干旱條件下沖積扇的沉積構(gòu)型和演化過程：基于水槽模擬實驗*

朱一杰 夏 瑞 鄭云柯 劉晨虎 于 斌 呂峻嶺 馮文杰

1長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430100 2中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 3中國海洋石油國際有限公司，北京 100028

沖積扇是水?dāng)y沉積物在山口開闊帶沉積形成的扇形沉積體，其規(guī)模往往較大，可形成大規(guī)模油氣儲集層(吳勝和等，2016)，因此，數(shù)十年來，沖積扇沉積學(xué)一直是國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注和研究的熱點領(lǐng)域之一(吳勝和等，2012，2016;蔣平等，2013;陳歡慶等，2015;印森林等，2016;馮文杰等，2017a，2017b;季政君等，2019;Palmquist，2019)。前人利用野外露頭、現(xiàn)代沉積及地下地質(zhì)資料對沖積扇沉積地貌特征及其影響因素(李新坡等，2006;李新坡，2007;Sandraetal.，2019;Manuel，2020)、沖積扇沉積相帶劃分及其內(nèi)部構(gòu)型(吳勝和等，2012;陳歡慶等，2015;馮文杰等，2017a;季政君等，2019)、沖積扇儲集層特征(古莉等，2004;Pendeaetal.，2008;Songetal.，2010;陳德坡等，2019;張陽等，2019)、沖積扇發(fā)育過程對構(gòu)造作用的響應(yīng)機制(印森林等，2016;劉超等，2017;馮文杰等，2017b)及沖積扇成因的油氣儲集層開發(fā)特征(宮清順等，2010;馮文杰等，2015;秦國省等，2018;張月等，2020)進行了廣泛而深入的研究，極大地促進了沖積扇沉積學(xué)的深入發(fā)展。

前人研究主要基于野外露頭、現(xiàn)代沉積及地下沉積記錄等“靜態(tài)”地質(zhì)資料進行沉積地貌分析、沉積構(gòu)型解剖及沉積模式構(gòu)建，建立的模式往往注重沖積扇整體的平面分布差異性(張紀(jì)易，1985;吳勝和等，2012;吳因業(yè)等，2015;馮文杰等，2017a，2017b)，而對沖積扇沉積的垂向差異性及與之相關(guān)的階段性演化規(guī)律關(guān)注較少。然而，大量的沖積扇沉積記錄研究表明： (1)沖積扇沉積具有顯著的垂向差異性，單一沖積扇沉積體自下而上存在粒度變細(xì)、砂(礫)巖體規(guī)模減小(吳勝和等，2012;馮文杰等，2017a；Lietal.，2020)的現(xiàn)象，并可根據(jù)巖性組合差異在垂向上劃分為多個差異明顯的沉積單元(馮文杰等，2017a;張昌民等，2019)，這表明，自沖積扇沉積開始至結(jié)束的整個過程中沉積過程存在明顯的差異性演變，這一演變過程造成沖積扇沉積體內(nèi)部存在較大的沉積特征、沉積構(gòu)型差異，而這一現(xiàn)象尚未得到足夠重視；(2)沖積扇表面水流分散樣式復(fù)雜，一般包括片流、徑流(水道化)及漫流等多種類型(Clarkeetal.，2010;吳勝和等，2012)，其活躍時間、次序及關(guān)聯(lián)性復(fù)雜，且難以在現(xiàn)代沉積中持續(xù)和全面觀測，不同水流分散樣式控制形成的沉積或侵蝕作用也難以通過靜態(tài)資料進行準(zhǔn)確識別和定量分析。

近年來，為了進一步認(rèn)識沖積扇沉積演化過程及其控制的沖積扇地貌變遷與內(nèi)部構(gòu)型特征，研究人員通過水槽實驗再現(xiàn)了沖積扇(河流主控型)沉積演化過程，并根據(jù)模擬過程中觀察到的扇面水流分散樣式與沉積特征識別出3個主要的沉積階段(Clarkeetal.，2010;馮文杰等，2017b;石若峰等，2017;印森林等，2017)，但受限于實驗觀測技術(shù)，前人研究僅記錄了模擬過程中的圖像信息，未能精確記錄沖積扇地貌數(shù)據(jù)，因此未能建立精確的數(shù)字化實驗沖積扇模型，無法進行定量化的沉積學(xué)分析。

在前人研究的基礎(chǔ)上，在水槽實驗過程中除利用延時相機記錄扇面沉積特征外，采用3D激光掃描儀(Faro S70)記錄實驗沖積扇沉積地貌數(shù)據(jù)，并利用自主設(shè)計開發(fā)的數(shù)據(jù)處理和定量沉積學(xué)分析軟件，建立定量化的沖積扇沉積演化數(shù)字模型，通過定量化沉積學(xué)分析，明確了沖積扇演化過程中地貌特征演變規(guī)律，明確了沖積扇沉積演化的階段性，并分階段建立了干旱條件下沖積扇沉積構(gòu)型模式。

1 實驗設(shè)備及方案設(shè)計與分析

為模擬自然界干旱條件下沖積扇沉積演化過程，本實驗初始條件設(shè)計遵循以下幾項基本原則，具體包括： (1)采用穩(wěn)定的水流與沉積物供給，排除構(gòu)造、氣候及物源區(qū)母巖性質(zhì)變化帶來的影響；(2)選用較寬粒徑范圍的沉積物(包含從泥到礫級沉積物)，以模擬粒級廣泛的沖積扇沉積；(3)設(shè)定水平的沉積底形，避免沉積地形對沖積扇的影響，使得沖積扇在可容空間充足的背景下自主演化。本實驗排除了構(gòu)造、氣候及物源條件變化帶來的影響，以探索沉積體系外部條件不變的情況下沖積扇自發(fā)的演化規(guī)律?；谝陨显瓌t，在調(diào)研前人針對沖積扇模擬實驗參數(shù)的基礎(chǔ)上(馮文杰等，2017b;石若峰等，2017)，結(jié)合多次預(yù)實驗，確定了本次物理模擬實驗擬采用的最佳實驗參數(shù)。水槽內(nèi)壁長10im，寬5im，高1im，主要包括實驗臺，沉積物篩選設(shè)備，定速供水、供砂設(shè)備，3D激光掃描儀，圖像攝錄設(shè)備等(圖 1)。實驗臺為沙質(zhì)平臺，整個沉積過程被控制在實驗臺上，實驗臺周圍設(shè)置出水槽，在實驗過程中，實驗臺高于槽內(nèi)水位，保證整個沉積過程中實驗臺處于“陸上”環(huán)境，并且為完整再現(xiàn)沖積扇的沉積演化過程，將實驗臺坡度調(diào)為零。實驗水流速率以及沉積物的供給速率恒定(供水速率為： 0.1 L/s，供沙速率為： 160icm3/min)。實驗采用干沙，粒度分布如圖 2，其中值粒徑為350iμm，實驗用沙通過供水通道混入水中進而沉積。實驗所采用的掃描儀為FARO Focus S70i3D激光掃描儀，掃描精度平面上為1imm，垂向上低于1imm。

圖 1 本文所采用的物理模擬水槽一覽Fig.1 A snapshot of flume tanks used in this article

圖 2 實驗用沙粒度分布Fig.2 Experimental sand particle size distribution diagram

A、b和c—延時相機記錄下的不同時期片流沉積的形態(tài)樣式；d、e和f—3D激光掃描儀獲取的不同時期片流沉積的沉積厚度增量

在模擬實驗過程中，采用定時拍攝(間隔時間為60 s)的手段記錄沖積扇的演變過程，并采用3D激光掃描儀進行精細(xì)沉積地貌掃描，定量記錄不同期次沖積扇的沉積形態(tài)數(shù)據(jù)。以每15imin為一單位，共計完成了74組物理模擬實驗，獲取了相應(yīng)的沉積演化數(shù)據(jù)。通過基準(zhǔn)掃描對所獲取的數(shù)據(jù)進行校準(zhǔn)，再對所有的數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化。

2 模擬實驗中干旱條件下沖積扇沉積構(gòu)型單元類型及特征

根據(jù)實驗過程的觀測和實驗數(shù)據(jù)的定量分析，發(fā)現(xiàn)干旱條件下沖積扇沉積過程中伴隨著扇面的水流動力、水流的分散樣式以及沉積物堆積樣式等變化，形成了不同類型動力條件主導(dǎo)的沉積構(gòu)型單元。包括片流沉積、非限定性水道沉積、限定性水道沉積和水道末端朵體沉積。各類構(gòu)型單元的發(fā)育和演變具有明顯的時空差異。

2.1 片流沉積

片流沉積是水流攜帶的沉積物在物源端開闊地帶快速堆積形成的連片狀堆積體，所需水體能量較高(李新坡等，2007)。在模擬實驗的初期，水體幾乎覆蓋全部扇面，片流沉積最為明顯，呈連片狀向下沖積。在剖面上，多期片流疊置、進積特征明顯(圖 3)。在平面上，整個扇面同時沉積并且向四周迅速擴大，片流沉積連片分布且分布較廣。

通過第3～5期的沉積厚度增量對比(圖 3-d，3-e，3-f)，分析發(fā)現(xiàn)扇體的多數(shù)部位發(fā)生沉積，但不同部位沉積厚度增量不同。圖 3-d中，扇體周緣沉積厚度增量最大，中間部位次之；圖 3-e中，扇體兩側(cè)沉積厚度增量最大，中間主水道靠近物源端部位次之；圖 3-f中，扇體中部沉積厚度增量最大，尤其是扇體前緣以及靠近物源端部位，兩側(cè)極少沉積。整體上可以反映出片流沉積連片沉積的特征。

依據(jù)片流沉積的沉積范圍，將所觀察到的片流沉積分為整體片流沉積和局部片流沉積兩大類(圖 4；圖 5)。

整體片流沉積是扇體向邊緣均勻擴大形成的形態(tài)較為規(guī)則的沉積體，在形成時水體幾乎覆蓋了整個扇面。之后形成的沉積體表現(xiàn)為明顯的垂向疊置沉積，新疊置的沉積體逐漸覆蓋淹沒了先期沉積，形成新一期的片流(圖 4)。

與整體片流沉積不同的是，局部片流沉積形成時水流只覆蓋了部分扇面，且整個沉積過程水流主要沿著一條順直水道流動，并且由于主水道的擺動，在扇體中部至邊緣部位不斷側(cè)向疊加遷移形成多個沉積朵體(圖 5-b，5-c)。當(dāng)其中一側(cè)沉積到一定程度時，水道發(fā)生遷移，繼而在扇體另一側(cè)開始沉積，此時水流依然沿著一條主水道流動，繼續(xù)在另一側(cè)扇體進行局部片流沉積(圖 5-e，5-f)。在局部片流沉積形成過程中，由于水道的不斷擺動造成所形成的扇面形態(tài)極不規(guī)則(圖 5-a，5-d)。

圖 4 物理模擬實驗中整體片流沉積的發(fā)育演化過程(第2期)Fig.4 Development and evolution of monolithic sheet flow deposition in physical experiments(phase 2)

A和d—3D激光掃描儀獲取的不同時期局部片流沉積的沉積厚度增量;b、c、e和f—延時相機記錄下的不同時期局部片流沉積的形態(tài)樣式

通過第6期與第7期的沉積厚度增量對比(圖 5-a，5-d)，分析發(fā)現(xiàn)在扇體邊緣某一突出部位存在較大的沉積厚度增量，明顯大于扇面上其他部位的增量。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因可能是局部片流沉積時，水流只沿著一條主水道擺動，因此局部水動力較強，水流可以攜帶沉積物在先期形成的扇體上大面積向外擴散，形成沉積朵體。

A—3D激光掃描儀獲取的限定與非限定性水道的沉積厚度增量; b—延時相機記錄下的限定與非限定性水道的形態(tài)樣式及分布

A—水道長度變化趨勢；b—水道寬度變化趨勢

2.2 水道沉積

水道沉積是在片流沉積的背景下，由于水動力減弱水流所攜帶的沉積物在片流沉積末端形成的沉積單元(陳娟等，2018)。根據(jù)水流特征，將水道沉積進一步劃分為限定性水道和非限定性水道沉積2種(圖 6)。

非限定性水道是在扇體頂端至中端部位發(fā)育的寬度較大、深度較淺且無明顯河岸限制的水道(圖 6)。水道延伸距離可以從扇根延伸至扇體中部，水道主體部位在向前流動的同時其側(cè)緣往往會有溢散性水流，并且非限定性水道往往是侵蝕性質(zhì)的，其沉積過程主要發(fā)生在自身遷移擺動過程中。與此截然不同的是，限定性水道通常是在非限定性水道前端出現(xiàn)的寬度較小、深度較大且受兩側(cè)堤岸限制的水道(圖 6)。在水道流動過程中其側(cè)緣無明顯溢流現(xiàn)象，且水道不同部位存在明顯侵蝕和沉積的階段性分布(圖 6)。觀察整個沖積扇的沉積演化過程，發(fā)現(xiàn)非限定性水道的長度變化幅度較大，說明其在沉積演化過程中發(fā)育不穩(wěn)定，向前或向后延伸較頻繁。而限定性水道長度則隨著扇體的不斷擴大呈逐漸遞增趨勢(圖 7-a)。

根據(jù)第50期的沉積厚度增量(圖 7-a)，分析發(fā)現(xiàn)水道沉積部位具有明顯的下切現(xiàn)象，且非限定性水道部位的下切現(xiàn)象比限定性水道更為明顯。

2.3 朵體

朵體是在沖積扇水道末端形成的由分散狀水源控制的朵狀沉積體。一般單個朵體呈不規(guī)則形態(tài)，多個朵體可以隨著水道的遷移擺動形成朵體復(fù)合體，并且在扇面上占據(jù)相當(dāng)?shù)拿娣e(圖8)。實驗中所觀察到的朵體是沖積扇表面水道末端在開闊地形上發(fā)散開來，流速驟減，沉積物迅速泄載而形成了朵狀的沉積體。朵體面積大小不一，模擬實驗中以形態(tài)較大的朵體為主，期間夾雜著個別面積較小的朵體。朵體整體上呈扇形，局部呈不規(guī)則狀(圖 9)。

圖 8 現(xiàn)代沖積扇河流末端朵體衛(wèi)星圖片(坐標(biāo)為41°33′N，80°31′E;衛(wèi)星圖來源于Google Earth)Fig.8 Satellite image of a terminal lobe of a modern alluvial fan(Coordinate: 41°33′N，80°31′E;The image was downloaded from Google Earth)

A和b—3D激光掃描儀獲取的沖積扇朵體的沉積厚度增量;c和d—延時相機記錄下的沖積扇朵體形態(tài)樣式及分布

通過第65期與第69期沉積厚度增量對比(圖 9-a，9-b)，發(fā)現(xiàn)不同部位朵體的沉積厚度增量不同，極個別朵體在扇體邊緣大量沉積，但大多數(shù)情況下朵體在水道末端已經(jīng)開始沉積，到扇體邊緣沉積物逐漸減薄增量變小。圖9中還可觀察到不同期次朵體的沉積方位有所不同，如圖 9-a中朵體靠右側(cè)沉積，沉積過程是依次按空間順序沿著扇體邊緣沉積；而在圖 9-b中朵體靠左側(cè)沉積，沉積過程與圖 9-a中不同，厚度顯示出溝道化特征。在沖積扇整個沉積演化過程中，隨著扇體發(fā)育，越到晚期水道化特征越明顯，且形成的朵體越小。

3 模擬實驗中沉積構(gòu)型單元發(fā)育時期及演化特征

以下實驗數(shù)據(jù)是在模擬實驗完成后，通過沉積厚度增量圖分析出發(fā)生沉積的部位，再結(jié)合沉積厚度增量圖和照片記錄下的沉積現(xiàn)象，來區(qū)分不同部位發(fā)育的沉積構(gòu)型，最后采用定量化軟件對這些區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集統(tǒng)計。

A—片流沉積面積演化趨勢;b—片流沉積面積在整個扇面面積中的占比

A—非限定性水道面積演化趨勢;b—非限定性水道面積在整個扇面面積中的占比

3.1 片流沉積發(fā)育時期及演化特征

片流沉積在整個扇體的發(fā)育過程中均有分布，但隨著扇體的擴大，片流面積呈逐漸遞減的趨勢(圖 10-a)。觀察圖 10-b發(fā)現(xiàn)第1～11期片流沉積面積在整個扇面面積中的占比大幅高于第12～74期，且第1～11期呈線性關(guān)系不斷遞減，遞減速率大于第12～74期，具有明顯的階段性(圖 10-b)。造成這一變化趨勢的原因可能是在沖積扇開始發(fā)育階段，扇體較小，水流可以覆蓋整個扇面，因此在模擬實驗的早期主要發(fā)育片流沉積。但到模擬實驗的中晚期，隨著扇體的不斷擴大，流經(jīng)扇體中下部位的水體流速逐漸減小，水動力不足以攜帶沉積物到扇體中下部位，從而導(dǎo)致片流沉積逐漸減少，此時水道開始發(fā)育。在模擬實驗的晚期，片流沉積趨于穩(wěn)定，片流面積只占整個扇面的20%以下(圖 10-b)。

3.2 水道沉積發(fā)育時期及演化特征

非限定性水道從第4期開始發(fā)育，第4～13期大面積發(fā)育，第13期后呈線性關(guān)系緩慢遞減，具有明顯的階段性(圖 11-a)。在模擬實驗的整個過程中，非限定性水道面積在整個扇面面積中的占比在20%左右，說明在整個演化過程中非限定性水道的沉積演化較穩(wěn)定，受自身演化規(guī)律的影響較小(圖 11-b)。整體上，由于非限定性水道在片流沉積發(fā)育后開始出現(xiàn)，不受到晚期的限定性水道和朵體沉積的影響。

A—限定性水道面積演化趨勢;b—限定性水道面積在整個扇面面積中的占比

限定性水道從第7期開始發(fā)育，第7～21期限定性水道沉積增長緩慢，沉積面積較小，第21期后整體呈線性關(guān)系大幅增長(圖 12)。綜觀整個沉積演化過程，限定性水道受控于自身演化規(guī)律。并且在沖積扇發(fā)育中晚期，由于扇面地形改變(坡度逐漸變緩)，限定性水道沉積在中晚期波動幅度較大。

A—朵體面積演化趨勢;b—朵體面積在整個扇面面積中的占比

3.3 朵體發(fā)育時期及演化特征

朵體從第7期開始發(fā)育，其沉積面積在整個演化過程中大致呈周期性變化。模擬實驗早期朵體的形成時間較短，變化幅度較大(圖 13)。造成這一現(xiàn)象的原因可能是模擬實驗早期沖積扇發(fā)育程度較低，扇體前緣可容空間較小，對沉積物的容納能力有限，故所需充填時間較短，周期較小。在模擬實驗的中晚期，沉積面積呈周期性小幅波動，可能是在中晚期隨著沖積扇面積擴大，可容空間變大，在沉積物的供給速率不變的情況下，每個朵體所需沉積時間增長，周期變大(圖 13)。

4 沖積扇沉積演化的階段性

通過74組水槽模擬實驗，依據(jù)“扇體增長趨勢和形態(tài)樣式”將整個沖積扇的生長發(fā)育劃分為3個演化階段?；趫D 14-d中沖積扇整體增長趨勢線觀察發(fā)現(xiàn)，扇體在整個演化過程中的增長速率有明顯的減小趨勢，其斜率由第1～10期的0.85減小到第11～41期的0.38再遞減到第42～74期的0.09(圖 14-d)。這3個時期對應(yīng)的扇面變化趨勢也發(fā)生規(guī)律性的變化。

A—3D激光掃描儀獲取的沖積扇發(fā)育初期扇體形態(tài)樣式;b—3D激光掃描儀獲取的沖積扇發(fā)育中期扇體形態(tài)樣式;c—3D激光掃描儀獲取的沖積扇發(fā)育晚期扇體形態(tài)樣式;d—沖積扇模擬實驗中扇體的74組演化數(shù)據(jù)

沖積扇發(fā)育初期(模擬實驗第1～10期)： 在這一階段，沖積扇呈橢圓形，水道不發(fā)育，以片狀沉積為主(圖 14-a)。通過圖 14-d中垂直物源方向X剖面和順物源方向Y剖面觀察發(fā)現(xiàn)，這一時期扇體規(guī)模在垂直和順物源方向的剖面上均增速較快，垂直物源方向剖面增長速率為0.847，順物源方向剖面為0.655。此時扇體主要向外擴張，以進積作用為主。

沖積扇發(fā)育中期(模擬實驗第11～41期)： 在這一階段，扇體已經(jīng)由橢圓形向扇形轉(zhuǎn)化，以單側(cè)沉積為主，形狀不規(guī)則，可見扇體還未發(fā)育穩(wěn)定、處于活躍生長階段。這一時期水道開始出現(xiàn)，以非限定性水道為主，伴隨少量限定性水道；朵體也逐漸發(fā)育。在平面上，這一時期的沖積扇近端主要為水道，向遠(yuǎn)端延伸出朵體(圖 14-b)。在剖面上，這一時期扇體規(guī)模在垂直和順物源方向的剖面上均有增加，但增幅與模擬實驗早期相比有所減小，垂直物源方向剖面增長速率為0.383，順物源方向為0.198。此時扇體一邊向外擴張一邊沉積，進積和加積同時作用(圖 14-d)。

沖積扇發(fā)育晚期(模擬實驗第42～74期)： 在這一階段，扇體逐步擴大并趨于穩(wěn)定，扇形較為規(guī)則。這一階段出現(xiàn)大量限定性水道，朵體變小且發(fā)育在扇體中部至邊緣部位(圖 14-c)。在剖面上，該時期扇體規(guī)模在垂直和順物源方向的剖面上仍然呈遞增趨勢，但增幅與模擬實驗中期相比繼續(xù)減小，垂直物源方向剖面增長速率為0.081，順物源方向剖面為0.108，并且在該時期垂直物源方向剖面增速由早中期的大于順物源方向增速轉(zhuǎn)變?yōu)樾∮陧樜镌捶较蛟鏊?。此時扇體以加積作用為主(圖 14-d)。

A—沖積扇早期演化模式;b—沖積扇中期演化模式;c—沖積扇晚期演化模式;d—沖積扇垂直物源方向的剖面;e—沖積扇順物源方向的剖面

5 干旱環(huán)境下沖積扇沉積演化及其模式

數(shù)十年來，沖積扇沉積演化過程及其模式研究一直是沉積學(xué)研究領(lǐng)域的熱點之一。沖積扇沉積機制十分多樣，包括碎屑流主控、河流主控、碎屑流—河流共同控制等多種機制(吳勝和等，2016)。干旱環(huán)境下河流主控型沖積扇是中國西部地區(qū)廣泛發(fā)育的沖積扇類型，近年來受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注，以新疆和什托洛蓋盆地北緣現(xiàn)代白楊河沖積扇等為例，基于沖積扇內(nèi)的沖刷河谷剖面建立了干旱環(huán)境下河流主控沖積扇的沉積模式(劉大衛(wèi)等，2018；高崇龍等，2020)，針對該沖積扇的研究發(fā)現(xiàn)沖積扇沉積存在明顯的3階段演化規(guī)律，依次為朵體疊覆階段、河流疊切階段及廢棄階段。這一發(fā)現(xiàn)在前人研究的基礎(chǔ)上向更精細(xì)、更動態(tài)、更注重沉積演化過程的方向邁進了一大步，然而，基于現(xiàn)代沉積實例的研究限于資料的局限性，無法觀測到?jīng)_積扇具體的沉積演化過程，從而無法深入探討沖積扇的多階段性演化規(guī)律及其控制的沉積構(gòu)型特征。本研究通過水槽實驗再現(xiàn)沖積扇完整的演化過程，并通過三維激光掃描儀等設(shè)備及配套技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化模擬沖積扇，定量化分析其沉積演化過程，明確了沖積扇的演化階段性，并建立了一個具有參考價值的數(shù)字化模擬沖積扇模型。

從整體來看，本實驗中，每期沉積物供給量基本保持一致，表明沉積過程中邊界條件控制合理，達到預(yù)期。所模擬的沖積扇在時空上經(jīng)歷了3期發(fā)育演化過程。

在空間上，發(fā)育初期： 扇體主要以片流沉積為主，未出現(xiàn)水道，不規(guī)則向外擴大(圖 15-a)。發(fā)育中期： 水道開始出現(xiàn)，主要以非限定性水道為主，伴隨少量限定性水道，朵體在扇體邊緣出現(xiàn)且面積較大(圖 15-b)。發(fā)育晚期： 限定性水道大量出現(xiàn)，呈現(xiàn)出明顯的水道化，扇體邊緣幾乎全部被朵體覆蓋，單個朵體面積較中期有所減小(圖15-c)。

在時間上，通過觀察垂直和順物源方向的剖面發(fā)現(xiàn)，早期： 為片流朵體復(fù)合體，扇體進積作用較為明顯，每期沉積物幾乎可以覆蓋整個扇面。中期： 為水道加朵體復(fù)合體，進積作用較早期有所減慢，扇面擴大速率也相對減慢。晚期： 為水道和小朵體復(fù)合體，扇體以加積作用為主。由于扇面的擴大，水流不足以攜帶沉積物到扇體邊緣，出現(xiàn)圖15-c中部分期次沉積體只到扇面的中遠(yuǎn)端的現(xiàn)象。

在垂直物源方向剖面上，扇體每期沉積方位有所不同，水道頻繁擺動。 整體形狀呈透鏡狀(圖 15-d)；在順物源方向剖面上，觀察到從物源口到扇體邊緣沉積物厚度逐漸減薄、 坡度逐漸變緩(圖 15-e)。

6 討論

本實驗中，考慮到水槽實驗條件下水流搬運能力有限，選用中砂來模擬自然界沖積扇的沉積物，其中，中粗砂類比自然界礫質(zhì)沉積物，而細(xì)-粉砂類比自然界砂質(zhì)沉積物。實驗用砂含泥量較少、黏性較低，因而模擬實驗體本質(zhì)上為一偏砂質(zhì)扇體，與自然界中處于干旱氣候下、扇面植被發(fā)育程度低、沉積物含泥質(zhì)較少的干旱扇較為相似，而與濕潤氣候下發(fā)育的植被豐富、沉積物含泥量高的河流扇存在一定的差異。

作者在前人對沖積扇演化階段性的研究基礎(chǔ)上，進一步分析了沖積扇構(gòu)型要素在整個沖積扇沉積演化過程中的發(fā)育程度變化規(guī)律。結(jié)果表明：片流沉積發(fā)育程度存在陡降—緩降2個階段特征(圖10)，限定性水道存在2個階段緩慢增加的總體趨勢(圖12)；而非限定性水道與水道末端朵體的發(fā)育程度存在較大的波動，且難以識別出規(guī)律性的演化(圖11，圖13)。這一現(xiàn)象可能與扇面水動力條件演變有關(guān)：片流沉積為極強水動力沉積、限定性水道沉積為極弱水動力沉積，兩者都是沖積扇環(huán)境下的極端水動力產(chǎn)物，其發(fā)育具有主導(dǎo)扇面沉積的作用，因而呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性；而非限定性水道及水道末端朵體則是中等水動力強度下受侵蝕—充填—再侵蝕過程控制形成的產(chǎn)物，其沉積過程與扇面地貌自主平衡有很強關(guān)聯(lián)，因而兩者發(fā)育程度未出現(xiàn)明顯的規(guī)律性變動。以上分析是首次基于動態(tài)演化資料開展的沉積構(gòu)型要素發(fā)育規(guī)律研究，然而，在缺乏多組對照實驗的情況下，這一規(guī)律是否確定存在于自然形成的沖積扇中還存在較大的不確定性。在未來的研究工作中，通過多組對照實驗，利用高精度實驗數(shù)據(jù)開展定量化沉積演化分析，對于深化沖積扇沉積學(xué)研究具有較大的科學(xué)價值。

7 結(jié)論

1)將整個干旱條件下的沖積扇演化過程大致分為3個時期，明確了不同時期扇體的形態(tài)、主控沉積作用、扇體增生規(guī)律以及不同時期發(fā)育的沉積構(gòu)型。早期以進積作用為主，沉積體形狀呈橢圓形，為片流朵體復(fù)合體；中期進積和加積作用共存，扇體形狀不規(guī)則，扇面地形起伏程度增加，沉積主體為水道與朵體構(gòu)成的復(fù)合體；晚期扇面沉積以加積作用為主，扇體邊緣形狀趨于平滑，扇體呈理想的扇形，扇面地貌更趨穩(wěn)定，沉積主體為水道和小朵體構(gòu)成的復(fù)合體。

2)闡明了3個時期內(nèi)形成沉積體內(nèi)部構(gòu)型單元的發(fā)育情況與構(gòu)型特征： (1)片流沉積主要發(fā)育在早期，到中晚期明顯減少，一般呈連片狀，多期疊置后形成大面積連片的復(fù)合沉積體。根據(jù)其分布范圍的大小將片流沉積分為扇面全區(qū)片流和局部片流沉積2類，其中全區(qū)片流形成于沉積早期，而局部片流則形成于早期至中期。片流沉積面積在整個扇面面積中的占比具有明顯的階段性。(2)非限定性水道沉積在早中期開始發(fā)育，發(fā)育位置較穩(wěn)定，主要分布在扇體靠近物源端，水道較寬，無明顯河岸限制。(3)限定性水道主要發(fā)育于中晚期，晚于非限定性水道的形成，水道較窄，有明顯的短距離下切作用。(4)扇面朵體發(fā)育于水道末端開闊區(qū)域，早期朵體面積較大，隨著沉積過程持續(xù)逐漸減小，朵體沉積面積在整個演化過程中大致呈周期性變化。

3)綜觀整個扇體沉積演化過程，早期以片流為主，中期則以非限定性水道及其末端朵體為主，至晚期演化為限定性水道為主。自下而上形成了3個主控沉積作用不同、沉積構(gòu)型單元類型及其疊置樣式有差異的3層沉積體。此外，由于沖積扇表面存在明顯的順源水動力減弱和水道發(fā)散程度增高的現(xiàn)象，沖積扇內(nèi)部近源部位以強水動力沉積為主(包括片流沉積、非限定性水道沉積)，而向遠(yuǎn)源部位逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬θ跛畡恿Τ练e(由非限定性水道及其末端朵體沉積轉(zhuǎn)變?yōu)橄薅ㄐ运莱练e)。