖性柱狀剖面的約束下針對(duì)單一水道開展了水道寬度、厚度、寬厚比、單砂層數(shù)以及單砂層最大厚度等特征參數(shù)的統(tǒng)計(jì)(表1)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，鐵路橋剖面單一水道的寬度變化較大，最小720m，最大1880m；單一水道厚度分布在1.8～4.0m之間，平均厚度2.9m；寬厚比變化較大，分布在215～709之間(表1；圖4)。

單一水道是由一定時(shí)間內(nèi)多次重力流事件沉積而成，其位置相對(duì)穩(wěn)定，核心部位砂體因侵蝕而直接接觸，通常由多層砂體構(gòu)成。因此，單一水道內(nèi)部并非只有一個(gè)砂巖層。為了進(jìn)一步了解單一水道內(nèi)單砂層的發(fā)育特征，分期統(tǒng)計(jì)了單一水道內(nèi)部的單砂層的層數(shù)、最大厚度和橫向減薄率。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，單一水道內(nèi)部砂層數(shù)最多7層，最少2層；單砂層的厚度最大1.7m，最小0.4m(表1；圖4)。

為了對(duì)比不同水道內(nèi)單砂層的板狀特征(tabularity)及橫向穩(wěn)定性，按照下列公式計(jì)算了水道內(nèi)單砂層的減薄率：

(1)

式中：n為水道內(nèi)單砂層數(shù)；Bimax為水道內(nèi)可觀測(cè)該單砂層最大厚度；Bimin為水道內(nèi)可觀測(cè)該單砂層最小厚度；Li為兩觀測(cè)點(diǎn)間的距離。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，水道單砂層減薄率在0.28%～0.71%之間，整體較低，砂體橫向延伸較為穩(wěn)定，板狀特征明顯(表1；圖3)。

從不同復(fù)合水道內(nèi)單一水道和單砂層發(fā)育特征的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，從早到晚，從復(fù)合水道Ⅰ到復(fù)合水道Ⅳ，內(nèi)部的單一水道平均寬度從1445m、1377m減小到908m、777m(表1)，呈現(xiàn)早期單一水道寬、晚期單一水道變窄的趨勢(shì)。此外，早期復(fù)合水道中單一水道的平均厚度反較晚期的小，進(jìn)一步導(dǎo)致單一水道的寬厚比平均值從早期(復(fù)合水道Ⅰ、Ⅱ)的569、497快速下降到晚期(復(fù)合水道Ⅲ、Ⅳ)的355和239，呈現(xiàn)出從早到晚單一水道橫向穩(wěn)定性快速變差的特點(diǎn)，水道幾何形態(tài)由似板狀向微透鏡狀、透鏡狀過渡(表1；圖3)。

圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ為復(fù)合水道編號(hào)，1-1、1-2等為實(shí)測(cè)露頭編號(hào)圖3 瑤曲鐵路橋剖面野外照片(A)和基于實(shí)測(cè)剖面的重力流水道期次劃分(B)Fig.3 Overall photos of Yaoqu railway-bridge section (A)and compound channel division based on measured outcrops(B)

表1 瑤曲鐵路橋剖面單一水道形態(tài)特征及內(nèi)部砂層參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table1 Statistics of single-channel geometric parameters and inner sandstone beds of Yaoqu railway-bridge section

單一水道內(nèi)部的單砂體(層)也有類似的變化特征。從早期(復(fù)合水道Ⅰ)到中期(復(fù)合水道Ⅱ、Ⅲ)，再到晚期(復(fù)合水道Ⅳ)單砂層的平均最大厚度從1.5m下降到1.2m，再降到0.6m，最大單砂層厚度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)；從減薄率來看，從早期(復(fù)合水道Ⅰ)到中期(復(fù)合水道Ⅱ、Ⅲ)，再到晚期(復(fù)合水道Ⅳ)，其平均值從0.36逐漸增加到0.64，單砂層的減薄率增高，橫向穩(wěn)定性逐漸變差(表1；圖3)。

圖5 瑤曲鐵路橋剖面巖相分類方案(修改自Zavala et al.，2011)Fig.5 Lithofacies classification scheme of Yaoqu railway-bridge section(modified from Zavala et al.，2011)

A—槽狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相，拍自實(shí)測(cè)露頭5-1A(圖4)；B—楔狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相，拍自實(shí)測(cè)露頭5-1B(圖4)；C—疊瓦狀泥礫細(xì)砂巖相，底部為深灰色泥頁巖，頂部過渡為含泥礫、撕裂屑?jí)K狀細(xì)砂巖，拍自實(shí)測(cè)露頭2-3(圖4)；D—塊狀凈細(xì)砂巖相，頂?shù)卓梢娖叫袑永砑?xì)砂巖相，拍自實(shí)測(cè)露頭1-1(圖4)；E—含泥礫及泥巖撕裂屑?jí)K狀細(xì)砂巖相，拍自實(shí)測(cè)露頭2-2(圖4)；F—遞變層理砂巖相，頂部逐漸過渡為平行層理粗粉砂巖及水平層理泥頁巖，拍自實(shí)測(cè)露頭2-3(圖4)；G—波紋層理細(xì)粉砂巖相，底部可見平行層理粗粉砂巖，拍自實(shí)測(cè)露頭1-1(圖4)；H—爬升波紋細(xì)粉砂巖相，拍自實(shí)測(cè)露頭5-1B(圖4)；I—嚴(yán)重風(fēng)化后的塊狀泥巖相，拍自實(shí)測(cè)露頭1-1(圖4)圖6 瑤曲鐵路橋剖面露頭典型巖相照片F(xiàn)ig.6 Typical lithofacies photos of outcrops of Yaoqu railway-bridge section

4 沉積特征分析

4.1 巖相類型及其組合

巖相是由巖石類型與沉積構(gòu)造表征的具有特定沉積環(huán)境意義的巖石單元(Miall，1987)。一個(gè)巖相組合通常是一次沉積事件的產(chǎn)物。通過識(shí)別不同的巖相組合有助于判斷沉積過程和沉積介質(zhì)性質(zhì)，恢復(fù)沉積環(huán)境及其演化。

研究中，基于野外露頭剖面實(shí)測(cè)，在研究區(qū)識(shí)別出11種巖相(表2)和4種巖相組合(圖7)。

1)槽狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相(B2s-a)。為灰—淺黃色細(xì)砂巖，層系界面呈槽形，相互切割(圖5，圖6-A)。單層厚度變化快，平均厚度0.45m，實(shí)測(cè)露頭1-2、5-1A及5-1C上部較為典型(圖4)，底部常見與深灰色塊狀泥巖突變接觸。該巖相的發(fā)育反映了該區(qū)在沉積過程中存在具有牽引流特征的底床載荷的沉積物搬運(yùn)過程(Zavalaetal.，2011；Xianetal.，2018)。

表2 瑤曲鐵路橋剖面巖相類型Table2 Lithofacies types of Yaoqu railway-bridge section

A—巖相組合A； B——巖相組合B；C—巖相組合C； D—巖相組合D圖7 瑤曲鐵路橋剖面重力流水道典型巖相組合類型(巖相描述見表2)Fig.7 Typical lithofacies associations of gravity channel in Yaoqu railway-bridge section(lithofacies description in Table 2)

2)楔狀交錯(cuò)層理細(xì)砂巖相(B2s-b)。多為淺灰色—黃褐色細(xì)砂巖，層系界面呈楔形，層系組沉積厚度較大，平均厚度0.8m(圖5，圖6-B)，橫向分布相對(duì)穩(wěn)定，在實(shí)測(cè)露頭圖1-1、1-2及5-1B均有發(fā)現(xiàn)(圖4)，其形成也與底床載荷有關(guān)，指示形成該巖相的流體介質(zhì)具有牽引流的性質(zhì)。

3)含疊瓦狀泥礫細(xì)砂巖相(B3s)。灰色砂巖層的下部或底部含長條狀泥礫，彼此呈疊瓦狀定向排列(圖5，圖6-C)，平均厚度為0.7m。呈現(xiàn)牽引流搬運(yùn)與沉積特征，集中出露于在實(shí)測(cè)露頭 1-1 上部以及實(shí)測(cè)露頭1-2、2-3中部(圖4)。該巖相底部的泥巖/泥頁巖常被沖刷侵蝕而存在一定規(guī)模的侵蝕面。此外，該巖相常常向上可過渡為含泥礫/泥巖撕裂屑的塊狀砂巖(S1-b)(圖6-C)。

4)塊狀凈細(xì)砂巖相(S1-a)。該巖相是研究區(qū)露頭剖面中最主要的巖相類型，一般為灰色或者淺灰色塊狀細(xì)砂巖，在本次實(shí)測(cè)的12個(gè)露頭中均有發(fā)育。其平均砂巖厚度約0.5m，最大厚度達(dá)1.2m。露頭上未見任何成層構(gòu)造，底界面也相對(duì)平坦。頂部向上常逐漸過渡為平行層理粗粉砂巖相(S2)(圖5-D)，可解釋為高濃度沉積物重力流中懸浮載荷快速沉積而成。

5)含泥礫/泥巖撕裂屑?jí)K狀細(xì)砂巖相(S1-b)。多為淺灰色細(xì)砂巖，平均厚度為0.4m，表現(xiàn)為塊狀細(xì)砂巖內(nèi)部發(fā)育定向或者無規(guī)則的黃褐色泥礫以及深灰色的泥巖撕裂屑，底面平整，無明顯侵蝕特征(圖6-E)。除實(shí)測(cè)露頭5-1B以及5-1D外，其他的實(shí)測(cè)露頭中均有發(fā)現(xiàn)，發(fā)育程度僅次于塊狀凈細(xì)砂巖相(S1-a)(圖4)。

6)遞變層理砂巖相(S1-c)。為淺灰色細(xì)砂巖—粉砂巖，厚度較薄，最小厚度僅為0.03m，平均厚度為0.3m，側(cè)向延伸較為穩(wěn)定，在實(shí)測(cè)露頭2-2以及2-3、5-2均有發(fā)育，集中在中、下層位(圖4)。常發(fā)育在鮑馬序列a段，向上逐漸過渡為平行層理細(xì)粉砂巖(圖6-F)，為典型的濁流沉積產(chǎn)物。

7)平行層理粗粉砂巖相(S2)。巖性為灰色、淺灰色粗粉砂巖，厚度薄，最小僅為0.03m，平均厚度為0.1m，側(cè)向延伸通常不穩(wěn)定，在實(shí)測(cè)露頭1-1底部出露較為明顯。多發(fā)育于鮑馬序列b段，常見與遞變層理砂巖相(S1-c)及波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-a)共生(圖6-F，6-G)。

8)波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-a)。要發(fā)現(xiàn)于瑤曲鐵路橋剖面中、下層剖面，巖性為灰色細(xì)粉砂巖，紋層呈波紋狀。與其他巖相相比，出現(xiàn)頻率較低，平均厚度為0.1m。在實(shí)測(cè)露頭1-1、5-1B和5-2中有發(fā)現(xiàn)(圖4)，通常與平行層理粗粉砂巖相共生(圖6-G)，常見于鮑馬序列c段。

9)爬升波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-b)。主要發(fā)現(xiàn)于鐵路橋剖面中、下層，巖性為灰色—淺灰色細(xì)粉砂巖，由一系列相互疊置的細(xì)小波紋層組成，出現(xiàn)頻率相對(duì)較低，見于實(shí)測(cè)露頭5-1B，厚度小，僅在0.05m左右(圖4，圖6-H)。通常指示持續(xù)時(shí)間長的濁流作用，發(fā)育于濁流能量的減弱下牽引和懸浮沉降共同作用階段(Zavalaetal.，2011)。

10)塊狀泥巖相(S4-a)。主要發(fā)育灰色、深灰色泥巖，出露厚度為0.1～2.0m，平均0.15m，以薄層為主。廣泛出露于瑤曲鐵路橋剖面各個(gè)實(shí)測(cè)露頭(圖4)。一般認(rèn)為，塊狀泥巖相是低能環(huán)境下形成的最細(xì)粒巖相之一，研究區(qū)出露的塊狀泥巖多遭到嚴(yán)重風(fēng)化(圖6-I)。

11)水平層理泥頁巖相(S4-b)。巖性為深灰色泥頁巖。厚度較小，僅為0.02～0.30m，平均0.16m。頁理發(fā)育，橫向分布相對(duì)穩(wěn)定，但也可見被砂巖切割的現(xiàn)象(圖6-C，6-F)，在實(shí)測(cè)露頭2-3、3、4等均有發(fā)育(圖4)。有機(jī)質(zhì)含量高，頂部常見突變?yōu)榻诲e(cuò)層理細(xì)砂巖相(B2s-a/B2s-b)，為懸浮沉降作用下形成的細(xì)粒物質(zhì)(圖5)。

通過整理各種巖相組合的特征，識(shí)別出4種巖相組合。

1)巖相組合A。自下而上為具疊瓦狀泥礫細(xì)砂巖相(B3s)、交錯(cuò)層理砂巖相(B2s-a/b)向上過渡為含泥礫/泥巖撕裂屑?jí)K狀細(xì)砂巖相(S1-b)和平行層理粗粉砂巖相(S2)的組合特征，其中主要相類型為S1-b，可占到整個(gè)組合厚度的50%以上(圖7-A)。底界面常見小規(guī)模侵蝕特征，代表了典型底床載荷沉積的結(jié)果。

2)巖相組合B。巖相單一，僅由塊狀凈細(xì)砂巖相(S1-a)組成，內(nèi)部也可能存在薄層的泥巖相(S4-a/b)，通常不存在侵蝕面(圖7-B)，其中塊狀層理指示快速沉積的過程，可能來自于高密度濁流或砂質(zhì)碎屑流的沉積結(jié)果。

3)巖相組合C。自下而上由遞變層理砂巖相(S1-c)、平行層理粗粉砂巖相(S2)、波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-a)/爬升波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-b)、泥巖相(S4-a/b)組成，形成1個(gè)典型的鮑馬序列(圖7-C)，反映了低密度濁流的沉積過程。

4)巖相組合D。自下而上由波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-a)/爬升波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-b)、泥巖相(S4-a/b)2種巖相組成，粒度偏細(xì)，厚度小，平均組合厚度僅為0.1m(圖7-D)，可能形成于早期懸浮載荷性質(zhì)的濁流沉積的中后階段或早期底床載荷性質(zhì)的異重流的中后階段。

4.2 典型巖相砂巖粒度特征

通過對(duì)實(shí)測(cè)剖面5-1A中部(圖4)厚度約0.4m的塊狀凈細(xì)砂巖(S1-a)鉆取的16個(gè)巖石樣品(圖8-A)進(jìn)行的粒度測(cè)試及其中值粒徑等參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析可知，該0.4m厚的塊狀砂巖層在垂向上實(shí)際呈現(xiàn)為3個(gè)向上變細(xì)半旋回(藍(lán)色箭頭)以及2個(gè)向上變粗(紅色箭頭)半旋回，構(gòu)成2個(gè)半粒度的復(fù)合旋回。圖中黃色部表現(xiàn)為顆粒變粗，分選變好，峰度、偏度增大，中砂和細(xì)砂增多、粉砂和泥減少、懸浮組分減少的特征，判斷為能量持續(xù)增強(qiáng)期；藍(lán)色部分主要表現(xiàn)為顆粒粒徑逐漸減小、分選變差、峰度及偏度減小的特征，粉砂和泥質(zhì)含量相對(duì)增大，判斷為能量衰減期(圖8-B)。

圖8 塊狀砂巖取樣位置照片(A)和瑤曲鐵路橋剖面塊狀砂巖垂向粒度參數(shù)(B)(照片拍自 圖4 中實(shí)測(cè)露頭5-1A)Fig.8 Photo of sampling locations of massive sandstone(A)and vertical grain size parameters of massive sandstone in Yaoqu railway-bridge section(B)(photo from measured outcrop 5-1A in Fig.4)

表3 瑤曲鐵路橋剖面重力流水道分類及特征Table3 Classification and characteristics of gravity-flow channel in Yaoqu railway-bridge section

5 重力流水道類型及沉積模式

5.1 重力流水道類型

綜合分析4個(gè)復(fù)合水道內(nèi)部的單一水道及單砂體形態(tài)特征(圖3；表1)和巖相及其組合特征可知，該剖面中早期和晚期的重力流復(fù)合水道存在明顯的差異性。參考侵蝕型、侵蝕—沉積復(fù)合型和沉積型重力流水道劃分方案(Normark，1970)和該區(qū)早期的研究認(rèn)識(shí)(Xianetal.，2018)，將研究區(qū)內(nèi)水道類型分為過渡型水道和沉積型水道2種類型，其中復(fù)合水道Ⅲ、Ⅳ為過渡型水道，復(fù)合水道Ⅰ、Ⅱ?yàn)槌练e型水道(表3)。

5.1.1 過渡型水道

過渡型水道介于早期的侵蝕型水道和晚期的沉積型水道之間，其形成過程中存在侵蝕作用和沉積作用的共同影響?，幥F路橋剖面中復(fù)合水道Ⅲ和Ⅳ具有過渡型重力流水道的特征： (1)巖相以底床載荷與懸浮載荷2種成因共存為特征，底部砂巖常見牽引流性質(zhì)的交錯(cuò)層理(見于巖相B2s-a/b)或者疊瓦狀泥礫(見于巖相B3s)，中部過渡為含泥礫/泥巖撕裂屑?jí)K狀細(xì)砂巖相(S1-b)，上部多見平行層理粗粉砂巖相(S2)，砂巖常被薄層泥巖相(S4-a/b)所分隔，常表現(xiàn)為巖相組合A(圖7)；(2)富砂沉積，砂地比在65%以上(圖9-B)；(3)單一水道兩側(cè)溢岸沉積發(fā)育程度低，限制性作用弱而呈現(xiàn)較強(qiáng)的水道遷徙擺動(dòng)，導(dǎo)致單一水道及其內(nèi)部單砂層橫向穩(wěn)定性較弱、寬厚比較小且砂體之間的切割性增強(qiáng)、垂向連通性增強(qiáng)(圖3，圖9；表1)。

A—野外照片；B—野外照片解釋；C—過渡型水道解釋模型圖9 瑤曲鐵路橋剖面典型過渡型水道特征(實(shí)測(cè)露頭2-3，位置見 圖2 或圖3)Fig.9 Typical transitional channel characteristics of Yaoqu railway-bridge section(outcrop 2-3，location in Fig.2 or Fig.3)

A—沉積型水道剖面特征；B—沉積型水道示意圖；C—沉積型水道解釋模型圖10 瑤曲鐵路橋剖面典型沉積型水道特征(實(shí)測(cè)露頭2-2，位置見 圖2 或圖3)Fig.10 Typical depositional channel characteristics of Yaoqu railway-bridge section(outcrop 2-2，location in Fig.2 or Fig.3)

5.1.2 沉積型水道

在水道完全擴(kuò)張形成朵體之前可能會(huì)經(jīng)歷1個(gè)由沉積作用主控而缺乏侵蝕作用的階段(Xianetal.，2018)，即沉積型水道發(fā)育階段，該類型水道通常不具有侵蝕特征而表現(xiàn)為底部相對(duì)規(guī)則(圖10-C)。以露頭2-2中復(fù)合水道Ⅱ?yàn)槔?圖10-A)，認(rèn)為沉積型水道具有以下特征： (1)巖相以懸浮沉降類型為主，多見由塊狀凈細(xì)砂巖相(S1-a)以及薄層泥巖相(S4-a/b)組成的巖相組合B(圖7-B)，也存在由典型鮑馬序列特征的巖相組合C(圖7-C)，水道側(cè)緣通常發(fā)育一定規(guī)模由波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-a)/爬升波紋層理細(xì)粉砂巖相(S3-b)和泥巖相(S4-a/b)組成的巖相組合D(圖7-D)為特征的天然堤；(2)溝道內(nèi)通常被富砂沉積物所填滿，砂地比可達(dá)80%以上(圖10-B，10-C)；(3)內(nèi)部的單一水道及其單砂體橫向穩(wěn)定性較好、寬厚比高而減薄率較小，漫溢沉積較發(fā)育而導(dǎo)致水道遷徙程度減弱。

A—炭屑，拍自實(shí)測(cè)露頭3；B—定向排列的植物碎屑，拍自實(shí)測(cè)露頭3；C—黃褐色泥礫呈低角度定向排列，拍自實(shí)測(cè)露頭2-2；D—黃褐色泥礫雜亂排列，拍自實(shí)測(cè)露頭2-3圖11 瑤曲鐵路橋剖面洪水型水道沉積特征Fig.11 Sedimentary characteristics of flood channel in Yaoqu railway-bridge section

5.2 重力流水道沉積機(jī)制

研究區(qū)長6—7段沉積時(shí)期發(fā)育灰色—深灰色泥巖、頁巖，代表其沉積環(huán)境為深水環(huán)境。然而水道內(nèi)的槽狀交錯(cuò)層理砂巖相(B2s-a)以及楔狀層理砂巖相(B2s-b)的發(fā)育(圖5-A，5-B)通常指示沉積物通過推移負(fù)載的方式進(jìn)行搬運(yùn)，即典型的牽引流沉積特征。在砂巖中可見大小不一的炭屑以及植物碎片，呈定向—微定向狀排列(圖11-A，11-B)。此外，砂巖內(nèi)常見紅褐色泥礫呈低角度定向或者雜亂排列(圖11-C，11-D)。推測(cè)這些典型牽引流沉積構(gòu)造以及炭屑、植物碎片、氧化色泥礫等盆外物質(zhì)與洪水觸發(fā)形成的異重流沉積有關(guān)。垂向上粒度參數(shù)體現(xiàn)出來的向上變粗再變細(xì)的復(fù)合旋回特征(圖8-B)，指示了洪泛增強(qiáng)—減弱的完整變化過程，也說明不僅是具有底床載荷特征的巖相組合(圖7-A)，該區(qū)最為發(fā)育的干凈塊狀砂巖(巖相組合B，圖7-B)也應(yīng)來自洪水成因。因此，推斷研究區(qū)深水背景下的重力流水道主要形成于洪水型重力流事件。關(guān)于鄂爾多斯盆地古環(huán)境研究揭示的長7段沉積時(shí)期微咸水—淡水湖泊形成于暖濕的溫帶—亞熱帶氣候的認(rèn)識(shí)(付金華等，2018)也支持上述洪水成因的判斷： 暖濕的氣候條件易于爆發(fā)季節(jié)性洪水，而近于淡水的河水中沉積物密度只要高于1kg/m3便可能形成湖相異重流(Zavala and Pan，2018)。

5.3 研究區(qū)重力流水道沉積模式

山間洪水的爆發(fā)使沉積物的動(dòng)能及流體強(qiáng)度得到了增強(qiáng)，經(jīng)盆地斜坡的加速，能量進(jìn)一步增強(qiáng)，近源水道具有較強(qiáng)的侵蝕能力，隨著搬運(yùn)距離的增加導(dǎo)致洪水能量衰減，水道的下切侵蝕作用也在逐漸變?nèi)?，天然堤開始形成，水道類型由侵蝕作用主導(dǎo)的侵蝕型水道向侵蝕、沉積作用共存的過渡型水道轉(zhuǎn)變。水道內(nèi)部發(fā)育大套厚層砂巖，由于剪切拖曳作用，底部常具底床載荷特征，頂部具懸浮載荷特征，表現(xiàn)為巖相組合A。內(nèi)部單一水道寬度在720～1050m之間，厚度為1.8～4.0m，寬厚比在215～500之間，單砂層減薄率為0.50%～0.71%(復(fù)合水道Ⅲ、Ⅳ，表1；圖12-A)，幾何形態(tài)呈透鏡狀。受天然堤限制程度較低導(dǎo)致水道擺動(dòng)頻繁，相互切割性強(qiáng)，砂體橫向穩(wěn)定性低，垂向剖面上常表現(xiàn)為不定向疊加甚至側(cè)向拼接樣式(圖9-B，圖12-A)。

圖12 瑤曲鐵路橋剖面過渡型(A)和沉積型(B)重力流水道沉積模式Fig.12 Sedimentary model of transitional gravity channel(A)and depositional gravity channel(B)in Yaoqu railway-bridge section

隨著斜坡變緩，洪水能量進(jìn)一步的衰減，水道逐漸失去侵蝕能力，以懸浮沉降作用為主，以巖相組合D為特征的天然堤沉積更為發(fā)育，表現(xiàn)為沉積型水道特征。水道內(nèi)充填大量砂質(zhì)沉積，常見懸浮載荷成因的巖相組合B、C。內(nèi)部單一水道寬度超過1km，厚度為2.0～4.0m，寬厚比在369～709之間，單砂層減薄率為0.28%～0.49%(復(fù)合水道Ⅰ、Ⅱ，表1；圖12-B)，幾何形態(tài)呈似板狀—透鏡狀。砂體橫向穩(wěn)定性較好，受天然堤限制程度高而表現(xiàn)為穩(wěn)定的垂向加積樣式(圖10-B，圖12-B)。

6 結(jié)論

1)鄂爾多斯盆地南緣瑤曲鐵路橋剖面發(fā)育4期重力流復(fù)合水道和至少15期單一水道。單一水道的寬度最大1880m，厚度最大4m，寬厚比215～709。自下而上，單一水道的寬度減小、寬厚比增大、橫向穩(wěn)定性減弱，水道幾何形態(tài)從似板狀向微透鏡狀—透鏡狀變化。

2)研究區(qū)水道可分為過渡型和沉積型水道。除了幾何形態(tài)特征的差異外，不同時(shí)期重力流復(fù)合水道內(nèi)巖相的組成也存在明顯差異。其中過渡型水道內(nèi)巖相呈現(xiàn)底床載荷與懸浮載荷共存、以底床載荷成因?yàn)橹鞯奶卣鳎欢练e型水道的巖相則以懸浮沉降成因?yàn)橹?。巖相特征與粒度分析結(jié)果表明，研究區(qū)水道沉積主要為洪水成因。

3)建立了研究區(qū)過渡、沉積型重力流水道半定量沉積模式——隨著洪水能量的衰減，近源侵蝕型水道逐漸轉(zhuǎn)化為沉積、侵蝕作用共存的過渡型水道，過渡型水道受天然堤限制作用較弱而擺動(dòng)頻繁，具有寬度小、透鏡狀、不定向疊加/側(cè)向拼接樣式等幾何形態(tài)及水道砂體疊置特征；隨著斜坡變緩，過渡型水道逐漸失去侵蝕能力而轉(zhuǎn)變?yōu)槌练e作用主導(dǎo)的沉積型水道，水道受天然堤限制作用強(qiáng)，具有寬度大、似板狀—透鏡狀、穩(wěn)定的垂向加積樣式等特征。

致謝本次研究過程中，得到中國石油大學(xué)(北京)國家油氣勘探重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大力支持!感謝同門李倩、吳千然、張文淼和陳連銳在問題討論和論文撰寫中提出的寶貴意見!