研究选取了美国地质勘探局(United States Geological Survey, 简称USGS)网站(www.usgs.gov)提供的密西西比河下游段漫滩地区的激光雷达数据(Gaswirth and Marra, 2015), 并参考了Google Earth卫星照片。该激光雷达数据来自于著名的Landsat8人造卫星, 其携带的陆地成像仪(OLI)可以获取亚米级高分辨率的地表图像和遥感数据(Roy et al., 2014)。目前, 部分区域的数据可以通过USGS网站免费下载使用。得益于这些先进技术和高精度资料, 以及全球网络共享平台, 研究人员可以对以往困难的领域开展调查探究。

密西西比河下游段主要为曲流河沉积模式。河谷西部较平缓, 与支流河谷相重叠, 边界不易确定; 东部为1条断裂带, 河流主流方向基本平行于断裂带, 断裂带阻碍了河道向东迁移。河谷盆地平均宽度约为25 km, 主河道宽度约为1~2 km。河谷西侧为广泛发育的泛滥平原, 见大量废弃复合点坝。文中研究对象即为已经废弃的复合点坝。目前, 密西西比河修筑了人工防洪堤, 将洪水限制在河道内, 从而减少了漫滩的淹没, 最大限度保存了之前形成的废弃复合点坝和侧积体的地貌特征(Holbrook et al., 2006)(图 1)。

图 1

Fig.1

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	图 1 密西西比河下游段研究区位置 a— 构造简图, 据Holbrook et al., 2006; b— 卫星图Fig.1 Study area of the lower reaches of Mississippi River

研究截取的曲流段位于路易斯安那州维克斯堡与巴吞鲁日之间。研究区洪泛范围大, 复合点坝数量多、保存好、易于观察测量。该河段废弃点坝规模普遍较大, 且人为固定了现今河道、限制了河道迁移和洪水泛滥, 农业活动又大多沿着侧积体的坝脊进行, 这反而保护了已废弃点坝的地貌特征, 使侧积体在卫星照片上清晰可辨。在研究区选取了10个典型的废弃复合点坝进行测量解剖(图 1-b)。这10个复合点坝均位于主河道西侧, 具有不同的长宽比。

本次研究获取了Landsat8卫星采集的路易斯安那州密西西比河段的高精度数字高程模型(DEM), 获取的地形高度精度达到亚米级。这些高质量数据可以量化漫滩上的废弃河道和点坝特征。同时, 研究河段规模大, 主河道宽度大, 形成了足够广阔的漫滩环境, 资料具有足够的平面分辨率, 可以识别出其重要特征。

侧积体是河流周期性洪泛的产物, 侧积体的增生反映了曲流河横向迁移轨迹。坝脊平行于弯曲河道, 相邻坝脊之间被坝洼分隔。关于侧积体侧积地貌的成因, 首先援引以往学者观点进行介绍, 最后提出笔者的观点并建立成因模型。

Hickin(1974)认为坝脊、坝洼是由于水流量差异所形成。在水流冲刷作用下, 凹岸物质遭受侵蚀。支流将侵蚀物搬运到凸岸的水流低剪应力区, 如果主水流速率低于沉积颗粒的沉积速度, 侵蚀物质沉积, 在凸岸一侧形成坝脊。当水位降低, 坝脊会出露水面, 被植被覆盖, 形成新的河岸。流速较低时, 水流缓慢侵蚀凹岸底部, 凹岸坡度逐渐变陡。随后, 洪泛伴随着的高流速再次侵蚀凹岸, 使河道拓宽。同时, 支流在凸岸靠河道一侧又沉积了新一期坝脊(图 2)。

图 2

Fig.2

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	图 2 密西西比河下游段复合点坝M9侧积体特征(位置见图 1) a— 剖面示意图; b— 鸟瞰图Fig.2 Characteristics of lateral accretionary body of composite point bar M9 in the lower reaches of Mississippi River(location in Fig.1)

上述沉积序列在河漫滩上形成了一系列坝脊与坝洼交互相间的地貌特征, 即为侧积体。这个解释支持了低流量和高流量这种周期季节性洪水变化是形成侧积体的主因, 也解释了曲流河不断曲折的原因。但是, 目前还不能确定1个侧积体(1个坝脊坝洼序列)即为1次洪泛事件所形成, 洪泛事件的期次和季节之间的关系也有待进一步研究。

前人解释侧积体成因时也出现了一些不同观点。McGowan和Gardner(1970)认为, 坝洼的形成才是侧积体地貌形成的主因。随着曲流带的侧向迁移, 周期性高速水流侵蚀了点坝砂体, 形成了条带状的下凹地貌。因此, 形成了凸岸坝脊和坝洼的地貌特征。这一理论与前述成因大相径庭, 它认为侧积体的形成不是沉积作用为主因, 而是侵蚀作用是主因。

针对这一观点, Peakall等(2007)设计了水槽实验, 模拟曲流河演化过程, 分析侧积体成因。实验过程显示, 水流将上游侵蚀的凹岸物质搬运到下游凸岸, 粗粒沉积物在坝头处沉积, 形成坝脊(图 3-A)。由此可见, 点坝侧向增生主要受控于沿岸流的搬运沉积作用。正是由于这一过程, 形成了侧积体坝脊与坝洼的地貌特征(图 3-B)。

图 3

Fig.3

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	图 3 水槽实验演示侧积体形成机理(据Peakall et al., 2007) A— a侧积体, b最晚期形成的侧积体, c最早期形成的侧积体; B— a晚期形成的点坝侧积, b中期形成的点坝侧积体, c早期形成的点坝侧积体Fig.3 Flume experiment to show formation mechanism of lateral accretionary body (from Peakall et al., 2007)

综上, 侧积体形成于河流周期性的洪泛作用, 引发凹岸侵蚀、凸岸加积形成坝脊和坝洼的地貌。但是, 凹岸侵蚀和凸岸加积这2种作用中, 哪一种是侧积地貌形成的主因?Lageweg等(2014)通过水槽模拟解答了这一问题。

该水槽实验输入泥沙比约为1︰4, 通过增加凸岸加积或凹岸侵蚀作用控制曲流河的演化过程。首先, 通过在点坝上游位置添加泥沙加速凸岸加积作用。沉积物随水流沉积在已形成的坝脊上, 并未形成新的坝脊, 也没有造成凹岸的进一步侵蚀。相反, 这反而减小了坝脊和坝洼正负地貌单元的高度差, 使点坝地貌趋于平坦。这一结果表明, 单是洪泛作用引发的凸岸沉积不足以形成新的坝脊, 也不会造成凹岸侵蚀。改变实验变量参数后, 试验侧积地貌是否为凹岸侵蚀作用主导形成。实验通过不断清除凹岸物质达到拓宽河道的目的。实验中, 可以观察到点坝向河道一侧显著地加积增长。凹岸的持续侵蚀致使河道加宽, 进一步使流速不断降低, 位于凸岸区的流速降低得更加明显, 导致沉积物在凸岸沉积。实验中发现, 凹岸的位移决定了下一期河道的可容空间, 当河道宽度接近于上一期河道宽度时, 凸岸沉积作用逐渐停止。实验结果证实了复合点坝侧积地貌主要是凹岸侵蚀结果的产物。只有当河道拓宽后, 才有点坝进一步加积的可容空间(图 4)。

图 4

Fig.4

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	图 4 侧积体形成原理(据Lageweg et al., 2014)Fig.4 Formation of lateral accretionary body (from Lageweg et al., 2014)

综合以上观点, 笔者建立了下图所示的侧积体成因模型(图 5)。这个模型归纳了侧积体坝脊和坝洼地貌形成的关键因素。主要因素为: (1)季节性洪水的周期作用在凸岸形成了坝脊和坝洼地貌; (2)凹岸侵蚀, 导致河道拓宽、流速降低; (3)凸岸加积, 与凹岸侵蚀平衡河道宽度。此外, 水流搬运物质中含沙量高、河流通过沿岸流和支流搬运沉积物、坝脊出露后上覆植被固化砂体等因素也会影响坝脊坝洼地貌。

图 5

Fig.5

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	图 5 复合点坝侧积地貌示意图 a— 平面模式图; b— 剖面模式图; c— 三维图Fig.5 Schematic diagram of lateral accretionary geomorphology of compound point bar

图 5-a和5-b展示了曲流河侧向加积形成复合点坝坝脊和坝洼地貌的过程和特征。当河道侧向迁移时, 凹岸被侵蚀, 沉积物通过支流重新分配到凸岸点坝上。凹岸侵蚀造成的河道宽度增加降低了流速, 从而降低了沿岸流的搬运能力, 沉积物沉积在凸岸坝头上。随后在凸岸形成一个新的侧积体, 即一个坝脊和坝洼序列, 恢复河道初始宽度。在季节性洪水作用下, 凹岸持续侵蚀, 导致这一过程重复发生, 在凸岸形成一系列侧积体序列。图 5-c为坝脊和坝洼地貌的三维示意图。

河道迁移和支流搬运在河道凸岸形成了侧积体, 沉积物供应量的变化是形成侧积体的重要原因。然而, Lageweg等(2014)通过实验指出, 沉积物供应有助于侧积体形成, 但不是主要原因, 侧积体形成的主因是由于凹岸侵蚀作用引发的河道拓宽。

根据以上方法测量计算了密西西比河下游10个复合点坝的空间频率、侧积周期。将10个复合点坝的空间频率、侧积周期和河道宽度整理为表2。

表 2

Table2

表 2(Table2)

表 2 密西西比河下游河段复合点坝样本侧积周期与河道宽度统计 Table2 Statistics of lateral accretionary period and channel width of composite point bars in the lower reaches of Mississippi River 复合点坝编号 空间频率/m-1 侧积周期/m 河道宽度/m M1 0.00471 212.31 504 M2 0.00701 142.65 301 M3 0.00287 348.43 706 M4 0.00648 154.32 310 M5 0.00359 278.55 606 M6 0.01037 96.43 222 M7 0.00900 111.11 340 M8 0.00683 146.41 350 M9 0.00454 220.26 643 M10 0.00198 505.05 914

表 2 密西西比河下游河段复合点坝样本侧积周期与河道宽度统计 Table2 Statistics of lateral accretionary period and channel width of composite point bars in the lower reaches of Mississippi River

从理论上分析, 侧积周期反映的是河道周期迁移的位移量, 它与河道规模应有密切关系。具体来说, 是河道宽度与河道迁移量具有一定的关系, 从而影响着侧积体的发育周期。分析表中数据, 大体可以看出, 侧积周期与河道宽度呈正比例线性关系。因此, 以10个复合点坝的河道宽度x为横坐标, 以对应的侧积周期y为纵坐标, 用线性公式拟合, 得到拟合结果y=0.5421x-43.859, 拟合度R²=0.9089, 拟合度高, 反映了河道宽度与侧积周期之间具有较好的线性定量关系(图 14)。

图 14

Fig.14

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	图 14 密西西比河下游河段侧积周期与河道宽度拟合Fig.14 Fitting diagram of lateral accretionary period and channel width in the lower reaches of Mississippi River

具体分析拟合数据, 其中偏差最大的为复合点坝M9和M10, 下文将细致分析其偏差原因。

复合点坝M9侧积周期为220.26 m, 对应的河道宽度为643 m, 侧积周期大约为河道宽度的30%。说明一般情况下, 河道迁移形成侧积体的最小迁移量为河宽的30%, 如果迁移量小于河宽的30%, 难以形成侧积地貌。这表明, 形成侧积体需要河道迁移最小的阈值距离, 该阈值距离约为河宽的30%。

复合点坝M10侧积周期为505.05 m, 对应的河道宽度为914 m, 侧积周期大约为河道宽度的60%。说明一般情况下, 河道迁移量最大为河宽的60%。由于本次研究的都是规模较大、发育完整的复合点坝, 所以得到的都是成熟点坝的侧积周期, 在此情况下, 侧积周期一般不会大于60%。但是, 根据其他未成熟点坝的研究, 点坝形成初始阶段, 河道往往迁移量较大, 甚至可能超过1个河道宽度, 随着弯曲度变大, 河道迁移逐渐减小, 直至废弃形成成熟稳定的复合点坝。复合点坝形态稳定后, 其侧积周期一般不会大于河宽的60%。

综上分析, 复合点坝的侧积周期与河道宽度存在线性关系。绝大多数已经稳定的复合点坝, 侧积周期的范围为河道宽度的30%~60%, 大体接近于河道宽度的一半(拟合结果y=0.5421x-43.859符合这一结论, 笔者测量了其他典型河流, 均有此规律)。所以, 可以得到侧积周期与河道宽度的定量关系式:

T=0.5W_m+C

式中, T为复合点坝侧积周期(单位:m); W_m为河道宽度(单位:m); C为复合点坝侧积周期常数(单位:m)。

这个结论反映了侧积体与河道规模的定量关系, 同时反映了成因上的认识, 是从侧积体的成因推导出的成果, 具有理论意义。

证据表明, 多种相互作用会影响气候发生周期性变化。这些作用包括: 厄尔尼诺现象(约1年周期)(Fedorov and Philander, 2000; Yeh et al., 2014)、太阳黑子活动周期(约10年周期)(Rind and Overpeck, 1993; Mauas et al., 2008)、海洋表层温度周期变化(Venzke et al., 1999; Barlow et al., 2001)、Bond气候周期(Bond, 1997)、风暴周期(Sorrel et al., 2009)、米兰科维奇旋回(Markonis and Koutsoyiannis, 2013; Wu et al., 2013; Kemp and Wagoner, 2019)等。这些相互作用引发的气候周期循环会反映在河流的地质历史记录中(Labrecque et al., 2011)。根据侧积体的规模和成因, 它的形成与季节性洪泛事件有密切关系。

前文已分析过, 侧积体主要是由于河流水动力强弱交替所形成的产物。河流季节性洪泛事件是水动力变化的主因。一般情况下, 河流每年至少经历1次以上的洪泛事件。统计河流的洪泛次数, 甚至会出现一些较小的洪峰叠加在一起的情况(图 15)。频繁的洪泛事件造成多期砂体叠置, 形成复合砂体。因此, 河流沉积周期(侧积周期)与季节性洪泛周期具有成因联系(Knox, 2008)。

图 15

Fig.15

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	图 15 密西西比河年径流量周期变化(据Knox, 2012, 有修改)Fig.15 Periodic variation of annual runoff of Mississippi River(modified after Knox, 2012)

河流水动力在高流量(高流速、高沉积速率)与低流量(低流速、低沉积速率)之间交替变化。洪泛期初始阶段, 河流流量流速增加(图 16-a, T1阶段)。洪水持续增强, 流速逐渐增快, 达到临界流速V_{沉积物搬运}, 之后流速迅速增加, 此时大量凹岸物质被搬运至凸岸沉积, 形成坝脊坝洼相间的侧积地貌(图 16-a, T2阶段)。当水动力接近洪泛峰值时, 达到第2个流速阈值V_{沉积物侵蚀}, 之后, 高流速剥蚀水位上升阶段沉积的沉积物, 当流速达到峰值时, 持续的冲刷会切割下伏沉积物, 导致砂层凹凸不平, 先前沉积的泥岩层也可能被剥蚀(图 16-a, T3阶段)。峰值之后, 洪泛作用开始逐渐减弱, 流速降低至阈值V_{沉积物侵蚀}以下, 沉积作用恢复, 此时水动力较稳定, 沉积较厚的砂层, 相对高的流速和一定的水深形成了砂床底部较大规模的沉积构造, 如爬升交错层理等(图 16-a, T4阶段)。流速持续下降, 重新降至V_{沉积物搬运}之后, 沉积物搬运停止, 此时以沉积泥岩为主, 细粒泥岩沉积在点坝砂岩表面, 形成侧积层(图 16-a, T5阶段)。以上各阶段周期性循环发生, 河流水动力流速流量的周期性变化产生了复合点坝砂泥互层的沉积特征。

图 16

Fig.16

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	图 16 河流洪泛与沉积作用关系 a— 高流量河流, T1低流量沉积物搬运过程, T2洪泛期沉积物沉积搬运过程, T3河床沉积物侵蚀期, T4洪泛期沉积物沉积搬运过程, T5低流量沉积物搬运过程; b— 低流量河流, T1低流量沉积物搬运过程, T2洪泛期沉积物沉积搬运过程, T3低流量沉积物搬运过程Fig.16 Relationship between river flooding and sedimentation

如果洪泛作用较弱, 河流流速相对较低, 始终低于V_{沉积物侵蚀}, 会引发相对较弱的搬运作用和较短的侧积周期, 产生厚度小且不连续的砂泥互层(图 16-b)。

综上, 沉积/侵蚀作用的开始和停止取决于河流水动力曲线的形状、拐点和洪峰绝对值。峰值决定了水动力能否达到流速阈值(V_{沉积物搬运}、V_{沉积物侵蚀}), 从而决定了能否产生侧积体和侧积体的规模; 拐点一般为水动力流速阈值, 是沉积作用发生或停止的临界时刻; 曲线的形状、斜率决定了沉积和侵蚀作用持续的时长。

气候周期变化控制着河流流量变化, 高流量阶段(洪泛阶段)与低流量阶段河流沉积特征存在很大差异。针对复合点坝, 这些差异表现在点坝及内部侧积体的类型、规模、沉积物粒度和厚度等。高流量阶段(洪泛期), 流速增快至V_{沉积物搬运}以上, 水深相对较大, 呈向下游强单向水流, 支流存在湍流和螺旋流, 引发凹岸坍塌、

凸岸沉积, 沉积搬运作用以螺旋流为主, 沉积速率高, 此时以沉积砂岩为主, 形成侧积体, 如果流速增快至V_{沉积物侵蚀}以上, 较大的洪水会对下伏沉积物产生侵蚀(图 17-a)。低流量阶段, 水流流速下降, 水深较小, 河床规模减小, 流向以单向流为主, 湍流作用弱, 河流近海位置会发生海水潮汐倒灌现象, 深泓线位置的细粒沉积物仍会被搬运沉积, 形成覆盖于砂层之上的泥质侧积层, 由于流速降低、沉积速率和粒度减小, 海水倒灌盐度增加, 点坝表面可观察到潜穴生物遗迹(图 17-b)。

图 17

Fig.17

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	图 17 河流水动力与侧积体形成机理示意图 a— 高流量阶段; b— 低流量阶段Fig.17 Schematic diagram of river hydrodynamics and formation mechanism of lateral accretionary body

对比西西比河下游河段复合点坝侧积体的成因分析表明:

1)凹岸侵蚀作用引发河道拓宽是复合点坝侧积体形成的主因, 只有当河道拓宽后, 才有凸岸点坝进一步加积的可容空间。

2)复合点坝侧积体的几何特征具有周期性变化的规律, 通过测量侧积体高度, 进行傅里叶变换计算得到侧积周期, 侧积周期与河道宽度存在线性定量关系, 符合定量公式: T=0.5W_m+C。

3)高流量阶段(洪泛期), 水深较大, 呈向下游强单向水流, 支流存在湍流和螺旋流, 引发凹岸坍塌、凸岸沉积, 沉积搬运作用以螺旋流为主, 沉积速率高, 此时以沉积砂岩为主, 形成侧积体; 低流量阶段, 水流流速下降, 水深较小, 河床规模减小, 流向以单向流为主, 湍流作用弱, 形成覆盖于砂层之上的泥质侧积层。

（责任编辑 李新坡; 英文审校 刘贺娟）