0 引言

近年來，新疆油田根據(jù)瑪湖凹陷的勘探實踐，提出了退覆式淺水扇三角洲沉積模式[1]，根據(jù)這一模式，在瑪湖凹陷上烏爾禾組和百口泉組發(fā)現(xiàn)三級地質(zhì)儲量超過10×108 t[2]。該沉積模式最重要的特點之一是砂礫巖儲層滿盆分布，形成這一特點的關鍵因素是“山口主槽，控扇延展”[1]，即山口和主槽是向凹陷中心輸送粗碎屑的有利通道，它們的分布控制了扇體的展布，而主槽受控于主斷裂，且部分次級斷裂也控制了次級溝槽的分布，為粗碎屑的搬運提供通道[3]。因此，從根本上說，斷裂的分布對扇體的展布有重要的控制作用。

在百口泉組沉積時期，盆1井西凹陷與瑪湖凹陷同屬于準噶爾盆地相鄰的兩個部分[4]，中石化在該凹陷中部的莊2井也發(fā)現(xiàn)了厚層的含礫粗砂巖。參照瑪湖凹陷勘探實踐推測，這些粗碎屑能夠從物源區(qū)經(jīng)長距離搬運至凹陷中心，斷裂構成的通道起到了重要的導流作用。不同斷裂組合對粗碎屑的導流效率是有差異的，哪種斷裂組合導流能夠更快地將粗碎屑從源區(qū)搬運至凹陷中心，關系到凹陷中心粗碎屑來自凹陷東側(cè)的石西扇還是西側(cè)的中拐扇，直接影響到以后的勘探方向。目前學界關于斷裂對扇體影響的研究主要側(cè)重于斷裂對扇體演化與分布的控制[5?8]，而斷裂組合導流對扇體形態(tài)的影響、對粗碎屑長距離搬運的控制作用研究較少[3]。因此筆者結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)特征，通過一系列沉積物理模擬實驗對這一問題進行了探索。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

準噶爾盆地處于哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊和塔里木板塊之間，是晚古生代至中、新生代持續(xù)發(fā)育的多旋回疊合盆地[9]。盆地大致經(jīng)歷了二疊紀前陸盆地、三疊紀到白堊紀內(nèi)陸坳陷盆地、古近紀以后前陸盆地等多個演化階段[10]。在西北、東北方向的擠壓、壓扭作用下，盆地邊緣形成了大型的邊界斷裂，海西中期至喜馬拉雅時期，因應力調(diào)整派生出一系列與邊界斷裂近于垂直或大角度相交的走滑斷裂[11]。

盆1井西凹陷位于準噶爾盆地中央坳陷區(qū)，北部與瑪湖凹陷以達巴松凸起相隔。在三疊紀百口泉組沉積時期，盆1井西凹陷與瑪湖凹陷是統(tǒng)一的內(nèi)陸坳陷盆地的兩個部分[4]。該時期發(fā)生持續(xù)湖侵[1，12?15]，來自西側(cè)盆緣造山帶與東側(cè)陸梁隆起的物源[16]，在盆1井西凹陷中形成了廣泛的扇三角洲沉積體系[17]。

該凹陷中石化探區(qū)目前處于勘探早期，探井4口，取心16.4 m，百口泉組地震資料品質(zhì)較差，但在多層系見良好的油氣顯示，預示了良好的勘探前景[17]。

2 實驗設計

2.1 地質(zhì)模型重建

地質(zhì)模型的重建是進行沉積物理模擬實驗設計的基礎，以下將從古地形特征、斷裂分布特征、流體性質(zhì)和湖平面變化等4個方面對其進行闡述。

2.1.1 古地形特征

勝利油田勘探開發(fā)研究院結(jié)合地震解釋，根據(jù)印模法恢復了盆1井西凹陷百口泉組的古地形（圖1）。該古地形具有多級平臺—坡折的特點，從西側(cè)向凹陷中部，中拐扇依次經(jīng)歷了三個平臺，從東側(cè)向凹陷中部，石西扇經(jīng)歷了兩個平臺，平臺的坡度大致在0.5°～1.5°，平臺與平臺之間為坡度較大的坡折（圖1）。

2.1.2 斷裂分布特征

盆1井西凹陷西側(cè)斷裂為近于平行的線形，其走向與沉積體系的展布方向較為一致，東側(cè)的斷裂呈人字形交叉，為弧形，它們與盆地邊界斷裂近于垂直或大角度相交（圖1）。它們是盆地邊界斷裂活動時，由于橫向應力調(diào)節(jié)而派生出的高角度走滑斷裂，形成于海西中期以后，斷距很小，有的地震剖面上甚至沒有明顯的斷距（圖2），這些特征與瑪湖凹陷是一致的[9，11，18]。

準噶爾盆地印支運動的區(qū)域主應力主要來自西北和東北[19]，向南構造應力逐漸減小，這一特征體現(xiàn)在從瑪北到瑪西再到瑪南斷裂的密度逐漸減小[11，18]，在盆1井西內(nèi)部也延續(xù)了這一趨勢（圖1）。由此推測，盆1井西凹陷斷裂活動要比瑪湖凹陷弱得多，其走滑斷裂平移距離遠小于瑪湖凹陷的走滑斷裂。因此，盆1井西凹陷走滑斷裂平移對扇體的影響較小，其對扇體的控制主要通過斷裂作為供源通道來實現(xiàn)，這正是本次模擬實驗的關注點。

2.1.3 流體性質(zhì)

百口泉組沉積時期，準噶爾盆地為干旱—半干旱氣候[20?22]，容易暴發(fā)陣發(fā)性洪水和泥石流，流體性質(zhì)為重力流（主要是泥石流）和牽引流，形成的扇體具有旱扇的特點。

該區(qū)巖心有泥巖、泥質(zhì)中粗砂巖、含礫泥質(zhì)中粗砂巖、泥質(zhì)砂礫巖，以粗粒巖性為主；結(jié)構上粗細混雜，分選差，礫石以棱角狀、次棱角狀為主；常見基底式膠結(jié)、雜基支撐結(jié)構（圖3a），顆粒漂浮在雜基中，特別是長條形顆粒豎立在雜基中（圖3b），說明沉積物在搬運過程中快速堆積。沉積構造以塊狀層理、遞變層理為主（圖3a～c），遞變層理以20～30 cm厚最為常見，且反復出現(xiàn)，說明流體具有陣發(fā)性特征，能量不穩(wěn)定，變化頻繁。據(jù)以上特征判斷，流體性質(zhì)為泥石流。沙12井的粒度概率累積曲線主要表現(xiàn)為寬緩的上拱弧形（圖4），根據(jù)典型的粒度概率累計曲線[23]判斷，為顆粒或雜基支撐懸浮搬運，即典型的泥石流。

部分巖心可見沖刷充填構造（圖3d），沖刷面之上的粒度較沖刷面之下的細，分選要好，為河道沉積，為牽引流的沉積結(jié)果。除此之外，沒有發(fā)現(xiàn)其他典型的牽引流特征，這可能與取心較少有關（該區(qū)只有沙12井一口井的取心，合計16.4 m），但是在鄰區(qū)瑪湖凹陷同一層位的巖心中發(fā)現(xiàn)槽狀交錯層理、板狀交錯層理，為典型的牽引流沉積構造[24]。由此推測，本區(qū)也應當發(fā)育牽引流沉積。

2.1.4 湖平面變化

百口泉組沉積時期，瑪湖凹陷與盆1井西凹陷為統(tǒng)一的盆地，經(jīng)歷了共同的湖平面升降過程。參照前人對瑪湖凹陷的研究，認為百口泉組整體為一個水體加深不斷湖侵的過程[1，12?15]。

2.2 實驗條件設計

在明確研究區(qū)地質(zhì)條件的基礎上，依托中國石油天然氣集團公司油氣儲層重點實驗室—長江大學湖盆沉積模擬實驗室，筆者設計了一個具有三級平臺—坡折的底形，分別用于模擬三級平臺—坡折背景下無斷裂、平行斷裂和交叉斷裂條件下的扇體沉積形態(tài)，然后將3種實驗所測得的扇體幾何參數(shù)進行對比，研究不同斷裂組合對扇體形態(tài)的影響。

2.2.1 底形設計

設計的模擬實驗水池長5.5 m、寬3.0 m、深0.8 m，最低處為0.5 m寬0.1 m深的水池，用于排水和補水以控制水位變化（圖5）。從低處向高處依次為一級平臺（2°）、二級平臺（5°）和三級平臺（8°），各平臺之間設有垂直高差為8 cm的坡折；一級、二級和三級平臺長度分別為2 m、1.5 m和1.5 m，寬度均為3 m（圖5）。為方便物料桶中的流體流出到各級平臺沉積，在二級和三級平臺上均設有導流槽，每個平臺導流槽的上游較淺下游較深。

一級平臺、二級平臺和三級平臺的坡度依次增加，符合研究區(qū)從盆向源坡度逐漸增加的特點；另外，各平臺的坡度相對于研究區(qū)而言都有所增加，是因為實驗室的水沙關系（水動力與沙粒大小和重量的關系）不是自然界的水沙關系的等比例縮小，沉積物理模型是變態(tài)模型，如果平臺坡度與研究區(qū)平臺坡度一致，則在實驗條件下，水流難以將碎屑物質(zhì)向前搬運，因此，設計各級平臺坡度比研究區(qū)平臺的坡度大，這也是國外沉積模擬實驗中的通行做法[25?26]。

為了對比，對多級平臺—坡折基礎底形進行改造，設計了3種底形的實驗。

（1） 三級平臺—坡折無斷裂導流實驗

該實驗底形上左右兩側(cè)設置兩個物源（設置兩個物源主要是因為實驗場地有限，在實際地質(zhì)條件中，如果向上游追溯，兩個物源是來自一個物源），分別對應兩個平行的間隔1 m的導流槽。在一級平臺開始實驗前，將一級平臺上的導流槽填平，二三級平臺上的導流槽保留（圖6a）；在二級平臺開始實驗前，則將二級平臺的導流槽填平，三級平臺上的導流槽保留；在三級平臺開始實驗前，將三級平臺上的導流槽填平。保留的導流槽只是作為通道將碎屑物質(zhì)輸送到下一個平臺上沉積；作為沉積場所的平臺，其上的導流槽被填平后，導流槽對扇體的展布沒有影響。因此，這個底形上的實驗相當于無導流槽實驗，用于模擬無斷裂條件下扇體的發(fā)育形態(tài)，并將其與另外兩個實驗對比，分析不同斷裂組合對扇體形態(tài)的影響。

（2） 三級平臺—坡折平行斷裂導流實驗

在實驗（1）底形的基礎上，各平臺實驗前，保留導流槽，無需填平（圖6b），以此模擬平臺上平行斷裂對扇體形態(tài)的影響，同樣也設置左右兩個物源（設置兩個物源的原因同實驗（1））。

（3） 三級平臺—坡折交叉斷裂導流實驗

人字形交叉斷裂導流實驗底形上，一級平臺斷裂跨度1 m；二級平臺斷裂在坡折處跨度1.5 m；三級平臺斷裂在坡折處跨度2 m（圖6c），實驗過程中，各導流槽均不需填平，物源直接在各級平臺人字形的交叉點釋放。該實驗用于模擬交叉斷裂對扇體形態(tài)的影響。

2.2.2 供源配比

根據(jù)研究區(qū)的巖心資料（圖3）、粒度分析（圖4）以及參照瑪湖凹陷的沉積物理模擬實驗[13]，筆者設計了重力流和牽引流交替來模擬扇三角洲的建造過程。

重力流中清水體積為60%，泥沙體積為40%，其中含礫粗砂、中細砂、粉砂、泥漿（泥漿中黏土主要成分是高嶺石和伊利石，含量80%～90%）之間體積比是9∶11∶5∶15，泥沙比為0.6。泥沙水放置于物料桶中，用攪拌器充分攪拌，然后打開物料桶的閥門直接排放，流量約為0.91～1.05 L/s，流速約為1.22～1.44 m/s，12 ℃～15 ℃條件下黏度為2.6～3.5 mpa·s，直到排放完畢，才停止攪拌（圖7a）。

牽引流是通過物料桶釋放循環(huán)水（從實驗池將水抽到物料桶，再通過物料桶的閥門釋放），在這一過程中，需根據(jù)扇體的沉積、沖刷情況，在物料桶出水口間歇性地加入一些中細砂，確保輸沙平衡。牽引流持續(xù)時間約為30 min，流速為0.46 ～0.73 m/s（圖7b）。

2.2.3 實驗過程控制

雙物源無斷裂實驗和平行斷裂導流實驗中，單個物源的重力流每輪供源50 L，每個平臺上做三輪實驗；單物源交叉斷裂導流實驗每輪重力流供源75 L，每個平臺上做4輪實驗。這樣，每個平臺所沉積的重力流供源都是300 L，便于不同實驗之間進行對比。每一輪實驗包括一次重力流沉積和一次牽引流改造。每個平臺上每一輪實驗結(jié)束后，測量扇體的長度和寬度，計算長寬比。

所有實驗都是模擬整體水位上升、湖侵的過程，雖然不同實驗的水位控制略有差異，但基本與平行斷裂導流實驗中水位變化相同（表1）。各級平臺實驗開始時，水位均在平臺坡底附近，每輪實驗中重力流過程持續(xù)95～110 s；重力流沉積結(jié)束后，水位抬升1～2 cm（相當于湖侵），然后開始牽引流改造，這一階段持續(xù)時間約為30 min，牽引流改造過程中，水位緩慢下降，扇體逐漸向盆地方向進積。各級平臺上后一輪沉積的初始水位比前一輪沉積的初始水位略高，模擬小范圍的湖侵。一級平臺結(jié)束后水位抬升至二級平臺坡底開始二級平臺的沉積，從一級平臺到二級平臺的過渡是一個快速湖侵的過程，二級平臺到三級平臺也是如此。

3 實驗結(jié)果

從扇體的最終形態(tài)來看，無斷裂導流形成的扇體沉積范圍最廣，扇體橫向展布最為發(fā)育，隨著平臺坡度的增大，扇體的長度依次增加，寬度依次減小，長寬比依次增大（圖8a、圖9）。

平行斷裂導流形成的扇體，其長度、寬度、長寬比與平臺坡度的關系與前一實驗一致，但平行斷裂導流實驗各級平臺上扇體的長度均比前一實驗大，寬度均比其小，長寬比均比其大（圖8b、圖9）。

交叉斷裂導流形成的扇體，其長度、寬度、長寬比與坡度之間沒有明顯的相關性（圖8c、圖9），長寬比總體處于0.79～0.87，特別是三級平臺（8°）上扇體的長度、寬度、長寬比與一級平臺（2°）的基本相當。

4 分析與討論

4.1 不同斷裂組合的導流功能差異

平臺無斷裂作導流槽時，進入平臺區(qū)的碎屑物質(zhì)自由堆積，向各個方向自由擴展（圖10a～c）。牽引流對扇體的改造有限，扇體主要是由重力流建造的，而重力流是靠重力沿下坡方向的分力來驅(qū)動的，因此，平臺坡度越大，沿下坡方向的分力越大，重力流運動的速度越快，形成的扇體越長，相應的寬度也就越小、長寬比越大（圖9）。平臺坡度對扇體形態(tài)的這種影響也存在于另外兩個實驗中。

平行斷裂導流實驗形成的扇體，比無斷裂導流條件下形成的扇體長度更大、寬度更小、長寬比也更大，很顯然造成這種差異的原因是平行斷裂的存在。平行斷裂的走向與流體運動方向幾乎一致，是碎屑物質(zhì)的搬運通道（圖10d～f），通道可聚流，使通道內(nèi)動能更強、碎屑物質(zhì)的搬運效率更高，有利于扇體的延伸。在物源供應量一定的條件下，長度增加，寬度必然較小，從而使長寬比增加。不僅如此，隨著平臺坡度的增加，該實驗與無斷裂導流實驗中對應平臺上扇體的長度之差越來越大（圖9a），說明坡度越大，平行的線形斷裂的導流作用越明顯。

人字形交叉斷裂的走向與流體的主要運動方向存在夾角θ（圖11），因此，交叉斷裂作為搬運通道，在將碎屑物質(zhì)向下游搬運的同時，還要將其向兩側(cè)搬運。當θ 小于45°時（實驗中交叉斷裂最大跨度2 m，平臺最小長度1.5 m，因此實驗中所有θ 都小于45°），仍以縱向?qū)Я鳛橹鳌M向?qū)Я鳛檩o，表現(xiàn)為以扇體的延長為主、展寬為輔；當θ 趨于0°時，交叉斷裂就變成了平行斷裂，此時縱向?qū)Я餍首罡?，橫向?qū)Я餍首畹?，扇體的延長非常明顯。

綜上所述，將三種情況進行比較可知：無斷裂導流時，扇體的延長最弱，展寬最明顯；平行斷裂導流時，扇體延長最明顯，展寬最弱；交叉斷裂導流時，扇體延長和展寬都居中。

4.2 兩種斷裂組合對扇體形態(tài)的影響

按照前述結(jié)論，平行斷裂導流形成的扇體的長寬比應該大于交叉斷裂導流形成的扇體，但實驗結(jié)果卻是相反的，不僅后者的長寬比大于前者，而且后者的長度也大于前者（圖9）。

平行斷裂導流實驗和交叉斷裂導流實驗形成的扇體都是多輪流體作用下的復合扇體，都可分為斷裂被填滿前和被填滿后兩個階段。斷裂被填滿前，斷裂是在發(fā)揮導流槽作用的，對扇體的形態(tài)有明顯影響，這一階段的實驗才是真正意義上的平行斷裂導流實驗和交叉斷裂導流實驗。斷裂被填滿以后，斷裂的導流作用就消失了，這一階段實際上就是無斷裂導流實驗。因此，實驗（2）包括平行斷裂導流實驗和無斷裂導流實驗，實驗（3）包括交叉斷裂導流實驗和無斷裂導流實驗，相應的，這兩個實驗形成的扇體都是由有斷裂控制的扇體和無斷裂控制的扇體的疊加。由于先成扇體的堆積占據(jù)了原斷裂及其上方的可容空間，不受斷裂影響的非限定性河道只能尋找其他可容空間進行堆積，主要堆積在先成扇體的兩側(cè)，即原斷裂的兩側(cè)。因此，綜合結(jié)果表現(xiàn)為復合扇體相對于斷裂導流形成的先成扇體變寬了。

平行斷裂導流實驗中導流槽的間距是1 m，交叉斷裂導流實驗中一級平臺上斷裂跨度也是1 m，二者一級平臺上扇體寬度的基礎是相同的，可進行對比分析。平行斷裂導流實驗的一級平臺，大約經(jīng)過5 s導流槽就被填滿（圖10d），5 s以后導流槽的縱向?qū)Я鞴δ芟?，其后的實驗都與無斷裂導流相同；而交叉斷裂導流實驗的一級平臺經(jīng)過一輪（一輪重力流95～110 s）才基本填滿（圖12），之后的實驗也與無斷裂導流相同。雖然交叉斷裂的縱向?qū)Я餍什蝗缙叫袛嗔训男矢?，但交叉斷裂發(fā)揮導流作用的時間遠遠長于后者，這種“龜兔賽跑”的效應是其扇體長度大于后者的主要原因。當然，供源量相同，扇體長度大，寬度自然就小，長寬比也就較大了。

平行斷裂導流實驗二級平臺上導流槽被填滿的時間與一級平臺基本相當（大約5 s），但交叉斷裂導流實驗二級平臺上斷裂需要2 輪實驗才填滿（約3 790 s）（圖12），因此，按照上述“龜兔賽跑”的邏輯推測，后者扇體的長度應該比一級平臺扇體更長。但交叉斷裂導流實驗二級平臺上斷裂跨度是1.5 m，超過一級平臺0.5 m，θ 比一級平臺更大，使其橫向?qū)Я餍实玫教嵘?，這在一定程度上抵消了本應得到加強的縱向?qū)Я餍?，最終二級平臺上扇體長度略小于一級平臺，二者幾乎是相等的。

盡管三級平臺上交叉斷裂跨度是2 m，是一級平臺的2倍，超過二級平臺0.5 m，θ 比一二級平臺都大，其橫向?qū)Я餍蕬^一級和二級平臺，在相同時間內(nèi)能更大程度地減弱縱向?qū)Я餍剩赡苄纬梢粋€比一二級平臺長度更短的扇體。但是，三級平臺的θ 仍然小于45°，縱向?qū)Я餍孰m然有所降低但仍高于橫向?qū)Я?，扇體仍以延長為主，另外，三級平臺上斷裂經(jīng)過3輪才填滿（約5 690 s）（圖12），其經(jīng)歷的縱向?qū)Я鲿r間比一二級平臺都長。因此，在時間的加持下，三級平臺上仍有可能形成一個長度較大的扇體，實驗結(jié)果顯示，其長度達到1.91 m，超過了一二級平臺上扇體的長度。同時這一長度也超過了平行斷裂導流實驗三級平臺上的扇體（三級平臺上的平行斷裂只經(jīng)歷了幾秒鐘便被填滿）。

最終，交叉斷裂導流形成的扇體長寬比為0.79～0.87，沒有明顯的變化趨勢，且其長度都大于平行斷裂導流形成的扇體。

從以上分析可知，有斷裂導流條件下形成的復合扇體其長寬比要大于無斷裂導流形成的扇體，且在相同條件下，交叉斷裂導流形成的扇體的長寬比要大于平行斷裂導流形成的扇體，形成這一特征的原因主要取決于斷裂作為通道控制扇體的時間長短。

4.3 局限性與研究意義

研究區(qū)的真實情況要比實驗設計的復雜得多，但由于研究區(qū)勘探程度很低，地質(zhì)信息非常有限，只能依據(jù)有限的信息進行實驗設計，抓住主要因素開展模擬，這是模擬實驗中存在的客觀問題。實驗模型不是研究區(qū)原型的等比例的縮小，也無法通過等比例放大的方式將實驗形成的沉積體放大到研究區(qū)中，并以此作為尋找有利目標的依據(jù)。模擬實驗的目的在于在盡可能貼近實際情況下，開展機理性的研究。因此，盡管研究區(qū)供源西強東弱，但為了便于比較，實驗設計的東西兩個物源總供源量相同。

在研究區(qū)目前鉆井極少、地震品質(zhì)較差的情況下，研究斷裂組合導流控扇這一問題，對于研究退覆式淺水扇三角洲中粗碎屑長距離搬運的機制、明確凹陷中部粗碎屑的來源（來自西側(cè)的中拐扇還是東側(cè)的石西扇）、評估能否在凹陷中部找到大面積的砂礫巖儲層，具有重要的參考意義。

5 結(jié)論

基于沉積模擬實驗對盆1井西凹陷百口泉組斷裂組合導流作用對扇三角洲形態(tài)影響的研究，取得以下結(jié)論。

（1） 垂直于或與邊界斷裂大角度相交的走滑斷裂對扇體的形態(tài)有明顯的控制作用。所有的實驗表明，無論其是平行斷裂還是交叉斷裂，有斷裂導流的扇體，其長寬比都大于無斷裂導流的扇體，這是斷裂導流作用的結(jié)果。

（2） 在斷裂發(fā)育的底形上，復合扇體的發(fā)育通常經(jīng)過斷裂導流和無斷裂導流兩個階段。在斷裂導流階段，平行斷裂的縱向?qū)Я餍瘦^高，形成扇體的長寬比大于交叉斷裂條件下的扇體；斷裂填滿以后，扇體的發(fā)育不受斷裂的影響，相當于無斷裂導流。

（3） 在其他條件相同的情況下，平行斷裂導流形成的復合扇體的長寬比要小于交叉斷裂導流形成的復合扇體，但復合扇體的長寬比不取決于斷裂組合形態(tài)，而取決于斷裂控制流體定向流動的時間長短，即在物源供應充足的條件下，長時間沒有填滿的斷裂，更容易將粗碎屑運移到盆地中心，形成長寬比較大的扇體。