第1章辫状河研究概论
　　无论是现代沉积还是古代沉积，辫状河沉积在河流相研究中都占据极其重要的地位。辫状河相关的油气藏一直是国内外油气勘探开发的重要目标。现有的已开发油气田中有很多是与辫状河沉积相关的储层。我国东部的中新生代陆相含油气盆地内已发现了大量以辫状河砂体为主要储层的油气田。随着油气田开发程度不断提高，很多辫状河储层已进入高含水或特高含水阶段；由于水淹严重，剩余油高度分散，开发难度很大。在国外，美国阿拉斯加、欧洲北海和利比亚的锡尔特盆地等发现的油气田中，已经开发或评价的主要储层单元很多是辫状河沉积，剩余油可采储量十分可观。随着我国各家石油公司走向海外，越来越多的辫状河储层油气田由国内公司进行开发，如委内瑞拉MPE3项目和Junin4区块主力层均为辫状河沉积储层。为了进一步提高辫状河沉积相关的油气藏的滚动勘探开发工作水平，同时对此类老油田的剩余油分布规律进行科学认识，需要对辫状河沉积储层进行深入研究，包括对各种沉积体几何参数、物性参数、砂体分布规律等进行更加精细的储层描述和井间预测，以便最终建立精确的定量预测地质模型。
　　为了精细地研究辫状河沉积储层，就必须有全面且成熟的地质理论、大量的储层数据、精确的研究参数和先进的研究方法；同时，必须具备各种沉积参数的地质知识。地质知识库不仅包括有关的井中数据、地震数据和测井数据，还需要有露头、现代沉积、实验、经验公式等相关研究内容。露头和现代沉积都具有直观、易于获取、便于进行精细研究等优点。国外沉积学家将露头作为一项认识地下地质情况的非常重要的工作，投入了大量的研究力量。通过研究辫状河沉积地层露头和现代辫状河沉积，得出了很多重要的经验公式、理论和方法。同时，许多地下辫状河储层的解剖实例也正在丰富此类油气储层的表征。
　　本章的内容共五节。1.1节重点简述探地雷达、激光探测和测量以及数字高程模型在露头和现代辫状河的最新应用以及取得的成果。同时，还叙述地下辫状河储层研究所采用的方法，包括地震、测井、岩心分析等相关技术应用。1.2节简述沉积学家Miall提出的经典的岩相分析方案，重点展示国外在辫状河岩相特征、岩相组合和岩相空间变化三方面的研究成果。1.3节从露头、现代辫状河沉积、辫状河储层、实验室实验模型和相关经验公式等方面，简述国外对辫状河沉积物的几何形态研究的成果。1.4节以多个露头和现代沉积实例叙述辫状河的主要沉积作用、沉积模式、沉积构型以及沉积体系演化等方面的研究。1.5节叙述辫状河储层隔夹层的几何形态、沉积成因、分布规律，以及对渗透率影响规律的研究实例。1.6节则对辫状河研究在油气田开发中的应用进行粗略的叙述。1.7节总结本章的内容。
　　1.1研究方法
　　除了常规野外考察（观察、描述、取样分析化验等）方法外，目前比较先进的辫状河现代沉积、地表露头研究设备与方法主要有如下三种：探地雷达（ground penetrating radar，GPR）、激光测距器（light detection and range，LiDAR）、数字高程模型（digital elevation model，DEM）等，这些技术应用已获得显著的效果，并仍具有极大的应用前景。而地下辫状河沉积储层的研究方法与一般油气储层的研究方法相同，主要有地震解释、测井分析和岩心观察等。在研究油气储层性质时，常采用综合方法。
　　但是，由于辫状河流体动力学或沉积物搬运的数值建模方面的研究进展较缓慢，很难得到辫状河内大范围的流动特征和沉积物搬运的可靠数据组，因此推导准确的数值模型成为需要解决的首要问题，辫状河沉积的数值模拟发展体现在以下三个方面：
　　一是商业化的计算流体力学软件的应用。
　　二是研究平面演化和沉积特征的蜂窝模型（cellular model）的开发。
　　三是尝试建立基于全物理的、涉及辫状河沉积演化各方面的数值模型。
　　关于辫状河规模的研究是个基础问题，也是重点研究领域。Bristow和Best(1993)曾指出，将一条河道规模的研究结果和模型应用到完全不同级别的河流体系中时，最重要且目前还很难解决的就是辫状河道在不同规模范围内（从实验室水槽至20km宽的辫状平原）的沉积形态和形成过程按比例变化的问题。各国学者多年来对这个问题都进行了大量研究，Foufoula-Georgiou和Sapozhnikov（2001）、Sapozhnikov和Foufoula-Georgiou（1997）对辫状河形态和演化的尺度不变性（scale invariant）进行了研究，总结得出辫状河在形态上具有统计尺度不变性，但是演化呈现动态比例变化（dynamic scaling）。这些结论通过大量和典型的辫状河实例得到证实，但在地质因素对河道样式具有强控制力时会出错。这项工作的重要性在于：可将小段辫状河得出的形态应用于大型辫状河，或者将物理建模实验中得到的结果用于现场原型模型（field prototype）。
　　研究辫状河沉积的尺度不变性也取得了进展。与以上讨论的仅研究二维平面形态相比，必须考虑三维形态以及保存潜力（preservation potential），因此问题变得更为复杂。建议研究地形尺寸与保存的地层之间的关系，并将这一方法扩大到更大范围的特征，如地层单元和复合砂坝。经过定性比较，Smith等（2005）发现三条不同砂质辫状河的沉积相尺度横跨三个量级；虽然需要考虑很多其他因素，如流域、局部砂坝和河道形态、河道宽深比和植被生长情况，但这些河流都表现出一定程度的尺度不变性。
　　1.1.1辫状河现代沉积、地表露头
　　当前，辫状河现代沉积、地表露头的先进研究方法主要包括如下三种：探地雷达、激光测距器、数字高程模型等。
　　1.探地雷达
　　目前最新的进展是探地雷达的发展和广泛应用，并与更传统的探槽、露头描述和取心方法结合，可以达到很好的研究效果。应用探地雷达在辫状河沉积构型和沉积相的三维描述方面已经取得了重大进展，但主要是广泛应用于现代沉积物和第四系沉积的研究。
　　探地雷达不能广泛适用于古代沉积，古代沉积地层仍需依靠传统的露头观察技术。探地雷达在古代辫状河沉积有限应用的可能原因是成岩作用和岩石裂缝会叠加和遮蔽原生沉积构造。另外，目前大部分探地雷达数据仍用于描述和定性研究，对不同辫状河的相关性有更好的认识。
　　利用探地雷达研究辫状河沉积，一般仅关注所研究的每条辫状河的一些活动砂坝，而对整个辫状河平原（包括河道）内的相关性知之甚少。但是这类信息对评价沉积物的保存潜力很关键，并可将此类数据应用到古地质研究中。因此，需要收集的数据不仅用于活动砂坝，而且用于辫状河平原的所有区域。由于探地雷达在黏土沉积物（如古辫状河平原的沉积地层）方面表现较差，可应用其他的地球物理技术，如电阻率或时域反射仪（time domain reflectometer，TDR）。
　　探地雷达作业是通过发射天线发出可传播至地下的短脉冲电磁能，当辐射能量遇到地下介电性质突变的界面时，部分能量反射回接收天线。随后对反射信号进行放大、记录、处理和显示。沉积的介电性质变化主要归因于以下变化：①含水饱和度，受控于距潜水面的深度；②砂质沉积地层的孔隙度；③矿物组成变化，如粉砂层或泥质层，或富含重矿物或碎屑云母（贾木纳（Jamuna）地区富含碎屑云母）。沉积构造类型通常导致孔隙度和矿物学（如颗粒密度）变化，因此大多数反射特征（除潜水面之外）可解释为主要沉积组构的产物(Best et al.，2003)。
　　2.光探测和测距
　　光探测和测距（激光测距器），也称为激光扫描仪，已经成为测绘领域的前沿设备与技术。这种基于激光的测量系统，可以从空中或陆上平台快速获取对地形表面进行描述的点数据。这一技术现在已经十分成熟，空中激光扫描目前已经成为测绘公司例行操作，衍生的高程数字模型应用范围越来越广，如国内填图、侵蚀监控和洪水模型等。
　　目前有很多商用激光测距系统，这些系统均以几条测量原则中的一个为基础。目前，地貌测绘工作中最常见的手段是飞行时扫描器，发射一道对眼睛安全的激光脉冲，测量它的返回时间并转换为数值范围。激光脉冲的偏转用一套单坐标轴或多坐标轴旋转镜片来控制，或者用一个机械化感应头提供水平向或直角方向分量。这些设备与测量手段相结合，可以计算三维坐标系。测量速度极快，可以使用多系统来记录多达每秒数千个的数据点。大多激光测距感应器有一个额外测量手段，即关于返回激光的力度（应力），根据测量物表面材料的不同和激光波长而变化。它成为激光测距系统常见的一部分，常与一个内置的或独立的数字相机一起安装，可用于获取测距点的真实颜色信息，或获取充足的数码照片（Buckley et al.，2008）。
　　选择一个激光测距系统，应该遵循“适合目标”的原则。野外地质调查具有多种尺度，从微观尺度到宏观尺度都有，测量所需的细节程度将决定扫描设备的适用性。在很多露头研究中，一个悬崖剖面通常具有数百米，延伸数千米的规模。在这种尺度下，一个长程（1000m左右）中精度（0.01m）模型是最适用的(Bellian et al.，2005)。相反，一个高度细节的填图尺度研究可能需要非常高的精度，可能会比前例高一个数量级，但只限于一个小得多的区域（Sagy et al.，2007）。在这种情形下，具有更高测量精度的短程扫描仪比50m范围内达到0.01m精度的仪器更适用。现有地貌扫描仪之间的主要区别就是范围-精度关系和波长的选择。不同的激光波长有不同的优势，这与发射器发出的激光束结构有关。长程设备通常使用具备更高能量的激光频率，人眼对其不敏感，如靠近红外线的波段。然而，范围-精度关系的实质是，激光探测距离增加将导致精度下降。相反，低能量激光可能具有一定的射程（100m），但光束的形状可以在射程内保持较好的稳定性。这就使得测量的点精度和空间分辨率更高，而低光束分异度则允许设备在测线上以更小的间距进行测量（Lichti and Jamtsho，2006）。
　　激光扫描可提供目标露头区域的精确格架，具有收集野外数据的能力。使用者建立了许多可视化和定量化虚拟模型，这一方法对于很多项目都十分有用。采用全球导航卫星系统（global navigation satellite system，GNSS）得出各个项目的坐标系，就可以对研究区进行精确而详细的几何形态研究，甚至可以在没有地表出露的多个研究区之间实现，还可以与其他野外数据相结合。由于其具有更高的空间分辨率和精度，可以更有效地实现许多不同地质尺度下的新应用。尽管这项技术不能代替传统的地质野外考察，因为实际的地质认识仍是解决问题的最重要因素，但它们能提供一个更综合的定量化研究手段。
　　激光测距设备相对容易使用，也很容易获取点数据云。但是，需要指出的是，利用激光测距仪获取实际有价值的地质数据不像获取点数据云那么简单。在获取、处理和解译这些数据时，有很多因素需要考量。激光测距仪处理和解译的算法与格式的标准化还需要继续推进，这也使得野外露头模型的准备是一项非常重要的工作，而其中植被或其他物体都会对原始点数据产生干扰。
　　尽管激光测距仪提供了比传统野外地质调查更高的精度和分辨率，但仍需要注意工作流程中错误和不确定性的来源，如数据采集和建模（Buckley et al.，2008）。如果可能，对原始数据的检查可以对各个阶段的不确定性做出定量化测量，为最终成果提供保障，从而最终解决实际地质问题。
　　3.数字高程模型
　　陆地卫星平台可以为辫状河研究提供理想的图像信息。这些图像具有以下四个特点：①实时采集、全球覆盖；②全色图像的空间分辨率为15m，光谱图像的分辨率为30m；③可见蓝光、可见绿光、可见红光、近红外和中红外光带具有更高的光谱分辨率；④图像信息易于获取。与所有被动远程传感数据一样，陆地卫星图像同样受大气悬浮颗粒和云层所导致的电磁辐射散射与吸收的影响。