李伟, 岳大力, 王武荣, 高建, 吴胜和, 王南溯, 刘警阳, 张佳佳. (2023). 辫状河沉积构型研究进展: 沉积演化与构型特征* [J]. 古地理学报, 25(5): 1032-1048.
LI Wei, YUE Dali, WANG Wurong, GAO Jian, Wu Shenghe, WANG Nansu, LIU Jingyang, ZHANG Jiajia. (2023). Depositional models of braided rivers: characteristics of sedimentary evolution and architecture[J]. Journal Of Palaeogeography, 25(5): 1032-1048.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2023.05.088
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辫状河沉积构型研究进展: 沉积演化与构型特征*
李伟1,2, 岳大力1,2, 王武荣1,2, 高建3, 吴胜和1,2, 王南溯1,2, 刘警阳1,2, 张佳佳1,2
1 油气资源与工程全国重点实验室,中国石油大学(北京),北京 102249
2 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
3 中国石油天然气集团勘探开发研究院,北京 100083
通讯作者简介 岳大力,男,1974年生,博士,教授,博士生导师,主要从事油气田开发地质相关科研与教学工作。E-mail: yuedali@cup.edu.cn。

第一作者简介 李伟,男,1990年生,博士,讲师,主要从事油气田开发地质、油气智能表征等教学与科研工作。E-mail: wei_li@cup.edu.cn。

收稿日期:2023-03-08 修回日期:2023-04-10
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 42202109,42272186)、博士后创新人才支持计划(编号: BX20220351)、中石油勘探开发研究院委托课题(编号: 2021DJ1101)和北京市科协青年人才托举工程(编号: BYESS2023460)联合资助
摘要

辫状河沉积是陆相沉积盆地的重要组成部分,是油气、铀等矿产资源的重要载体。近 30年来,辫状河研究在沉积演化与构型特征等方面取得长足发展,因此系统梳理现有研究成果并展望未来发展方向具有重要的理论意义与工业价值。综合辫状河研究进展并结合笔者及团队的多个研究实例,根据辫状河沉积内部结构与地貌演化速率分为稳定型与游荡型辫状河,两者地貌特征无显著区分标志,形成与演化过程基本相似,可划分为 4个发育阶段: 水流扰动形成横向朵状(叶状)单元坝,河流汇聚形成初始河道与坝尾沉积,单元坝生长、拼接形成复合坝,河流动态平衡阶段。但是两河型的内部构型存在显著区别,稳定型辫状河心滩内部由一系列横向较为稳定的垂积体与落淤层组成; 游荡型辫状河心滩频繁被河道冲刷,导致辫状河道沉积与心滩之间无明显界限、形成“泛连通体”。目前,针对辫状河沉积构型的研究已十分丰富,通过河流动力学与沉积学交叉学科研究辫状河沉积构型模式的主控因素、建立不同沉积条件下多样化的沉积模式,并探究多样化沉积模式的演化过程与成因机理已成为当前的研究难点、热点与发展趋势。

关键词: 辫状河; 单元坝; 复合坝; 心滩; 沉积构型; 演化机理
中图分类号:P512.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2023)05-1032-17
Depositional models of braided rivers: characteristics of sedimentary evolution and architecture
LI Wei1,2, YUE Dali1,2, WANG Wurong1,2, GAO Jian3, Wu Shenghe1,2, WANG Nansu1,2, LIU Jingyang1,2, ZHANG Jiajia1,2
1 National Key Laboratory of Petroleum Resources and Engineering,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
3 PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration and Development,Beijing 100083,China
About the corresponding author YUE Dali,born in 1974,Ph.D.,professor,doctoral supervisor, is engaged in research and teaching of petroleum and gas field development research. E-mail: yuedali@cup.edu.cn.

About the first author LI Wei,born in 1990,Ph.D.,assistant professor,engaged in teaching and researches on petroleum and gas field development geology,and petroleum and gas intelligent characterization. E-mail: wei_li@cup.edu.cn.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 42202109,42272186),China National Postdoctoral Program for Innovative Talents(No. BX20220351),CNPC Research Institute of Petroleum Exploration and Development Commissioned Project(No. 2021DJ1101)and Beijing Science and Technology Association Youth Talent Lifting Project(No. BYESS2023460)
Abstract

Braided river deposits are important components of continental sedimentary basins,and the important reservoirs for hydrocarbon,uranium and other mineral resources. In the past three decades,the study of braided rivers has made great progress in the deposit features,evolution and sedimentary architecture. It has high theoretical significance and industrial value to review previous researches and to forecast the development direction. Generally,braided rivers can be divided into relatively stable and classical ones,according to the variety of sedimentary architecture and the evolution rate of landform. There is no significant distinction between geomorphic features of the two kinds of braided rivers. Their formation and evolution processes are basically similar,mainly consisting of four developmental stages: (i)formation of transverse unit bars with limited relief from an initially featureless bed;(ii)channel development around bars and in some cases dissecting transverse unit bars;(iii)formation of relatively simpler compound bars;and(iv)amalgamation of these simpler compound bars into more complex compound bars. Nevertheless,characteristics of their inner architecture show significant differences. The mid-channel bars in relatively-stable braided rivers are usually composed of a set of vertically accretionary sandbodies and falling silt layers. In terms of the classical braided rivers,erosion/incision surfaces and chutes are in a heavy density. There are no clear boundaries between the bars and channels,and so the bars and channels are stacked on each other and forming a pan-connected sandbody. A large number of studies on the sedimentary architecture of braided rivers have been performed,which shows a growing trend of studying the various sedimentary models of braided rivers,and of exploring their major controls,evolution process and formation mechanism by integrating fluvial dynamics and sedimentology.

Key words: braided river; unit bar; compound bar; braid bar; sedimentary architecture; evolutionary mechanism
1 概述

河流是塑造古今地貌形态的主要外力之一, 其沉积物是沉积盆地的重要组成部分(Sambrook Smith et al., 2006)。多个沉积盆地的系统研究表明, 辫状河沉积在河流相地层中占比最高, 即辫状河是河流体系中最常见的河流类型(Galloway and Hobday, 1996; Gibling, 2006)。辫状河属于富砂型河流, 其沉积砂体是油气和铀等矿产资源聚集的良好场所, 在全球各大油田广泛发育, 如加拿大Alberta盆地(李建平等, 2019)、苏丹Melut盆地(孙天建等, 2014)、Malaysia盆地(Miall, 2002)、巴基斯坦Indus 盆地(Naseer and Asim, 2017)、美国德克斯州(Sullivan et al., 1991)等区域均钻遇辫状河储集层。中国油气资源以陆相碎屑岩储集层为主, 河流相储集层在开发油田中占比最高(徐安娜等, 1998), 如渤海湾盆地、松辽盆地、塔里木盆地、四川盆地等均发育大量辫状河油气储集层(束青林, 2006; 刘钰铭等, 2011; 关旭同等, 2019)。因此, 辫状河沉积演化与沉积构型研究具有重要的理论意义与工业价值。

辫状河的研究由来已久。早在1992年, 伦敦地质家协会首次召开以辫状河为主题的学术会议, 系统梳理了辫状河地貌学与沉积学特征, 为之后的辫状河研究奠定基础、指明方向(Best and Bristow, 1993)。在之后的30年时间里, 得益于高精度探地雷达、浅层地震、密井网等资料与技术在辫状河研究中的应用, 辫状河沉积(构型)研究由一维岩相组合模式(如探槽)、二维构型单元组合关系(如露头剖面)过渡到三维空间展布(如探地雷达)(Best et al., 2003; 于兴河等, 2004; 李伟等, 2022); 得益于高清卫星照片的普及与应用, 河流空间观察尺度不断增大, 河流地貌特征研究亦从局部发展到整体(Sambrook Smith et al., 2006; Temmerman, et al., 2007; 张昌民等, 2017; Castelltort, 2018; Li et al., 2023)。总体而言, 国内外学者已对辫状河沉积开展大量研究, 建立了多个辫状河实例的沉积构型样式(于兴河等, 2004; Jerolmack and Mohrig, 2007; 刘钰铭等, 2011; 金振奎等, 2014; 谭程鹏等, 2014; Li et al., 2015; 李伟等, 2022)。然而, 众多研究实例表明辫状河沉积构型模式多样, 不同学者或基于不同实例建立的沉积构型模式存在显著差异, 缺少对差异沉积模式形成机理与适用条件的系统研究, 导致在地下辫状河储集层预测中难以选择适合的辫状河类型与相匹配的沉积构型模式(Sambrook Smith et al., 2006; Li et al., 2015; Castelltort, 2018; 李伟等, 2022)。

鉴于辫状河沉积构型的复杂性与多样性, 众多学者采用水槽实验与数值模拟的方法, 结合现代沉积与古代露头, 尝试探究不同沉积条件下的辫状河构型样式, 从而更加客观地描述辫状河沉积构型的个性与共性(Ashworth et al., 2004; Bridge and Lunt, 2006; Li et al., 2015; Castelltort, 2018; Fielding et al., 2018; 李胜利等, 2022; 李伟等, 2022)。尤其是近10年来, 随着河流数值模拟技术在沉积学领域的应用与探索, 有学者采用以河流动力学为基础的模拟方法, 再现了不同沉积条件下的辫状河形成过程与沉积演化机制, 极大推动了辫状河沉积构型主控因素分析与多样化沉积模式形成机理研究(Schuurman et al., 2013; Schuurman and Kleinhans, 2015; Nicholas et al., 2016, 2018; 张可等, 2018; 甘泉, 2021; Li et al., 2022)。

总之, 近30年来在辫状河形成演化机理、多样化沉积构型模式方面均取得丰硕成果, 呈现出沉积学、地貌学与动力学多学科交叉的趋势(Nicholas et al., 2018; 李伟, 2021; Li et al., 2022)。因此, 作者对上述成果系统梳理, 阐明辫状河的形成演化过程、建立辫状河多样化的沉积构型模式、探讨其主控因素与形成机理, 并预测未来发展趋势, 具有重要理论意义与推广价值。

2 辫状河形成过程与演化特征
2.1 辫状河沉积构型单元类型及内涵

辫状河指弯曲度较低的、河道不稳定的分汊型河流, 其河道弯曲度一般小于1.5, 分叉系数通常大于2(Crosato and Mosselman, 2009)。河道沉积分为多个级次, 沿用前人研究惯例(Miall, 1985; Sambrook Smith et al., 2006; 于兴河等, 2004), 将辫状河形成的带状沉积定义为辫流带; 辫状河内部低水位被沙坝分隔的次一级河道定义为辫状河道(或辫状水道)(图 1-A, 1-B)。因此, 辫状河沉积主要包括辫状河道沉积、沙坝(复合坝、正在生长单元坝)、少量溢岸以及残余的泛滥平原, 其中辫状河道充填与沙坝为沉积主体(Cant and Walker, 1976, 1978; Miall, 1985; 于兴河等, 2004; Bridge and Lunt, 2006)。

图 1 辫状河典型沙坝类型与地貌特征
A— 美国Sagavanirktok River某河段典型心滩与单元坝卫星照片(Bridge and Lunt, 2006); B— 辫状河、辫状河道与沙坝之间的关系, 对应图(A), 沉积解释据Bridge and Lunt(2006)修改; C— 印度Ganges River正在生长的复合坝与单元坝卫星照片(据Schuurman and Kleinhans, 2015); D— 中国松花江多种复合坝与单元坝卫星照片Fig.1 Common types of bars in braided rivers and their bedforms from aerial photographs.

2.1.1 辫状河道沉积

辫状河道充填形成的沉积体即为辫状河道沉积, 一般呈顶平底凹状或透镜状(Cant and Walker, 1976, 1978)。根据河道水流机制与充填样式分为迁移型辫状河道沉积、填积型辫状河道沉积、摆动型辫状河道沉积与废弃型河道(图 2)(于兴河等, 2004): 迁移型河道多位于辫流带内部辫状河道弯曲段, 摆动型与填积型河道一般位于辫状河道相对顺直段或低弯度段, 废弃型河道一般位于辫流带两侧。前3种河道多为砂质或砾质充填、水动力强, 是辫状河道沉积主体; 而废弃型河道为细粒充填, 常见泥质(或粉砂质)充填、泥质半充填, 反映水体能量较弱。

图 2 辫状河道充填类型(据于兴河, 2004) Fig.2 Common types of channel fills in braided rivers(after Yu, 2004)
A— 迁移型辫状河道沉积; B— 摆动型辫状河道沉积; C— 填积型辫状河道沉积; D— 废弃型河道沉积

2.1.2 辫状河沙坝

辫状河沉积内部发育多种沙坝, 根据其形成过程与发育阶段划分为单元坝(unit bar)与复合坝(compound bar)(Bridge and Lunt, 2006; Li et al., 2023)。

(1)单元坝类型与内涵

在辫状河沉积体系, 单元坝指由一种沉积成因紧密关联的、沉积过程未发生明显间断的沙坝(Ashmore, 1982; Sambrook Smith et al., 2006); 根据其发育位置与形成机制划分为3种常见类型(图 1): 在辫状河道内部形成的、以垂向加积为主的朵状单元坝(lobate unit bar/lobate bar), 在辫状河道相对顺直段两侧形成的、垂向加积为主的交替型单元坝(alternate unit bar/alternate bar), 在辫状河道相对弯曲段内侧形成的、以侧向加积为主的滚动型单元坝(scroll unit bar/scroll bar)(图 1)(Smith, 1974; Ashmore, 1982; Lunt et al., 2004; 李伟, 2021; Li et al., 2023)。

(2)复合坝类型及内涵

在辫状河沉积体系中, 复合坝指由多期单元坝、沙丘或小型河道充填形成的、沉积结构较为复杂的沙坝(Ashmore, 1982; Sambrook Smith et al., 2006)。国内大量从事地下储集层研究的学者通常将复合坝与“ 心滩” 相对应, 广义的心滩既包括位于河道中部的复合坝(mid-channel bar, 狭义的心滩), 也包括位于河道两侧的横向沙坝(side bar)(于兴河等, 2004; Li et al., 2015, 2023; 李胜利等, 2022; 李伟等, 2022)。

根据心滩(文中指广义的心滩)的形成过程、内部结构与复杂程度, 结合前人研究成果, 笔者将心滩细分为单一心滩(compound bar)与复合心滩(amalgamated compound bar/channel island)(图 1)(Li et al., 2023)。单一心滩指由一系列成因关联的单元坝叠加形成的复合坝(Smith, 1974; Ashmore, 1982; Lunt et al., 2004; Bridge and Lunt et al., 2006), 根据其长轴方向与水流方向之间的关系, 又可细分为纵向沙坝、斜向沙坝、横向沙坝(于兴河等, 2004)。由多个单一心滩、辫状河道沉积与单元坝拼叠形成的沙坝复合体称作复合心滩(amalgamated compound bar/channel island)(图 1-D)(李伟, 2021; 李伟等, 2022; Li et al., 2023)。

2.2 辫状河形成过程与演化机理

2.2.1 辫状河的形成与演化

综合现代沉积、水槽实验与沉积数值模拟, 众多学者研究并总结了辫状河沉积形成过程与演化规律(何宇航等, 2012; Williams et al., 2013; Schuurman and Kleinhans, 2015; 张可等, 2017; Nicholas et al., 2018; 何维领等, 2019; Li et al., 2023)。研究表明, 不同沉积条件下辫状河形成与演化过程存在一定差异, 但总体规律基本一致(Schuurman et al., 2013; Li et al., 2023)。以平坦河床为经典的初始模型(恒定流量、沉积物供给动态平衡), 辫状河形成与演化经历以下主要阶段(Schuurman et al., 2013; Li et al., 2023): (1)平坦河床形成水流扰动, 底床开始出现明显起伏(图 3-A), 单元坝开始形成并向下游快速迁移(图 3-B至3-C中坝F位置变化); (2)水流汇聚作用促使单元坝周围侵蚀加剧形成水道(即河道化), 坝体沉积厚度增大, 头部(上游)侵蚀、尾部(下游)沉积形成坝尾沉积(Bar-tail limb)(图 3-B, 3-C; 坝B-C); (3)伴随着持续的坝尾与侧向沉积, 部分单元坝直接形成复合坝, 即单一心滩(图 3-D, 坝D), 部分单元坝拼叠形成复合坝(图 3-E, 坝B); (4)一部分辫状河道充填, 导致多个相邻复合坝进一步拼叠, 形成更加复杂的复合心滩(amalgamated compound bar)(图 3-F, Island-1), 辫状河进入动态平衡阶段(图 3-E, 3-F)。动态平衡阶段侵蚀与沉积仍在发生, 并伴随心滩的分割与合并、辫状河道的形成与废弃; 整个模拟河段的水动力及地貌特征基本稳定(对比图 3-E, 3-F)。

图 3 基于Delft3D软件的辫状河形成过程沉积数值模拟结果(据Li et al., 2023)Fig.3 Development of braided rivers based on numerical simulations of software Delft3D(after Li et al., 2023)

不同模拟时间的河床沉积与侵蚀厚度时间演化切片, 河床平均坡度0.3 m/km, 流量1780 m3/s, 平均水深2.4 m.

综合前人研究成果, 笔者将辫状河形成与演化归为4个阶段(图 4)(Schuurman and Kleinhans, 2015; 张可等, 2017; Nicholas et al., 2018; 李伟, 2021; 李伟等, 2022; Li et al., 2023): (1)单元坝形成: 水流扰动形成朵状单元坝与横向单元坝(横向宽度大于纵向长度)(图 4-A)。(2)河道化与坝尾沉积: 水流汇聚作用促使坝体周围开始形成辫状河道, 同时在坝体尾部(下游方向)临近水道的位置形成坝尾沉积(图 4-B)。(3)复合坝形成: 伴随着单元坝生长和迁移, 单元坝生长或拼叠形成简单的复合坝, 即单一心滩; 部分相邻的单一心滩会进一步叠合, 形成更为复杂的复合心滩(图 4-C)。(4)动态平衡: 辫状河处于动态平衡过程, 伴随着心滩的生长、合并与分割, 辫状河道的形成与充填。不同沉积条件下的辫状河, 前3个发育阶段大致相似, 但在“ 动态平衡” 阶段存在显著区别(图 4-D, 4-E): 底床坡度小、单位流量小、携沙量相对较少, 心滩与辫状河道相对稳定, 地貌演化速率慢, 形成相对稳定的辫状河, 即洪水前后心滩与辫状河道具有明显继承性(对比图 4-C, 4-D); 底床坡度大、单位流量大、携沙量相对充足, 心滩与辫状河道的演化非常快, 辫状河道频繁改道, 形成游荡型辫状河, 即洪水前后心滩与辫状河道发生显著变化(对比图 4-C至4-E)。

图 4 辫状河形成与演化模式(图A-D据Li et al., 2023)Fig.4 Development and evolution model of braided rivers(Fig. A-D are after Li et al., 2023)

2.2.2 单一心滩的形成与演化

单一心滩的形成过程属于辫状河形成与演化的重要组成部分, 大致划分为4个主要阶段(图 5)。(1)单元坝开始形成: 初始单元坝呈叶状或朵状, 横向宽度常大于纵向长度, 坝体上游一侧(左侧)坡度缓而下游一侧(右侧)坡度陡(图 5-A, 5-B)。该阶段, 单元坝上游受水流冲刷, 以侵蚀为主; 下游水流受沙坝阻挡作用, 流速降低、泥沙沉降, 以沉积为主; 故沙坝向下游方向迁移(图 5-B和5-D中坝E和F位置变化)。(2)河道化: 随着单元坝厚度增大, 水流开始聚集, 围绕沙坝(图 5-C, 坝A)或切割横向沙坝(图 5-C, 坝B; 图 5-D, 坝F)形成水道, 即初始辫状河道。(3)坝尾沉积: 伴随着水道的形成, 单元坝下游一侧、临近水道的位置快速堆积形成坝尾沉积(bar-tail limbs)(图 5-E, 坝A-C; 现代沉积, 图 5-F, 坝A-B)。此外, 水道的形成促使沙坝头部坡度变陡, 坝尾沉积促使沙坝尾部坡度变缓, 单一心滩初具形态(图 5-E, 5-F)。(4)单一心滩形成: 伴随着坝体两侧生长, 坝尾之间的洼地逐渐被沉积物充填(图 5-H, 5-I; 区域A), 心滩与辫状水道形成(图 5-G至5-I), 此时心滩头部(上游)略高于尾部(下游)(对比图 5-H与5-I)。基于以上分析, 建立了单一心滩形成与演化模式(图 5-J)。

图 5 辫状河单一心滩的形成与演化
A— 印度Sone河某河段枯水期河床地貌卫星照片: 朵状单元坝形态特征; B, D, E, G— 基于沉积数值模拟的辫状河地貌特征时间序列切片(模拟参数见Li et al., 2023); C— 印度Sone河某支流枯水期河床地貌卫星照片: 单一心滩的2种发育过程; F— 印度Ganges河某河段卫星照片: 正在生长的、带有典型坝尾沉积的心滩; H, I— 中国松花江松原段汛期与枯水期卫星照片: 单一心滩, 水位表明坝尾高程较低; J— 单一心滩形成演化模式Fig.5 Development and evolution of simple compound bars in braided rivers

2.2.3 复合心滩的形成与演化

辫状河道的形成、合并与废弃, 促使多个单一心滩进一步拼叠形成大型复合心滩(amalgamated compound bar/channel island)(Li et al., 2023)。以数值模拟结果为例, 单一心滩对下游水流形成有效阻挡(图 6-A至6-C), 导致水流流速分布不均, 继而导致心滩之间的部分河道流速降低、泥沙沉降(图 6-D), 辫状河道被充填; 心滩外围的部分河道流量增大, 河道拓宽; 最终促使大型复合心滩形成(图 6-E), 该现象在辫状河十分常见(图 6-F至6-J), 在游荡型辫状河中尤为发育(李伟等, 2021; Li et al., 2023)。水流作用较强时, 复合心滩内部充填河道可能复活, 导致复合心滩被侵蚀、分割。

图 6 辫状河大型复合心滩的形成与演化
A~C, F— 基于沉积数值模拟的辫状河地貌特征时间序列切片(模拟参数见Li et al., 2022); D— 模拟时间为74天时的底床沉积物浓度分布; F— 松花江松原段复杂型复合心滩; G— 松花江松原河段卫星照片Fig.6 Development and evolution of larger, amalgamated compound bars in braided rivers

3 辫状河类型与成因分析
3.1 辫状河类型

辫状河沉积体系复杂, 地貌特征相似但内部沉积构型存在显著差异(Miall, 1985; Sambrook Smith et al., 2006)。鉴于此, 根据辫状河沉积内部结构(如心滩的完整性)、结合活动河道的稳定性, 分为游荡型辫状河与相对稳定的辫状河(简称稳定型辫状河)。就地貌特征而言, 后者分叉系数一般比较大(狭窄的限定性河谷除外, 该条件也可导致辫流指数很小), 但2类辫状河之间并无明显的界定标志。在沉积构型特征方面, 两者存在显著区别, 前者辫状河道沉积与心滩相对稳定, 两者间边界清晰; 后者则频繁改道, 甚至季节性洪水前后辫状河道与心滩会发生显著变化, 内部沉积以河道充填为主、不发育典型心滩沉积, 辫状河道沉积与残余心滩形成泛连通体(邵学军与王兴奎, 2013; 任晓旭等, 2018; 李伟等, 2022; Li et al., 2023)。

值得注意, 英文中“ braided river” 泛指辫状河沉积, 尤其多指游荡型辫状河(Best and Bristow, 1993; Sambrook Smith et al., 2006); “ wandering river” 为蜿蜒的分汊型河流、或辫状河与曲流河交替出现的河段(Brierley and Hickin, 1985; Brierley, 1989, 1991; Schumm, 2005; Carling, et al., 2016; 李胜利等, 2017)。例如, Sichingabula(1986)、Brierley(1989)和van den Berg(1995)等学者先后对加拿大Squamish River的河型转化进行研究(图 7-A), 定义该河段上游为辫状河(braided river)(图 7-B)、下游为曲流河(meandering river)(图 7-D)、中游为辫— 曲过渡型河流或弯曲度较大的稳定型辫状河(wandering river)(图 7-C)。

图 7 加拿大Squamish河的河流类型及转化卫星照片
河流类型划分源于Brierley, 1989和Sichingabula, 1986; 部分文献将wandering river直译为游荡型辫状河值得商榷Fig.7 Aerial photographs of Squamish river in Canada showing transition between different river types

3.2 辫状河类型主控因素与成因分析

辫状河类型(稳定型与游荡型)影响因素众多, 各因素间存在不同程度的关联性, 如可容空间、物源供给、地形坡度、流量、河床及河岸沉积物组成、输沙量、植被、气候、温度、纬度等(肖毅等, 2012; 谭程鹏等, 2014; Li et al., 2015)。众多学者尝试综合考虑多种因素, 探究直接控制河流类型及其转化的主要因素。由于研究对象与时间尺度的巨大区别, 地理与水利学家、沉积学家对河流类型主控因素研究存在显著差别(邵学军与王兴奎, 2013; 王敏等, 2017; Yao et al., 2018), 文中分别针对现代河流与古代河流沉积开展沉积机制分析。

3.2.1 现代河流

地理与水利学以现代河流为研究对象, 时间跨度在几年至几百年之间, 河流参数获取较为简单。研究人员将多种外界条件(因素)归纳为3个主要条件, 即来水条件、来沙条件与河床边界条件; 相应地, 将河流功率(单位河流功率)、输沙量与河岸抗侵蚀强度作为直接控制辫状河类型的主控因素; 尽管不同学者的认识不尽相同, 但上述主控因素得到多数学者的认可(钱宁, 1985; van den Berg, 1995; Eaton et al., 2010)。就游荡型与稳定型辫状河而言, 单位河流功率增大, 河道稳定性减弱, 稳定型辫状河向游荡型辫状河转化; 输沙量增大, 河道淤积频率升高, 稳定型向游荡型辫状河转化; 河岸抗侵蚀强度减小, 河道稳定性减弱, 稳定型向游荡型辫状河转化(钱宁, 1985; van den Berg, 1995; Eaton et al., 2010)。

3.2.2 古代河流沉积

地质学家以古代河流为研究对象, 时间尺度常以百万年为衡量单位, 河流参数获取困难。因此, 通常针对物源供给、可容空间、古构造、古气候、物源、湖/海平面等因素开展河流类型成因研究, 其中可容空间与物源供给之比(简称A/S)是多因素综合响应, 对辫状河类型及沉积特征具有显著控制作用(谭程鹏等, 2014; Li et al., 2015; 李胜利等, 2022; 李伟等, 2022)。下文对上述控制因素逐一分析。

(1)构造/古构造

构造对沉积具有重要控制作用, 自山前到冲积平原, 常见陆相沉积环境依次为冲积扇、辫状河、曲流河(Miall, 1985)。就辫状河类型转化, 古构造对河流类特征的影响直接表现为河床坡度变化, 如局部抬升导致河床坡度增大、河流功率增强, 稳定型辫状河向游荡型辫状河过渡; 反之, 坡度减小会导致河流功率减小, 游荡型向稳定型辫状河过渡。

(2)气候/古气候

古气候对河流特征的影响主要体现在流量、输沙量、植被发育程度、气温等多个方面, 其中流量(大小与变化)是连接古气候与河流相地层的主要桥梁, 输沙量与植被均受流量直接控制(Hansford and Plink-Bjö rklund, 2020)。Langbein和Schumm曾对气候因素开展深入研究, 将降雨(流量)、输沙量、温度与植被综合考虑, 提出了著名的Langbein-Schumm定律, 认为伴随着降雨持续增大, 输沙量先增大后降低(Langbein and Schumm, 1958)。

辫状河类型与气候具有类似关系。河流流域的气候通常划分为湿润、半湿润、半干旱、干旱、极端干旱5种类型; 温暖湿润气候河流流量相对均衡、植被发育、水土保持能力强, 干旱寒冷气候恰好相反。就辫状河类型而言, 干旱、极端干旱地区, 降雨稀少, 河流流量很低, 河道相对稳定(实际上河流发育程度很低); 半干旱地区, 植被发育较少, 突发性大型洪水时有发生, 河道稳定型降低, 易发育游荡型辫状河; 半湿润地区, 流量适中, 植被发育, 河道稳定性升高, 易形成稳定型辫状河; 湿润地区, 流量充足, 河流功率升高, 河道稳定性降低(Schumm, 2005; Sambrook Smith et al., 2006; Eaton et al., 2010)。总之, 综合多个研究实例结合笔者及所在团队开展的相关研究(李伟, 2021; 李伟等, 2022; Li et al., 2023), 认为气候由干旱向湿润过渡, 河道在一定程度上呈现稳定型先减弱、后增强、最后再减弱的现象。

(3)物源

物源对河流的影响主要体现在2个方面: 一是上游输沙量的变化、二是物源区的基底类型。一般而言, 距离物源越近、风化程度越高, 河流的输沙量越大, 对于辫状河沉积体系而言, 越易形成游荡型辫状河沉积; 反之, 则容易形成稳定型辫状河(Schumm, 2005; 谭程鹏等, 2014; Yao et al., 2018)。在物源区基岩方面, 母岩的抗风化能力、刚性等参数, 会影响沉积物的粒度。在水动力等其他沉积条件一定时, 沉积物粒度大、抗侵蚀能力强(Brierley and Hickin, 1985), 河流相对稳定, 即物源区的沉积物粒度越大, 河床沉积物粒度相对越粗, 河道越稳定, 亦形成稳定型辫状河。

(4)海(湖)平面

与海(湖)相沉积环境不同, 海(湖)平面对河流特征的影响较小, 一般仅限于河流末端、入海前的几公里至几十公里的范围(部分属于辫状河三角洲平原沉积)(Miall, 1991; Shanley and McCabe, 1994; Colombera et al., 2015)。在河流末端, 下游湖/海平面升高, 受下游水流与潜水面等顶托作用的影响, 河流功率逐渐减弱, 尽管整个河道体系的稳定性减弱, 但单一河道的稳定性增强(Shanley and McCabe, 1994)。

(5)可容空间与物源供给

对于河流相储集层, 可容空间与物源供给难以量化, 多将2个因素综合考虑, 即可容空间与物源供给之比(A/S), 该参数指示了河流相沉积的基准面升降, 是多因素综合响应, 是控制河流类型(包括辫状河类型)的重要因素(Cross, 2000; 邓宏文等, 2007; Miall, 2010)。基准面低位、物源供给充足而可容空间相对不足, 河道稳定性减弱, 易形成游荡型辫状河; 基准面高位、物源供给相对不足而可容空间充足, 河道稳定性增强, 易形成稳定型辫状河与曲流河。总之, 伴随着A/S升高, 河道稳定性增大, 辫状河由游荡型向稳定型辫状河过渡(谭程鹏等, 2014; Li et al., 2015; Yao et al., 2018; 李伟, 2021; 李伟等, 2022)。

4 辫状河内部沉积构型

游荡型与稳定型辫状河在沉积构型及砂体连通性方面具有显著差异, 因此下文以2个典型的露头实例描述2种辫状河沉积的构型特征(图 8; 图 9), 并建立基准面控制的辫状河类型与沉积构型模式(图 10)。

图 8 山西大同晋华宫铁路桥砂质辫状河露头剖面与精细构型解释(据李伟等, 2022; 有修改)
A— 露头拼接照片; B— 构型界面划分与岩性剖面; C— 构型单元精细解释与分布特征Fig.8 Outcropping sandy braided successions and their architecture interpretation along the Jinhuagong railway bridge, in Datong city, Shanxi Province(modified from Li et al., 2022)

图 9 山西大同吴官屯河流相露头剖面及构型解释(据李伟等, 2022; 有修改)
A— 露头拼接照片; B— 精细构型解释; C— 典型心滩与辫状河道沉积局部放大(对应图A中的方框区域); D— 典型心滩与辫状河道沉积构型解释(对应图B中的方框区域)Fig.9 Outcropping fluvial successions and their architecture interpretation in Wuguantun village, Datong city, Shanxi Province (modified from Li et al., 2022)

图 10 Jamuna河内部典型心滩的探地雷达测线与三维构型原型模型(据Best et al., 2003)Fig.10 Three-dimensional sedimentary architecture of a classic braid compound bar within Jamuna river(after Best et al., 2003)

4.1 游荡型辫状河

游荡型辫状河属于低弯度、高辫状化、河道极不稳定的河流, 常与限定性河谷伴生(Best and Bristow, 1993; Bridge and Lunt, 2006; 李伟等, 2022)。平面上, 辫流带呈带状或宽带状分布, 宽度及地貌特征受限于河谷规模, 河谷较窄时辫流带可充填整个河谷; 河谷变宽时, 辫流带宽度显著增大且经常分汊形成2个相邻的辫流带(图 7-A, 7-B)。剖面上, 以山西大同游荡型辫状河露头为例(图 8-A), 该剖面沉积物以中— 粗砂岩为主, 辫流带紧密堆叠, 几乎不发育泛滥平原与溢岸沉积; 辫流带内部, 沟道与冲刷面极为发育, 辫状河道沉积与心滩形成“ 泛连通体” ; 心滩内部沙丘彼此交错、紧密叠合, 不发育典型的落淤层与垂积体; 辫状河道横截面近似对称, 表明横向环流作用很弱(图 8)。

4.2 稳定型辫状河

稳定型辫状河辫状河道的改道频率较高、地貌演化速率较快, 但其内部结构明显区别于游荡型辫状河。已有研究表明, 山西大同稳定型辫状河(图 9)露头剖面下部以稳定型辫状河沉积为主、上部以曲流河沉积为主(Li et al., 2015; 李伟, 2021; 李伟等, 2022)。孟加拉国Jamuna河(图10)为相对较为稳定的大型辫状河(Best et al., 2003), 沉积以中砂岩为主, 砂地比介于8︰10到 9︰10之间, 辫流带顶部发育0.2~0.6 cm的泛滥平原泥岩。相比于游荡型辫状河, 稳定型辫状河内部发育较为稳定的辫状河道与心滩, 河道冲刷面明显减少; 沙坝以心滩为主, 可见少量边滩(图 9-A, 9-B); 心滩内部由多期落淤层与垂积体组成(图 9-C; 图 10), 心滩中部为顺流加积, 两侧可发育少量侧向加积(图 9-C, 9-D; 图 10)。

4.3 辫状河主要类型与构型模式

可容空间与物源供给是多因素综合响应, 是控制辫状河类型的重要因素。就辫状河沉积体系而言, A/S较小、即可容空间不足而物源供给相对充足时, 发育游荡型辫状河; A/S较大、即可容空间充足而物源供给相对不足时, 发育稳定型辫状河; A/S继续增大, 发育辫— 曲过渡型河流(图 11)。

图 11 基准面旋回控制的辫状河沉积类型及内部构型模式(据李伟, 2021; 李伟等, 2022; 有修改)
A— 基准面相对高位, 辫— 曲过渡型河流沉积; B— 基准面相对中位, 稳定型辫状河沉积; C— 基准面相对低位, 游荡型辫状河沉积Fig.11 Types of braided river systems and their inner sedimentary architecture in different conditions of base-level (modified from Li, 2021; Li et al., 2022)

游荡型辫状河呈宽带状分布, 垂向上河道紧密切叠。辫流带内部以辫状河道沉积与心滩为主, 沟道与冲刷面极为发育; 心滩内部沙丘彼此交错、紧密叠合, 不发育典型的落淤层与垂积体; 心滩被河道频繁切割、保存不完整, 辫状河道沉积与心滩形成“ 泛连通体” (图 11-C)。

稳定型辫状河垂向上河道切叠程度降低, 辫流带内部以辫状河道沉积与心滩为主, 可见少量边滩, 河道带顶部发育少量泛滥平原沉积。部分心滩保存比较完整, 内部结构相对稳定, 由多期落淤层与垂积体组成, 心滩中部为顺流加积, 两侧可发育少量侧向加积(图 11-B)。

辫— 曲过渡型河流, 辫状河与曲流河交替出现, 且以稳定型辫状河为主。过渡型河流的辫流指数较低, 以2为主(即河道的横截面仅发育1个心滩)。辫流段内部以辫状河道沉积与心滩为主, 可见少量边滩与溢岸沉积; 心滩内部发育横向比较稳定的落淤层与垂积体, 边部可见少量侧积产物。曲流段发育点坝, 内部侧积体数量较少, 侧积层稳定性较差、常被串沟侵蚀, 点坝中部可见垂向加积产物(图 11-A)。

5 结论与展望

1)辫状河类型多样, 根据内部沉积构型与心滩稳定程度分为稳定型与游荡型辫状河。整体而言, 两者地貌特征无明显差异, 但内部构型结构存在显著区别: 稳定型辫状河心滩内部由一系列横向较为稳定的垂积体与落淤层组成; 游荡型辫状河心滩频繁被河道冲刷, 导致心滩保存程度低、辫状河道沉积与残余心滩之间无明显界限、形成“ 泛连通体” 。此外, 辫— 曲过渡型河流的分汊河段也可归为稳定型辫状河的一种, 该河型分汊指数低(通常在2左右), 其心滩内部结构与稳定型辫状河相似。

2)辫状河形成与演化分为4个阶段: 水流扰动形成横向朵状单元坝, 河流汇聚形成初始河道与坝尾沉积, 单元坝生长、拼接形成复合坝, 河流动态平衡阶段。动态平衡阶段, 稳定型辫状河地貌演化速率较低, 季节性洪水前后地貌特征具有明显的继承性, 仅在局部发生显著变化; 游荡型辫状河洪水前后辫状河地貌特征整体可发生显著变化。

3)辫状河内部沙坝类型多样, 根据形成过程与发育阶段划分为单元坝与复合坝, 常见单元坝包括辫状河道内部形成朵状单元坝、河道顺直段两侧形成的交替沙坝、弯曲河道内侧形成的滚动坝; 复合坝主要包括单一心滩坝与大型复合心滩。

辫状河作为一种十分复杂的河流, 在成因分类、沉积条件、形成演化过程与沉积响应方面尚存在一些问题有待深入研究。(1)现有辫状河分类方案主要基于地貌特征或内部沉积结构, 缺少兼顾两者的分类方案; (2)辫状河成因机理复杂, 开展河流动力学与沉积学交叉学科来探讨其形成条件、演化机理与沉积模式是当下及未来的重要发展方向; (3)辫状河沉积构型多样, 明确其主控因素, 建立沉积条件主控的、具有实际指导意义的多样化沉积构型模式(定性与定量)是当前研究的重点与难点。

(责任编辑 李新坡; 英文审校 陈吉涛)

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