环境管理_河流环境及相模式

河流作用及河流沉积物多年来就一直是重要研究课题之一 对现代河流的水动力学 水流动态 侵蚀 搬运及沉积作用 沉积物的结构以及沉积构造的研究 大大地促进了对于古代河流相的认识 第三章河流沉积作用 野外进行相分析时 应注意河流相的如下特征 首先 岩石具有明显向上变细的单元结构 单元砂体底面常有底冲刷现象 其次 砂体呈明显的透镜体状产出 岩相变化很快 第三 矿物成熟度比较低 砾石成分中主要为各种外来砾石 第四 具有单向流水的定向性构造 如交错层理 砾石呈叠瓦状排列 第五 交错层理特别发育 第一节沉积动力学一 流体动力学的基本知识和概念 一 牛顿流体和非牛顿流体及各自搬运和沉积方式1 概念从流体力学性质来说 凡服从牛顿内摩擦定律的流体称作牛顿流体 否造称为非牛顿流体 所谓服从牛顿内摩擦定律是指在时间不变的条件下 随着流速梯度的变化 流体动力粘度系数始终保持为一常数 牵引流为牛顿流体 沉积物重力流为非牛顿流体 2 搬运和沉积方式牵引流搬运颗粒的动力主要是推力 牵引力 搬运能力受推力和载荷力 负荷力 影响 搬运方式包括溶解载荷 悬移载荷 推移载荷或床沙载荷 沉积物重力流是由大小不一的碎屑物质与流体形成的高密度混合体 主要以悬移方式搬运 驱动力主要起因于重力 所以当坡度变缓 流速降低时 会发生骤然卸载 形成各种重力流沉积物 二 层流 紊流与雷诺数流体的特性有 粘度 密度 抗剪性和在适当条件下形成紊流的能力 雷诺数Re 惯性力 粘滞力 vdp uv 水的流速 d 颗粒直径 p 水的密度 u 水的粘度 Re可反映搬运方式 Re 1时 层流 只能滚动搬运 Re 1 40时 过渡 Re 40时 紊流 出现悬浮搬运 三 缓流 急流和佛罗德数明渠水流存在三种流态 缓流 急流和临界流 可通过佛罗德数进行判别 Fr 惯性力 重力 v2 L gFr反映流态和解释底床形态 Fr1 向下游的流速大于向上传播的波速 此时不可能有向上游传播的水波 水流为急流 呈现水浅流急的特点 易于形成平行层理 逆行沙波 Fr 1 临界流 二 水流的主要类型及其沉积物特征水流类型 中性水流 侵蚀 改造水流 沉积 改造水流 沉积变形水流 中间两种对底床有改造作用 一 侵蚀 改造水流它有4个方面的意义1 尤尔斯特龙效应2 粘性底质上的流痕 3 与水流深度急速度有关的 在非粘性沉积物中形成的地形系列及流态1 底形 波痕 沙波 平床 同相位沉积物波等2 流态 水流 水与沉积物的界面形状 沉积物的搬运方式 水流中能量消散过程以及水面形态和水 沉积物界面之间相位关系的总和 水流强度 流量 增加 底床依次发育 1 8 具沉积物运动 低流态 为下部流动体制 过渡流态 高流态 限于上部流动体制 4 底负载颗粒的选择搬运 二 沉积 改造水流这种水流是流速慢到开始沉下沉积物来 但又快得足以在它沉下的颗粒中产生牵引效应的水流 它不仅使原来以悬浮状态搬运的砂级沉积物沉降到水底而向上建造底床 同时还以迁移方式移动已经沉积下来的颗粒 能生成平行纹层和迁移波痕及扁平颗粒的叠瓦状排列 三 与河流有关的沉积构造及动力学特征 一 波痕构造 二 层理构造简单层理 交错层理 爬升波纹层理 平行层理 水平层理 均匀层理 递变层理复合层理 脉状层理 波状层理 透镜状层理 韵律层理 1 交错层理板状 楔状 槽状交错层理 泥盆系 魁北克 SouthSaskatchewan 板状交错层理 槽状交错层理 2 爬升波纹层理 3 平行层理与水平层理 4 均质层理5 递变层理6 脉状 波状 透镜状层理 脉状 波状 透镜状 三 叠瓦状构造 四 包卷层理 五 冲刷构造冲坑 冲槽 一 现代河流类型的划分 河流可以按照不同的原则进行分类 按形态可分为辫状河 顺直河及曲流河 按发育的阶段可分为幼年期 壮年期及老年期 按水动力状态分为游荡性河 叉流河及曲流河 对于相模式研究工作来说 则以形态分类并结合水动力特点比较合适 第二节河流的基本特征 1 河流的分类 图2 18河道的四种形态a 顺直河 b 曲流河 c 辫状河 d 网状河 1 按照河流搬运的沉积载荷类型 河道的几何形态和沉积类型 将平原河流分为 a 富砂 推移载荷 的低弯度河 b 富泥 悬移载荷 的低弯度河 c 混合载荷的曲流河 2 复合的河道形态 a 交织河是指被泛滥平原分成若干条彼此分隔而又会合的持久河道系统 其中各条支流可以有不同的弯曲度 b 分支河则是因原始河道快速加积淤塞 分支而成的 黄河 长江 二 河道流动体制 河道内流水的侵蚀 搬运和沉积作用是由水流速度和涡流的分布所决定的 最大流速和涡流区是易受侵蚀的地区 相反 相对低速和少涡流区是底床稳定和接受沉积的地区 在曲流河道中 主流线靠近河流的凹岸 最大涡流出现在凹岸的底部 发生最大强度的侵蚀作用 使凹岸产生外移下切 这是河道加宽的普遍机制 在直河段中 主流线位于靠近河道中心上部 最大涡流区出现在河道两侧 侵蚀作用发生在沿岸涡流高的地区 沉积作用形成在河床的底部 低弯度的河道趋向于侧向侵蚀 中部加积形成心滩 河岸的冲刷和河岸的不断拓宽在低弯度河段中更为显著 相反 曲流河则以河道的加深为特征 第三节曲流河 1 环境特征 曲流河的突出特征是因河道侧向侵蚀呈明显的弯曲状 曲流河 河道凹岸遭受侵蚀 在凸岸发生堆积 形成曲流沙坝 在河道强烈弯曲的地段 河流在洪水期可因截弯取直或决口发生改道 使部分老河道废弃 曲流河沉积环境模式 据Allen 1964 2 蛇曲河的沉积类型及其特征可以将蛇曲河流沉积划分为两大类 即底层沉积与顶层沉积 底层沉积又称下部旋回沉积 主要是推移载荷侧向加积作用的产物 包括河床底部的滞留砾岩沉积 边滩沉积 砂质板状单元 顶层沉积亦称河流上部旋回沉积 主要是河流悬移载荷垂向加积的产物 包括堤岸沉积 决口扇沉积 串沟沙坝及串沟充填沉积 河漫湖及牛轭湖沉积 以及岸后沼泽沉积等 河床滞留沉积河流携带的沉积物粒度分布很宽 除了大量的粉砂及泥级以外 砂级是最主要的 此外还有大量的粗碎砾石 这些粗的砾石级碎屑通常只在河水流量的高峰期才作短距离的搬运 在正常的情形下 由于流水的冲刷与分选作用 比较细粒的物质被不断地带走 而比较粗的砾石则残留于河床底部 呈透镜体状产出 这就是河床滞留砾岩相 滞留砾岩的砾石成分比较复杂 主要为陆源的砾石及树干 硅化木 与泥质砾石 粒度较租 主要为砾岩 砂质砾岩级的 砂级物质较少 砾石会具叠瓦排列 扁平砾石的最大扁平面倾向河流上游方向 砾石长轴则为顺流方向 滞留砾岩砂体呈透镜状产出 并位于河流沉积旋回的底部 向上过渡为边滩或心滩沉积 其底面常为明显的冲刷面 边滩是蛇曲河流最主要的流水地貌 边滩沉积是河床侧向迁移作用的必然产物 蛇曲河道由于横向环流的影响 河道外岸不断遭受流水的冲刷侵蚀 内岸则成为沉积物的重要停积场所 开始 内岸只是一个浅滩 随着河道的侧向迁移 浅滩不断增长 并在河道的内弯区形成一个宽阔的边滩 由于横向环流底流在侧向运动中的机械分选作用 形成了边滩沉积向上变细的层序特点 边滩沉积的厚度接近于河水的深度 而其宽度则与河流的规模有关 边滩沉积是河流沉积中最常见的岩相之一 其岩石类型常是成分比较复杂 矿物成熟度比较低的岩屑砂岩及长石砂岩类 粒度分布范围也很大 由分选不好的砂或者粉砂 泥等沉积物混合组成 一般大型河流的边滩都是以砂级沉积为主 边滩沉积层理序列 据伦纳克 1973 边滩沉积的概率累积曲线的特点是 主要由跳跃总体及悬移总体组成 滚动总体不发育 跳跃总体是主要成分 具有中至较高的斜率 分选中等至较好 悬移总体的斜率低 分选差 两者的接合点 截点S 是急剧的 大约在3 3 5 左右 边滩沉积的层理构造特别发育 主要为各种大 中型的交错层理及沙纹层理 如槽状交锗层理 板状交错层理 平行层理 舌状交错层理等 在垂向上 层理类型具有自下而上由大型变为小型的特点 沿着边滩曲流砂坝的表面由侧向加积作用所形成的一种 低角度的交错层理 爬升层理 其厚度通常在25m间 它是蛇曲河流的一个重要标志 边滩沉积的砂体呈板状 底部一般都有冲刷面 其宽度30 50km不等 在高弯度河流的情况下 砂体为泛滥平原的细粒沉积物包围 串沟沙坝及串沟充填沉积串沟是洪水期在边滩上冲刷侵蚀出来的一条新河道 与其有关的沉积可分为串沟沙坝及串沟淤填沉积 二者在剖面上均呈透镜体状 前者较粗 为中 粗粒碎屑堆积 后者较细 主要为泥质淤积物 堤岸沉积是蛇曲河流沉积组合的重要成员 在游荡性河流沉积中则很少能保存 堤岸沉积是洪水期于河道两侧的漫岸沉积 主要由悬移截荷中的粗组分沉积形成 并往往由不同粒度的互层层序构成 这种层序反映了水位的升降 其岩石组合的一个最重要特点是由粉砂质岩层与泥质岩层组成薄的互层状 单层厚均约数厘米至数十厘米 层理中等发育 常见为各种沙纹层理 不规则的水平层理等 还可见干裂 植物根系 虫迹以及钙质结核 包卷等沉积构造 砂体形态呈薄的板状 这与河道的侧向迁移 加积作用有关 决口扇沉积是在河流高水位时 河水冲决天然堤于堤外侧形成的树枝状水系的扇状堆积物 决口扇沉积在剖面上呈透镜体产出 与堤岸或漫滩的粉砂或泥质岩成互层 通常厚度不超过数米 岩石粒度较相邻的堤岸或漫滩沉积为粗 由细砂 粉砂级物质组成 层理不发育 有时可见粒序性或沙纹层理 砂体内部有水流变小的证据 常见基底侵蚀构造 河漫湖泊沉积位于河漫平原位置最低的部分 沉积物都是洪水带来的悬移载荷 洪水的越岸泛滥作用最大频率是1 2年一次 沉积作用也小 巨大洪水才沉积大于lcm厚的不连续成层的物质 河漫湖泊由于离河道最远 故岩石的粒度最细 为粉砂岩及泥岩类 常有干裂或暴露于空气中的其它特征 如钙质结核 植物根系等 层理发育 有斜波层理 水平纹层等 在潮湿气候时可形成岸后沼泽 在于旱气候时会出现泥灰岩及膏盐沉积 牛轭湖沉积是一种废弃河道的充填物 牛轭湖的形成与河道的串沟截直或颈项截直作用有关 随着河道的截直 旧河道被废弃后不再成为河道沉积物的停积场所 只能充填洪水期漫岸水流带来的悬移截荷 泥或粉砂 因此岩石粒度都很细 串沟截直与颈项截直作用所形成的牛轭湖沉积层序是不一样的 1 曲流河以边滩微地貌单元为特征 故边滩侧向加积的砂体在剖面上呈板状产出 在层序上 其下为不稳定的透镜状滞留砾岩 其上为堤岸的薄层泥 粉砂以及细砂的互层沉积 最上部则为河漫滩 或洪泛平原 的粉砂和泥质沉积 3 古代蛇曲河的鉴别 2 剖面具有明显的半韵律旋回性 每一旋回之底均有清晰的冲刷面 旋回下部主要为砂质沉积 上部为粉砂质泥 二者之比约为1 1 河流曲率愈大 洪泛平原愈发育 则旋回上部之粉砂 泥的含量 按厚度 愈高 3 在单个半韵律旋回内 粒度向上变细 单层厚度向上变薄 反映水动力条件逐渐变弱的层理类型也相应变化 4 具有明显的单向水流型层理 旋回下部的砂岩中有大型槽状交错层理 大型板状交错层理及平行层理 旋回上部的粉砂岩 泥岩中则为上叠沙纹层理 水平层理及其它沙纹层理等 还常见泥裂 钙质结核 植物根 虫孔等构造 5 交错层的流向比较分散 其离散度 方差值 较大 第四节辫状河体系 1 沉积环境 2 沉积特征3 垂向沉积序列 1 沉积环境 辫状河由一系列宽而浅的河道 河道沙坝及河间冲积岛组成 心滩是辫状河流的主要沉积单位 又称为河道沙坝 通常可以分为三种类型 即纵向沙坝 平行水流方向延伸 斜列沙坝和横向沙坝 垂直水流方向延伸 对于辫状河流来讲 河道及心滩是其主要地貌单元 堤岸 边滩及洪泛平原都不发育 2 辫状河流的沉积特点 心滩沉积通常是比较粗的砂砾质 砾砂质岩石 常有大型槽状交错层理 大型楔状层理 板状层理 层系底面常有冲刷并有砾石分布 纵沙坝沉积常有向上变细的层序及逆行沙波层理 古水流方向与砂体的长轴一致 离散度也比较小 一般小于620 心滩沉积砂体呈明显的透镜体状 无论在剖面上或平面上都迅速相变 其粒度分布特征是 可能缺少明显的跳跃总体 具有双众数的形态 滚动总体可达50 70 分选中等到差 悬移总体可占30 分选差 截点S及T均属突变 辫状河有河床滞留沉积 出现在河床底部 以砂砾沉积为主其上发育河道沙坝河漫滩沉积不发育 河道沙坝沉积物一般较粗 成分复杂 成熟度较低 常为长石砂岩类或岩屑砂岩类 辩状河 辩状河 辩状河 3 辫状河的垂向沉积序列 该沉积层序的最底部为河床滞留沉积 以含泥砾的粗砂岩和砾质砂岩为主 与下伏层呈侵蚀冲刷接触 SS 其上为不清晰的大型槽状交错层理含砾粗砂岩 A 具清楚槽状交错层理的粗砂岩 B 及板状交错层理砂岩 C 再向上主要由小型板块状交错层理砂岩 D 组成 偶见大型水道冲刷充填交错层理砂岩 E 顶部由垂向加积的波状交错层理粉砂岩和泥岩互层 F 及一些具模糊不清的 角度平缓的交错层理的砂岩 G 组成 4 古代辫状河的鉴别 1 由于河流是以下切侵蚀作用为主 其主要微地貌单元是心滩 它的沉积砂体在剖面上为透镜状 平面上则为不稳定的透镜体一带状 2 沉积剖面有时亦出现旋回性 但上部旋回的细屑岩 粉砂 泥 所占比例很小 通常没有堤岸沉积 洪泛平原沉积也很少出现 3 一般都没有向上变细的剖面结构 而常见向上变粗的剖面结构 4 具有代表强水动力的单向水流交错层理及代表水浅流急的层理构造 如平行层理 大型槽状交错层理 逆行沙波层理 冲刷面出现频繁 5 表明流向的交错层理倾向的离散度较小 第五节交织河体系 1 环境特征2 沉积相 1 环境特征 交织河流指的是 被一些植被岛 vegetatedislands 天然堤和湿地 wetlands 组成的洪泛平原分隔开的 具有细粒沉积物 粉砂和泥 稳定堤岸 低坡降 深而窄 顺直到弯曲的相互联系在一起的许多河道所形成的网状水系 2 沉积相 1 河道沉积 主要为砂和砾组成的深而狭窄的条带状沉积 底部具有明显的侵蚀面 周围被湿地环境的细粒沉积物所包围 在平原区以砂质河道沉积为主 底部也可有薄的砾石层 在山区则主要发育砾质河道 河道充填的砂层具板状交错层理 为多层向上变细的层序 2 天然堤沉积 发育在河道沉积的两侧 一般厚数米 宽数十米至数千米 沉积物由纹层状细砂和粉砂薄层组成 偶夹有机质透镜体 3 决口扇沉积 砂质决口扇沉积在网状河流体系中极为普遍 通常是细砂及粗粉砂组成的叶状沙席 扇底部为纹层状粗粉砂和细砂 再上为一向上变粗的厚层序 具流水波痕和少量高角度交错层理的中粒砂及细砾沉积物 上部扇沉积物粒度变细为溢岸泥质沉积 其上植被繁茂 4 泛滥湖泊沉积 在湿地环境普遍发育有大小不等的浅水湖泊次环境 主要为纹层状粉砂质粘土 但常因生物的扰动纹层完全破坏 5 沼泽沉积沼泽沉积多为生物扰动的泥质沉积物 有时由薄纹层有机质和碎屑泥沉积 粉砂质泥和泥质粉砂 所组成 含有大量水生植物群 6 泥炭沼泽沉积 一般为泥炭层 厚度多变 分布面积广泛 可达数十平方千米 交织河流的分支河道间的湿地长期发育的沼泽和泥炭沼泽可以形成巨厚的煤层 交织河流晚期的废弃河道和河道间浅湖均可演变为沼泽环境 也是很好的聚煤场所 如陕甘宁盆地上三叠统延长组上部的煤系地层就产出于交织河沉积中 对常年河流搬运的推移载荷和悬移载荷的比率与河道横剖面和平面形态 以宽 深比和弯曲度表示 之间的基本关系的经验观察 将河道分为推移载荷型 混合载荷型和悬移载荷型三类 就每一种河道类型来说 其侵蚀特征 沉积类型 弯曲度范围以及在河道周围沉积的悬移载荷的比值等都有明显的一致性 虽然Schumm的分类在定量方面还存在一些问题 其定量参数也难于应用于古代沉积 但是各种参数的定性关系经过改造 将之归纳为河道充填组分 河道几何形态 内部构造和侧向关系等几项参数后 可以作为鉴别古河道体系的判据 第六节河流的沉积特征总结 河流沉积体系主要由河道沉积与河漫滩沉积彼此镶嵌而成 其中河道相是其最特征的组分 并构成了河流沉积体系的骨架 因此识别河道沉积就成了对河流沉积体系进行解释和制图的关键 陕北的上三叠统延长组自北而南依次发育有富砂的低弯度河一混合载荷的曲流河一富泥的低弯度河连续演变的河流沉积体系系列 主要沉积特征可简要归纳如下 1 辫状河沉积以河道砂岩为主 河漫滩沉积不发育 整个剖面中 河道砂与漫滩沉积之比通常大于1 最高可达4以上 道沉积的突出特征为 1 主要为中 粗粒砂岩 2 具河道坝序列 但是在剖面上常常是不完整旋回反复叠置的巨厚层 最大厚度逾百米 3 垂向上粒序性较差 自然电位曲线形态多为箱状 4 砂体呈宽阔的板状 宽 厚比大 多河道充填的砂岩在侧向上彼此连接成席状 5 砂体基底冲刷面比较平坦 厚度在区域上变化小 2 曲流河沉积曲流河沉积具有较发育的河漫滩沉积 在整个相序中砂 泥比近于1 河道沉积特征为 1 主要由中一细粒砂岩组成 2 具曲流沙坝序列 在剖面上可以是完整的序列 也可以是不完整旋回叠置成的厚砂体 砂体厚度 般在10 30m 3 正粒序发育 自然电位曲线多呈钟状 4 砂体横剖面为上平下凸的透镜体 四周为细粒的河漫滩沉积包围 砂厚图呈不规则的串珠状条带 5 砂岩基底冲刷面起伏明显 最大起伏可达3 4m 3 富泥的低弯度河沉积富泥型低变度河的河道砂岩的百分数较低 但河漫滩的细粒沉积却十分发育 其中常夹煤线及煤层 砂 泥比通常大大小于1 一般为1 2或2 3 河道砂体具体的特征主要为 1 主要为细粒砂岩 局部为中 细粒砂岩 2 砂体具边滩沙坝序列或河道充填序列 序列上部常见泥质塞 3 垂向上正粒序明显或模糊 自然电位曲线呈钟状或块状 4 砂体呈上平下凸的透镜体 横剖面形态比较对称 规模较小 厚度一般在5 12m 宽度小于300m 宽 厚比小于20 砂厚图等值线呈狭窄的条带状或豆荚状 5 基底冲刷面起伏强烈 河流沉积的主要鉴别标志1岩石类型及其组合2结构3沉积构造4生物化石5沉积层序6砂体形态 1 岩石类型及其组合河流沉积发育的岩石类型以碎屑岩为主 次为粘土岩 碳酸盐岩极少出现 在碎屑岩中 又以砂岩和粉砂岩为主 砾岩多出现在山区河流和平原河流的河床沉积中 碎屑岩的物质成分杂 它与源区以及河流流域的基岩成分有关 一般不稳定组分高 成熟度低 砾岩多为复成分的 砂岩以长石砂岩 岩屑砂岩为主 个别也出现石英砂岩 泥质胶结者居多 间或有钙 铁质胶结者 大多数河流的水介质是弱氧化的 并几乎是中性至弱酸性的 故河流相沉积中不出现海绿石 菱铁矿等二价铁矿物也常见 粘土矿物以高岭右较多 伊莉石较少 2结构河流体系碎