现代白杨河冲积扇位于新疆西北部与准噶尔盆地西北缘毗邻的和什托洛盖盆地内(图1), 是典型的山前沉积体系。和什托洛盖盆地是发育在逆冲褶皱带上盘的长带状山间盆地, 呈北北东— 南西西向展布, 东西长达230 km, 南北长达14~46 km。其北邻阿尔加提山和谢米斯台山, 南邻扎依尔山、哈拉阿拉特山。北部受控于谢米斯台断裂带, 南部受控于达尔布特断裂带, 这2条控盆断裂在盆地形成和演化过程中起着重要作用。和什托洛盖盆地自北向南发育北部断褶带、中部坳陷带和南部斜坡带3个构造单元。其中中部坳陷带可进一步划分出白杨河凹陷、风台凸起及和布克河凹陷3个次级构造单元(孙自明, 2015; Gao et al., 2020)。白杨河冲积扇就发育在白杨河凹陷中。

图1

Fig.1

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	图1 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇位置图(据渠洪杰等, 2008; Gao et al., 2020; 修改)Fig.1 Location map of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin (modified from Qu et al., 2008; Gao et al., 2020)

白杨河冲积扇上游流域盆地面积为2008 km², 平均底形坡度为2.1° , 流域盆地为白杨河冲积扇提供了扇体建造需要的水及沉积物, 从出山口流入下切谷到达扇面。同时, 流域盆地为干旱环境, 植被不发育。白杨河冲积扇的物源主要是流域盆地内的脆性岩浆岩及沉积岩, 母岩粒度较粗, 缺乏细粒物质的供给。另外, 流域盆地内可见雪山, 周期性冰雪融水和降水补给有利于白杨河冲积扇发育(渠洪杰等, 2008; 杜国云等, 2013; 艾可可和季军良, 2015), 白杨河冲积扇就处于现今的白杨河流域。

白杨河冲积扇的测年数据显示, 距今5.6 Ma冲积扇开始发育, 在5.3~4.8 Ma阶段, 沉积速率为25.4 m/Ma, 处在第1次造扇期; 在4.8~3.6 Ma阶段, 扇体沉积速率降低为11.58 m/Ma, 该阶段砂岩风成特征明显; 在3.6~2.6 Ma阶段, 沉积速率增大到39.1 m/Ma, 处于第2次造扇期; 在1.1 Ma以后, 沉积速率增大到149.1 m/Ma, 处于第3次显著造扇期(牛改红等, 2021; Niu et al., 2021)。

白杨河冲积扇处于新疆中部, 属于寒温带大陆性干旱— 极干旱气候, 平均降水量2.45 m/a, 平均蒸发量35 m/a, 由于降水量不足, 扇体上的植被主要是一些沙漠灌木丛。白杨河属于季节性河流, 洪水期和间洪期流量差别很大(图2; 表1)(林瑞芬等, 1996; 冉玲等, 2010; 牛改红等, 2021; Niu et al., 2021)。年内5月份至8月份是白杨河流域降水最多的月份, 以季节融雪和降水补给为主。年间形成全年枯水、平水、洪水的交替规律, 其中枯水期以地下水补给为主。

图2

Fig.2

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	图2 新疆监利县730水文站月平均降水量和径流量(据冉玲等, 2010, 修改)Fig.2 Variations in monthly mean precipitation and runoff in 730 Hydrological Station of Jianli County, Xinjiang(modified from Ran et al., 2010)

表1

Table1

表1(Table1)

表1 新疆监利县730水文站白杨河各季平均水量记录(据冉玲等, 2010, 修改) Table1 Seasonal runoffs of Baiyang River recorded in 730 Hydrological Station of Jianli County, Xinjiang(modified from Ran et al., 2010) 年水量/108 m3 各季度水量占年水量百分比/% 最小水量月份 最大水量月份 水量最大连续月份及占比 春季 夏季 秋季 冬季 月份 水量占比/% 2.45 55.9 28.5 9.9 5.9 2 5 4— 7 77.6

表1 新疆监利县730水文站白杨河各季平均水量记录(据冉玲等, 2010, 修改) Table1 Seasonal runoffs of Baiyang River recorded in 730 Hydrological Station of Jianli County, Xinjiang(modified from Ran et al., 2010)

由于暴雨、融雪和两者的混合, 白杨河冲积扇经常发生事件性的高强度偶发洪水(图3), 一些洪水事件持续几个小时或者几十小时, 可携带大量扇体建造所需的沉积物。在洪水突发过程中, 流速变化很大, 在短期内引起扇体表面的地貌发生突然变化, 通常是几天或更短的时间(李晓红, 2008; 冉玲等, 2010)。阵发性洪水往往具有高流量和高含沙量的特点; 洪水期形成片、席状沉积。在间洪期, 洪水强度减小, 流量和携带沉积物量降低, 导致扇面上的河道化沉积物形成。

图3

Fig.3

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	图3 新疆监利县730水文站记录的3次单次洪水的水文曲线(据冉玲等, 2010, 修改)Fig.3 Hydrographs of three single flood events recorded at 730 Hydrological Station of Jianli County, Xinjiang(modified from Ran et al., 2010)

现代白杨河冲积扇位于白杨河凹陷东部(图1), 白杨河凹陷发育巨厚的侏罗系, 白垩系发育也较完整, 白垩系之上沉积了古近系和第四系。地层学和地磁学的证据表明白杨河冲积扇年龄为早更新世至全新世(< 2.58 Ma)(杜国云等, 2013; 艾可可和季军良, 2015)。

白杨河冲积扇面积约730 km², 宽度为37 km, 长度为31 km, 坡度平缓(0.9° ~0.3° )。白杨河冲积扇扇体形态具有一定的对称性, 扇面的开口角度约为140° , 但被现今白杨河分割为东、西2部分(图4, 图5)。在构造高程图上中可见, 扇根处海拔高程为900 m, 扇缘海拔为490 m, 平缓处坡度为0.7° (图4)。白杨河冲积扇上发育U型下切谷, 其在扇根处可达28~40 m深、9.5 km宽, 随着向扇缘处延伸, 下切谷深度减小, 宽度加宽, 在扇缘处逐渐消失(图4, 图5)。由于白杨河的下切作用, 在扇体上还可识别出3期的河流阶地, 河流阶地特征在扇根处较明显, 在扇缘处阶地特征消失。扇体发育的主要是晚更新世到全新世的地层, 沉积物主要为尚未胶结的山麓洪积物和戈壁砾石层, 扇面整体呈灰黄色, 受暴露地表的影响, 表层砾石受风化作用呈棕色或棕黑色, 主要是三价铁离子与氧化锰形成的包膜颜色。

图4

Fig.4

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	图4 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇高程图(据Gao et al., 2020)Fig.4 Digital elevation model of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin(from Gao et al., 2020)

图5

Fig.5

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	图5 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇谷歌地球卫星图像与沉积相带示意图 A— 沉积相带图; B— 扇根卫星图; C— 扇中卫星图; D— 扇缘卫星图Fig.5 Sedimentary facies distribution and Google EarthTM satellite images showing Baiyang River alluvial fan at northwest margin of Junggar Basin

利用白杨河冲积扇谷歌卫星图像数据, 观测统计扇面现今河道特征可知, 扇根处河道弯度指数为1.21, 分岔指数为4; 扇中处河道弯度指数为1.22, 分岔指数为6; 扇缘处河道弯度指数为1.36, 分岔指数为8; 因此, 白杨河为辫状河, 辫状河沉积物与洪水期的沉积物叠加在一起, 形成了阵发性洪水条件下的辫状河型冲积扇。

为了更好地解剖白杨河冲积扇各级次构型单元特征, 本研究详细解剖了覆盖全扇的、出露较好的83个点位(图5)。点位主要选在白杨河现代河谷的两侧的天然剖面和人工采石场和煤矿探槽剖面。为了更好地解剖连续完整的冲积扇构型单元。还挖了9条宽5 m、深5 m、长100 m的东西向人工探槽。

在洪水期, 阵发性洪水携带的来自山区流域盆地的高能沉积物覆盖在扇体表面的大部分区域, 并且大多数以片流形式出现(Jo et al., 1997; Harvey et al., 1999; Harvey, 2011)。流域盆地内的沉积物被洪水携带在坡面重力作用下汇聚, 使得其具有对扇面强大的下切侵蚀能力。在间洪期, 洪水能量减弱, 在扇面形成辫状河道, 对洪水期沉积物进行冲刷改造再沉积。与这些过程相关的沉积物被总结为10种主要的岩相类型(图6; 表2)。这些岩相类型分别为: 块状砾岩(C1), 平行层理砾岩(C2), 低角度交错层理砾岩(C3), 大型(槽状、板状、楔状)交错层理砾岩(C4), 簇状砾岩(C5), 平行层理砂岩(S1), 大型(槽状、板状、楔状)交错层理砂岩(S2), 风成交错层理砂岩(S3), 波纹层理砂岩(S4), 块状砂/泥岩(S-M1)。

图6

Fig.6

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图6 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇岩相/沉积物照片精选(据张月等, 2020; Zhang et al., 2021) A— 块状砾岩C1, 点位11; B— 片流砾岩C2, 点位15; C— 低角度交错层理砾岩C3, 点位20; D— 大型交错层理砾岩C4, 点位52; E— 簇状砾岩C5, 点位64; F— 平行层理砂岩S1, 点位21; G— 大型交错层理砂岩S2, 点位54; H— 风成交错层理砂岩S3, 点位52; I— 波纹层理砂岩S4, 点位64; J— 块状砂/泥岩S-M1, 点位57Fig.6 Selected photos of lithofacies of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin(from Zhang et al., 2020; Zhang et al., 2021)

表2

Table2

表2(Table2)

表2 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇岩相类型及成因解释 Table2 Summary of lithofacies types identified on Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin and their interpreted origin 岩相类型杂乱无序的砾石, 杂基— 颗粒支撑, 砾石直径2~30 cm, 砾石基质和常见的特大型碎屑可达0.8 m, 局部发育叠瓦状砾石, 杂基以砂— 细砾为主, 分选极差。垂向厚度大于5 m, 横向延伸可达数十米 结构和构造特征洪水期及间洪期扇根 分布位置高能洪水携带着富碎屑沉积物, 颗粒间受牵引力、浮力和扩散力的组合影响 成因解释块状砾岩 C1(图6-A) 平行层理砾岩 C2(图6-B) 颗粒支撑为主, 砾石粒径范围1~10 cm, 包含砂级杂基, 分选较差。砾石次棱角状— 次圆状, 单层砾石具有定向排列特征。向上变细, 平行层理分布, 底部可见定向排列的叠瓦状颗粒支撑砾岩, 横向延伸可达几十米至上百米 洪水期扇根至扇中 超临界片流(弗洛德数Fr=1.4~2.8)携带沉积物呈片、席状快速释放, 超临界驻波消散或破碎形成 低角度交错 层理砾岩 C3(图6-C) 颗粒支撑, 砾石粒径范围1~10 cm, 包含砂级杂基, 分选较差。砾石次棱角— 次圆状。具有正粒序特征, 单层砾石具有定向排列特征, 厚度为2~5 cm, 层系厚度25~50 cm, 而层序组厚度1~3 m。具有5° ~10° 的低角度槽状交错层理特征, 底部可见定向排列的叠瓦状颗粒支撑砾岩, 也是层组的冲刷面, 横向延伸可达几十米至上百米, 单个沉积单元重叠, 局部被相邻单元的侵蚀基面截断 洪水期扇中 亚临界片流携带沉积物以牵引毯状搬运, 亚临界流体的轻微波动可导致较小的交错层理形成 大型(槽状、 板状、楔状) 交错层理砾岩 C4(图6-D) 颗粒支撑, 砾石粒径范围1~5 cm, 包含少量中砂— 粗砂级杂基, 分选中等。砾石次圆状。正粒序特征, 交错层理角度10° ~20° , 单层砾石具有定向排列特征, 具有开放支撑结构, 厚度5~10 cm, 底部具有明显的侵蚀冲刷面及粗粒滞留, 层系组厚度0.5~1 m。单个沉积单元重叠, 在垂向上表现为加积或侧积现象 间洪期扇中 低流态下(Fr< 1)冲积扇上辫状河道迁移摆动形成 簇状砾岩 C5(图6-E) 颗粒支撑, 砾石簇状堆积, 砾石粒径1~2 cm, 单层厚度5~10 cm, 向上过渡为波纹层理砂岩(S4) 洪水期扇缘、废弃或非活动扇面 低流态下的底负载沉积, 河道或冲沟内底部堆积物 平行层理砂岩 S1(图6-F) 颗粒支撑, 以中粗砂为主, 局部含有少量细砾, 分选中等。正粒序特征, 平行层理, 横向延伸距离可达数十米以上, 沉积体厚10~30 cm。与平行层理砾岩伴生 洪水期扇中 急流携带砂泥沉积物快速沉积 大型(槽状、 板状、楔状) 交错层理砂岩 S2(图6-G) 颗粒支撑, 中粗砂为主, 含少量细砾, 分选中等。向上过度为正粒序, 发育板状、槽状、楔状交错层理, 层理角度10° ~20° 。单层厚度0.5~1.5 cm, 层系厚度5~10 cm, 层系组厚度30~50 cm。侧向加积明显, 可见部分植物根茎及生物洞穴。底部粗粒滞留 间洪期扇中 低流态下辫状河道摆动形成。冲积扇上的辫状河道反复分岔合并, 形成了不同类型的交错层理。交错层理表明Fr小于1, 属下部流动机制 风成交错 层理砂岩 S3(图6-H) 细砂— 中砂为主, 分选较好, 底平顶凸的扁平薄层状或透镜状夹杂在扇中剖面内。以发育楔状条纹层理为特征, 层理角度约15° , 纹层厚度0.5~1 cm, 岩相厚度10~15 cm, 横向延伸距离30~50 cm 废弃或非活动朵体扇面 扇面风成沉积 波纹层理砂岩 S4(图6-I) 粉细砂岩— 中粗砂岩, 分选中等。正粒序特征, 内部发育波状层理。岩相呈透镜状或不规则形状, 垂向厚度15~20 cm, 纹层厚度2~5 mm, 横向延伸距离30~50 m 洪水期扇缘、废弃或非活动朵体扇面 水体强度的减弱, 悬浮状态沉积, Fr< 0.4, 下部流动机制, 水流为缓流 块状砂/泥岩 S-M1(图6-J) 粉砂岩、泥岩为主, 分选较好, 剖面呈透镜状或块状, 规模较小, 垂向厚度可达十几米, 横向延伸距离可达数百米, 与扇缘湿地宽度相当 洪水期及间洪期扇缘 静水环境中, 悬浮沉积在湿地或水塘中, 可见植物根茎

表2 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇岩相类型及成因解释 Table2 Summary of lithofacies types identified on Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin and their interpreted origin

冲积扇的形成过程主要取决于洪水流量与上游流域泥沙供应之间的比率(Harvey et al., 1999; Harvey, 2011)。白杨河冲积扇沉积物来源以季节性辫状河和幕式洪水携带为主, 其扇体建造所需的沉积物主要是由洪水期和间洪期交替形成的(Bull, 1997)。在洪水期, 流域盆地内洪水携带大量沉积物从出山口流出, 高浓度洪水可覆盖整个或大部分扇面, 形成片洪/流沉积物。在间洪期, 季节性辫状河在洪水期沉积物上流动, 冲刷并改造洪水期的沉积物, 洪水期和间洪期沉积物在空间上叠置匹配。洪水期和间洪期的交替, 造成冲积扇的地貌特征频繁变化。下面详述洪水期和间洪期的地貌特征和微相类型(张纪易, 1985; 张昌民等, 2020)。

3.2.1 洪水期地貌单元及沉积微相带划分

洪水期, 流域盆地携带的高浓度洪水, 从出山口流出, 在扇面上主要形成以下4类沉积微相带单元(图5-A):

1)下切河谷洪流带。下切河谷洪流带处于扇根区域, 高密度洪水流能量大, 在扇根侵蚀形成下切河谷。下切河谷洪流带以砾砂混杂的块状砾岩(C1)为主要岩相, 代表接近碎屑流到湍流临界值的高浓度流的产物(Harvey, 2011)。下切河谷洪流带沉积以块状砾岩(C1)消失为边界。

2)片流带。在扇根至扇中过渡区, 高浓度洪水流由于不再受河谷地貌的限制转变为超临界片流(Fr> 1), 以推移质搬运为主, 形成了层状砾石与砂韵律互层的堆积。平行层理砾岩(C2)和平行层理砂岩(S1)是该区典型的岩相, 其横向连续数十至数百米, 甚至数千米。形成了扇根至扇中过渡的片流带。片流带以平行层状砾岩的出现和消失为边界(刘大卫等, 2018, 2019; 靳军等, 2019; 高崇龙等, 2020; Liu et al., 2021)。

3)辫流带。在扇中, 超临界片流不能一直维持原有能量, 而是转化为能量较低的辫流, 辫流具有河道化的特征, 为亚临界流体(Fr< 1), 其在扇面上扩散宽度更大。平行层理砾岩(C2)和平行层理砂岩(S1)消失; 相反, 低角度交错层理砾岩(C3)在该区域普遍存在, 低角度的交错层理代表了辫流河道化的典型特征。低角度交错层理砾岩(C3)的出现和消失为无限制辫流带的边界(刘大卫等, 2018, 2019; 靳军等, 2019; 高崇龙等, 2020; Liu et al., 2021)。

4)径流带。在扇缘, 辫状流体能量继续减弱, 转化为众多窄浅的径流水道。这些径流水道向前继续流动直接进入扇缘, 与地下水结合, 而后进入扇体之外的冲积平原。径流带岩相以波纹层理砂岩(S4)为主。同时径流带间为扇缘湿地, 扇缘湿地内发育块状泥岩(S-M1)。

3.2.2 间洪期地貌单元及沉积微相划分

间洪期, 流域盆地携带的低能水体在河谷形成槽流沉积, 在扇面形成辫状流沟和沟间滩沉积, 其水体能量及携带沉积物量都大幅降低。在扇面上主要形成以下沉积微相单元:

1)扇根槽流带和槽间带。在扇根区域, 低能水流在下切河谷内流动(图5-A)。水位降低, 部分位置较高的河床裸露, 形成槽间带, 低洼处仍有水流流动, 形成槽流带。扇根槽流带主要由叠瓦状排列的砾岩组成, 河床上的砾石颗粒直径超过30 cm(图5-B), 槽间带由杂基含量高的块状砾岩组成。

2)辫状流沟和沟间滩。当低能洪水流动到扇中部位, 河道展宽(图5-C), 分岔形成辫状流沟, 分岔的河道围绕着大型沟间滩流动(图5-C), 河床上砾石直径范围在10~20 cm, 发育大型交错层理砾岩(C4)及砂岩(S2)。随着流动距离的增加, 辫状流沟的数量增加, 弯度指数增大, 可达1.22, 并发育大量不同形态的砂砾石沙坝, 砾石直径减小到5~15 cm。槽间滩地貌位置较高, 主要为洪水期沉积和后期改造产物, 为交错层理砂砾岩, 表面生长稀疏的灌木(刘大卫等, 2018, 2019; 靳军等, 2019; 高崇龙等, 2020; Liu et al., 2021)。

3)扇缘湿地带和辫状河道。在扇缘位置, 洪水期的径流带在间洪期发育成辫状河道, 辫状河道两侧为沙丘或扇缘湿地(图5-D), 辫状河道数量继续增加, 河道弯曲指数为1.36。该区域植被发育, 灌木丛相对繁茂。沉积物主要为细砾和粗砂, 辫状河道发育大型交错层理砂岩(S2), 湿地发育块状砂/泥岩(S-M1)。

4)扇面冲沟带。在辫流带外侧区域的废弃朵体上, 偶尔的暴雨或地下水可以在扇面形成冲沟(图5-A), 这些冲沟源头并不是冲积扇上游的流域盆地, 而可以起始于扇面上任何一个位置, 长度可达3~10 km, 向扇缘方向冲沟宽度快速增大, 最大宽度可达0.7 km。在夏季, 由于气候湿润, 地下水位上升, 冲沟会间歇性的活动, 冲沟内发育簇状砾岩(C5)(刘大卫等2018, 2019; 靳军等, 2019; 高崇龙等, 2020; Liu et al., 2021)。

对于构型研究中层次界面的划分排序(Miall, 1985, 1988, 1996, 2014; Miall and Tyler, 1992; 吴胜和等, 2008, 2012, 2013; 伊振林等, 2010; 冯文杰等, 2015), 本研究采用吴胜和等(2008, 2012, 2013)的数序与级次相同的划分方案(即12级界面最小, 为纹层的界面)。对于白杨河冲积扇, 6级构型单元为多期冲积扇叠置形成的冲积扇复合体, 7级构型为6级构型内部发育的单期冲积扇体。单一扇体内部由洪水期和间洪期形成的多个微相单元(8级构型单元)构成, 洪水期的构型单元包括下切河谷洪流带、片流带、辫流带、径流带和扇缘湿地, 间洪期的构型单元包括槽流带、槽间带、辫状流沟、沟间滩、扇缘湿地、辫状河道和扇面冲沟带。9级构型单元为8级构型单元内部发育的单一片流增生体、沟间滩和流沟内增生体等(表3)。10级构型单元为层系组, 11级构型单元为各岩相内部的单一层系, 而级次最小的12级构型单元为岩相内部的纹层。受工作量的限制, 本研究解剖了白杨河冲积扇6级到9级构型单元, 主要研究了7、8级构型单元, 各级次构型单元的划分见表3。

表3

Table3

表3(Table3)

表3 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇构型单元级次划分 Table3 Architecture grading system of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin 构型级别 构型单元 时间规模 /a 沉积规模 扇根亚相 扇中亚相 扇缘亚相 6 级 冲积扇复合体 103~104 多个冲积扇体的叠加 7 级 单期冲积扇(包括洪水期沉积及间洪期沉积) 103~104 单个扇体演化 8 级 洪水期各微相 下切河谷洪流带 片流带 辫流带 径流带、扇缘湿地 102~103 间洪期各微相 槽流带、槽间带 辫状流沟、沟间滩 辫状流沟、沟间滩 辫状河道带、 扇缘湿地带 洪水期 废弃朵体区下切河谷洪流块状砾岩增生体 扇面冲沟带 辫流带砾石增生体 径流水道波纹层理砂岩增生体、扇缘湿地增生体 扇缘湿地带100~101 单一沉积流体的范围 9 级 间洪期 砾石坝(槽间滩)增生体、槽流交错层理砾岩增生体 辫状流沟交错层理砾岩增生体、沟间滩交错层理砾岩增生体 辫状流沟交错层理砂砾岩增生体、沟间滩交错层理砂砾岩增生体 辫状河道交错层理砂岩增生体、心滩交错层理砂岩增生体、扇缘湿地增生体 废弃朵体区 冲沟簇状砾岩、风成交错层理砂岩体 10级 层系组 10-2~10-1 底型迁移 11级 层系 10-3~10-5 底型迁移 12级 纹层 10-6 脉动水流

表3 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇构型单元级次划分 Table3 Architecture grading system of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

3.3.1 6级(冲积扇复合体)构型单元特征

冲积扇复合体是多期冲积扇沉积体相互叠置形成的6级构型单元。白杨河冲积扇复合体平面上覆盖面积约730 km², 横纵比约1.19︰1, 扇面开口角度约140° , 坡度0.9° ~0.3° 。发育U型下切河谷及3期河流阶地(图4)。根据沉积体的岩性、颜色、成分、粒度等特征的差异, 白杨河冲积扇在扇根的侵蚀河谷剖面中出露了可识别的3期扇体(图7)。每期扇体以岩性、粒度和片流层倾角变化的突变面为界面(7级构型界面)。其中第1期扇体仅出露扇根, 以洪水期片流砾岩为主; 第2期扇体沿白杨河河谷出露了扇根和扇中, 以洪水期片流砾岩和间洪期辫状流沟砾岩为主, 间洪期沉积叠覆在洪水期沉积之上; 第3期扇体出露最全, 覆盖于整个扇体之上。白杨河对冲积扇进行了强烈的改造, 形成白杨河河谷, 河谷两边形成阶地, 并在阶地上滞留有辫状河沉积。

图7

Fig.7

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	图7 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇群构型特征Fig.7 Architecture characteristics of the group of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

水流携沉积物从出山口流出, 在冲积扇上形成下切谷。从扇根至扇缘, 下切谷宽度呈现先增大后减小的趋势, 深度逐渐较小。在扇根处, 宽度仅0.5 km, 深度可达25 m; 随着水携沉积物向扇中运动, 能量略显降低, 宽度增大, 最大宽度达3.7 km, 深度逐渐减小; 当从扇中向扇缘运动时, 水携沉积物能量已经消散, 在仅存的能量中心区, 还可形成宽度和深度较小的下切谷。

3.3.2 7级(单一冲积扇)构型单元特征及构型模式

3.3.2.1 7级(单一冲积扇)构型单元特征 7级构型单元是单一冲积扇体, 由洪水期和间洪期的沉积微相(8级构型单元)叠加形成。在7级构型单元中, 自扇根至扇缘, 不同位置具有不同的微相带组合特点。7级构型以单一冲积扇体粒度、岩性、层理方向的突变面为构型界面。

在扇根内带处, 7级构型单元由洪水期的下切河谷洪流带、间洪期的槽流带和槽间带3个8级构型单元构成(图8), 间洪期的槽流带和槽间带叠覆在洪水期下切河谷洪流带之上。下切河谷洪流带由块状砾岩组成, 横剖面形态整体呈“ 顶平底凸” 的U字型, 并可见小规模的片流砾岩; 间洪期槽流带发育交错层理砾岩, 可见小规模块状砂岩, 其中块状砂岩主要是近地表的小冲沟形成, 代表最新一期的沉积。块状砾岩(洪水期沉积)、交错层理砾岩及块状砂岩(间洪期沉积)岩相比例为 0.90︰0.08︰0.02, 表明扇根区洪水期及间洪期岩相占比为9︰1。

图8

Fig.8

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	图8 准噶尔盆地西北缘白杨河单一冲积扇扇根内带构型特征Fig.8 Architecture characteristics of proximal part of inner fan in a single alluvial fan of Baiyang River at northwestern margin of Junggar Basin

在扇根外带至扇中的过渡带, 7级构型单元由洪水期的片流带和间洪期的辫状流沟、沟间滩3个8级构型单元构成(图9)。该区域洪水期的洪水由于不再受河谷地貌限制, 在扇面转化为片状流, 多期次的片流朵体(9级构型单元)相互叠置, 叠加形成片流带。片流带的沉积物以片流层状砾岩为主, 底部保存部分洪水期下切河谷洪流带的块状砾岩。在间洪期, 槽流带在此处展宽, 形成分布范围更广的辫状流沟, 其沉积物主要为交错层理砾岩。片流带横向延伸距离较远, 达数百米甚至数千米, 仅局部区域被间洪期的辫状流沟沉积改造, 因此其在扇体上保存得较好。片流砾岩的存在是洪水期最重要的鉴定标志。块状砾岩(洪水期沉积)、片流砾岩(洪水期沉积)、大型交错层理砾岩(间洪期沉积)岩相比例为 0.15︰0.65︰0.20, 表明在扇根至扇中过渡区洪水期与间洪期岩相占比为 8︰2。

图9

Fig.9

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	图9 准噶尔盆地西北缘白杨河单一冲积扇扇根外带— 扇中构型特征Fig.9 Architecture characteristics of distal part of inner fan to medial fan of a single alluvial fan of Baiyang River at northwestern margin of Junggar Basin

在扇中区域的7级构型单元主要由洪水期的辫流带和间洪期的辫状流沟和沟间滩3个8级构型单元构成(图10)。洪水期辫流带主要发育杂基含量较高的低角度交错层理砾岩, 层理不清晰。间洪期辫状流沟和沟间滩发育杂基含量极低的层理清晰的高角度交错层理砾岩, 垂向叠加在洪水期沉积物之上。剖面上片流带砾岩(洪水期沉积)、辫流带砾岩(洪水期沉积)及大型交错层理砾岩(间洪期沉积)岩相占比为 0.15︰0.19︰0.66, 表明扇中区洪水期与间洪期的构型单元规模比为0.34︰0.66。

图10

Fig.10

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	图10 准噶尔盆地西北缘白杨河单一冲积扇扇中构型特征Fig.10 Architecture characteristics of medial fan of a single alluvial fan of Baiyang River at northwestern margin of Junggar Basin

在扇缘区域, 7级构型单元由洪水期的径流带、扇缘湿地和间洪期的辫状河道带3个8级构型单元组成(图11)。洪水期径流河道带以簇状砾岩和交错层理(含砂)砾岩为主, 扇缘湿地发育块状泥岩。间洪期辫状河道在扇缘垂向堆积在径流河道带沉积之上, 发育交错层理砂质砾岩或砾质砂岩。剖面上交错层理(含砂)砾岩、块状泥岩、交错层理砂质砾岩或砾质砂岩的岩相比例为0.62︰0.10︰0.28。

图11

Fig.11

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	图11 准噶尔盆地西北缘白杨河单一冲积扇扇缘构型特征Fig.11 Architecture characteristics of distal part of a single alluvial fan of Baiyang River at northwestern margin of Junggar Basin

在扇体侧缘的非活动扇体区, 7级构型单元同样也是由洪水期和间洪期沉积体(8级构型单元)叠加形成。该区域, 洪水期沉积由流向侧缘的8级构型单元自由水道带构成, 间洪期由8级构型扇面冲沟带构成(图12)。扇体在洪水期和间洪期的部分流体不在主槽内流动, 会沿着扇根低势区流向扇面侧缘, 形成以交错层理砾岩或砂岩为主的岩相, 其以牵引流冲刷机制为主。扇面汇聚的二次流体在扇面形成冲沟, 以簇状砾岩、波纹层理砂岩、交错层理砂岩为主。同时, 在远离扇侧缘发育部分不规则的块状泥岩, 为扇缘湿地相。扇面冲沟的簇状砾岩与其他岩相比例为1︰9。

图12

Fig.12

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	图12 准噶尔盆地西北缘白杨河单一冲积扇扇侧缘构型特征Fig.12 Architecture characteristics of the lateral margin of a single alluvial fan of Baiyang River at northwestern margin of Junggar Basin

3.3.2.2 7级构型单元构型模式 1)洪水期构型模式。洪水期沉积在平面上以锐角开口的扇形面为特征, 开口角度约为51° , 覆盖扇体总面积约为45.57%, 洪水期主要由下切河谷洪流带、片流带、辫流带、径流带等8级构型单元构成(图13), 其沉积物分别为块状砾岩、片流砾岩、辫流砾岩和径流砾岩, 粒径从下切河谷洪流带向径流带逐渐减小, 下切河谷洪流带处最大砾石直径可达到60 cm, 平均粒径18 cm, 径流带处最大砾石直径减小到8 cm, 平均砾石直径减小到2 cm。

图13

Fig.13

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	图13 冲积扇洪水期活动扇体构型特征Fig.13 Architecture characteristics of an active lobe of a single alluvial fan during the high flow stage

2)间洪期构型模式。平面上间洪期沉积主要发生在洪水退去后形成的低洼带, 由槽流带、槽间带、辫状流沟、沟间滩和辫状流岛等8级构型单元构成(图14)。辫状流岛实际上是洪水期的沉积, 地形上较高, 在间洪期没有改造和沉积。间洪期水流由于携带沉积物量降低, 主要以牵引流改造为主。

图14

Fig.14

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	图14 冲积扇间洪期活动扇体构型特征Fig.14 Architecture characteristics of an active lobe of a single alluvial fan during the low flow stage

经统计, 在剖面上洪水期与间洪期沉积物的比例逐渐变化, 由扇根处的9︰1减小到扇缘区的6︰4。

3.3.3 8级(各沉积微相)构型单元特征

3.3.3.1 洪水期的8级构型单元 冲积扇的8级构型对应各沉积微相单元。洪水期及间洪期内的8级构型单元特征如下:

1)下切河谷洪流微相

下切河谷洪流带位于扇根内带, 顶端正对山口, 呈喇叭形向下倾方向展宽, 面积约为冲积扇面积的1.79%, 沿轴向延伸长度约为5.64 km, 在出山口处宽度约为2 km, 靠近片流带宽度约为4 km(图5-A)。下切河谷洪流带微相主要在扇根处出露比较广泛。

下切河谷洪流带微相的沉积厚度及空间展布受下切水道底部形态、两侧山体控制, 下切河谷洪流带由多期洪流增生体(9级构型单元)组成(图15)。下切河谷洪流带在扇根内带剖面上呈顶平底凸的U字型(图15), 底部块状层理和其他岩相的突变面即为8级构型界面。在扇根外带下切河谷洪流带减薄展宽, 垂向上某些位置出现平行层理砾岩, 向片流带转变。下切河道内沉积构造不发育, 岩相为块状层理砾岩。砾石最大直径可达86 cm, 平均最大砾石直径为29.2 cm, 砾石平均直径为11 cm。砾石大小混杂, 分选极差, 局部可见大的“ 漂砾” , 砾石间杂基以细砾、粗砂为主。砾石磨圆较好, 砾石呈现次圆— 次棱角状。

图15

Fig.15

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	图15 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇洪水期下切河谷洪流带构型特征Fig.15 Architecture characteristics of fan-head trench torrent zone during the high flow stage of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

2)片流带

片流带紧邻下切河谷洪流带发育, 是洪水溢出下切河谷在扇根外带至扇中过渡带形成的展布宽度很大的连片砾岩体, 多个片流朵叶体(9级构型单元)相互叠加形成片流带。片流带在平面上呈发散梯形, 扇面展开角度约为120° , 沿轴向延伸长度约为8.02 km, 靠近扇根处片流带宽度约为4 km, 在扇中远端宽度约为12 km, 片流带约占扇体总面积的7.75%, 单期片流带增生体厚度相对较小, 平均约0.6 m, 多期片流朵叶体叠加厚度超过5 m。片流带出露广泛, 以平行层理片流砾岩为主要岩相类型, 也是洪水期的识别标志。

粒度变化明显的片流砾岩与其他岩相的突变面即为8级构型界面(图16), 其粒度会随搬运距离增加而减小, 且冲积扇轴部比两侧粒度大。轴部最大砾石直径从靠近扇根内带14 cm逐渐减小至扇中的13.42 cm, 平均砾石直径由12.47 cm减小至5.15 cm。沉积物内砾石大小混杂堆积, 其砾石间砂质杂基含量较扇根内带高, 分选较差, 磨圆较好, 砾石呈次棱角— 次圆状。

图16

Fig.16

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	图16 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇洪水期片流带构型特征Fig.16 Architecture characteristics of sheet flow belt deposits during the high flow stage of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

3)辫流带

辫流带是片流进入扇中外带后, 在平面上高程相差较大的区域, 流体无法以片流形态继续延伸, 便汇聚成大型河道化流体在相对低洼处继续扩散形成的, 在靠近扇缘时辫流逐渐消散。辫流带平面形态上从扇中至扇缘呈更大的梯形, 扇面开口角度约为90° , 沿轴向延伸长度约为13.81 km, 近端辫流带宽度为13.80 km, 远端宽度为17.96 km。辫流带占扇体总面积的20.4%, 厚度超过3 m。

辫流带沉积特征与片流带类似, 相对片流带, 单期厚度较小, 横向距离延伸小于片流砾岩, 发育5° ~10° 的低角度槽状交错层理, 底部可见定向排列的叠瓦状颗粒支撑砾岩, 也是层组的冲刷面, 该冲刷面即为辫流微相的9级构型界面, 每个冲刷面代表1期辫状河道, 其横向延伸可达几十米至数百米。

辫流带的主要岩相类型是低角度交错层理砾岩, 局部发育少量片流砾岩。多期次的辫流形成的低角度交错层理砾岩增生体(9级构型单元)呈楔状相互叠置(图17)。

图17

Fig.17

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	图17 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇洪水期辫流带构型特征Fig.17 Architecture characteristics of unconfined braided stream belt deposits during the high flow stage of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

该构型单元内最大砾石直径20 cm, 平均最大砾石直径约为15 cm, 平均砾石直径从4 cm减小至2 cm, 分选较差, 砾石圆度为次圆状。

4)径流带

径流带是辫流进入扇缘形成的单支径流水道, 平面上呈现条带状, 径流带占扇体总面积的15.63%, 厚度不超过50 cm。

径流带主要岩相类型是交错层理砂砾岩, 横截面为顶平底凸的透镜状, 夹在扇缘湿地的块状泥岩之中(图18)。径流带由多期次径流水道叠置而成, 每期的底部冲刷面即为9级构型界面。该构型单元内最大砾石直径为12 cm, 平均最大砾石直径约为9 cm, 平均砾石直径约为2 cm, 径流砾岩分选中等, 砾石圆度为次圆— 圆状。径流水道厚度15~20 cm, 说明水体深度较浅, 波状层理砂岩是河道间歇性存在的证据。

图18

Fig.18

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	图18 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇洪水期径流带构型特征Fig.18 Architecture characteristics of narrow and shallow runoff channel zones deposits during the high flow stage of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

3.3.3.2 间洪期的8级构型单元 1)扇根区的槽流带与槽间带

槽流带和槽间带位于冲积扇扇根处, 以清晰槽状交错层理含砂砾岩和叠瓦状砾岩作为槽流带和下切河谷洪流带的分界(8级构型界面)。槽流带即为间洪期水流流经的区域(图19), 以改造洪水期块状砾岩和靠近扇根区域的片流砾岩为主。槽流带内洪水期的块状砾岩被间洪期水流部分或全部改造, 底部砾石具有定向排列特征, 上部发育交错层理, 其宽度与槽流带主槽宽度一致, 也与间洪期水体的能量呈正相关关系。根据野外勘测, 槽状交错层理出现的位置距离出山口7.63 km, 槽流带的长度占据扇体轴向长度的24%。

图19

Fig.19

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	图19 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇间洪期槽流带和槽间带构型特征Fig.19 Architecture characteristics of slot flow belt and inner-slot belt during the low flow stage of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

槽流带单期沉积物厚度一般小于1 m, 岩性比较复杂, 主要为粗砾岩、中砾岩、细砾岩、粗砂岩、粉砂岩等, 砾石直径变化较大, 从40 cm直径的砾石至砂质沉积物均有。槽流带内沉积构造较为发育, 主要发育侵蚀面、底部滞留砾石层和叠瓦状构造, 底部侵蚀面即为9级构型单元的界面。槽流带也具顶平底凸的特征, 但与洪水期下切河谷洪流相比, 下切能力弱。因此其槽流带的河道形态为小型下切河谷。

槽间带为槽流带之间的相对高地势区, 其沉积物包含洪水期下切河谷洪流带和片流带沉积, 未被间洪期水流改造。槽间带偶尔被间洪期水体改造, 出现部分小型流沟, 流沟内细粒物质被强水流冲走, 导致颗粒支撑砾岩存在于槽间带沉积体中。

2)扇中区的辫状流岛、辫状流沟和沟间滩

经野外勘察, 辫状流岛是扇中区地形相对高的区域, 面积大, 内部是洪水期的沉积产物, 基本无间洪期沉积(图14)。辫状流沟和沟间滩位于辫状流岛之间(图14, 图20), 是槽流运动到扇中区域分岔形成的微相带, 是在洪水期辫流带的基础上发育的(图13, 图14, 图20)。辫状流沟以形态规模较小的辫状河道为特征, 向扇缘弯曲度增大。轴向延伸距离约为24.37 km, 占据扇体轴向长度的76%左右。

图20

Fig.20

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	图20 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇间洪期辫状流沟和沟间滩的构型特征Fig.20 Architecture characteristics of braided channels and inter-channels bar during the low flow stage of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

研究区辫状流沟沉积主要由大型交错层理砾岩或交错层理砂岩组成(图20), 泥质含量较少, 随离出山口距离的增加, 砂泥等细粒沉积含量逐渐增加。砾石分选中等、磨圆较好。单期辫状流沟底部的冲刷面即为9级构型界面。

经统计辫状流沟的宽度、深度、宽深比与距离扇顶的距离具有良好的相关关系(图21)。辫状流沟的宽度整体呈下降趋势, 在扇根整体最宽, 一般5~7 m; 在扇中区域, 宽度范围跨度较大, 从0.8 m到8.7 m的范围均有分布, 这主要是多支辫状流沟汇流使得河道加宽导致的; 在扇缘处, 流沟宽度减小至5 m以下(图21-A)。辫状流沟的深度自扇根至扇缘呈下降趋势, 反映流沟规模的逐渐减小和水体能量的逐渐降低(图21-B)。辫状流沟的宽深比呈现扇中高、扇根和扇缘低的趋势(图21-C), 扇根宽深比低, 说明河道在扇根下切作用明显, 水体能量强; 在扇中宽深比增大表明河道分流迁移能力增强, 分支出多条辫状河道, 使得单支河道横向展宽而下切能量降低; 扇缘宽深比的再次减小说明辫状河道趋于稳定, 水动力逐渐增强。

图21

Fig.21

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	图21 准噶尔盆地西北缘白杨河冲积扇间洪期辫状流沟变化特征Fig.21 Characteristics of braided channels during the low flow stage of Baiyang River alluvial fan at northwestern margin of Junggar Basin

沟间滩位于辫状流沟之间, 在扇中区域最发育, 平面形态呈菱形, 剖面形态呈底平顶凸的透镜状, 是在间洪期沉积形成或由前期的洪水期沉积物被改造形成, 主要发育反S型交错层理砾岩和反S型交错层理砂岩。剖面上辫状流沟与沟间滩接触的面即为8级构型界面, 沟间滩数量自扇根至扇缘逐渐增加, 这是由于辫状流沟的分岔增多导致的。

3.3.3.3 废弃朵体区 1)扇面冲沟。在废弃朵体或非活动的扇面上, 短暂的降水在扇面上汇聚成短暂的地表流冲刷改造沉积物而形成冲沟(图5-A; 图12)。冲沟在扇远端发育, 这是由于扇面的地表流在扇面远端汇聚, 使得流量增大、流动速度比上游区更快, 且具备了较高的下切动力, 这些水流比活动扇叶上流沟的动力弱得多, 使得沉积物粒度更细。冲沟微相以顶平底凸的透镜状簇状砂砾石为主, 向上过渡为波状纹层砂岩, 整体厚度约为0.5 m, 宽度约1 m, 底部簇状砾石的冲刷面即为8级构型界面。

2)扇缘湿地。扇缘湿地为扇缘相对平坦部位, 分布范围较大, 部分地区有短暂静态水体存在。扇缘湿地沉积物较细, 岩性主要为块状砂岩或块状粉砂岩、泥岩等细粒沉积物。沉积构造不太发育, 但局部发育水平层理。扇缘湿地与洪水期径流水道或间洪期辫状流沟的边界即为彼此的8级构型界面。

3.3.4 9级(单一砾/砂岩体)构型单元特征

9级构型单元主要包括:(1)单期下切河谷洪流带内的块状砾岩增生体; (2)单一片流朵体砾岩增生体; (3)单期辫流带砾石增生体; (4)径流水道波纹层理砂岩增生体; (5)槽流带及槽间带交错层理砾岩增生体; (6)辫状流沟及沟间滩交错层理砾岩增生体; (7)冲沟簇状砾岩增生体; (8)风成交错层理砂岩增生体; (9)扇缘湿地块状泥岩。这部分内容详见表2及图6。

冲积扇洪水期构型模式与洪水期的演化过程密切相关, 可总结为: 在扇根区域, 高能洪水从出山口流出, 形成下切河谷洪流带的8级构型单元, 横剖面上以顶平底凸的形态为主要特征, 其下切深度与携带沉积物量及流速呈正相关, 内部以块状砾岩相增生体为9级构型单元。下切河谷洪水期水体携带沉积物量巨大, 部分具有碎屑流的沉积特征。当洪水前进到开阔区域, 转变成片流水体, 形成片流带的8级构型单元, 其内部以横向展宽的平行层理砾岩相增生体为9级构型单元。当洪水继续运动到扇中, 片流能量减弱, 转化为辫流, 形成辫流带的8级构型单元, 其内部以低角度交错层理砾岩增生体为9级构型单元。水体继续减弱进入扇缘, 转变为径流河道, 形成径流带的8级构型单元, 横剖面上以顶平底凸的簇状砾岩相增生体和波纹层理砂岩相增生体为9级构型单元, 与扇缘块状泥岩相8级构型单元共存(图22-A)。

冲积扇间洪期构型模式与间洪期的演化过程密切相关, 间洪期以牵引流对洪水期沉积物的冲刷改造为主。在扇根区域, 牵引流从出山口流出, 在洪水期形成的主槽内流动, 水流较洪水期弱, 形成间洪期的8级构型单元— — 槽流带, 其形态同样是顶平底凸, 但展布宽度远小于洪水期下切河谷洪流沉积, 其内部以叠瓦状及递变粒序的砾岩相为9级构型单元。当牵引流前进到开阔区域, 水体不能继续集中前进, 在扇根至扇中的过渡区开始分岔, 形成辫状流沟和沟间滩的8级构型单元, 内部发育以高角度槽状交错层理砾岩相和砂岩相增生体为主的9级构型单元, 向扇缘区域分岔逐渐增多, 9级构型单元的规模逐渐减小, 直至进入扇缘区消失或部分水道汇流进入冲积平原(图22-B)。

综合白杨河冲积扇构型特征及水槽模拟实验的结果, 复合型冲积扇构型特征可总结如下(图23):

多期冲积扇在三维空间上的错落叠合, 形成复合冲积扇体(6级构型)。在单期冲积扇(7级构型)内部, 由洪水期和间洪期的8级构型单元。在扇根区域以洪水期的下切河谷洪流带、间洪期的槽流带与槽间带3种8级构型单元为主, 其中间洪期的槽流带与槽间带垂向上内切于洪水期的洪流带。在扇根至扇中的过渡带, 以洪水期片流沉积、间洪期的槽流带与槽间带及刚分叉的辫状流沟4个8级构型单元为主, 片流沉积占据较大比例, 槽流带和辫状流沟沉积呈夹层状分布于片流沉积内部。扇中部位发育的构型单元类型较多, 主要包括洪水期片流沉积、辫流沉积、间洪期的辫状流岛、辫状流沟及沟间滩5个8级构型单元, 其中洪水期片流沉积所占比例向下游方向逐渐减小, 辫流沉积逐渐增大; 而间洪期辫状流沟和沟间滩的比例随着分岔增多也逐步增大, 辫状流沟和沟间滩在侧向上共生, 垂向上可呈相互叠置状态存在。在扇缘区域, 主要发育洪水期径流水道及间洪期辫状河道和心滩坝3个8级构型单元, 辫状河道和心滩坝是在洪水期径流水道的基础上发育的, 垂向上叠加在径流水道沉积之上, 并且这3类构型单元多呈孤立状存在于细粒湿地沉积内部(图23)。