青海湖北部沖積扇沉積演化特征

青海湖北部沖積扇沉積演化特征

drw最初建議使用沖積扇來(lái)描述山口中的扇積體。對(duì)于現(xiàn)代沉積的研究是解決古沉積問(wèn)題的基礎(chǔ)1沖積扇分布范圍青海湖位于青藏高原東北部,東經(jīng)99°36′~100°16′、北緯36°32′~37°15′之間。湖區(qū)面積為4264~4473km研究區(qū)發(fā)育的沖積扇位于青海湖北岸、大通山南側(cè)山口處,由西至東依次為泉吉河扇、沙柳河扇和爛泥灣扇(圖1)。大通山隆起帶自北向南發(fā)育2級(jí)夷平面及山麓剝蝕面,南部的山麓剝蝕面海拔為3500~3600m,臺(tái)地已被河流切割,發(fā)育“U”型河谷和“谷中谷”,為沖積扇的發(fā)育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)2沉積物的特征以沉積學(xué)理論為指導(dǎo),通過(guò)野外沉積剖面實(shí)地勘測(cè)的方法,包括測(cè)量和統(tǒng)計(jì)沉積層厚度、碎屑成分粒度、碎屑顆粒組構(gòu)、基質(zhì)組成及含量等多項(xiàng)內(nèi)容,對(duì)沉積物的特征進(jìn)行精細(xì)描述;運(yùn)用遙感影像和區(qū)域地理、地質(zhì)資料,對(duì)沖積扇的地貌特征、發(fā)育規(guī)模、展布范圍進(jìn)行定量化地測(cè)量和統(tǒng)計(jì),對(duì)物源區(qū)的范圍、特征進(jìn)行調(diào)研和分析,進(jìn)而探究青海湖北部沖積扇的沉積特征及演化過(guò)程。根據(jù)地貌坡度將研究區(qū)發(fā)育的3個(gè)沖積扇劃分出扇根、扇中和扇緣3個(gè)亞相。其中,扇根亞相的坡度最大,扇中亞相次之,扇緣亞相的坡度最小2.1沙柳河扇的近對(duì)稱化根據(jù)遙感影像資料分析沙柳河扇平面和剖面的形態(tài)特征。在平面上,沙柳河扇呈近對(duì)稱的扇形,扇體半徑為16.5km,弦長(zhǎng)為22.3km,弧長(zhǎng)為24.3km,扇體頂角為79°,扇體面積約為230km2.1.1不同層理結(jié)構(gòu)的礫石層理特征沙柳河扇的扇根亞相主要發(fā)育辮狀河道、主水道和主水道間微相(圖2)。其典型沉積剖面位于剛察縣城西南約為2km,剖面長(zhǎng)度約為230m,最大厚度約為10m,為當(dāng)?shù)厝嗣癫墒_挖形成。辮狀河道微相扇根亞相的辮狀河道微相發(fā)育于典型沉積剖面的頂部,上覆地表第四系黃土(圖2),為沙柳河扇形成后期發(fā)育而成。其沉積厚度約為2m,主要由次圓狀的礫石組成,少見次棱角狀礫石,分選一般,其中大礫石的礫徑可達(dá)10cm,小礫石的粒徑可達(dá)3cm,有零星礫石的粒徑達(dá)20cm(圖2a)。礫石之間的雜基主要為細(xì)砂,含量為5%~20%,平均約為10%。礫石之間為緊密接觸,呈順層狀或疊瓦狀排列,由剖面底部至頂部形成多個(gè)正粒序結(jié)構(gòu),由礫徑約為10cm的粗礫逐漸變?yōu)榧?xì)礫(圖2a)。礫石之間可見細(xì)礫—粗砂條帶和透鏡體,內(nèi)部發(fā)育平行層理。礫石多呈條狀和板狀,長(zhǎng)軸方向?yàn)?47°~16°,多數(shù)為0°左右,最大扁平面的傾向?yàn)?8°~53°,傾角為22°~41°。礫石的產(chǎn)狀指示北—北東向的水流方向,與山口的方向基本一致,證明辮狀河道微相是由山口流出的河流沉積所形成。主水道及主水道間微相當(dāng)事件性洪水?dāng)y帶大量混雜的碎屑物質(zhì)流出山口時(shí),由于失去了山谷的地形限制,水流迅速擴(kuò)散,能量減弱,攜帶的混雜物質(zhì)迅速堆積下來(lái)。該事件性沉積發(fā)生時(shí),由于水流中碎屑物質(zhì)含量高,水體呈碎屑流狀態(tài)整體推移并沉積,此時(shí)不發(fā)育牽引流沉積。當(dāng)該事件性沉積結(jié)束后,后續(xù)水流中的碎屑物質(zhì)減少,水流對(duì)先前的沉積物進(jìn)行沖刷,主水道逐漸形成,并將長(zhǎng)期受到沉積后期的徑流作用改造沙柳河扇扇根亞相的主水道微相發(fā)育于典型沉積剖面的中、下部,位于辮狀河道微相之下;沉積厚度為3~4m,以厚層、不顯粒序或微顯粒序的疊瓦狀礫石沉積為主(圖2b)。礫石均為次棱角狀,偶見次圓狀;分選較差,較大礫石的粒徑約為30cm,小礫石的粒徑約為2cm,多數(shù)礫石的粒徑為5~20cm。礫石之間的雜基為細(xì)砂,含量為10%~35%,平均約為25%,不含泥質(zhì)。不同大小的礫石堆積在一起,基本不顯粒序,有些位置隱約可見正粒序但不明顯。礫石有條狀、板狀和塊狀,其中條狀礫石的長(zhǎng)軸方向?yàn)?58°~15°,板狀礫石最大扁平面傾向?yàn)?55°~22°,傾角為32°~39°,礫石的產(chǎn)狀均指示為山口方向,證明該主水道自山口流出,沿沖積扇中軸方向延伸。在疊瓦狀礫石沉積中可見中—細(xì)礫透鏡體,內(nèi)部發(fā)育較明顯的正粒序,可見平行層理。主水道間微相表現(xiàn)為混雜的碎屑流沉積,代表沖積扇形成時(shí)的事件性沉積,可以發(fā)育于主水道微相下部,也可以與主水道微相發(fā)育于同一層位,位于辮狀河道微相下部。主水道間微相發(fā)育于典型沉積剖面的底部,出露最大厚度達(dá)3m,未見其底面。礫石均為次棱角狀,極少數(shù)為次圓狀,分選較差,粒徑為3~30cm;礫石之間的雜基為粉、細(xì)砂,雜基含量較高,平均約為35%。礫石有條狀、板狀和塊狀,且各種礫石混雜堆積,無(wú)粒序發(fā)育,多數(shù)礫石呈直立狀鑲嵌于沉積層中(圖2b),表現(xiàn)為典型的高粘度碎屑流特征。2.1.2沉積相與雜基沙柳河扇的扇中亞相位于扇體的中部,其坡度小于扇根亞相而大于扇緣亞相。在扇體表面第四系黃土層之下廣泛發(fā)育辮狀河道微相。青藏鐵路南側(cè)有多個(gè)小型剖面出露辮狀河道、心灘和漫流微相,這些剖面主要為當(dāng)?shù)厝嗣耖_挖引水溝渠而形成;在青藏鐵路南側(cè)1km、沖積扇中軸線位置有一大型沉積剖面,出露碎屑流沉積(圖3)。辮狀河道微相沙柳河扇的扇中亞相廣泛發(fā)育辮狀河道微相,其沉積厚度不一(1~2m)。與扇根亞相的辮狀河道微相相比,扇中亞相辮狀河道微相的礫石分選、磨圓變好,多數(shù)礫石呈次圓狀,礫徑變小(圖3a),多為2~5cm,少數(shù)可達(dá)10cm左右。礫石之間的雜基主要為細(xì)砂,含量為10%~30%,平均約為20%。其沉積物由底至頂呈明顯的正粒序,由底部的較大礫石逐漸變?yōu)榧?xì)礫和中、粗砂(圖3a)。礫石的疊瓦狀分布不明顯,板狀礫石多呈順層排列,條狀礫石長(zhǎng)軸方向分布不集中,為283°~87°,表現(xiàn)為辮狀河道彎曲度增大、河道擺動(dòng)頻繁的特點(diǎn)。心灘微相沙柳河扇扇中亞相心灘微相的粒度明顯變細(xì),砂質(zhì)含量顯著增高,主要為細(xì)礫—砂質(zhì)沉積(圖3b),厚度約為0.4m。心灘微相由直流河道中螺旋形前進(jìn)的對(duì)稱橫向雙環(huán)流體系形成,其內(nèi)部發(fā)育平行層理和低角度交錯(cuò)層理(圖3b),指示水流深度的差異性心灘微相在沙柳河扇扇中亞相中十分發(fā)育,雖然規(guī)模較小,厚度通常不超過(guò)0.5m,剖面出露寬度通常小于1.5m,但分布較為廣泛,在多個(gè)沉積剖面中均有出現(xiàn)。漫流微相漫流微相在扇中亞相中發(fā)育廣泛。與心灘微相類似,漫流微相以細(xì)礫和砂質(zhì)沉積為主(圖3c),厚度為0.6~1m。與辮狀河道微相相比,漫流微相的沉積物粒度明顯變細(xì)、分選變好。與心灘微相相比,漫流微相的中、細(xì)砂含量增高,有粉砂質(zhì)出現(xiàn),含量平均為10%。漫流微相橫向延伸較遠(yuǎn),其內(nèi)部發(fā)育平行層理、水平層理和交錯(cuò)層理,常見塊狀構(gòu)造(圖3c),在某些部位發(fā)育小型沖刷—充填構(gòu)造。低粘度碎屑流沉積扇中亞相低粘度碎屑流沉積發(fā)育于典型沉積剖面的中、下部,其上發(fā)育辮狀河道微相。低粘度碎屑流沉積以分選很差的混雜沉積物為主(圖3d),礫徑大小差異懸殊(2~20cm)。相對(duì)于扇根亞相的碎屑流沉積,低粘度碎屑流沉積的礫石磨圓稍好,次圓狀礫石含量升高,但分選仍很差;礫石之間的雜基為粉細(xì)砂,雜基含量較辮狀河道微相明顯升高,沉積剖面不同部位的雜基含量為20%~50%,平均約為35%。其沉積物不具有明顯的粒序,但部分礫石呈疊瓦狀排列(圖3d),傾向?yàn)?°~32°,傾角為18°~33°,表明相比于扇根亞相的高粘度碎屑流沉積,扇中亞相出露的碎屑流沉積粘度較低。2.1.3扇邊緣的亞相扇緣亞相是整個(gè)沖積扇沉積物最細(xì)的部分,其地形較平緩,坡度最小,因此流體能量也最低。扇緣亞相呈環(huán)帶狀圍繞在扇體前端2.2柳河扇東北部沖積扇根據(jù)遙感影像資料分析泉吉河扇平面和剖面的形態(tài)特征。泉吉河扇位于沙柳河扇西側(cè),在平面上,其沖積扇形態(tài)完整,呈近對(duì)稱的扇形,但規(guī)模小于沙柳河扇,扇體半徑為7.5km,弦長(zhǎng)為9.8km,弧長(zhǎng)為10.3km,扇體頂角為78°,面積約為42km2.2.1礫體的細(xì)礫結(jié)構(gòu)泉吉河扇扇根亞相的典型沉積剖面位于泉吉縣北側(cè),出露辮狀河道微相和碎屑流沉積(圖4)。辮狀河道微相辮狀河道微相發(fā)育于典型沉積剖面頂部,厚度為0.6~1.5m,由次棱角狀—次圓狀礫石組成,分選較差,礫徑為2~30cm,且礫徑為20cm左右的大礫石較為常見。礫石之間充填一些小的細(xì)礫,砂質(zhì)含量很低,約為5%~20%。辮狀河道微相底部可見沖刷—充填構(gòu)造(圖4a),發(fā)育正粒序結(jié)構(gòu)但不明顯。礫石之間可見砂質(zhì)透鏡體(圖4b),內(nèi)部發(fā)育平行層理和低角度交錯(cuò)層理。礫石呈疊瓦狀或順層狀排列,長(zhǎng)軸方向和傾向?yàn)?17°~12°,傾角約為22°。礫石產(chǎn)狀指示的水流方向與山口方向相同。碎屑流沉積扇根亞相的碎屑流沉積分為高粘度和低粘度2種類型,2種碎屑流沉積之間呈侵蝕接觸。扇根亞相的碎屑流沉積發(fā)育于辮狀河道微相下部,與辮狀河道微相呈侵蝕接觸。碎屑流沉積中的雜基含量明顯升高,約為20%~50%,其中粉砂質(zhì)的含量約為30%~60%;礫石的分選、磨圓均較差,礫徑差異懸殊,無(wú)明顯沉積構(gòu)造(圖4c,4d)。低粘度碎屑流沉積中的板狀礫石順層排列或略呈疊瓦狀排列(圖4c),傾向約為350°,高粘度碎屑流沉積中的礫石呈豎直排列(圖4d)。2.2.2偶有礫徑較大10cm的礫石泉吉河扇的扇中亞相主要發(fā)育辮狀河道微相,沉積厚度為1.6~2m。礫石呈次棱角狀—次圓狀,分選一般,礫徑主要為2~10cm,偶有礫徑大于10cm的礫石。礫石之間充填細(xì)礫和粗砂,礫石呈疊瓦狀排列,傾向約為350°,傾角為17°~22°,發(fā)育較明顯的正粒序;可見細(xì)礫—粗砂條帶,內(nèi)部發(fā)育平行層理。泉吉河扇扇中亞相的辮狀河道微相與扇根亞相的辮狀河道微相相比,其礫石的分選和磨圓變好,礫徑變小;但與沙柳河扇扇中亞相的辮狀河道微相相比,泉吉河扇扇中亞相的辮狀河道微相的成熟度更低,表現(xiàn)出近源沉積的特點(diǎn)。2.3扇中和扇緣亞相根據(jù)遙感影像資料分析爛泥灣扇平面和剖面的形態(tài)特征。爛泥灣扇位于沙柳河扇東側(cè),在平面上呈不完整的狹窄扇形,扇緣亞相西側(cè)被現(xiàn)今的沙柳河改造,扇體規(guī)模在研究區(qū)3個(gè)沖積扇中最小,扇體半徑為6.5km,弦長(zhǎng)為5km,弧長(zhǎng)為6.2km,頂角為55°。扇根亞相的坡度為1.7°,扇中和扇緣亞相的坡度均為1.2°,是3個(gè)沖積扇中坡度最大的。與沙柳河扇和泉吉河扇不同,爛泥灣扇的河流現(xiàn)已干涸,在遙感影像資料中可以識(shí)別出沿扇體中軸延伸的干涸河道。爛泥灣扇以泥石流沉積為主,泥質(zhì)含量較高,平均約為75%,砂質(zhì)含量平均約為15%,礫石含量平均約為10%。在沉積剖面上表現(xiàn)為典型的干旱地區(qū)泥石流沉積特征,泥、砂質(zhì)及礫石混雜堆積,無(wú)分選,礫石呈棱角狀,無(wú)沉積構(gòu)造,發(fā)育紅層(圖5a)、碳酸鹽巖結(jié)核(圖5b)等干旱沉積環(huán)境標(biāo)志。典型沉積剖面上、下部的顏色略有差異(圖5c),下部磚紅色泥石流沉積中含礫石,中、上部土黃色泥石流沉積中富含礫石和泥礫,指示后期泥石流對(duì)先期沉積物的改造作用。在典型沉積剖面中可以見到礫石富集的沉積夾層,礫石呈疊瓦狀排列,發(fā)育正粒序(圖5d),反映出泥石流活動(dòng)停歇期的短暫牽引流作用。3記錄的擴(kuò)展過(guò)程3.1碎屑流沉積相沙柳河扇的沉積演化過(guò)程與泉吉河扇類似,因此以沙柳河扇為例。根據(jù)沙柳河扇各沉積相帶的沉積特征,可以將其沉積演化過(guò)程劃分為4個(gè)階段:(1)初次碎屑流沉積及主水道發(fā)育階段(圖6a)。在沖積扇形成初期,發(fā)生一次事件性的高粘度碎屑流沉積。該階段沉積物中的礫石、砂質(zhì)、水流混雜,整體向外流動(dòng),地形稍寬緩即迅速沉積下來(lái),因此分布較為局限。沉積物供給量減少后,后期能量稍弱的水流在先期形成的碎屑流沉積物上長(zhǎng)期流動(dòng)、沖蝕,形成1~2條主水道,主水道主要以牽引流沉積為主,混雜少量碎屑流沉積。(2)低粘度碎屑流沉積階段(圖6b)。由于物源區(qū)最易被剝蝕的碎屑物質(zhì)大多已在第1階段被搬運(yùn)形成初期碎屑流沉積,因此該階段可能是由于氣候變化引起水量突然增大,但碎屑物質(zhì)含量并不高。水流沿主水道或直接漫過(guò)之前的碎屑流沉積,沖蝕、搬運(yùn)先期沉積物,在其外側(cè)形成低粘度碎屑流沉積。(3)廣泛的辮狀河道發(fā)育階段(圖6c)。碎屑流沉積為沖積扇的形成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。該階段隨著湖盆的可容納空間逐漸減小,扇體長(zhǎng)期受牽引水流改造,坡度逐漸變緩。扇根亞相發(fā)育辮狀河道微相,扇中亞相發(fā)育大量的辮狀河道和漫流微相,由于辮狀河道極易遷移改道,因此分布于整個(gè)沖積扇,僅少量區(qū)域零星出露碎屑流沉積;扇緣亞相發(fā)育漫流微相。在該階段形成沖積扇體的完整形態(tài)。(4)河道遷移及三角洲發(fā)育階段(圖6d)。該階段與前一階段相比氣候更加干旱,沖積扇不再發(fā)育大量辮狀河道,沙柳河經(jīng)過(guò)幾次遷移,最終沿扇體東側(cè)邊緣匯入青海湖?，F(xiàn)今沙柳河三角洲區(qū)域的可容納空間相對(duì)較大,導(dǎo)致現(xiàn)今沙柳河下游由辮狀河變?yōu)榍骱?并在入湖處發(fā)育曲流河三角洲,形成沙柳河扇的現(xiàn)今形態(tài)。扇體表面其他部位發(fā)育古辮狀河道和漫流微相,零星區(qū)域出露最早期的碎屑流沉積。3.2牽引流沉積相爛泥灣扇以明顯的2期泥石流沉積中夾短暫的牽引流沉積為主要特征。2期泥石流沉積的顏色不同,早期泥石流沉積呈磚紅色,中間夾雜棱角狀礫石;晚期泥石流沉積呈土黃色,夾棱角狀礫石和深色泥礫,反映出對(duì)先期泥石流沉積的沖蝕作用。在2期泥石流作用的間歇期,爛泥灣扇的形態(tài)穩(wěn)定,受徑流作用控制在扇體表面發(fā)育大量細(xì)小的河道,故在沉積層中形成薄層的牽引流沉積夾層。由于區(qū)域氣候較為干旱,河道規(guī)模較小且分布不穩(wěn)定,時(shí)常干涸、改道,因此牽引流沉積發(fā)育規(guī)模較小、橫向連續(xù)性較差。根據(jù)以上沉積特征,可以將爛泥灣扇的沉積演化過(guò)程劃分為早期泥石流沉積、間歇期牽引流沉積和后期泥石流沉積3個(gè)階段。4多因素的累積控制4.1源條件青海湖北部3個(gè)沖積扇沉積特征的差異,與其物源條件差異有關(guān)。物源條件包括物源區(qū)特征、母巖巖性和搬運(yùn)距離等4.1.1晚期巖石學(xué)和成礦沙柳河和泉吉河流域內(nèi)的基巖巖性相同,但河流長(zhǎng)度、落差和流域面積不同。其上游均流經(jīng)大通山西段和中段的上三疊統(tǒng)和二疊系海相碎屑巖,隨后流經(jīng)形成于加里東晚期的花崗巖,在山口處流經(jīng)中、下三疊統(tǒng)海相碎屑巖沙柳河扇和泉吉河扇的沉積物組成相同,但其成熟度和發(fā)育規(guī)模不同。2個(gè)扇體均為砂、礫質(zhì)沉積,發(fā)育碎屑流沉積和辮狀河道微相,且沉積物中不含泥質(zhì)。由于山口外地形開闊,因此2個(gè)扇體的形態(tài)相似,扇體頂角也基本一致;但由于沙柳河扇的物源區(qū)更大、搬運(yùn)距離更長(zhǎng),因此其扇體規(guī)模更大,發(fā)育更為成熟,扇體半徑和面積分別是泉吉河扇的2.2和5.5倍。此外,沙柳河扇與泉吉河扇相比,坡度更緩,沉積物成熟度更高。4.1.2疊系海相陸緣結(jié)構(gòu)與沙柳河和泉吉河相比,爛泥灣河流域內(nèi)的基巖巖性、河流長(zhǎng)度、落差以及流域面積均存在差異。爛泥灣河的上游流經(jīng)二疊系和三疊系海相碎屑巖以及加里東晚期花崗巖,而在山口處流經(jīng)下志留統(tǒng)海相陸源碎屑巖,以板巖、粘土質(zhì)板巖為主爛泥灣扇的沉積物組成、發(fā)育規(guī)模與泉吉河扇、沙柳河扇均存在差異。其主要發(fā)育泥石流沉積,泥質(zhì)含量高達(dá)75%,牽引流沉積以薄層、夾層的方式發(fā)育,且扇體頂角最小。由于爛泥灣扇的物源區(qū)最小、搬運(yùn)距離最短,因此其扇體規(guī)模最小、坡度最陡、沉積物成熟度最差。4.2氣象、氣象條件在大氣、降水、蒸發(fā)氣候是指一個(gè)地區(qū)常年時(shí)段大氣的一種狀態(tài),包括氣溫、降水、蒸發(fā)和風(fēng)場(chǎng)等因素。在青海湖北岸,氣候?qū)_積扇沉積的影響主要表現(xiàn)在濕度和風(fēng)場(chǎng)2個(gè)方面。4.2.1南北發(fā)量比較青海湖北側(cè)大通山區(qū)的降水量呈由北向南遞減的趨勢(shì),蒸發(fā)量則由北向南逐漸增大。在剛察縣附近,年降水量為381mm,其中冬季的平均降水量為1mm,夏季的平均降水量為84mm,年蒸發(fā)量為1454mm4.2.2湖北岸沖積扇風(fēng)場(chǎng)是一項(xiàng)重要的氣候指標(biāo),不僅反映大氣的環(huán)流信息,也可以作為一種地質(zhì)