關(guān)鍵詞 三角洲；波浪作用；沉積模擬；橫向砂壩；沿岸流

0 引言

三角洲前緣是三角洲中砂巖的集中發(fā)育帶，發(fā)育頗為豐富的砂體類型，其中包括水下分流河道、席狀砂、河口壩和遠(yuǎn)砂壩等，同時也發(fā)育富含有機(jī)質(zhì)的泥頁巖，其共同形成的生儲蓋組合不但有利于油氣的運(yùn)移與聚集，在油氣成藏中也極為重要[1?6]。在前人的研究中發(fā)現(xiàn)，三角洲的發(fā)育受湖平面升降、潮汐作用等多種因素的影響，致使沉積過程和砂體展布大有不同，而物理沉積模擬技術(shù)是研究這些內(nèi)容的重要途徑，該技術(shù)是一種從動態(tài)、正演的角度研究問題的技術(shù)手段，是其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)無法替代的。前人在三角洲模擬實(shí)驗(yàn)研究方面已有較為成熟的經(jīng)驗(yàn)[7?12]，深入研究了辮狀河三角洲[9?11]、扇三角洲[12]中岸線位置、物源差異等因素對三角洲的控制，并分析了三角洲的沉積過程、沉積特征及儲層構(gòu)型。

在近年的研究中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)場、波浪、沿岸流等因素對三角洲沉積過程產(chǎn)生較大影響。姜在興等[13]對盆地體系風(fēng)場—物源—沉積動力學(xué)的研究中發(fā)現(xiàn)，風(fēng)力產(chǎn)生的湖波和湖流，影響了沉積體系的分布；劉翰林[14]在隴東地區(qū)長82段三角洲前緣研究中，提出在岸流和波浪的改造和篩選下，河口砂壩末端側(cè)向遷移的過程；陳林等[15]在盆地西南部延長組長8油層組研究中，也強(qiáng)調(diào)了波浪強(qiáng)烈改造對水下分流河道及河口壩的影響；國外學(xué)者對于波浪作用及波浪產(chǎn)生的波生沿岸流，對岸線沉積物離岸、橫向搬運(yùn)進(jìn)行了研究，并總結(jié)了波浪及沿岸流同河流流量之間的阻塞效應(yīng)[16?20]，I L?nne et al.[21]認(rèn)為波浪造成了前緣砂體的垂向加積，而沿岸流造成了前緣砂體橫向展布及遷移，Anthony[22]發(fā)現(xiàn)波浪、沿岸流及河口組成的小型環(huán)流系統(tǒng)控制著河口處沉積物的搬運(yùn)，且河口處流量越小，波浪作用越明顯。

為正確認(rèn)識波浪作用對三角洲前緣的影響，深入探討波浪作用對三角洲前緣砂體的控制作用機(jī)理，運(yùn)用物理模擬實(shí)驗(yàn)方法，研究隴東地區(qū)長82橫向砂體的發(fā)育機(jī)理及分布特征，并建立相應(yīng)的響應(yīng)模式。這一研究不僅有助于進(jìn)一步掌握波浪作用下三角洲前緣砂體的發(fā)育樣式，而且對油氣精細(xì)勘探和開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

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

1.1 實(shí)驗(yàn)原型分析

本次實(shí)驗(yàn)以鄂爾多斯盆地西南部延長組長82三角洲沉積區(qū)為原型，受盆地的隴西古陸和秦嶺古陸影響，研究區(qū)主要受西南和南部兩大方向物源所控制，向盆地中心發(fā)育沉積類型依次為：辮狀河三角洲平原—辮狀河三角洲前緣—濱淺湖（圖1）；在該沉積期湖盆底部形態(tài)，呈東北較緩、西南較陡的不對稱特征，其中西部環(huán)縣—鎮(zhèn)原一帶最陡[23?26]；氣候主要為溫暖潤濕的亞熱帶季風(fēng)氣候。

該時期三角洲沉積的巖石類型以細(xì)砂巖、粉砂巖、泥巖為主；砂巖分選性良好，粒度概率累積曲線主要為兩段式；其中跳躍總體十分發(fā)育（累積含量為90%～99%）、懸浮總體次之（lt;10%）；跳躍組分存在兩個次總體，反映了長82油層砂體沉積時期強(qiáng)烈的沖刷回流作用。其長82砂體展布受坡折和湖浪改造的雙重控制，在三角洲平原—前緣近端主力砂體呈條帶狀展布，而在三角洲前緣遠(yuǎn)端—淺湖線附近主力砂體沿淺湖線一帶呈坨狀、片狀橫向分布[27]。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與底型設(shè)計(jì)

本次物理模擬實(shí)驗(yàn)在長江大學(xué)CNPC沉積水槽模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。根據(jù)研究區(qū)湖盆底形特征及實(shí)驗(yàn)室條件，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)物源及底形如圖2，其中西南部物源控制下的緩坡辮狀河三角洲沉積區(qū)設(shè)計(jì)坡度為1°～2°，西部物源控制下的陡坡辮狀河三角洲沉積區(qū)設(shè)計(jì)坡度為3°～4°；沉積區(qū)總規(guī)模為6 m×12 m，X方向有效使用范圍0～6.0 m，比例尺為1∶30 000；Y方向有效使用范圍5.5～12.0 m，比例尺為1∶30 000；Z方向厚度比例尺為1∶100。Y=4.0～5.5 m 為固定河道區(qū)，不計(jì)入有效測量范圍；Y=5.5～12.0 m為三角洲沉積區(qū)；Y=12.0～15.0 m為湖區(qū)。造浪裝置選用固定頻率噴射脈沖式造浪器，并置于Y=11 m附近，其1 m遠(yuǎn)處所測波長為20 cm、波高為4 cm。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)研究區(qū)長82油層組砂巖粒度設(shè)置加沙組成如表1所示，其中西部物源粒度較粗，西南部物源粒度較細(xì)。按照自然界中的一般規(guī)律，設(shè)計(jì)洪水期、中水期、枯水期，其流量比例為6∶3∶1。

根據(jù)研究區(qū)長82油層組沉積旋回特征，本次物理模擬實(shí)驗(yàn)共分5個沉積期次，每期實(shí)驗(yàn)按不同實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行了中水期—洪水期—中水期—枯水期的過程模擬。實(shí)驗(yàn)過程中各期實(shí)驗(yàn)條件及水動力參數(shù)見表2。為了對比研究波浪作用與河水流量相對強(qiáng)度差異對三角洲沉積特征差異，設(shè)置一期無浪對照組（Run1），設(shè)置兩期弱浪組（Run2），設(shè)置兩期強(qiáng)浪組（Run3），每期實(shí)驗(yàn)通過改變造浪的方向，對比波浪入射差異。在實(shí)驗(yàn)過程中，每個實(shí)驗(yàn)沉積期湖水位不斷變換，局部呈現(xiàn)為湖退，總體上是一個湖侵的沉積過程。

為了更加準(zhǔn)確地觀察和測量三角洲的沉積過程以及沉積的局部特征，實(shí)驗(yàn)時采取全程錄像記錄、對重要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行拍照，在每輪沉積結(jié)束后鋪設(shè)彩砂，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對三角洲沉積體采用25 cm×25 cm網(wǎng)格進(jìn)行三維切片分析。

2 實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)過程描述

實(shí)驗(yàn)共經(jīng)歷5個期次，在實(shí)驗(yàn)過程中持續(xù)記錄，并詳細(xì)記錄了三角洲沉積過程及橫向砂壩發(fā)育過程（圖3）。

2.1.1 第一沉積期（Run1）

模擬湖退條件下的辮狀河三角洲形成過程，共經(jīng)歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程，歷時50 h（圖3a～d）。湖水位逐漸降低，變化范圍（h）35.0～25.0 cm。中水期三角洲砂體表面發(fā)育一條主水道，隨著主水流的頻繁擺動，砂體發(fā)育的優(yōu)勢方向隨之改變，砂體全方位發(fā)育，呈指狀或鳥足狀；枯水期分流河道非常發(fā)育，主要形成縱向砂壩、斜列砂壩以及河口砂壩；洪水期水流強(qiáng)度大，砂體表面大面積強(qiáng)片流，水流搬運(yùn)較大顆粒向前推進(jìn)，砂壩形態(tài)不明顯。

2.1.2 第二、第三沉積期（Run2?1、Run2?2）

第二、第三沉積期，分別模擬湖水位不變、流量和物源供給較大、波浪作用較小條件下，波浪與砂體正交（90°）和斜交（60°）時辮狀河三角洲沉積發(fā)育過程。

Run2-1：模擬流量（0.9～1.5 L/s），物源供給較大、波浪作用較小，波浪與砂體正交條件下橫向砂壩形成過程，經(jīng)歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程（圖3e～h），歷時40 h，水位變化范圍（h）25.5～23.5 cm。實(shí)驗(yàn)開始后河流沿襲Run1沉積期分流河道入湖，頻繁擺動，先發(fā)育的河口壩疊置于早期河口壩之上，當(dāng)三角洲發(fā)育到Y(jié)=7.5 m附近，波浪對三角洲的前積作用影響明顯，河道向兩側(cè)偏轉(zhuǎn)，以避開正面波浪的水動力干涉，原有指狀的鳥足狀砂壩發(fā)育不明顯，三角洲前緣輪廓近水平狀；當(dāng)三角洲發(fā)育到Y(jié)=8 m處，波浪作用愈加明顯，在河口兩側(cè)砂體上有明顯的侵蝕現(xiàn)象，并攜帶沉積物在前緣砂體表面沉積下來，形成長條狀薄層砂壩，并逆水流方向發(fā)育；當(dāng)三角洲發(fā)育到Y(jié)=8.5 m附近，橫向長條狀砂壩垂向疊置明顯，砂體形態(tài)清晰，肉眼可見；枯水期水流量較小，波浪作用愈加明顯，除河口處少量區(qū)域外，其余前緣砂體表面均發(fā)育橫向砂壩，河道選擇在砂壩間隙流動并入湖；洪水期強(qiáng)片流作用攜帶大量較粗碎屑顆粒，橫向砂壩被后來的沉積物覆蓋，較好地保存下來。

Run2-2：模擬流量（0.9～1.5 L/s），物源供給較大、波浪作用較小，波浪與砂體斜交條件下橫向砂壩形成過程，經(jīng)歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程（圖3i～l），水位變化范圍（h）26.5～24.0 cm。三角洲發(fā)育到Y(jié)=7.5 m附近，波浪對三角洲的前積作用影響明顯，主要體現(xiàn)在河口處泥沙噴射受波浪及沿岸流影響，發(fā)生彎折后向一側(cè)發(fā)育，沉積物在前緣沉積下來。和正交波浪不同的是，斜交波浪侵蝕波浪入射位置的沉積物，并被沿岸流帶到波浪未波及位置卸載下來，橫向砂壩的發(fā)育不是長條狀逆向發(fā)育，而是沿岸線橫向延展的。洪水期片流作用攜帶的泥沙被波浪淘洗和橫向砂壩砂體混合在一起，導(dǎo)致砂壩形態(tài)不明顯。

2.1.3 第四、第五沉積期（Run3?1、Run3?2）

第四、第五沉積期，分別模擬湖水位不變、流量和物源供給較小、波浪作用較大條件下，波浪與砂體正交（90°）和斜交（60°）時辮狀河三角洲沉積發(fā)育過程。

Run3-1：模擬流量（0.6～1.2 L/s），物源供給較小、波浪作用較大，波浪與砂體正交條件下橫向砂壩形成過程，經(jīng)歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程（圖3m～p），歷時40 h 水位變化范圍（h）27.5～26.0 cm。三角洲發(fā)育到Y(jié)=6 m附近，前積作用受阻明顯，較Run1和Run2-1砂體厚度明顯增加，Y=7 m附近，橫向砂壩沿岸線大面積發(fā)育，河流改道致使橫向砂壩被侵蝕，隨后又快速發(fā)育；枯水期前緣橫向砂壩大規(guī)模發(fā)育，河道擺動及河口位置受到橫向砂壩的影響，河道不斷切割砂壩周緣，致使砂壩形態(tài)更加明顯。該沉積期橫向砂壩在Y=7 m處開始發(fā)育，并在Y=9 m處保存最終形態(tài)，較Run2-1期橫向砂壩，該期橫向砂壩發(fā)育范圍廣、規(guī)模大且形態(tài)更明顯。

Run3-2：模擬流量（0.6～1.2 L/s），物源供給較小、波浪作用較大，波浪與砂體斜交條件下橫向砂壩形成過程，經(jīng)歷兩次“中水—洪水—中水—枯水”來水過程（圖3q～t），歷時20 h，水位變化范圍（h）29.0～26.0 cm。三角洲發(fā)育到Y(jié)=7 m附近，波浪作用愈加明顯，尤其在枯水期，波浪及沿岸流作用控制著三角洲砂壩的發(fā)育形態(tài)，此時河口壩不發(fā)育，河口處泥沙還未沉積就被沿岸流攜帶至另一側(cè)沉積下來，三角洲整體形態(tài)呈斜向發(fā)育，一側(cè)沉積規(guī)模遠(yuǎn)大于另一側(cè)；三角洲發(fā)育到Y(jié)=9.5 m時，橫向砂壩發(fā)育范圍集中在波浪未波及一側(cè)，且個數(shù)較少、規(guī)模較大，波浪入射一側(cè)砂體受侵蝕和波浪改造現(xiàn)象明顯。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過對實(shí)驗(yàn)過程觀察以及三維切片分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)條件下共識別出水下分流河道砂體、河口壩及橫向砂壩等3種成因類型的砂體。其中橫向砂壩是在實(shí)驗(yàn)中湖水位不斷變化，波浪對三角洲前緣持續(xù)改造，每一輪造浪結(jié)束后都在三角洲前緣形成多個與湖岸平行的砂壩；各期橫向砂壩的分布位置受湖平面的升降控制，當(dāng)湖平面下降時，橫向砂壩向湖盆方向推進(jìn)（圖4）。橫向砂壩特征表現(xiàn)為：在縱剖面上其形態(tài)呈“下平頂凸”的不對稱透鏡狀，厚度較薄，在其后部發(fā)育凹槽。

本次對4輪造浪實(shí)驗(yàn)所形成的橫向砂壩進(jìn)行編號，并測量了其長度和寬度（表3）。其結(jié)果如下：Run2-1沉積期，橫向砂壩的長寬比介于1.0～1.7，平均值為1.5；Run2-2沉積期，橫向砂壩的長寬比介于2～5，平均值為3.3；Run3-1沉積期，橫向砂壩的長寬比介于2.50～5.29，平均值為3.4；Run3-2沉積期，橫向砂壩的長寬比介于4.13～4.60，平均值為4.4。數(shù)據(jù)表明，在不同波浪強(qiáng)度、造浪角度情況下，所形成的橫向砂壩存在明顯差異。

3 橫向砂壩形成機(jī)理

波浪與上游來水在三角洲前緣交互，水流的運(yùn)動速度減小，水流方向受波浪阻擋被迫向兩側(cè)轉(zhuǎn)向，波浪與水流攜帶沉積物卸載在相互作用區(qū)域，形成長條形的砂壩雛形，波浪與水流的交互區(qū)為橫向砂壩堆積區(qū)（圖5）。

3.1 沿岸流使砂壩橫向延伸

波浪與水流交匯時會產(chǎn)生兩條平行于岸線的水流，即沿岸流。在橫向砂壩堆積區(qū)，沿岸流可將波浪和河流帶來的沉積物向砂壩兩側(cè)搬運(yùn)沉積，使砂壩橫向延伸，形成平行于湖岸的橫向砂壩（圖6）。

波浪與水流交匯時會產(chǎn)生平行于岸線的沿岸流。在橫向砂壩堆積區(qū)，沿岸流可將波浪和河流帶來的沉積物向砂壩兩側(cè)搬運(yùn)沉積，使砂壩橫向延伸，形成平行于湖岸的橫向砂壩。Run2-1正交波浪期次，河口兩側(cè)均發(fā)育局部沿岸流（圖6），Run2-2斜交波浪期次，沿岸流沿岸線某一方向入射，攜帶沉積物橫向搬運(yùn)的同時，不斷侵蝕沖溝，使得橫向砂壩形態(tài)更加顯著。

3.2 離岸流、向岸流使砂壩垂向增厚

從對河床底部的波浪擾動開始，在向岸流與離岸流的作用下，波浪破碎沉積物向破浪線聚集開始形成砂壩，并在水動力、沉積物搬運(yùn)、砂壩形態(tài)的相互反饋?zhàn)饔孟掳l(fā)育，最終在壩頂破浪處達(dá)到向岸搬運(yùn)與離岸搬運(yùn)的平衡，形成砂壩，壩后發(fā)育沖溝。

從淺水區(qū)向岸傳播的波浪，與湖底作用產(chǎn)生向岸流，將湖盆的沉積物向岸搬運(yùn)（圖7）。同時，向岸方向波浪破碎之后，受砂壩位置的阻礙作用，回流只能在橫向砂壩間隙中產(chǎn)生，并在間隙中加速，形成離岸流，尤其在Run3-1期橫向砂壩規(guī)模較大、間隙較小的情況下，離岸流作用明顯。離岸流侵蝕并攜帶三角洲前緣砂體表面沉積物及沖溝內(nèi)沉積物向湖盆方向離岸搬運(yùn)，兩者共同作用使砂壩垂向增厚、輪廓清晰。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在三角洲前緣區(qū)，波浪作用對前緣砂體的改造分為3個區(qū)：疊覆區(qū)、淘洗區(qū)及沉積區(qū)。沉積區(qū)在底部離岸流、向岸流和沿岸流共同作用下，形成橫向砂壩；淘洗區(qū)形成沖溝，發(fā)育于橫向砂壩向岸一側(cè)；疊覆區(qū)因沖浪作用主要形成沿湖岸線附近廣布的粒度較細(xì)的沉積物（圖8）。

3.3 橫向砂壩大小受波浪傳播方向、水砂條件變化控制

當(dāng)物源供砂量、來水量相同時，波浪傳播方向與斜交湖岸條件下形成的橫向砂壩長寬比較大；當(dāng)波浪傳播方向相同時，且物源供砂量較少、來水量較弱條件下形成的橫向砂壩長寬比較大（表3）。因此，橫向砂壩大小受波浪傳播方向、水砂條件變化控制。在波浪傳播方向斜交湖岸，并且物源供砂量較少、來水量較弱，形成的橫向砂壩長寬比較大，其分布主要受湖平面變化控制。

3.4 實(shí)驗(yàn)砂體特征與工區(qū)實(shí)際特征對比

實(shí)驗(yàn)中由波浪作用形成的橫向砂壩與湖岸線平行，呈坨狀、帶狀展布的特征。砂體背部形成凹槽，橫向連通性好，在與隴東地區(qū)長82的三角洲前緣砂體平面展布實(shí)際特征進(jìn)行對比時，實(shí)驗(yàn)條件下砂體可劃分出三角洲平原區(qū)、前緣區(qū)和淺湖區(qū)，并且在淺湖區(qū)發(fā)育橫向砂壩，與工區(qū)具有較好耦合關(guān)系（圖1，4）。

4 結(jié)論

（1） 波浪作用影響了河口泥沙的沉積位置，并對三角洲砂體具有侵蝕、改造作用，三角洲前緣發(fā)生侵蝕—再沉積過程，這一過程是三角洲前緣發(fā)育沿岸線展布橫向砂壩的主要因素。

（2） 橫向砂壩形成受波浪、湖平面及水砂條件共同控制。波浪與河口上游來水的相互干涉作用在混合區(qū)形成橫向砂壩；沿岸流使砂壩橫向延伸，離岸流、向岸流使砂壩垂向增厚。

（3） 正交波浪影響下，橫向砂壩逆向疊置發(fā)育，砂體較薄，規(guī)模較?。恍苯徊ɡ擞绊懴?，橫向砂壩沿岸線橫向發(fā)育，并沿波浪入射方向伸展，砂體較厚，且不易保存。波浪作用相對較強(qiáng)時，橫向砂壩連片發(fā)育，發(fā)育期次多且規(guī)模大；波浪作用相對較弱時，橫向砂壩獨(dú)立發(fā)育，發(fā)育期次少且規(guī)模小。

（4） 實(shí)驗(yàn)條件下砂體分布特征與工區(qū)實(shí)際特征較吻合，表明該實(shí)驗(yàn)認(rèn)識對波浪作用下三角洲前緣砂體發(fā)育樣式研究有一定的指導(dǎo)意義。