1、引言

对现代河流沉积研究最早起源于19世纪, 但真正对现代河流沉积的广泛研究兴起于20世纪50年代末和60年代初, 特别是20世纪70~80年代召开的第二次国际河流沉积学会议,再次促进了现代河流沉积学的发展,这一时期发表了大量的河流沉积学研究成果及着作。几十年来,通过河流沉积学的研究,人们已归纳出了曲流河、辫状河及网状河的沉积模式及其环境演化模式,河流沉积的二元结构已普遍被接受,虽然这些模式已成为对比和认知古代河流沉积体的一个标准框架,但由于河流沉积的复杂性和多样性,难以用一种模式囊括古代众多复杂的河流沉积过程。特别是随着油田勘探开发工作的不断深入,传统的经典的河流沉积模式已满足不了油田勘探开发工作的需求,正如J D Collinson指出的那样“很多实例的广泛经验,比之有限数量高度提炼过的相模式知识,似乎是解释新例子的更好基础”。本文即是一个很好的实例,它以嫩江大马岗沉积体为例,揭示了一种复杂的河流复合沉积模式和沉积层序,为地下河流相地层的识别提供了一个新的可以借鉴的依据。

2、地质概况

嫩江发源于内蒙古大兴安岭东北端的伊勒呼里山,流经内蒙古、黑龙江两省区,在黑龙江省肇源县境内汇入松花江,全长约870km, 流域面积为2.2×108m2 。该流域在地质构造上位于大兴安岭?内蒙古海西褶皱带东南边缘松嫩中断(坳)陷带的西部(图1) 。 嫩江上游河段位于大小兴安岭山区,河道大多呈“V”字型,以切割侵蚀为主,属于典型的山区河流;中下游河段位于广阔的松嫩平原区,河道宽阔,呈“U”字型,多蛇曲,以冲积沉积为主,属于平原河流,大马岗段处于该河段上。

3、嫩江大马岗沉积体沉积特征及岩相类型

3. 1 沉积特征

通过对大马岗河流沉积体九个探槽剖面、十九个探坑(图2)的细致观察及描述,发现大马岗沉积体主要由三种类型沉积物组成:砾质沉积、砂质沉积及泥质沉积,并以泥质沉积为主,按其沉积的岩性、颜色、粒度及沉积构造等特征,将大马岗沉积体由下至上共划分为10个层,分别用N10?N1表示[15 ],具体沉积特征如下(图3):

N10:黄褐色粗砂质细砾沉积,受探槽剖面限制,在最深探槽处该层厚1.4m仍未见底。其砾石成分混杂、大小不一,分选、磨圆差,最大直径为14cm,最小为0.2cm,一般2.5~3.0cm。

N9:白灰色或灰白色含粉砂泥或纯泥, 厚30~150 cm。具水平层理, 富含植物根。

N8:为褐色粉砂质泥,厚0~190m, 富含植物根及铁质。在工区内发育不全,仅在探槽III及探槽VIII 南部见到,向工区北部逐渐尖灭。

N7:灰黄色粉砂质细砂与白灰色粉砂质泥互层沉积,厚0~392 cm。细砂单层厚3~4cm,具小型低角度槽状交错层理,富含植物根、铁质及碳屑。粉砂质泥单层厚3~4cm,发育波状层理。

N6:黄色中砂质细砂,厚40~470cm。层理发育,主要发育的层理类型有:大型低角度槽状交错层理、小型低角度槽状交错层理、同沉积变形层理及波状层理等。

N5:灰褐色粉砂质泥,厚94~254cm ,富含植物根、铁质、钙质及碳屑,局部见钙质结核及团块。

N4:灰黄色粉砂质细砂与黄灰色粉砂质泥薄互层沉积,厚30~204cm。单砂层厚2~8cm,泥质层单层厚3~4 cm;砂层内具波状层理,富含碳屑及植物根。

N3:黄灰色泥质粉砂,厚0~210cm,发育波状层理,富含植物根、碳屑及钙质结核。

N2:黄色细砂质粉砂,厚20~204cm,发育小型槽状交错层理,富含植物根、铁质及钙质。

N1:灰黑色粉砂质泥,厚10~298cm,富含植物根,近地表已被土壤化。

3. 2 岩相类型

岩相指在一定条件下形成的岩石类型及其沉积构造的综合,相当于沉积能量单元,按照Miall [3, 16]提出的河流相岩相分类方案,结合大马岗河流沉积体的沉积特征,在大马岗嫩江现代沉积体内共划分出16种岩相类型, 即:块状层理细砾相(Gm )、大型低角度槽状交错层理细砂相(St1)、小型低角度槽状交错层理相(St2)、同沉积变形层理细砂相(Ssd)、小型高角度槽状交错层理粉砂相(Ft)、平行层理细砂相(Sh)、板状交错层理细砂相(Sp )、反向交错层理细砂相(Stcb)、波状交错层理细砂相(Shcs)、波状层理细砂相(Sw )、薄层状粉沙质泥与细沙互层相(Sm )、微波状层理粉砂相(Fw )、块状层理泥质粉沙相(Fm )、水平层理泥相(Fsc); 块状层理粉沙质泥相(Mm ) 及土壤层相(Mpr), 各岩相具体特征见表1,其分布特征如下。

表1 嫩江大马岗河流沉积体岩相类型及其特征

序号 岩相代码 岩 相 岩 性 沉积构造 沉积环境

1 Gm 块状层理细砾相 粗砂质细砾 块状层理,颗粒支撑,叠瓦状构造 辫状河砾质坝

2 St1 大型低角度槽状交错层理细砂相 中砂质细砂 大型低角度槽状交错层理 曲流河点坝

3 St2 小型低角度槽状交错层理细砂相 中砂质细砂 小型低角度槽状交错层理 曲流河点坝

4 Ft 小型高角度槽状交错层理粉砂相 细砂质粉砂 小型高角度槽状交错层理 曲流河决口扇

5 Ssd 同沉积变形层理细砂相 细砂 同沉积变形层理 曲流河点坝

6 Sh 平行层理细砂相 中砂质细砂 平行层理 曲流河点坝

7 Sp 板状交错层理细砂相 细砂 板状交错层理 曲流河点坝

8 Stcb 反向交错层理细砂相 细砂 反向交错层理 曲流河点坝

9 Shcs 波状交错层理细砂相 细砂 波状交错层理 曲流河点坝及天然堤

10 Sw 波状层理细砂相 细砂 波状层理 曲流河点坝上部及天然堤

11 Sm 薄层状粉砂质泥与细砂互层相 粉砂质泥及粉砂质细砂 纹理状至块状 曲流河点坝上部及天然堤

12 Fw 微波状层理粉砂相 粉砂 微波状层理 曲流河决口扇

13 Fm 块状层理泥质粉砂相 泥质粉砂 块状或不显层理 曲流河漫滩

14 Fsc 水平层理泥相 粘泥 水平层理 辫状河河间沼泽

15 Mm 块状层理粉砂质泥相 粉砂质泥 块状或不显层理 曲流河漫滩及辫状河溢岸

16 Mpr 土壤层相 粉砂质泥 植物根 曲流河洪泛沉积土壤化

(1) 块状层理细砾相(Gm)

在研究区分布广泛,位于嫩江大马岗河流沉积体的最下部,主要由砾石及充填于砾间的粗砂组成。砾石大小不一,成分混杂,分选差, 呈次棱角状,最大砾石直径14cm , 一般为1~115 cm;砾石呈迭瓦状排列。

(2) 大型低角度槽状交错层理细砂相(St1)

此岩相在大马岗沉积体中部比较发育,厚1~115m不等,是构成该沉积体内曲流河点坝的主要岩相类型之一。主要由分选较好的中细砂构成,发育大型低角度槽状交错层理,其纹层倾角小于10°,一般5~7°,层系厚度5~14cm, 纹层主要由碎屑颗粒的粒度粗细不同而显现出来。此岩相内富含炭化植物根及铁质。

(3) 小型低角度槽状交错层理细砂相(St2)

发育于大马岗沉积体点坝中部,其不同于岩相St1的特点是槽状交错层理的规模较小,层系厚度3~4cm, 剖面上层系延伸长度20~90cm, 此岩相常与同沉积变形层理岩相交互出现,砂层内富含植物根、铁质及炭屑。

(4) 小型高角度槽状交错层理粉砂相(Ft)

在大马岗沉积体上部比较发育,主要由细砂质粉砂组成,其槽状交错层理的层系厚度3~40cm,层系在剖面上延伸长度约20~50cm,纹层倾角一般在15~20°,砂层内富含炭屑。

(5) 同沉积变形层理细砂相(Ssd)

发育于大马岗沉积体内点坝砂体的中下部,由细砂组成,内部纹层变形呈揉皱状与层系界面相交,层系厚度小,多为6~8cm, 在纹层面上铁质比较富集。

(6) 平行层理细砂相(Sh)

仅在大马岗沉积体西部探槽剖面上见到,分布范围较小, 由中-细砂组成,纹层近于水平。

(7) 板状交错层理细砂相(Sp)

主要发育于沉积体内点坝砂体的下部,且常见有平行层理与其伴生,由细砂组成,交错层与层系界面平行,内部纹层以一定角度与层系界面相交,其纹层倾向相反,呈低角度“人”字型,层系厚度多为4~5cm, 在层系的纹层面上,铁质比较富集,沿纹层面分布。

(8) 反向交错层理细砂相(Stcb)

在大马岗沉积体内不多见,仅在研究区西部横探槽剖面上见到。其特征是相邻层系中纹层的倾斜方向相反,呈羽状。层系厚度多在50cm以上,两组对称相反的层系,厚度相近,在横剖面上其延伸范围约10m, 纹层倾角小于30°。岩性主要为细砂,分选较好。薛培华(1991) 在拒马河定兴点坝现代沉积中也发现了此类岩相,并认为是在水流方向急剧改变的条件下沉积作用的结果,分布于曲流的转弯处。

(9) 波状交错层理细砂相(Shcs)

在大马岗沉积体西部曲流河点坝顶部及天然堤中比较发育,主要由细砂组成,厚度50~120cm, 层系厚度10~20cm, 层系界面呈微波状起伏,纹层倾角一般在5~10°,局部与水平层理混杂,砂层内富含铁质及植物根,铁质多沿层面分布。

(10) 波状层理细砂相(Sw)

发育于大马岗沉积体的上部及下部,其岩相为细砂,波状纹层厚3~5cm, 砂层内富含铁质及炭屑,该岩相厚约

3~10cm, 在研究区内分布较稳定。

(11) 薄层状粉砂质泥与细砂互层相(Sm)

在大马岗沉积体的上部及下部均比较发育,包括如下2种类型。1) 黄灰色粉砂质泥与细砂薄层互层,主要出现于大马岗沉积体上部曲流河天然堤薄的互层沉积物中,是水流周期性越岸沉积而成,以两种形式出现,一种是砂薄泥厚,单砂层厚一般2~3cm, 粉砂质泥厚一般4~5cm, 构成4~5个小韵律;另一种是砂厚泥薄,单砂层厚8~10cm, 粉砂质泥单层厚2~3cm, 砂层内具微波状层理,砂层及泥层厚度稳定,连续分布,富含铁质、植物根及炭屑。2) 白灰色粉砂质泥与细砂互层,在大马岗沉积体下部辫状河溢岸沉积物中比较发育,在研究区分布范围较窄,仅见于南部, 其特点是白灰色粉砂质泥与细砂呈薄的互层,单砂层厚约5~6cm, 泥质层单层厚约4~5cm , 砂层内富含铁质、少量植物根及炭屑。

(12) 微波状层理粉砂相(Fw)

发育于大马岗沉积体的上部,主要由细砂质粉砂组成, 纹层具微波状层理,含植物根及少量铁质。岩相厚度20~60cm 不等,在全区分布比较广泛。

(13) 块状层理泥质粉砂相(Fm)

发育于大马岗沉积体上部,厚度为42~50cm 不等, 在研究区分布较为广泛,主要由泥质粉砂组成,纹层不显,内含植物根及岩屑,偶见钙质结核。

(14) 水平层理泥相(Fsc)

发育于大马岗沉积体下部,厚度20~80cm 不等,主要由白灰色含粉砂泥组成,纹层与层系界面平行,在全区分布较为广泛。

(15) 块状层理粉砂质泥相(Mm)

主要分布于大马岗沉积体的中部,由黄灰色粉砂质泥组成,纹层不显,厚度120~133cm, 是构成大马岗沉积体的一种主要岩相,富含植物根、铁质及炭屑。分布于大马岗沉积体的最顶部,在全区均有分布,主要由深灰色粉砂质泥组成,已被土壤化,富含植物根。

上述不同岩相组合构成了大马岗沉积体3种不同的垂向沉积层序,反映了不同的沉积环境。块状层理细砾(Gm) 、水平层理泥(Fsc)及薄层状粉砂质泥与细砂互层(Sm) 构成了大马岗沉积体的下部垂向沉积层序,代表一次水流由强到弱形成的一个完整的沉积旋回,为辫状河心滩(底部砾石层) 及辫状河溢岸沉积。中部层序岩相类型较多,且其纵、横向变化大,主要由低角度槽状交错层理细砂(St1 , St2) 、同沉积变形层理细砂(Scd) 、波状交错层理细砂(Shcs) 与块状层理泥质粉砂(Fm)构成,局部可见平行层理细砂(Ssd)及反向交错层理细砂(Stcb),垂向上呈明显的由粗到细的正旋回,层序底部无明显冲刷面,与下伏层序呈突变接触。此套层序的岩相及其组合特征反映是一个完整的曲流河沉积层序, 下部细砂为曲流河点坝沉积,上部泥质粉砂为曲流河漫滩沉积而成。上部垂向沉积层序则主要由薄层状粉砂质泥与细砂互层(Sm)、块状层理泥质粉砂(Fm)、微波状层理粉砂(Fw)及土壤层(Mpr)构成,其岩相组合特征反映这是一套弱水流条件下的沉积层序,是曲流河溢岸沉积形成,其中粉砂质泥与细砂互层相(Sm)为天然堤沉积,微波状层理粉砂相(Fw)为决口扇沉积。

可见,嫩江大马岗河流沉积体内岩相类型多样,且岩相分布纵横向变化较大,图4是大马岗露头探槽剖面Ⅴ所观察到的岩相及其分布特征。

图4 大马岗露头探槽剖面V 岩相类型分布图

4、沉积环境

通过对现代嫩江大马岗河流沉积体九个解剖探槽剖面的精细观察,结合浅钻井、测井以及室内的分析化验资料,从地貌特征、沉积物类型、沉积构造、粒度分布、测井曲线形态等,将现代嫩江大马岗河流沉积划分出辫状河流沉积相和曲流河沉积相. 辫状河流沉积相进一步划分出砾质坝、河间沼泽、溢岸3 种沉积微相;曲流河进一步划分出点坝、天然堤、决口扇和河漫滩4 种沉积微相.

4.1辫状河砾质坝沉积微相

砾质辫状河流河道迁移频繁,河床宽而浅[1],沉积了广泛的砾质沉积物。该砾质沉积物位于现代嫩江大马岗河流沉积体的底部,主要由黄褐色的砾石及粗沙组成,厚度约5m。其主要特征为:砾石成分复杂,以岩浆岩及变质岩砾石为主;砾石体积分数为50%~60%,分选差,最大直径为14.0cm, 最小为0.2cm,一般在2.5~3.0cm,磨圆差,为次棱角状;砾石排列呈叠瓦状,最大倾斜面方向NE40°,整体上层理不明显,局部略显平行层理,垂向上具较明显的正韵律。砾质坝沉积物以推移组分和跳跃组分为主,见图5(a) ,推移组分的质量分数为50%~60 %,跳跃组分的质量分数为35%~45%,悬浮组分质量分数小于10 %。组分分异不明显,分选差,推移总体倾角为25°~35°,跳跃总体倾角为20°~30°,悬浮总体倾角为15°~25°,粗细截点都偏粗,粗截点φ为-1~1, 细截点φ为2.0~2.5 , 反映洪水期水流能量高的环境特点。电测曲线为较光滑的箱形曲线。

图5 现代嫩江大马岗段河流沉积概率曲线

4.2辫状河河间沼泽沉积微相

辫状河河间沼泽沉积物为灰白色质纯粘泥或灰白色含粉沙粘泥,粘土的体积分数一般大于80%,粉沙体积分数多小于20 %;发育水平层理;富含植物根,植物根被氧化成褐色,并呈不规则的细条纹垂直于层面。粒度概率曲线上显示沉积物主要由悬浮组分组成,反映水体相对稳定。电测曲线为低平曲线。

4.3辫状河溢岸沉积微相

辫状河溢岸沉积物由褐色粉沙质泥及灰黄色粉沙质细沙与灰黄色粉沙质泥近等厚互层组成。泥质沉积物中发育块状层理,富含植物根及铁质;粒度概率曲线显示沉积物主要由悬浮组分组成,见图5(b)。其中粘土质量分数为55%~70%,粉沙质量分数为30%~45%,一般缺乏推移和跳跃组分。沙质沉积物中发育波状层理,单层厚3~4cm, 富含植物根及铁质,铁质呈斑点状,局部呈条带状,富含炭屑;粒度概率曲线显示沉积物由跳跃总体和悬浮总体组成,其中跳跃总体质量分数为50%~60%,主要为细沙,悬浮总体质量分数为40%~50%。上述特征表明,溢岸沉积物是较弱水流环境悬浮沉积为主的产物。电测曲线为指状曲线。

4.4曲流河点坝沉积微相

点坝是曲流河中最主要的沉积单元,是河床侧向迁移和沉积物侧向加积的产物,发育在凸岸一侧的河道中,为向河道微微倾斜的沙质浅滩。点坝沉积物为黄色中沙质细沙,向上逐渐变为细沙,具明显正韵律,在垂向上由3 个侧积沙层叠覆构成,单个侧积沙层厚度6~8cm。在点坝沉积物中发育了多种类型的层理:大型低角度槽状交错层理;小型低角度槽状交错层理;波状交错层理;反向交错层理[2] ;板状交错层理; 同沉积变形层理等。

表2 为现代嫩江大马岗河流沉积粒度参数特征

表2 为现代嫩江大马岗河流几种沉积微相的粒度参数值。由图2 (c) , (d) 和表1 可见,点坝沉积物以跳跃组分为主,悬浮组分少,缺乏滚动搬运组分,反映水流能量为弱?中等. 点坝上部跳跃总体质量分数为85 %~93 % , 悬浮总体质量分数为7 %~15 % , 细截点φ为2. 3~2. 5 , 标准偏差σ1 为0. 90~2. 10 , 表明分选中等至较差. 点坝下部推移总体质量分数为5 %~8 % , 粗截点φ在1 左右,细截点φ在2. 2~2. 5 , 标准偏差σ1 为1. 80~3. 30 , 分选较差至差. 点坝垂向上由下至上分

选变好,说明由下部向上部水流能量具有明显减弱的趋势. 电测线呈现箱形或圣诞树形.

根据薄片鉴定和重矿物分析可知,点坝沉积物的矿物成分主要为长石、石英及岩屑,不同剖面中其体积分数变化不大,其中石英的平均体积分数为22.1 %, 长石的平均体积分数为65.1 %, 岩屑的平均体积分数为10.6 %, 泥质的平均体积分数为2.5 %, 重矿物平均体积分数为0.69 %. 重矿物种数达20 种,以稳定性差的重矿物为主,其相对体积分数为68 %, 主要有绿帘石,角闪石和辉石;稳定型重矿物的相对体积分数为32 %, 主要为钛铁矿、磁铁矿、白钛矿和锆石. 这些重矿物以中~粗粒为主,细粒较少,风化浅,磨圆差,为棱角状或次棱角状. 因此,点坝沉积物的成分成熟度及结构成熟度均较低,表明沉积物形成时气侯较干燥,化学风化作用不强,搬运近,沉积速度较快.

3. 5 曲流河天然堤沉积微相

天然堤沉积物有黄灰色粉沙质泥和灰黄色粉沙质细沙,粒度较点坝沉积物细,其垂向上的突出特点是二者组成薄互层. 单沙层厚4~6 cm, 泥层厚3~4 cm. 单沙层中具有波状层理,泥层内具断续水平层理; 沙层内含有炭屑及植物根,虫孔发育,并与层理斜交,虫孔直径1~2 cm; 富含钙质,局部可见钙质结核,含少量铁质. 粒度概率曲线显示沉积物主要由跳跃组分和悬浮组分组成,见图2(e) . 其中跳跃总体质量分数为68 %~85 %, 悬浮总体质量分数为15 %~32 %, 缺乏推移总体,细截点φ为2. 6~2.8 , 标准偏差σ1 为

1 1. 51~2.90 , 表明分选较差至差. 总体反映了稳定水流多次漫溢变化的天然堤环境特点. 电测曲线呈指状.

2 3. 6 曲流河河漫滩沉积微相

曲流河河漫滩沉积物分布在河道两侧地势低平的地带,由灰褐色粉沙质泥和泥质粉沙组成,常见厚2 ~3 cm 的粉沙质细沙条带. 粘土的质量分数为40 %~60 %, 粉沙的质量分数为35 %~50 %, 粒度概率曲线显示沉积物主要由悬浮组分组成,反映曲流河洪水期漫溢水流悬浮沉积的环境特点. 河漫滩中植物根发育,并被氧化,呈褐色不规则条纹状;含少量炭屑,富含钙质,局部见白色的直径为1. 5~2.0 cm 的钙质结核及团块,靠近水体一侧的沉积物中钙质结核及团块的数量明显增多;常见生物活动遗迹,遗迹呈弯曲蛇状洞穴,内部充填黄色中沙,洞穴周边富含铁质,呈棕褐色;块状或不显层理;缝合线较发育,宽度1~40 cm. 电测曲线为较低平曲线.

3. 7 曲流河决口扇沉积微相

曲流河决口扇沉积物由黄色细沙质粉沙组成,富含植物根、铁质及钙质;发育小型高角度槽状交错层?10 ?

理,其特点是层系规模小,层系横向延伸10 cm 左右,层系厚度3~4 cm, 纹层倾角多为20°左右,纹层分别由灰白色钙质粉沙及黄色粉沙组成.

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