泥质沉积物的沉积对烃源岩的发育有重要意义，大量研究表明有机质通常以吸附态附着在沉积物颗粒表面，所吸附的量与沉积物的比表面积有关^[1-3]，而单位质量所具有的总面积与沉积物的粒度成反比，即有机碳含量与沉积物碎屑粒度呈负相关关系^[4-6]。因此，深入研究泥质沉积物的沉积规律十分重要。关于细粒沉积规律主要集中在对现代表层沉积的研究上^{[4, 7-9]}，主要是由于地质历史时期沉积特征的研究缺少样品，仅钻井处可以取样。沉积模拟实验技术是目前地质研究工作中少有的“正演”模拟研究方法，前人利用沉积模拟实验技术主要对砂体发育规律、储层甜点预测及其影响因素进行了较多研究^[10-12]，本次将该方法应用于细粒沉积物沉积规律的研究中，观察沉积物沉积过程，分析泥质沉积规律。

琼东南盆地是我国南海深水区重要的油气勘探领域之一^[13]，目前已在陵水、宝岛、长昌凹陷等取得重要勘探成果，勘探前景乐观^[14-15]，而崖南凹陷自崖城13-1凸起上发现崖城13-1气田外，勘探成果极少，说明该区成藏地质条件较为复杂^[16]。近年来，南海深水区油气勘探研究发现了陆源有机质的贡献^[17]，崖南凹陷崖城组陆源海相泥岩具有巨大的生烃潜力，但由于深水区崖城组气源岩钻遇较少，且都受油基泥浆污染，很难对烃源岩进行准确的分析，因此，泥质沉积物沉积规律的研究不仅对南海地区烃源岩优势发育区的预测有重要的意义，更对未来油气勘探方向有重要的指导意义。

崖南凹陷[图 1（a）]^[18-19]位于琼东南盆地北部坳陷带的西南部，平面上呈喇叭状，剖面上为箕状断陷。琼东南盆地的基底由古近系的火成岩、变质岩及沉积岩组成，盆地主要发育古近系、新近系和第四系沉积盖层[图 1（b）]^[20]。渐新统早期崖城组处于断陷晚期阶段，主要为海陆过渡相沉积，之后逐渐转变为海洋沉积环境，整体经历了水体由浅变深再变浅、沉积物由粗变细再变粗的完整层序演化过程，至崖城组中晚期以滨浅海相沉积为主，是盆地重要的烃源岩层段，由上到下依次可分为崖一段、崖二段和崖三段^[21-22]。

图 1

Fig. 1

下载原图 图 1 琼东南盆地区域构造单元划分与地层发育柱状图 Fig. 1 Regional tectonic unit division and stratigraphic column of Qiongdongnan Basin

崖城组作为盆地重要的烃源岩层一直是学者们研究的热点层段，崖城组底部普遍发育砾岩或含砾砂岩，向上粒度逐渐变细，主要发育灰白色、浅灰色粗砂岩及含砾砂岩，局部夹薄层深灰色粉砂质泥岩；向上至崖二段以灰白色薄层砂岩为主，由于水深逐渐增大，至崖二段上部发育深灰色厚层泥岩；至崖一段沉积时期，水深逐渐变浅，发育灰白色砂岩、深灰色泥岩、砂质泥岩夹煤层和炭质泥岩^[23]。本次实验的模拟区为崖南凹陷西北部的崖13-1气田区，近物源处崖城组崖一段及崖二段地层缺失，仅发育崖三段地层，以辫状河三角洲沉积为主，向深水方向逐渐过渡为滨浅海沉积环境^[24-25]。崖南凹陷在崖城组时期持续水进，古地形整体呈东南倾向，物源方向由西北向东南方向，近物源处坡度约0.1°，向深水方向平均坡度约为0.06°^{[24, 26]}。

本次研究以琼东南盆地崖南凹陷崖13-1气田区崖城组地质背景为实验原型，实验设计遵循几何相似、动力相似、运动相似等理论原则^[27]。实验模拟的工区范围长50 km，宽30 km，根据实验室设备条件确定实验水槽有效范围为长5 m，宽3 m，几何比尺为λ=L_H/L_m ≈ 10 000:1（H为原型，m为沉积模型，L为长度，m）。由于实际研究区古地形坡度小于0.1°，坡度过缓不利于短时间实验室模拟条件下三角洲沉积体的发育，因此分别设计底型坡度为1°~3°和3°~5°的2次坡度相对较陡的对比实验，2次实验仅坡度不同，其他条件均一致。

根据崖城组岩心粒度分析资料，崖城组沉积物粒度整体较粗，各沉积物粒级体积分数如表 1所列，据此设计实验用砂的粒度配比。研究区崖城组为整体水进期，崖三段沉积根据三级旋回划分为3期水进，为了避免底型砂对实验取样结果的影响，在水进之前首先进行1期辫状河三角洲沉积作为底型，记为第1期，崖城组实际沉积期次分别记为第2期，第3期，第4期，每期均经历2次“中水期—洪水期—中水期—枯水期”持续性供水模式，根据自然界洪水期、中水期和枯水期大致持续时间比例为1:3:6，对应设计洪水期、中水期和枯水期持续时间为1:3:6。供砂量与供水量需匹配，当供水量远大于供砂量时，沉积物将在近物源区无法沉积，而当供砂量远大于供水量时沉积物则大量堆积无法搬运，因此需通过预冲水实验确定不同供水阶段的水-砂比例，设计洪水期、中水期和枯水期的供水量为6:3:1，物源供给量对应为6:3:1，结合研究区崖三段持续海侵伴随短期海退的特征，设计各实验期次水体整体上涨，并伴随着间断性水退，实验设计参数见表 2。

表 1(Table 1)

表 1 琼东南盆地崖南凹陷已有钻井崖城组沉积物粒度统计 Table 1 Grain size of drilling sediments in Yanan Sag, Qiongdongnan Basin  % 井名 φ(泥质) (< 0.004 mm) φ(粉砂) (0.004~0.063 mm) φ(细砂) (0.063~0.250 mm) φ(中砂) (0.250~0.500 mm) φ(粗砂) (0.500~2.000 mm) φ(砾石) (> 2.000 mm) Y2 (1.94~17.61)/6.49(33) (1.23~34.14)/9.63(33) (5.52~68.62)/25.36(33) (3.47~41.34)/17.87(33) (0.05~66.48)/32.78(33) (0~41.48)/8.02(33) Y3 (2.02~14.85)/7.79(9) (1.23~23.71)/11.75(9) (7.44~57.92)/32.9(9) (3.47~30.07)/16.27(9) (0.05~48.97)/24.47(9) (0~29.10)/6.8(9) Y5 (0.91~3.62)/1.88(15) (4.12~19.65)/9.84(15) (13.67~43.01)/22.0(15) (12.36~35.86)/24.34(15) (10.48~49.39)/35.73(15) (0.14~14.74)/6.15(15) Y6 (6.80~21.70)/14.20(14) (15.20~46.30)/29.67(14) (16.60~39.10)/29.64(14) (1.20~40.20)/17.19(14) (0~32.20)/9.1(14) (0~1.40)/0.19(14) 平均 (0.91~21.70)/7.20(71) (1.23~46.30)/13.89(71) (5.52~68.62)/26.45(71) (1.20~41.34)/18.90(71) (0~66.48)/27.68(71) (0~41.48)/5.93(71) 注：（1.94~17.61）/6.49（33）表示（最小值~最大值）/平均值（样品数/个）

下载CSV 表 1 琼东南盆地崖南凹陷已有钻井崖城组沉积物粒度统计 Table 1 Grain size of drilling sediments in Yanan Sag, Qiongdongnan Basin

表 2(Table 2)

表 2 实验设计参数 Table 2 Experimental parameters 时期 流量/(L·s-1) 加沙量/(g·s-1) 加砂组成/% 历时/h 水深/cm 洪水期 中水期 枯水期 洪水期 中水期 枯水期 洪水期 中水期 枯水期 砾 中粗砂 细粉砂 泥 砾 中粗砂 细粉砂 泥 砾 中粗砂 细粉砂 泥 第1期 1.5~1.8 0.5~0.7 0.1~0.3 4.5~6.0 1.0~2.0 0.5~1.0 10 50 35 5 5 45 45 5 5 40 45 10 48 13 第2期 1.5~1.8 0.5~0.7 0.1~0.3 4.5~6.0 1.0~2.0 0.5~1.0 10 50 35 5 10 45 40 5 5 40 45 10 48 12 第3期 0.9~1.2 0.4~0.5 0.1~0.2 4.0~5.0 1.0~1.5 0~0.5 5 50 35 10 0 50 40 10 0 45 45 15 48 14 第4期 0.9~1.2 0.4~0.5 0.1~0.2 4.0~5.0 1.0~1.5 0~0.5 5 50 35 10 0 45 45 10 0 40 45 15 48 17

下载CSV 表 2 实验设计参数 Table 2 Experimental parameters

实验对沉积物搬运及沉积过程进行分析，精细刻画最终沉积体切片并采取样品（图 2），记录取样位置坐标、层位、特征等信息，最终采取样品210样次，其中实验1（坡度3°~5°）139样次，实验2（坡度1°~3°）71样次。样品粒度分析由Malvern Mastersizer 3000型激光粒度仪测定。

图 2

Fig. 2

下载原图 图 2 实验切片位置示意图 Fig. 2 Schematic diagram of experimental section position

实验1和实验2分别进行约200 h，均分为4期。实验过程中，泥质沉积物通常不会在水流直接流经的部位沉积，通常在河道间[图 3（a）—（b）]、河道侧缘的河漫部位及冲沟、凹槽等部位[图 3（c）] 易于沉积，这是由于水流直接流经的部位水动力较强、泥质沉积物粒度过细难以悬浮搬运的方式沉积，而河道间低洼部位及河漫部位水流量较小，水动力较弱，冲沟、凹槽及下切部位由于地势较低，这里的水流流速极小或完全处于停滞状态，且后期易被掩埋保存，利于泥质沉积物的沉积与保存。

图 3

Fig. 3

下载原图 图 3 沉积模拟实验过程照片 Fig. 3 Photos of sedimentary simulation experiment process

在三角洲平原两侧的漫溢部位，水流漫出呈面状溢流，水动力强度弱，泥质沉积物易于沉积[图 4（a）]，但沉积过程是动态的，当河道摆动时，先前漫溢沉积的部位发育河道会使得早期沉积的泥质沉积物被破坏；在洪水期，物源供给充分，快速堆积使得泥质沉积物在近物源处得以保存。三角洲前缘河漫部位，水流呈漫溢状态流动，水动力强度极弱，泥质沉积物极易保存[图 4（b）]，但与平原区一致。在后期河道摆动时，会将前期已经沉积的泥质沉积物冲刷到水体中去；在快速水退—水进过程中，沉积界面处会由于可容纳空间迅速增大使得沉积物快速堆积从而形成连续性较好的层状泥质沉积物。

图 4

Fig. 4

下载原图 图 4 沉积模拟实验泥质沉积物分布剖面图（剖面位置见图 2） Fig. 4 Distribution profile of argillaceous sediments in sedimentary simulation experiment

对采取的210样次样品进行粒度分析，结果显示，坡度较陡条件下，实验1第2期三角洲平原—前缘泥质体积分数可达0.51%，远高于实验2同期的0.02%，但实验1前三角洲—浅海区泥质体积分数为43.87%，明显低于实验2的50.68%。表明相同供水流量情况下，陡坡条件水动力更强，使得三角洲前缘—浅海砾石和粗砂沉积物滑塌，泥质沉积物可以搬运到更远的地方沉积，因此陡坡条件下前三角洲—浅海范围泥质沉积物含量较低（表 3）。

表 3(Table 3)

表 3 不同粒径组分的占比统计 Table 3 Proportion of components with different particle sizes  % 实验 沉积区 沉积期 φ(泥质) (< 0.004 mm) φ(粉砂) (0.004~0.063 mm) φ(细砂) (0.063~0.250 mm) φ(中砂) (0.250~0.500 mm) φ(粗砂) (0.500~2.000 mm) φ(砾石) (> 2.000 mm) 实验1 三角洲平原—前缘 第2期 (0~14.07)/0.51 (32) (0~40.27)/6.26 (32) (10.85~68.59)/35.80 (32) (11.01~57.91)/41.02 (32) (0.17~42.65)/14.22 (32) (0~9.73)/1.08 (32) 第3期 (0~0.35)/0.02(28) (0~16.16)/2.80 (28) (4.97~62.88)/27.55 (28) (16.96~53.64)/37.78 (28) (3.68~61.32)/27.90 (28) (0~15.59)/3.95 (28) 第4期 (0~0.25)/0.03 (29) (0~10.30)/2.69 (29) (2.71~41.91)/19.43 (29) (15.29~56.98)/42.30 (29) (6.82~66.05)/32.88 (29) (0~15.92)/2.67 (29) 前三角洲—浅海 (0~62.61)/43.87 (50) (1.49~49.15)/41.17 (50) (1.89~39.55)/6.72 (50) (0~24.29)/2.53 (50) (0~27.06)/4.25 (50) (0~24.67)/1.46 (50) 实验2 三角洲平原—前缘 第2期 (0~0.33)/0.02 (20) (1.35~15.91)/6.42 (20) (21.57~49.92)/38.30 (20) (27.88~53.61)/44.30 (20) (3.55~33.26)/10.63 (20) (0~4.86)/0.34 (20) 第3期 (0~1.83)/0.14 (21) (1.19~43.31)/10.04 (21) (10.14~50.53)/28.49 (21) (8.51~49.72)/38.23 (21) (0.52~55.42)/21.06 (21) (0~11.72)/2.04 (21) 第4期 (0~0.45)/0.06 (15) (0~13.22)/3.88 (15) (2.29~42.56)/13.23 (15) (8.37~56.54)/33.87 (15) (6.80~67.39)/40.85 (15) (0~26.61)/8.10 (15) 前三角洲—浅海 (19.86~4.03)/50.68 (15) (25.31~56.91)/41.87 (15) (0.67~15.88)/4.52 (15) (0~5.79)/1.49 (15) (0~5.37)/1.35 (15) (0~0.67)/0.09 (15) 注: (1.94~17.61)/6.49 (33) 表示(最小值~最大值)/平均值(样品数/个)

下载CSV 表 3 不同粒径组分的占比统计 Table 3 Proportion of components with different particle sizes

对沉积物粒度分布进行分析可得，自三角洲平原向前缘、浅海方向，粒度总体逐渐变细，河流一旦入海，河流与海水交汇能量抵消，水动力强度快速减弱，粒度将快速变细[图 5（a）—（d）]。实验1（地形坡度较陡，水动力强度较强）条件下河道及砂坝更为发育，三角洲平原中部及侧缘常出现粒度中值的高值区[图 5（a）]，这是由于在三角洲平原发育河道，河道附近常发育纵向砂坝与斜砂坝，在河口及侧缘常发育河口坝，河道及砂坝部位粒度均较粗，且泥质沉积物难以沉积[图 5（b）—（c）]，较强的水动力条件同样导致深水区泥质沉积物具有非均一性的沉积特征[图 5（b）]，而实验2（地形坡度较缓，水动力强度较弱）条件下，河道及砂坝相对不发育，沉积物粒度及泥质含量变化趋势相对较为单一，呈单调递减趋势[图 5（d）—（e）]，水动力较弱的条件使得三角洲前缘河道相对较宽，河道沉积物呈面状展布较为明显，三角洲平原—前缘河漫、河道间等部位易于沉积泥质沉积物，前三角洲—浅海区泥质沉积规律相对更为单一[图 5（f）]。

图 5

Fig. 5

下载原图 图 5 沉积模拟实验粒度分布特征平面图 Fig. 5 Grain size distribution characteristics of sedimentary simulation experiment

实验中粒度中值与物源距离的相关性均较强，浅海区粒度明显减小，平原区河道或斜坡地区常富集砾石而粒度最大。坡度较陡时，河流水动力衰减更慢，使得沉积物可以搬运至更远处，因此实验2拟合公式的系数大于实验1（图 6），即：坡度越大，沉积物粒度减小越慢，沉积物搬运距离越远，这与实验观察特征一致。

图 6

Fig. 6

下载原图 图 6 实验中沉积物粒度中值随物源距离变化图 Fig. 6 Variation of sediment grain size median with provenance distance in the experiment

实验条件下沉积物粒度中值向远离物源方向呈快速减小趋势，这与研究区崖城组沉积物粒度变化趋势一致，崖城组Y5井为三角洲平原沉积，至Y2，Y3井的三角洲平原-前缘沉积向Y6井的浅海沉积方向，沉积物粒度中值呈明显减小趋势[图 7（a）]。研究区崖城组沉积时期为持续水进过程，垂向上沉积物粒度呈持续减小趋势[图 7（b）]，实验模拟条件下，垂向上沉积物粒度也呈持续减小趋势[图 7（c）]，与研究区沉积特征一致。

图 7

Fig. 7

下载原图 图 7 崖南凹陷崖城组与沉积模拟实验粒度分布特征对比 Fig. 7 Comparison of grain size distribution characteristics between sedimentary simulation experiment and Yacheng Formation in Yanan Sag

泥质沉积物随河流搬运过程中多呈悬浮搬运，随着搬运距离的增大，河流水动力强度逐渐减小，悬浮总体的最大粒径也逐渐减小。因此，当悬浮总体最大粒径衰减为0时，即河流运载力消减殆尽，泥质沉积物无法被搬运而达到了最大搬运距离，因此可利用该关系确定泥质沉积物搬运的极限距离。沉积物悬浮总体与跳跃总体的界限值（即该水动力条件下可悬浮搬运的最大粒径）可利用粒度分析资料进行确定[图 8（a）]，对2次实验及研究区崖城的沉积物悬浮总体最大界限进行统计，结果显示，沉积物悬浮总体最大界限与搬运距离呈明显的指数型递减趋势，相关性好。周迅等^[28]以粒径0.45 μm作为悬浮态和溶解态区分界限，认为当粒径小于0.45 μm时为非颗粒态沉积物。因此，以0.45 μm确定泥质沉积物可搬运的最大距离，经计算实验1（坡度3°~5°）条件下泥质沉积物最大可搬运8.39 m [图 8（b）]，实验2（坡度1°~3°）条件下泥质沉积物最大可搬运7.18 m[图 8（c）]，崖城组（坡度约0.1°）条件下泥质沉积物最大可搬运63.94 km [图 8（d）]。将实验尺度按比例尺等比例放大10 000倍时，即坡度3°~5°时泥质沉积物最大可搬运83.9 km，坡度1°~3°时泥质沉积物最大可搬运71.8 km，坡度0.1°时泥质沉积物最大可搬运63.94 km，随着坡度的减小，泥质沉积物的搬运距离逐渐减小，沉积范围也相应缩小。

图 8

Fig. 8

下载原图 图 8 悬浮颗粒界限粒径的确定及其随搬运距离变化关系图 Fig. 8 Determination of boundary particle size of suspended particles and its relationship with transport distance

对实验1和实验2的沉积物沉积厚度统计发现，沉积厚度与搬运距离之间存在较好的相关性，三角洲前缘部位是沉积厚度最大的部位[图 9（a）—（b）]，同时，沉积物泥质含量随搬运距离的增大呈指数型增长，在前三角洲—浅海区泥质含量突然增多，这是由于河流入海后与海水交锋，水动力突然降低所致[图 9（c）—（d）]。河流入海后，水动力强度骤降，导致泥质含量的快速增大，但同时也使得沉积物总量快速的持续减少，因此泥质沉积物的优势沉积区应为沉积厚度和泥质含量均相对较大部位，即前三角洲—浅海范围的近岸海域，远离海岸方向虽然泥质含量的百分比持续增大，但沉积物的总量在不断减少，从而使得泥质沉积物的总量依然呈减少趋势。

图 9

Fig. 9

下载原图 图 9 沉积物沉积厚度及泥质含量与搬运距离关系图 Fig. 9 Relationships of transportation distance with sedimentary thickness and argillaceous content

（1）将沉积模拟实验应用于泥质沉积物分布规律的研究中，通过实验过程观察可得，泥质沉积物主要沉积于水动力较弱、地势较低的部位，如三角洲分流河道之间、早期冲沟与凹槽、河漫滩及三角洲前缘等。

（2）实验分析结果显示，地形坡度较陡条件下河道及砂坝更为发育，这些部位粒度均较粗，且泥质沉积物难以沉积，深水区泥质沉积物具有非均一性的沉积特征，而地形坡度较缓条件下，沉积物粒度及泥质含量变化趋势相对较为单一。坡度越缓，水动力越弱，沉积物搬运距离越小，沉积范围越小。

（3）利用粒度资料对泥质沉积物的最大搬运距离进行计算，实验1（坡度3°~5°）条件下泥质沉积物最大可搬运8.39 m，实验2（坡度1°~3°）条件下最大可搬运7.18 m，崖城组（坡度约0.1°）条件下沉积物最大可搬运63.94 km，将实验条件按比例尺等比例放大与研究区崖城组计算结果对比可得，随着坡度的减小，泥质沉积物的搬运距离逐渐减小，沉积范围也相应缩小，但泥质沉积物沉积厚度更大，泥质沉积物沉积中心位于前三角洲—浅海过渡区，这也是陆源海相泥岩发育的位置，对陆缘盆地烃源岩的研究有重要指导意义。