[科普中国]-辫状河沉积

简介

辫状河流通常是指弯曲度小于1.5的低弯度河流。这类河流的特点是在整个河流的宽度范围(或河谷)内发育有许多被沙坝分开的河道，河道宽而浅，时分时合，频繁迁移，游荡不定，也称作游荡性河道。如前所述，辫状河流多发生在坡度较大的地带。河道坡降大，流速急，对河岸侵蚀快，一般不发育边滩和河漫滩，而发育心滩（河道砂体及砾石坝）。

辫状河流多出现在潮湿或较潮湿的季节性变化明显的气候带，或冰水平原。河流的径流量随季节更替而变化，流量不稳定。在春夏季节降雨或融雪水供给充足，流量增大，常发生洪泛，可以将河道沙坝淹没；而在旱季，流量减小，河道沙坝露出水面，河水被局限在河道沙坝之间的狭窄河道中流动。洪水期和枯水期的每次交替，都将改变河道沙坝与河道相互间的形态和布局。所以，河道与河道沙坝的频繁迁移是辫状河流的最重要特点。

辫状河流的负载大，也有学者将其被称作“超负载（over—loaded）”型河流。根据河道沙坝的沉积物组成及粒度粗细，可将辫状河流区分为两种类型：

①砾质辫状河流；

②砂质沉积为主的砂质辫状河流。

它们无论在沉积特征还是垂向沉积序列上，都存在着较大的差异。1

辫状河的环境类型由于辫状河的河床宽浅，多个河道反复分叉、反复汇合，河道既容易被废弃，也容易再复活，其地貌单元频繁地被改造所致。从宏观上，可以将辫状河的环境类型粗略地分为河道和河漫滩两大部分，然后可再根据河道和河漫滩内的更次一级地貌单元进行详细划分。

心滩是辫状河河道中的标志性地貌单元。狭义的心滩是指在正常情况下（平水季节）露出水面的河心洲（滩、岛）；广义的心滩则是泛指辫状河河道内的所有一定规模的正向地貌单元，即包括河心洲在内的各类砂坝：纵向砂坝（Longitudinal bar）、横向砂坝（Transverse bar）、斜列砂坝（Diagonal bar）。

一般来讲，河道沙坝主要由粗粒物质组成。但是，有时在河流的中下游，由于河流中负载含量高，沉积物虽细，但亦可表现为辫状河流性质，如印度的布拉马普特拉河及我国黄河中下游河段即属此例。这时，其沉积特征也就不易与曲流沙坝相区别；因此，有学者将这种河流定义为“混合效应”的河流（Walker和Cant，1984），主要是指垂向加积与侧向加积的共同作用。

辫状河沉积中，堤岸和决口扇一般不发育。由于辫状河具有的强烈侵蚀性和快速迁移性，使堤岸沉积和决口扇沉积很难保存下来。多数情况下，辫状河一旦发生决口，河道便直接改道。因此，辫状河的决口意味着新河道的形成和旧河道的废弃，一般不会留下决口扇沉积。辫状河中有时也发育边滩，但与曲流河相比，规模及发育程度均小得多，并且常受到较强烈的改造。这里重点讨论辫状河各类砂坝的形成与特点。

河道沙坝通常有两种分类，一是依据沉积作用或者说是沙坝是否有迁移来进行分类；二是依据形态和沙坝与河岸的关系来分类。

1、活动性河道沙坝和非活动性河道沙坝

河道沙坝可以因沉积作用、侵蚀作用、或者由于侵蚀－沉积的复合作用而形成。它们大多数为透镜状或板状砂体。并且随着水流条件及河道几何形态的变化而形成各种不同的地貌形态。

（1）活动性河道沙坝

活动性河道沙坝上的沉积作用，主要受沙坝的形成、河床底形的迁移，受洪水期和泄水期的加积作用所控制。沙坝的上游较陡，下游相对较缓，上游遭受侵蚀和冲刷作用，下游发生沉积作用，致使河道沙坝通常向下游逐渐迁移，在靠近其上游的部分由粗粒物质组成，而下游部分变为细粒物质，这一完整过程就是辫状河道中的垂向加积作用。

另外，河道沙坝有时也发生侧向迁移，在沙坝中局部较陡的凹岸遭受侵蚀，而在局部平缓的凸岸按受沉积。因此，对于河道沙坝或心滩来讲，同时存在侧向和垂向的侵蚀和加积作用。并在沙坝的下游方向和凸岸产生前积纹层。在低水位时期、漫洪时期以及河道废弃以后，都可发生细粒悬浮物的加积作用，但远不如曲流河发育。

（2）非活动性沙坝

非活动性沙坝在河道中的位置较固定，它们大多成为有植被生长的河间冲积岛屿。其表面常发育泛滥平原的细粒沉积，或被沙坝遭受侵蚀以后遗留下的残余物所覆盖。从而使其加积生长，地势较高，并有植物生长发育。2

2、河道沙坝的形态分类

Smith（1974）根据河道沙坝的地貌形态、大小以及它们与水流的方向和河岸之间的关系提出了四种主要沙坝类型：纵向沙坝、横向沙坝、斜列侧向沙坝及曲流沙坝。其中在辫状河道中曲流沙坝较为少见。

（1）纵向沙坝

纵向砂坝是与水流方向平行的长形沙体，其分布方向与河道的延伸方向基本一致，它是在浅水地区由平行于沙坝的单向水流形成的，常见于砾石质辫状河流的端部。其沉积物通常由粗粒的砂砾物质组成。砂坝的上端遭受侵蚀，下端接受沉积。纵向沙坝呈菱形或斜方形。它是多次形成的薄的菱方形砾石席状体。在砂坝内部主要由砾石和砂的板状交错层理所组成，如果其沉积物主要为砾石则形成不明显的水平层理和高角度板状交错层理。多呈块状，常具向上变细的粒序，但韵律性不是太明显。

（2）横向沙坝

它的长轴与河道轴向垂直，横向砂坝的前缘有舌状、直线状和弯曲状几种形式，故有人称舌状砂坝。 一般认为横向沙坝前缘延伸方向与水流的流向近于垂直，它们常常形成于河道变宽或深度突然增加而引起的流线发散地区。大多呈孤立状产出，有时也可呈雁行状展布。在横向砂坝的形成过程中，首先由砂、砾沉积物加积到平衡状态，然后通过滑动面的顺流延伸而生长，并产生高角度下截型板状交错层理。

（3）斜列（向）沙坝

斜向沙坝一般具有长的轴，而且其延伸方向与主水流流向斜交。它们大多是由于主河道弯曲而且水流流量不对称时产生的。沙坝的横断面大致呈三角形，并具有由滑动面或浅滩组成的下游沉积边缘。不同时期形成的坝之间的低洼区常有薄层砂质披盖层沉积。与纵向沙坝相似，当滑动面崩落或浅滩迁移时，可形成板状交错层理，在沉积物较粗时，具有叠瓦状组构，则可产生不明显的水平层理和低角度板状交错层理。2

辫状河流的沉积特征①以砾石和砂质沉积为主，局部夹粉砂和粘土，在垂向剖面上常形成“砂包泥”的宏观沉积特征，心滩和河道砂坝的形态上主要呈透镜状和板状，底部冲刷面清楚。

②多为近源河段，因此，岩石成分复杂，矿物成熟度较低，粒度变化范围宽、分选较差，典型的辫状河的粒度分布特征在概率图上有三个总体存在。其中，牵引总体和悬浮总体较发育，而多数情况下缺乏和很少跳跃总体，因此粒度分布为双众数。两截点（粗截点和细截点）S、T均为突变。

③层理类型多样，代表性层理是大型槽状层理，底界面常常为明显的冲刷面，也可有大型楔状交错层理或大型单组板状交错层理，有时可出现逆行沙波层理。

④心滩沉积的一个最大特点，并且与边滩不一样的就是其上堤岸沉积。这是由其河床具有游荡性的特点决定的。河道不固定，堤岸沉积无法保存。2

辫状河的垂向沉积序列辫状河的沉积序列通常比较复杂，可说最经典的是加拿大魁北克省加斯佩半岛泥盆纪的辫状河，自下而上为由粗变细的正韵律结构，反映了水动力能量逐渐减弱的沉积过程。

①河道滞留沉积的砾石及大型或巨型槽状交错层理，其岩性为砾－细砾岩，砂砾岩至中粗砂岩，层序底部与下伏沉积之间具有明显的冲刷面；

②大槽状交错层或单组大型板状交错层理中砂；

③平行层理砂或小型板状、槽状交错层理及爬升波痕纹理细砂；

④水平层理的细砂和泥质沉积，在泥层中可以有干旱构造。

概括起来辫状河流层序的特点可以有四点：

①粒级较粗，砂砾岩发育；

②层序下部发育由河道砂坝迁移面而形成的各种层理类型，如块状或不明显水平层理，单组大型板状交错层理；

③槽状交错层理发育，而且规模较大；

④泛滥平原细粒沉积物较薄或不发育。2

辫状河沉积模式自从Walker and Cant（1976）发表了加拿大魁北克省泥盆纪的辫状河沉积层序后，曾一度被广泛当作所有辫状河的标准沉积层序。随后他们对砂质辫状河的垂向沉积序列又做了进一步的总结，提出了三种基本的沉积序列，即以滩坝、混合作用及河道为主的三类。尽管如此，与曲流河相比，辫状河的变化十分复杂。1985年Miall就此指出辫状河的“每一条河流都不一样”。简单地用一种模式，无法概括类型多样的辫状河沉积特征。故他利用岩相、岩相组合及构形单元的概念，并考虑到了辫状河发育的地质地理背景和气候特征，总结出了6种辫状河沉积模式。在Miall的辫状河模式中，沃克和坎特建立的辫状河沉积层序和模式仅是其中之一。

1、特罗海姆型（Trollheim type）

在陡坡、大量补给沉积物和偶而发生暴洪的正常条件下，沉积物可能以泥石流为主。这些是干旱或半干早地区冲积扇最典型的条件，加利福尼亚的特罗海姆扇可作为一个典型例子。特罗海姆型相组合的特征包括如下几点（Hooke，1967；Rust，1978b；Miall，1978a；）：

①层序以叠覆的泥石流沉积（岩相Gms）为主，单个泥石流层厚达3m；

②泥石流层通常具有平坦的（非河道的）、一般是陡的底面和叶状几何形态；

③Gm岩相的互层单元，通常为细粒岩层，可能充填明显的冲蚀坑，这反映了一个事实：河水径流所要求的坡降要比泥石流低，在原始的向上变细旋回中，也可能存在河水径流的片汜沉积；

④可能存在斯科特模式中的St、Sp、Fl和Fm岩相为次要单元；在相邻的冲积扇上，泥石流沉积的大小变化可能反映沉积物供给量的差异。

2、斯科特型（Scott type）

发育在缺乏泥石流的冲积扇上以及在其它近源砾石质河流内，沉积物以Gm岩相为主，形成叠覆的纵向沙坝沉积。这些沉积代表了洪泛过程。次要的岩相包括Gp、Gt、Sp、St和Sr，是在退洪（间洪）期内沉积的产物。它们可能形成厚度达1m左右向上变细的小型旋回。砂层沉积在废河道内，或者当水位下降、砾石坝出露时，从砾石坝向外前积成微型三角形楔状体。此岩相组合是根据阿拉斯加州的斯科特冰水河命名的（Boothroyd和Ashley，1975）。

3、唐杰克型（Donjek type）

此类岩相组合主要发育在以下条件与背景之中：

①具有界线分明的流水河道和一部分因地形抬升而完全不流水的河段，水系左右的地形高差约为3～7m；

②推移质由大量砂、砾组成。

这类河流具有向上变细的旋回，最早是由Williams和Rust（1969）在加拿大的唐杰克河做了清楚地记录，后来即以该河命名此岩相组合。最粗的沉积物产于较深河道内，可能包括了Gm（纵向沙坝）、Gp（横向沙坝）和Gt（叶状沙坝）等岩相。深河道之上的部分不流水的地带在洪水期接受砂砾沉积，河系的最高部分可能被密集的植被所覆盖，可从渗入的洪水中拦住一些微细沉积物。

斯科特型、唐杰克型和南萨斯喀彻温型岩相组合可能按近源—远源渐变关系存在于同一冲积体系内。有人建议以砾石含量（累积厚度占剖面总厚度的百分比）来区别这三种类型：斯科特型大于90%；唐杰克型为10%～90%；南萨斯喀彻温型小于10%。

4、南萨斯喀彻温型（S.Saskatchewan type）

它一个典型的砂质辫状河，也是最早以“混合效应或作用”为代表所提出的河流；在砂质辫状河内，由于河道和沙坝的联合发展，可能发育向上变细的旋回（Cant和Walker，1976，1978），此岩相组合以该河命名。

河道底部发育有滞留砾岩（岩相Gm），其上，砂作为粗粒推移质搬运。较深（3m或更深）的河道内的底形往往是弯脊沙丘，从而构成岩相St。在浅水河段普遍存在沙浪（岩相Sp）。各种类型的前积沙坝都向下游迁移。在南萨斯喀彻温河（但未必在所有的砂质辫状河）中，由于许多小沙坝围绕着一个核聚合而发育成大沙坪（Sandy Flat）。由于和河道走向呈大角度的直脊沙坝（横向沙坝）的发育，这些大沙坪会向上游加积，也可能向下游生长。在洪水淹没期，沙坝顶上可能形成岩相Sr和Sh，在不流水地区也可能有细粒泛滥平原沉积。

这种组合类似曲流河的某些曲流沙坝序列。通过仔细的古水流研究可以在垂向剖面中辨别出来，它们和河流的曲流沙坝明显不同。

5、普拉特型（Platte type）

这是南萨斯喀彻温型的变种，可能存在于特别宽而浅、而且在流水和不流水地段之间没有明显地形差别的河流中（Smith，1970，1972）。沉积物主要由舌状沙坝或横向前积沙坝或者沙浪所组成，结果形成岩相Sp的叠覆层系。岩相St少见，反映深河道很少。和南萨斯喀彻温一样，坝顶有砂和粉砂组成（岩相Sr、Sh、F1、Fm）。

6、比约溪型（Bijou creek type）

在高流态条件下，沙子形成平坦河床，在平坦的层面上可能发育有水流线理（岩相Sh）。这种特高流态在常年河流中很罕见，但在偶发暴洪的季节性河流中则常见。水流既可以形成河道，也可以呈片流沉积。例子包括了科罗拉多州的比约溪（Mckee等，1967），并以此而命名。

季节性河流的相模式曾由Miall（1977，1979）、Rust（1978b）和Tunbridge（1981）讨论过。他们都强调岩相Sh在沉积组合中的重要性。退洪期可能形成岩相Sp、Sr、F1和Fm，从而产生向上变细的薄层旋回。一次洪水可能沉积厚1.5m以上的沉积物。具有侵蚀面（岩相Se）和充填冲蚀坑。2