青海湖北部冲积扇沉积演化特征

青海湖北部冲积扇沉积演化特征

drw最初建议使用冲积扇来描述山口中的扇积体。对于现代沉积的研究是解决古沉积问题的基础1冲积扇分布范围青海湖位于青藏高原东北部,东经99°36′~100°16′、北纬36°32′~37°15′之间。湖区面积为4264~4473km研究区发育的冲积扇位于青海湖北岸、大通山南侧山口处,由西至东依次为泉吉河扇、沙柳河扇和烂泥湾扇(图1)。大通山隆起带自北向南发育2级夷平面及山麓剥蚀面,南部的山麓剥蚀面海拔为3500~3600m,台地已被河流切割,发育“U”型河谷和“谷中谷”,为冲积扇的发育提供了物质基础2沉积物的特征以沉积学理论为指导,通过野外沉积剖面实地勘测的方法,包括测量和统计沉积层厚度、碎屑成分粒度、碎屑颗粒组构、基质组成及含量等多项内容,对沉积物的特征进行精细描述;运用遥感影像和区域地理、地质资料,对冲积扇的地貌特征、发育规模、展布范围进行定量化地测量和统计,对物源区的范围、特征进行调研和分析,进而探究青海湖北部冲积扇的沉积特征及演化过程。根据地貌坡度将研究区发育的3个冲积扇划分出扇根、扇中和扇缘3个亚相。其中,扇根亚相的坡度最大,扇中亚相次之,扇缘亚相的坡度最小2.1沙柳河扇的近对称化根据遥感影像资料分析沙柳河扇平面和剖面的形态特征。在平面上,沙柳河扇呈近对称的扇形,扇体半径为16.5km,弦长为22.3km,弧长为24.3km,扇体顶角为79°,扇体面积约为230km2.1.1不同层理结构的砾石层理特征沙柳河扇的扇根亚相主要发育辫状河道、主水道和主水道间微相(图2)。其典型沉积剖面位于刚察县城西南约为2km,剖面长度约为230m,最大厚度约为10m,为当地人民采石开挖形成。辫状河道微相扇根亚相的辫状河道微相发育于典型沉积剖面的顶部,上覆地表第四系黄土(图2),为沙柳河扇形成后期发育而成。其沉积厚度约为2m,主要由次圆状的砾石组成,少见次棱角状砾石,分选一般,其中大砾石的砾径可达10cm,小砾石的粒径可达3cm,有零星砾石的粒径达20cm(图2a)。砾石之间的杂基主要为细砂,含量为5%~20%,平均约为10%。砾石之间为紧密接触,呈顺层状或叠瓦状排列,由剖面底部至顶部形成多个正粒序结构,由砾径约为10cm的粗砾逐渐变为细砾(图2a)。砾石之间可见细砾—粗砂条带和透镜体,内部发育平行层理。砾石多呈条状和板状,长轴方向为347°~16°,多数为0°左右,最大扁平面的倾向为28°~53°,倾角为22°~41°。砾石的产状指示北—北东向的水流方向,与山口的方向基本一致,证明辫状河道微相是由山口流出的河流沉积所形成。主水道及主水道间微相当事件性洪水携带大量混杂的碎屑物质流出山口时,由于失去了山谷的地形限制,水流迅速扩散,能量减弱,携带的混杂物质迅速堆积下来。该事件性沉积发生时,由于水流中碎屑物质含量高,水体呈碎屑流状态整体推移并沉积,此时不发育牵引流沉积。当该事件性沉积结束后,后续水流中的碎屑物质减少,水流对先前的沉积物进行冲刷,主水道逐渐形成,并将长期受到沉积后期的径流作用改造沙柳河扇扇根亚相的主水道微相发育于典型沉积剖面的中、下部,位于辫状河道微相之下;沉积厚度为3~4m,以厚层、不显粒序或微显粒序的叠瓦状砾石沉积为主(图2b)。砾石均为次棱角状,偶见次圆状;分选较差,较大砾石的粒径约为30cm,小砾石的粒径约为2cm,多数砾石的粒径为5~20cm。砾石之间的杂基为细砂,含量为10%~35%,平均约为25%,不含泥质。不同大小的砾石堆积在一起,基本不显粒序,有些位置隐约可见正粒序但不明显。砾石有条状、板状和块状,其中条状砾石的长轴方向为358°~15°,板状砾石最大扁平面倾向为355°~22°,倾角为32°~39°,砾石的产状均指示为山口方向,证明该主水道自山口流出,沿冲积扇中轴方向延伸。在叠瓦状砾石沉积中可见中—细砾透镜体,内部发育较明显的正粒序,可见平行层理。主水道间微相表现为混杂的碎屑流沉积,代表冲积扇形成时的事件性沉积,可以发育于主水道微相下部,也可以与主水道微相发育于同一层位,位于辫状河道微相下部。主水道间微相发育于典型沉积剖面的底部,出露最大厚度达3m,未见其底面。砾石均为次棱角状,极少数为次圆状,分选较差,粒径为3~30cm;砾石之间的杂基为粉、细砂,杂基含量较高,平均约为35%。砾石有条状、板状和块状,且各种砾石混杂堆积,无粒序发育,多数砾石呈直立状镶嵌于沉积层中(图2b),表现为典型的高粘度碎屑流特征。2.1.2沉积相与杂基沙柳河扇的扇中亚相位于扇体的中部,其坡度小于扇根亚相而大于扇缘亚相。在扇体表面第四系黄土层之下广泛发育辫状河道微相。青藏铁路南侧有多个小型剖面出露辫状河道、心滩和漫流微相,这些剖面主要为当地人民开挖引水沟渠而形成;在青藏铁路南侧1km、冲积扇中轴线位置有一大型沉积剖面,出露碎屑流沉积(图3)。辫状河道微相沙柳河扇的扇中亚相广泛发育辫状河道微相,其沉积厚度不一(1~2m)。与扇根亚相的辫状河道微相相比,扇中亚相辫状河道微相的砾石分选、磨圆变好,多数砾石呈次圆状,砾径变小(图3a),多为2~5cm,少数可达10cm左右。砾石之间的杂基主要为细砂,含量为10%~30%,平均约为20%。其沉积物由底至顶呈明显的正粒序,由底部的较大砾石逐渐变为细砾和中、粗砂(图3a)。砾石的叠瓦状分布不明显,板状砾石多呈顺层排列,条状砾石长轴方向分布不集中,为283°~87°,表现为辫状河道弯曲度增大、河道摆动频繁的特点。心滩微相沙柳河扇扇中亚相心滩微相的粒度明显变细,砂质含量显著增高,主要为细砾—砂质沉积(图3b),厚度约为0.4m。心滩微相由直流河道中螺旋形前进的对称横向双环流体系形成,其内部发育平行层理和低角度交错层理(图3b),指示水流深度的差异性心滩微相在沙柳河扇扇中亚相中十分发育,虽然规模较小,厚度通常不超过0.5m,剖面出露宽度通常小于1.5m,但分布较为广泛,在多个沉积剖面中均有出现。漫流微相漫流微相在扇中亚相中发育广泛。与心滩微相类似,漫流微相以细砾和砂质沉积为主(图3c),厚度为0.6~1m。与辫状河道微相相比,漫流微相的沉积物粒度明显变细、分选变好。与心滩微相相比,漫流微相的中、细砂含量增高,有粉砂质出现,含量平均为10%。漫流微相横向延伸较远,其内部发育平行层理、水平层理和交错层理,常见块状构造(图3c),在某些部位发育小型冲刷—充填构造。低粘度碎屑流沉积扇中亚相低粘度碎屑流沉积发育于典型沉积剖面的中、下部,其上发育辫状河道微相。低粘度碎屑流沉积以分选很差的混杂沉积物为主(图3d),砾径大小差异悬殊(2~20cm)。相对于扇根亚相的碎屑流沉积,低粘度碎屑流沉积的砾石磨圆稍好,次圆状砾石含量升高,但分选仍很差;砾石之间的杂基为粉细砂,杂基含量较辫状河道微相明显升高,沉积剖面不同部位的杂基含量为20%~50%,平均约为35%。其沉积物不具有明显的粒序,但部分砾石呈叠瓦状排列(图3d),倾向为2°~32°,倾角为18°~33°,表明相比于扇根亚相的高粘度碎屑流沉积,扇中亚相出露的碎屑流沉积粘度较低。2.1.3扇边缘的亚相扇缘亚相是整个冲积扇沉积物最细的部分,其地形较平缓,坡度最小,因此流体能量也最低。扇缘亚相呈环带状围绕在扇体前端2.2柳河扇东北部冲积扇根据遥感影像资料分析泉吉河扇平面和剖面的形态特征。泉吉河扇位于沙柳河扇西侧,在平面上,其冲积扇形态完整,呈近对称的扇形,但规模小于沙柳河扇,扇体半径为7.5km,弦长为9.8km,弧长为10.3km,扇体顶角为78°,面积约为42km2.2.1砾体的细砾结构泉吉河扇扇根亚相的典型沉积剖面位于泉吉县北侧,出露辫状河道微相和碎屑流沉积(图4)。辫状河道微相辫状河道微相发育于典型沉积剖面顶部,厚度为0.6~1.5m,由次棱角状—次圆状砾石组成,分选较差,砾径为2~30cm,且砾径为20cm左右的大砾石较为常见。砾石之间充填一些小的细砾,砂质含量很低,约为5%~20%。辫状河道微相底部可见冲刷—充填构造(图4a),发育正粒序结构但不明显。砾石之间可见砂质透镜体(图4b),内部发育平行层理和低角度交错层理。砾石呈叠瓦状或顺层状排列,长轴方向和倾向为317°~12°,倾角约为22°。砾石产状指示的水流方向与山口方向相同。碎屑流沉积扇根亚相的碎屑流沉积分为高粘度和低粘度2种类型,2种碎屑流沉积之间呈侵蚀接触。扇根亚相的碎屑流沉积发育于辫状河道微相下部,与辫状河道微相呈侵蚀接触。碎屑流沉积中的杂基含量明显升高,约为20%~50%,其中粉砂质的含量约为30%~60%;砾石的分选、磨圆均较差,砾径差异悬殊,无明显沉积构造(图4c,4d)。低粘度碎屑流沉积中的板状砾石顺层排列或略呈叠瓦状排列(图4c),倾向约为350°,高粘度碎屑流沉积中的砾石呈竖直排列(图4d)。2.2.2偶有砾径较大10cm的砾石泉吉河扇的扇中亚相主要发育辫状河道微相,沉积厚度为1.6~2m。砾石呈次棱角状—次圆状,分选一般,砾径主要为2~10cm,偶有砾径大于10cm的砾石。砾石之间充填细砾和粗砂,砾石呈叠瓦状排列,倾向约为350°,倾角为17°~22°,发育较明显的正粒序;可见细砾—粗砂条带,内部发育平行层理。泉吉河扇扇中亚相的辫状河道微相与扇根亚相的辫状河道微相相比,其砾石的分选和磨圆变好,砾径变小;但与沙柳河扇扇中亚相的辫状河道微相相比,泉吉河扇扇中亚相的辫状河道微相的成熟度更低,表现出近源沉积的特点。2.3扇中和扇缘亚相根据遥感影像资料分析烂泥湾扇平面和剖面的形态特征。烂泥湾扇位于沙柳河扇东侧,在平面上呈不完整的狭窄扇形,扇缘亚相西侧被现今的沙柳河改造,扇体规模在研究区3个冲积扇中最小,扇体半径为6.5km,弦长为5km,弧长为6.2km,顶角为55°。扇根亚相的坡度为1.7°,扇中和扇缘亚相的坡度均为1.2°,是3个冲积扇中坡度最大的。与沙柳河扇和泉吉河扇不同,烂泥湾扇的河流现已干涸,在遥感影像资料中可以识别出沿扇体中轴延伸的干涸河道。烂泥湾扇以泥石流沉积为主,泥质含量较高,平均约为75%,砂质含量平均约为15%,砾石含量平均约为10%。在沉积剖面上表现为典型的干旱地区泥石流沉积特征,泥、砂质及砾石混杂堆积,无分选,砾石呈棱角状,无沉积构造,发育红层(图5a)、碳酸盐岩结核(图5b)等干旱沉积环境标志。典型沉积剖面上、下部的颜色略有差异(图5c),下部砖红色泥石流沉积中含砾石,中、上部土黄色泥石流沉积中富含砾石和泥砾,指示后期泥石流对先期沉积物的改造作用。在典型沉积剖面中可以见到砾石富集的沉积夹层,砾石呈叠瓦状排列,发育正粒序(图5d),反映出泥石流活动停歇期的短暂牵引流作用。3记录的扩展过程3.1碎屑流沉积相沙柳河扇的沉积演化过程与泉吉河扇类似,因此以沙柳河扇为例。根据沙柳河扇各沉积相带的沉积特征,可以将其沉积演化过程划分为4个阶段:(1)初次碎屑流沉积及主水道发育阶段(图6a)。在冲积扇形成初期,发生一次事件性的高粘度碎屑流沉积。该阶段沉积物中的砾石、砂质、水流混杂,整体向外流动,地形稍宽缓即迅速沉积下来,因此分布较为局限。沉积物供给量减少后,后期能量稍弱的水流在先期形成的碎屑流沉积物上长期流动、冲蚀,形成1~2条主水道,主水道主要以牵引流沉积为主,混杂少量碎屑流沉积。(2)低粘度碎屑流沉积阶段(图6b)。由于物源区最易被剥蚀的碎屑物质大多已在第1阶段被搬运形成初期碎屑流沉积,因此该阶段可能是由于气候变化引起水量突然增大,但碎屑物质含量并不高。水流沿主水道或直接漫过之前的碎屑流沉积,冲蚀、搬运先期沉积物,在其外侧形成低粘度碎屑流沉积。(3)广泛的辫状河道发育阶段(图6c)。碎屑流沉积为冲积扇的形成提供了物质基础。该阶段随着湖盆的可容纳空间逐渐减小,扇体长期受牵引水流改造,坡度逐渐变缓。扇根亚相发育辫状河道微相,扇中亚相发育大量的辫状河道和漫流微相,由于辫状河道极易迁移改道,因此分布于整个冲积扇,仅少量区域零星出露碎屑流沉积;扇缘亚相发育漫流微相。在该阶段形成冲积扇体的完整形态。(4)河道迁移及三角洲发育阶段(图6d)。该阶段与前一阶段相比气候更加干旱,冲积扇不再发育大量辫状河道,沙柳河经过几次迁移,最终沿扇体东侧边缘汇入青海湖。现今沙柳河三角洲区域的可容纳空间相对较大,导致现今沙柳河下游由辫状河变为曲流河,并在入湖处发育曲流河三角洲,形成沙柳河扇的现今形态。扇体表面其他部位发育古辫状河道和漫流微相,零星区域出露最早期的碎屑流沉积。3.2牵引流沉积相烂泥湾扇以明显的2期泥石流沉积中夹短暂的牵引流沉积为主要特征。2期泥石流沉积的颜色不同,早期泥石流沉积呈砖红色,中间夹杂棱角状砾石;晚期泥石流沉积呈土黄色,夹棱角状砾石和深色泥砾,反映出对先期泥石流沉积的冲蚀作用。在2期泥石流作用的间歇期,烂泥湾扇的形态稳定,受径流作用控制在扇体表面发育大量细小的河道,故在沉积层中形成薄层的牵引流沉积夹层。由于区域气候较为干旱,河道规模较小且分布不稳定,时常干涸、改道,因此牵引流沉积发育规模较小、横向连续性较差。根据以上沉积特征,可以将烂泥湾扇的沉积演化过程划分为早期泥石流沉积、间歇期牵引流沉积和后期泥石流沉积3个阶段。4多因素的累积控制4.1源条件青海湖北部3个冲积扇沉积特征的差异,与其物源条件差异有关。物源条件包括物源区特征、母岩岩性和搬运距离等4.1.1晚期岩石学和成矿沙柳河和泉吉河流域内的基岩岩性相同,但河流长度、落差和流域面积不同。其上游均流经大通山西段和中段的上三叠统和二叠系海相碎屑岩,随后流经形成于加里东晚期的花岗岩,在山口处流经中、下三叠统海相碎屑岩沙柳河扇和泉吉河扇的沉积物组成相同,但其成熟度和发育规模不同。2个扇体均为砂、砾质沉积,发育碎屑流沉积和辫状河道微相,且沉积物中不含泥质。由于山口外地形开阔,因此2个扇体的形态相似,扇体顶角也基本一致;但由于沙柳河扇的物源区更大、搬运距离更长,因此其扇体规模更大,发育更为成熟,扇体半径和面积分别是泉吉河扇的2.2和5.5倍。此外,沙柳河扇与泉吉河扇相比,坡度更缓,沉积物成熟度更高。4.1.2叠系海相陆缘结构与沙柳河和泉吉河相比,烂泥湾河流域内的基岩岩性、河流长度、落差以及流域面积均存在差异。烂泥湾河的上游流经二叠系和三叠系海相碎屑岩以及加里东晚期花岗岩,而在山口处流经下志留统海相陆源碎屑岩,以板岩、粘土质板岩为主烂泥湾扇的沉积物组成、发育规模与泉吉河扇、沙柳河扇均存在差异。其主要发育泥石流沉积,泥质含量高达75%,牵引流沉积以薄层、夹层的方式发育,且扇体顶角最小。由于烂泥湾扇的物源区最小、搬运距离最短,因此其扇体规模最小、坡度最陡、沉积物成熟度最差。4.2气象、气象条件在大气、降水、蒸发气候是指一个地区常年时段大气的一种状态,包括气温、降水、蒸发和风场等因素。在青海湖北岸,气候对冲积扇沉积的影响主要表现在湿度和风场2个方面。4.2.1南北发量比较青海湖北侧大通山区的降水量呈由北向南递减的趋势,蒸发量则由北向南逐渐增大。在刚察县附近,年降水量为381mm,其中冬季的平均降水量为1mm,夏季的平均降水量为84mm,年蒸发量为1454mm4.2.2湖北岸冲积扇风场是一项重要的气候指标,不仅反映大气的环流信息,也可以作为一种地质