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砂质辫状河具有距离物源近、沉积物粒度粗、河道宽且浅；水流能量较高、冲刷力度强以及迁移频率高等显著特点[1⁃2]。辫状河河道中多条辫流水道无规律性、游荡性分叉、交汇,不同期次、不同规模的砂砾质沉积体侧向迁移交错,垂向切叠并置,破坏性与建设性共存,在空间上呈“泛连通体”结构[3⁃4],具有较高的砂地比和较大的流体储集空间,为有利的油气储集体[5⁃6]。
储层构型研究是根据沉积体的空间结构剖析沉积特征的一种思路和方法。然而,砂质辫状河沉积过程错综复杂,沉积界面模糊难辨,洪泛期与废弃期形成细粒沉积隔夹层大大降低了储集砂体的纵、横向连通性,增强了储层构型界面识别的难度,导致了地下储层三维空间精细表征和定量评价的多解性和不确定性。同时,辫状河的发育受构造、地形、气候以及物源供给等诸多因素的综合影响,具有一定的易变性和特殊性。因此,辫状河储层构型的精细研究和定量描述仍然是国内外地质学家面临的难题之一[7⁃8]。目前,针对特定沉积环境,选择典型的野外露头开展精细化和系统化的研究,是辫状河储层构型剖析的最有效手段之一[4,9⁃16]。然而,由于露头出露的完整性和研究尺度的差异性,前期研究大多集中于典型露头的局部精细化剖析,缺乏对露头整体性和空间对比的综合分析,难以形成完整的沉积模式,无法厘定等时的沉积演化规律,从而制约了地下辫状河储层类比研究。
本次研究旨在通过具有相似成因的典型的野外露头观察、测量、精细解剖及实验分析,以岩相及岩相组合的特征研究为基础,剖析干旱环境条件下砂质辫状河构型单元类型和特征,通过剖面综合柱状图的等时剖析,参考现代河流沉积原型,总结砂质辫状河的沉积演化特征和规律,构建研究区砂质辫状河沉积模式,为储层精细表征与地质建模提供有效的地质模式和数据支撑。
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山西大同云冈地区位于大同盆地的西北侧,构造单元属于华北板块的山西地块[17]。中侏罗统云冈组沉积期,大同地区呈现差异性区域抬升,气候干燥,发育一套典型的近源、粗粒、快速堆积的冲积扇—河流相碎屑体系地层[18⁃20],距北部和东北部物源供给区约30 km,距东南部的湖泊沉积区大约100 km[20⁃21]。云冈组分为三个亚段,自下至上分别为砂砾岩段、石窟段、泥岩段[5⁃6]（图1a）。
图 1 露头区剖面点地理位置与地层柱状图
Figure 1. Location of outcrop profiles and stratigraphic column in the study area
研究区位于大同市西郊约8 km处,主要出露点为云冈石窟景区剖面、景区以东沿铁路一线剖面和吴官屯村剖面,出露地层主要为云冈组石窟段。本次研究主要针对云冈石窟景区向东沿铁路一线,剖面编号自西向东依次为1~8号,剖面走向近垂直于古水流方向[2,5⁃6,12]（图1b）。剖面出露较完整,沉积现象丰富,充分体现了高能、粗粒辫状河砂体的叠置样式及空间展布特征,是砂质辫状河构型研究的典型样区。
通过卫星地图观察和实测,1~8号剖面的走向整体沿东西方向,剖面形态呈“似馒头状”；各个剖面之间多被植被覆盖,未见大规模出露,覆盖区多以灰色、深灰色的细粒泥质粉砂岩沉积为主。剖面间未出露部分在剖面上呈凹凸间隔的“准正弦曲线”形态。结合野外露头实测和卫星地图定位测量,1号剖面与8号剖面的直线距离1 353 m,2号剖面与7号剖面的直线距离为878 m；其中1~8号剖面出露宽度依次为76 m、67 m、46 m、45 m、201 m、130 m、66 m和72 m,与之相对应的各剖面之间未出露部分的宽度依次为286 m、58 m、44 m、77 m、35 m、40 m和211 m。
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通过对8条露头剖面沉积体的几何形态、厚度、岩性、岩石结构、沉积构造及沉积韵律的详细描述、测量和分析,结合研究区沉积背景和Miall提出的岩相划分标准[1,7,22⁃23],总结认为山西大同侏罗系云冈组砂质辫状河主要发育10种典型的岩相类型。即：块状层理砂砾岩相（GSm）、块状层理中粗砂岩相（Sm）、槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）、板状交错层理中粗砂岩相（Sp）、冲刷充填含砾中粗砂岩相（SGe）、平行层理砂岩相（Sh1）、平行层理泥质粉砂岩相（Sh2）、薄层状细粉砂岩相（Fl）和块状层理泥质粉砂岩相（Fm）,详细内容见表1。
表 1 露头区典型岩相特征
Table 1. Properties of typical lithofacies in the outcrops
岩相类型 岩相代码 岩性 沉积构造 详细描述 发育剖面 块状层理砂砾岩相 GSm 灰色、灰绿色砂砾岩 块状层理 厚30~60 cm,层理界面模糊,无粒序特征,砾石具有一定的定向排列趋势,反映了较强水动力条件下砂砾质沉积物快速搬运、卸载、堆积的过程（图2a） 5、6号 块状层理中粗砂岩相 Sm 灰色、灰棕色中粗砂岩 块状层理 厚40~100 cm,底部与块状泥岩相呈突变接触,反映了明显的相带转变的结果（图2b） 2号 槽状交错层理含砾粗砂岩相 SGt 灰色、灰绿色含砾粗砂岩 槽状交错层理 纹层界面明显,层系界面之间夹角较大,介于18°~30°,单个纹层厚度0.5~3.0 cm,反映了强水动力条件下碎屑物质供给充足,快速卸载、沉积的结果（图2c） 2~7号 槽状交错层理中粗砂岩相 St 灰色、灰棕色中粗砂岩 槽状交错层理 纹层界面明显,倾角介于0°~6°,单个纹层厚0.5~2.0 cm,通常和槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）伴生,反映了较强水动力条件下,充足的碎屑物质卸载、沉积的结果（图2d） 2~7号 板状交错层理中粗砂岩相 Sp 灰色、浅灰色中粗砂岩为主,局部发育砾岩 板状交错层理 层系厚1~8 cm,层系组厚30~50 cm,反映较强水动力条件下充足的碎屑物质侧向加积和前积的结果（图2e） 4~7号 冲刷充填含砾中粗砂岩相 SGe 灰色、深灰色中粗砂岩为主,少量泥质粉砂岩、泥砾间互发育 冲刷充填构造 层面呈下凹形,局部发育平行层理和小型板状交错层理,层面明显但不完整,反映了在相对稳定局限的卸载空间中强水动力反复冲刷、破坏和改造的结果（图2f） 5号 平行层理砂岩相 Sh1 灰色、深灰色中细砂岩为主,局部可见少量砾岩 平行层理 层理明显,层面形态有近平直状（图3a,d）和下凹状（图3f）两类。下凹状纹层组厚1.5~5.0 cm,反映了随着时间的推移,水动力逐渐减弱,沉积范围不断缩小,为废弃河道废弃早期的沉积产物；而近平直状纹层组厚0.5~10.0 cm,反映了稳定水动力条件下碎屑颗粒持续沉积的结果,为面状层流沉积的产物 1~5及8号 平行层理泥质粉砂岩相 Sh2 深灰色、泥质粉砂岩, 平行层理 常与平行层理砂岩相（Sh1）伴生,层理明显,纹层较薄,层面形态有下凹状（图3f）和近平直状（图3e）两类,纹层厚度普遍小于2.5 cm。其中,下凹状纹层反映了废弃河道废弃后期或串沟沉积的特征,而平直状纹层则反映了较弱水动力条件下短期落淤层沉积的结果 1、2、5、6及8号 薄层状细粉砂岩相 Fl 灰色、深灰色薄层细砂岩和粉砂岩 无层理 顶、底通常与块状泥质粉砂岩伴生,厚2~15 cm,剖面上呈楔状和透镜状的孤立式发育,通常为小规模决口扇沉积的产物（图3h） 2、6、7号 块状层理泥质粉砂岩相 Fm 灰色、深灰色泥质粉砂岩 块状层理 层理不明显,厚度通常介于0.2~1.0 m,局部可超过1.5 m,中部夹有薄层细粉砂岩相,为泛滥平原沉积的产物。通常上部或下部与槽状交错层理中粗砂岩相或板状交错层理中粗砂岩相等突变接触,反映水动力的突变以及沉积相带的转换的结果（图3g,h） 1~3、6~8号 
图 2 露头区典型岩相及岩相组合
Figure 2. Photographs of typical lithofacies and their association sequences in the outcrops
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通常情况下,岩相随着水动力大小、水流方向、碎屑物质供给量以及卸载空间大小的变化而变化,形成一系列渐变或突变的岩相组合。相对于单个岩相而言,其不仅突出了各个岩相的特征,更突出了不同岩相在时间上的演化顺序和叠置关系,可以反映沉积过程动态演化的特征。
根据8个剖面点的详细观察、测量、描述与精细解剖,结合上文分析和总结的10种岩相类型,在研究区主要识别了8种典型的辫状河沉积的岩相组合。即：冲刷充填含砾中粗砂岩相→平行层理中砂岩相（SGe→Sh1）、槽状交错层理含砾中粗砂岩相→槽状交错层理中粗砂岩相（SGt→St）、块状层理砂砾岩相→板状交错层理中粗砂岩相（GSm→Sp）、板状交错层理中粗砂岩相→平行层理中细砂岩相（SP→Sh1）、板状交错层理中粗砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相→板状交错层理中粗砂岩相（SP→Sh2→Sp）、平行层理砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相（Sh1→Sh2）、板状交错层理中粗砂岩相→块状层理泥质粉砂岩相（SP→Fm）和块状层理泥质粉砂岩相→小型沙纹层理细砂岩相→块状层理泥质粉砂岩相（Fm→Fl→Fm）。
1） 冲刷充填含砾中粗砂岩相→平行层理中砂岩相（SGe→Sh1）
该岩相组合下部为暗灰色、红褐色冲刷充填含砾中粗砂岩相,上部为灰色平行层理中砂岩相,呈突变接触,底型呈下凹状,具有明显的冲刷下切的特征,充填形态呈顶平底凸形；后期被充填,发育平行层理中砂岩相,厚度0.1~1.0 m（图3a）。反映了辫流水道不断填平补齐的演化过程。
图 3 露头区典型岩相组合
Figure 3. Typical lithofacies association sequences in the outcrops
2） 槽状交错层理含砾中粗砂岩相→槽状交错层理中粗砂岩相（SGt→St）
该岩相组合下部为的灰色槽状交错层理含砾中粗砂岩相,上部为灰色、灰褐色槽状交错层理中粗砂岩相,层面倾角由陡变缓,粒度向上逐渐变细（图3b）。整体反映了从早期高能条件下心滩快速增生逐渐过渡到稳定发育的演化过程。
3） 块状层理砂砾岩相→板状交错层理中粗砂岩相（GSm→Sp）
该岩相组合下部为灰白色块状层理砂砾岩相,厚0.2~1.0 m,上部发育具有冲刷迹象的灰色、灰褐色板状交错层理中粗砂岩相,底界面呈“下凹型”（图3c）。反映了早期高能环境下,心滩快速增生；随着基准面、水动力或沉积物供给等因素影响,辫状河河道发生横向迁移或者调整,逐渐演变为具有冲刷作用的辫流水道沉积。
4） 板状交错层理中粗砂岩相→平行层理中细砂岩相（SP→Sh1）
该岩相组合下部为灰色、灰白色的板状交错层理中粗砂岩相,厚度在1 m以上,局部可见泥砾,上部发育一套灰色的平行层理中细砂岩相,呈突变式接触（图3d）。反映了早期水动力较强,形成层系厚度可达20 cm的板状交错层理中砂岩相；后期水动力突然减弱,形成平行层理中细砂岩相。该组合序列反映了早期辫流水道或心滩快速生长到稳定发育的演化过程。
5） 板状交错层理中粗砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相→板状交错层理中粗砂岩相（SP→Sh2→Sp）
该岩相组合上部和下部发育灰色板状交错层理中粗砂岩相,中部发育红褐色薄层平行层理泥质粉砂岩相,厚5~30 cm,呈“夹心式”组合特征,岩相之间为突变式接触,层系界面明显（图3e）。反映了随着基准面、水动力大小和碎屑物质供给量的变化,心滩发育暂时性中止,洪水漫溢心滩,形成薄层的落淤层披覆沉积；后期,基准面抬升、水动力增强、碎屑物质供给充分,心滩再次“复活”、大规模生长的演化过程。
6） 平行层理细砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相（Sh1→Sh2）
该岩相组合下部为灰色平行层理细砂岩相,上部为深灰色平行层理泥质粉砂岩相,垂向上呈渐变式接触,具有下凹“同心层”状,属于典型的废弃河道的沉积特征（图3f）。随着基准面的降低,水动力减弱,卸载空间不断减小,“同心层”半径不断收缩,由平行层理细砂岩相逐渐过渡到平行层理泥质粉砂岩相,反映了辫流水道逐渐废弃的演化过程。
7） 板状交错层理中粗砂岩相→块状层理泥质粉砂岩相（SP→Fm）
该岩相组合下部发育灰色、灰白色板状交错层理中粗砂岩相,厚0.3~2.0 m,上部发育深灰色、红褐色块状层理泥质粉砂岩相,平均厚度大于0.5 m,剖面上呈楔形,顺下倾方向逐渐变厚（图3g）。整体反映了早期基准面抬升,碎屑物质供给充足,大规模的心滩发育；随后辫状河河道水平面大幅下降,进入枯水期,早期心滩暴露在河道外侧,成为局部的“堤岸”；再次进入洪水期,洪水越过“堤岸”,发育一套典型的块状层理泥质粉砂岩相溢岸沉积,反映了辫状河河道具有随季节、气候等条件差异而发生周期性收缩和外拓的迁移特征。
8） 块状层理泥质粉砂岩相→薄层状细粉砂岩相→块状层理平行层理泥质粉砂岩相（Fm→Fl→Fm）
该岩相组合上部和下部发育红褐色块状层理泥质粉砂岩相,厚0.3~1.2 m,中部夹薄层状细粉砂岩相,厚3~10 cm,薄层状细粉砂岩发育在块状层理泥质粉砂岩相之上,延伸规模具有一定的局限性,在前积方向上呈楔形或透镜状,后期再被块状层理泥质粉砂岩相披覆,岩相之间突变接触,呈“夹心式”结构（图3h）。反映了长期的泛滥平原与暂时性决口扇交替演化的沉积过程。
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根据野外剖面出露沉积体的几何形态、沉积韵律、岩相组合等特征,在研究区云冈组石窟段主要识别出辫流水道、心滩、泛滥平原与决口扇、废弃水道等5种四级储层构型单元及与心滩伴生的三级储层构型单元落淤层（表2）[23]。
表 2 露头区构型要素特征及成因分析
Table 2. Properties of typical architectural elements in the outcrops
构型单元 构型级别 岩相或岩相组合 岩相或岩相组合柱状图 地质特征及成因分析 物性测试 辫流水道 四级 冲刷充填含砾中粗砂岩相→平行层理中粗砂岩相（SGe→Sh1）板状交错层理中粗砂岩相→平行层理中细砂岩相（SP→Sh1） 其剖面形态呈下凹状,底部多见冲刷充填现象所形成的砾岩和泥砾,反映了强水动力条件下的冲刷作用。不同期辫流水道多呈侧向拼接组合 分别针对辫流水道不同位置钻孔取样,测试数据16个,结果显示,孔隙度介于3.01%~12.30%,平均值为7.77%；渗透率介于（0.01~2.20）×10-3 μm2,平均值为0.72×10-3 μm2。辫流水道由边缘向中部,物性呈逐渐变好趋势 心滩 主要发育槽状交错层理含砾中粗砂岩相→槽状交错层理中粗砂岩相（SGt→St）、板状交错层理中粗砂岩相→平行层理中细砂岩相（SP→Sh1）板状交错层理中粗砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相→板状交错层理中粗砂岩相（SP→Sh2→Sp） 剖面形态基本呈底平顶凸状,不同期次心滩或者心滩与辫流水道侧向拼接或垂向叠置。心滩内部偶尔可见落淤层 分别针对心滩不同位置钻孔取样,测试数据48个,结果显示,孔隙度介于3.55%~13.90%,平均值为8.26%；渗透率介于（0.08~4.82）×10-3 μm2,平均值为1.00×10-3 μm2。心滩由上向下、由边部向中部,物性呈逐渐变好趋势 泛滥平原+决口扇 块状层理状泥质粉砂岩相（Fm）与小规模的楔形或透镜状薄层细粉砂岩相（Fl） 溢岸沉积两种相伴生的构型单元,是洪水期间歇性高能水流发生漫溢而形成。洪水期,砂质物质冲破河道在溢岸区优先卸载沉积,形成决口扇,细粒的泥质沉积则广泛沉积,形成泛滥平原。决口扇的形成揭示了该期相对潮湿、雨量充沛的古气候特征 未系统取样分析 废弃水道 平行层理细砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相（Sh1→Sh2） 在剖面形态上类似于辫流水道,呈底凹顶平状。通常由于主水道迁移而形成废弃水道,或者季节性枯水期,辫流水道广泛废弃。废弃水道的出现是辫流水道终结的标志 落淤层 三级 平行层理泥质粉砂岩相（Sh2） 属于心滩的次一级储层构型单元,以披覆形式发育在心滩内部,近平行于心滩顶面,多呈近水平和穹隆状延伸,界面处主要为平行层理泥质粉砂岩相。由于研究区河床整体为高能环境,落淤层发育偏少或者保留较少 钻孔取样,测试数据11个,结果显示,孔隙度介于5.17%~7.99%,平均值为5.66,相比于心滩和辫流水道,其物性较低 -
辫状河河道沉积中最典型的一种四级储层构型单元。其剖面形态呈“下凹型”,底部多见冲刷充填作用形成的砾岩和泥砾,其中砾石颗粒排列具有整体的一致性和定向性,泥砾则呈椭圆状或不规则“撕裂状”,近平行于底面分布（图3a,c）。通常发育冲刷充填含砾中粗砂岩相→平行层理中粗砂岩相（SGe→Sh1）和板状交错层理中粗砂岩相→平行层理中细砂岩相（SP→Sh1）。单期辫流水道厚度介于1.5~5.5 m,宽度介于30~150 m,孔隙度介于3.01%~12.30%,平均值为7.77%；渗透率介于（0.01~2.20）×10-3 μm2,平均值为0.72×10-3 μm2。
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研究区辫状河河道沉积中最发育的一种四级储层构型单元。剖面形态基本呈底平顶凸状（图3e,g,h）,主要发育槽状交错层理含砾中粗砂岩相→槽状交错层理中粗砂岩相（SGt→St）、板状交错层理中粗砂岩相→平行层理中细砂岩相（SP→Sh1）、板状交错层理中粗砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相→板状交错层理中粗砂岩相（SP→Sh2→Sp）。单期心滩厚度介于1.5~7.5 m,宽度介于50~200 m,顶部偶见小规模串沟（通常被相对细粒的细砂岩或泥质粉砂岩充填）,心滩内部可见1~3 cm的间歇性薄层落淤层。孔隙度介于3.55%~13.90%,平均值为8.26%；渗透率介于（0.08~4.82）×10-3 μm2,平均值为1.00×10-3 μm2。
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属于溢岸沉积的两种相伴生的四级储层构型单元。前者主要发育块状层理状泥质粉砂岩相（Fm）,沉积厚度通常在0.5 m以上,垂向上,常与不同沉积期次的心滩或辫流水道相叠置发育；后者主要发育小规模的楔形或透镜状薄层细粉砂岩相（Fl）,孤立式镶嵌发育于泛滥平原沉积中（图3g,h）。
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废弃水道的出现是辫流水道消亡的标志。辫流水道发育的末期,一种情况是由于主水道迁移,主水流分布格局调整而导致次水道废弃,形成废弃水道；另一种情况则是由于河流处于季节性枯水期,辫流水道广泛废弃。任一情况的出现都反映了该期辫流水道发育的结束。在剖面形态上类似于辫流水道,呈底凹顶平状,厚度一般介于20~60 cm,宽度介于3~6 m,最典型的岩相组合为平行层理细砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相（Sh1→Sh2）组合序列,具有典型的“二段式”结构特征（图3f）。
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属于心滩的次一级储层构型单元。由于研究区河床整体为高能环境,落淤层发育偏少或者保留较少。以披覆形式发育在心滩内部,近平行于心滩顶面,多呈近水平和穹隆状延伸,界面处主要为平行层理泥质粉砂岩相（Sh2）（图3e）,厚度介于2~10 cm,横向介于12~30 m。孔隙度介于5.17%~7.99%,平均值为5.66%；渗透率介于（0.03~0.83）×10-3 μm2,平均值为0.27×10-3 μm2。
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在现代辫状河沉积原型参考与借鉴的基础上,为了进一步剖析不同剖面的沉积特征及各个剖面之间的关系,通过对1~8号剖面测量、精细解释,结合前文对岩相类型、岩相组合及构型特征的识别、刻画与分析,将出露剖面的底界统一设置为0 m厚度基线。基于横向等时性原则,根据各条剖面的厚度,自下而上依次编制8条剖面的综合岩相柱状图,划分了不同的构型单元。进一步对各条剖面进行等时地层对比,分析不同构型单元的发育规律,对比不同剖面之间的时空对应关系。
根据研究区综合岩相柱状图分析可知（图4）,1号剖面和8号剖面主要发育平行层理泥质粉砂岩相（Sh2）、块状层理泥质粉砂岩相（Fm）及平行层理中细砂岩相（Sh1）,整体呈“泥包砂”的沉积特征,主要发育溢岸沉积的泛滥平原和决口扇。2~7号剖面砂砾质沉积富集,结合研究区地质背景和前人研究成果[2,5⁃6,20⁃21,24⁃25],分析认为其具有典型的砂质辫状河沉积特征,主要发育心滩、辫流水道、废弃河道和落淤层。其中5号剖面的沉积厚度最大,是碎屑物质最集中的沉积区,完整剖面的厚度大于10 m,在其顶部厚度8.5 m处发育一套具有“同心层”特征的平行层理细砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相组合,显示废弃河道沉积特征,反映了该期研究区进入最大枯水期。
图 4 山西大同侏罗系云冈组石窟段露头综合岩相柱状图对比剖面
Figure 4. Section and comprehensive column of the Middle Jurassic Yungang Formation Rock Cave member in Datong, Shanxi province
将5号剖面顶部的平行层理细砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相组合设置为等时界面。根据岩相、岩相组合和沉积韵律特征,5号剖面自下而上依次划分为10期正旋回沉积韵律,并和其他7条剖面进行横向等时对比分析。
第1沉积期,碎屑物质供给充分,主要发育槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）、平行层理砂岩相（Sh1）和板状交错层理中粗砂岩相（Sp）等。整体反映了心滩和辫流水道的沉积特征,其中2~4号剖面为辫流水道沉积,5~7号剖面为心滩沉积,该沉积期辫状河河道边界在2号剖面以西及7号剖面以东的位置。
第2沉积期,主要发育板状交错层理中粗砂岩相（Sp）、槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）和块状层理泥质粉砂岩相（Fm）等。其中2~3号剖面发育大套块状层理泥质粉砂岩相（Fm）,反映了泛滥平原的沉积特征,4~7号剖面整体表现为心滩沉积特征。该沉积期辫状河河道的范围相对于第1沉积期明显收缩,西侧边界介于3号和4号剖面之间,东侧边界则在7~8号剖面之间,反映了辫状河河道向东迁移的特征。
第3沉积期,主要发育槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）、板状交错层理中粗砂岩相（Sp）、块状层理中粗砂岩相（Sm）和平行层理砂岩相（Sh1）。整体反映了心滩沉积的特征,该沉积期辫状河河道的范围再次扩张,大致和第1期沉积范围相当,河道边界在2号剖面以西和7号剖面以东的位置。
第4沉积期,主要发育槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）、板状交错层理中粗砂岩相（Sp）、块状层理泥质粉砂岩相（Fm）和薄层状细粉砂岩相（Fl）。其中2~3号剖面、6~7号剖面发育大套块状泥质粉砂岩相（Fm）,且夹有薄层状细粉砂岩相（Fl）,反映了典型的泛滥平原和小规模决口扇沉积的特征,4~5号剖面为主力心滩沉积区。该沉积期水位明显降低,西侧边界介于3号和4号剖面之间,东侧边界在5~6号剖面之间,反映了辫状河河道的范围向河道中轴线大幅收缩,稳定在河床中部。
第5沉积期,主要发育槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）、冲刷充填含砾中砂岩相（SGe）、板状交错层理中粗砂岩相（Sp）和平行层理砂岩相（Sh1）。其中5号剖面底部发育典型的具有冲刷充填特征的辫流水道沉积,2号剖面发育向上变细的正旋回岩性序列,为辫流水道由发育到逐渐萎缩的过程,其他剖面整体表现为心滩沉积。该沉积期辫状河河道明显拓宽,为辫状河发育的旺盛期,大致达到第1沉积期的发育规模。通过泛滥平原的发育位置判断,该期辫状河河道继承了第2期向东迁移的演化特征。
第6沉积期,主要发育槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）、板状交错层理中粗砂岩相（Sp）、平行层理砂岩相（Sh1）和平行层理泥质粉砂岩相（Sh2）。其中5号和6号剖面下部为辫流水道沉积,上部逐渐过渡到层面具有同心层特征的废弃河道沉积,反映了大型复合心滩中暂时性次辫流水道的发育。该沉积期辫状河河道的卸载中心主要位于2号、3号和4号剖面。相对于第5沉积期,辫状河河道规模明显减小。通过废弃河道的发育位置判断,该期辫状河河道迁移方向与第5期相反,具有向西迁移的趋势。
第7沉积期,主要发育槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）、块状层理砂砾岩相（GSm）、平行层理砂岩相（Sh1）和平行层理泥质粉砂岩相（Sh2）。其中6号剖面下部为辫流水道沉积,上部为块状层理砂砾岩相（GSm）的心滩沉积,辫流水道被快速填平补齐,3号剖面和7号剖面地层未见保留,其他剖面均反映了心滩沉积的特征。通过2号剖面心滩发育的特征判断,该沉积期辫状河河道在第6沉积期基础之上延续了向西迁移的趋势。
第8沉积期,主要发育槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）、槽状交错层理中粗砂岩相（St）和板状交错层理中粗砂岩相（Sp）。2号剖面和5号剖面中心滩发育,其他剖面未见地层保留。
第9~10沉积期,仅5号剖面有地层保留。早期心滩发育,后期辫状河河道整体进入枯水期,沉积范围大幅收缩,沉积作用减弱,辫状河整体进入废弃、消亡期。
综上,以5号剖面为沉积中心,辫状河经历了收缩（第2期）—扩张（第3期）—收缩（第4期）—扩张（第5期）—收缩与迁移（第6期）—稳定与迁移（第7~8期）—收缩、消亡（第9~10期）的生命演化周期。
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山西大同地区侏罗系云冈组砂质辫状河临近北部物源供给区,整体处于较强水动力主导的沉积区段,沉积速率受物源供给量和水动力影响显著。受构造抬降、季节性水流和气候等因素影响,基准面周期性变化,堤岸对宽缓辫状河河道的限制作用较弱,辫流水道不定期迁移,频繁改道,形成垂向上不同岩相、不同构型单元高频转换的一系列正韵律沉积组合。结合沉积演化过程分析,由于干旱条件下无法保障河流持续性水源供给,砂质辫状河河道经历了周期性的洪水期—枯水期交替,河道规模周期性地收缩—扩展变化,随着基准面下降而最终消亡的完整演化过程。
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Lynds et al.[26]选取了美国内布拉斯加州东部的Niobrara河和中部的North Loup河两条砂质辫状河作为研究目标,通过航拍观察和水深测量,进行了详细的定量研究（图5）。结果显示,Niobrara河发育3~5条主辫流水道,每条主辫流水道水深55~120 cm,平均77 cm,宽10~20 m；North Loup河发育3~4条主辫流水道,其最大水深26~89 cm,平均34 cm,宽5~20 m；各个辫流水道之间则为多期心滩叠合生长的复合心滩沉积。
通过对Niobrara河和North Loup河的研究可知,现代辫状河的复合心滩为辫状河砂质沉积的主体,其两侧发育细粒沉积为主的主辫流水道,起到疏通水流的作用。复合心滩内部或顶部发育次辫流水道。以此作为类似对比目标,为古代砂质辫状河沉积模式研究提供有效的研究思路和可靠的指导模式。
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结合野外露头和现代辫状河沉积原型的观测与分析,砂质辫状河河道宽缓,两侧堤岸较低,对水流的限制作用较弱,在沉积中心相对稳定的基础之上,造成了辫状河河道不定期收窄或拓宽,水流中线不定期摆动和迁移,反映了辫状河的绝对游荡性。不同期次的心滩、季节性发育的次辫流水道、废弃水道及串沟等构型单元在空间上叠置、拼接,形成具有较高净毛比、错综复杂的“泛连通体”,即复合心滩,构成近源砂质辫状河的“骨架”,体现了辫状河的相对稳定性。复合心滩之间为长期稳定发育的主辫流水道,以平行层理砂岩相、平行层理泥质粉砂岩相等细粒沉积为主,构成近源砂质辫状河的“动脉”。复合心滩与主辫流水道构成了砂质辫状河河道沉积的主体。受到季节性河流溢岸的影响,在辫状河河道外缘发育间歇性的泛滥平原和决口扇沉积,构成砂质辫状河的“侧翼”（图6）。
图 6 山西大同侏罗系云冈组砂质辫状河沉积模式
Figure 6. Facies model of sandy braided river in the Middle Jurassic Yungang Formation, Datong, Shanxi province
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（1） 山西大同侏罗系云冈组石窟段发育一套典型的砂质辫状河沉积,通过露头精细解剖,主要识别出了10种岩相类型、8种岩相组合、5种四级储层构型单元（辫流水道、心滩、泛滥平原、决口扇和废弃水道等）,以及与心滩伴生的三级储层构型单元——落淤层。
（2） 沉积演化过程分析显示,研究区砂质辫状河河道发育了10期沉积正旋回,在第1期河道沉积的基础上,先后经历了收缩（第2期）—扩张（第3期）—收缩（第4期）—扩张（第5期）—收缩与迁移（第6期）—稳定与迁移（第7~8期）—收缩、消亡（第9~10期）。砂质辫状河河道经历了周期性的洪水期—枯水期交替演化,并最终消亡的完整生命周期。
（3） 辫状河河道向两侧扩张或者收缩、向单侧整体迁移,心滩、辫流水道和废弃河道等在时间—空间上叠置组合,构成呈“泛连通体”结构的大型复合心滩,复合心滩之间为长期稳定发育的主辫流水道,辫状河河道外缘发育间歇性的泛滥平原和决口扇沉积。在此基础之上,提出了以大型复合心滩与主辫流水道为河道沉积主体、具有高频时变性和错综复合性特征的砂质辫状河沉积模式。
Sandy Braided River Architecture Characteristics and Evolution: A case study from outcrops in the Middle Jurassic Yungang Formation, Datong, Shanxi province
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摘要: 目的 砂质辫状河是一类常见的河流,可形成大规模油气储层,但其沉积构型特征复杂。为了深入理解砂质辫状河沉积模式,以山西大同侏罗系云冈组的典型砂质辫状河沉积为对象,开展了沉积构型解剖与演化过程研究。 方法 针对云冈组辫状河沉积出露良好的8条剖面开展观察、测量、精细解剖及分析测试,系统总结了砂质辫状河沉积体的几何形态、规模、岩石结构与沉积构造、岩相类型与岩相组合等特征。 结果 在研究区主要识别出10种岩相类型、8种岩相组合、5种四级构型单元（心滩、辫流水道、废弃水道、泛滥平原和决口扇）及落淤层。 结论 云冈组露头可识别10期主要的正旋回沉积韵律,各期内发育的辫状河经历周期性的洪水期—枯水期交替。心滩与辫流水道、废弃水道、泛滥平原以及决口扇等间互伴生,周期性发育与消亡,形成“泛连通体”砂体。心滩复合体与主辫流水道构成了砂质辫状河沉积的主体。基于此建立了砂质辫状河沉积模式。研究成果可为砂质辫状河沉积演化的过程分析、储层表征与建模的模式指导和定量参数的选取等提供重要的参考依据。Abstract: Objective Braided rivers are a common type of river that can form large-scale oil and gas reservoirs. However, their sedimentary architecture is complex. To gain a deeper understanding of the sedimentary architecture patterns of sandy braided rivers, this study focuses on the sedimentary architecture analysis and evolutionary process of a typical gravelly braided river deposits in the Jurassic Yungang Formation in Datong, Shanxi. Methods Observations, measurements, detailed dissections, and analytical tests were conducted on eight sections of the Yungang Formation where braided river deposits are well exposed. This systematic summary covers the geometric morphology, scale, lithological structure and sedimentary structures, lithofacies types, and lithofacies associations of the gravelly braided river depositional bodies. Results In the study area, primarily 10 types of lithofacies, 8 lithofacies associations, and 5 fourth-level architecture elements （including point bars, braided channels, abandoned channels, floodplains, and crevasse splays） as well as fall-out beds have been identified. Conclusion Ten main phases of positive cyclical deposition can be identified in the outcrops of the Yungang Formation. Within each phase, the braided rivers experienced periodic alternation between flood and dry periods. Braid bars interoccur with braiding channels, abandoned channels, floodplains, and crevasse splays, developing and waning cyclically to form "laterally connected" sandy bodies. The braid bar complexes and main braiding channels constitute the main body of the gravelly braided river deposits. Based on this, a sedimentary architecture model for sandy braided rivers has been established. The research findings can provide important references for the analysis of the evolution of gravelly braided river deposits, reservoir characterization and modeling, as well as the selection of quantitative parameters.
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图 1 露头区剖面点地理位置与地层柱状图
Figure 1. Location of outcrop profiles and stratigraphic column in the study area
图 2 露头区典型岩相及岩相组合
Figure 2. Photographs of typical lithofacies and their association sequences in the outcrops
图 4 山西大同侏罗系云冈组石窟段露头综合岩相柱状图对比剖面
Figure 4. Section and comprehensive column of the Middle Jurassic Yungang Formation Rock Cave member in Datong, Shanxi province
图 6 山西大同侏罗系云冈组砂质辫状河沉积模式
Figure 6. Facies model of sandy braided river in the Middle Jurassic Yungang Formation, Datong, Shanxi province
表 1 露头区典型岩相特征
Table 1. Properties of typical lithofacies in the outcrops
岩相类型 岩相代码 岩性 沉积构造 详细描述 发育剖面 块状层理砂砾岩相 GSm 灰色、灰绿色砂砾岩 块状层理 厚30~60 cm,层理界面模糊,无粒序特征,砾石具有一定的定向排列趋势,反映了较强水动力条件下砂砾质沉积物快速搬运、卸载、堆积的过程（图2a） 5、6号 块状层理中粗砂岩相 Sm 灰色、灰棕色中粗砂岩 块状层理 厚40~100 cm,底部与块状泥岩相呈突变接触,反映了明显的相带转变的结果（图2b） 2号 槽状交错层理含砾粗砂岩相 SGt 灰色、灰绿色含砾粗砂岩 槽状交错层理 纹层界面明显,层系界面之间夹角较大,介于18°~30°,单个纹层厚度0.5~3.0 cm,反映了强水动力条件下碎屑物质供给充足,快速卸载、沉积的结果（图2c） 2~7号 槽状交错层理中粗砂岩相 St 灰色、灰棕色中粗砂岩 槽状交错层理 纹层界面明显,倾角介于0°~6°,单个纹层厚0.5~2.0 cm,通常和槽状交错层理含砾粗砂岩相（SGt）伴生,反映了较强水动力条件下,充足的碎屑物质卸载、沉积的结果（图2d） 2~7号 板状交错层理中粗砂岩相 Sp 灰色、浅灰色中粗砂岩为主,局部发育砾岩 板状交错层理 层系厚1~8 cm,层系组厚30~50 cm,反映较强水动力条件下充足的碎屑物质侧向加积和前积的结果（图2e） 4~7号 冲刷充填含砾中粗砂岩相 SGe 灰色、深灰色中粗砂岩为主,少量泥质粉砂岩、泥砾间互发育 冲刷充填构造 层面呈下凹形,局部发育平行层理和小型板状交错层理,层面明显但不完整,反映了在相对稳定局限的卸载空间中强水动力反复冲刷、破坏和改造的结果（图2f） 5号 平行层理砂岩相 Sh1 灰色、深灰色中细砂岩为主,局部可见少量砾岩 平行层理 层理明显,层面形态有近平直状（图3a,d）和下凹状（图3f）两类。下凹状纹层组厚1.5~5.0 cm,反映了随着时间的推移,水动力逐渐减弱,沉积范围不断缩小,为废弃河道废弃早期的沉积产物；而近平直状纹层组厚0.5~10.0 cm,反映了稳定水动力条件下碎屑颗粒持续沉积的结果,为面状层流沉积的产物 1~5及8号 平行层理泥质粉砂岩相 Sh2 深灰色、泥质粉砂岩, 平行层理 常与平行层理砂岩相（Sh1）伴生,层理明显,纹层较薄,层面形态有下凹状（图3f）和近平直状（图3e）两类,纹层厚度普遍小于2.5 cm。其中,下凹状纹层反映了废弃河道废弃后期或串沟沉积的特征,而平直状纹层则反映了较弱水动力条件下短期落淤层沉积的结果 1、2、5、6及8号 薄层状细粉砂岩相 Fl 灰色、深灰色薄层细砂岩和粉砂岩 无层理 顶、底通常与块状泥质粉砂岩伴生,厚2~15 cm,剖面上呈楔状和透镜状的孤立式发育,通常为小规模决口扇沉积的产物（图3h） 2、6、7号 块状层理泥质粉砂岩相 Fm 灰色、深灰色泥质粉砂岩 块状层理 层理不明显,厚度通常介于0.2~1.0 m,局部可超过1.5 m,中部夹有薄层细粉砂岩相,为泛滥平原沉积的产物。通常上部或下部与槽状交错层理中粗砂岩相或板状交错层理中粗砂岩相等突变接触,反映水动力的突变以及沉积相带的转换的结果（图3g,h） 1~3、6~8号 
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表 2 露头区构型要素特征及成因分析
Table 2. Properties of typical architectural elements in the outcrops
构型单元 构型级别 岩相或岩相组合 岩相或岩相组合柱状图 地质特征及成因分析 物性测试 辫流水道 四级 冲刷充填含砾中粗砂岩相→平行层理中粗砂岩相（SGe→Sh1）板状交错层理中粗砂岩相→平行层理中细砂岩相（SP→Sh1） 其剖面形态呈下凹状,底部多见冲刷充填现象所形成的砾岩和泥砾,反映了强水动力条件下的冲刷作用。不同期辫流水道多呈侧向拼接组合 分别针对辫流水道不同位置钻孔取样,测试数据16个,结果显示,孔隙度介于3.01%~12.30%,平均值为7.77%；渗透率介于（0.01~2.20）×10-3 μm2,平均值为0.72×10-3 μm2。辫流水道由边缘向中部,物性呈逐渐变好趋势 心滩 主要发育槽状交错层理含砾中粗砂岩相→槽状交错层理中粗砂岩相（SGt→St）、板状交错层理中粗砂岩相→平行层理中细砂岩相（SP→Sh1）板状交错层理中粗砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相→板状交错层理中粗砂岩相（SP→Sh2→Sp） 剖面形态基本呈底平顶凸状,不同期次心滩或者心滩与辫流水道侧向拼接或垂向叠置。心滩内部偶尔可见落淤层 分别针对心滩不同位置钻孔取样,测试数据48个,结果显示,孔隙度介于3.55%~13.90%,平均值为8.26%；渗透率介于（0.08~4.82）×10-3 μm2,平均值为1.00×10-3 μm2。心滩由上向下、由边部向中部,物性呈逐渐变好趋势 泛滥平原+决口扇 块状层理状泥质粉砂岩相（Fm）与小规模的楔形或透镜状薄层细粉砂岩相（Fl） 溢岸沉积两种相伴生的构型单元,是洪水期间歇性高能水流发生漫溢而形成。洪水期,砂质物质冲破河道在溢岸区优先卸载沉积,形成决口扇,细粒的泥质沉积则广泛沉积,形成泛滥平原。决口扇的形成揭示了该期相对潮湿、雨量充沛的古气候特征 未系统取样分析 废弃水道 平行层理细砂岩相→平行层理泥质粉砂岩相（Sh1→Sh2） 在剖面形态上类似于辫流水道,呈底凹顶平状。通常由于主水道迁移而形成废弃水道,或者季节性枯水期,辫流水道广泛废弃。废弃水道的出现是辫流水道终结的标志 落淤层 三级 平行层理泥质粉砂岩相（Sh2） 属于心滩的次一级储层构型单元,以披覆形式发育在心滩内部,近平行于心滩顶面,多呈近水平和穹隆状延伸,界面处主要为平行层理泥质粉砂岩相。由于研究区河床整体为高能环境,落淤层发育偏少或者保留较少 钻孔取样,测试数据11个,结果显示,孔隙度介于5.17%~7.99%,平均值为5.66,相比于心滩和辫流水道,其物性较低
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图(6) / 表 (2)
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