17河流相

沉积岩石学Sedimentarypetrology课程负责人：杨友运２００６年１０月第十七章河流相（FluvialFacies）第一节河流沉积过程及河流分类第二节河流沉积模式第三节古代河流鉴别标志及其与油气关系一、河流沉积过程在大陆环境中，河流作用是重要的地质营力之一。它不仅是侵蚀和搬运的营力，而且也是一种沉积营力。在适宜的构造条件下，有时可发育上千米的河流沉积。河流沉积广泛发育于现代和古代地层中，是研究得较为详细的一种沉积环境，在各种地质文献中，有关河流沉积的文献也特别多（Allen；A.D.Mial；Rust；Smith等）。随着油气勘探实践的发展，国内外在河流相砂岩中陆续发现了许多的油气藏。1.常见的水流流态有下述三种类型。层流紊流横向环流第一节河流沉积过程及河流分类2.流水作用河流作为沉积物搬运的重要地质营力，可使沉积物发生侵蚀、搬运和堆积作用。(1)侵蚀作用流水冲刷河床物质，产生垂直地面的下切侵蚀，使河床加深，或产生向着河岸的侧方侵蚀，使河谷展宽。(2)搬运作用河流中沉积物可按悬移、跃移和推移方式进行。(3)堆积作用河流的堆积作用有侧向加积和垂向加积两种类型。侧向加积使弯曲河道侧向迁移，形成边滩，并构成河流沉积剖面的下部旋回。垂向加积是洪水期河水溢出河床，悬移质在岸外形成的沉积，构成河流沉积剖面的上部旋回。第一节河流沉积过程及河流分类二、河流的类型1、河流的分类不同类型的河流，在河道的几何形态、横截面特征、坡降大小、流量、沉积负载、地理位置、发育阶段等方面都存在着差别，这些因素通常作为河流类型划分的依据。按照地形及坡降，可将河流分为山区河流和平原河流。前者地形高差和坡降大，向源侵蚀作用强烈，河岸陡而河谷深，河道直而支流少，水流急而沉积物粗；后者地形高差及坡降小，向源侵蚀停止，侧向侵蚀强烈，河道弯曲而支流多，故平原河流多为弯曲河流。按河流发育阶段，又可分为幼年期、壮年期、老年期河流。第一节河流沉积过程及河流分类拉斯特（Rust，1978）根据河道分岔参数和弯度提出了一个新的河流分类体系。所谓河道分岔参数是指在每个平均蛇曲波长中河道砂坝的数目。河道分岔参数的临界值为1或小于1者为单河道，大于l者为多河道。河道弯曲度是指河道长度与河谷长度之比，通常称为弯度指数，其临界值小于或等于1.5（也有人定为1.3）为低弯度河，大于1.5为高弯度河。根据上述两个参数，可将河流分为平直、蛇曲、辫状、网状四种类型。其中以蛇曲河、辫状河最为常见，平直河、网状河分布较少。第一节河流沉积过程及河流分类平直河网状河曲流河辫状河2。不同类型河流的主要特征（1）平直河平直河流弯度小，弯度指数小于1.5，通常仅出现于大型河流某一河段的较短距离内，或属于小型河流。河道内凹岸为冲坑(深槽)，沿此发生侵蚀作用，凸岸因加积作用形成砂坝,从而可产生侧向迁移而逐渐向蛇曲河发展。(2)曲流河又称为蛇曲河，为单河道，其弯度指数大于1.5，河道较稳定，宽深比值低，一般小于40，侧向侵蚀和加积作用使河床向凹岸迁移，凸岸形成点砂坝。曲流河河道坡度较缓，流量稳定，搬运形式以悬浮负载和混合负载为主，故沉积物较细，一般为泥、砂沉积。因河道较为固定，侧向迁移速度较慢，故泛滥平原和点砂坝较为发育，其主要分布于河流的中下游地区。第一节河流沉积过程及河流分类(3)辫状河过去也译为“网状河”。近来的研究表明，两者在特征上有所不同。辫状河为多河道，而且多次分叉和汇聚构成辫状，河道宽而浅，弯曲度小，其宽深比值大于40，弯度指数小于1.5，河道砂坝(心滩)发育。河流坡降大，河道不固定，迁移迅速，故又称为“游荡性河”。由于河流经常改道，河道砂坝位置不固定，故天然堤和河漫滩不发育。由于坡降大，沉积物搬运量大，并以底负载搬运形式为主。这种河流多发育在山区或河流上游河段以及冲积扇上。(4)网状河网状河具有弯曲的多河道特征，河道窄而深，顺流向下呈网结状，河道沉积物搬运方式以悬浮负载为主，沉积厚度与河道宽度成比例变化。河道间被半永久性的冲积岛和泛滥平原或湿地所分开。冲积岛和泛滥平原或湿地主要由细粒物质和泥炭组成，其位置和大小较稳定，与狭窄的河道相比，它们占据了约60％一90％的地区。网状河多发育在河流的中、下游地区。由于受地形坡度、流域岩性、气候条件、构造运动以及河水流量、负载方式等因素的影响，在同一河流的不同河段或同一河流发育过程的早期和晚期，其河道形式可有不同变化。甚至在同一时期的同一河段，因水位不同，河形亦有变化，如高水位时表现为网状河，低水位时表现为辫状河。第一节河流沉积过程及河流分类一、顺直河和曲流河沉积特征及其沉积模式在自然界顺直河是不常见的，其沉积特征与曲流河具有一定的相似形。曲流河不论是现代还是古代都是最常见和最重要的河流类型，也是目前研究程度最高、最详细的一种河流。艾伦(Allen，1964)根据现代河流发育的地貌特征，提出了曲流河沉积环境立体模型，并根据微地貌划分出各类次级环境(如图18—4所示)，根据环境和沉积物特征可将曲流河相进一步划分为河床、堤岸、河漫、牛轭湖四个亚相。第二节河流沉积模式1．河床亚相河床是河谷中经常流水的部分，即平水期水流所占的最低部分。流水的冲刷使河床底部显示明显的冲刷界面，构成河流沉积单元的基底。河床亚相又称为河道亚相，其岩石类型以砂岩为主，次为砾岩，碎屑粒度是河流相中最粗的，层理发育，类型丰富多彩。缺少动植物化石，仅见破碎的植物枝、干等残体，岩体形态具有透镜状，底部具有明显的冲刷界面。河床亚相可进一步划分为河床滞留沉积和边滩沉积两个微相：(1)河床滞留沉积河床中流水的选择性搬运，使细粒物质被悬浮和带走，而将上游搬来的或就近侧向侵蚀河岸形成的砾石等粗碎屑物质留在河床底部，集中堆积成不连续的透镜体，称为河床滞留沉积。其特点是砾石以粗碎屑物质为主，砂、粉砂极少。砾石成分复杂，源区砾石居多，亦有河床下伏基岩砾石，且常具叠瓦状定向排列，倾斜方向指向上游。砾岩很难形成厚层，一般呈透镜状断续分布于河床最底部，向上过渡为边滩或心滩沉积。第二节河流沉积模式(2)边滩沉积边滩又称为“点砂坝”，是曲流河中主要的沉积单元，是河床侧向迁移和沉积物侧向加积的结果。由于曲流河河床中水流对沉积物的搬运以底负载搬运(滚动和跳跃)方式为主，故边滩沉积的岩性以砂岩为主，其矿物成分复杂，成熟度低，不稳定组分多，长石含量高。第二节河流沉积模式曲流河边滩沉积相2．堤岸亚相堤岸沉积垂向上常发育在河床沉积的上部，相对河床亚相而言，属顶层沉积。与河床沉积相比，其岩石类型简单，粒度较细，以小型交错层理为主：进一步可分为天然堤和决口扇两个沉积微相。(1)天然堤沉积河流在洪水期因水位较高，河水携带的细、粉砂级物质溢出河道沿河床两岸堆积，形成平行河床的砂堤，称为天然堤。天然堤两侧不对称，向河床一侧，坡度较陡。每次随洪水上涨，天然堤不断加高，其高度范围与河流大小成正比，最大高度代表最高水位，弯曲河流的凹岸天然堤一般发育较好，凸岸天然堤逐渐变为边滩的上部。尤其在较小河流中，天然堤和边滩上部交互出现，很难分开。第二节河流沉积模式15.2河流沉积模式(2)决口扇沉积如果天然堤不被破坏，河床随沉积物迅速增厚而升高，最后反而高出旁侧的河漫滩，洪水期河水冲决天然堤，部分水流由决口流向河漫滩，砂、泥物质在决口处堆积成扇形沉积体，称为决口扇。它附属于河床之侧，与天然堤共生。决口扇沉积主要由细砂岩、粉砂岩组成。粒度比天然堤沉积物稍租。具有小型交错层理、波状层理及水平层理，冲蚀与充填构造常见。第二节河流沉积模式河漫滩沉积作用及其特征河漫滩：位于河道之间地形平坦、仅在洪水期淹没的地带，主要由悬浮搬运的物质沉积形成。3.河漫滩沉积特征：岩性细（泥岩、泥质粉砂岩），氧化色，水平纹理、泥裂、钙质结核，化石少见。Floodplain,Brazosriver(1)河漫湖泊在平原区的弯曲河流中，当河床因天然堤的围限和本身的沉积作用而逐渐抬高时，河床往往在一个比河岸两侧地形较高的“冲脊”上流动，洪水漫溢至两侧河漫滩上。洪水期后，低洼地区就会积水，加上冲脊上河床水平面高于两侧低地，亦构成低地积水区的地下水的源泉。因此，长期积水的低洼地带就形成了河漫湖泊。(2)河漫沼泽河漫沼泽又称为岸后沼泽。它是在潮湿气候条件下，河漫滩上低洼积水地带植物生长繁茂并逐渐淤积而成，或是由潮湿气候区河漫湖泊发展而来。在河流迅速侧向迁移的情况下，天然堤发育不良，洪水泛滥可形成广阔平坦的河漫沉积区，沉积物不仅有泥质，而且有大量砂质沉积，这时堤岸亚相与河漫亚相已无什么区别，故统称为泛滥平原沉积。第二节河流沉积模式(4)．牛轭湖亚相弯曲河流的截弯取直作用使被截掉的弯曲河道废弃，形成牛轭湖。牛轭湖沉积主要为粉砂岩及粘土岩粉砂岩中具有交错层理，粘土岩中发育有水平层理，常含有淡水软体动物化石和植物残骸。岩体呈透镜状，延伸最大可达数十千米，厚可达数十米。第二节河流沉积模式5．曲流河沉积的垂向模式曲流河沉积的典型垂向模式由沃克(1976)等人提出，这个标准相模式由下至上可划分为四个沉积单元(如图)。第一沉积单元为块状含砾砂岩或砾岩，属河床底部滞留沉积，与下伏层呈冲刷侵蚀接触，底部具有明显的冲刷面，粗砂岩中含泥砾，可见不清晰的大型槽状交错层理。第二沉积单元为大型槽状交错层理的中、细砂岩，层理规模向上逐渐变小，中央有水平层理的粉细砂岩，沿层面可发育剥离线理，为点砂坝沉积。第三沉积单元为粉细砂岩组成，发育有小型槽状交错层理和上攀波纹交错层理，为点砂坝顶部沉积。第四沉积单元主要由断续波状交错层理的粉砂岩和水平纹理的粉砂质泥岩及块状泥岩组成，块状泥岩中常发育有泥裂、钙质结核或植物的立生根，属天然堤和泛滥盆地沉积。第二节河流沉积模式上述曲流河沉积的理想垂向层序由下至上，粒度由粗变细，层理规模由大变小，层理类型由大型槽状交错层理变为小型交错层理、上攀层理、水平层理，底部具有冲刷面，从而构成一个典型的间断性正韵律或正旋回。韵律的下段由河床亚相的底部滞留沉积和点砂坝沉积组成，是由于河道迁移而引起的沉积物侧向加积的结果，构成了河流沉积剖面下部层序，故称为底层沉积。韵律的上段由堤岸亚相和河漫亚相(泛滥盆地)组成，属泛滥平原沉积，主要是大量细粒悬浮物质在洪泛期垂向加积的结果，构成了河流沉积剖面的上部层序，故又称为顶层沉积。底层沉积和顶层沉积的垂向叠置，构成了河流沉积的所谓“二元结构”，它是河流相沉积的重要特征：在曲流河沉积中，二元结构较为明显，顶层沉积和底层沉积厚度近于相等或前者大于后者。第二节河流沉积模式二、辫状河沉积特征及其沉积模式目前对辫状河形成的机理尚不十分清楚，但比较统一的认识是辫状河具多河道、河床坡降大、宽而浅，侧向迁移迅速等特点。按河流的微地貌特征，沃克和坎特提出了辫状河沉积的立体模型(如图18—9所示)。它突出地反映了辫状河发育心滩，或称为河道砂坝，边滩沉积不发育，这是与曲流河环境的重要区别。第二节河流沉积模式心滩沉积物一般粒度较粗，成分复杂，成熟度低。对称的螺旋形横向环流亦导致心滩发生侧向加积作用。由此而形成的巨波痕、大波痕等各种底形经过不断迁移，可形成各种类型的交错层理，如巨型或大型槽状、板状交错层理，在低水位时期亦发生细粒物质的垂向加积作用(如图所示)。辫状河除有发育的心滩外，在河道沉积亦发育与曲流河相同的河床滞留沉积，出现在河床底部，以砂砾沉积为主，其上发育心滩。辫状河河道迁移迅速，稳定性差，所以天然堤、决口扇。泛滥平原沉积不发育，而且辫状河废弃河道一般不形成牛轭湖，这也是辫状河与曲流河沉积的重要区别。第二节河流沉积模式第二节河流沉积模式至今，尚未概括出得到大家认同的辫状河沉积模式，但常以加拿大魁北克省泥盆系巴特里角辫状河垂向序列作为辫状河沉积模式的代表(如图所示)。该沉积层序的最底部为河床滞留沉积，以含泥砾的粗砂岩和砾质砂岩为主，与下伏层呈SS侵蚀冲刷接触，其上为不清晰的大型槽状交错层理含砾粗砂岩A和具有清楚槽状交错层理的粗砂岩B以及板状交错层理砂岩C。再向上主要由小型板状交错层理砂岩D组成，偶见大型水道冲刷充填交错层理砂岩E。顶部由垂向加积沉积的波状交错层理粉砂岩和泥岩互