三角洲形成时的水动力条件是三角洲沉积特征及砂体展布规律存在差异的最主要因素。对于湖泊三角洲, 河控三角洲占主导地位, 河流的物源供应强度决定三角洲的形态及其堆积速度。同时相比于海平面的稳定, 由于湖泊面积相对较小, 受季节、气候等因素影响水位变化较大, 在湖泊三角洲形成过程中水位变化也起到了重要作用^[1]。前人对三角洲形成影响因素的研究更多侧重于波浪、河流等因素, 仅有部分学者注意到水位变化对河控三角洲的影响:湖平面的上升与下降会导致三角洲纵向序列与展布范围差异^[2-4]; 水位变化会使河流作用和波浪作用的强度发生变化, 从而影响砂体在横向及垂向的连通性^[5-8]; 不同的水位条件会造成席状砂发育程度的差异^[9-10]。在含油气盆地的解剖中常会发现同一物源形成的三角洲在不同时期既有可能形成满盆皆砂的形态, 也有可能仅在离物源很近的斜坡带发育较少的砂体, 这种现象的存在势必会导致油气富集的巨大差异。前人虽然指出河流作用和水位变化会导致三角洲展布范围的差异, 但都只是定性的描述, 无法满足现今的精细勘探与开发, 因此如何更精确的描述河流作用和水位变化对河控三角洲展布距离的影响是一个亟待解决的问题。笔者以国内外典型河控三角洲为例, 依据卫星照片、地震资料、测录井资料等, 首先从河控级别这一角度进行讨论, 其次系统的测算河控三角洲延伸距离、海拔、前积层长度、沉积水深、三角洲前缘坡角等参数, 从而半定量地探讨水位变化对河控三角洲展布距离的影响。

鄱阳湖位于江西省北部、长江南岸, 是中国最大的淡水湖。赣江、抚河、修水、饶河、信江五大水系汇入湖区, 经湖口注入长江, 构成完整的鄱阳湖水系^[11]。鄱阳湖年度水位变化非常强烈, 可大于10 m^[12-13], 受水位变化的影响鄱阳湖每年丰水期的水域面积可达4 000 km², 而枯水期的水域面积可以降低到小于1 000 km², 其每年三角洲沉积区向北推进和向南收缩的幅度为30~50 km, 在此过程中三角洲的亚相范围、微相的分布等也必然发生剧烈变化, 从而对三角洲砂体的发育和展布规律产生巨大的影响。从google earth卫星照片中可以清楚的观察到鄱阳湖赣江三角洲的形态特征(图 1), 并且地图中有测量海拔、距离的工具, 这为开展鄱阳湖的系统研究提供了有利的条件。

图 1

图 1 鄱阳湖赣江三角洲卫星照片及示意图 Fig.1 Satellite photos and schematic diagram of Ganjiang Delta in Poyang Lake

孤北洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷东北部, 周边发育埕东、桩西、孤岛、长堤4个凸起, 洼陷与凸起之间分别被埕东、桩南、孤北、长堤4个断层分割, 为一东、西、北三面断陷、向中部和南面超覆的洼陷^[14]。洼陷内部发育了孤北低隆起以及东西两个次级洼陷。边界断层的活动以及一隆两洼的构造格局控制了沉积体系的展布。本次研究中重点选取了沙三中亚段地层, 沙三段沉积时期气候较温暖潮湿, 生物大量繁殖, 为盆地的主要生油期, 这一时期发生大规模湖浸, 湖水面积达到沙河街组时期的最大范围。沙三中亚段沉积时期, 沉积相类型较为丰富, 东部陡坡带发育扇三角洲, 西部沿埕东凸起发育大片的近岸水下扇, 南部缓坡带则为汇水区, 发育河控三角洲(图 2), 受湖平面变化的影响, 三角洲砂体展布距离变化较大, 为本次研究提供了良好条件。

图 2

图 2 孤北洼陷沙三中亚段沉积相 Fig.2 Sedimentary facies of Es3z in Gubei Depression

三角洲根据河流、波浪和潮汐作用的相对强弱可以划分为以河流作用为主的河控三角洲、以波浪作用为主的浪控三角洲和以潮汐作用为主的潮控三角洲^[15]。潮汐作用主要影响海相三角洲, 而在中国陆相湖盆中, 波浪作用相对较弱, 因此三角洲多为河控三角洲。受到不同程度河流作用及波浪作用的影响, 河控三角洲会呈现不同的形态及特征。前人关于这方面的研究只定性的进行了讨论, 认为河流作用较强时, 三角洲呈长形或鸟足状, 分流河口砂坝较发育, 大部分被保存下来, 呈“指状砂坝”, 如密西西比河鸟足状三角洲; 河流作用较弱的河控三角洲呈朵状, 形态像一个向海方向突出的半圆形, 三角洲前缘的河口坝易于被冲刷和改造, 形成席状砂, 全新世密西西比河三角洲、欧洲的多瑙河三角洲、非洲的尼日尔三角洲等都属于此类三角洲^[16-19]。河流作用的强度是否能够定量的表示, 不同河流作用强度的三角洲展布距离有什么区别, 都需要进行深入研究。

关于如何定量的表示河流作用的强度, 前人研究认为, 按照河流的发育阶段, 可将河流分为幼年期、壮年期和老年期^[20](图 3)。同一河系, 上游河流属幼年期, 多为山区河流, 许多支流汇成主流; 中游河流为壮年期, 河道宽阔, 形成泛滥平原; 下游的海、湖岸边的河流属于老年期, 与幼年期支流汇集河网的情况相反, 产生很多的分流, 呈网状分叉。对于河流相, 在河流作用最强的壮年期, 多为一条主河道, 且支流较少, 河道宽, 流速快; 而河流作用较弱的幼年期及老年期, 河道均有相对较多的支流, 河道细, 流速较慢。对于河控三角洲, 本次研究将表示河控三角洲各种水动力中河流作用的相对强度称为河控三角洲河控级别, 并通过统计典型河控三角洲卫星照片分流河道的数量和展开角度来定量表示三角洲的河控级别。

图 3

图 3 同一河系河流发育的幼年期、壮年期、老年期3个阶段 Fig.3 Juvenile stage, prime stage and old stage of a river

选取中国鄱阳湖赣江三角洲、美国Wax Lake Delta、Atchafalaya Delta以及加拿大Mossy Delta的卫星照片, 这4个三角洲都是典型的河控三角洲^[21-24](图 4)。将用两个参数来表示河控三角洲的河控级别。一个是三角洲分叉级别与分流河道累计数量关系式中的斜率, 首先定义分流河道发生分叉的点称为分叉点, 且第一次分叉的点称为一级分叉点, 一级分叉点之后每条分流河道再一次分叉的点称为二级分叉点, 以此类推。分别统计了4个典型河控三角洲各分叉级别下的分流河道累积数量, 并作图 5。由图 5可知, 赣江三角洲分叉级别(x)与分流河道累积数量(y)满足关系式y=14.58x-20.69, Mossy Delta分叉级别(x)与分流河道累积数量(y)满足关系式y=13.17 x-14.93, Wax Lake Delta分叉级别(x)与分流河道累积数量(y)满足关系式y=11.02 x-9.6, Atchafalaya Delta分叉级别(x)与分流河道累积数量(y)满足关系式y=5.892 x-4.714, 各三角洲分叉级别与分流河道累积数量呈线性关系, 且相关系数均非常高, 大于0.97。关系式中斜率越大, 说明随着分叉级别的增高分流河道累积数量越多, 河流分叉能力越强, 河流作用越低, 河控级别越低。另一个参数是河控三角洲的展开角度, 如图 4所示, 4个三角洲展开角度依次为109°、94°、86°和68°, 展开角度越大, 说明三角洲向垂直于物源方向的生长能力更强, 向前延伸的能力相对较弱, 河流作用越弱, 河控级别越低。

图 4

图 4 4个典型河控三角洲卫星照片(据文献[25], 有修改) Fig.4 Satellite photos of four typical river dominated deltas (After citation[25], modified)

图 5

图 5 4个典型河控三角洲分叉级别与分流河道累积数量关系 Fig.5 Relationship between split level and cumulative quantity of distributary channel of four typical river dominated deltas

从鄱阳湖赣江三角洲、Mossy Delta、Wax Lake Delta到Atchafalaya Delta, 它们的分叉级别与分流河道累计数量关系式中的斜率和展开角度逐渐减小, 河控级别越来越高, 形态也从扇形逐渐过渡为鸟足形。因此对于河控三角洲, 无论是从形态还是定量参数的统计都可以看出, 河控级别越高, 河流作用越强, 三角洲向顺物源方向发育的能力越强, 向前展布距离越远; 河控级别越低, 河流作用越弱, 三角洲向平行于物源方向的发育能力越强, 向前展布距离越近。

三角洲由三角洲平原、三角洲前缘以及前三角洲组成, 由于湖盆地貌和各亚相沉积物沉积作用的不同, 使得各亚相沉积体坡角不同, 如图 6所示, 三角洲平原和前三角洲坡角一般较小, 而三角洲前缘的坡角相对较大。三角洲平原和前三角洲坡角通常小于5°, 接近于水平。三角洲前缘根据沉积物粒度不同坡角也不同, 细粒沉积一般为3°~5°; 中粒沉积一般大于10°, 粗粒沉积三角洲前缘坡角为20°~30°^[26]。作为油气储层的各类型砂体通常发育在三角洲平原和三角洲前缘之中, 本次研究只考虑水位变化对三角洲平原和三角洲前缘展布距离的影响, 并且假定不同水位条件下河流作用对沉积物的供给能力不变。

图 6

图 6 三角洲平原及三角洲前缘坡角示意图 Fig.6 Schematic diagram for slope angle of delta plain and delta front

三角洲平原的斜坡角通常和湖盆地形有关, 假设平原斜坡角为α(图 6), 那么对于三角洲平原, 则有$\Delta {L_{平原}} = \frac{{\Delta H}}{{{\rm{tan}}\alpha }}$, 其中ΔH为水位的变化, ΔL_平原为三角洲平原在横向上展布距离的变化。而三角洲前缘长期发育在水下, 它作为一个整体, 随着自身向前延伸, 其海拔高度和坡角是如何变化的, 三角洲前缘展布距离是如何受到水位变化影响的这些问题则需要展开讨论。

为了测量三角洲延伸距离、海拔等参数, 高精度的卫星照片和适合的工具是研究的前提, 本次研究综合考虑了以上问题, 最终选取了鄱阳湖赣江三角洲作为研究对象, 应用google earth中的海拔和距离测量工具对其进行了系统测算。

图 1(b)为根据鄱阳湖赣江三角洲前缘卫星照片简化的分流河道和河口坝复合体的组成示意图, 其中的数字为分叉点, 1表示1级分叉点, 2表示2级分叉点, 以此类推。本次研究对易于识别的分叉点的海拔高度及其与1级分叉点的直线距离进行了测量, 原始数据见表 1。对各级分叉点数据求平均值, 作图可以得出几组数据的关系。由图 7(a)可看出, 分叉级别(x)与平均海拔(y)之间呈对数关系, 满足关系式y=-3.48ln x+18.03, 相关系数达到0.943, 随着分叉级别的增大, 平均海拔逐渐减小, 趋向于一个最小值, 为测量时的最低水位; 由图 7(b)可看出, 分叉级别(x)与三角洲延伸距离(y)之间也为对数关系, 满足关系式y=5 760ln x+172.7, 相关系数为0.99, 表示随着分叉级别的增大, 三角洲延伸距离逐渐增大趋近与一个最大值, 即测量时三角洲延伸的最大距离; 图 7(c)反映了三角洲延伸距离与海拔之间的关系, 同样呈对数关系, 满足关系式y=-5.91ln x+66.33, 相关系数为0.909, 表示随着三角洲向前延伸, 三角洲前缘平均海拔高度逐渐减小趋向于一个最小值, 即测量时的最低水位; 图 7(d)反映了三角洲延伸距离同三角洲前缘平均坡角之间的关系, 有数据的部分为实测段, 表示随着三角洲向前延伸, 前缘坡角逐渐增大到最大值, 但由于卫星照片水下部分海拔以及坡角无法测量和计算, 并且由前人研究成果可知, 前三角洲坡角通常小于三角洲前缘坡角^[20], 因此三角洲前缘坡角不会一直增大, 到达最大值后在三角洲前缘与前三角洲的过渡部分坡角会减小, 图中的虚线段反映了这一特征。由以上规律可以总结出, 对于三角洲前缘, 随着其向前延伸, 海拔高度呈现对数性减小, 直到前三角洲的高度; 三角洲前缘坡角呈现先增大后减小的趋势。水位变化对于三角洲前缘的展布距离和前缘坡角的影响, 需要对每一期三角洲前积体进行研究。

表 1

表 1 鄱阳湖赣江三角洲分叉点海拔及与1级分叉点直线距离 Table 1 Bifurcation points altitude and its straight line distance from level 1 in Ganjiang Delta 分叉级别 海拔/m 与1级分叉点的直线距离/m 1 15.9 2 17.0 14.2 2775 6381 3 15.7 14.2 14.9 15.0 14.4 6692 3956 7232 8077 8129 4 14.9 14.1 12.2 14.8 14.2 14.6 8341 8641 9403 4706 8311 8271 5 12.8 14.0 11.7 16.2 10.1 9449 9060 10218 5692 9114 6 13.7 12.2 14.1 13.1 10.0 11.1 10 8102 9232 11366 11208 11648 10434 11940 7 10.1 10.0 10.0 12.5 11.1 10.2 11891 12556 12244 11107 9391 9234 8 10.0 10.0 10.0 10.3 10.5 11170 12336 12724 13819 13761 9 10.0 10.0 10.0 10.0 10.0 11426 12662 12830 13210 14185

表 1 鄱阳湖赣江三角洲分叉点海拔及与1级分叉点直线距离 Table 1 Bifurcation points altitude and its straight line distance from level 1 in Ganjiang Delta

图 7

图 7 鄱阳湖赣江三角洲定量特征 Fig.7 Quantitative characteristics of Poyang Lake Ganjiang Delta

三角洲前积层的高度或厚度一般与水体的深度接近^[27]。用三角洲前积层的厚度或高度来研究水深是一个比较可靠的定量方法, 如果能够通过加载过井的地震剖面求解古水深效果更好^[26]。本次研究通过测量过井的地震剖面中三角洲前积层的厚度来计算沉积时的水深。

选取了孤北洼陷沙三中亚段南部缓坡带东边一支河控三角洲发育范围内的5条地震剖面作为测量剖面(剖面位置见图 2)。选取的剖面要能识别出可靠的三角洲相, 尤其是三角洲前缘中的前积反射, 对地震资料的品质要求较高。在5个剖面中共识别出20个完整的三角洲顶积层—前积层—底积层反射轴, 将顶积层层拉平(图 8), 此时的形态接近于三角洲沉积时的形态, 分别测量顶积层和底积层之间的前积层的厚度, 据文献[25]的校正方法加以修改进行压实校正来恢复沉积时三角洲前缘的厚度。

图 8

图 8 孤北洼陷沙三中亚段前积反射地震剖面 Fig.8 Seismic profile for progradational reflection in Es3z, Gubei Depression

分别统计5个剖面中每口井顶积层和底积层的深度, 这一段深度内可认为是三角洲前缘的厚度。由于砂岩和泥岩具有不同的压实率, 埋深约在3 000 m, 砂岩的压实率为0.18, 泥岩的压实率为0.65, 因此统计每口井这一段深度内的砂岩含量和泥岩含量, 把各数据带入公式H_压实前=H_压实后/压实因子, 分别得到每一口井这一段厚度在压实前的厚度。定义校正系数=H_压实前/H_压实后, 本次研究所使用的校正系数为每一口井校正系数的平均值2.1, 数据见表 2。将之前测得的每一条前积反射轴深度乘以统一的校正系数2.1得到校正后水深, 结合每一条前积反射轴长度, 求得三角洲沉积时前缘坡角, 结果见表 3。

表 2

表 2 孤北洼陷剖面中每口井实测数据与参数 Table 2 Measured data and parameters of every well in Gubei Depression profiles 井名 顶积层深度/m 底积层深度/m 厚度/m 压实前厚度/m 校正系数 z77 3020 3178 158 267.02 1.69 z59-17 3036 3190 154 286.44 1.86 z75-3 3054 3213 159 327.54 2.06 z60-2 3061 3196 135 314.55 2.33 z59-36 3045 3215 170 319.60 1.88 z59-11 3044 3198 154 343.42 2.23 z60-3 3071 3207 136 314.16 2.31 z59-13 3045 3212 167 315.63 1.89 z74-17-12 3052 3207 155 330.15 2.13 z55 3076 3205 129 312.18 2.42 zs3 3084 3273 189 421.47 2.23 z59 3048 3186 138 351.90 2.55 z60-5 3058 3194 136 312.80 2.30 z59-12 3059 3187 128 202.24 1.58 z60-4 3078 3203 125 253.75 2.03 z74-16-8 3078 3195 117 243.36 2.08

表 2 孤北洼陷剖面中每口井实测数据与参数 Table 2 Measured data and parameters of every well in Gubei Depression profiles

表 3

表 3 孤北洼陷每条剖面前积层实测数据与矫正后数据 Table 3 Measured data and corrected data of foresets in every Gubei depression profile 测线号 前积层编号 实测水深／m 校正后水深／m 前积层长／m 坡角／(°) inline1770 1 35 74 716 5.8578 2 49 103 1192 4.9355 3 37 78 724 6.1289 4 83 174 1523 6.5297 inline1753 1 48 101 918 6.2662 2 73 153 1339 6.5303 3 68 143 1116 7.2918 4 85 179 1375 7.3956 inline1758 1 39 82 929 5.0392 2 49 103 983 5.9771 3 73 153 1199 7.2873 4 92 193 1541 7.1470 inline1763 1 28 59 929 3.6224 2 77 162 1436 6.4229 3 67 141 1177 6.8157 4 98 206 1537 7.6254 inline1746 1 20 42 914 2.6298 2 54 113 1202 5.3877 3 66 139 1235 6.4044 4 77 162 1404 6.5699

表 3 孤北洼陷每条剖面前积层实测数据与矫正后数据 Table 3 Measured data and corrected data of foresets in every Gubei depression profile

通过处理结果可以得出, 孤北洼陷南部缓坡带东部一支三角洲前缘长度平均值为1 169 m, 平均坡角为6.09°, 沉积水深平均为127.9 m。前积层长度(y)和沉积水深(x)呈线性关系y=5.084 x+519.2, 相关系数为0.824。前积层坡角与沉积水深呈对数关系y=2.642ln x-6.523, y为前积层坡角, (°), x为沉积水深, m, 相关系数为0.79(图 9)。笔者还用相同的方法对东营三角洲进行了相关计算, 虽然由于物源供给、湖盆地貌等因素的不同, 研究区内三角洲与东营三角洲的前缘坡角、延伸距离、沉积水深、发育规模等有较大的不同, 但前积层长度和沉积时水深都呈现出线性关系、前积层坡角和沉积时水深都为对数关系。沉积水深越大, 三角洲前缘前积层水平长度越大, 前积层斜坡角越大, 斜坡角最终趋近于一个最大值, 即休止角。假设三角洲前缘斜坡角为β, 根据前积层水平长度L和沉积水深H满足L=aH+b的关系, 当水位变化ΔH时, 三角洲前缘延伸长度的变化量为$\frac{{\Delta H}}{{{\rm{tan}}\beta }}$。因此当水位变化量为ΔH时, 三角洲展布距离的变化量为$\Delta {L_{三角洲}} = \Delta {L_{平原} } - \Delta {L_{前缘}} = \frac{{\Delta H}}{{{\rm{tan}}\alpha }} - \frac{{\Delta H}}{{{\rm{tan}}\beta }}$。

图 9

图 9 孤北洼陷河控三角洲前积层水平长度、前积层斜坡角与沉积水深的关系 Fig.9 Relationship between foreset horizontal length, slope angle and sediment depth for river dominated delta in Gubei Depression

以上只是对水位变化与三角洲的展布距离的关系做了简单讨论, 在理想状态下对三角洲海拔与延伸距离的关系、沉积水深与前积层长度和水平长度等参数的关系做了定量讨论, 由以上工作可知, 湖盆水位下降时, 三角洲平原的展布距离增大, 三角洲前缘的展布距离减小, 并且由于平原的斜坡角通常小于前缘的斜坡角, 平原的增大量要大于前缘的减小量, 总体来说三角洲展布距离增大, 当水位较低时, 常呈现出大平原、小前缘的形态; 湖盆水位上升时, 三角洲平原的展布距离减小, 三角洲前缘的展布距离增大, 且平原的减小量要大于前缘的增大量, 整个三角洲的展布距离减小, 当水位较高时, 常呈现出小平原、大前缘的形态。由于三角洲前缘坡角受到诸如沉积水深、沉积物粒度、沉积过程中水平面变化^[28]等因素的影响, 并且在三角洲实际的发育过程中, 河流作用强度、物源的供给条件也会受到水位变化、气候条件等因素的影响, 在条件允许的条件下, 研究精度仍可以进一步提高。

(1) 河控三角洲的河控级别可以用三角洲分叉级别与分流河道累计数量关系式中的斜率和三角洲的展开角度两个参数来表示。斜率和展开角度越小, 河控级别越高, 河流作用越强, 三角洲顺物源方向生长的能力越强, 三角洲展布距离越大, 形态越接近鸟足形。

(2) 随着河控三角洲向前延伸, 其海拔高度呈现对数性的减小, 直到前三角洲的高度; 三角洲前缘坡角呈现先增大后减小的趋势。

(3) 随着沉积水深的增大, 每一期三角洲朵叶体前积层的水平长度呈线性增大, 斜坡角呈对数性增大直至休止角; 水位的变化ΔH与三角洲展布距离的变化ΔL主要受控于湖盆的坡角α以及三角洲前缘斜坡角β, 并满足$\Delta L = \left({\frac{1}{{{\rm{tan}}\alpha }} - \frac{1}{{{\rm{tan}}\beta }}} \right)\Delta H$, 这会导致湖盆水位下降时, 三角洲展布距离增大, 呈现大平原、小前缘的形态; 湖盆水位上升时, 三角洲的展布距离减小呈现小平原、大前缘的形态。