地质原型模拟结果

3.2　地质原型模拟结果

3.2.1　沉积物理模拟结果

在沉积物理模拟过程中，根据实验设置的模拟阶段，选取山2段中3个层序结束时刻的砂体展布情况进行对照、分析（图3-6），模拟结果表明3个层序及其控制砂体具有明显的“溯源退积”特征，不同期次的砂体之间的沉积界线清晰。

在图3-6（a）中，山2段SQ1层序对应湖水位值为13.2cm，流量稳定在1.0L/s，测量流速，其中河道：0.79m/s；河口：0.66m/s；前缘：0.56m/s；该沉积阶段水位持续上升伴随短期水退，主河道在Y＝7.0m处，向盆地方向发散，水流分布相对均匀，呈动平床状态，沉积砂体向物源区退积、迁移，沉积范围边界如图3-6（A ₁）所示。

山2段SQ2层序［图3-6（B）］对应湖水位值为18.1cm，流量保持不变，流速经测量：河道处为0.78m/s；河口处为0.62m/s；前缘为0.48m/s；SQ2层序对应的沉积阶段，湖水位明显上升，可容纳空间增大，使得水体的阻力相对变大，前缘沉积坡度变缓，出河道口至前缘段流速明显减小，主河道不断向东西两侧侧蚀、拓宽，主水流过Y＝7.0m后发散，水流分布以前缘朵体两侧为主；SQ2层序砂体叠置在SQ1层序砂体之上，且SQ2层序砂体继续向物源区退积，沉积范围边界由SQ1所对应的红色虚线处向物源区迁移至绿色虚线处，如图3-6（B₁）所示。

山2段SQ3层序如图3-6（C）所示，湖水位为20.0cm，流量保持不变，流速继续减小，其中河道为0.78m/s；河口处为0.60m/s；前缘为0.42m/s；SQ3层序沉积阶段整体湖水位进一步上升，可容纳空间显著增大，沉积砂体前缘流速继续减小，水流侧蚀东西两侧的砂体，使得水流分布范围明显拓宽，主水流不显著；SQ3层序砂体叠置在SQ2层序砂体之上，且沉积砂体进一步向物源区退积，沉积范围边界由SQ2层序对应的绿色虚线处向物源区迁移至白色虚线处，如图3-6（C₁）所示。

图3-6　山2段SQ1—SQ3层序沉积物理模拟结果及沉积范围边界指示的“溯源退积”特征

整个沉积物理模拟过程中，可以观察到湖平面的升降对湖盆砂体发育起主要控制作用。湖平面上升期，可容纳空间增大，有效可容纳空间向物源区迁移，导致砂体退积；湖平面稳定期，砂体以侧向发育为主，水流改道频繁，沙坝形态随河道变迁而变化；湖平面下降期，当湖平面快速下降时，水流集中，流速增大，表现为纵向进积为主，下蚀作用较强烈；当湖平面缓慢下降时，水流改道相当频繁，纵向进积不明显。

3.2.2　计算机二维层序模拟结果

根据图3-5中提取的地质原型模拟参数，开展SEDPA K二维模拟软件模拟，模拟结果如图3-7所示。模拟结果包括：①层序的迁移及叠加样式；②沉积相中各相带的分布；③年代地层剖面中沉积缺失区段的变化；④湖岸线的迁移变化情况。其中，沉积相带的分布通过古水深范围的变量参数表征，如0～2m、2～4m、4～8m、8～16m、16～32m以及32～64m均表示沉积物古水深的范围。

图3-7　地质模型二维模拟结果

在沉积物供给稳定以及不考虑构造沉降条件下，结合湖平面变化所对应的可容纳空间与沉积物供给间的关系分析盆地中的沉积过程。280～278.5MaBP阶段，对应为SQ1层序的低位与水进体系域，湖平面保持持续上升，其中280～279.25MaBP阶段，湖平面上升对应的可容纳空间增长速率大于沉积物的堆积速率，表现为水进，造成湖岸线向陆迁移［如图3-7（d）］且湖岸线轨迹与冲积沉积面不重合（Hunt et al.，1992），划分为加积水进过程（accretionary transgression），如图3-8（C₂）所示；279.25～278.5MaBP阶段，沉积物供给速率大于湖岸线处可容纳空间增长速率，发生正常水退（normal regression）（Hart et al.，1996），如图3-8（B）所示，对应图3-7（d）中湖岸线向盆地侧迁移，在剖面上形成向上变粗和向上变浅的序列，并暗示了进积期间某种程度的地层爬升现象（Hunt et al.，1992）。通过图3-7（b）沉积相剖面表征的沉积物古水深可体现出此序列；278.5～277.75MaBP阶段，湖平面快速下降，湖岸线向盆地大幅度迁移，出现加积强制水退（accretionary forced regression）（Hart et al.，1996），如图3-8（A₂）所示且在278MaBP界面上存在遭受剥蚀的上超不整合界面，并以此作为SQ1层序的顶界面，278.5～278MaBP对应为SQ1层序的高位体系域。

图3-8　海（湖）岸线轨迹成因类型

（Helland-Hansen，1996）

278～274.75MaBP阶段为SQ2层序的低位与水进体系域，277.75～274.75MaBP阶段保持持续水进，幅度变化较第一阶段小，其中277.75～277MaBP阶段，沉积物供给速率仍大于湖岸线处可容纳空间增长速率，湖岸线继续向盆地方向迁移，表现为正常水退（normal regression），该过程沿湖岸线的进积速率稍低于湖平面下降期，因为可容纳空间是增加而非减小，从而可提供更大的可容纳空间；277～275.75MaBP阶段，湖岸线处可容纳空间增长速率大于沉积物的堆积速率，在经历上阶段正常水退后，沉积坡度明显变缓，伴随着湖平面上升速率的陡增，湖岸线轨迹近与冲积沉积面重合，前阶段近0.25Ma表现为非加积水进（non-accretionary transgression），随后坡度变化，向加积水进过程转变；275.75～274.75MaBP阶段，湖平面上升速率减弱，再次低于沉积物供应速率，湖岸线向盆地方向迁移，表现为正常水退；在盆底近于水平时，随着相对湖平面的上升，湖岸线前方水深增加，如同缓坡环境的逐渐变深和陆棚环境的突然变深，均表现为叠加了变深的响应（邓宏文，1995），相应结果为盆地过多的沉积物供给，可形成过陡的面，并伴随沉积中心通过块体-重力流过程向盆地迁移，相关现象在模拟剖面图3-7（a）、（b）中可见；274.75～273.5MaBP阶段，湖平面持续下降，相对幅度较SQ1层序对应阶段小，湖岸线向盆地方向迁移，因沉积持续堆积的影响，迁移距却较SQ1层序对应阶段要大，且在273.75MaBP界面上存在上超不整合界面，并以此作为SQ2层序的顶界面，274.75～273.75MaBP阶段为SQ2层序的高位体系域；对比SQ1与SQ2层序，高位体系域持续时间增长，对应沉积厚度加大。

273.75～271.5MaBP阶段，对应为SQ3层序的低位与水进体系域，自273.5MaBP开始，湖平面快速上升；其中273.5～272.5MaBP，湖平面上升速率明显大于沉积物的堆积速率，湖岸线开始向物源区大幅度迁移，对比同阶段的SQ2层序，其无正常水退过程，也没有此基础上对应的非加积水进过程，因为随着湖岸线坡度接近最稳定的湖岸线—盆地斜坡坡度时，更易于发生加积水进成因序列；272.5～271.5MaBP阶段，湖岸线处对应的可容纳空间增长速率减小，并小于沉积物的堆积速率，呈现为正常水退过程；271.5～270MaBP阶段为SQ3层序的高位体系域，对应湖平面快速下降，该阶段湖岸线向盆地方向迁移距达到最大。

整个过程自下而上SQ1、SQ2以及SQ3层序以低位与水进体系域对应的上升半旋回为主，而3个层序对应的高位体系域（下降半旋回）的持续时间及厚度是逐步增加的。

3.2.3　计算机三维层序模拟结果

在SEDPA K软件二维模拟基础之上，结合原型地质特征，提取相关地质参数（如盆地形态、湖平面变化曲线、沉积物供应及粒度分布等），其中重点考虑原型的底形设置，依据研究区的钻井资料并引入重点井位进行底形校正，设置底形如图3-9（a）所示。盆地内，区域坳陷平缓、地质构造弱，总体上呈东部翘起向西部倾伏的区域性斜坡面貌；因早二叠世山西早期，受兴蒙海槽向南俯冲、消减作用影响，研究区北缘明显抬升，南北差异升降显著，主体物源来自北侧（杨俊杰，2002；朱红涛，2005；梁积伟、李文厚，2006；杨明慧，2008）。

根据设置的三维模拟参数，基于SEDSIM三维模拟软件开展模拟，通过模拟获得三维地质数据，如区域内的沉积范围、岩性分布以及重点井位的岩性剖面。在已获取的数据中根据二维所划分的阶段，如水进、正常水退以及强制水退过程，提取对应时间点处沉积范围的平面分布情况及沉积范围内的岩性的平面展布特征，进一步提取沉积范围内的岩性剖面；同时，根据原型地质资料，在三维层序模拟中选取对应的重点井岩性综合剖面进行分析，并与地质原型中层序溯源退积模式进行匹配、拟合，论证模拟的合理性。

3.2.3.1　SQ1层序三维沉积物分布与岩性变化

280～279.25MaBP阶段为水进过程，可容纳空间增长速率大于沉积物供应速率，沉积物向物源区迁移，覆盖前期沉积［3-9（b）］；在平面上，存在岩性粒度分异，中粗砂岩所占比例小，向盆地方向侧逐步变为纯泥岩［图3-10（b）］；纵向上，沉积厚度较小，呈现为向上变细的正粒序，在物源端主体为中粗砂岩，分异不显著［图3-11（b）］。279.25～278.5MaBP阶段，对应为正常水退过程，湖水位仍保持上升但速率小于沉积物堆积速率，该阶段沉积范围前缘向物源区迁移幅度变缓，沉积范围相对前阶段变小，且分布于东部［图3-9（c）］；在平面上，粒度分异同上一阶段差异较小，中粗砂岩所占比例相对增大［图3-10（c）］；纵向上，沉积厚度变化较小，岩性粒度变化不明显［图3-11（c）］。

图3-9　地质模型不同模拟阶段三维层序模拟沉积范围图

图3-10　地质模型不同模拟阶段三维层序模拟岩性平面分布图

图3-11　地质模型不同模拟阶段三维层序模拟岩性栅状图

278.5～277.75MaBP阶段，湖平面快速下降，沉积向盆地方向进积，沉积范围继续减小，分布于中—东部，湖水位之上的沉积区转变为“沉积过路区”，表现为点状、不连续沉积［图3-9（d）］；在平面上，中粗砂岩所占比例进一步增大，且向湖盆中心迁移、延伸，湖盆南北两侧存在粒度分异［图3-10（d）］；纵向上，沉积厚度增大明显，存在局部向上变粗的反粒序，岩层间夹杂呈楔形向物源端尖灭的泥质条带［图3-11（d）］；其中278MaBP界面处存在分布面积较大的“沉积过路区”，作为SQ1层序的顶界面。

3.2.3.2　SQ2层序三维沉积物分布与岩性变化

277.75～277MaBP阶段，属于SQ2层序的水进阶段，湖平面上升速率逐步增大，但其对应的可容纳空间增长速率小于沉积物的供给速率，为正常水退过程，该阶段沉积范围向物源区增大，主体沉积位于中部［图3-9（e）］；在平面上，中粗砂岩所占比例缩小，以S214井作为南北两侧粒度分异的分界井位［图3-10（e）］；纵向上，S214井向物源区粒度变化较小，向盆地方向存在向上变细的正粒序，反映沉积物向物源区存在退积迁移［图3-11（e）］。277～275.75MaBP阶段，湖平面快速上升，对应为水进过程，分布范围较大，该阶段的沉积覆盖280～277MaBP阶段堆积的大部分沉积［图3-9（f）］；在平面上，中粗砂岩所占比例明显减小，南北两侧的粒度分异区带向物源区迁移至S211井附近［图3-10（f）］；纵向上，由于沉积物的稳定供应，沉积厚度变化相对较小，总体为向上变细的正粒序［图3-11（f）］。275.75～274.75MaBP阶段，湖平面上升速率减小，可容纳空间的增长速率小于沉积物的堆积速率，为SQ2层序的第二个正常水退过程，沉积范围继续向物源区迁移，因地形的影响，沉积呈条带状分布于东部［3-9（g）］；在平面上，沉积范围内中粗砂岩所占比例相对增加，粒度分异区带向物源区进一步迁移［图3-10（g）］；纵向上，物源区粒度分异不显著［图3-11（g）］。

274.75～273.5MaBP阶段，湖平面下降，沉积范围缩小，在湖平面之上的沉积区转变为“沉积过路区”，残留在过路区上的沉积呈点状、不连续分布，湖水位下沉积近于条带状分布于西部［图3-9（h）］；在平面上，中粗砂岩所占比例显著增大，向盆地方向迁移至S214井附近［图3-10（h）］；纵向上，该阶段沉积向上变粗的反粒序［图3-11（h）］；其间在273.75MaBP界面上存在一个上超不整合界面作为SQ2层序的顶界面。

3.2.3.3　SQ3层序三维沉积物分布与岩性变化

273.5～272.5MaBP阶段属于SQ3层序的水进阶段，湖平面上升速率在模拟的山2段中最大，该阶段为水进过程，沉积范围向物源区伸展，范围较上一阶段大，因受限于地形，沉积分布交汇、叠置频繁，在同一水平区带内，沉积物在惯性力作用下优先分布于低势区，该阶段沉积分布局限于东部［图3-9（i）］；在平面上，随着湖平面的上升，沉积基准面沿湖盆边缘向上迁移，近物源端因沉积充填影响，水动力减弱，中粗砂岩在物源区附近沉降，南北侧粒度分异区带向物源区方向迁移至S117井附近［图3-10（i）］；纵向上，粒度分异与平面岩性分布相关联，S117井近盆地侧岩性存在向上变细的正粒序［图3-11（i）］。272.5～271.5MaBP阶段，湖平面仍保持上升，但其上升速率逐渐减小，转变为正常水退过程，沉积范围进一步增大且仍分布于西部，沉积分布在近物源端达到模拟过程的最大值［图3-9（j）］；在平面上，近物源端中粗砂岩区呈钝圆形，细砂岩及泥质呈条带状分布于中—西部［图3-10（j）］；纵向上，沉积区存在迁移，沉积厚度在物源区一侧明显增大，但粒度变化不显著［图3-11（j）］。

271.5～270MaBP阶段，湖平面快速下降，下降过程中，沉积范围迁移幅度最大，在湖平面之上的“沉积过路区”，仅在局部残留可容纳空间的位置有沉积物沉积，沉积物呈点状、珠状分布，极为分散［图3-9（k）］；在平面上，点状、珠状沉积区为粗砂岩，盆地方向的主体沉积为细砂岩与泥岩［图3-10（k）］；纵向上，该阶段呈现为向上变细的反粒序［图3-11（k）］。

整个三维模拟阶段，自下而上岩性粒度表现为逐渐变细的正粒序特征，层序末期局部存在向上变粗的反粒序，反映出湖盆内长期持续水进、短期水退的变化特征。三维模拟结果中沉积范围边界的迁移变化及岩性剖面上各层序的沉积厚度所占比例与二维模拟结果可以拟合、对比。