黑河分支河流體系地貌特征和沉積模式

胡賽寅, 劉宗堡, 盧志霖, 劉警陽

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院, 黑龍江 大慶 163318; 2.山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院, 山東 濟南 250358)

分支河流體系(distributive fluvial systems, DFS)指河流攜帶的碎屑顆粒在河流進入盆地后,形成放射狀展布的沉積體系[1]。DFS通常由近端、中部和遠端三部分組成,其中近端和中部儲集性較好,利于形成范圍廣、規(guī)模大的油氣優(yōu)質(zhì)儲層[2-3]。DFS最早由Weissmann等[1]于2010年提出,Hartley等[4]進一步研究了DFS的類型、展布、延伸長度、構(gòu)造背景和環(huán)境特征,提出了DFS發(fā)育有6種河道模式和五種末端類型,同期Davidson等[5]將DFS沉積模式簡化為3種。張昌民等[6]以沖積扇概念的演變?yōu)橹骶€,總結(jié)出DFS的發(fā)育特征和地質(zhì)意義。呂俊嶺等[7]利用水槽模擬實驗重建了干旱區(qū)DFS的沉積過程,并提出了干旱區(qū)DFS沉積演化的三個階段。趙蕓等[8]介紹了DFS的概念、規(guī)模、特征和研究方法,如遙感影像解譯、無人機航拍、沉積露頭類比和古土壤分析等。研究表明,世界上70%的DFS分布在干旱區(qū),如撒哈拉沙漠、中亞地區(qū)、澳大利亞大陸內(nèi)部和我國西北干旱區(qū)[1,9-10]。根據(jù)扇體規(guī)模(半徑和面積),DFS分為沖積扇(半徑小于30 km,面積小于100 km2)、河流扇(半徑在30～100 km之間,面積為100～1 000 km2)和巨型扇(半徑大于100 km,面積為1 000～100 000 km2)三種[4]。其中巨型扇由于地貌條件限制研究成果不足,且已有研究大多針對熱帶或亞熱帶氣候發(fā)育的巨型扇[11-14],而對溫帶干旱區(qū)特別是北半球溫帶干旱區(qū)巨型扇的地貌特征和沉積模式鮮有研究。

黑河是我國第二大內(nèi)流河,其末端形成的分支河流體系(簡稱黑河DFS)不僅是我國西北干旱區(qū)中少見的巨型扇,也是世界上典型的溫帶干旱區(qū)巨型扇,在地貌類型、沉積特征、環(huán)境變化和人地關(guān)系等方面具有很高的研究價值。長期以來,許多學(xué)者就黑河下游的水系變遷、氣候變化、群落演替和土地利用等方面開展了深入研究,積累了詳實的資料和成果[15-20]。黑河DFS是第四紀形成的分支河流體系[21-23],位于環(huán)境變化的敏感區(qū)和脆弱區(qū),形成后易被其他自然地理要素改造,呈現(xiàn)出獨具特色的地貌類型、河流展布和沉積序列,已經(jīng)成為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)生活的重要場所和沙漠邊緣的生態(tài)屏障。本文通過衛(wèi)星遙感影像解譯,同時結(jié)合相關(guān)的地質(zhì)資料和DEM數(shù)據(jù),確定了黑河DFS的邊界形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和地貌類型,并討論了黑河DFS演化的控制因素和沉積模式。本研究有利于進一步了解黑河下游的地質(zhì)環(huán)境,可為地下儲層類比預(yù)測[24]和溫帶干旱區(qū)DFS的沉積構(gòu)型提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

黑河DFS位于99.2°～101.8°E和39.8°～42.6°N之間,南北跨越甘肅省和內(nèi)蒙古自治區(qū)。研究區(qū)地處黑河下游,地勢東南高、西北低,平均海拔1 500 m(圖1)。

圖1 研究區(qū)

從地貌單元看,研究區(qū)位于阿拉善高原,東鄰巴丹吉林沙漠,西側(cè)與額濟納戈壁區(qū)接壤,內(nèi)部發(fā)育有大量湖盆洼地和沙漠[25-26]。DFS頂點在正義峽以下約14 km處,DFS內(nèi)黑河先向北東方向流動,而后在狼心山分為東河、西河兩支,分別匯入東、西居延海,形成了面積約3.01×104km2的黑河DFS。歷史上,黑河曾匯入居延澤,成為發(fā)展綠洲農(nóng)業(yè)和軍事防御的重要場所,后隨著氣候變化和上游人類活動,黑河下游來水量減少,居延澤逐漸萎縮,而后形成東居延海、西居延海等黑河尾閭湖泊。研究區(qū)屬于大陸性氣候中的干旱荒漠和極端干旱氣候,具有降水量少、蒸發(fā)性強、晝夜溫差大和風(fēng)沙多等特點[27],造成土壤缺水、植被稀疏和砂石發(fā)育。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本次研究所用Landsat系列影像和哨兵影像來自地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn/)和美國地質(zhì)調(diào)查局(https://glovis.usgs.gov/),DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(www.gscloud.cn/),各類地質(zhì)圖和部分水文資料來自地質(zhì)云(https://geocloud.cgs.gov.cn/#/home)。地貌數(shù)據(jù)來自黑河流域地貌類型圖和黑河流域沙漠(沙地)分布數(shù)據(jù)集(http://www.ncdc.ac.cn/portal/);氣象數(shù)據(jù)取自中國1 km分辨率月平均氣溫數(shù)據(jù)集和逐月降水量數(shù)據(jù)集(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),用于計算1950年以來黑河流域多年平均氣溫和年降水量,并繪制等溫線和等降水量線;土壤質(zhì)地數(shù)據(jù)取自面向陸面模擬的中國土壤數(shù)據(jù)集和中國土壤水分數(shù)據(jù)集(2002—2018)(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),用于分析土壤質(zhì)地、土壤含水量和礫石分布;部分水文資料來自中國河流泥沙公報(http://www.mwr.gov.cn/)。上述數(shù)據(jù)能夠保證相關(guān)研究的準(zhǔn)確性和真實性。

2.2 研究方法

2.2.1DFS邊界識別

本次研究首先通過地質(zhì)圖確定了DFS的頂點、河道范圍和終端位置,隨后利用Landsat MSS和TM影像SWIR2、NIR、Green波段,OLI影像SWIR2、NIR、Red波段進行假彩色合成,最終確定了可目視解譯的黑河DFS邊界。從假彩色合成的影像上看,DFS起點處河流已經(jīng)出山,河流沉積突然變明顯;研究區(qū)北側(cè)和西側(cè)發(fā)育有大量辮狀河道,東側(cè)為表面凹凸不平的沙漠,東南側(cè)存在全新世形成的古代湖泊;此外,在難以確定邊界的區(qū)域,借助天地圖影像等更高分辨率(不足10 m)影像進行目視解譯。

本次研究選用影像的成像時間為每年5～10月,云量小于5%,影像質(zhì)量能夠滿足工作要求。誤差主要為影像分辨率誤差,計算公式[28]為:

(1)

式中:ε為誤差面積(m2);N為影像分辨率(Landsat MSS影像取60 m,Landsat TM影像取30 m,Landsat OLI影像取30 m);λL為DFS邊界經(jīng)過的像元個數(shù)。

2.2.2地貌類型劃分

根據(jù)DEM數(shù)據(jù)將研究區(qū)分為中海拔區(qū)域(1 000 m以上)和低海拔區(qū)域(1 000 m以下),并初步劃分平原、臺地和丘陵等基本地貌類型,然后將Landsat OLI影像SWIR2、NIR、Red波段進行假彩色合成,目視解譯各地貌類型的邊界,結(jié)合黑河流域1∶100萬地貌類型圖、研究區(qū)地質(zhì)圖和土壤植被等資料進行進一步修訂,最終確定黑河DFS的30種地貌類型。其中沙地的劃分和命名參考黑河流域1∶10萬沙地分布數(shù)據(jù)集,各地貌類型的名稱及特征詳見表1。因缺少野外考查資料,本研究的地貌類型難免存在誤差,不適合小尺度地貌研究。

表1 黑河DFS地貌類型及特征

3 黑河DFS地貌特征

3.1 宏觀地貌特征

黑河DFS呈南西—北東方向展布,上窄下寬,面積約3.01×104km2,最大半徑約310 km,最寬處約167 km,扇頂角約71.02°,平均海拔1 003.93 m,平均坡度0.96°,平均地表起伏度2.37°。為了研究黑河DFS整體地貌特征,繪制了3條縱剖面線和8條橫剖面線,間隔500m取點,測量各點的高程、坡度和地表起伏度(圖2),三條縱剖面的高程與到頂點的距離具有較好的線性負相關(guān)。沖積物和沖洪積物覆蓋區(qū)等高線向東北方向突出,與DFS延伸方向一致,湖積物覆蓋區(qū)等高線向西南方向突出,與DFS延伸方向相反,900m等高線形成兩個封閉的環(huán)形區(qū)域,與西居延海和古居延澤范圍大致相同(圖2(a))。各橫剖面線等高線形態(tài)特征相似,可能是區(qū)內(nèi)古代湖泊造成的。圖2(b)和(c)表明,各剖面線地形起伏特征與坡度特征基本一致,除斜穿剖面線e-g的長條形區(qū)域外,其余坡度和地表起伏較大的區(qū)域可能存在湖泊、殘丘和沙地。各剖面線坡度統(tǒng)計表明:縱剖面坡度的均值與DFS平均坡度相近,但中位數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差低于整個DFS(坡度中位數(shù)0.788°,標(biāo)準(zhǔn)差0.934);橫剖面a、d坡度波動明顯,橫剖面d、e、g的均值與整個DFS坡度接近。綜上所述,DFS中部坡度較低且沒有較大波動,但有陡坡出現(xiàn),而DFS的邊緣區(qū)域特別是起點處存在較大的坡度波動。坡度是構(gòu)造活動的一種表現(xiàn)[29],因此黑河DFS的坡度特征可能與DFS邊緣和內(nèi)部的構(gòu)造有關(guān)。

圖2 黑河DFS整體地貌特征

利用10期遙感影像研究1973年以來黑河DFS的形狀變化特征,并計算DFS的面積。結(jié)果表明:1986年DFS面積最大,1973年DFS面積最小(圖3),且各期影像解譯的面積誤差與提取的DFS面積之比小于1.4/1000。不同時期DFS邊界的西側(cè)和南側(cè)重合度很高,東北部重合度較低(可能是東北部的巴丹吉林沙漠吞噬造成的),而 DFS內(nèi)部河道沒有明顯的改道、側(cè)向遷移和截彎取直現(xiàn)象,說明1973年以來黑河DFS的邊界和河床是穩(wěn)定的,黑河DFS沒有向前推進或橫向擴張。然而,與穩(wěn)定的邊界和河床不同,DFS內(nèi)的河流水量和湖泊面積是不穩(wěn)定的,具體表現(xiàn)為不同時期湖泊水體面積差距較大(圖3),湖泊水體面積最小時(2002年)僅為面積最大時(1990年)的26%。湖泊水體面積的變化不是湖盆擴張或收縮造成的,而是與氣候和黑河徑流量有關(guān),如2000年前湖泊水體主要靠降水補給,水體面積較大,而2000年后降水量減少且蒸發(fā)較強[30],湖泊萎縮甚至干涸,面積達到最小值。黑河統(tǒng)一調(diào)水后,黑河水先后進入東、西居延海[19],湖泊水體逐漸恢復(fù),水體面積與正義峽徑流的變化趨勢基本一致。

圖3 黑河DFS時間變化特征

3.2 分區(qū)地貌特征

為進一步研究黑河DFS的形成機制、地貌特征和水系分布,將研究區(qū)分為近端、中部和遠端(圖4(a))。黑河自DFS端點至狼心山經(jīng)歷了低彎度曲流河向辮狀河的轉(zhuǎn)化,以狼心山為界,黑河分為東河和西河,在東河和西河的兩側(cè)出現(xiàn)了大量放射狀的古河道,這些古河道使黑河DFS橫向延伸且寬度增加。狼心山以南為DFS近端,狼心山以北為DFS中部。東河和西河在950m等高線以北各自形成匯入湖泊的放射狀分流河道,中部發(fā)育的大部分古河道在950m等高線附近不再向北延伸,故以950m等高線劃分DFS中部和DFS遠端。

圖4 黑河DFS分區(qū)地貌特征

近端呈喇叭形,面積約0.517×104km2,平均海拔1 126.824m,平均坡度0.974°。黑河DFS在近端發(fā)生了曲流河向辮狀河的轉(zhuǎn)化,曲流河長約12.76 km,彎度指數(shù)小于2;辮狀河長約170.35 km,汊道發(fā)育,豐水期河水可沒過心灘。近端發(fā)育中海拔河流階地、中海拔洪積高平原等14種地貌類型,河流和洪水塑造了堆積地貌,在河流階地上發(fā)育有已經(jīng)干涸的古河道。風(fēng)力起到了侵蝕和堆積作用,黑河干流西側(cè)新月形沙丘說明近端區(qū)盛行西風(fēng),沙地的物源區(qū)可能是西側(cè)的阿拉善戈壁,同時東側(cè)的巴丹吉林沙漠可能會侵蝕近端。近端西側(cè)乳白色沉積物為鹽湖平原,以西有沖溝和干枯河道匯入,在河西新湖周圍有小面積的湖積平原,而河漫灘上發(fā)育的湖泊周圍無明顯湖積物痕跡(圖5(a))。

圖5 黑河DFS分區(qū)地貌類型

中部面積1.741×104km2,平均海拔999.534m,海拔跨度超過400m,平均坡度約0.947°。中部主要地貌類型為沖積平原、洪積平原和沙地。黑河DFS在中部分成東河和西河,兩河的夾角約60°,沉積物和水流的相互作用形成了與河流延伸方向一致的小型縱向沙壩,東河支流數(shù)量、河漫灘和河流階地面積均小于西河。中部廣闊的沖洪積平原上發(fā)育有眾多放射狀的曲流河或辮狀河古河道,分流河道間有沖溝,由于風(fēng)的堆積作用,古河道的邊灘和心灘邊界模糊。中部的西北部和東部存在已經(jīng)干涸的中更新世湖泊,東南部存在已經(jīng)干涸的全新世湖泊(古日乃湖),從遙感影像上很難識別古日乃湖的邊界?，F(xiàn)今古代湖泊基本被沙地覆蓋,只在表面發(fā)育有沖溝和古河道。由于研究區(qū)盛行西風(fēng),因此中部沙地的物源來自東部巴丹吉林沙漠的可能性較小。中部南部的殘丘相對高度大于西北部,與近端的基巖殘丘類型一致(圖5(b))。

遠端面積約0.720×104km2,平均海拔922.60 m,平均坡度0.989°,主要地貌類型有湖積沖積平原、湖積平原和湖積臺地。全新世遠端北部的眾多黑河尾閭湖泊曾是相連的大湖,西居延海、東居延海和古居延澤曾為相連的古大湖,最大湖泊面積可能超過6 000 km2,邊界與927 m等高線相近。東河在遠端發(fā)育了規(guī)模很大的分流河道,形成了額濟納綠洲,眾多水上分流河道或匯入東居延?；蜃匀幌?分流河道間有濕地,靠近湖泊的三角洲平原亞相受湖泊和風(fēng)改造。西河分流河道較少,心灘十分發(fā)育且分流河道周圍植被稀疏,受風(fēng)力侵蝕的痕跡較為明顯。西居延海面積遠大于東居延海,現(xiàn)今水量很小且湖水含鹽,湖盆內(nèi)可見泥裂,湖堤保存較好,湖盆周圍亦存在面積較大的全新世湖積物。高水位期湖水淹沒了部分放射狀河道,擴大了湖積物覆蓋范圍,與河水共同塑造了沖積湖積平原等地貌。隨著氣候變干和上游來水量減少,大湖分裂為東居延海和西居延海等面積不等的湖泊,部分水下三角洲出露地表。隨著水體繼續(xù)減少,湖底干涸,甚至成為沙地。西居延海西南側(cè)存在5～6個完全干涸的古代湖泊,北部有古河道入湖,發(fā)育小型三角洲。古居延澤周圍,特別是其南部存在大片沙地,20～30m分辨率的影像中新月形沙丘和沙丘鏈明顯,沙地中古河道隱約可見(圖5(c))。

近端、中部和遠端均有流水、沙地和干燥剝蝕等地貌,地貌發(fā)育的環(huán)境較為干燥,有利于風(fēng)積物堆積,但地貌外營力和地貌類型具有較大差異(表2)。

近端干燥剝蝕地貌最為發(fā)育,固定和半固定沙地不發(fā)育;中部地貌外營力最豐富,沖積物和沖洪積物的覆蓋范圍最廣,沙地類型豐富,殘丘數(shù)量多;遠端風(fēng)積地貌和湖積地貌占比最大,出現(xiàn)如沖積湖積平原等多營力共同塑造的地貌,眾多三角洲沉積亦受風(fēng)力作用改造。分類統(tǒng)計研究區(qū)的高程和坡度數(shù)據(jù)(圖4(b)和(c)),發(fā)現(xiàn)近端和遠端的高程變化范圍較小,而中部覆蓋了900 m以上的所有類別;圖4(c)中遠端平均坡度最大,而中部平均坡度最小,說明湖積物和風(fēng)積物覆蓋區(qū)不及沖積物和沖洪積物覆蓋區(qū)平緩。對比近端、中部和遠端的地貌特征,可以確定自近端至遠端,河流水動力逐漸減弱,但河道(包括古河道)的規(guī)模先擴張后縮小。近端、中部和遠端可容納空間大小為近端<遠端<中部,沉積物供給量為近端>中部>遠端,且三者之間可容納空間之差大于沉積物供給量之差,因此自近端至遠端,A/S值(可容納空間/沉積物供給)先增加后減小。

4 黑河DFS控制因素和沉積模式

4.1 黑河DFS演化的控制因素

DFS的演化受控于流域、構(gòu)造、氣候以及在多種因素影響下的徑流變化[7]。流域特征決定了物源區(qū)沉積物的性質(zhì)與總量、沉積物搬運的難易程度以及DFS形成過程中沉積物與匯水區(qū)基底的相互作用;構(gòu)造塑造了流域盆地的形態(tài),與盆地的可容納空間直接相關(guān),也影響著匯水區(qū)的形態(tài)和體積,同時改變河流在匯水區(qū)的動力條件和DFS的展布形狀。物源區(qū)和匯水區(qū)的氣候變化可能造成DFS形態(tài)改變,甚至導(dǎo)致DFS由加積狀態(tài)變?yōu)榍治g狀態(tài),如整個流域的干旱會促使DFS表面放射性河道廢棄,抑制DFS的橫向擴張,而氣候波動帶來的洪水發(fā)生頻率和強弱變化也直接影響著DFS的橫向發(fā)展。DFS形成后徑流的變化影響著DFS的沉積方向、搬運距離和分選變化,進而逐漸改變DFS的幾何形態(tài)。

黑河DFS的物源區(qū)為黑河干流的上游和中游(以下簡稱黑河上游、黑河中游)。黑河上游位于祁連山區(qū),夷平面以下(圖6(c))屬于地貌演化的壯年期(0.35

圖6 黑河DFS的控制因素

近端所在的金塔-鼎新盆地和中部、遠端所在的額濟納盆地為DFS沉積提供了廣闊的場所,且盆地邊緣和內(nèi)部的構(gòu)造控制了黑河DFS的形態(tài)。近端東側(cè)的長斷裂抑制了近端向東擴張,近端西側(cè)的前中生界地層隆起形成的小型斷層限制了近端向西擴張。近端河流沿線的斷層(圖6)可能阻擋河流向東游蕩從而造成河流偏向近端西側(cè)。起點附近河流并未完全擺脫山體束縛,發(fā)育有與上游相似的曲流河,河流向下游不再有山體約束,干旱的氣候和稀疏的植被有利于河流向辮狀河轉(zhuǎn)化,近端較小的河流寬度又降低了近端發(fā)育多條辮狀河道或辮狀河道自由遷移的可能性,河流表現(xiàn)為單一曲-辮轉(zhuǎn)化。額濟納盆地邊界的中型斷層則控制了中部和遠端的形態(tài),其中東側(cè)斷層阻擋了一部分風(fēng)沙向東運動,有利于風(fēng)積物在DFS表面保存。在DFS內(nèi)部,古日乃湖西側(cè)的斷裂與盆地邊緣的斷層共同控制了古代湖泊的形態(tài),這條斷裂既是湖積物覆蓋區(qū)和沖洪積平原的邊界,也可能是DFS橫剖面沒有呈上凸形的主要原因。DFS西北部斜穿中部和遠端的長斷裂可能是這一區(qū)域坡度和地表起伏度高于周圍區(qū)域的原因,而DFS內(nèi)部的幾條與河流延伸方向接近平行的隆起或斷裂[35]一定程度上影響了橫剖面的形態(tài)(圖6(a))。如圖6(a)所示的幾條斷裂和隆起均不明顯,且沒有觀察到研究區(qū)內(nèi)有其他明顯斷裂,整個DFS又屬于地質(zhì)災(zāi)害的輕度發(fā)育區(qū)(圖6(c))和地貌活動的老年期(HI=0.27),近幾十年構(gòu)造活動不強烈。

黑河DFS幾乎是黑河流域最溫暖的地區(qū),但多年平均氣溫不超過15℃(圖6(b))。黑河DFS多年平均降水量低于100 mm,降水量南高北低而蒸發(fā)量南低北高,南部蒸發(fā)量為2 000～2 400 mm,北部超過2 400 mm,屬于我國的干旱區(qū)。DFS中部和遠端所在的額濟納旗,起沙風(fēng)集中在3～6月[36],降水集中在7～9月,被吹起的顆粒不容易被降水打濕并回到地表。因此氣候條件有利于黑河DFS的保存、風(fēng)力作用對DFS的改造和風(fēng)成沙地發(fā)育,抑制了DFS表面的化學(xué)風(fēng)化和生物風(fēng)化,卻促進了物理風(fēng)化。這種氣候下,突發(fā)性強降水會對DFS產(chǎn)生重要影響,而遠端土壤含水量(8.4%)略低于近端(8.8%)也是氣候條件造成的。

當(dāng)DFS徑流突增時,洪水?dāng)U大沖洪積平原面積,造成河流改道和DFS幾何形狀與地貌類型改變,增進了河流沉積的復(fù)雜性,如中部大量干涸的放射狀古河道說明第四紀黑河下游是頻繁改道的。中部和遠端的東部,古河道流經(jīng)區(qū)域顏色較周圍深,而西部顏色變化不明顯,表明上更新世河流和洪水運動并不是覆蓋整個DFS,西側(cè)河流和洪水的活動范圍可能更大。中部坡度變緩,產(chǎn)流減少,河流水動力變?nèi)?部分放射狀的古河道變?yōu)榍骱?但在坡度較大的區(qū)域,辮狀河仍可保持原有形態(tài),因此中部的河流沉積具有復(fù)雜的放射狀曲辮共存特征。遠端河流水量繼續(xù)減少,蒸發(fā)量和風(fēng)力侵蝕增加,放射狀河道在自然狀態(tài)下容易萎縮甚至消亡,難以全部匯入終端湖泊,河流沉積出現(xiàn)萎縮曲辮共存的現(xiàn)象。目前,黑河流域的徑流處在近2 000年來的較低水平[37],黑河DFS平均徑流深度不足5 mm,狼心山下泄水量約為正義峽下泄水量的二分之一,近端徑流損耗嚴重;狼心山以下幾乎不產(chǎn)流且中部坡度減小,造成水動力減弱,導(dǎo)致河流攜帶泥沙沉積的范圍沒有繼續(xù)向前擴大,河流斷流常見。加之黑河DFS地層富水程度較差,地下水不能很好地補給徑流,DFS內(nèi)河流水量減弱會縮短泥沙搬運的距離,導(dǎo)致近端沉積物粒度變粗,使得近端、中部和遠端的A/S值變化。

上述分析表明,黑河DFS物源區(qū)的構(gòu)造活動對黑河DFS影響較弱,而氣候和徑流條件有利于DFS前積。其中黑河上游的氣候和徑流條件、中游的氣候條件與整個物源區(qū)相一致,中游徑流條件與整個物源區(qū)不一致。DFS所在沉積盆地邊緣和內(nèi)部的構(gòu)造控制了DFS的形態(tài),DFS內(nèi)的氣候和徑流則不利于DFS擴張。若不考慮人類活動的影響[38-40],構(gòu)造控制了黑河DFS形態(tài),氣候和徑流控制了黑河DFS演化。近五十年來黑河DFS保持穩(wěn)定是穩(wěn)定的構(gòu)造、干旱的氣候、水少沙多及分配不均的徑流共同作用的結(jié)果。

4.2 黑河DFS沉積模式

黑河DFS形成于第四紀,是由河流和洪水搬運作用共同形成的,堆積的沖積物和沖洪積物形成了沖積平原和沖洪積平原,一部分沖洪積物經(jīng)過了風(fēng)的改造,發(fā)生物理風(fēng)化或其表面有風(fēng)積物覆蓋。上更新統(tǒng)的沖洪積物形成的沖洪積平原其部分區(qū)域又經(jīng)過干燥剝蝕作用,成為干燥剝蝕高平原或臺地。近一萬年以來,黑河DFS以河流的搬運和沉積作用為主,東河、西河形成以后帶來的沖積物塑造了河漫灘、河流階地和沖積平原等地貌。在部分湖泊存在的區(qū)域,湖泊成為主要的地貌營力,湖泊干涸后部分湖積物表面覆蓋了全新世風(fēng)積物,形成了各種類型的沙地。若以土壤質(zhì)地近似替代表層沉積物粒度,存在沖積物<洪積物<風(fēng)積物的現(xiàn)象,其結(jié)論與土壤中礫石含量一致。

黑河DFS最大半徑為310 km,高度差與半徑之比為0.001 5(約0.087°),依據(jù)扇體規(guī)模和氣候,確定黑河DFS是干旱氣候下形成的巨型扇,并建立黑河DFS沉積模式(圖7):黑河DFS由近端、中部和遠端三部分組成;近端(DFS延伸長度的50%)主體為受構(gòu)造限制的沖積平原和沖洪積平原,主要沉積動力為河流和洪水;中部(DFS延伸長度的25%)主體為河流和洪水形成的沖積平原和沖洪積平原,主要沉積動力為河流、洪水、湖泊和風(fēng);遠端(DFS延伸長度的25%)主體為DFS終端湖泊以及河流、洪水、湖泊堆積作用形成的泛濫平原、臺地,主要沉積動力為河流、湖泊、風(fēng)和洪水。DFS自近端至遠端,A/S值先增加后減少,反映了DFS所在沉積盆地的空間形態(tài)和DFS沉積物的供給量變化。DFS順物源方向的河流轉(zhuǎn)化模式依次為單一曲-辮轉(zhuǎn)化、復(fù)雜放射狀曲辮共存和萎縮的放射狀曲辮共存,這也是DFS內(nèi)河流水動力逐漸減弱的體現(xiàn)。

圖7 黑河DFS的沉積模式

5 結(jié) 論

1) 黑河DFS面積約3.01×104km2,最大半徑超過300 km,扇頂角約71.02°,平均高程約1 004 m,平均坡度為0.96°,平均地表起伏度2.73。高程縱剖面呈直線形,橫剖面呈中西部上凸形和東部下凹形,近五十年來黑河DFS的邊界、河道位置和沖積物覆蓋區(qū)范圍變化不大。

2) 根據(jù)地貌、沉積和水系等特征,將黑河DFS劃分為近端、中部、遠端3部分和30種地貌類型。DFS宏觀地貌的發(fā)育環(huán)境較為干燥,有利于風(fēng)積地貌保存,平均海拔近端>中部>遠端,平均坡度近端>遠端>中部。近端、中部和遠端均發(fā)育有河漫灘和河流階地,中部干燥剝蝕地貌面積最大、沖洪積平原范圍最廣和沙地類型最豐富,遠端風(fēng)積地貌、湖積地貌占比最高,而單純的沖積和沖洪積平原占比降低。

3) 黑河DFS形態(tài)受構(gòu)造約束,物源區(qū)和DFS內(nèi)的氣候、徑流條件是DFS演化的主要控制因素,近五十年來,黑河DFS保持穩(wěn)定是構(gòu)造、氣候、徑流共同作用的結(jié)果。

4) 黑河DFS是第四紀干旱氣候下形成的巨型扇:主要沉積動力為河流、洪水、湖泊和風(fēng);近端和中部主體為沖積平原和沖洪積平原,遠端主體為泛濫平原和DFS終端湖泊;順物源方向河流沉積模式依次為單一曲-辮轉(zhuǎn)換、復(fù)雜放射狀曲辮共存和萎縮的放射狀曲辮共存。