內蒙古岱海元子溝沖積扇內部構型特征及分布規律

馮 爍， 于興河， 李順利， 付 超， 彭子霄， 徐 帥

( 1. 中國地質大學( 北京) 能源學院，北京 100083； 2. 中國石油東方地球物理勘探公司，河北 涿州 072751 )

0 引言

沖積扇沉積體系在中國各大陸相含油氣盆地內部廣泛發育，具有規模龐大、生儲蓋配置良好等特點[1]。準噶爾盆地沖積扇體系油氣勘探獲得突破，具有良好的勘探潛力[2]。由于點物源沖積扇以單點方式為扇體發育提供物源，具有單一水道供給、分支水道發育的輻射狀外觀形態[3]，位于出山口處的單一水道為扇體的物源供給點。點物源沖積扇有較強的非均質性，有關點物源沖積扇的研究相對滯后。細粒沉積的復雜成因與結構特性使得研究進展較為緩慢[4-5]，導致油氣資源量不能接替粗粒沉積[1]，以砂礫巖為主的粗粒沉積成為研究熱點[6]。

有關岱海盆地沉積特征的研究多集中于沉積亞相[3]、流體性質對三角洲前緣沉積的影響[7]，以及河流對沉積構造特征的耦合[8]。于興河等在對內蒙古岱海湖現代三角洲沉積考察的過程中，總結岱海盆地辮狀河三角洲的沉積特征，并類比中國東部陸相含油氣盆地的沉積特征[9]。高白水描述河谷類型及河流各個分段的特征，細化岱海盆地河流相的展布，認為物源供給和湖底坡降是控制各粒級沉積物分布深度的重要因素[10]。沖積扇沉積構型需要實例支撐，且不同類型的沖積扇在構型特征上存在較大的差異[11]。岱海元子溝沖積扇是具有斷陷湖盆沉積背景的沖積扇，且發育較多連續且完整的剖面，關于岱海盆地沖積扇研究，尤其是扇體內部構型及沉積特征規律研究相對較少。

以岱海元子溝沖積扇為例，筆者利用野外露頭觀察、剖面精細刻畫等資料，結合構型精細解釋、構型單元量化數據等，明確研究區內部構型單元類型及組合方式，總結沖積扇沉積特征，歸納構型單元分布規律，為指導相似相帶油氣勘探提供參考。

1 區域地質概況

1.1 地理位置與氣候

岱海盆地位于中國內蒙古自治區涼城縣，年平均降水量為350～450 mm[12]，主要為中溫帶半干旱大陸季風氣候[13]。研究區位于岱海湖西側1 km的元子溝—半灘子區域，發育一條NW—SW向的辮狀河和多個小型河流，露頭位于岱海以北幾公里處的元子溝村西部(見圖1)。受構造與沉積環境因素的影響，研究區有利于點物源沖積扇的形成且具有較好的沉積露頭，選取岱海盆地點物源沖積扇作為研究對象。

圖1 岱海湖元子溝沖積扇平面分布Fig.1 The planer distribution of the Yuanzigou alluvial fan of Daihai Lake

岱海湖在第四紀初已經存在，受到地殼升降運動及氣候變遷影響，湖平面多次漲落，近年來降水量減少，由于水資源過度開采，湖域面積現為78 km2[14]。

1.2 構造沉積特征

岱海湖盆為典型的半地塹斷陷湖盆[15]，北部發育蠻漢山背斜，南部發育馬頭山向斜，西部及中部發育斷裂帶。受中生代燕山運動與喜馬拉雅運動的影響，岱海湖盆發育大量斷裂，上新世末期至第四紀初期產生塊狀升降運動[10]，盆地北部出露較多太古界片麻巖，且河流多為NW—SE向。第四紀初，受地殼升降運動及氣候的影響，導致岱海湖盆南北不對稱且存在較大的坡度差，呈現北岸陡、南岸緩的特點。在“北陡南緩”的構造背景下，元子溝沖積扇在新的構造運動影響下形成。

2 巖相類型與垂向序列

由于同一種層理構造在不同巖性中表示的沉積環境不同[16]，且大多數不止出現在一種沉積環境中，通常不用單個沉積構造進行沉積環境解釋，利用巖相類型及垂向沉積序列的組合可以較為準確地判斷沉積環境。

2.1 巖相類型

在野外露頭觀察及精細描述的基礎上，綜合粒度大小、顆粒支撐形式和沉積構造，元子溝沖積扇采取礫巖的結構成因分類方案。劃分與識別巖相的主要標志是巖性、粒度、沉積構造及顏色等。根據河流沉積物巖相劃分標準[17-19]，巖相的名稱通常用代碼表示，代碼由兩部分組成，第一部分表示巖性及粒度，用一個大寫字母表示，如G表示礫巖，S表示砂巖，F表示粉砂巖，M表示泥巖等；第二部分反映巖相具有的某種沉積構造或顏色，用一個或兩個小寫字母表示，如t表示槽狀交錯層理，p表示板狀交錯層理，m表示塊狀層理等。因此，研究區巖相共劃分10種，即8種礫巖相、1種砂巖相、1種泥巖相(見圖2)。

根據元子溝沖積扇識別巖相，可以反映沉積環境下的沉積過程或作用[20]。其中礫巖巖相較為明顯反映碎屑流沉積[21]，碎屑流內部沉積組分復雜，典型的識別特征為礫巖的雜亂堆積，直立礫石大量發育，為塊狀構造，交錯層理不發育。泥質基質支撐礫巖相Gmm、多級顆粒支撐礫巖相Gcm、粒級層理礫巖相Gg、疊瓦狀礫巖相Gi、槽狀交錯層理礫巖相Gt、板狀交錯層理礫巖相Gp為典型碎屑流沉積巖相。砂巖巖相與泥巖巖相反映牽引流沉積，牽引流服從牛頓內摩擦定律，搬運方式包括溶解負載、懸移負載和床砂負載。槽狀交錯層理砂巖相St是具有典型牽引流沉積特征的巖相。

圖2 元子溝沖積扇典型照片Fig.2 Typical photos of Yuanzigou alluvial fan

2.2 垂向序列

利用垂向序列可以判別沉積體系或沉積相類型，根據沉積厚度、巖相(粒度、沉積構造)及顏色等在垂向上的變化規律建立分布模式[22]。岱海湖元子溝沖積扇識別巖相反映短期沉積過程，不能完整表現研究區沉積環境特點[23]。選擇巖相組合可以更全面體現沉積環境特征。研究區有6種垂向序列組合(見圖3)，不同的垂向序列組合代表不同的沉積水動力條件及在垂向上的沉積演化過程。

2.2.1 FA-1(Gcm-Gmm)

此種巖相組合類型一般為沖積扇扇根的主辮流水道沉積或泥石流沉積體，巖性以中、粗礫和巨礫為主，大小混雜，礫質支撐，多為塊狀構造。底部發育以富礫碎屑流為主的沉積，存在少部分洪流沉積，向上過渡為富礫碎屑流與顆粒流沉積。自下而上分別發育多級顆粒支撐礫巖相Gcm、泥質基質支撐礫巖相Gmm。

2.2.2 FA-2(Gcm-Gi-St)

此種巖相組合類型為扇根外側的分支辮流水道沉積，巖性以中、細礫石為主，大小混雜，底部多見粗礫，整體為礫質及砂質支撐，多為塊狀構造。底部為富礫碎屑流及洪流沉積，向上逐漸變為顆粒流，頂部過渡為穩定牽引流沉積，可見明顯的槽狀交錯層理。自下而上分別發育多級顆粒支撐礫巖相Gcm、疊瓦狀礫巖相Gi、槽狀交錯層理砂巖相St。

2.2.3 FA-3(Gcm-Gg)

此種巖相組合類型為扇根內側的主辮流水道沉積，巖性以中、粗礫石為主，主要為礫質與砂質支撐，多為塊狀構造，扇根存在間歇性洪水水流作用，發育以碎屑流向洪流過渡的沉積，物性較差，沉積速率快，分選、磨圓較差。在組合類型FA-1的基礎上疊置層理礫巖相。自下而上分別發育多級顆粒支撐礫巖相Gcm、粒級層理礫巖相Gg。

圖3 元子溝沖積扇巖相組合序列Fig.3 Lithofacies assemblage sequence of Yuanzigou alluvial fan

2.2.4 FA-4(Gms-Gcm-Gi)

此種巖相組合序列多發育于扇中的分支辮流水道及辮流壩，巖性多以中、粗礫石為主，粒徑大小混雜，礫質支撐，多見直立礫石，分選、磨圓較差，多為塊狀構造，偶爾可見平行層理。由底部的富砂碎屑流沉積向洪流過渡。自下而上分別發育砂質基質支撐礫巖相Gms、多級顆粒支撐礫巖相Gcm、疊瓦狀礫巖相Gi。

2.2.5 FA-5(Gcm-Gms)

此種巖相組合序列發育于扇中的分支辮流水道，巖性多以中、細礫石為主，底部可見粗粒，粒徑分布范圍相對集中，礫質、砂質支撐，多正粒序，分選、磨圓極差，多為塊狀構造。底部富礫碎屑流沉積向上過渡為富砂洪流沉積，礫石排列雜亂。反映水體能量逐漸變小，泥質含量較低，顆粒之間多被中粗砂充填，物性相對較好。自下而上分別發育多級顆粒支撐礫巖相Gcm、砂質基質支撐礫巖相Gms。

2.2.6 FA-6(Gms-Gi-Gt)

此種巖相組合序列多發育于扇中的分支辮流水道沉積和漫洪沉積，巖性以中、細礫石為主，可見砂質充填，偶見較大的直立礫石，礫石的定向排列現象明顯，分選、磨圓較差，可見槽狀交錯層理，底部為砂質支撐礫巖相。向上過渡為疊瓦狀礫巖相和槽狀交錯層理礫巖相，流體性質由洪流逐漸過渡為牽引流，在水流淘洗作用下，顆粒之間相互支撐或被砂質細粒、中粗砂充填，物性相對較好。自下而上分別發育砂質基質支撐礫巖相Gms、疊瓦狀礫巖相Gi、槽狀交錯層理礫巖相Gt。

扇根主要為礫、砂、泥混雜的泥石流沉積(FA-1)，同時伴有主河道沉積。巖石類型以混雜礫巖為主，分選、磨圓極差(FA-2)，沉積物粒度較粗，礫石占比較大，顏色以灰褐色為主，巖石成分以片麻巖、輝綠巖、火山碎屑巖及玄武巖為主，層理不發育，多呈塊狀或不明顯的遞變層理(FA-3)。

扇中位于沖積扇中部，露頭剖面位于扇根剖面下游方向。扇中以礫石層與砂層的不等厚互層為特征，主要為分支辮流水道沉積、辮流壩沉積、漫洪沉積，同時伴有沖溝。地貌坡度明顯變緩，沉積物粒度較扇根的明顯變小(FA-4)，分選、磨圓略有改善，仍然較差，呈次棱角狀和少量渾圓狀，砂質成分明顯變多(FA-5)。礫石的成層性較好，在同一層中緊密排列，主要呈疊瓦狀排列(FA-6)，最大傾角方向為水流上游方向，可見較明顯的平行層理和交錯層理。

3 構型單元類型

通過野外露頭剖面精細刻畫，對元子溝沖積扇內部構型單元進行識別，將構型單元根據沉積微相劃分進行歸類[24]。研究區構型單元特征見表1。其中扇根識別主辮流水道、泥石流沉積及片洪沉積3種構型單元；扇中識別分支辮流水道、辮流壩、漫洪沉積及沖溝4種構型單元(見圖4)。

表1 元子溝沖積扇構型單元特征

3.1 水道

水道是最常見的構型單元之一，在剖面形態上，通常呈頂平底凹不對稱透鏡狀(見表1)。根據研究區水道發育位置及水動力強弱，將水道分為主辮流水道和分支辮流水道。主辮流水道靠近扇體根部，以碎屑流作用為主，內部發育巖相以Gcm、Gmg為主，垂向序列以FA-1為主。分支辮流水道發育于扇體中部，由主辮流水道演化而來，以洪流及牽引流作用為主，內部發育巖相以Gms、Gcm為主，對應發育巖相序列為FA-2和FA-5。野外剖面測量結果表明，主辮流水道構型單元的厚度介于0.5～1.0 m，寬度介于10.0～15.0 m，寬厚比為10.0～30.0。分支辮流水道構型單元厚度介于0.3～0.7 m，寬度介于8.0～10.0 m，寬厚比為11.4～33.3。

3.2 泥石流沉積

泥石流沉積常見于扇根，通常呈塊狀，巖性泥質含量高，以中粗礫巖為主，內部常發育巖相Gmm、Gmg，分選、磨圓較差。垂向序列對應巖相序列FA-1。泥石流沉積構型單元厚度介于0.5～1.0 m，寬度介于5.0～8.0 m，寬厚比為5.0～16.0(見表1)。

3.3 片洪沉積

片洪沉積主要發育于扇根，是洪水順水流方向沖出的扇面沉積，主要發育于早期[25]，平面上呈發散片狀(見表1)。垂向序列對應巖相序列FA-3。以含中細礫巖、粗砂巖為主，分選差，磨圓差至中等，雜基含量高，隨沉積物卸載，頂部發育小型辮流水道，沉積平行層理中粗砂。野外剖面實測結果表明，片洪沉積構型單元厚度介于0.5～0.7 m，寬度介于8.0～10.0 m，寬厚比為11.4～20.0。

圖4 元子溝沖積扇內部構型單元識別Fig.4 Identification of internal configuration units in Yuanzigou alluvial fan

3.4 漫洪沉積

漫洪沉積常見于扇中，通常呈薄餅狀。以含細礫巖、中粗砂巖為主，內部常發育巖相Gt、Gp。垂向序列對應巖相序列FA-6。野外剖面實測結果表明，漫洪沉積構型單元厚度介于0.3～0.5 m，寬度介于15.0～20.0 m，寬厚比為30.0～66.7(見表1)。

3.5 辮流壩

辮流壩是較為常見的構型單元，通常分布于扇中，在剖面上通常呈底平頂凸的透鏡狀(見表1)。垂向序列對應巖相序列FA-4。由于搬運距離較近，粒度整體偏粗，雜基含量偏高，沉積物分選、磨圓較差。野外剖面實測結果表明，辮流壩構型單元厚度介于0.5～0.7 m，寬度介于5.0～8.0 m，寬厚比為7.1～16.0。辮流壩在垂向上呈明顯的反粒序，與水道厚度相近但寬厚比小于水道的。

3.6 沖溝

沖溝位于扇中較高處，下切作用較為頻繁，常見于辮流壩頂部[26]，在剖面上呈底凹頂平不對稱透鏡狀(見表1)，整體粒度相對較細，以中、細礫巖為主，內部發育巖相以Gt、Gms為主。垂向序列對應巖相序列為FA-6。沖溝構型單元厚度介于0.1～0.3 m，寬度介于1.0～2.0 m，寬厚比為3.3～20.0。

4 構型單元分布規律

4.1 疊置方式

根據構型界面限定的沉積單元，構型單元疊置方式具有不同的規模。在構型單元識別基礎上，對元子溝沖積扇同一時期的構型單元疊置方式進行識別，識別4種構型單元疊置方式。第一類為同層位不同期砂礫巖體疊置方式：垂向疊置、側向疊置；第二類為同期不同層位砂礫巖體疊置方式：側向分隔、側向拼接(見表2)。

表2 元子溝沖積扇構型單元疊置方式

元子溝沖積扇為典型陡岸沖積扇，發育較多間歇性洪水[27]，野外露頭觀察和成因砂礫巖體對比表明，元子溝沖積扇扇根主要以物源充足型前積為主，扇中以物源中等型前積為主。

在剖面上，扇根反映主辮流水道在泥石流沉積及片洪沉積中發育。在垂向上表現為多期主辮流水道的疊置(見圖5A)，中間夾雜少量細粒沉積。由于不同時期物源供給及水動力條件不同，垂向上主辮流水道的規模有所不同，以至于扇根不發育壩體。

在剖面上，扇中表現為水道與砂壩的相互轉換，其主要成因為不同期次疊加產生的水道對壩體的分割作用。在垂向上表現為分支辮流水道與辮流壩的側向疊置(見圖5C)與側向拼接(見圖5B)。側向疊置砂體形成于同一層位不同期次，后期形成的砂體部分疊置于前期；側向拼接砂體是在同一期次內被細粒沉積分割而形成的；扇中外側可見側向拼接的接觸方式，但較為少見，主要表現為砂壩與水道的側向接觸，為同一期次沉積時水體流速降低，攜帶沉積物能力下降，逐漸產生沉積分異作用[28]，先滯留的沉積物較為連續，導致后期形成的砂體在側向上接觸。側向分隔(見圖5D)是同一時期形成的兩期河道在平面上彼此不接觸，河道間為富泥質沉積物，扇中邊緣部位沉積物供給相對較差，水動力不足，辮狀水道擺動頻率相對較低。

不同的疊置方式指示不同的沉積物供給強度和水動力條件變化，扇根以多期厚層塊狀堆積的砂礫巖體為主。由于扇根洪水水體能量較大，攜帶沉積物粒度較粗，水道下切作用強，導致水道深度較深，下一期次的沉積物受到上一期次河道形態的限制，水道物源供給較為穩定，從而形成垂向疊置方式。

自扇根到扇中，進積趨勢變緩，水動力下降，物源供給逐漸減弱但保持相對較高的沉積速率，形成的砂體具有較大的厚度。由于水動力條件及物源供給變弱，扇中辮狀水道頻繁沖刷、擺動、改道，形成以帶狀相互交織的砂礫巖體，砂體出現側向分隔、側向疊置和側向拼接的疊置方式，在扇中出現的頻率較高。

由于水動力及物源供給持續減弱，扇端水道規模小，限制水道擺動的因素少，扇端多以窄帶狀分支辮流水道和漫洪砂體沉積，扇中部位形成的砂體平面展布范圍較大，且泥質含量相對較少，物性較好并具有一定厚度，是沖積扇形成儲層最有利的部位[29]，可以成為油氣勘探重點。

圖5 元子溝沖積扇構型平面分布Fig.5 Plane distribution of Yuanzigou alluvial fan configuration

4.2 平面展布

傳統意義上的沖擊扇是在山地河流或間歇性洪流出口處形成的扇狀沉積體[30]，岱海元子溝沖積扇在宏觀形態上近似符合傳統沖積扇的形態特征，由山口向河流下游方向呈放射狀散開，平面形態為錐形或扇狀[31]，并且存在流體性質轉化的過程，從扇根到扇端流體性質逐漸自碎屑流過渡為洪流，為牽引流轉化特征[3]。根據元子溝沖積扇識別7種構型單元，總結平面分布規律(見圖5)并分析成因。

扇根發育以主辮流水道、泥石流沉積及片洪沉積體為主的構型單元，表現為碎屑流沉積特點。粒度自下向上中—粗礫含量逐漸降低，細礫—粗砂含量逐漸增加，整體表現為粒度減小特征。發育的垂向序列FA-1、FA-2、FA-3，表現為主辮流水道搬運的粗粒沉積物與間歇性水流導致的泥石流沉積，以及漫洪沉積攜帶的細粒沉積混合形成高密度的混合物，導致流體黏度較大，形成塊狀內部沉積及分異相對較差，平面上表現為主辮流水道在扇根擺動較小，水道寬度相對變寬。

扇中發育以分支辮流水道、辮流壩、漫洪沉積及沖溝為主的構型單元。根據垂向序列FA-4、FA-5及構型分布規律，分支辮流水道是水動力相對變弱，沉積物被搬運的速度相對降低，粗粒物質受垂向分異作用影響先行沉積，對主辮流水道進行分割而形成的。漫洪沉積是間歇性降水或洪水導致河道中的水流量超過自身的承載能力并漫溢而形成的，與沖溝的形成密切相關，當漫洪沉積形成的漫溢沉積對辮流壩產生侵蝕時，隨水流的不斷下切，在辮流壩的頂部形成沖溝。辮流壩(見圖5C)是早期滯留的粗粒沉積，在對主辮流河道分流的過程中不斷沉積形成的，與垂向序列FA-6具有較好的對應。

5 結論

(1)內蒙古岱海元子溝沖積扇發育10種典型的巖相類型、6種垂向序列，其中巖相類型分別為砂質基質支撐礫巖相Gms、泥質基質支撐礫巖相Gmm、同級顆粒支撐礫巖相Gcs、多級顆粒支撐礫巖相Gcm、粒級層理礫巖相Gg、疊瓦狀礫巖相Gi、槽狀交錯層理礫巖相Gt、板狀交錯層理礫巖相Gp、槽狀交錯層理砂巖相St、塊狀層理泥巖相Mm。其中扇根發育FA-1(Gcm-Gmm)、FA-2(Gcm-Gi-St)、FA-3(Gcm-Gg)巖相序列，扇中發育FA-4(Gms-Gcm-Gi)、FA-5(Gcm-Gms)、FA-6(Gms-Gi-Gt)巖相序列，反映扇根以碎屑流為主、扇中以牽引流為主的流體類型。

(2)元子溝點物源沖積扇發育4種構型單元疊置方式，分別為垂向疊置、側向疊置、側向分隔、側向拼接。扇根發育以垂向疊置為主的構型疊置方式，扇中發育以側向疊置、側向分隔、側向拼接為主的構型疊置方式。

(3)扇根發育主辮流水道、泥石流沉積、片洪沉積3種構型單元，以主辮流水道發育為主體，多以垂向疊置方式沉積；扇中發育分支辮流水道、辮流壩、漫洪沉積、沖溝4種構型單元，以分支辮流水道與辮流壩為主體，多以側向疊置、側向分隔、側向拼接的方式沉積。