張 可 吳勝和 許允杰 熊綺聰 高子杰 余季陶

中國石油大學(北京)地球科學學院，油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249

湖盆扇三角洲作為沉積盆地邊緣重要的沉積類型，是石油、天然氣等地質礦產(chǎn)資源富集的重要場所，其沉積特征對于油氣精細勘探與有效開發(fā)具有至關重要的意義，受到學者們的廣泛關注(裘亦楠等，1982；吳勝和等，1994；鮮本忠等，2007；林煜等，2013；操應長等，2019)。

扇三角洲沉積特征復雜，其平原沉積特征類似于沖積扇，已有大量學者開展過相關研究(焦養(yǎng)泉等，1998；唐勇等，2014；于興河等，2014)。沖積扇入湖后，受湖盆水體的影響，沉積物擴散方式發(fā)生改變，前緣沉積與水上沉積體有較大差異，主要體現(xiàn)在成因單元類型及其構型特征2個方面。雖然學者們對扇三角洲前緣沉積進行過大量研究，但河口壩發(fā)育程度及垂向粒度韻律特征尚存在爭議：(1)扇三角洲前緣分流河道及河口壩的相對發(fā)育程度存在爭議。大部分學者認為扇三角洲前緣以分流河道砂體為主，而河口壩不發(fā)育或者規(guī)模較小(賈愛林等，2000；張春生等，2000；譚程鵬等，2014；張昌民等，2015)，部分學者認為扇三角洲前緣分流河道及河口壩同時發(fā)育，甚至以河口壩為主(Billietal.，1991；Wagoner Dijketal.，2009；Wangetal.，2015；楊延強和吳勝和，2015)；(2)河口壩粒度韻律特征存在爭議。前人研究多認為河口壩砂體呈反韻律(于興河等，1999；García-Garcíaetal.，2006；Jiaetal.，2018；李勝利等，2018)，但部分學者認為河口壩砂體可呈正韻律(Billietal.，1991；Benvenuti，2003；Fabbricatoreetal.，2014；Wangetal.，2015)或正反復合韻律(楊延強和吳勝和，2015)。

河北灤平盆地桑園剖面下白堊統(tǒng)西瓜園組露頭是開展湖盆扇三角洲前緣河口壩沉積特征研究的良好地區(qū)，前人已針對該露頭進行了大量的沉積學研究(賈愛林等，2004；郭建林等，2007；項華和張樂，2007；耳闖等，2010；劉策等，2017)，且多認為河口壩巖性較細(以細砂巖為主)，反韻律特征明顯(賈愛林等，2004；賈珍臻，2016)。以該露頭為例，以前人研究為基礎，通過人工實測及無人機觀測相結合的方法，分析桑園剖面扇三角洲河口壩發(fā)育程度及粒度韻律特征，探討其韻律特征的形成機理，以期為湖盆扇三角洲沉積特征研究提供新的思路，為該類油氣藏精細勘探和開發(fā)方案的制定及調整奠定必要的地質基礎。

1 地質背景

圖1 灤平盆地地質簡圖(據(jù)李寅，2003；Wei et al.，2012；有修改)Fig.1 Schematic geological map of the Luanping Basin(modified from Li，2003；Wei et al.，2012)

灤平盆地位于河北省灤平縣，構造上位于燕山臺褶帶的北緣，處于尚義—平泉深斷裂與豐寧—隆化深斷裂間的楔形地帶中，盆地北緣發(fā)育紅旗—崗子斷裂，西側發(fā)育小白旗—付家店斷裂，2個邊界斷裂均為正斷層(武法東等，2000；Davisetal.，2001；Renetal.，2002；李寅，2003；Mengetal.，2003；Cope and Graham，2007)(圖1)。灤平盆地沉積基底為太古代變質巖及元古代侵入巖，之上依次出露的地層為侏羅系、下白堊統(tǒng)及第四系(田樹剛等，2004；武法東等，2004)。灤平盆地自中生代經(jīng)歷了裂陷—萎縮期，在白堊紀西瓜園組沉積時期，北部的紅旗—崗子斷裂活動強度大于西部的小白旗—付家店斷裂，在斷裂活動的背景下，湖盆整體上呈現(xiàn)出北陡南緩、沿北東—南西向展布的構造特征，為典型的半地塹盆地，大套厚層砂(礫)巖體沿湖盆周緣分布。

桑園剖面位于灤平盆地西部，沿北西—南東向出露，剖面上發(fā)育1套礫巖、砂巖、粉砂巖及泥巖沉積，其中以中礫巖、細礫巖、小礫巖及粗砂巖為主，沉積厚度約為500 m。物源來自北西西方向，沿長軸方向展布，為緩坡扇三角洲沉積(Copeetal.，2010；Weietal.，2012)(剖面位置見圖1中的AA′)。剖面與物源方向呈一定角度斜交，沉積砂巖及礫巖側向延伸距離長，側向變化豐富，巖石學及沉積構型特征明顯。剖面發(fā)育1個完整的四級基準面旋回(羅平，2007)，從下至上沉積物粒度先變細后變粗，沉積物厚度先變薄再變厚，由厚層礫巖(厚度多大于3 m)逐漸轉變?yōu)楸由皫r—泥巖層(厚度多小于2 m)，后又轉變?yōu)楹駥拥[巖(厚度多大于8 m)，本次研究的重點為該四級基準面旋回內部的沉積體。

目前，關于下白堊統(tǒng)西瓜園組桑園剖面沉積砂(礫)巖體的沉積相類型存在分歧，一種觀點認為桑園剖面為扇三角洲前緣沉積體系(羅平，2007；Copeetal.，2010；Weietal.，2012；楊保良等，2021)，但水體深度存在爭議；另一種觀點認為桑園剖面發(fā)育深水沉積(異重流沉積)(Yanetal.，2020)或近岸水下扇沉積(白立科等，2020)。作者認為桑園剖面西瓜園組沉積相類型為扇三角洲，下文將進行具體闡述。

經(jīng)緯度及海拔數(shù)據(jù)均來自無人機測量結果(藍色的虛線為湖泛面，紅色的虛線為基準面旋回界面)圖2 利用無人機掃描數(shù)據(jù)建立的桑園剖面三維定量化數(shù)據(jù)體Fig.2 3D quantitative model of Sangyuan outcrop established by UAV scanning data

2 研究方法及數(shù)據(jù)

采用人工實測及無人機觀測分析相結合的方法對桑園剖面進行研究。人工實測是在近處進行精細觀察及描述，識別不同巖性、沉積構造(層面構造、層理等)及粒度韻律等特征。拍攝高清照片超過400張，典型層面構造照片分布位置見 圖2 中的L1-L8，典型巖性及層理照片分布位置見 圖2 中的F1-F8；同時，繪制桑園剖面沉積柱狀 圖17 張，共計420 m，繪制精度為1︰20。另外，取樣18塊，在中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室進行粒度分析。

無人機觀測分析方法是利用從不同方位采集到的數(shù)據(jù)，建立野外露頭三維數(shù)據(jù)體來進行定量研究的方法。該方法不僅可彌補野外高、陡部位人工測量難的不足，還可得到三維測量的數(shù)據(jù)體，有利于進行地質體幾何形態(tài)及分布的定量分析(印森林等，2018)。本次研究采用集成五鏡頭傾斜相機的六旋翼無人機，設置巡航高度300 m，巡航航線垂直于剖面展布方向，共計28條，拍攝帶坐標照片超過5500張，建立了帶三維坐標的定量模型(圖2)，分辨率為0.2 m。三維定量模型用于開展桑園剖面扇三角洲沉積體的宏觀展布特征研究及成因單元的定量規(guī)模研究。

在桑園剖面扇三角洲沉積特征研究的基礎上，開展水槽模擬實驗闡明桑園剖面河口壩粒度韻律特征的形成機理。水槽模擬實驗是在長江大學水槽模擬實驗室進行的，水槽長2.25 m，寬2.16 m，深30 cm，作為沉積盆地接受沉積，在沉積盆地內部可人工鋪設具有不同坡度的沉積底形。沉積盆地前部設有長度為0.8 m、寬度為0.05 m的通道，作為為沉積盆地提供流體與沉積物的供給通道，供給流量可通過調節(jié)進水量來控制。供給通道最前端設置有沉積物供給裝置，由給料漏斗與震動盤組成，實驗過程中可通過改變震動盤的震動頻率調節(jié)沉積物供給速率。沉積物與水流在供給通道最前端進行混合，保證流體以穩(wěn)定射流的形式進入沉積盆地。沉積盆地后部設有排水池，水泵可將沉積盆地內的水體排入排水池，調節(jié)沉積盆地內湖平面變化(圖3)。實驗完成后，分別在近、中、遠切物源剖面及順物源剖面河口壩內部取樣進行粒度分析，共計樣品78份。

圖3 水槽模擬實驗裝置Fig.3 Flume simulation experiment device

3 扇三角洲沉積相的厘定及成因單元類型

3.1 沉積相的厘定

桑園剖面西瓜園組的沉積相類型為扇三角洲，主要依據(jù)如下。

3.1.1 湖盆水體較淺，水下沉積與水上沉積并存

桑園剖面發(fā)育反映淺水環(huán)境的波痕及反映水上沉積環(huán)境的泥裂層面構造(圖4)。波痕類型包括流水波痕及浪成波痕。流水波痕呈不對稱狀，指示單向水流，波長約為5.5 cm，波高約為3 mm，波痕指數(shù)(波長/波高)大于15(圖4-H)；浪成波痕指示沉積環(huán)境為淺水環(huán)境(位于湖盆浪基面之上)，其可呈對稱狀(圖4-B，4-E，4-F，4-G)或不對稱狀(圖4-D)，波峰尖銳、波谷圓滑，不對稱浪成波痕平面呈分支狀，常見分而復合的現(xiàn)象。浪成波痕在桑園剖面上多處出現(xiàn)(圖2中的L2、L4、L5、L6、L7)，分布在整個基準面旋回內部，且在湖泛面附近(圖2中的藍色虛線)的深灰—灰黑色泥巖中發(fā)現(xiàn)對稱狀浪成波痕(圖4-B)，表明西瓜園組沉積時沉積主體處于淺水沉積環(huán)境。

泥裂在層面上呈網(wǎng)格狀龜裂紋，將巖石切割成多邊形，可見于灰色粉砂—泥巖層面(圖4-A)；泥裂鑄模形狀呈“V”字形，上部寬度小于2 cm，可見于部分砂(礫)巖體底部(圖4-C，4-F)，指示沉積物沉積時經(jīng)歷了短期淺水暴露環(huán)境，屬于水上沉積環(huán)境。泥裂層面構造在桑園剖面多處出現(xiàn)(圖2中的L1、L3、L6)，表明西瓜園組沉積時期整體水體較淺，多次水退出現(xiàn)短期暴露環(huán)境。

3.1.2 具重力流與牽引流并存的沉積物搬運機制

桑園剖面西瓜園組發(fā)育反映重力流沉積的塊狀構造(圖5-A)、正粒序層理(圖5-D)、滑塌構造(圖5-C)及泥巖撕裂屑(圖5-G)等典型標志(發(fā)育位置見 圖2 中的F1、F3、F4、F7)。其中，塊狀礫巖整體分選差，礫石顆粒無定向，沉積物以整體凍結的方式卸載，沉積物搬運機制為碎屑流；正粒序層理礫巖反映沉積流體在失去外力推動的情況下，沉積顆粒逐一沉降形成，為濁流沉積。此外，還可見一種特殊類型的分選極差的疊瓦狀礫巖(圖5-H，發(fā)育位置見 圖2 中的F8)，沉積物在弱黏性碎屑流流體中搬運，內聚力較弱，大的碎屑顆?？梢砸苿蛹稗D動，導致扁平狀礫石顆粒定向性明顯，沉積物搬運機制為弱黏性碎屑流。

除了發(fā)育典型的重力流沉積構造之外，桑園剖面廣泛發(fā)育反映牽引流成因的沉積構造，包括槽狀交錯層理(圖5-B)、楔狀交錯層理(圖5-F)、平行層理(圖5-E)等(發(fā)育位置見 圖2 中的F2、F5、F6)。

A—灰色泥巖頂面泥裂構造；B—對稱波痕；C—中礫巖底部泥裂鑄模；D—不對稱波痕；E—對稱波痕(4組，波峰走向不一致)；F—對稱波痕及泥裂鑄模；G—對稱波痕；H—不對稱波痕。A-H分布位置依次對應 圖2 中的L1-L8圖4 灤平盆地桑園剖面西瓜園組層面構造特征Fig.4 Bedding plane structures in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

A—塊狀構造，分選差；B—槽狀交錯層理；C—滑塌構造；D—正粒序層理；E—平行層理；F—楔狀交錯層理；G— 塊狀，泥巖撕裂屑；H—礫石具有明顯定向性，分選極差。A-H分布位置依次對應圖2中的F1-F8圖5 灤平盆地桑園剖面西瓜園組典型重力流與牽引流沉積標志Fig.5 Typical signs of gravity flow and traction flow deposition in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

3.1.3 發(fā)育頂平底凸的水道型及底平頂凸的堆積型砂(礫)巖體

桑園剖面西瓜園組既發(fā)育頂平底凸的水道型砂(礫)巖體，又發(fā)育底平頂凸的堆積型砂(礫)巖體。前者在剖面上常下切下伏地層，后者與兩側巖層呈上超關系(圖6)。

A—水道型砂體下切下伏地層；B—堆積型砂體頂界與兩側地層呈上超關系圖6 灤平盆地桑園剖面西瓜園組砂體剖面形態(tài)及相鄰地層充填樣式Fig.6 Profile characteristics of sandbodies and filling patterns of adjacent strata in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

綜上所述，研究區(qū)湖盆水體較淺，同時發(fā)育水上及水下沉積，具有重力流與牽引流共存的沉積物搬運機制，發(fā)育頂平底凸的水道型及底平頂凸的堆積型砂(礫)巖體，結合區(qū)域地質沉積背景(Copeetal.，2010；Weietal.，2012)，判斷桑園剖面西瓜園組為扇三角洲沉積相類型。

3.2 成因單元類型及特征

西瓜園組沉積時期，湖平面不斷變化，研究區(qū)整體處于淺水環(huán)境，偶爾暴露地表，因此桑園剖面主要發(fā)育扇三角洲前緣沉積，少量層段發(fā)育扇三角洲平原沉積。在砂(礫)巖體中，主要的成因單元類型包括分流河道、河口壩及席狀砂。

1)分流河道。在剖面上呈頂平底凸狀，底部可見沖刷面(圖6-A)。巖性以礫巖為主，含少量砂巖，發(fā)育塊狀構造、粒序層理、疊瓦狀構造、交錯層理等，垂向上呈正韻律特征。分流河道礫巖體厚度一般為2～11 m，最厚可達28 m；寬度一般為9～244 m，寬厚比為6～40。

2)河口壩。本文所稱的河口壩為廣義的河口壩，包括水上分流河道攜帶沉積物在河口處卸載形成的河口壩沉積以及水下分流河道前端的朵葉體沉積。在剖面上呈底平頂凸狀(圖6-B)。厚度一般為1～8 m，最厚可達15 m；寬度為94～282 m，寬厚比為13～121。巖性以礫巖、砂巖為主，發(fā)育塊狀構造、交錯層理及平行層理等，韻律特征復雜，垂向上呈正韻律或反韻律。

3)席狀砂。在剖面上呈薄層板狀，側向厚度變化小，常與灰綠色、灰黑色泥巖相鄰(圖7)。巖性以粉砂巖為主，含少量砂巖，發(fā)育平行層理、波狀交錯層理等，垂向上呈均質韻律或反韻律特征。席狀砂厚度一般為0.34～0.83 m，寬度為100～124 m，寬厚比為121～354。

圖7 灤平盆地桑園剖面西瓜園組席狀砂剖面形態(tài)及巖性特征Fig.7 Profile characteristics and lithofacies of sheet sand in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

3種成因單元在剖面上最重要的識別標志為剖面形態(tài)差異，即分流河道的頂平底凸狀、河口壩的底平頂凸狀以及席狀砂的薄層板狀。應用無人機測量的數(shù)字露頭模型，根據(jù)成因單元的剖面形態(tài)識別標志，繪制了桑園剖面成因單元剖面分布圖，對剖面中各成因單元的比例進行了統(tǒng)計分析。在整個剖面中，砂(礫)巖體占比為31.67%。在砂(礫)巖體中，分流河道與河口壩發(fā)育程度高，占比分別為53.42%及45.27%。席狀砂發(fā)育程度低，占比僅為1.31%(圖8)。

垂向上，研究區(qū)扇三角洲平原—前緣砂(礫)巖體與前三角洲—淺湖泥巖互層，多期砂(礫)巖體之間發(fā)育較為穩(wěn)定的泥質層，部分分流河道會切穿下伏泥質隔層導致2期砂礫巖體垂向連通。側向上，部分砂(礫)巖體側向切疊或疊置，砂(礫)巖體側向連通，另一部分砂(礫)巖體兩側發(fā)育較為穩(wěn)定的粉砂—泥質沉積。砂(礫)巖體的空間疊置樣式多樣，包括分流河道側向—垂向切疊型、分流河道深切河口壩型、分流河道與河口壩側向疊置型、河口壩側向疊置型、河口壩孤立型及席狀砂孤立型(圖9)。在分流河道深切河口壩型中，分流河道下切能力強，分流河道下部易發(fā)育殘余反韻律河口壩，河口壩厚度與分流河道相比明顯較薄。在分流河道與河口壩側向疊置型中，當分流河道規(guī)模較小時(寬度小于20 m，厚度小于1.5 m)，分流河道邊部易發(fā)育反韻律河口壩，河口壩厚度較?。划敺至骱拥酪?guī)模較大時，其邊部易發(fā)育正韻律河口壩。而圖8-B中用紅色箭頭指示的發(fā)育在規(guī)模較大的分流河道附近的厚層反韻律河口壩砂礫巖體，其內部結構與上述厚度較薄的反韻律河口壩不同，為特殊類型的反韻律河口壩砂礫巖體。

圖9 灤平盆地桑園剖面扇三角洲沉積構型模式圖Fig.9 Architecture pattern of fan delta of Sangyuan outcrop，Luanping Basin

4 河口壩粒度韻律特征及形成機理探討

本節(jié)以典型的具有底平頂凸剖面形態(tài)的河口壩為對象，研究河口壩內部垂向粒度韻律特征，并開展水槽模擬實驗，探討桑園剖面河口壩不同韻律特征的形成機理。

4.1 河口壩粒度韻律特征4.1.1 河口壩增生體韻律特征

河口壩通常由多期增生體組成，增生體為河口壩內部的單一韻律層，其頂部及底部可見粒度突變界面，厚度規(guī)模差異大，多介于0.2～4 m之間(圖10)，可根據(jù)巖性變化將該河口壩劃分為5個增生體(紅色虛線為巖性突變界面)。自下而上對5個增生體進行編號，①號增生體巖性以粗砂巖為主；②號增生體底部為細礫巖，向上逐漸過渡為粗砂巖；③號增生體底部為小礫巖，向上逐漸過渡為粗砂巖；④號增生體巖性為小礫巖；⑤號增生體巖性為中、粗砂巖。

測量分析表明，增生體的粒度韻律與巖性密切相關。當增生體主要由砂巖組成時，呈粒度反韻律特征，底部主要發(fā)育平行層理、交錯層理中細砂巖，向上逐漸變?yōu)槠叫袑永泶稚皫r。如 圖11 柱1及柱2所示，分流河道砂體下伏的河口壩由多個砂質增生體組成，每個增生體均呈反韻律特征。下部增生體規(guī)模小、厚度薄(約為0.7 m)，巖性以中細砂巖為主，向上增生體規(guī)模變大、厚度變厚(約為5.5 m)，且沉積物粒度變粗，發(fā)育平行層理中細砂巖—粗砂巖。增生體頂部被分流河道侵蝕，其間發(fā)育沖刷面。

當增生體主要由礫巖組成(礫巖厚度大于30%)時，呈粒度正韻律特征，底部以塊狀礫巖為主，向上逐漸變?yōu)閴K狀粗砂巖、交錯層理粗砂巖等。如 圖11 柱3所示，分流河道砂體下伏的河口壩由多個礫質增生體組成，每個增生體均呈正韻律特征，增生體底部發(fā)育塊狀小礫巖或塊狀細礫巖，頂部發(fā)育塊狀粗砂巖。增生體頂部被分流河道侵蝕，其間發(fā)育沖刷面。

圖12 灤平盆地桑園剖面西瓜園組扇三角洲河口壩內部增生體韻律性與沉積物粒度的關系Fig.12 Relationship between vertical grain-size trend of accretion bodies and grain size of sediment within mouth bar in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

圖13 灤平盆地桑園剖面西瓜園組多期正反韻律增生體疊置而成的反韻律河口壩沉積特征Fig.13 Sedimentary characteristics of coarsening-upward mouth bar which is characterized by fining-up successions coupled with coarsening-up successions in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

筆者在具有不同韻律特征的河口壩增生體內部取樣并進行粒度分析。統(tǒng)計表明，沉積物粒度中值小于1000 μm時，河口壩內部增生體呈現(xiàn)出反韻律的特征；沉積物粒度中值大于1000 μm時，河口壩內部增生體多呈現(xiàn)出正韻律特征(圖12)。沉積物粒度差異為影響河口壩內部增生體韻律性的重要因素。

4.1.2 河口壩整體韻律特征

由多期增生體疊置而成的河口壩，既可呈反韻律特征又可呈正韻律特征。

反韻律河口壩：整體呈粒度反韻律，可呈現(xiàn)多期反韻律增生體疊置、正韻律增生體疊置及正反韻律增生體疊置。圖11展示了多期反韻律增生體疊置及多期正韻律增生體疊置的反韻律河口壩特征，多期反韻律增生體疊置的河口壩底部主要發(fā)育平行層理細砂巖，向上逐漸變?yōu)槠叫袑永碇猩皫r及平行層理粗砂巖；多期正韻律增生體疊置的河口壩底部以塊狀砂巖為主，向上逐漸變粗，以塊狀礫巖為主。圖13則為正反韻律增生體疊置而成的反韻律河口壩，底部以平行層理中細砂巖、槽狀交錯層理砂巖為主，向上逐漸變粗，以塊狀礫巖為主。砂(礫)巖體整體呈現(xiàn)出底平頂凸的剖面形態(tài)特征，其內部未見分流河道下切及頂平底凸的分流河道標志性剖面特征(圖13)。因此，該砂(礫)巖體為完整的河口壩沉積，下部發(fā)育反韻律增生體，巖性為砂巖；中上部發(fā)育多期正韻律增生體，巖性以礫巖及粗砂巖為主。其中，由正韻律增生體疊置及正反韻律增生體疊置而成的反韻律河口壩為圖8-B中特征類型的反韻律河口壩砂礫巖體，其內部河口壩增生體仍多呈現(xiàn)正韻律特征。在桑園剖面河口壩砂(礫)巖體中，反韻律河口壩占比為43.05%。

圖14 灤平盆地桑園剖面西瓜園組多期正韻律增生體疊置而成的正韻律河口壩沉積特征Fig.14 Sedimentary characteristics of fining-upward mouth bar which is characterized by repeating fining-upward packages in Sangyuan outcrop of the Xiguayuan Formation，Luanping Basin

正韻律河口壩：整體呈粒度正韻律，內部呈現(xiàn)多期正韻律增生體疊置。巖性以礫巖為主，砂巖含量相對較少，發(fā)育平行層理及塊狀構造。如圖14 所示，正韻律河口壩底部以塊狀礫巖為主，向上逐漸轉變?yōu)閴K狀砂巖及平行層理砂巖。據(jù)統(tǒng)計，在桑園剖面河口壩砂(礫)巖體中，正韻律河口壩占比為56.95%。

4.2 河口壩粒度韻律特征的形成機理探討

沉積物由河道搬運至湖盆時，河口處沉積物的沉積主要受底床摩擦力及慣性力的共同影響(Wright，1977；Postma，1990；Wangetal.，2015)。在摩擦力主控的水流擴散模式下，沉積物粒度沿前積層面逐漸減小，增生體易顯示出反韻律特征；而在慣性力主控的水流擴散模式下，沉積物粒度沿前積層面逐漸增大，增生體易顯示出正韻律特征。河口處的水流擴散模式取決于河口處的反映流體流態(tài)的弗勞德數(shù)(Fr)與雷諾數(shù)(Re)的大小(Wright，1977)，

(1)

(2)

其中，v為河口處平均流速，h0與b0分別為河口河道深度及寬度，μ為流體黏度。前人研究表明，當Fr大于16.1或者Re大于2300時，流體表現(xiàn)為完全湍流狀態(tài)，河口處水流擴散模式為慣性力主導(Hayashietal.，1967；Barkleyetal.，2015)。當Fr小于16.1或Re小于2300時，水流擴散模式逐漸轉變?yōu)槟Σ亮χ骺亍?/p>

A為粗粒河口壩：A1為切物源剖面，A2為順物源剖面，A3為柱狀圖(展示A1黑框處及A2黑色實線處沉積物垂向分布情況)B為細粒河口壩：B1為切物源剖面，B2為順物源剖面，B3為柱狀圖(展示B1黑框處及B2黑色實線處沉積物垂向分布情況)圖15 水槽模擬實驗的粗粒河口壩與細粒河口壩增生體內部沉積物分布情況Fig.15 Sediment distribution in accretion bodies of coarse-grained and fine-grained mouth bars in flume experiments

從弗勞德數(shù)與雷諾數(shù)的計算公式可以看出，在同一河口系統(tǒng)下，影響兩者的主要參數(shù)為流體流速及黏度。與流速相關的地質因素包括流量、沉積物底形坡度等；與黏度相關的地質因素包括沉積物粒度、泥質含量等。由于野外露頭上僅能觀察到沉積物粒度差異，因此這里重點探討沉積物粒度對河口壩增生體韻律性的影響。

筆者分別對粗粒和細粒河口壩增生體在河口處的沉積過程進行了水槽模擬，觀察不同粒度沉積物沿前積層面的排列方式。沉積物粒度的設置參考桑園剖面扇三角洲河口壩增生體韻律差異的粒度臨界值(1000 μm)，同時考慮到水槽模擬實驗規(guī)模較野外露頭沉積小，設置粗粒沉積物粒度中值為712 μm，細粒沉積物粒度中值為228 μm。在沉積過程中，流量、初始流速、湖平面及沉積底形坡度始終保持一致。

研究發(fā)現(xiàn)，在細粒河口壩增生體水槽模擬實驗中，粒度較粗的沉積物沉積在前積層近端，粒度較細的沉積物搬運距離較遠，在遠端沉積(圖15-A2)；而在粗粒河口壩增生體水槽模擬實驗中，沉積物沿前積層面沉積時，粒度較粗的沉積物沉積在遠端，較細粒沉積物在近端沉積(圖15-B2)。這是由于沉積物粒度越細，流體黏度隨細粒物質含量增高而增大，導致河口處Re降低，水流擴散模式為摩擦力主控，沉積物沿前積層面沉積時，相對粗粒物質受到較大底床摩擦力的阻礙，沉積在前積層近端。而在粗粒實驗中，沉積物在河口處的沉積過程主要受慣性力影響，相對粗粒物質在較大慣性力的控制下沉積在遠端。

沉積物在湖盆水體內向前搬運并不斷沉積，沉積物粒度隨搬運距離增加而減小，但對于同一個增生體來說，沉積物粒度減小的幅度很小，幾乎可以忽略不計，因此在底床摩擦力主控的沉積模式下河口壩內部細粒增生體呈反韻律特征，在慣性力主控的沉積模式下河口壩內部粗粒增生體呈正韻律特征(圖15)。

河口壩的整體韻律性受控于增生體的垂向疊置樣式。當向上疊置的增生體變粗時，河口壩呈反韻律特征；而當向上疊置的增生體變細時，河口壩呈正韻律特征。

5 結論

1)灤平盆地桑園剖面西瓜園組扇三角洲前緣既發(fā)育分流河道，又發(fā)育河口壩，前者在整個剖面中占砂(礫)巖體的53.42%，后者占45.27%，另外還包含1.31%的席狀砂。河口壩在剖面上呈底平頂凸狀，厚度一般為1～8 m，最大厚度可達15 m；寬度為94～282 m，寬厚比為13～121；巖性以礫巖、砂巖為主，發(fā)育塊狀構造、交錯層理及平行層理等，垂向粒度韻律復雜，即可呈正韻律又可呈反韻律。

2)沉積物粒度對扇三角洲河口壩內部增生體的韻律具有較大的影響。當河口壩增生體主要由砂巖組成時，主要呈反韻律特征，其河口水流擴散模式為摩擦力主控，粒度較粗的沉積物受到較大底床摩擦力的阻礙，沉積在前積層近端，粒度較細的沉積物搬運距離較遠而在遠端沉積，從而形成反韻律增生體；而當河口壩增生體主要由礫巖組成時，主要呈正韻律特征，其河口水流擴散模式為慣性力主控，粒度較粗的沉積物在較大慣性力的控制下沉積在遠端，較細粒沉積物則在近端沉積，從而形成正韻律河口壩增生體。河口壩整體韻律受控于增生體的垂向疊置樣式，既可呈反韻律特征又可呈正韻律特征。

致謝中國石油大學(北京)朱筱敏教授、紀友亮教授在文章撰寫階段提供了寶貴意見，在此表示衷心感謝。感謝3位稿件評審專家給稿件修改提出的很好的意見和建議。