设计水槽实验分析不同流态下的河流扇沉积体_张森.pdf

投稿网址：年 第 卷 第 期，（）：科 学 技 术 与 工 程 引用格式：张森，孙世坦，袁晓冬，等 设计水槽实验分析不同流态下的河流扇沉积体 科学技术与工程，（）：.，（）：.设计水槽实验分析不同流态下的河流扇沉积体张森，孙世坦，袁晓冬，张元福，霍艳翠，葛鹏程（.中国地质大学（北京）能源学院，北京；.中国石油勘探开发研究院，北京）摘 要 河流扇作为近年来的沉积学热点问题，引起了诸多学者的广泛关注。为研究自然界中不同气候条件下河流扇的发育特征，通过控制变量法针对河流扇设计水槽实验。基于自然界中的气候条件模拟了固定流速和变流速两种流速状态下河流扇的发育。针对不同流态下发育的河流扇沉积体，分析河流扇的发育特征并建立相应的河流扇沉积模式。结果表明：典型河流扇在发育早期通过漫流迅速形成无朵叶体、扇体形态完整的河流扇；在发育中期，河口坝周期性地出现和消失，河流扇的中部和两侧交替发育，生长速度放缓；在发育末期，受限于可容纳空间的大小河流扇基本不发育，河道趋于稳定并沿末端发育朵叶体。河流扇的发育主要受早期的漫流沉积、中后期的河道摆动沉积和朵叶体沉积的影响，不同流速条件下河流扇的河道摆动沉积和朵叶体沉积存在较大差异。可见，河流扇的发育是水流流速、河道形态与沉积体 个因素相互作用影响的结果。关键词 河流扇；水槽实验；沉积体系；河流扇控制因素中图法分类号.；文献标志码 收稿日期：；修订日期：基金项目：国家科技重大专项（）第一作者：张森（），男，汉族，河南兰考人，硕士研究生。研究方向：沉积学理论。：。通信作者：张元福（），男，汉族，山东商河人，博士，教授。研究方向：沉积学基础理论及油气储集层。：。，（.，；.，），：，；河流扇作为沉积学研究的新兴对象，其概念是在冲积扇的研究中逐渐演化和分离出来的。年，等在河流体系一书中首次提出了河流扇概念的基本雏形。经过众多学者的补充研究，河流扇的概念逐渐完善。目前，河流扇的主流定义是一种发育在山口或平原地带，内部以河流沉积作用为主，在地质时间尺度上形成沿上游顶点向下游区域发散的扇状沉积体。河流扇的沉积模式、沉积特征一直被众多学者讨论完善。年，等、等建立了一个分支河流体系的数据集，对河流扇的发育特征进行了归类分析，认为河流扇并不局限于某一种特定的气候或地形。年，等通过统计巨型河流扇的季节性降雨量，分析了河流扇降雨与沉积模式的投稿网址：关系，认为河流流量的波动将加速河床的垂向加积，导致河道侧向迁移摆动并加速形成河流扇。在实验室内，许多学者通水槽实验研究水流和扇形沉积之间的关系。等通过水槽实验研究表明了冲积扇的发育与河道之间的关系，随着冲积扇的逐渐加积，扇体表面的河道将会由片流转向约束流。唐勇等、魏康强等利用沉积模拟实验研究了大型浅水扇三角洲的沉积模式，认为地形、水流和湖水深度三者共同影响着三角洲的最终发育面积和沉积。目前，针对河流扇沉积模式的研究，常用方式是通过搜集河流扇的多种发育要素并结合实例解剖，分析推断出河流扇的沉积模式。通过搜集河流扇发育地区的降雨、地形、岩相类型等多种数据，研究河流扇的沉积模式，发现河流扇的形成是气候、降雨、地形坡度等多因素的综合产物。若要对扇体的发育特征进行控制因素研究，则需要借助水槽实验。印森林等在研究碎屑流与辫状河控制成因的冲积扇时，利用水槽实验确定了冲积扇的沉积过程和水道演化机制；焦朝维等则利用水槽实验验证了水下三角洲发育面积与湖平面、底形坡度之间的定量关系；吕峻岭等利用水槽实验探究了干旱型分支河流体系的沉积特征与演化过程。在前人研究的基础上，现通过提取自然界中典型河流扇发育的气候特征，结合河流扇的发育特性设计水槽实验。探究不同流速状态下河流扇的发育特征，总结河流扇的沉积模式，以期为补充河流扇沉积的相关理论依据提供支撑。水槽实验的设计河流扇与三角洲、冲积扇等同为扇形沉积体，但在发育规模、发育地形、河道供给等方面均存在差异。有学者，认为，作为一种以河流沉积作用为主的扇形沉积体，典型河流扇的长度应大于，面积超过 ，坡度小于。河流扇作为陆相沉积体系的一部分，其发育位置、发育面积等均介于冲积扇与三角洲之间。地形地貌上，河流扇通常沿盆地出山口或山脉边缘发育在较缓的斜坡上；物源供给上，河流扇的沉积物供给主要自上游的汇水区，自出山口向下游呈扇形展布；河道形态上，受发育地区的季节性降水影响，河道自出山口向下游频繁改道，甚至在中下游地区出现断流；终止类型上，河流扇末端以汇入轴向河道或末端干涸为主，仅有部分河流扇末端汇入湖泊或海洋，河流扇的水流往往会及时卸载，湖泊海洋等稳定水体对河流扇的发育影响很小。基于上述条件，河流扇的水槽实验相较于三角洲和冲积扇的水槽实验应遵循以下原则。地形地貌上，设置多级多角度斜坡；物源供给上，设置单物源供给通道；水源供给上，考虑季节性降水量的影响，设计周期性水源供给和水流流速；终止类型上，及时卸载水槽内的水，防止汇聚的水体对河流扇的生长发育造成影响。.实验装置实验装置（图）位于中国地质大学（北京）水槽实验室内，是以沉积模拟实验理论为依据而设计的一种具有可循环水体功能的小型水槽实验装置。该实验装置宽.，长度可在 调节，并设有循环水流，可精确控制水槽实验各要素之间的联系。为使实验装置贴合河流扇水槽实验，对实验装置进行了改造。设计了陡峭的山坡平缓的山麓微坡平原 个不同倾斜程度的区域。山坡区域长，宽 ，坡度为，水源和物源在此处的河道内充分混合；山麓区域长 ，宽 ，坡度为，两侧人为设置坝体，模拟自然条件下河道自单一出口流出山谷；微坡平原地带坡度为长，宽 ，坡度为.，是河流扇的主要沉积区。此外，实验室内还配有直尺、可调节水流流速的水泵、测量砂体质量和体积的电子秤和烧杯。图 水槽实验装置示意图及实物 .实验设计遵循河流扇水槽实验的设计原则、基于卫星数，（）张森，等：设计水槽实验分析不同流态下的河流扇沉积体投稿网址：据搜集的气候资料和对照试验的思想，设计水槽实验。河流扇在全球范围内、多种气候下均有分布。依照柯本气候分类法，遵照降水特征的不同将河流扇发育地区的气候按降水类型分为典型的冬季干旱型、夏季干旱型和常年湿润形 种。水槽实验忽略了模拟河流扇地区的温度，将河流扇的降水类型简化为两类。一类是冬季干旱型和夏季干旱型，此类气候的月降雨量分布不均匀，全年降水 分布在夏半年或冬半年，降水量最多月是降水量最少月的 倍及以上。典型气候是地中海气候、热带季风气候等，典型地区是埃及开罗、中国北京等地。另一类是常年湿润型，此类气候的降水特点是全年降水平均且降水量最多月与降水量最少月相差不超 倍。典型气候是温带海洋性气候，在英国伦敦、法国巴黎等地分布。在河流扇模拟对象上，选择了位于.、.的法国奥克西塔尼河流扇图（）和位于.、.的阿根廷圣地亚哥河流扇图（）。通过卫星地图及公开数据分析，由图 可知，奥克西塔尼河流扇发育于温带海洋性气候环境下，扇体长.，面积为 .，年平均降雨量.，年内降水分布均匀。圣地亚哥河流扇发育于地中海气候环境下，扇体长.，面积为 .，年平均降雨量 .，年内降水主要集中在秋冬两季。奥克西塔尼河流扇和圣地亚哥河流扇在降雨总量、发育面积等方面存在相似性，由于年内降雨量的分布存在不同，扇体在河道类型、发育特征上产生了较大差异。奥克西塔尼河流扇的河道自山口流出向下游发散，河道分叉较多且集中在扇根扇中区域且以辫状河和网状河为主，面积发育的主要方式为河道向前堆叠进积。圣地亚哥河流扇的河道自山口流出向下游发散，河道分叉集中在扇根和扇端区域且以曲流河和辫状河为主，面积发育的主要方式为河道的左右摆动。据水槽实验实际情况和典型河流扇发育特征，设置两组流量相同但流速不同的实验（图）。一组是固定流速组，河道流速设置为.，实验时间，模拟年内降水分布均匀的气候降雨。另一组是变流速组，通过改变河道流速，模拟年内降水分布不均匀的气候降雨，设置多个时期模拟不同季节。河道流速分别为.、.、.、.，实验进行 ，种流速依次出现.，重复两次。物源供给方面，选择了分选磨圆较好、粒度适图 发育在不同区域的典型河流扇 图 河流扇季度降水量 中、平均密度为.的细砂，砂的平均供给速率为.，砂水比约为。固定流速组实验和变量流速组实验分别重复进行 次，实验过程中使科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 水槽实验设计流速 用相机每隔 进行自动拍照，实验结束后对砂体进行横向及纵向取样。发育在不同流态下的河流扇.固定流态条件下河流扇的发育过程在实验开始的前，由于山口处具有较大的落差，且无沉积物在山口处堆积，河水携带沉积物以漫流的形式沿斜坡快速堆积发育。实验开始后，水流携带泥沙纵向发育，在 时形成了一个舌状扇体。随着舌状扇体的逐渐堆积，扇体中部逐渐变厚，此时水流仍以漫流为主，沉积物开始向两侧横向发育。在河口坝短暂的出露后，原先的漫流逐渐分为左右两股图（）。时，扇体继续发育，右侧沉积物逐渐堆积且漫流逐渐减小，直至右侧沉积物堵塞漫流，漫流完全消失，堆积停止。随后，左侧漫流开始逐渐增大，在扇根处冲积出了较浅的河道，维持了。在扇体边缘处出现了朵叶体，直至 时朵叶体面积达到最大。随后沉积物逐渐垂向堆积，河道很快被充填，左侧的漫流开始逐渐向扇体右侧偏移，并先后形成了两个朵叶体图（）。时，扇体继续发育，左侧漫流基本消失，右侧面积逐渐变大、变厚。原先的朵叶体被覆盖，在扇根处形成了稳定的河道，并维持了 图（）。时，原先的河道被逐渐充填，沉积物开始在河口处堆积。随后河水再次漫流，并在扇体表面分散成数股细小的支流，形成了许多短暂存在的河道，在扇体边缘处出现了多个细小的朵叶体图（）。.变流态条件下河流扇的发育过程实验开始的 内，水流流速由弱变强，河水携带沉积物以漫流的形式沿斜坡快速发育。前期流速较慢，且处于扇体发育初期，沉积物在河道中间堆积效果不明显，未形成明显的舌状扇体。流速变快后，原先堆积的沉积物被冲开，沉积物继续漫图 固定流态下河流扇发育过程 流堆积。扇体形态初期发育较完整，右侧边缘有小型朵叶体，整体呈圆弧状图（）。的对应流速为先升高再降低。高流速时，原先的沉积物被继续冲击，沉积物难以在河口处滞留。河水以漫流为主，扇体面积继续增长且右侧增速大于左侧。流速降低后，扇体两侧差异增长加剧。左侧扇体停止生长，右侧则继续生长，部分沉积物开始在扇根处堆积图（）。时，水流流速持续增强。由于上一轮末期水流流速低，沉积物在，（）张森，等：设计水槽实验分析不同流态下的河流扇沉积体投稿网址：图 变流态条件下河流扇发育过程 扇根处堆积，且河水并未冲散河口坝。沉积物沿河道不断向上游方向堆积，扇根附近的沉积体不也断增厚，只有少量的沉积物被冲积到扇体边缘。此阶段河水以漫流为主，扇体面积缓慢增长图（）。时，河水流速先升高再降低。前期水流流速高，很快就将原先堆积在河口处的砂体冲散。在经过短暂的漫流后，河道分为左右两股，河水开始下切扇体且漫流减少，自扇根至扇端，河道逐渐出现。沉积物在河道末端沉积并出现朵叶体。流速降低后，沉积物左侧河道及河道末端堆积，右侧河道逐渐废弃。河流未被堵塞，直到实验结束图（）。河流扇的发育模式.河流扇的平面发育模式图 河流扇沉积面积变化 河流扇在固定流速下最终发育为长 ，宽，面积为 的扇体图（）。其中扇根区域长 ，宽 ，面积约为 ；扇中区域长 ，宽 ，面积约为 ；扇端区域长 ，宽 ，面积约为 。扇体发育时，除两侧模拟自然界发育的坝体外，无地形限制的影响。扇体发育可分为三期。一期扇体科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：发育最早，但已被二、三期扇体覆盖；第二期扇体摆动规模最大，扇体在中部有部分出露，并在扇体表面形成了数条细小的沟壑，且二期扇体表面沉积颗粒较粗糙；三期扇体发育面积最大，覆盖率了大部分二期扇体，并在最后河流扇左侧和右侧分别形成了一大一小两条浅而宽的漫流河道，其特点是表面沉积物较细。尽管水流主要以漫流为主，但仍有部分时间内的河水受到河口坝影响，发生摆动收束，形成较浅的河道。河流扇在变流速下最终发育为长 ，宽，发育面积为 的扇体图（）。其中 扇 根 区 域 长 ，宽 ，面 积 约 为；扇中区域长 ，宽 ，面积约为 ；扇端区域长 ，宽 ，面积约为 。扇体发育时，除两侧模拟自然界发育的坝体外，无地形限制的影响。扇体发育可大致分为三期。其中一期扇体发育最早，但已被二、三期扇体覆盖；二期扇体摆动最剧烈，在中部有部分出露，并在扇体表面形成了数条细小的沟壑，且扇体表面沉积颗粒较粗糙；三期扇体发育面积最大，覆盖率了大部分二期扇体，并在最后河流扇左侧和右侧分别形成了一小一大两条河道。左侧河道贯穿扇体，具有一定的弯曲度，右侧直流河道贯穿扇根至扇中，河道深度相对较浅。分析河流扇的面积增长率（图），两种扇体均在前期 时面积快速增加，对应一期扇体快速发育阶段。时面积增速稍慢，大致对应二期扇体摆动发育，此时河流扇主要是以垂向加积为主，横向面积增长速率减缓。时，扇体面积增长速率有所增加，对应第三期扇体，河水冲破原先加积形成的河口坝，扇体沿河道发育朵叶体，面积增长速率加快。图 河流扇面积变化曲线 .河流扇的垂向发育模式实验后，对不同流速下形成的河流扇进行横向、纵向取样，观察其垂向上的沉积模式。固定流速条件下发育的河流扇，受限于水动力条件无法形成较大流速差。河流扇虽然能形成河道，但河水难以下切扇体。河水周期性地出现漫流、约束流，河道受沉积物堵塞很快会消失。河流扇形成的河道较浅，沉积物会沿冲出的浅河道在扇体末端发育形成朵叶体。随着末端朵叶体发育到极限，水流速度减缓，沉积物沿河道向上游堆积，最终河道被沉积物充填，直到下一次沉积物被再次冲开，河流扇继续发育。河流扇早期以漫流沉积为主，中后期以摆动沉积的方式向下游推进，伴有少量朵叶体沉积和漫流沉积。图 是实验结束后，固定流速条件下发育的河流扇最终形态及河流扇取样点。图 固定流速下的河流扇 图、图 是固定流速下的河流扇垂向发育图像，其中图（）图（）是河流扇的纵向取样点，图（）和图（）是河流扇扇中左右两侧的横向取样点。根据采样点垂向发育图像，河流扇整体可分为三期。扇根处图（）沉积最厚，约.，自下至上依次是细粒沉积夹少量颗粒，粗粒沉积，细粒沉积夹少量颗粒。扇中处图（）处最厚达.，可分为三期，分别是底部细粒沉积、中部粗粒沉积和顶部细粒沉积；扇端处图 （）厚.，主要沉积二期粗粒沉积和三期细粒沉积。扇中左侧图（）处厚.，主要沉积物为细粒沉积夹粗粒沉积，此处仅识别出二期扇体沉积，这主要是因为此处为一期扇体末端沉积颗粒较细，而三期扇体沉积时扇体左侧的水动力较小，难以沉积大量的粗粒砂体，故分层不明显；扇中右侧图（）处厚.，其沉积分为两期，分别是二期细粒沉积夹少量颗粒和三期细粒沉积，这主要，（）张森，等：设计水槽实验分析不同流态下的河流扇沉积体投稿网址：图 固定流速下的河流扇纵向取样点 图 固定流速下的河流扇横向取样点 是由于一期扇体末端沉积较少。固定流速下发育的河流扇中部及右侧沉积整体高于左侧沉积，朵叶体不发育。变流速条件下发育的河流扇，在较大的流速差下更容易出现深切河道。实验早期，变流速条件下发育的河流扇以漫流沉积为主。流速降低，扇根处会迅速堆积沉积物，形成河口坝。流速升高，水流会冲开原先在扇根处堆积的沉积物，并迅速下切河道，最终形成一个稳定的河道。沉积物会沿河道输送到扇体末端，形成较大的朵叶体。河流扇早期以漫流沉积为主，中后期以摆动沉积和朵叶体沉积交替出现，向下游方向推进，伴有少量漫流沉积。图 是实验结束后变流速条件下发育的河流扇最终形态及河流扇取样点。图 变流速下的河流扇 图、图 是变流速下的河流扇垂向发育图像，其中图（）图（）是河流扇的纵向取样点，图（）和图（）是河流扇扇中左右两侧的横向取样点。根据采样点垂向发育图像，河流扇整体可分为三期。扇根处图（）沉积最厚，约.，自下至上依次是细粒沉积夹少量颗粒，粗粒沉积，顶部细粒沉积。扇中处图（）最厚处达.，分为三期，分别是底部细粒沉积、中部粗粒沉积和顶部细粒沉积；扇端处图（）厚.，主要沉积三期细粒沉积夹粗粒沉积。变流速下发育的河流扇整体中部沉积厚度高于两侧沉积，且朵叶体较发育。扇中左侧图（）处厚.，主要沉积物为二期的细粒沉积夹粗粒沉积以及少量三期细粒沉积。这是因为一期在此处沉积较少，三期沉积时在此处形成了较深的固定的河道。三期扇体沉积时，大量沉积物沿河道向末端输送形成朵叶体，仅晚期水动力降低时，沉积物在此处有少量沉积；扇中右侧图（）处厚.，其沉积分为两期，分别是二期细粒沉积夹粗粒和三期细粒沉积，这主要是由于一期扇体未在此处沉积，二期水动力不足，故三期沉积为主要沉积。科 学 技 术 与 工 程 ，（）投稿网址：图 变流速下的河流扇纵向取样点 图 变流速下的河流扇横向取样点 结论河流扇作为一种以河道沉积作用为主的扇形沉积体，扇体的生长发育是由多期沉积物堆叠形成的。根据实验结果，可得到以下结论。（）典型河流扇的发育阶段有三期。发育早期，河水携带沉积物通过漫流迅速发育成无朵叶体、扇形良好的河流扇，河流扇的发育以平面扩张为主，纵向堆积较少；发育中期，河口坝周期性地出现和消失，河流扇的中部和两侧交替发育，总体上平面扩张速度放缓，纵向堆积增多；发育后期，扇体会形成数条河道，沉积物沿河道末端发育较大的朵叶体。（）典型河流扇的沉积方式有 种。漫流沉积，主要发生在河流扇形成早期，河水携带沉积物随漫流向下游各个方向匀速沉积。摆动沉积，主要发生在河流扇形成中期，河口坝形成之后，河水会出现自左向右或自右向左的定向摆动，沉积物随之发生摆动沉积。朵叶体沉积，主要发生在河流扇形成后期，稳定河道河出现后，沉积物会沿河道在末端迅速形成朵叶体沉积。（）水流存在较大变化时，河流扇的摆动频率降低，摆动幅度增大。河水将集中在一到两条主河道内，形成稳定的河道。水流常年稳定时，河流扇的摆动频率升高，摆动幅度减小。河水会以网状形态发散，且河道易于改道。参考文献 ：，.：，：，.，：，（）：.张元福，戴鑫，王敏，等 河流扇的概念、特征及意义 石油勘探与开发，（）：.，（）：.，：，（）：.，：，（）：.，（）：.，（）：.唐勇，尹太举，覃建华，等 大型浅水扇三角洲发育的沉积物理模拟实验研究 新疆石油地质，（）：.，：，（）：，（）张森，等：设计水槽实验分析不同流态下的河流扇沉积体投稿网址：.魏康强，焦朝维，王振，等 三角洲分流河道与朵叶体形成过程的物理模拟 科学技术与工程，（）：.，（）：.，：.，（）：，：.，：，：.，：.印森林，刘忠保，陈燕辉，等 冲积扇研究现状及沉积模拟实验 以碎屑流和辫状河共同控制的冲积扇为例 沉积学报，（）：.，：，（）：.焦朝维，张元福，王倩茹，等 对湖平面下降的定量计算的水槽实验 科学技术与工程，（）：.，（）：.吕峻岭，朱一杰，夏瑞，等 干旱型分支河流体系沉积特征与演化过程 水槽沉积模拟实验研究 沉积学报，（）：.，：，（）：.科 学 技 术 与 工 程 ，（）