冲积扇

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File:Gigantic Alluvial Fan Being Uplift by New Fault.jpg
巨型冲积扇
File:Mini Alluvial Fan Imprinted with Footprints.jpg
微型冲积扇

冲积扇（英语：Alluvial fan）是山地河流出口处的堆积地貌，由沉积物堆积而成，从沉积物集中的来源（如从断崖流出的狭窄峡谷）向外呈扇状展开。它们是干旱至半干旱气候山区地形的特征，但也存在于受强降雨影响的较湿润环境以及现代冰河作用地区。其面积范围从不到1平方公里到将近20000平方公里。

冲积扇通常形成于沉积物或岩石流从受限通道流出，并突然能够向多个方向扩散之处。例如，当陡峭的山谷与平坦的平原交会时，许多冲积扇便会随之形成。从狭窄通道转变为宽广开放区域会降低水流的搬运能力，进而导致沉积物堆积。水流的形式可以是像山崩那样罕见的土石流，也可以由间歇性的溪流或小河携带。

流量的减少是冲积扇形成的关键。如果河流流出山谷时流量没有任何减少，则较常见到冲积平原的形成。冲积地层的坡度取决于进入平地时流量减少的程度，因为如果河流流量较大，沉积物将被堆积在距离来源较远的地方。

冲积扇最常见于沙漠山脉的山脚下，例如北美西部的盆地地形区、南德文郡的新红砂岩，或整个新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地的主要人口聚居中心。

冲积扇并非地球所独有，因为它们仅是重力和几何形状作用下的结果，因此在火星和土卫六（泰坦）上也大量发现了冲积扇，这显示其他星球也曾发生过河流作用。

一些最大的冲积扇位于印度河-恒河平原上的喜马拉雅山山前地带。补给河道的偏移（节点改道）可能导致灾难性的洪水，正如2008年发生在戈西河的情况。

描述[编辑]

refer to caption
死亡谷的冲积扇

冲积扇是从集中物源（如从断崖延伸出的狭窄峡谷）向外扇开的沉积物堆积。这种堆积物的形状像是一个浅圆锥体的一部分[1]，其顶点位于沉积物源。[2]

冲积扇的大小差异很大，底部宽度从仅几米到150公里不等，坡度为1.5到25度。[1]一些巨大的冲积扇面积将近20,000平方千米（7,700平方英里）。[3]从顶点测量的坡度通常呈凹状，最陡的坡度靠近顶点（近端扇[4]或扇顶[5]），越往外越平缓（中端扇），并在扇形边缘变得最浅（远端扇或外扇）。近端扇可能存在筛分沉积，即粗砾石组成的叶状体。冲积扇中的沉积物通常较粗且淘选度较差，其中最粗的沉积物发现于近端扇。[6][7]

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死谷的大型冲积扇，显示出“扇缘受蚀”的剖面

当冲积平原有足够空间让所有沉积物扇开而未接触到其他谷壁或河流时，就会形成不受限的冲积扇。不受限的冲积扇能让沉积物自然地扇形展开，其形状不受其他地形特征影响。当冲积平原较受限，使得扇体与地形障碍物接触时，则会形成受限扇。[8]

扇体边缘的波浪或河道侵蚀（侧蚀）有时会产生扇缘受蚀扇，其边缘以小断崖为特征。[9]扇缘受蚀扇可能记录了气候变迁或构造活动过程，且侧蚀过程可能会增强该扇体作为含水层或油藏的潜力。[10]火星上的扇缘受蚀扇为过去的河流系统提供了证据。[11]

当众多河流与溪流从山前流向平原时，多个冲积扇会结合形成连续的披盖物。这被称为bajada或山麓冲积平原。[12][13]

File:Alluvial Fan of Rawa Danau.png
印尼西爪哇瓦丹瑙破火山口附近的冲积扇地形图

形成[编辑]

冲积扇通常形成于受限的补给河道离开山前[14][15]或冰河边缘处。[6]当水流离开补给河道进入扇面时，其得以扩散至宽而浅的河道中，或入渗至表面下。这降低了水流的搬运能力，并导致沉积物堆积。[15]

refer to caption
位于新疆塔克拉玛干沙漠的冲积扇，图中显示了左侧的活跃区域与右侧的非活跃区域

在坡度最陡的扇顶处，水流通常受限于单一河道[6]（即扇顶沟槽[3]），其深度可达30米（100英尺）。[6]该河道容易被堆积的沉积物或土石流阻塞，导致水流定期脱离旧河道（即节点改道），并转移至扇面上坡度较陡的部分重新开始沉积。[15]因此，在任何特定时间通常仅有部分扇面处于活跃状态，而被避开的区域则可能经历土壤形成或侵蚀过程。[6]

冲积扇可能以土石流为主（称为土石流扇），或以河流径流为主（称为河流扇）。[4][16][17]形成何种类型的冲积扇取决于气候、地质构造以及向扇面供水区域的基岩类型。[18]

土石流[编辑]

土石流扇的大部分沉积物是以土石流的形式堆积而成。土石流是水与各种粒径颗粒（从黏土到巨石）的泥浆状混合物，外观与湿混凝土相似。其特征在于具有屈服强度，这意味着在低流速下具有高黏稠性，但随着流速增加，黏度会随之降低。这表示土石流即便在尚具坡度的地面上也能停止流动。随后，流体会在自身重力的作用下发生固结。[19]

土石流扇可见于各类气候区，但若源岩为泥岩或富含基质的腐岩，而非较粗且具渗透性的风化层时，其分布则更为常见。丰沛的细粒沉积物有助于初期山坡崩塌的发生，并促使后续土石产生具凝聚力的流动。[20]局部强烈的雷阵雨使富含黏土的崩积层达到水分饱和，进而引发坡地崩塌。由此产生的土石流沿着补给河道向下移动至冲积扇的表面。[21]

土石流扇的扇顶分布着大多已不具活动性的分流河道网，并延伸衔接至中下层的扇叶。这些河道往往会被后续发生的具凝聚性土石流所填满。通常同一时间仅有一个扇叶处于活动状态，而不具活动性的扇叶则可能在1000至10000年的时间尺度下，因风成粉尘堆积而形成沙漠漆或土壤剖面。[22]由于黏稠度高，即便是在以土石流为主导的冲积扇中，土石流也多半局限在扇顶（近端）与扇中（中段），而扇端（远端）则主要由溪流洪水所主导。[23]然而，在干旱气候下，某些以土石流为主导的扇几乎完全由土石流及经风蚀后的残余砾石所组成，并无片流或筛状沉积的迹象。[24]以土石流为主导的冲积扇通常坡度较陡，且植被稀疏。[25]

河流[编辑]

河流扇接收的大部分沉积物形式为溪流作用，而非土石流。与土石流扇相比，它们与普通河流沉积物的区别较不明显。[14]

河流扇发生于具有常流性、季节性或暂时性溪流作用之处，这些溪流供给了扇状地上的分流河道系统。在干旱或半干旱气候下，沉积作用主要由不频繁但强烈的降雨主导，这会在供给河道中产生骤洪。[23]这导致了冲积扇上的片流，即载满沉积物的水流离开河道限制并扩散至扇面。这些可能包括含有20%至45%沉积物的高含沙水流，其性质介于沉积物含量20%或以下的片流与含沙量超过45%的土石流之间。[25]随着洪水消退，通常会留下砾石沉积的残留层，其外观呈现辫状河流网络。[23]

在流量较为连续的情况下（如春季融雪），高度约1—4米（3—10英尺）的切割河道流发生在辫状河流网络中。[25]这类冲积扇往往坡度较缓，但规模可能变得极大。[23]位于印度恒河平原喜马拉雅山前地带的科西河与其他冲积扇，就是巨大溪流作用主导型冲积扇的范例，有时被描述为巨型冲积扇。[26]在此地，过去一千万年来主边界断层的持续运动，将长达750千米（470英里）山前地带的排水集中到了仅仅三个巨大的冲积扇中。[3]

地质纪录[编辑]

新红砂岩包含沉积于冲积扇中的砾石层
新赤色砂岩中的砾石层

冲积扇在地质纪录中很常见，但在古生代中期陆生植物演化之前可能特别重要。[27]它们是断层界限盆地的特征，由于盆地的构造下陷与山前抬升，其厚度可达5,000米（16,000英尺）或更厚。大多数因浅层氧化环境中富含铁的矿物经成岩作用蚀变产生的赤铁矿而呈红色。古冲积扇的例子包括北美洲东部的三叠纪盆地与德文郡南部的新赤色砂岩，[23]挪威的泥盆纪霍内伦盆地，以及加拿大加斯佩半岛的泥盆纪至石炭纪地层。[27]这类扇状沉积物可能包含了地质纪录中最大规模的砾石堆积。[28]

沉积相[编辑]

在冲积扇中可发现数种沉积物（沉积相）。

冲积扇的特征是具有粗大的沉积作用，尽管构成冲积扇的沉积物会随着远离扇顶而变得较不粗糙。砾石显示出发育良好的叠瓦结构，其中的卵石向扇顶方向倾斜。[23]扇状沉积物通常显示出因冲积扇向外扩张而形成的发育良好反向粒级层：较细的沉积物沉积在冲积扇边缘，但随着冲积扇持续生长，越来越粗的沉积物会堆积在先前较细的沉积物之上。然而，少数冲积扇显示出正向粒级层，这代表冲积扇处于停止活动甚至退缩的状态，导致越来越细的沉积物堆积在先前较粗的沉积物上。正向或反向粒级层序列的厚度可达数百至数千米。[27]根据报告，冲积扇的沉积相包括土石流、片状洪水与高流态河流洪水、筛分沉积以及辫状河，每种都会留下可供地质学家识别的特征沉积物。[23][29]

土石流沉积在冲积扇的近端与中段非常常见。[23]这些沉积物除了偶尔在基部出现反向粒级层外，缺乏沉积构造，且分选性极差。[30]冲积扇近端也可能包含被解释为筛分沉积的砾石瓣，即地表径流迅速渗透，仅留下粗大物质。然而，砾石瓣也被解释为土石流沉积。[30]源于冲积扇土石流的砾岩被称为扇砾岩。[31]

河流沉积往往呈片状，其分选性优于土石流沉积，且有时会显示出发育良好的沉积构造，例如交错层理。这些沉积在冲积扇的中段与末端较为盛行。[25]在河道非常浅且呈辫状的冲积扇末端，河流沉积由具有平面与槽状斜层理的砂质互层组成。[32]以河流作用为主的冲积扇中段，其沉积相几乎与普通河流环境相同，因此对古代冲积扇的识别必须基于山麓地带的放射状古地貌。[33]

分布[编辑]

冲积扇是干燥至半干燥气候中山区地形的特征，[34][6]但在降雨充沛的湿润环境[7]以及现代冰河作用地区也能发现其踪迹。[6]在太阳系的其他天体上也有发现冲积扇。[35][36]

陆域[编辑]

冲积扇的形成是为了因应由构造抬升引发的侵蚀作用。[37]构成冲积扇的岩层呈现向上变粗的趋势，反映了向冲积扇输送沉积物的高地所经历的侵蚀周期。然而，气候与基准面的变化可能与构造抬升同样重要。例如，喜马拉雅山脉的冲积扇显示较老的扇体被下切并被较年轻的扇体覆盖。而这些较年轻的扇体又被深邃的切穿河谷切割，呈现出两层河流阶地。透过光释光定年建议，新旧扇体之间存在70,000至80,000年的间断，并有证据显示45,000年前发生了构造倾斜，且扇体沉积在20,000年前停止。这段间断以及较近期的沉积结束，都被认为与西南季风降水增加的时期有关。气候也影响了美国加利福尼亚州死亡谷的扇体形成，当地的岩层定年显示，过去25,000年内的扇体沉积高峰出现在气候剧烈变化的时期，包括从湿润转为干燥以及从干燥转为湿润的过程。[38]

冲积扇常见于沙漠地区，这些地区常受邻近山丘雷雨引发的周期性突发性洪水影响。干燥气候中典型的水道在顶部有一个大型漏斗状盆地，连接到狭窄的隘口，并在底部开展成冲积扇。水流发生时通常存在多条活跃的编织河。[34]有时可以在从干燥气候扇缘向外辐射的蜿蜒线条中发现深根植物（具有长直根且能触及深层地下水的植物）。这些“扇缘深根植物带”追溯了来自冲积扇、与不透水的内流盆地沉积物交错排列的粗粒沉积物埋藏河道。[39]

在地形起伏剧烈且邻近平坦地形的湿润气候区也会发育冲积扇。[37]在尼泊尔，柯西河在离开喜马拉雅山麓进入几乎平坦的平原处，形成了一个面积约15,000 km2（5,800 sq mi）的巨型冲积扇，随后河流进入印度并汇入恒河。在柯西河上游的支流沿线，构造力量每年使喜马拉雅山脉抬升数毫米。抬升量与侵蚀量大致平衡，因此该河流在流出山区时，每年携带约100 × 106立方米（3.5 × 109立方英尺）的沉积物。数百万年来如此规模的沉积，足以解释巨型冲积扇的形成。[40]

在北美洲，流入加州中央谷地的河流也沉积了规模较小但依然广阔的冲积扇，例如流经内华达山脉的金河冲积扇。[41]与喜马拉雅山脉的巨型冲积扇一样，这些都是以河流流量为主导的扇体。[42]

地外天体[编辑]

火星[编辑]

火星上的盖尔撞击坑包含一个巨大的冲积扇
火星盖尔撞击坑边缘底部的巨大冲积扇

在火星上也发现了冲积扇。与地球上的冲积扇不同，火星上的冲积扇很少与板块构造作用相关，而是更常见于撞击坑边缘。[43][44]撞击坑边缘的冲积扇似乎是由面流而非土石流沉积而成的。[45]

在佐伯撞击坑中已发现三个冲积扇。这些冲积扇证实了该行星过去曾有过河流活动，并进一步支持了液态水曾以某种形式存在于火星表面的理论。[46]此外，由轨道卫星对盖尔撞击坑内冲积扇进行的观测，目前已透过好奇号火星车发现的河流沉积物得到证实。[47]霍顿撞击坑内的冲积扇具有扇缘受蚀的剖面，这被归因于河流侵蚀作用。[11]

少数与构造过程相关的冲积扇包括位于科普拉特斯峡谷和尤文图斯峡谷的冲积扇，这些峡谷属于水手号谷峡谷系统的一部分。这些冲积扇为火星该地区断层作用的存在与性质提供了证据。[48]

土卫六[编辑]

卡西尼-惠更斯号任务利用卡西尼号轨道器的合成孔径雷达仪器在土卫六（泰坦）上观察到了冲积扇。这些冲积扇在中纬度较干燥地区更为常见，位于甲烷/乙烷河流的末端；据信这些地区因降水而频繁发生干湿交替，与地球上的干旱地区冲积扇非常相似。雷达影像显示，冲积扇物质很可能由直径约2公分的圆形水冰颗粒或固体有机化合物组成。[49]

对人类的影响[编辑]

在许多地区，冲积扇是最重要的地下水储水层。许多都市、工业和农业区都位于冲积扇上，[50]包括美国西部的加州洛杉矶、犹他州盐湖城与科罗拉多州丹佛等都会圈，以及世界其他许多地区。[51]然而，冲积扇上的洪水为防灾与准备工作带来了独特的问题。[52]

含水层[编辑]

与冲积扇相关的粗粒沉积层形成了含水层，是许多地区最重要的地下水储水层。[50]这些地区包括干旱地区（如埃及[53]或伊拉克[54]）以及潮湿地区（如中欧[55]或台湾）。[56]

洪灾危害[编辑]

冲积扇易受罕见但往往具有破坏性的洪水影响，其异常特性使冲积扇洪水与一般的河岸洪水有所区别。这些特性包括洪水路径的高度不确定性、洪水从上游来源挟带的沉积物可能发生突然堆积与侵蚀，以及沉积物的可取得性与扇面坡度及地形的结合，共同造成了极大的危害。这些危害无法透过填土垫高（将既有建筑抬高至1米，并在其下方修筑新基础[57]）来可靠地减轻。至少需要主要的结构性防洪措施才能减轻风险，且在某些情况下，唯一的替代方案是限制扇面上的开发。这类措施可能在政治上引起争议，特别是因为这种危害对业主而言并不显而易见。[58]在美国，冲积扇洪灾风险区域在洪水保险费率图上被标记为AO区域。[59]

冲积扇洪水通常以持续时间短（数小时）但能量巨大的突发性洪水形式出现，且发生时几乎没有预警。它们通常是由长时间的强降雨引起，特点是流速高且沉积物输送能力强。根据流体中沉积物的含量，流动形式涵盖了从一般洪水、高含沙水流到土石流的范围。土石流主要由粗大的碎屑组成，类似刚浇灌的混凝土。高含沙水流介于一般洪水与土石流之间，含水量按重量计在40%至80%之间。洪水在挟带沉积物时可能会转变为高含沙水流，而土石流若被水稀释则可能变成高含沙水流。[60]由于冲积扇上的洪水携带大量沉积物，河道可能会迅速被堵塞，导致流径产生极大的不确定性，进而放大了危险性。[58]

意大利亚平宁山脉的冲积扇洪水曾多次造成人员伤亡。1581年10月1日发生在佩迪蒙特马泰塞的洪水导致400人丧生。冲积扇洪水造成的人员伤亡一直持续到19世纪，而冲积扇洪水的危害在意大利至今仍是一项关注议题。[61]

1934年1月1日，加利福尼亚州圣盖博山脉近期遭火灾烧毁的区域创下纪录的降雨量，导致其下的冲积扇发生严重洪水，而蒙特罗斯与格伦代尔镇便坐落于该冲积扇上。这场洪水造成了严重的人员伤亡与财产损失。[62]

印度的柯西河在流出喜马拉雅山脉进入恒河平原处发育了一个巨型冲积扇。该河有频繁且反复无常变更河道的历史，因此被称为比哈尔之愁，其对印度洪灾死亡人数的贡献比例极高，仅次于孟加拉。[63]在过去几百年间，该河在扇面上总体向西迁移，到2008年时，主河道位于巨型冲积扇的最西端。在2008年8月，强大的季风流量冲破了柯西河的堤防，使大部分河水转向一条无防护的古老河道，并淹没了巨型冲积扇的中心部分。该地区人口密度极高，且已稳定超过200年。[64]这场灾难导致超过百万人无家可归，约千人丧生，数千公顷的农作物被毁。[65][66][67]

石油储层[编辑]

埋藏的冲积扇有时会出现在石油盆地的边缘。土石流扇作为石油储层的品质较差，但河流型扇状地则是具有潜力的重要储层。尽管河流型扇状地由于结构复杂，其品质通常优于靠近盆地中心的储层，但扇面上偶发的洪水河道是石油勘探中潜在的有利目标。[68]受到轴向河流（沿着断崖边界盆地长轴流动的河流）侧向侵蚀（扇端切蚀）影响的冲积扇，其作为储层的潜力可能会增加。河流会沉积相对具多孔性、渗透性的轴向河流沉积物，并与扇沉积层交替出现。[69]

参见[编辑]

注脚[编辑]

  1. ↑ 1.0 1.1 Boggs 2006，第246页.
  2. ↑ Leeder 2011，第282–285页.
  3. ↑ 3.0 3.1 3.2 Leeder 2011，第285页.
  4. ↑ 4.0 4.1 Boggs 2006，第247页.
  5. ↑ Blatt, Middleton & Murray 1980，第629页.
  6. ↑ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Blatt, Middleton & Murray 1980，第629-632页.
  7. ↑ 7.0 7.1 Boggs 2006，第246-250页.
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资料来源[编辑]

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