文章编号:1005-0930(2000)-03-0362-08 中图分类号:P 512.2/P 931.1 文献标识码:A ①河流沉积学研究进展及发展趋势王随继1, 倪晋仁2, 王光谦3(1.中国科学院地理科学与资源研究所,北京100101)(2.北京大学环境科学中心,水沙科学教育部重点实验室,北京100871)(3.清华大学水利水电工程系,水沙科学教育部重点实验室,北京100084)摘要:河流沉积学的研究不但具有重要的理论意义,而且对生产实践和洪灾防治具有重要的指导作用.为了使研究者能够全面把握河流沉积学的研究现状及发展趋势,从河流分类、河流沉积作用的模拟实验、河流沉积相模式、河流沉积物形成的影响因素和古河道重建等方面,对河流沉积学的进展作了比较全面的回顾.在此基础上认为,河流层序地层学具有广阔的发展空间;不同河型沉积物的识别还有待从方法上进行加强;分汊河和网状河的多河道形成机理的理论探讨和水槽模拟实验有待深入开展;河型及其沉积物的时空转化模式及影响因素需要进行系统的综合研究;等等.期望将来的研究能够在上述薄弱环节上有所突破,从而使河流沉积学的研究迈上一个新的台阶.关键词:河流;沉积学;研究进展;发展趋势河流沉积学作为沉积学的重要分支学科,近年来受到研究者的广泛关注.在一些陆相油田较多的国家,对河流沉积砂体的研究非常重视,如在美国,已发现并已开发的河流砂岩储层很多,包括辫状河道和曲流点坝砂体[1].加拿大陆相油田中河流砂岩储层的研究尤其引人注目,阿尔伯达的辫状河道砂岩储层和萨斯卡彻温省中西部下白垩统的网状河道砂岩储层[2]就是典型代表.中国是一个以陆相油气为主的重要产油国,河流砂岩及三角洲砂岩储层中的石油储量约占已探明储量的80%[3].已深入研究的河流砂岩储层如:鄂尔多斯盆地延安组曲流河砂岩储层[4]、松辽盆地泉头组中的辫状河及曲流河砂岩储层[5]、吐哈盆地中侏罗统辫状河砂岩[6]、玉门老君庙油田第三系间泉子组辫状河道砂岩[7]等.河流沉积砂体不但是重要的石油储层,而且是铀矿、砂金矿以及铂、钛、锆、锡、金刚石等稀有矿产的重要聚集场所.河流沼泽相还是重要的聚煤场所.显然,河流沉积物与能源及稀有矿产的开采息息相关.生产的需要推动河流沉积学理论研究向前发展,而发展了的理论将高效率地指导生产活动.生产实践和理论研究相互促进,使河流沉积学在近年来取得了显著进展.本文系统论述了河流沉积学的研究进展,指出了其不足和发展趋势,从而使人们有目的地对其研究的薄弱环节进行发展和完善,从而达到更好地指导生产实践活动的目的.第8卷4期2000年12月 应用基础与工程科学学报JO U RN A L O F BA SI C SCIEN CE AN D EN GIN EERIN G V ol.8,No.4Decem ber 2000①收稿日期:2000-04-18;修订日期:2000-09-28基金项目:教育部技术研究重点项目资助作者简介:王随继(1966—),男,博士,副研究员DOI:10.16058/j.i ssn.1005-0930.2000.04.0041 研究进展尽管早在19世纪人们已经讨论过“洪积物”,但其真正起步发展是在20世纪50年代末60年代初,因为只有那时才开始严格地应用现代沉积环境和沉积作用的知识.河流沉积作用十分复杂,为了深入研究,1977年召开了有沉积地质学家、河流工程学家和地貌学家参加的第一届国际河流沉积学学术会议,此后每四年举行一次.在世界科学家的共同努力下,河流沉积学得到了长足的发展.1.1 河型划分早在20世纪初,Cotton 就已研究过河型的分类问题.50年代初,对现代河流类型及河流沉积作用作了大量的地貌学研究[8],但该成果并未立即应用于古河流沉积研究中.60年代初,Allen [9]、Berna rd 等[10,11]几乎同时识别出了向上变细的河流沉积层序.1970年,Allen 发现的以X交错层及向上变细为特征的沉积层序作为经典河流沉积模式而广受关注[12].不过,整个60年代的工作大都重视侧向加积,底部冲刷及向上变细层序几乎无例外地被解释为曲流河的点坝迁移沉积,没有注意到其他河型[13].70年代后各类河流分类方案纷纷出台[14～22],归纳起来大致有河道平面形态分类法、水动力特征分类法、沉积物搬运方式分类法等几种.无论如何,为沉积学界所普遍接受的是Rust [17]的河型分类,其他分类法因为存在种种明显的缺点而逐渐被淘汰.我国地貌学界和水利学界最为推崇的当属钱宁[21]的河型分类.尽管如此,河型分类上的新尝试不时有所出现.Woolfe 等[23]根据河道和河间地的相对沉积速率提出的河型系列分类囊括了地表所见的所有河型及一些水下河道,可谓是一次有益的尝试,但对冲积河流的分类并没有作出实质性的贡献.冲积河流中有关网状河和分汊河的河型归属问题仍然是令人困惑的.Nanso n 等[24]从广义分汊河流的概念出发,把分汊河流划分为6类,认为分汊河流可以出现在各类冲积河流中,这一观点仍有争议.从河道形态和沉积物特征来看,以长江下游的河道为代表的河流是不同于辫状河和网状河的河型,可以作为冲积河流的第五类河型-分汊河(狭义的)而单独提出[25].因此,把冲积河流分为直流河、辫状河、曲流河、分汊河和网状河五类,基本上全面反映了冲积河流的所有主要特性.1.2 河流沉积作用的模拟研究河水的运动特征和挟沙力是河流发生沉积作用的动力条件,而这些也正是河流沉积学研究中的薄弱环节之一.长期以来,水槽实验对于解释河流沉积物中的一些沉积构造作出了贡献,比如流态概念的建立就是水槽实验的杰出成果,它把实验中所观察到的无运动平床、沙纹、运动平床、逆行沙丘等底型序列成功地用于解释沉积层中的水平层理、小型交错层理、平行层理、大型交错层理等.但是,迄今所作的研究基本是对曲流河、分汊河和辫状河的模拟,而对网状河的模拟研究未见一例.究其原因,首先,河流地貌学家和水利学家并未注意到网状河是不同于分汊河的一种特征明显的独立河型,他们往往将它简单地归入分汊河型中[21],因而就不会针对网状河流的特征而设计模拟实验程式.其次,由于网状河道稳定存在所需条件的特殊性也使得对它的模拟更难进行.模拟实验无论在河流规模上还是在其控制因素上都有一定的局限性.相比来说,对现代河流沉积物进行解剖和沉积模式归纳,以及控制因素的综合研究更能揭示其真谛,这直接关系到古河流沉积体系的研No 363.4 王随继等: 河流沉积学研究进展及发展趋势 究程度.模拟研究在把握河流的微观方面仍然具有较大的应用价值.1.3 沉积相模式研究随着河型分类的明朗化,河流相模式研究也冲破了单一的“经典模式”.河流沉积学家对不同河型的沉积模式做了更多更细的工作,例如指出Allen 的经典相模式仅仅是识别曲流河的必要条件;相同的河型因为载荷类型及粒度的不同可以有完全不同的沉积模式,如Miall [26]所建立的四种曲流河沉积模式就是以粒度不同为出发点;至于曲流细粒凹岸阶地滩以及潮渠的侧向加积的发现[27]成为侧向加积相都是曲流点坝成因这一观点的例外情况.这就表明侧向加积相尽管是曲流河的一个重要判识指标,但仅仅是必要条件.在相分析的方法方面也作过有益的探讨,如Miall [28]为了简化河流沉积的描述工作而创造了岩相代码,尽管这些代码种类繁多、难以记忆[29];将Markov 链分析方法应用在河流沉积旋回分析中,取得了较好的效果.20世纪80年代初,Miall [12]对以前的河流沉积学作了较系统的总结.此后,他从盆地分析的角度研究河流沉积物[30],认为河流建造取决于相互依赖且广泛变化的控制因素,包括河型、河道迁移动态、载荷类型、流量的多变性和沉积速率等.后来Miall [26]用河流沉积层序中的五级界面及八种结构单元来研究河流沉积模式,不但为河流沉积学的研究提供了一种有益的研究方法,而且直接运用于河流砂岩储层的非均质性评价中,引起沉积学家和油气储层研究者的大力推崇.但这正如Bridg e [29]所指出的,标准化岩相代码过于繁杂,结构单元分析法由于某些界面的识别需要大范围的露头研究,实际上难以应用.这也反映了根据沉积物识别古河型仍然存在难度.有不少河流沉积学家主张进行三维露头的详细研究[26,28,30～36],因为三维露头能够揭示河流相序和相组的真正面貌.近10年来,沉积学家在三维露头方面的大量研究已经超出了原先对河流层序所进行的垂向一维序列描述的范畴.然而出露良好的二维及三维河流沉积物露头毕竟很少见,因此钻井岩芯也是研究相序的必要手段,如果要进行平面相组的研究,则相邻钻井数据的横向对比就显得十分必要,但井间距不得大于数百米,否则,可信度就会大大降低.尽管主张三维露头研究的学者对垂向序列模式的整体可靠性存有怀疑,但资源普查中不断应用钻孔资料并取得成果表明该方法是可行的[29].近年来,随着层序地层学方法应用于河流沉积学,现代河流的沉积演化研究与全球变化研究开始接轨.但这存在着一定的难度,因为河流体系的变化对各种因素的变化比较灵敏,而由气候变化所引起的海平面升降对河流层序的控制仅仅是一种比较重要的影响因素;另外,河流沉积体系的各级层序界面的识别还比较困难.1.4 河流沉积物形成的影响因素有许多因素影响着河流沉积物的形成及其特征,但它们最直接地影响着发生沉积作用的河型的调整及演变.长期以来,一些影响因素已经被作过比较深入的研究.(1)河道比降 一般认为辫状河分布在山前,曲流河位于冲积平原,而网状河位于更靠近侵蚀基准面处.这是因为从山地向侵蚀基准面河流纵剖面的坡度在逐渐变小.因此可以认为河流坡度是河型的控制因素之一.Shumm [37]的地貌临界假说尤其强调这一点.(2)构造 网状河发育在持续下沉的构造背景下,因此能形成极厚的垂向加积的河道砂体;曲流河发育处的构造比较稳定,因此能形成宽阔的曲流带;而辫状河则处于构364 应用基础与工程科学学报 V o l.8造上升和下沉的交接地区.如果流域发生构造变化则势必引起河势的变化,从而导致河型的变化.同生构造作用对盆地建造的控制是最普遍的特性,它直接影响着河流的布局、流向、沉积速率,从而影响到河流类型、沉积层序及河道砂体的相互连通性[30].(3)气候 气候是河型转换的极为重要的变量之一.网状河常常发育在潮湿气候区,在湿度、频率及持续时间上足以形成发育良好的河道并有助于能加固河岸和天然堤的植被生长[34,38,39],干旱气候条件下内陆网状河的发现也有报道[40～42],但这是对气候及钙结层等条件的复杂响应.至于辫状河,主要由干旱气候条件下间歇性水流所控制.曲流河的气候响应也较明显,如荷兰Maas 河在寒冷的新仙女木期(Young er Dryas )由曲流河变为辫状河;在由新仙女木期向前北方期(Prebo real )过渡时期,温暖气候的恢复导致河型又由宽浅的辫状河变为狭窄的、低弯度的曲流河体系[43].(4)沉积物组成 河道边界的沉积物组成对河型的影响也是显而易见的,许多学者对此作过深入的探讨[37,44～52].曲流河曲的摆动需要易于侵蚀的介质,河岸物质中粉砂、粘土含量较高,具有一定的抗冲性;辫状河的河岸物质一般更松散、细粒沉积物含量少,抗冲性极差;网状河发育天然堤,泥质含量高,植被发育,这决定了网状河道非常稳定,难以侧向迁移.(5)流量变化 特大洪水会引起河型的调整并趋向于形成辫状河,洪水过后,河流有时会恢复原河型[53,54],有时就不会.Wolman 等[55]进一步总结了不同气候条件下河流在遭到稀有洪水破坏后的恢复过程,结论是湿润地区的河型恢复过程一般持续10～15年;半干旱区的恢复时间很长,如西麦隆河在经过了37年后仍没有恢复旧貌;干旱区则很难恢复.认为消除洪水的作用痕迹并恢复原河型需要三个条件:较长时期不再发生大洪水;细粒泥沙补给充足;植被能够生长.其中后者是决定性因素.显然,这些恢复作用要求流量的变率比较小.当洪流的变化频率非常大时(如年内数次),河流往往向辫状河转化.此外,源区物质供给条件(取决于风化条件)对河型的影响也比较明显.1.5 古河道重建近年来古河道重建工作也受到应有的重视.Willis [56]利用点坝沉积的三维视图重建曲流河古河道形态及水力学状况是一次有益的尝试.他指出,曲流河道重建工作需要认识河道弯曲段的迁移、点坝形态和相的时空变化之间的相互影响以及露头方向,砂体的层理类型、粒度分布、沉积构造和古流向的空间变化是必须的资料.用上述数据,从河流规模、河型、砂坝形状、水动力及迁移行为等方面重建古河道;从自然地理、沉积环境和沉积速率的变化来重建古泛滥平原.但更多的人只是从Schum m (1978)的方法出发,利用平滩流宽度和深度、粉砂和泥在河道和河岸沉积物中的百分含量等四个参数来计算古河流的水文特征(河道弯度、坡度、坡长、宽/深比、流速等).这类工作大都局限于曲流河,其他河型的河道重建工作是更为复杂的,迄今未能开展.2 发展趋势通过上面对河流沉积学研究进展的简单回顾可以发现,河流沉积学的研究还存在着许多不足且有待发展的地方,这主要表现在以下几个方面.(1)河流层序地层学在陆相全球变化和古代河流沉积相模式研究中有着举足轻重的No 365.4 王随继等: 河流沉积学研究进展及发展趋势 地位,虽然它是刚开展不久的新的研究方向,但具有广阔的发展前景.(2)随着河流分类体系的逐步完善,不同河流沉积体系的识别,尤其是分汊河和网状河的沉积体系的识别标志,在方法上有待发展和完善.水槽模拟实验研究、三维露头研究、深部河流沉积地层的地震勘探和现代河流沉积物的地质雷达勘探等研究方法的有机结合是该河流沉积学的主要研究手段,而定量研究和数值模拟研究是其将来发展的必然趋势.(3)网状河和分汊河的多河道形成机理的理论探讨和水槽模拟实验有待加强.这是河流沉积学上可望有重大发现的突破点之一.(4)一条河流中不同河段的河型分布及转化(河型随空间的转化)、同一地区不同时段的河型演化(河型随时间的转化)的模式探讨及其影响因素归纳是河流沉积学、河流动力学、河流地貌学的研究者所共同面临的课题[57],由此所导致的沉积学家、地貌学家和水利学家等不同领域的研究者的相互配合是该学科发展的一大特色.(5)河流沉积学的研究成果在洪水和泥沙灾害的防治方面还有着广阔的应用空间[58];在控制河水污染、河流沉积物污染,以及在人们生存环境的评价和管理等方面日益显示出它的重要性[59].显然,河流沉积学的研究向深层次、综合化和定量化方向发展,其应用方面已经突破了传统的资源勘探开发领域,对人们所面临的环境问题和洪水、泥沙灾害问题将给予更多的关注.参考文献[1] Robert R B.Res erv oir sands tone[M ].Prentice-Hall Ine Englew ood Cl iffs,New J ersey.1986[2] Pu tnam P E .Fluvial depos its and hydrocarbon accumulations :examples from th e Lloydminster area ,Canada (A ).In:Coll inson J D,Lew in J (eds).M odern and anc ient fluvial systems [C ],Blackw ell,London.1983.236～248[3] 裘亦楠.储层地质模型[J ],石油学报,1991,12(4):55～62[4] 李祯,杨士恭,付泽明,等.鄂尔多斯盆地延安组曲流河砂体内部构成及孔渗变化的研究(A).见:裘亦楠,等.中国油气储层研究论文集(续一)[C 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of res earch in fluvial sedimen tology,some of its research aspects are review ed and discussed in this w ork.These aspects include fluvial river cl assification ,flum e simulation ex periment of sedimentation,depositional model,influence factors of deposit formation and ancient channel reconstruction.Some directions based on the above are brough t forw ard and they are :(1)Fluvial sequence s tratigraph y has a wide dev elopment space .(2)The dis tinguish methods of different river styles need to perfect.(3)Th e multiple channel formation mechanism of anastomos ing and anabranch ed rivers must be research ed d eep in th eory and flum e simulation experimen t.(4)Th e spatial and temporal transforms of different channel patterns need to s tudy systematically and synth etically.It is look forw ard to develop in th e abov e aspects so th at fluvial s edimentol ogy can be development .Keywords :fluvial riv er,sedimentol ogy,research e v olution,development direction No 369.4 王随继等: 河流沉积学研究进展及发展趋势 。
