干旱地區(qū)分支河流體系沉積特征——以疏勒河分支河流體系為例

張祥輝，張昌民，馮文杰，徐清海，朱銳，劉帥，黃若鑫

（長江大學地球科學學院，武漢 430100）

0 引言

分支河流體系（Distributive Fluvial Systems，簡稱DFS）是指“河流從某一頂點開始進入盆地并呈放射狀展布的沉積體系”。最早由Weissmann和Hartley等2010年運用谷歌地球（Google Earth）對全球700余個現(xiàn)代沉積盆地的河流沉積體系進行統(tǒng)計的基礎上提出的，認為分支河流體系是一種由沖積扇、河流扇或巨型扇構成的、發(fā)育在鄰近山地的常見沖積地貌系統(tǒng)[1-2]。同年，Hartley等[3]進一步總結了分支河流體系的識別準則，并強調(diào)分支河流體系上的河道呈分支狀，但不一定同時都在活動[4-5]。盡管有學者對分支河流體系概念提出了質疑[6-7]，但隨著現(xiàn)代地球信息技術的不斷發(fā)展，人們對地球表面地貌特征的觀察視野不斷擴大，以及河流沉積學家和地貌學家對沖積體系研究的不斷深入，越來越多的學者開始接受并使用分支河流體系這一概念[8-12]。目前，對于 DFS的研究主要集中在分支河流體系的規(guī)模、特征和分類等方面[13-15]。Weissmann等2013年通過對分支河流體系在順源方向上水動力強度、沉積物搬運速度、沉積物粒徑等的變化提出了DFS的進積模式，2015年[5]通過對陸相盆地進一步地認識，將分支河流體系分為4種類型。Davidson等[16]通過對現(xiàn)代 DFS沉積環(huán)境的綜合分析，將DFS劃分為 3～4個不同的相帶。Trendell等[17]根據(jù)各地層組發(fā)育的河道砂體沉積特征，將 DFS中發(fā)育的河道砂體劃分成 11種巖石相類型。Owen[18]利用DFS的觀點展示了莫里森組-鹽洗段沉積體系的平面特征、垂向層序和沉積建筑結構特征。由于大量研究主要集中在分支河流體系的規(guī)模、特征和分類等方面，缺少對現(xiàn)代分支河流體系沉積特征的典型實例分析，迄今國內(nèi)罕有針對分支河流體系平面特征和垂向特征差異的研究報道。

現(xiàn)代分支河流體系在中國西北部干旱地區(qū)廣泛分布[19-22]，為明確干旱型分支河流體系各區(qū)帶沉積特征的差異，本文將現(xiàn)代信息技術（衛(wèi)星遙感技術、無人機技術）與經(jīng)典沉積學理論相結合，分析疏勒河分支河流體系不同區(qū)域地貌特征差異，描述不同部位所發(fā)育的沉積物粒徑差異、礫石定向性差異以及河道類型差異，研究疏勒河現(xiàn)代分支河流體系的沉積相帶分布特征，并構建沉積模式。

1 區(qū)域背景

疏勒河分支河流體系位于甘肅省西北部[23]，河西走廊西部[24]，東經(jīng) 96°6′—97°24′、北緯 39°56′—40°36′（見圖1），發(fā)源于祁連山脈的疏勒南山，是祁連山西段匯水面積最大的一條河流[25]，常年有水，全長 620 km。疏勒河穿越照壁山峽谷后，呈放射狀展布進入阿爾金斷裂北側的河西走廊平原（見圖 1）。與疏勒河分支河流體系相關的地貌包括礫石平原帶與綠洲細土平原帶（見圖1a）。沿DFS頂點往下35～45 km范圍內(nèi)主要為礫石平原帶，坡度為1.05%，地貌特征以平緩戈壁為主（見圖1b）。扇體北部為寬12～20 km的綠洲細土平原，坡度為0.51%，地勢低平，沼澤洼地廣布，由于地下水溢出，細土平原帶末端形成一條南北向溝谷，切割深度約10 m（見圖1c）。

疏勒河分支河流體系地處內(nèi)陸，氣候干燥，降雨量少，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大，日照時間長[26]。年降水量主要集中在6—9月份，年平均降水量為39.9 mm，蒸發(fā)量為2 486 mm，全年日照時數(shù)為3 246.7 h[27]。年平均氣溫為9.4 ℃，月平均最高氣溫為23.1 ℃，月平均最低氣溫為-9.4 ℃，極端最高氣溫為43.6 ℃，極端最低氣溫為-28.5 ℃，年平均無霜期142 d，屬典型的溫帶干旱性氣候[26-27]。

2 實測基礎數(shù)據(jù)

運用衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、雷達數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及無人機航拍等資料，對分支河流體系的地貌特征、河道樣式、展布范圍進行測量和統(tǒng)計（見表 1）。其中地貌特征的變化以及河流形態(tài)的變化主要運用谷歌地球衛(wèi)星影像進行比較。頂點到末端坡度的變化、平均河道寬度的變化以及泛濫平原與河道比的變化主要運用雷達數(shù)字高程數(shù)據(jù)統(tǒng)計。河道寬度為最外側堤岸之間的距離，與河流軸線成90°角度測量，包括砂壩和心灘。

表1 疏勒河分支河流體系不同區(qū)帶相關參數(shù)統(tǒng)計

以沉積學理論為指導，對野外現(xiàn)代沉積剖面進行實地勘測，通過測量礫石的粒徑、定向性、磨圓度等參數(shù)（見表2），對不同位置沉積物的變化特征進行精細描述。運用無人機航拍等技術，在衛(wèi)星影像的基礎上，對不同區(qū)域河流變化形態(tài)進行精度刻畫。測量過程中，礫石粒徑和定向性的刻畫采用黃遠光等[28]提出的礫石定向性定量表征方法，粒徑大小通過礫石的長扁軸粒徑來確定[29]；礫石定向性運用礫石長軸相對視傾角玫瑰花圖來衡量，包括玫瑰花圖中任意相鄰 3個小扇形半徑定向性的最大值（a）和小扇形半徑偏離程度（σ）。磨圓度通過Tao等[30]2018年提出的棱角狀、次棱角狀、次棱—次圓狀、次圓狀和圓狀 5種磨圓度級別作為劃分依據(jù)。在研究區(qū)共包括 8個觀察點（p1—p8），其中包括2個無人機航拍點（p2、p8）和5個礫石分析點（p1—p5），共統(tǒng)計 1 932個礫石粒徑數(shù)據(jù)、1 322個礫石定向性數(shù)據(jù)（見表2）。

表2 疏勒河分支河流體系礫石分析數(shù)據(jù)

3 研究區(qū)沉積特征

根據(jù)遙感影像資料分析疏勒河分支河流體系的形態(tài)特征。平面上，疏勒河分支河流體系呈近似對稱的扇形，扇體半徑為59.6 km，弧長為128 km，弦長為113 km，扇頂角為96°，面積為3 660 km2。根據(jù)地貌特征差異、坡度差異以及河流形態(tài)差異將疏勒河分支河流體系劃分為近端、中部和遠端3個相帶（見圖2），地貌特征上，近端主要表現(xiàn)為礫石戈壁灘，中部可見沙生植被發(fā)育，遠端表現(xiàn)為綠洲平原；坡度上，近端坡度大于中部坡度，遠端坡度最?。ㄒ妶D2b）；河流形態(tài)上，近端為大型辮狀河，中部為分汊狀辮狀河，遠端為曲流河。根據(jù)不同相帶發(fā)育的沉積微相類型以及沉積特征差異，進而研究現(xiàn)代分支河流體系的沉積相帶分布規(guī)律及其展布模式。

圖2 疏勒河分支河流體系區(qū)帶劃分及各區(qū)帶坡度變化

3.1 分支河流體系近端沉積特征

疏勒河分支河流體系近端位于河流出山口 10 km范圍內(nèi)，占扇體總面積的5.87%。該區(qū)地貌特征表現(xiàn)為礫石戈壁灘（見圖 1b、圖 3b），坡度為 1.25%（見圖2b），河流形態(tài)主要以大型辮狀河為主（見圖3），河道寬度約400～500 m。疏勒河分支河流體系近端亞相主要發(fā)育辮狀河道和泛濫平原微相，泛濫平原與辮狀河道之比為 6.64，在該區(qū)主要有 1個沉積觀察點（見圖 2中p1）以及2個礫石分析點（見表2中p1-1、p1-2）。

圖3 疏勒河分支河流體系近端河道樣式

觀察點1（p1）位置如圖2所示，整個剖面以礫質沉積為主，砂質成分含量較少。橫向上河道期次性變化較為明顯，可依據(jù)底部較大礫石的定向排列以及靠近頂部植被的定向生長進行期次性劃分（見圖4a），礫石間接觸緊密，呈順層狀或疊瓦狀排列?？梢娹p狀河道發(fā)育，局部發(fā)育有高角度下切型板狀交錯層理，在底部可見滯留沉積（見圖4b）。礫石經(jīng)過疏勒河源區(qū)長距離搬運，磨圓度較好，呈次圓狀（見圖4c）。垂向上各期次河道表現(xiàn)為明顯的下粗上細（見圖4d），底部礫石層（見圖4c、圖4d）具有明顯的定向性。

圖4 疏勒河分支河流體系觀察點1沉積剖面

通過對觀察點1附近的兩個礫石點（p1-1、p1-2）進行統(tǒng)計（見圖5），共測量328個粒徑數(shù)據(jù)和249個定向性數(shù)據(jù)。最小礫石粒徑為1.47 cm，最大粒徑為23.94 cm，平均粒徑為5.18 cm。定向性表現(xiàn)為礫石最大扁平面的傾向在 30°～60°（見表 2、圖 5）。礫石的定向性和磨圓度較好，說明疏勒河分支河流體系近端水動力條件較強，主要以牽引流為主，表現(xiàn)為高能的辮狀河道。

圖5 疏勒河分支河流體系觀察點1附近不同位置（p1-1、p1-2）礫石定向性與粒徑特征

觀察點 1附近的河道間泛濫平原較為發(fā)育（見圖3），在泛濫平原上可見廢棄的河道（見圖6a）。通過對泛濫平原對應位置平面以及垂向的解析發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)代沉積的垂向剖面上，近端泛濫平原主要表現(xiàn)為薄泥層（見圖6b），平面上主要表現(xiàn)為泛白的泥皮（見圖6c），并且在近端靠近出山口位置，河道之間的泛濫平原位置沉積有零星的礫石（見圖6c），這些礫石主要由洪水期從河道沖出（片流）。由于近端水動力較強，通過將現(xiàn)代沉積的泛濫平原與觀察點 1的大剖面對比（見圖6a），由于下一期洪水的沖刷作用，薄質泥層在區(qū)域大剖面上難以保存。

圖6 疏勒河分支河流體系近端現(xiàn)今河流間沉積特征

3.2 分支河流體系中部沉積特征

疏勒河分支河流體系中部位于近端以下30 km范圍內(nèi)，占扇體總面積46.25%，該區(qū)帶地貌特征主要表現(xiàn)為戈壁灘、有沙生植被發(fā)育（見圖7b），坡度為0.94%（見圖2b）。由于上游河流的分汊和下滲，河流寬度相對較窄，為100～200 m，河流形態(tài)主要以高度分汊的辮狀河為主（見圖7a）。中部主要發(fā)育有辮狀河道、泛濫平原和風成沙丘等微相，泛濫平原與辮狀河道比為15.29，風成沙丘規(guī)模較小，主要發(fā)育在靠近遠端區(qū)域（見圖7c）。在該區(qū)主要有3個沉積觀察點（見圖2的p2、p3、p4）和對應的3個礫石分析點（見表2的p2-1、p3-1、p4-1）。

圖7 疏勒河分支河流體系中部河道樣式

觀察點2（p2）河道分汊嚴重（見圖2a），泛濫平原廣泛發(fā)育（見圖7a）。受分汊和下滲的影響，水動力條件減弱，支流河道水體干涸，只有主河道才有水體流動（見圖7b），心灘由近端的礫質灘向砂質灘過渡（見圖7c）。礫石分析顯示該點礫石主要為次圓狀，最小礫石粒徑為1.04 cm，最大粒徑為14.45 cm，平均粒徑為3.85 cm；礫石長軸傾向為120°～150°，具有一定定向性（見表2）。

觀察點3（p3）靠近分支河流體系邊緣（見圖2a），泛濫平原較為發(fā)育，與觀察點 2相比兩者都處于中部相帶靠上的位置，由于觀察點 2位于疏勒河主要的徑流，水動力條件較強，與觀察點 3相比沉積物粒徑較粗。在觀察點3共統(tǒng)計347個粒徑數(shù)據(jù)和276個定向性數(shù)據(jù)。最小礫石粒徑為0.60 cm，最大粒徑為6.87 cm，平均粒徑為2.04 cm（見表2）。礫石最大扁平面的傾向為90°～150°。觀察點3附近河道之間的位置，泛濫平原比近端更加發(fā)育（見表1、圖8a）。與近端相比植被覆蓋度較高（見圖8b），在現(xiàn)代沉積的垂向剖面可見植物根莖（見圖8c）。由于靠近中部，水動力條件減弱，在泛濫平原沉積的區(qū)域，細粒沉積得以保存，與近端相比，泛濫平原沉積變厚（見圖6b、圖8c）。

圖8 疏勒河分支河流體系中部現(xiàn)今河流間沉積特征

觀察點4（p4）以礫質沉積為主（見圖2a、圖9a），可見透鏡狀砂體發(fā)育（見圖 9a、圖 9b）。垂向上，礫石具有明顯的定向性，呈疊瓦狀排列，底層粗粒沉積較為發(fā)育，厚度較大，約0.8 m，頂層的細粒砂質沉積物厚度較小，約0.2 m，表現(xiàn)為明顯的河道沉積。通過與該點現(xiàn)代河流形態(tài)特征類比，透鏡狀砂體可能為河道上小的心灘壩（見圖 9b、圖 9c）。礫石分析顯示該點礫石主要為次圓狀，最小礫石粒徑為0.97 cm，最大粒徑為5.72 cm，平均粒徑為2.43 cm；礫石長軸傾向為 90°～150°（見圖 10 的 p4-1）。

圖9 疏勒河分支河流體系觀察點4沉積剖面

圖10 疏勒河分支河流體系觀察點2、3、4對應位置（p2-1、p3-1、p4-1）礫石定向性與粒徑特征

與近端相比，中部沉積物粒徑總體變細，泛濫平原分布更加廣泛；在面積開闊地形平坦區(qū)域，風對沉積物的改造十分明顯，局部地區(qū)可形成風成沙丘（見圖7c）；由于分汊和下滲的影響，部分河流在旱季干涸，表現(xiàn)為暫時性河道沉積；并且在分支河流體系的中部常會形成廢棄的朵體，這些廢棄的朵體并不表明沒有河道發(fā)育，只是與現(xiàn)今河流不在同一時期。

3.3 分支河流體系遠端沉積特征

疏勒河分支河流體系遠端位于中部以下15 km范圍內(nèi)，占扇體總面積47.88%，該區(qū)帶植被覆蓋率較高，地貌特征表現(xiàn)為綠洲平原，坡度為0.51%（見圖2b），河道寬度較窄，為80～100 m。由于坡度減小，水體流動平緩，該區(qū)河流形態(tài)主要由辮狀河向曲流河轉變（見圖 11a），在末端表現(xiàn)為曲流河（見圖 11b）。在泉線（spring line）以下的遠端亞相，主要發(fā)育有辮狀河道、曲流河道、泛濫平原、沙丘、沼澤和小湖泊（ponds）等微相（見圖11a）。在遠端共有4個沉積觀察點（見圖2的p5、p6、p7、p8）和1個礫石分析點（見表2的p5-1）。

圖11 疏勒河分支河流體系遠端河道樣式

觀察點5（p5）剖面自下而上礫石層逐漸變薄，透鏡狀砂層逐漸變厚，呈條帶狀（見圖2a、圖12a）。頂層細粒砂質沉積物厚度與底層礫質沉積物厚度相近，表明河道形態(tài)開始由辮狀河向曲流河轉變。礫石分析表明該點礫石呈次圓狀，最大礫石粒徑為4.06 cm，最小礫石粒徑為0.30 cm，平均粒徑為0.90 cm（見表2），礫石長扁軸方向在 70°～160°范圍變化、定向性模糊（見圖13的p5-1）。

圖12 疏勒河分支河流體系遠端各觀察點剖面特征

觀察點6（p6）主要表現(xiàn)為較厚的砂層，頂部發(fā)育有一套黏土層（見圖2a、圖12b）。剖面可見蟲跡和植物根跡等孔隙，有鈣質層發(fā)育，表現(xiàn)為堤岸沉積（見圖 12b）。在該點附近河床上可見一些小礫石遮擋形成的障礙痕（見圖13的p6）。

圖13 疏勒河分支河流體系遠端礫石定向性與粒徑分布及地表特征

觀察點7（p7）上部砂體呈槽狀展布，底部為一套礫石層，層理類型主要為槽狀交錯層理。垂向上，自下而上整體表現(xiàn)為正韻律（見圖2a、圖12c）。在該點附近地勢低洼處可見一些滯水洼地和小湖泊發(fā)育（見圖 13的 p7）。

觀察點8（p8）位于分支河流體系末端，頂部為一大套細、粉砂級沉積物，高于河床近10 m（見圖2a、圖 12d），在剖面底部可見河床滯留沉積，底部有明顯的沖刷界面（見圖 12e）。根據(jù)無人機航拍影像可觀察到河流的截彎取直作用（見圖13的p8）。

與近端和中部相比，遠端沉積物粒徑明顯變細。由于水動力條件減弱，發(fā)育有沼澤、曲流河和小湖泊等微相。在疏勒河分支河流體系的末端礫質沉積物發(fā)育較少，主要以泥質和砂質沉積為主，代表了河道廢棄階段曲流河的沉積特征。

4 討論

隨著對陸相含油氣盆地研究的不斷深入，分支河流體系的研究為陸相含油氣盆地沉積模式提供了新的思路。通過對比疏勒河分支河流體系從頂點到末端不同位置大尺度的變化特征，包括順源方向坡度的變化、河流寬度的變化、泛濫平原與河道比的變化以及河流形態(tài)的變化，進而對沉積體系進行整體分析。近端主要為山麓高地向山前平原過渡階段，坡度最大，河流擺脫頂點上兩側地形的控制，表現(xiàn)為大型辮狀河，河流寬度較大，泛濫平原與河道比值較小，主要發(fā)育辮狀河道和泛濫平原等微相（見表3）；中部坡度相比近端較小，受上游河流分汊和下滲的影響，河流寬度變窄，泛濫平原廣泛發(fā)育，河流表現(xiàn)為高度分汊的辮狀河，主要發(fā)育辮狀河道、泛濫平原和風成沙丘等微相（見表3）；遠端，由于接近走廊盆地沉降中心，坡度最緩，水體流動受阻，滯水洼地和小湖泊等地貌單元廣泛發(fā)育，河流形態(tài)表現(xiàn)為由辮狀河向曲流河過渡，主要發(fā)育辮狀河道、曲流河道、泛濫平原、風成沙丘以及沼澤和湖泊等微相（見表 3）。通過研究分支河流體系上不同相帶河流形態(tài)由大型辮狀河到分汊狀辮狀河到曲流河這一連續(xù)性的變化，在分支河流體系沉積模式上，可以顯示出比單個河道相模式范圍更大的沉積體系特征。

表3 疏勒河分支河流體系各相帶發(fā)育的沉積特征差異與沉積微相類型

在分支河流體系大尺度觀察的基礎上，對不同位置河道沉積特征進行精細描述（見圖14），近端河道為礫質辮狀河床，水動力條件以牽引流為主，水流主要來自源區(qū)冰雪融水。粒徑較粗，主要為中—巨礫，礫石具有明顯的定向性，砂質含量較少，分選較差，表現(xiàn)為高能水環(huán)境[31]；中部河道也主要為礫質河床，可見小型透鏡狀砂體發(fā)育，礫石粒徑以細—中礫為主，砂質含量增高，分選中等，具有一定定向性，表現(xiàn)為高能水環(huán)境向低能水環(huán)境過渡（見圖14）。中部由于分汊和下滲，水動力條件減弱，部分支流河道在旱季干涸，表現(xiàn)為暫時河道，疏勒河分支河流體系暫時性河道主要受降雨的影響，在6—9月份降水充沛，疏勒河徑流流量較大，攜帶的泥質含量較高，暫時性河道有水體流動。但隨著旱季很快來臨，這些暫時性河道迅速干涸，在河道表層形成一層泥皮（見圖7b），隨著下次洪水期的到來，細薄的泥皮被沖往下游，在類比地下研究中暫時性河道發(fā)育的泥皮很難保存下來；遠端，河流開始由辮狀河向曲流河轉變，沉積物主要以砂質為主，由于受坡降的影響，該區(qū)帶小湖泊較為發(fā)育，在靠近活動朵體邊緣，邊灘沉積較發(fā)育，砂體呈槽狀。在該相帶最末端河流表現(xiàn)為曲流河，可見底部滯留沉積發(fā)育，表現(xiàn)為低能水環(huán)境（見圖14）。從近端到遠端由粗礫的辮狀河到細粒的曲流河，屬于DFS內(nèi)部沉積體系的遞減，而不是因為發(fā)育辮狀河、曲流河兩個沉積體系產(chǎn)生的粒徑差異（見圖14）。

圖14 疏勒河分支河流體系沉積模式

5 結論

疏勒河分支河流體系近端坡度大于中部坡度，遠端坡度最小。河道沿分支河流體系頂點向下呈放射狀展布，受分汊和下滲影響，河道寬度逐漸減小，泛濫平原面積增大。近端地貌特征表現(xiàn)為以礫質戈壁灘為主，中部可見沙生植被發(fā)育，遠端主要表現(xiàn)為綠洲地帶。疏勒河分支河流體系在河流形態(tài)變化上，近端河流擺脫源區(qū)兩側地形的控制表現(xiàn)為大型辮狀河，中部河流形態(tài)主要表現(xiàn)為高度分汊的分汊狀辮狀河，在中部到遠端的過渡區(qū)域河流形態(tài)由辮狀河向曲流河過渡，遠端河流形態(tài)主要表現(xiàn)為曲流河。疏勒河分支河流體系在沉積特征變化上，近端礫石定向性較好，礫石以中—巨礫為主，次圓狀；中部礫石主要以細—中礫為主，磨圓度和定向性也較好；遠端主要以砂質沉積為主，礫石含量較少，呈圓狀，定向性模糊。疏勒河分支河流體系在沉積模式整體變化上，砂體展布規(guī)律表現(xiàn)為遠端砂體含量最大，近端含量最小。近端和中部主要以辮狀河沉積為主，遠端以曲流河沉積為主，發(fā)育大量的廢棄河道、牛軛湖、以及湖泊和沼澤等相帶。

符號注釋：

a——任意相鄰 3個小扇形半徑定向性的最大值，%；bin——扇狀圖角度間距，（°）；gmax——粒徑最大值，mm；gmin——粒徑最小值，mm；n——樣本數(shù)，個；α——野外剖面坡度，%；αavg——礫石定向性平均坡度，（°）；σ——小扇形半徑偏離程度，無因次。