现代河流扇的全球分布、类型及控制因素 (1).pdf
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1、第3 0卷 第4期2 0 2 3年7月地学前缘(中国地质大学(北京);北京大学)E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s(C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(B e i j i n g);P e k i n g U n i v e r s i t y)V o l.3 0 N o.4J u l.2 0 2 3h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4
2、)收稿日期:2 0 2 2 0 9 0 6;修回日期:2 0 2 3 0 1 0 6基金项目:国家科技重大专项“陆相深水储集体成因与地质评价新方法(2 0 1 7 Z X 0 5 0 0 9-0 0 2)”作者简介:张元福(1 9 7 9),男,博士,教授,博士生导师,主要从事沉积学理论及油气储集层的研究工作。E-m a i l:z y f c u g b.e d u.c nD O I:1 0.1 3 7 4 5/j.e s f.s f.2 0 2 2.1 2.5 2现代河流扇的全球分布、类型及控制因素张元福1,王 敏2,张 森1,孙世坦1,李鑫鑫1,袁晓冬1,黄云英1,张晓晗11.中国地质大
3、学(北京)能源学院,北京 1 0 0 0 8 32.中国石油勘探开发研究院,北京 1 0 0 0 8 3Z H A N G Y u a n f u1,W A N G M i n2,Z H A N G S e n1,S U N S h i t a n1,L I X i n x i n1,YUA N X i a o d o ng1,HUA N G Y u nyi ng1,Z HA N G X i a o h a n11.S c h o o l of E n e rg y R e s o u r c e s,C h i n a U n i v e r s i ty of G e o s c i e
4、n c e s(B e iji ng),B e iji ng 1 0 0 0 8 3,C h i n a2.P e t r o C h i n a R e s e a r c h I n s t i t u t e of P e t r o l e u m E xpl o r a t i o n&D e v e l opm e n t,B e iji ng 1 0 0 0 8 3,C h i n aZ H A N G Y u a n f u,WA N G M i n,Z H A N G S e n,e t a l.M o d e r n f l u v i a l f a n s:G l o
5、b a l d i s t r i b u t i o n,f a n t y p e s a n d c o n t r o l l i n g f a c t o r s.E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s,2 0 2 3,3 0(4):3 8 9-4 0 4A b s t r a c t:F l u v i a l f a n s a r e a n i mpo r t a n t t opi c i n s e d i m e n t o l og y.A s f a n r e s e a r c h a t t r a c t s m
6、 o r e a t t e n t i o n i n r e c e n t ye a r s,v a r i o u s f a n t e r m i n o l og y sys t e m s a r e b e i ng u s e d i n pa r a l l e l,b u t t h e r e l a c k s a n i n d epe n d e n t t e r m i n o l og y sys t e m f o r f l u v i a l f a n s.T o a d d r e s s t h i s i s s u e,w e c o n
7、s t r u c t e d a s e d i m e n t d a t a s e t c o n t a i n i ng s e d i m e n t s f r o m 3 8 3 m o d e r n f l u v i a l f a n s a c r o s s t h e gl o b e,w i t h 8 4 0 0 d a t a a n a lyz e d u s i ng s t a t i s t i c a l m e t h o d.F o r t h e f i r s t t i m e,b a s e d o n t h e d a t a s
8、 e t,w e o b t a i n e d t h e gl o b a l d i s t r i b u t i o n o f m o d e r n f l u v i a l f a n s,d e l i n e a t e d t h e m a i n f a n ty pe s,a n d c l a r i f i e d t h e c o n t r o l l i ng f a c t o r s o f f a n f o r m a t i o n a n d d e v e l opm e n t.T h e gl o b a l d i s t r i
9、b u t i o n s o f f l u v i a l f a n s s h o w o b v i o u s l a t i t u d i n a l a n d ge ogr aph i c a l z o n a t i o n,w i t h 4 9.5%f a n s d i s t r i b u t e d b e t w e e n 3 0 N5 0 N a n d 5 0.1%i n c e n t r a l A s i a a n d w e s t e r n C h i n a.A c c o r d i ng t o t h e t opogr aph
10、 i c a n d r i v e r s w i ng c o n d i t i o n s,f l u v i a l f a n s c a n b e d i v i d e d i n t o f o u r ty pe s:u n r e s t r i c t e d s upe rpo s i t i o n,u n r e s t r i c t e d s w i ng,r e s t r i c t e d s upe rpo s i t i o n a n d r e s t r i c t e d s w i ng.F l u v i a l f a n s a
11、r e m a i n ly f o r m e d u n d e r a r i d a n d s e m i-a r i d c l i m a t e s,c o n t r o l l e d by l o c a l t e c t o n i c c o n d i t i o n s,c l i m a t e a n d m a t e r i a l s o u r c e s up ply.F l u v i a l s e d i m e n t a t i o n i s d o m i n a n t i n f l u v i a l f a n s w h i
12、 c h s h o w o b v i o u s h e t e r oge n e i ty f r o m t h e ape x t o t h e e n d o f t h e f a n.T h e a r e a o f a f l u v i a l f a n i s c o n t r o l l e d by l a t i t u d e,t e mpe r a t u r e,s l ope,c a t c h m e n t a r e a,a n n u a l r a i n f a l l a n d ape x-t o-m o u n t a i n d
13、 i s t a n c e.W i t h m o r e i n-d ept h r e s e a r c h,f l u v i a l f a n s w i l l pl ay a n i n c r e a s i ngly i mpo r t a n t r o l e i n s e d i m e n t o l og y,ge o l ogi c a l d i s a s t e r pr e v e n t i o n,o i l e xpl o r a t i o n,a n d e v e n i n i n t e rpl a n e t a ry s e d
14、i m e n t o l og y.K e y w o r d s:f l u v i a l f a n;c o n t r o l l i ng f a c t o r s;f l u v i a l f a n ty pe;d a t a s e t o f f l u v i a l f a n 摘 要:扇研究一直是沉积学中充满活力的研究主题,河流扇是扇研究的重要组成部分。近年来,河流扇研究引起了诸多学者关注,多种相关术语体系并行。针对上述问题,我们建立了一个融合3 8 3个全球现代河流扇沉积数据集,统计分析各类数据达8 4 0 0条。基于数据集,我们首次掌握了现代河流扇的全球分布,
15、划分了河流扇的主要类型,明确了扇体形成、发育的控制因素。其中,河流扇的全球分布具备明显的纬度分带和地域分区特征:从纬度上看,主要发育在北纬3 0 5 0(4 9.5%);从地域上看,主要分布在亚洲中部及中国西部(5 0.1%)。根据地形限制和河道摆动情况,可以把河流扇分为非限制迭进型、非限制摆动型、限制迭进型和限制摆动型4种形态类型。河流扇主要在干旱、半干旱条件下形成,受局部构造条件、气候以及物源供给控制。3 9 0 张元福,王 敏,张 森,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)h t t p s:/w w
16、 w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)扇体内部建造以河流作用为主,从扇体顶点到远端呈现出明显的异质性。扇体的面积直接受控于纬度、温度、坡度、集水区面积、区域年降雨量和山前距离等因素。随着研究的进一步深入,河流扇将在沉积学、地质灾害防治、石油勘探,甚至行星际沉积学等方面发挥重要作用。关键词:河流扇;控制因素;河流扇类型;河流扇数据集中图分类号:P 7 3 6.2 1 3 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 5-2 3 2 1(2 0 2 3)0 4-0 3 8 9-0 0 1 60 引
17、言河流扇的概念是在研究冲积扇的过程中逐渐演化和分离出来的1-3。D e n n y4于1 9 6 7年在冲积扇的研究中指出,冲积扇上发育有突发性水流形成的朵叶体,朵叶体的大小是坡度、径向长度和局部地貌的函数。A n s t e y5认为这种通过朵叶体扩张所形成的冲积扇半径通常小于1 0 k m,但对于在开阔的陆上地区观察到的大量半径大于1 0 k m的扇体用冲积扇难以解释。1 9 7 7年,S c h u mm6率先在 河流体系 一书中提出了河流扇概念的基本雏形,认为河流扇是具有稳定河水供给的扇形沉积体。N e m e c等7研究了表面具有常年性河流的冲积扇,并认为此类扇体应用典型冲积扇的概念
18、难以解释,故将其称为湿扇。B l a i r等8于1 9 9 4研究了阿根廷的H u a c o和J a c h a l河后,认为冲积扇一般坡度较陡,且扇体长度小于1 0 k m。当河流从高地进入比较宽阔的地带后,形成的扇形沉积体应是河流环境的产物,即河流或者河流扇,而非冲积扇和三角洲。L e i-e r等9进一步强化了该观点,并认为面积超过1 0 5 k m2的沉积扇体为河流扇,小于该面积的则为传统冲积扇。W e i s s m a n n等 1 0和M i k e s e l l等1 1在2 0 1 0年提出了分支河流体系(D i s t r i b u t i v e F l u v i
19、 a l S y s t e m,简称D F S),将包括河流扇在内的以河流冲积作用为主体的扇形沉积体都囊括其中。冲积扇、河流扇、辫状河都是分支河流体系的组成部分。2 0 1 8年以后,部分学者1 2-1 4开始强调将河流扇(F l u v i a l f a n)作为独立概念术语进行研究分析。河流扇被定义为一种发育在山口或平原地带,内部以河流沉积作用为主,在地质时间尺度上形成沿上游顶点向下游区域发散的扇状沉积体1 5。关于河流扇与冲积扇之间的差异,前人的研究大致从成因和规模两个角度展开。成因上,一般认为河流扇内部以牵引流作用为主,而冲积扇则以重力流、片流为主;规模上,河流扇的半径普遍大于1
20、0 k m,而冲积扇半径则普遍小于3 0 k m,在1 03 0 k m的尺度上,冲积扇和河流扇都有可能发育。河流扇与冲积扇的差异表现在水文1 3、几何形态、沉积搬运机制和地层构型1 6-1 7等方面。这些差异使河流扇和冲积扇相比,缺少泥石流沉积,沉积物结构成熟度相对较高,发育规模相对较大。尽管世界各地有大量河流从高地进入邻近洼地1 8-2 1,但只有部分地区的河流形成了河流扇,同时,河流扇从未作为一个独立概念开展全球尺度的分析。所以,河流扇的全球分布和成因一直是悬而未决的问题9。2 0 1 0年,W e i s s m a n n等1 0 和M i k e-s e l l等1 1研究了全球4
21、 1 5个大型分支河流体系(含河流扇)的分布,指出分支河流体系分布不局限于特定的纬度带,但主要分布在挤压构造带和干旱气候环境。需要指出的是,大型分支河流体系包含冲积扇、河流扇和河道冲积,并未针对河流扇单独分析。H a n s f o r d和P l i n k-B j r k l u n d2 2在W e i s s m a n n等1 0关于分支河流体系研究的基础上,进一步分析了6 8个巨型河流扇的分布以及与径流量的关系。关于现代河流扇的平面发育特征,前人研究多为某一地区研究,尚未在足够多的河流扇样本分析的基础上形成河流扇的系统发育特征。F o n t a n a等2 3-2 4统计了阿尔卑
22、斯地区巨型河流扇的面积,认为该地区河流扇的面积为2 0 0 2 6 0 0 k m2;B l a i r等8,2 5从河流扇的长度出发,认为河流扇的长度一般大于1 0 k m,巨型河流扇的长度可达3 0 7 0 k m,其面积可达2 0 0 3 0 0 0 k m2。河流扇的沉积学分类前人研究较少,且多为个例研究,尚未在足够样本分析的基础上总结得到广泛认可的类型划分方案。有学者从河流扇发育的气候环境出发,识别出亚热带季风性气候河流扇、干旱气候河流扇和极端气候河流扇1 0,2 0,2 6-2 8。有学者1 0,2 0,2 9-3 1根据盆地类型划分出弧后前陆盆地河流扇、裂谷盆地河流扇和走滑盆地河
23、流扇。还有部分学者认为可以从河流扇发育位置以及与相邻沉积环境的关系方面划分出发育在冲积扇之上的河流张元福,王 敏,张 森,等/地学前缘(E a r t h S c i e n c e F r o n t i e r s)2 0 2 3,3 0(4)3 9 1 h t t p s:/w w w.e a r t h s c i e n c e f r o n t i e r s.n e t.c n 地学前缘,2 0 2 3,3 0(4)扇、发育在大型河流中部的河流扇、发育在大型河流末端的河流扇等1 3,3 2。D a v i d s o n等2 8基于观察和测量的角度,根据河流扇内部的河道类型将河
24、流扇划分成3类,分别是由单一的辫状河道分叉出多条河道的河流扇、由单一曲流河向下游分叉形成的河流扇以及由多河道向下游分叉形成的河流扇。河流扇在几乎各个气候带及构造条件下都有发育。所以,扇体形成的最有利条件和控制因素一直存在争议。同时,有关河流扇发育规模的控制因素也未见研究。一些学者1 0,2 8,3 3-3 5分析了分支河流体系(含河流扇)的河道形态与发育气候的关系,认为辫状河道主要发育在干旱环境中,是由干旱地区的间歇性河道洪流和沉积物供应相对较高所导致的。曲流河道则主要发育在热带气候中,其流量和沉积物供应更稳定,河流系统可以高效地分配推移质。一些学者2 2也考虑了河流扇发育地区的降雨量变化,认
25、为集水区的流量变化控制着河流扇的形成。综上,河流扇的全球分布仍缺乏全面认识。河流扇的分类研究不成系统,影响河流扇发育的主要控制因素研究有待深入。本论文在前人研究的成果上,通过建立全球河流扇现代沉积数据集,明确河流扇的全球分布,尝试建立简明的河流扇分类方案,定量分析影响河流扇产生、发育的各类控制因素。1 研究方法和数据H a r t l e y等3 5在2 0 1 0年首次采用全球数据集的方法对全球4 1 5个现代分支河流体系(D F S)进行了统计分析。随着研究的深入,该数据集在应用到河流扇的相关研究中,出现了几个难于解决的新问题。首先,该数据集采用了分支河流体系的概念体系,包含辫状河、冲积扇
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