为模拟自然界干旱条件下冲积扇沉积演化过程, 本实验初始条件设计遵循以下几项基本原则, 具体包括: (1)采用稳定的水流与沉积物供给, 排除构造、气候及物源区母岩性质变化带来的影响; (2)选用较宽粒径范围的沉积物(包含从泥到砾级沉积物), 以模拟粒级广泛的冲积扇沉积; (3)设定水平的沉积底形, 避免沉积地形对冲积扇的影响, 使得冲积扇在可容空间充足的背景下自主演化。本实验排除了构造、气候及物源条件变化带来的影响, 以探索沉积体系外部条件不变的情况下冲积扇自发的演化规律。基于以上原则, 在调研前人针对冲积扇模拟实验参数的基础上(冯文杰等, 2017b; 石若峰等, 2017), 结合多次预实验, 确定了本次物理模拟实验拟采用的最佳实验参数。水槽内壁长10 m, 宽5 m, 高1 m, 主要包括实验台, 沉积物筛选设备, 定速供水、供砂设备, 3D激光扫描仪, 图像摄录设备等(图 1)。实验台为沙质平台, 整个沉积过程被控制在实验台上, 实验台周围设置出水槽, 在实验过程中, 实验台高于槽内水位, 保证整个沉积过程中实验台处于“ 陆上” 环境, 并且为完整再现冲积扇的沉积演化过程, 将实验台坡度调为零。实验水流速率以及沉积物的供给速率恒定(供水速率为: 0.1 L/s, 供沙速率为: 160icm³/min)。实验采用干沙, 粒度分布如图 2, 其中值粒径为350iμ m, 实验用沙通过供水通道混入水中进而沉积。实验所采用的扫描仪为FARO Focus S70i3D激光扫描仪, 扫描精度平面上为1imm, 垂向上低于1imm。

图 1

Fig.1

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	图 1 本文所采用的物理模拟水槽一览Fig.1 A snapshot of flume tanks used in this article

图 2

Fig.2

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	图 2 实验用沙粒度分布Fig.2 Experimental sand particle size distribution diagram

在模拟实验过程中, 采用定时拍摄(间隔时间为60 s)的手段记录冲积扇的演变过程, 并采用3D激光扫描仪进行精细沉积地貌扫描, 定量记录不同期次冲积扇的沉积形态数据。以每15imin为一单位, 共计完成了74组物理模拟实验, 获取了相应的沉积演化数据。通过基准扫描对所获取的数据进行校准, 再对所有的数据进行标准化。

根据实验过程的观测和实验数据的定量分析, 发现干旱条件下冲积扇沉积过程中伴随着扇面的水流动力、水流的分散样式以及沉积物堆积样式等变化, 形成了不同类型动力条件主导的沉积构型单元。包括片流沉积、非限定性水道沉积、限定性水道沉积和水道末端朵体沉积。各类构型单元的发育和演变具有明显的时空差异。

2.1 片流沉积

片流沉积是水流携带的沉积物在物源端开阔地带快速堆积形成的连片状堆积体, 所需水体能量较高(李新坡等, 2007)。在模拟实验的初期, 水体几乎覆盖全部扇面, 片流沉积最为明显, 呈连片状向下冲积。在剖面上, 多期片流叠置、进积特征明显(图 3)。在平面上, 整个扇面同时沉积并且向四周迅速扩大, 片流沉积连片分布且分布较广。

图 3

Fig.3

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	图 3 物理模拟实验中片流沉积的形成发育过程 a、b和c— 延时相机记录下的不同时期片流沉积的形态样式; d、e和f— 3D激光扫描仪获取的不同时期片流沉积的沉积厚度增量Fig.3 Formation and development of sheet flow deposition in physical experiments

通过第3~5期的沉积厚度增量对比(图 3-d, 3-e, 3-f), 分析发现扇体的多数部位发生沉积, 但不同部位沉积厚度增量不同。图 3-d中, 扇体周缘沉积厚度增量最大, 中间部位次之; 图 3-e中, 扇体两侧沉积厚度增量最大, 中间主水道靠近物源端部位次之; 图 3-f中, 扇体中部沉积厚度增量最大, 尤其是扇体前缘以及靠近物源端部位, 两侧极少沉积。整体上可以反映出片流沉积连片沉积的特征。

依据片流沉积的沉积范围, 将所观察到的片流沉积分为整体片流沉积和局部片流沉积两大类(图 4; 图 5)。

整体片流沉积是扇体向边缘均匀扩大形成的形态较为规则的沉积体, 在形成时水体几乎覆盖了整个扇面。之后形成的沉积体表现为明显的垂向叠置沉积, 新叠置的沉积体逐渐覆盖淹没了先期沉积, 形成新一期的片流(图 4)。

图 4

Fig.4

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	图 4 物理模拟实验中整体片流沉积的发育演化过程(第2期)Fig.4 Development and evolution of monolithic sheet flow deposition in physical experiments(phase 2)

与整体片流沉积不同的是, 局部片流沉积形成时水流只覆盖了部分扇面, 且整个沉积过程水流主要沿着一条顺直水道流动, 并且由于主水道的摆动, 在扇体中部至边缘部位不断侧向叠加迁移形成多个沉积朵体(图 5-b, 5-c)。当其中一侧沉积到一定程度时, 水道发生迁移, 继而在扇体另一侧开始沉积, 此时水流依然沿着一条主水道流动, 继续在另一侧扇体进行局部片流沉积(图 5-e, 5-f)。在局部片流沉积形成过程中, 由于水道的不断摆动造成所形成的扇面形态极不规则(图 5-a, 5-d)。

图 5

Fig.5

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	图 5 物理模拟实验中局部片流沉积的发育演化过程 a和d— 3D激光扫描仪获取的不同时期局部片流沉积的沉积厚度增量; b、c、e和f— 延时相机记录下的不同时期局部片流沉积的形态样式Fig.5 Development and evolution of local sheet flow deposition in physical experiments

通过第6期与第7期的沉积厚度增量对比(图 5-a, 5-d), 分析发现在扇体边缘某一突出部位存在较大的沉积厚度增量, 明显大于扇面上其他部位的增量。出现这一现象的原因可能是局部片流沉积时, 水流只沿着一条主水道摆动, 因此局部水动力较强, 水流可以携带沉积物在先期形成的扇体上大面积向外扩散, 形成沉积朵体。

2.2 水道沉积

水道沉积是在片流沉积的背景下, 由于水动力减弱水流所携带的沉积物在片流沉积末端形成的沉积单元(陈娟等, 2018)。根据水流特征, 将水道沉积进一步划分为限定性水道和非限定性水道沉积2种(图 6)。

图 6

Fig.6

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	图 6 物理模拟实验中限定性水道与非限定性水道 a— 3D激光扫描仪获取的限定与非限定性水道的沉积厚度增量; b— 延时相机记录下的限定与非限定性水道的形态样式及分布Fig.6 Confined and unconfined channels in physical experiments

非限定性水道是在扇体顶端至中端部位发育的宽度较大、深度较浅且无明显河岸限制的水道(图 6)。水道延伸距离可以从扇根延伸至扇体中部, 水道主体部位在向前流动的同时其侧缘往往会有溢散性水流, 并且非限定性水道往往是侵蚀性质的, 其沉积过程主要发生在自身迁移摆动过程中。与此截然不同的是, 限定性水道通常是在非限定性水道前端出现的宽度较小、深度较大且受两侧堤岸限制的水道(图 6)。在水道流动过程中其侧缘无明显溢流现象, 且水道不同部位存在明显侵蚀和沉积的阶段性分布(图 6)。观察整个冲积扇的沉积演化过程, 发现非限定性水道的长度变化幅度较大, 说明其在沉积演化过程中发育不稳定, 向前或向后延伸较频繁。而限定性水道长度则随着扇体的不断扩大呈逐渐递增趋势(图 7-a)。

图 7

Fig.7

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	图 7 实验冲积扇发育过程中水道宽度与长度的变化 a— 水道长度变化趋势; b— 水道宽度变化趋势Fig.7 Variations of Channel width and length during the development of the experimental fan

根据第50期的沉积厚度增量(图 7-a), 分析发现水道沉积部位具有明显的下切现象, 且非限定性水道部位的下切现象比限定性水道更为明显。

2.3 朵体

朵体是在冲积扇水道末端形成的由分散状水源控制的朵状沉积体。一般单个朵体呈不规则形态, 多个朵体可以随着水道的迁移摆动形成朵体复合体, 并且在扇面上占据相当的面积(图8)。实验中所观察到的朵体是冲积扇表面水道末端在开阔地形上发散开来, 流速骤减, 沉积物迅速泄载而形成了朵状的沉积体。朵体面积大小不一, 模拟实验中以形态较大的朵体为主, 期间夹杂着个别面积较小的朵体。朵体整体上呈扇形, 局部呈不规则状(图 9)。

图 8

Fig.8

	Figure Option Fig.8 Satellite image of a terminal lobe of a modern alluvial fan(Coordinate: 41° 33'N, 80° 31'E; The image was downloaded from Google Earth)'>ViewDownloadNew Window
Fig.8 Satellite image of a terminal lobe of a modern alluvial fan(Coordinate: 41° 33'N, 80° 31'E; The image was downloaded from Google Earth)'>	图 8 现代冲积扇河流末端朵体卫星图片(坐标为41° 33'N, 80° 31'E; 卫星图来源于Google Earth)Fig.8 Satellite image of a terminal lobe of a modern alluvial fan(Coordinate: 41° 33'N, 80° 31'E; The image was downloaded from Google Earth)

图 9

Fig.9

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	图 9 冲积扇发育过程中水道末端朵体分布特征 a和b— 3D激光扫描仪获取的冲积扇朵体的沉积厚度增量; c和d— 延时相机记录下的冲积扇朵体形态样式及分布Fig.9 Distribution of terminal lobes(located at the front of channel ends)during the development of experimental fan

通过第65期与第69期沉积厚度增量对比(图 9-a, 9-b), 发现不同部位朵体的沉积厚度增量不同, 极个别朵体在扇体边缘大量沉积, 但大多数情况下朵体在水道末端已经开始沉积, 到扇体边缘沉积物逐渐减薄增量变小。图9中还可观察到不同期次朵体的沉积方位有所不同, 如图 9-a中朵体靠右侧沉积, 沉积过程是依次按空间顺序沿着扇体边缘沉积; 而在图 9-b中朵体靠左侧沉积, 沉积过程与图 9-a中不同, 厚度显示出沟道化特征。在冲积扇整个沉积演化过程中, 随着扇体发育, 越到晚期水道化特征越明显, 且形成的朵体越小。

以下实验数据是在模拟实验完成后, 通过沉积厚度增量图分析出发生沉积的部位, 再结合沉积厚度增量图和照片记录下的沉积现象, 来区分不同部位发育的沉积构型, 最后采用定量化软件对这些区域进行数据采集统计。

3.1 片流沉积发育时期及演化特征

片流沉积在整个扇体的发育过程中均有分布, 但随着扇体的扩大, 片流面积呈逐渐递减的趋势(图 10-a)。观察图 10-b发现第1~11期片流沉积面积在整个扇面面积中的占比大幅高于第12~74期, 且第1~11期呈线性关系不断递减, 递减速率大于第12~74期, 具有明显的阶段性(图 10-b)。造成这一变化趋势的原因可能是在冲积扇开始发育阶段, 扇体较小, 水流可以覆盖整个扇面, 因此在模拟实验的早期主要发育片流沉积。但到模拟实验的中晚期, 随着扇体的不断扩大, 流经扇体中下部位的水体流速逐渐减小, 水动力不足以携带沉积物到扇体中下部位, 从而导致片流沉积逐渐减少, 此时水道开始发育。在模拟实验的晚期, 片流沉积趋于稳定, 片流面积只占整个扇面的20%以下(图 10-b)。

图 10

Fig.10

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	图 10 实验冲积扇发育过程中片流沉积体面积、片流区域面积与扇面积比的变化趋势 a— 片流沉积面积演化趋势; b— 片流沉积面积在整个扇面面积中的占比Fig.10 Variations of sheet-flooding area and sheet-flooding area to fan area ratio during the development of experimental fan

3.2 水道沉积发育时期及演化特征

非限定性水道从第4期开始发育, 第4~13期大面积发育, 第13期后呈线性关系缓慢递减, 具有明显的阶段性(图 11-a)。在模拟实验的整个过程中, 非限定性水道面积在整个扇面面积中的占比在20%左右, 说明在整个演化过程中非限定性水道的沉积演化较稳定, 受自身演化规律的影响较小(图 11-b)。整体上, 由于非限定性水道在片流沉积发育后开始出现, 不受到晚期的限定性水道和朵体沉积的影响。

图 11

Fig.11

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	图 11 实验冲积扇发育过程中非限定性水道面积、非限定性水道面积与扇面积比的变化趋势 a— 非限定性水道面积演化趋势; b— 非限定性水道面积在整个扇面面积中的占比Fig.11 Variations of unconfined channel area and unconfined channel area to fan area ratio during the development of experimental fan

图 12

Fig.12

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	图 12 实验冲积扇发育过程中限定性水道面积、限定性水道面积与扇面积比的变化趋势 a— 限定性水道面积演化趋势; b— 限定性水道面积在整个扇面面积中的占比Fig.12 Variations of confined channel area and confined channel area to fan area ratio during the development of experimental fan

限定性水道从第7期开始发育, 第7~21期限定性水道沉积增长缓慢, 沉积面积较小, 第21期后整体呈线性关系大幅增长(图 12)。综观整个沉积演化过程, 限定性水道受控于自身演化规律。并且在冲积扇发育中晚期, 由于扇面地形改变(坡度逐渐变缓), 限定性水道沉积在中晚期波动幅度较大。

图 13

Fig.13

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	图 13 实验冲积扇发育过程中水道末端朵体面积、水道末端朵体面积与扇面积比的变化趋势 a— 朵体面积演化趋势; b— 朵体面积在整个扇面面积中的占比Fig.13 Variations of terminal lobe(located at front of the channel ends)area and terminal lobe area to fan area ratio during the development of experimental fan

通过74组水槽模拟实验, 依据“ 扇体增长趋势和形态样式” 将整个冲积扇的生长发育划分为3个演化阶段。基于图 14-d中冲积扇整体增长趋势线观察发现, 扇体在整个演化过程中的增长速率有明显的减小趋势, 其斜率由第1~10期的0.85减小到第11~41期的0.38再递减到第42~74期的0.09(图 14-d)。这3个时期对应的扇面变化趋势也发生规律性的变化。

图 14

Fig.14

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	图 14 冲积扇演化过程中扇面沉积与侵蚀样式及扇体增长趋势 a— 3D激光扫描仪获取的冲积扇发育初期扇体形态样式; b— 3D激光扫描仪获取的冲积扇发育中期扇体形态样式; c— 3D激光扫描仪获取的冲积扇发育晚期扇体形态样式; d— 冲积扇模拟实验中扇体的74组演化数据Fig.14 Deposition and erosion styles and growth trend during the development of experimental fan

冲积扇发育初期(模拟实验第1~10期): 在这一阶段, 冲积扇呈椭圆形, 水道不发育, 以片状沉积为主(图 14-a)。通过图 14-d中垂直物源方向X剖面和顺物源方向Y剖面观察发现, 这一时期扇体规模在垂直和顺物源方向的剖面上均增速较快, 垂直物源方向剖面增长速率为0.847, 顺物源方向剖面为0.655。此时扇体主要向外扩张, 以进积作用为主。

冲积扇发育中期(模拟实验第11~41期): 在这一阶段, 扇体已经由椭圆形向扇形转化, 以单侧沉积为主, 形状不规则, 可见扇体还未发育稳定、处于活跃生长阶段。这一时期水道开始出现, 以非限定性水道为主, 伴随少量限定性水道; 朵体也逐渐发育。在平面上, 这一时期的冲积扇近端主要为水道, 向远端延伸出朵体(图 14-b)。在剖面上, 这一时期扇体规模在垂直和顺物源方向的剖面上均有增加, 但增幅与模拟实验早期相比有所减小, 垂直物源方向剖面增长速率为0.383, 顺物源方向为0.198。此时扇体一边向外扩张一边沉积, 进积和加积同时作用(图 14-d)。

冲积扇发育晚期(模拟实验第42~74期): 在这一阶段, 扇体逐步扩大并趋于稳定, 扇形较为规则。这一阶段出现大量限定性水道, 朵体变小且发育在扇体中部至边缘部位(图 14-c)。在剖面上, 该时期扇体规模在垂直和顺物源方向的剖面上仍然呈递增趋势, 但增幅与模拟实验中期相比继续减小, 垂直物源方向剖面增长速率为0.081, 顺物源方向剖面为0.108, 并且在该时期垂直物源方向剖面增速由早中期的大于顺物源方向增速转变为小于顺物源方向增速。此时扇体以加积作用为主(图 14-d)。

数十年来, 冲积扇沉积演化过程及其模式研究一直是沉积学研究领域的热点之一。冲积扇沉积机制十分多样, 包括碎屑流主控、河流主控、碎屑流— 河流共同控制等多种机制(吴胜和等, 2016)。干旱环境下河流主控型冲积扇是中国西部地区广泛发育的冲积扇类型, 近年来受到学者们的广泛关注, 以新疆和什托洛盖盆地北缘现代白杨河冲积扇等为例, 基于冲积扇内的冲刷河谷剖面建立了干旱环境下河流主控冲积扇的沉积模式(刘大卫等, 2018; 高崇龙等, 2020), 针对该冲积扇的研究发现冲积扇沉积存在明显的3阶段演化规律, 依次为朵体叠覆阶段、河流叠切阶段及废弃阶段。这一发现在前人研究的基础上向更精细、更动态、更注重沉积演化过程的方向迈进了一大步, 然而, 基于现代沉积实例的研究限于资料的局限性, 无法观测到冲积扇具体的沉积演化过程, 从而无法深入探讨冲积扇的多阶段性演化规律及其控制的沉积构型特征。本研究通过水槽实验再现冲积扇完整的演化过程, 并通过三维激光扫描仪等设备及配套技术构建数字化模拟冲积扇, 定量化分析其沉积演化过程, 明确了冲积扇的演化阶段性, 并建立了一个具有参考价值的数字化模拟冲积扇模型。

从整体来看, 本实验中, 每期沉积物供给量基本保持一致, 表明沉积过程中边界条件控制合理, 达到预期。所模拟的冲积扇在时空上经历了3期发育演化过程。

在空间上, 发育初期: 扇体主要以片流沉积为主, 未出现水道, 不规则向外扩大(图 15-a)。发育中期: 水道开始出现, 主要以非限定性水道为主, 伴随少量限定性水道, 朵体在扇体边缘出现且面积较大(图 15-b)。发育晚期: 限定性水道大量出现, 呈现出明显的水道化, 扇体边缘几乎全部被朵体覆盖, 单个朵体面积较中期有所减小(图15-c)。

图 15

Fig.15

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	图 15 干旱条件下冲积扇演化模式图 a— 冲积扇早期演化模式; b— 冲积扇中期演化模式; c— 冲积扇晚期演化模式; d— 冲积扇垂直物源方向的剖面; e— 冲积扇顺物源方向的剖面Fig.15 Alluvial fan evolution pattern diagram under arid condition

在时间上, 通过观察垂直和顺物源方向的剖面发现, 早期: 为片流朵体复合体, 扇体进积作用较为明显, 每期沉积物几乎可以覆盖整个扇面。中期: 为水道加朵体复合体, 进积作用较早期有所减慢, 扇面扩大速率也相对减慢。晚期: 为水道和小朵体复合体, 扇体以加积作用为主。由于扇面的扩大, 水流不足以携带沉积物到扇体边缘, 出现图15-c中部分期次沉积体只到扇面的中远端的现象。

在垂直物源方向剖面上, 扇体每期沉积方位有所不同, 水道频繁摆动。 整体形状呈透镜状(图 15-d); 在顺物源方向剖面上, 观察到从物源口到扇体边缘沉积物厚度逐渐减薄、 坡度逐渐变缓(图 15-e)。

本实验中, 考虑到水槽实验条件下水流搬运能力有限, 选用中砂来模拟自然界冲积扇的沉积物, 其中, 中粗砂类比自然界砾质沉积物, 而细-粉砂类比自然界砂质沉积物。实验用砂含泥量较少、黏性较低, 因而模拟实验体本质上为一偏砂质扇体, 与自然界中处于干旱气候下、扇面植被发育程度低、沉积物含泥质较少的干旱扇较为相似, 而与湿润气候下发育的植被丰富、沉积物含泥量高的河流扇存在一定的差异。

作者在前人对冲积扇演化阶段性的研究基础上, 进一步分析了冲积扇构型要素在整个冲积扇沉积演化过程中的发育程度变化规律。结果表明:片流沉积发育程度存在陡降— 缓降2个阶段特征(图10), 限定性水道存在2个阶段缓慢增加的总体趋势(图12); 而非限定性水道与水道末端朵体的发育程度存在较大的波动, 且难以识别出规律性的演化(图11, 图13)。这一现象可能与扇面水动力条件演变有关:片流沉积为极强水动力沉积、限定性水道沉积为极弱水动力沉积, 两者都是冲积扇环境下的极端水动力产物, 其发育具有主导扇面沉积的作用, 因而呈现明显的规律性; 而非限定性水道及水道末端朵体则是中等水动力强度下受侵蚀— 充填— 再侵蚀过程控制形成的产物, 其沉积过程与扇面地貌自主平衡有很强关联, 因而两者发育程度未出现明显的规律性变动。以上分析是首次基于动态演化资料开展的沉积构型要素发育规律研究, 然而, 在缺乏多组对照实验的情况下, 这一规律是否确定存在于自然形成的冲积扇中还存在较大的不确定性。在未来的研究工作中, 通过多组对照实验, 利用高精度实验数据开展定量化沉积演化分析, 对于深化冲积扇沉积学研究具有较大的科学价值。

1)将整个干旱条件下的冲积扇演化过程大致分为3个时期, 明确了不同时期扇体的形态、主控沉积作用、扇体增生规律以及不同时期发育的沉积构型。早期以进积作用为主, 沉积体形状呈椭圆形, 为片流朵体复合体; 中期进积和加积作用共存, 扇体形状不规则, 扇面地形起伏程度增加, 沉积主体为水道与朵体构成的复合体; 晚期扇面沉积以加积作用为主, 扇体边缘形状趋于平滑, 扇体呈理想的扇形, 扇面地貌更趋稳定, 沉积主体为水道和小朵体构成的复合体。

2)阐明了3个时期内形成沉积体内部构型单元的发育情况与构型特征: (1)片流沉积主要发育在早期, 到中晚期明显减少, 一般呈连片状, 多期叠置后形成大面积连片的复合沉积体。根据其分布范围的大小将片流沉积分为扇面全区片流和局部片流沉积2类, 其中全区片流形成于沉积早期, 而局部片流则形成于早期至中期。片流沉积面积在整个扇面面积中的占比具有明显的阶段性。(2)非限定性水道沉积在早中期开始发育, 发育位置较稳定, 主要分布在扇体靠近物源端, 水道较宽, 无明显河岸限制。(3)限定性水道主要发育于中晚期, 晚于非限定性水道的形成, 水道较窄, 有明显的短距离下切作用。(4)扇面朵体发育于水道末端开阔区域, 早期朵体面积较大, 随着沉积过程持续逐渐减小, 朵体沉积面积在整个演化过程中大致呈周期性变化。

3)综观整个扇体沉积演化过程, 早期以片流为主, 中期则以非限定性水道及其末端朵体为主, 至晚期演化为限定性水道为主。自下而上形成了3个主控沉积作用不同、沉积构型单元类型及其叠置样式有差异的3层沉积体。此外, 由于冲积扇表面存在明显的顺源水动力减弱和水道发散程度增高的现象, 冲积扇内部近源部位以强水动力沉积为主(包括片流沉积、非限定性水道沉积), 而向远源部位逐渐转变为相对弱水动力沉积(由非限定性水道及其末端朵体沉积转变为限定性水道沉积)。