残积物(英文叫eluvium)有人也叫残积土, 最早是由特劳特少尔德(1870)提出来的, 后来到1888年前苏联院士巴甫洛夫对残积物给出一个初步定义:“ 残积物是基岩受大气营力的作用而残留在原地的基岩风化堆积物” (南京大学地理系地貌教研组, 1961)。在后来的近100多年来, 不同的学者对残积物进行过不同程度的研究, 国外研究残积物较多的是奥勃鲁契夫(1929)、格拉西莫夫(1955)、雅科夫列夫(1958)和尼古拉耶夫(1959)等。国内主要是杨景春(1984, 2001, 2005, 2012), 曹伯勋(1995), 谢宇平(1994)等。但对残积物研究较多的主要是从事土壤、岩土工程、岩土力学、风化壳等方面的学者, 如刘汉元和李远鄂(1984)、王清等(1991)、Jaremski(1994)、张抒(2009)和曾朋(2012)。在沉积学领域研究残积物的较少, 一般是在讨论花岗岩或玄武岩等母岩风化过程及其产物时会涉及到残积物, 尤其是讨论花岗岩残积物的文献最多。纵观前人在这方面的研究成果, 目前对残积物没有一个固定的定义, 大多数人认为残积物是母岩风化后残留下来的碎屑物质。而基岩风化时根据风化阶段不同, 形成的残积物也不一样, 初期认为主要是物理风化形成的机械碎屑, 后来出现化学风化后会先后形成钙质残积物、硅质残积物和铝质残积物, 最后是铁质残积物。在叶连俊和关士聪等老一辈地质学家指导下, 由北京大学杨东伟等组织的15个单位45位沉积学家主编、北京大学出版社1990年出版的《英汉沉积学解释词典》, 对残积物给出的定义为:基岩经物理风化与化学风化作用后残留在原地的风化产物。主要由基岩碎屑及铁铝质、红土质、黏土质沉积物组成。无分选, 层理也不清楚。向下逐渐过渡为基岩。这个定义基本上包含了残积物的全部内容。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 山地较平坦区残积物的类型及其特征Fig.2 Types and characteristics of eluvium at gentle area on mountains

为了简单明了起见, 作者根据前人在这方面的研究成果, 将残积物简单定义为:母岩(基岩)风化产生的物质在原地形成的堆积物。这些物质没有经过明显的位置移动或搬运, 属于原地堆积。残积物既包括粗到砾, 细至砂、粉砂和泥的碎屑, 也包括化学沉淀出来的钙质、硅质、铝质和铁质物, 但大部分残积物是母岩机械破坏形成的碎屑物。如图2-A为新疆天山南麓吐孜玛扎地区安山岩及安山质火山碎屑岩母岩风化后形成的砾石级残积物, 这种砾石沉积物有别于谷地区经过搬运、具有一定定向、分选和磨圆的戈壁滩砾石, 它不具有搬运定向、分选和磨圆特征, 且它保存于山地较高部位, 而不是在谷地内, 明显属于残积成因。如 图2-B为内蒙大青山系蛮汗山花岗岩母岩风化后形成的砂— 泥级残积物, 这些残积物中黏土含量高, 植被发育。残积物的碎屑成分与矿物成分取决于母岩性质及类型, 花岗岩和玄武岩风化后形成的残积物明显不同。残积物一般是分布于山地较平坦(缓)的地区。由于它们没有搬运, 属于原地堆积, 故没有分选、没有磨圆、没有定向且不具成层性, 垂向上由于风化程度的不同, 自下而上粒度由粗变细, 顶部风化程度最高, 故粒度最细, 矿物最稳定, 向下粒度变粗, 矿物的稳定性变差。在地质历史时期保存下来的残积物便形成古风化壳。

山地蚀源区的第2种沉积物为坡积物(英文叫deluvium), 这一术语的出现比残积物略晚, 最早是由巴甫洛夫1888年提出来的, 他对坡积物的原始定义是“ 雨水和雪水将山地高处不同岩石的风化产物带至山麓形成的堆积物。” 从这一定义可以看出, 它与残积物的明显区别是, 位置发生了变化, 从被风化的地方搬运到了山麓地带, 即斜坡坡脚处。搬运的动力可以是雨水或冰雪融水形成的坡面流水(片流)(注意不是沟谷流水), 也可以是风的吹刮, 当然也有沉积物本身的重力。因此, 这种沉积物形成的首要条件是地貌上具有一定坡度, 这个坡度大于相应沉积物的休止角, 由于不同粒径沉积物的休止角不同, 所以这个坡度变化较大, 从几度到30° 不等, 但一般至少大于3° ~4° 。坡积物的发育程度与气候有关, 干旱寒冷的地区, 植被不发育, 很容易形成坡积物。

国外研究坡积物的学者较多, 如20世纪初的拉弗列夫、奥勃鲁契夫、格拉西莫夫、拉列夫金和桑泽尔, 他们对坡积物做了许多研究(南京大学地理系地貌教研组, 1961)。但是对坡积物研究较深入的是20世纪50年代的雅科夫列夫(1958)和尼古拉耶夫(1959)。国内对坡积物研究较多的是北京大学杨景春(1984, 2001, 2005, 2012)、中国地质大学曹伯勋(1995)、王数和东野光亮(2004), 成都理工大学王运生等(2007)。这些学者对坡积物的定义大同小异, 基本上包含坡地地貌、雨水或冰雪融水形成的坡面流水(即片流)2个大的因素, 有学者还把风的因素考虑进去了。作者综合前人的观点将坡积物定义为:坡地区母岩风化后形成的产物在雨滴拍打、风的吹刮或重力作用下, 沿着斜坡滑动或滚动, 被冰雪融水、雨水形成的坡面流水冲刷携带搬运至斜坡坡脚部位形成的堆积物叫坡积物。这些沉积物与残积物相似之处在于粒度从砾到砂再到泥均有, 可能也包含一些化学风化产物。碎屑成分与矿物成分一般也较单一, 大多数与下伏坡地基岩一致。但它与残积物的区别在于:(1)它发生了一定距离搬运, 且堆积在山坡坡脚, 即山麓, 这种山麓既可以是山区内的山麓(图 3-A, 3-B, 3-C), 也可以是山地与平地交界处的山麓(图 3-D)。(2)这些坡积物由于经过了一定距离搬运, 故碎屑有一定的分选、磨圆和定向以及成层性, 在靠近山坡上部粒度较细, 而在山坡坡脚地带粒度较粗, 具有倒石锥的特点(图 3-C); (3)坡积物从坡顶向下滑到坡脚堆积时, 由于坡面的凹凸特点, 在剖面上呈明显的多个顶底均凸出的透镜体交错叠置。坡积物常常围绕坡脚呈扇状, 有时叫坡积扇。这些扇体多围绕山麓呈群分布, 有时也叫坡积裙。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 山地内及山地与平地交界处发育的坡积物及其倒石锥特征Fig.3 Deluvium and talus characteristics at mountain foot in the mountain and mountain-plain junction

山地蚀源区的第3种沉积物是坠积物(colluvium), 这一术语最早由希尔加尔德提出, 他当时的原意是指由于重力影响在斜坡及山麓地带所形成的堆积物(南京大学地理系地貌教研组, 1961)。研究坠积物的学者较多, 除了前面研究坡积物的前苏联学者外, 近年来出现了较多的欧美学者, 如Matthias和Jö rg(2006), Willy(2007), Michal等(2014), Grzegorz等(2011, 2013, 2015), 出现这种现象的原因可能是因为这种沉积物或多或少与地质灾害有关。对这种沉积物的定义大家基本上比较一致:是指在重力作用下以崩落或坠落或崩塌的方式滑动或滚动至坡脚形成的沉积物。所以其叫法也比较多, 国内有的人叫坠积物(谢宇平, 1994; 曹伯勋, 1995), 有的人叫塌积物(曹伯勋, 1995), 还有的人叫崩积物, 但英文名称只有一个(colluvium)。

这种沉积物与残积物的区别也是在于位置发生了变化, 但与坡积物的区别在于这种位置的变化原因主要是沉积物本身的重力, 而不是雨水和冰雪融水形成的坡面流水, 它不需要坡面流水, 也不需要风的吹刮, 所以它的形成需要母岩的风化表面坡度陡(图 3-D右侧, 图4), 通常大于30° (谢宇平, 1994), 有人认为大于45° (王运生等, 2007), 也有人认为大于50° (曹伯勋, 1995)。沉积物坠落的临界条件除了与坡度陡有关外, 还与碎屑颗粒的大小有关, 母岩风化形成的碎屑越粗, 发生坠落的临界坡度越小。由于这类沉积物形成的坡度比坡积物大, 故在平面上其锥形特征明显, 即厚度大面积小。与坡积物相似的是也具有倒石锥特征(粗粒沉积物都分布于远离坡脚处, 细粒沉积物集中于近坡脚处, 且靠斜坡的上部, 这主要是因为细粒沉积物休止角大, 粗粒沉积物休止角小, 滚动较远)。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 山地蚀源区内山麓坠积物Fig.4 Colluviums from piedmont in provenance of mountains

残积物、坡积物和坠积物被较高坡地上的坡面流水带到低洼处相对狭窄的沟谷或河道中汇聚便形成山区(山间或山地)河流与山区河流沉积物, 即山地蚀源区的第4种沉积物:山区河流沉积物(fluvium)。这类沉积物的迁移搬运机制与前面几种明显不同, 主要是受较固定的沟谷或河道的流水作用, 故沉积物中的层理、沉积构造与颗粒定向性都比坡积物和坠积物明显, 尤其是各种层理的大量出现, 从山区的上游至山区的下游, 沉积物可以有较好的分选和磨圆, 但是由于山区内下游其他支流的沉积物加入, 也会导致分选磨圆不明显。因此, 这些沉积物与残积物、坡积物和坠积物相比, 成分较混杂, 因为它们汇聚了许多地区的残积物、坡积物和坠积物, 粒度可以粗至巨砾(图 5-A), 也可以细至砂(图 5-B), 但大多为砾石, 分选磨圆差, 故这类河流的侵蚀能力极强, 是山区河流下蚀的主要动力。专门研究这类沉积物的不多, 因此, 这类沉积物没有专门的英文单词, 国外对河流沉积物的表达都是用fluvium。Allen(1965)最早称这种沉积物为fluvial deposits in mountain stream, 后来Miall(1996)在对河流沉积物进行分类时把它作为5种河流沉积物(山区河流沉积物、冲积扇上辫状河沉积物、冲积平原河流沉积物、冰川前缘冰雪融化形成的河流沉积物和岸边三角洲平原上的河流沉积物)中的一种, 称之为fluvial deposits in mountain-girt valley。国内研究山间河流沉积物最多的是清华大学专门从事河流研究的钱宁等(1987), 他们对山区河流沉积物的特征、沉积物运动状态、河床形态及演变作过深入研究, 他认为山间河流沉积物粗, 以卵石为主, 河床窄, 侧向摆动受到限制, 漫滩不发育, 下切明显, 多发育于地壳抬升地区。

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 山区河流沉积物类型及特征Fig.5 Sediment types and characteristics of streams in mountains

洪积物(pluvium)是巴甫洛夫1903年作为一种独立成因类型的沉积物提出来的, 他认为洪积物是暂时性洪流将山区风化碎屑从山区内带至出山口处的山麓地带形成的三角形堆积物, 他认为这种沉积物在堆积位置(在出山口)与堆积规模上(比前几者都大)都不同于残积物、也不同于坡积物和坠积物, 是一种独立的成因类型。由于这种沉积物在形状上为三角形, 但是又处于陆地上, 故前苏联沉积学家鲁欣(1955)又称之为“ 干三角洲” 。

洪积物这一术语在国内使用较多(张纪易, 1980, 1985; 曹伯勋, 1995; 蔡雄飞等, 2007, 2011; 王运生等, 2007; 纪洪磊, 2010; 田建梅等, 2013; 余宽宏等, 2015), 而且也非常混乱, 很多人在使用上与冲积物、甚至与坡积物、坠积物等同对待。通过对上述学者对洪积物的研究, 大多数人对洪积物这一沉积类型强调2点:一是洪水作用的结果; 二是它堆积于山间河流流出山区时山麓与平原交界的出山口位置。

基于这2点, 作者把洪积物定义为:洪水期山区洪流携带的大量母岩风化产物从山间河流向前搬运至出山口时由于沟谷突然变宽、坡度变缓而沉积下来的沉积物叫洪积物。作者这一定义强调以下几点:(1)洪水期洪流成因, 洪水后基本上没有沉积物形成(这就有别于平水期的冲积物, 详见后面对冲积物的定义); (2)洪流形成的山间河流搬运堆积结果(这就与残积物、坡积物、坠积物区别开了); (3)它堆积于出山口而不是在山区内(这就与山间河流沉积物区别开了)。这一定义将消除与其他几种沉积类型含混不清的现象。

由于它是在洪水期汇聚了山地蚀源区所有的残积物、坡积物、坠积物以及山间河流沉积物, 因此, 在颜色上偏红、褐、紫; 在成分上较前几者杂, 组分多, 在结构上分选差, 大小混杂, 磨圆也较差; 构造上层理不明显, 呈块状; 沉积体规模大。又由于它是洪水成因, 所有这类沉积物多为泥石流成因。这些沉积物在平面上从出山口向冲积平原方向展开呈扇状, 故称为洪积扇。有时扇的面积小, 而厚度大, 平面上呈锥状, 又叫洪积锥。它们多发育于气候干旱地区, 即干旱地区洪积物发育(图 6)。

图6

Fig.6

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图6 山区河流出山口的洪积物与冲积物特征对比Fig.6 Contrast of pluvium and alluvium at mountains stream mouth

冲积物(alluvium)这一术语使用的人最多, 研究的学者也很多, 从事沉积学、地貌学、第四纪地质学的学者都会涉及这一术语, 但在使用上非常乱, 最多的情况是把冲积物与洪积物等同对待, 尤其是对冲积扇与洪积扇这2种沉积体(冯增昭, 1982; 张纪易, 1993; 赵澄林和朱筱敏, 2001; 于兴河, 2002, 2008; 王勇等, 2007; 朱筱敏, 2008; 鲍志东和郑秀娟, 2013), 有人把坡积物、坠积物描述为冲积物, 还有人讨论冲积平原上的河流沉积物也用到冲积物这一概念。

然而, 到底什么是冲积物?冲积物与洪积物、坡积物、河流沉积物到底是什么关系?是相同还是不同?

通过查阅国内外近几十年以来关于对陆源碎屑沉积环境与相、尤其是冲积扇与河流沉积的大量重要文献和著作发现, 冲积物的英文叫“ alluvium” 。Allen(1965)在Sedimentology上发表了一篇长达103页的关于现代冲积物综述的文章, 他把冲积物定义为“ 山间河流携带的母岩风化产物冲出山口时在出山口和冲积平原以及沿岸平原上(包括三角洲平原部分)形成的沉积物” , 并把冲积物分为形成冲积扇的沉积物、冲积平原上的河流沉积物、沿岸冲积平原沉积物以及三角洲平原上的沉积物4种类型, 他的这一定义和分类与Miall(1978, 1996)对河流沉积物的定义基本上是一致的, 只是没有包括山间河流沉积物。换句话说, 冲积物属于河流沉积物, 是除了山间河流沉积物之外的其他河流沉积物都可以叫冲积物; Walker(1979)在其《沉积相模式》一书中把冲积扇沉积物、辫状河与曲流河沉积物都归为粗粒冲积物, 但没有提及是否包括三角洲平原上的冲积物; 赖内克(1979)的《陆源碎屑沉积环境》一书也是将冲积扇作为河流环境中沉积的一种类型来描述的; Reading(1982)的《沉积环境与相》一书在讨论冲积物一章时也是将冲积扇沉积物、砾质辫状河沉积物、砂质低弯度曲流河与现代高弯度蛇曲河沉积物、河间沉积物都归为冲积物, 也没有涉及三角洲平原沉积物; Cant 和Walker(1978)给冲积物下的定义基本上与Allen(1965)的一致。国内吴崇筠和薛叔浩(1992)认为在潮湿气候条件下山间河流在出山口形成的沉积物叫冲积物, 而在干旱气候条件下形成的叫洪积物; 刘宝珺(1980)认为“ 冲积扇是河流沉积的一种特殊相组合类型” , 言下之意, 形成冲积扇的沉积物就是河流沉积物, 它是河流沉积物中的一种特殊类型。

综合国内外众多学者对冲积物的研究成果认为, 冲积物至少包含以下几个含义:(1)冲积物是河流搬运沉积下来的沉积物, 这种河流是常年性河流或至少是季节性河流, 而不是暂时性的洪流, 即冲积物是河流沉积物而不是洪水沉积物(这样就与洪积物区别开了); (2)这种河流是具有相对固定河道或河谷或沟谷的径流, 而不是片流, 这就与坡积物、坠积物区别开了; (3)冲积物发育的位置是在山前山麓地带、冲积平原、沿岸平原、三角洲平原, 而不是在山区内, 这就与山间河流沉积物区别开了; (4)冲积物实际上就是除了山间河流沉积物之外的所有河流沉积物; (5)冲积物不是冲积扇, 其内涵大于冲积扇; 冲积扇是冲积物的一个地貌特征, 它是冲积物在出山口形成的扇状沉积体, 它是冲积物形态的一种特殊表现形式。冲积物在冲积平原上形成的带状沉积体为河流沉积。冲积物在冲积平原上的面状沉积体叫冲积平原或泛滥平原沉积; 冲积物在河流入湖口或入海口形成的三角形沉积体叫三角洲沉积。

因此, 作者将蚀源区的冲积物定义为:平水期山区河流携带的大量母岩风化产物, 从山间河流向前搬运至出山口时, 由于沟谷突然变宽、坡度变缓而沉积下来的沉积物, 叫冲积物。这样一来使用“ 平水期” 这个限定词就与洪积物区分开来; 使用山间河流的水流搬运机制就与坡积物的片流、坠积物的重力搬运机制区别开了; 沉积位置限于出山口就与山间河流沉积物及冲积平原上的河流沉积物、乃至河口处的三角洲平原沉积物区别开了。

由于冲积物是平水期流水携带沉积物在出山口堆积起来的, 故流水的搬运沉积特征清楚, 即层理、分选、磨圆比洪积物明显; 冲积物的下部往往是早期的洪积物, 向上过渡为平水期的冲积物。在地层剖面上, 出山口位置的最底部也可能存在一些残积物和坡积物、坠积物, 然后是后来的洪积物及冲积物, 洪积物与冲积物往往是交替出现的, 洪积物较粗较杂厚度大, 沉积时间短, 而上部的沉积物是洪水期后平水期的山间河流沉积物, 它一般都较细较纯, 厚度一般较小, 从而构成正韵律。由于冲积物是平水期形成的, 要保持平水期存在河流, 就需要气候湿润, 所以冲积物多发育于半潮湿— 潮湿气候地区。由于平水期常年不断的水流存在, 因此, 在冲积物上面水道较发育, 河道特征明显(而洪积物多为阵发性泥石流成因, 以片流为主, 河道特征不明显); 冲积物上植被也多, 常常含大量的植物碎屑, 沉积物颜色偏灰( 图6-B)。

现代的洪积物与冲积物根据洪水期后是否有流水和沉积物带出而比较好区别, 但地质历史时期形成的洪积物与冲积物是难以区别的, 这可能也是造成许多学者将冲积扇与洪积扇等同对待的原因。

蚀源区除了上述几种沉积物外, 还存在一些其他类型沉积物, 比如滑坡(landslidium)、滑塌(slumpium)、泥石流(debrisium)等沉积物, 这几种都是属于重力流沉积物。它们与前面几种沉积物的最大区别在于以下几点:(1)这几种沉积物的搬运机制是重力驱动, 而不是流水牵引驱动, 前几种沉积物中只有坠积物属于重力驱动, 但从下面的第2个特点可以把它与坠积物区分; (2)这几种沉积物是一种突发性的或事件性的沉积, 即在非常短暂的时间突然快速发生这种沉积, 且厚度大, 而不像前几者是许多碎屑呈零星缓慢逐渐沉积堆积; (3)这些沉积物在搬运时, 总是沿一定的滑动面呈整体状态突然搬运堆积, 而不像前几种沉积物没有一个固定的滑动面。对这几种沉积物研究较多的主要是从事地质灾害的人员。

滑坡物与滑塌物, 主要是一些为弱固结的松散碎屑在雨水及冰雪融水的浸泡下, 由于重力作用整体沿着一定的平面或曲面滑向山麓地带, 滑动和滑塌过程中沉积物都是呈整体运动搬运, 内部沉积物相对位置变化小, 仅存在弱的揉皱变形, 沉积物内水含量低。滑动过程的滑动面坡度较小, 与坡积物接近, 可理解为坡积物饱和水后从高部位向低部位整体移动的过程, 国外称之为Landslidium。而滑塌的面较陡, 与坠积物接近, 主要受重力作用, 可理解为松散饱含水沉积物的坍塌过程, 国外称之为Slumpium。但实际工作中滑动与滑塌难以区分。

泥石流沉积物为残积物、或坡积物、或坠积物、或滑坡物、或滑塌物、或山间河流沉积物其中之一或几者, 与水混合后, 在重力作用下形成的块体流, 沉积物基本上也是呈块体搬运, 但内部含水量较滑动和滑塌多, 揉皱变形程度也比滑坡滑塌高, 它在搬运过程中既可以有一定的沟道, 也可以没有, 其沉积的部位既可以为山间河流, 也可以在山间河流出山口, 还可以是山麓地带。