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波浪作用下砂质滩坝的沉积过程与沉积模式

尹力 冯文杰 尹艳树 雷诚 徐庆岩 何一鸣

尹力, 冯文杰, 尹艳树, 雷诚, 徐庆岩, 何一鸣. 波浪作用下砂质滩坝的沉积过程与沉积模式——基于水槽沉积模拟实验研究[J]. 沉积学报, 2022, 40(5): 1393-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
引用本文: 尹力, 冯文杰, 尹艳树, 雷诚, 徐庆岩, 何一鸣. 波浪作用下砂质滩坝的沉积过程与沉积模式——基于水槽沉积模拟实验研究[J]. 沉积学报, 2022, 40(5): 1393-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
YIN Li, FENG WenJie, YIN YanShu, LEI Cheng, XU QingYan, HE YiMing. Process and Model of Sedimentation of Sandy Beach Bar Due to Wave Action: An experimental study based on sink sedimentation simulation[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(5): 1393-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
Citation: YIN Li, FENG WenJie, YIN YanShu, LEI Cheng, XU QingYan, HE YiMing. Process and Model of Sedimentation of Sandy Beach Bar Due to Wave Action: An experimental study based on sink sedimentation simulation[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(5): 1393-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147

波浪作用下砂质滩坝的沉积过程与沉积模式——基于水槽沉积模拟实验研究

doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
基金项目: 

国家自然科学基金 41872138

详细信息
    通讯作者:

    尹艳树,男,教授,博士生导师,E-mail: yys6587@126.com

  • 中图分类号: P512.2

Process and Model of Sedimentation of Sandy Beach Bar Due to Wave Action: An experimental study based on sink sedimentation simulation

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 41872138

  • 摘要: 受波浪及沿岸流影响,在滨岸地区形成的滩坝砂体是滨海(湖)带发育的主要砂体类型。目前国内外学者对滩坝沉积砂体的认识多来自于现代沉积和油气地质特征,对滩坝砂体的沉积机制和内部结构研究相对较弱。基于沉积水槽实验,采用规则波浪对沙质斜坡滨岸带进行模拟实验,观测波浪作用下滨岸带滩坝形成过程和波浪运动特征,记录波浪作用下滨岸带沙质滩坝在不同浪带平面时空演化规律。实验结果显示:波浪是改造湖岸原有沉积物的关键驱动力,波浪作用下沙质岸滩床面泥砂将发生输移运动,而滩坝是陆湖(海)泥沙在水动力驱动下搬运沉积的结果,水动力的强弱及水流结构引起泥沙在空间上的不均匀输运和分布,进而塑造不同的滩坝形态。与强波浪相关的高水位可以加速滩坝系统的形成并最终形成大规模的滩坝砂;相比之下,与较弱波浪相关的低水位只能略微改变初始沉积物形态。根据不同的沉积物特征可将实验中的滩坝系统分为三类:冲浪带和碎浪带滩坝系统近端部分的大规模厚层坝砂,破浪带和升浪带滩坝系统中部分布广泛的薄滩砂,以及位于滩坝系统中远端的弧形或平行排列的脊状、砂纹坝砂。建立了水槽实验模式下滩坝沉积模式,可用于指导油气勘探开发。
  • 图  1  实验设备及实验地形

    Figure  1.  Experimental equipment and experimental terrain

    图  2  实验阶段一不同时段滩坝系统实验照片

    Figure  2.  Photographs of experimental beach bar system in different periods of experiment stage1

    图  3  阶段一中不同时段滩坝系统地形图(扫描处理)

    Figure  3.  Evolution maps of beach bar system in different periods of stage 1 (scanning processing)

    图  4  实验阶段二不同时段滩坝系统实验照片

    Figure  4.  Photographs of experimental beach bar system in different periods of experiment stage 2

    图  5  阶段二中不同时段滩坝系统地形图(扫描处理)

    Figure  5.  Topographic maps of beach bar system in different periods of stage 2 (scanning processing)

    图  6  实验阶段三不同时段滩坝系统实验照片

    Figure  6.  Photographs of experimental beach bar system in different periods of experiment stage 3

    图  7  阶段三中不同时段滩坝系统地形图(扫描处理)

    Figure  7.  Topographic maps of beach bar system in different periods in stage 3 (scanning processing)

    图  8  实验中滩坝演化水平剖面变化趋势

    Figure  8.  Change trend of horizontal profile of beach bar evolution in the experiment

    图  9  滨岸带水动力划分和实验各阶段顺物源地形变化趋势

    Figure  9.  Coastal zone hydrodynamic division and the change trend of the provenance and topography at each stage of the experiment

    图  10  不同波浪带平面图

    Figure  10.  Floor plans of different wave zones

    图  11  实验结束滩坝构型特征

    Figure  11.  Architectural characteristics of beach bars at the end of the experiment

    图  12  从近端坝到远端坝的纵向构型剖面

    Figure  12.  Longitudinal profile from the proximal dam to the distal dam

    图  13  滩坝沉积模式

    Figure  13.  Beach bar sedimentation model

    表  1  实验阶段和水动力参数

    实验阶段滨浅湖水深/cm波浪周期/s波高/cm波浪作用时间/h泥沙沉降间隔时间/h
    实验阶段一392612
    实验阶段二693.5612
    实验阶段三1295512
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-22
  • 刊出日期:  2022-10-10

目录

    波浪作用下砂质滩坝的沉积过程与沉积模式

    doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
      基金项目:

      国家自然科学基金 41872138

      通讯作者: 尹艳树,男,教授,博士生导师,E-mail: yys6587@126.com
    • 中图分类号: P512.2

    摘要: 受波浪及沿岸流影响,在滨岸地区形成的滩坝砂体是滨海(湖)带发育的主要砂体类型。目前国内外学者对滩坝沉积砂体的认识多来自于现代沉积和油气地质特征,对滩坝砂体的沉积机制和内部结构研究相对较弱。基于沉积水槽实验,采用规则波浪对沙质斜坡滨岸带进行模拟实验,观测波浪作用下滨岸带滩坝形成过程和波浪运动特征,记录波浪作用下滨岸带沙质滩坝在不同浪带平面时空演化规律。实验结果显示:波浪是改造湖岸原有沉积物的关键驱动力,波浪作用下沙质岸滩床面泥砂将发生输移运动,而滩坝是陆湖(海)泥沙在水动力驱动下搬运沉积的结果,水动力的强弱及水流结构引起泥沙在空间上的不均匀输运和分布,进而塑造不同的滩坝形态。与强波浪相关的高水位可以加速滩坝系统的形成并最终形成大规模的滩坝砂;相比之下,与较弱波浪相关的低水位只能略微改变初始沉积物形态。根据不同的沉积物特征可将实验中的滩坝系统分为三类:冲浪带和碎浪带滩坝系统近端部分的大规模厚层坝砂,破浪带和升浪带滩坝系统中部分布广泛的薄滩砂,以及位于滩坝系统中远端的弧形或平行排列的脊状、砂纹坝砂。建立了水槽实验模式下滩坝沉积模式,可用于指导油气勘探开发。

    English Abstract

    尹力, 冯文杰, 尹艳树, 雷诚, 徐庆岩, 何一鸣. 波浪作用下砂质滩坝的沉积过程与沉积模式——基于水槽沉积模拟实验研究[J]. 沉积学报, 2022, 40(5): 1393-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
    引用本文: 尹力, 冯文杰, 尹艳树, 雷诚, 徐庆岩, 何一鸣. 波浪作用下砂质滩坝的沉积过程与沉积模式——基于水槽沉积模拟实验研究[J]. 沉积学报, 2022, 40(5): 1393-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
    YIN Li, FENG WenJie, YIN YanShu, LEI Cheng, XU QingYan, HE YiMing. Process and Model of Sedimentation of Sandy Beach Bar Due to Wave Action: An experimental study based on sink sedimentation simulation[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(5): 1393-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
    Citation: YIN Li, FENG WenJie, YIN YanShu, LEI Cheng, XU QingYan, HE YiMing. Process and Model of Sedimentation of Sandy Beach Bar Due to Wave Action: An experimental study based on sink sedimentation simulation[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2022, 40(5): 1393-1405. doi: 10.14027/j.issn.1000-0550.2021.147
      • “滩坝”是一个综合术语,用于描述沿湖岸浅水区分布的滩砂和坝砂[17]。滩坝广泛发育于滨岸带的浪基面和岸线之间宽阔的平缓地带,是坝砂和滩砂的合称,以薄互层砂体为特征[37]。因滩坝沉积相发育范围较广、物性较好,滩坝砂作为薄互层砂体的典型代表,逐渐成为油气勘探开发的重要对象。学者们对滩坝系统开展了深入而系统的研究[37]。根据滩坝系统的分布和水动力条件,形成于湖盆中的滩坝分布于开阔的浅水区、三角洲的一侧和湖岸线的拐弯处[3]。波浪和海岸流被认为是形成滩坝系统的主要驱动力[37]。在三种类型的滩坝系统中,分布在三角洲一侧的滩坝系统被认为是最典型和最常见的,因为先前存在的三角洲可以为它的形成提供足够的碎屑物源,后期波浪的改造形成了广泛分布的滩坝砂[811]。许多学者研究分析了这种滩坝系统的沉积和分布特征[916]。但作为滩坝砂体发育主要动力的波浪,其对沙坝形成和分布的控制作用分析较为少见[1727]。研究滩坝沉积发育的水动力特征,对揭示滩坝砂体的泥沙分选运动规律、预测空间分布样式具有重要意义。

        水槽沉积模拟实验是研究水动力及泥沙运动的有效手段,通过设计滩坝水槽沉积模拟实验可以很好地剖析滩坝发育模式及分布规律。笔者以滨岸带滩坝为对象,开展了波浪作用下砂质滩坝形成与分布的模拟。通过相机、监控摄像和激光粒度扫描仪对滩坝形成过程、平面样式、沉积特征进行观测,记录实验滩坝沉积地貌数据,利用自研数据处理和定量沉积学分析软件,揭示了湖盆三角洲被改造为滩坝的沉积特征演化特征,系统分析了不同波浪作用下滩坝砂体分布发育规律,为滩坝研究提供参考。

      • 本实验在中石油储层重点实验室长江大学武汉校区沉积水槽模拟分室完成,实验水槽全长10 m,宽3 m,高1.5 m。根据滩坝沉积特点,结合实验室条件,设置了沉积模拟装置,装置包括控制台、模拟河道、三角洲沉积区、滨浅湖盆区、造浪区、储水区和循环池、图像摄录设备、3D激光扫描仪等(图1)。控制台功能为对沉积物进行搅拌并定速供水,通过模拟河道将沉积物输送到沉积区;造浪机器由动力箱和造浪板构成,动力箱传送动力到造浪板,由造浪板推动水体形成0.5~5 cm高、周期可控的规则波浪;图像摄录设备可在实验中全程拍照和录像;3D激光扫描仪为FARO Focuss 703D激光扫描仪,对实验进行精细沉积地貌扫描,记录不同期次沉积物演化形态数据,扫描数据精度平面上为1 mm,垂向上低于1 mm。

        图  1  实验设备及实验地形

        Figure 1.  Experimental equipment and experimental terrain

      • 为尽可能模拟滩坝沉积演化过程,实验采用模拟的三角洲和概化坡折浅水湖岸为底形(图1),实验排除了气候、构造变化对沉积带来的影响,设计模拟河道长1 m,宽20 cm,坡度5%,实验采用单一物源供给;利用通量供水器通过河道向湖盆沉积区域投送泥沙,泥沙配比为:细砂∶中砂∶粗砂=1∶2∶1;三角洲沉积区长4 m,宽3 m,此处先模拟沉积的三角洲作为后期波浪改造对象;盆区通过底形设计为坡度为0.4%的单一沙质斜坡;实验中设计了19轮波浪改造,通过造浪机产生浪高3~5 cm、周期为9 s、频率为1 s的规则波浪。

        实验过程设定为三个阶段(表1),第一阶段:三角洲形成阶段,三角洲的供给量为:供水由0.5 L/s逐步降低至0 L/s,供砂量由0.8 kg/min逐渐降低至0 kg/min,湖平面保持稳定,模拟三角洲逐步废弃过程;第二阶段:低水位期三角洲改造阶段。三角洲沉积终止,湖平面保持稳定,模拟较低水位条件下湖浪对三角洲的侵蚀、改造滩坝作用;第三阶段:高水位期,三角洲改造阶段,湖平面上升,模拟较高水位条件下湖浪对滩坝的侵蚀改造作用。整个实验持续时间为19 h,其中第一阶段6 h,第二阶段6 h,第三阶段5 h。

        表 1  实验阶段和水动力参数

        实验阶段滨浅湖水深/cm波浪周期/s波高/cm波浪作用时间/h泥沙沉降间隔时间/h
        实验阶段一392612
        实验阶段二693.5612
        实验阶段三1295512
      • 模拟过程中,为便于测量砂体变化,分别采用延时相机和3D激光扫描仪及时记录实验。延时相机按照每分钟20次的频率记录实验图像信息,3D激光扫描仪按照每30 min一次的频率进行模拟沉积体地貌精细扫测,记录滩坝沉积地貌数据。利用自研数据处理和定量沉积学分析软件,将扫描所得点云数据经软件编辑后形成精细的地貌形态、高程及图像信息,通过绘制实验中每小时末的地貌、沉积物厚度增量及滩坝系统的详细剖面,为滩坝成因定量分析提供数据支撑。

        同时观察记录波浪在滨岸带传播变形、破碎、冲岸和回流将三角洲改造为滩坝的过程,研究沉积物与水动力响应特征。

      • 在整个湖盆三角洲滩坝沉积实验过程中,沉积体系中原有三角洲体系随着时间的变化展现出不同的地貌演化速度,缓慢演化与急剧改造互相交替,受到较大程度的改造,第一、第二阶段湖浪对三角洲的改造有限,第三阶段才是形成滩坝的主要阶段。在19 h的改造后,滩坝体系形成。

      • 首先在滨浅湖区发育一个沿湖盆方向长约3.5 m的三角洲沉积(图2a),发育三角洲平原、三角洲前缘以及前三角洲等亚相[28],泥沙经过沉降、压实后,开始第一阶段波浪改造,此阶段水位不变,造浪机产生向岸波浪,当水深为波高两倍左右时,波浪开始破碎,在湖盆3.5~4 m处开始改造前三角洲,随着供给水道提供的水流和砂质的逐渐较少,三角洲的形态迅速受到改造。在0~1 h内,三角洲前缘边部受到微弱改造(图2b),在充足的物源条件下,波浪对底形冲刷,对沉积物质强烈淘洗、簸选,水流卷携大量沉积物质在前三角洲附近形成大范围滩砂沉积,使原本不规则的前缘边部变得圆滑(图2c);1~2 h期间,原三角洲沉积受到河流供水的影响而发生下切和迁移,在三角洲前0.5 m处,因波浪带起的细粒泥沙沉降形成大范围滩;2~3 h期间,原三角洲在湖浪的作用下被进一步改造,三角洲前缘的远端形成砂纹状滩砂体(图2d),在宽阔的浅湖地带,波浪向岸推动使较粗的沉积物运动,在三角洲附近形成分选较好、较为明显的大范围厚滩砂沉积(图3d);0~3 h期间,三角洲尚能维持主体的稳定形态,但在水流和沉积物供给进一步减少的3~4 h内,原三角洲沉积被进一步侵蚀,仅保留了供给水道外侧局部沉积(为水动力波及不到的三角洲平原区域),前缘的河口坝、分支河道等被改造成沿三角洲边缘发育的滩(图3a)。6轮波浪改造结束后,湖盆4~5 m位置发育的滩范围扩大、厚度变厚,滩砂位置前移与三角洲接壤,三角洲前缘、水下分流河道、河口砂坝提供的丰富沉积物在波浪作用下被破坏(图2e)。较粗的沉积物向岸方向在水底成跳跃式移动,细粒沉积物则在水体中呈悬浮状态移动,在碎浪带,形成席状展布的砂质滩,滩上局部砂质堆积形成加厚的多列砂坝,三角洲正前方的滩上发育新月形小砂丘,砂丘间侵蚀出凹槽(图3b)。显然,该阶段与有沉积物供应的三角洲建设期相比,波浪在实验中主导了湖岸的沉积活动。

        图  2  实验阶段一不同时段滩坝系统实验照片

        Figure 2.  Photographs of experimental beach bar system in different periods of experiment stage1

        图  3  阶段一中不同时段滩坝系统地形图(扫描处理)

        Figure 3.  Evolution maps of beach bar system in different periods of stage 1 (scanning processing)

      • 6~9轮波浪改造中,水位保持不变,供给河道不再提供水和沉积物,仅湖浪对原三角洲体系进行侵蚀改造。在这一过程中,原三角洲平原沉积被进一步缓慢改造而逐步缩小(图4a)。大部分三角洲前缘砂体被改造(图4b),脊状坝的数量和规模随着模拟时间的延续而逐步增加。随着砂体前移,水深变大,前一阶段形成的大范围滩砂继续向岸前移,在水槽两侧坡度较小位置,沉积厚度再次加厚(图4d),滩砂在中间坡度较大位置延伸范围更靠岸,滩受碎浪带波浪改造形成范围扩大,沉积厚度较薄的砂沉积体,滩上由于浪的各向异性形成细长的脊状、堤状、隆起的坝。在原三角洲砂体上,沉积物受到强烈的淘洗分选,水底沉积物中较细的泥砂形成大范围滩砂(图4c),而粗粒沉积物则继续向岸方向在水面下以跳跃式移动并扩散堆积,形成不规则的砂坝,坝间较细的沉积物质被卷携带起向两侧搬运延伸,形成沿岸线伸展的不规则直列或斜列长条状砂坝。原三角洲两侧位置,除形成较厚的滩,还形成波痕和鱼鳞状排列的新月状砂坝;向岸的冲浪携带较粗的泥砂搬运至岸线,并沿原三角洲两侧在岸线较高的位置堆积,形成在岸线上延伸展布的砂坝(沿岸坝)。这一过程中,原三角洲被进一步侵蚀,并在原来的三角洲前缘—前三角洲部位形成大规模滩和小规模的脊状坝(图4f)。大规模滩主要为三角洲沉积物受侵蚀改造后形成,而脊状坝则是受到持续的湖浪作用改造而成(图5a),形成所需时间较长。

        图  4  实验阶段二不同时段滩坝系统实验照片

        Figure 4.  Photographs of experimental beach bar system in different periods of experiment stage 2

        图  5  阶段二中不同时段滩坝系统地形图(扫描处理)

        Figure 5.  Topographic maps of beach bar system in different periods of stage 2 (scanning processing)

        9~12轮波浪改造中,4~5 m处前阶段的滩坝砂体大幅度向上迁移,滩坝与三角洲遗留砂体接合,滩上的长条带型砂脊被波浪荡平,改造形成较厚的表面为泥、下部为砂的不规则滩,原三角洲两侧出现大范围较短的交错斜列砂坝。岸线附近,沿初始三角洲沉积两侧,粗质砂砾沿岸线堆积形成厚约8 cm翼状砂坝(图5b)。观察表明,此阶段低水位和相关的弱波浪强度所形成的滩坝规模比较局限。

      • 由于湖平面上升,原三角洲被进一步改造缩小,仅在供给河口残留部分砂体(图6a)。砂坝的数量和规模进一步增大,在原三角洲前缘部位形成了多个平行岸线的砂坝(图6b),12~15轮波浪改造中,湖盆水位继续抬高至12 cm,水位的上升,波浪高能带前移,平行于岸线的大面积滩从湖盆4.5 m处前移到4 m处,厚滩上右侧形成长约80 cm不规则长条砂坝,坝间侵蚀出较深凹槽,左侧形成大范围不规则曲状砂坝(图6b);中间部位,发育小范围波痕。三角洲绝大部分砂体则被波浪荡平,改造形成大范围滩砂。

        图  6  实验阶段三不同时段滩坝系统实验照片

        Figure 6.  Photographs of experimental beach bar system in different periods of experiment stage 3

        图  7  阶段三中不同时段滩坝系统地形图(扫描处理)

        Figure 7.  Topographic maps of beach bar system in different periods in stage 3 (scanning processing)

        图  8  实验中滩坝演化水平剖面变化趋势

        Figure 8.  Change trend of horizontal profile of beach bar evolution in the experiment

        图  9  滨岸带水动力划分和实验各阶段顺物源地形变化趋势

        Figure 9.  Coastal zone hydrodynamic division and the change trend of the provenance and topography at each stage of the experiment

        图  10  不同波浪带平面图

        Figure 10.  Floor plans of different wave zones

        图  11  实验结束滩坝构型特征

        Figure 11.  Architectural characteristics of beach bars at the end of the experiment

        图  12  从近端坝到远端坝的纵向构型剖面

        Figure 12.  Longitudinal profile from the proximal dam to the distal dam

        15~18轮改造后,水槽3.5 m处,大范围滩呈席状展布,边缘不对称,3.5 m处形成多列平行岸线的规则或不规则直列砂坝(图6c),厚度达到最大,接近水深,坝间凹槽侵蚀加深,表面沉积一层薄细粒沉积物。水槽两侧,冲刷回流卷携的沉积物二次沉积,堆叠形成较厚的斜列砂坝(图7a),坝两侧由于水动力影响形成较规则新月形砂丘,绝大部分分支河道、天然堤被改造为大范围厚滩坝(图6d),只在河口位置遗留小部分三角洲分支河道和天然堤沉积。沿岸线发育顶部为粗砂以翼状展布的坝沉积,分选较好。

        18~19轮改造后,滩坝发育稳定,前期发育的多组条状砂坝在波浪改造下,被破坏再建设,数量减少,多组砂坝融合堆积形成一个大的条状砂坝,2~3 m处的新月形砂丘也因为沉积物沉积形成较薄的短轴曲状砂坝(图7b)。原三角洲两侧位置在波浪冲浪回流的裂流作用下,砂体在此处发育形成两个滩坝沉积(图6e)。河口岸线两侧,沉积面积扩大,厚度增加,发育粒度较粗的砂质滩坝堆积。

        由此可见,较高的水位和与之相随的强波浪进一步改造了滩坝系统的形态,形成近端和远端滩坝砂体。

      • 通过19组水槽模拟实验,发现湖盆三角洲—滩坝沉积体系中滩坝的物源主要来自前期形成的三角洲沉积砂体,充足的物源供给控制滩坝沉积的砂体分布,即原有三角洲被侵蚀,经过波浪作用二次搬运沉积形成滩坝,但整体上三角洲前缘带的沉积物量几乎保持不变(图8)。从图中可以看出三个阶段沉积物迁移的变化:

        (1) 在阶段一,侵蚀主要发生在坡折带位置(图8e),对应一阶段沉积物供应量逐渐减少,但仍有大量泥砂被输送到滩坝系统中。为了改造初始沉积物,需要足够高的水位以确保三角洲被水覆盖。初始沉积的波浪改造作用只发生在被水覆盖的区域。

        (2) 在阶段二,低水位限制了波浪对原有三角洲的改造范围,前三角洲与深湖坡折带附近的沉积物受到明显侵蚀,侵蚀带逐渐从坡折带移动到滩坝系统的地势较高部位(图8e),三角洲砂体开始被波浪侵蚀,前期坡折带沉积砂体在阶段二结束时全部向岸方向迁移;滩坝的形成受各种水动力作用相互影响,波浪将一部分沉积物推向靠岸的地势较高区域,并将部分被侵蚀的沉积物带到滩坝系统的远端部分(靠近坡折带);在二阶段的最后3 h内,滩坝系统趋于稳定,只有远端部分的沉积物分布发生改变(图8b)。

        (3) 在阶段三,高水位完成了对三角洲大部分砂体的改造建设,强水动力的环境有利于滩坝沉积的发育。滩坝的迁移严格按照波浪能量变化的控制,大量泥砂迁移并最终沉积在靠近水槽底部(湖岸)的区域,较强的波浪将部分沉积物进一步持续输送到水槽底部附近形成较厚的沿岸坝(图8e);远端坝被进一步改造,形成规模更大的砂体。实验结束时,原有三角洲地貌完全改变。大部分三角洲沉积物被侵蚀,并被迫沿湖岸重新分布(图8c)。

      • 根据波浪水动力特征划分波浪带,建立滩坝沉积模式,针对不同波浪带对砂体的搬运或侵蚀改造作用,解析不同部位滩坝砂体的形态样式和沉积差异。向陆方向可依次划分四个主要的水动力带(图9a):波浪遇浅产生的升浪、区域振荡的破浪和碎浪、受空间限制的冲浪流(岸流)。各水动力带波浪的相对强度和方向不同,相互作用下的引起的空间变化导致对沉积物产生强烈和系统的作用从而形成沉积差异(图9b)[1727]。本文根据试验观测的不同水动力类型,将模拟湖盆中的波浪带沿向陆方向分为四个区域:升浪带、破浪带、碎浪带、冲浪带[1823]图10)。

      • 升浪带(又称波浪遇浅带),波浪在向岸的运动中,随着水深变浅,波浪刚触及湖底时,浪高上升但不足以破碎,波浪能量也有所增加,但相对于水底摩擦力,能量只足以带动水中较细的泥砂,使其处于悬浮状态,对于粒径较大的水底砂砾依然无法带动。此处波浪依旧大部分处于对称状态,振荡幅度较小,频率较大(图9b);随着水深继续变小,波浪受到水底底形摩擦阻力增大,水体振荡强度变大,不对称性越来越高。

        总体来说,升浪带波浪动能较小,水体振荡幅度较弱,只能够携带较细的沉积物质。

      • 破浪带,随着波浪继续向岸运动,浪高高于水深2倍左右时,波浪开始倒卷,波峰强烈变形,形成较大的涡流。翻卷的高能波浪倒卷触及水底,首先侵蚀其下方滩面,搅动起大量沉积物质。沉积物质在涡流中以悬浮状态沿椭圆轨迹向岸方向以跳跃底载荷运动,在运动过程中与底床泥砂频繁进行交换(图9b)。粗粒物质选择滩面上升部位堆积,形成原始滩脊(坝)和沟槽。由于破浪带为高能带,对底形的冲刷、沉积物质淘洗分选作用更加强烈,在区域内形成粒度较粗的远岸砂坝。破浪带波浪扎向水底的过程中,能量消耗较大,产生的冲浪和回流能量都极小,极容易被后续碎浪抵消。

      • 碎浪带在向岸线附近,浪高与水深相当或水深小于波高时,波峰会在此区域发生完全倒卷和破碎[21],此区域被称为碎浪带(或涌浪带)。碎浪的形成受坡度控制,较陡的底形,不形成碎浪;坡度平缓,形成较宽的碎浪带。在碎浪带中,碎浪由于完全翻转倒卷消耗波浪大部分能量。碎浪对沉积物的主要作用为搬运,除搬运粗粒沉积物外,对其他沉积物搬运作用很弱(图9b)。碎浪会对第一阶段形成的滩坝以及三角洲砂体再分配(图9b)。滩受碎浪带波浪冲洗改造形成范围较广、沉积厚度较薄的滩,滩上形成细长的脊状、堤状、隆起的坝,由波浪和水流作用共同建造。

      • 当部分破浪和碎浪进入前滨岸带,由于破浪或者碎浪消耗大部分能量,冲浪能量小于破浪和碎浪。波浪借惯性冲向海岸,形成冲浪,称为冲浪带(冲流带)[28],它包括惯性作用下的拍岸浪和在重力作用下减速返回的回流。冲浪带冲流的搬运能力强于回流,能够搬运较粗的砂砾,又经过冲浪反复冲刷、淘洗,形成成熟度较高、分选较好的厚砂质滩坝沉积,拍岸后没有沉积物混合的水在惯性力作用下减速返回湖盆中形成回流(退浪)。搬运的沉积物,从大到小依次沉积,波浪从湖盆中央向湖岸运动时,能量的消耗使碎屑颗粒物沉积下来,形成平行于岸线的坝砂沉积,滩砂分布于坝砂两侧。沿岸坝的形成主要取决于冲岸的最大波浪,最大波浪产生的冲浪,使沉积物堆积并填平沟槽,向上加积形成向湖方向的冲洗砂坝。

        模型中从波浪对底床的沉积物开始扰动,向岸流作用下在破浪带二次沉积形成滩坝,破浪线处形成砂坝,坝后发育凹槽,凹槽中形成的震荡波和继续向岸的破浪破碎形成碎浪带,形成多列的平行岸线的砂坝或新月形砂坝。碎浪继续冲向岸边形成动能较小的冲浪,形成冲浪带,冲浪又在重力作用下回流,直至消失,波浪有效地将粗粒沉积物搬运到岸边最高处,发育形成较厚的沿岸坝,冲浪回流的波浪又影响碎浪带中的悬浮的沉积物质形成较厚的滩,这四种模型都在实验中得到很好地证实。

      • 根据水槽实验中记录的不同阶段沉积体的形态数据建立剖面(图11a),详细分析了滩坝系统的沉积构型。

      • 滩坝系统远端部分的沉积以脊状坝砂为特征(图12b~d)。这些坝砂呈弧形且近平行展布(图11h~j)。在纵向剖面中,多期坝砂表现为进积沉积序列(图11h~j)。其中,一期形成的沉积物较平坦,二期形成的沉积物表现为明显的上凸特征(图12e)。从横纵剖面来看,三期形成的沉积物体积较小,这与该阶段的水体能量较弱相关。远端坝砂的平均长宽比约为3.5。

      • 滩坝系统中部发育薄滩体(图12b),平均厚度仅为3~8 mm,明显小于近、远端坝砂的厚度(图12d)。沿纵向剖面(图11h~j),滩体主要以平行排列的小型条状砂体为特征(图12f),大部分沉积体形成于三期。尽管滩砂的厚度非常有限,但受波浪反复侵蚀和充填,还产生部分小的规则月牙形坝体(图11e),其空间形态仍较复杂。

      • 实验中形成的最大坝体分布在滩坝系统的近端部分(图12a)。近端坝体的主要沉积发生在C段(图12b)。沿横向剖面,近端坝体顶部呈现垂直加积的特征(图11g),单期坝砂的平均厚度约为0.5 cm。纵向剖面显示(图11h~j),后期沉积逐渐向下游方向倾斜并进入湖中(图11f),与底部平坦和略倾斜的沉积不同,顶部的沉积明显向上凸起(图12c)。

      • 根据沉积实验过程观察和定量分析,在三角洲沉积的基础上,可以通过波浪的改造形成滩坝系统(图13)。水位的高低和相关的波浪决定了原有沉积物被改造的程度:滩坝体系内部可能存在原始三角洲沉积体残留部分,但高水位和强波浪可以从根本上改变原有的沉积体系,形成典型的滩坝系统[2936];而低水位和较弱的波浪仅会对原有沉积物造成有限的影响,即原有沉积物只有远端和上部会被侵蚀。滩坝砂体发育过程中受波浪作用反复冲刷、淘洗,分选较好,尤其是厚的坝砂,多为中砂岩,泥质含量较少。单砂层厚,物性好,大范围分布的滩坝沉积是很好的油气储集层。但滩坝砂横向变化快,内部砂体连通性复杂,砂泥互层频繁,有较强非均质性。

        图  13  滩坝沉积模式

        Figure 13.  Beach bar sedimentation model

        分析沉积体尺度、形状和内部结构的差异,结合水动力总结湖盆三角洲—滩坝发育模式:主要发育在有稳定、充足的物源供给的滨浅湖缓坡带, 在湖盆内的延伸范围受沿岸流和湖浪的共同控制, 在原三角洲的前部和侧部发育大量滩坝以升浪、破浪为主的远岸滩坝模式、以破浪、碎浪为主的中部滩坝模式和以碎浪、冲浪为主冲浪—近岸滩坝模式。近端坝由一系列沿湖岸线沉积的大型坝体组成,且呈现出底平顶凸的特征;在近端坝前缘,发育薄而广的滩砂,其特点是由一系列平行排列的小型条带砂体组成;在滩坝系统的远端,沉积了一组平行排列的弧形坝砂,与近端坝体相比,远端坝尺度和厚度均较小。

      • 本文依托长江大学武汉校区沉积水槽模拟分室模拟了滩坝系统的形成过程。先期模拟的湖岸三角洲被视为初始基底。实验经历了三角洲废弃阶段、低水位阶段和高水位阶段,模拟了滩坝系统从原有三角洲废弃到滩坝形成的整个沉积过程。通过模拟,得到以下3点结论。

        (1) 湖盆三角洲中滩坝的演化经历一个破坏—建造的垂向进积过程,水位的上升对滩坝的分布有着显著的控制作用,可分为三个阶段,第一阶段为三角洲砂体废弃后初步被改造,形成范围较大的滩,滩上发育较薄的席状砂坝;第二阶段,低水位条件下,三角洲沉积的前三角洲和三角洲前缘被完全改造,发育大范围的滩,滩上发育直列、斜列砂坝,部分分支河道、天然堤被改造为新月形砂坝;第三阶段:高水位条件下,三角洲沉积大部分被改造为滩坝沉积,在波浪作用下发育大范围滩,斜列砂坝多趋同为直列砂坝,原三角洲前缘位置受碎浪和冲浪影响发育新月形砂坝。在滩坝体系中,三部分坝砂和滩砂的生长方向不同。生长方向的转换边界大致对应于近端坝与中部滩、中部滩与远端坝的分界线。从实验滩坝系统的近端到远端,沉积体生长方向依次为沿水进方向、沿水退方向、再沿水进方向。

        (2) 滩坝发育中沉积物的搬运方向和运动轨迹受水动力条件的控制,滩坝的形成是多种水动力条件互相影响下的结果。结合试验,将波浪带分为四个区域:升浪带、破浪带、碎浪带、冲浪带。具体表现为发育在升浪带、破浪带的远端坝,发育在碎浪带或内破浪带的砂坝称为中部滩坝,发育于冲浪回流带后方的沿岸砂坝称为近端滩坝。在不同的水动力带,各种波浪改造所形成砂坝的形态、沉积特征等不甚相同。

        (3) 总结了湖盆三角洲—滩坝模型中以升浪、破浪为主的远岸滩坝模式和以碎浪、冲浪为主的近岸滩坝模式。升浪、破浪模型中波浪对底床的沉积物开始扰动,在向岸流作用下在破浪带二次沉积形成滩坝,破浪线处形成砂坝,坝后发育凹槽,凹槽中形成的震荡波和持续向岸的破浪破碎形成碎浪带,形成多列平行岸线的砂坝或新月形砂坝;碎浪、冲浪模型中,碎浪继续冲向岸边形成动能较小的冲浪,形成冲浪带,冲浪又在重力作用下回流,直至消失,波浪有效地将粗粒沉积物搬运到岸边最高处,发育形成较厚的沿岸坝,冲浪回流的波浪又影响碎浪带中悬浮的沉积物质形成较厚的滩,这两种模型都在实验中得到很好地证实。

    参考文献 (36)

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