分支河流体系（Distributive Fluvial Systems, 简称DFS）是指“ 河流从某一顶点开始进入盆地并呈放射状展布的沉积体系” 。最早由Weissmann和Hartley等2010年运用谷歌地球（Google Earth）对全球700余个现代沉积盆地的河流沉积体系进行统计的基础上提出的, 认为分支河流体系是一种由冲积扇、河流扇或巨型扇构成的、发育在邻近山地的常见冲积地貌系统^{[1, 2]}。同年, Hartley等^[3]进一步总结了分支河流体系的识别准则, 并强调分支河流体系上的河道呈分支状, 但不一定同时都在活动^{[4, 5]}。尽管有学者对分支河流体系概念提出了质疑^{[6, 7]}, 但随着现代地球信息技术的不断发展, 人们对地球表面地貌特征的观察视野不断扩大, 以及河流沉积学家和地貌学家对冲积体系研究的不断深入, 越来越多的学者开始接受并使用分支河流体系这一概念^{[8, 9, 10, 11, 12]}。目前, 对于DFS的研究主要集中在分支河流体系的规模、特征和分类等方面^{[13, 14, 15]}。Weissmann等2013年通过对分支河流体系在顺源方向上水动力强度、沉积物搬运速度、沉积物粒径等的变化提出了DFS的进积模式, 2015年^[5]通过对陆相盆地进一步地认识, 将分支河流体系分为4种类型。Davidson等^[16]通过对现代DFS沉积环境的综合分析, 将DFS划分为3~4个不同的相带。Trendell等^[17]根据各地层组发育的河道砂体沉积特征, 将DFS中发育的河道砂体划分成11种岩石相类型。Owen^[18]利用DFS的观点展示了莫里森组-盐洗段沉积体系的平面特征、垂向层序和沉积建筑结构特征。由于大量研究主要集中在分支河流体系的规模、特征和分类等方面, 缺少对现代分支河流体系沉积特征的典型实例分析, 迄今国内罕有针对分支河流体系平面特征和垂向特征差异的研究报道。

现代分支河流体系在中国西北部干旱地区广泛分布^{[19, 20, 21, 22]}, 为明确干旱型分支河流体系各区带沉积特征的差异, 本文将现代信息技术（卫星遥感技术、无人机技术）与经典沉积学理论相结合, 分析疏勒河分支河流体系不同区域地貌特征差异, 描述不同部位所发育的沉积物粒径差异、砾石定向性差异以及河道类型差异, 研究疏勒河现代分支河流体系的沉积相带分布特征, 并构建沉积模式。

疏勒河分支河流体系位于甘肃省西北部^[23], 河西走廊西部^[24], 东经96° 6′ — 97° 24′ 、北纬39° 56′ — 40° 36′ （见图1）, 发源于祁连山脉的疏勒南山, 是祁连山西段汇水面积最大的一条河流^[25], 常年有水, 全长620 km。疏勒河穿越照壁山峡谷后, 呈放射状展布进入阿尔金断裂北侧的河西走廊平原（见图1）。与疏勒河分支河流体系相关的地貌包括砾石平原带与绿洲细土平原带（见图1a）。沿DFS顶点往下35~45 km范围内主要为砾石平原带, 坡度为1.05%, 地貌特征以平缓戈壁为主（见图1b）。扇体北部为宽12~20 km的绿洲细土平原, 坡度为0.51%, 地势低平, 沼泽洼地广布, 由于地下水溢出, 细土平原带末端形成一条南北向沟谷, 切割深度约10 m（见图1c）。

疏勒河分支河流体系地处内陆, 气候干燥, 降雨量少, 蒸发量大, 昼夜温差大, 日照时间长^[26]。年降水量主要集中在6— 9月份, 年平均降水量为39.9 mm, 蒸发量为2 486 mm, 全年日照时数为3 246.7 h^[27]。年平均气温为9.4 ℃, 月平均最高气温为23.1 ℃, 月平均最低气温为-9.4 ℃, 极端最高气温为43.6 ℃, 极端最低气温为-28.5 ℃, 年平均无霜期142 d, 属典型的温带干旱性气候^{[26, 27]}。

图1

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	图1 疏勒河分支河流体系地理位置及主要地貌特征

运用卫星影像数据、雷达数字高程数据以及无人机航拍等资料, 对分支河流体系的地貌特征、河道样式、展布范围进行测量和统计（见表1）。其中地貌特征的变化以及河流形态的变化主要运用谷歌地球卫星影像进行比较。顶点到末端坡度的变化、平均河道宽度的变化以及泛滥平原与河道比的变化主要运用雷达数字高程数据统计。河道宽度为最外侧堤岸之间的距离, 与河流轴线成90° 角度测量, 包括砂坝和心滩。

表1

表1

表1 疏勒河分支河流体系不同区带相关参数统计 位置 平均坡度/% 平均河道宽度/m 泛滥平原与河道宽度之比 河流形态 地貌 近端 1.23 526.22 6.64 单辫状河 砾石戈壁滩 中部 0.94 191.72 15.29 分汊状辫状河 发育沙生植被 远端 0.51 126.68 21.67 辫状河向曲流河转变 绿洲、植被覆盖率高

表1 疏勒河分支河流体系不同区带相关参数统计

以沉积学理论为指导, 对野外现代沉积剖面进行实地勘测, 通过测量砾石的粒径、定向性、磨圆度等参数（见表2）, 对不同位置沉积物的变化特征进行精细描述。运用无人机航拍等技术, 在卫星影像的基础上, 对不同区域河流变化形态进行精度刻画。测量过程中, 砾石粒径和定向性的刻画采用黄远光等^[28]提出的砾石定向性定量表征方法, 粒径大小通过砾石的长扁轴粒径来确定^[29]; 砾石定向性运用砾石长轴相对视倾角玫瑰花图来衡量, 包括玫瑰花图中任意相邻3个小扇形半径定向性的最大值（a）和小扇形半径偏离程度（σ ）。磨圆度通过Tao等^[30]2018年提出的棱角状、次棱角状、次棱— 次圆状、次圆状和圆状5种磨圆度级别作为划分依据。在研究区共包括8个观察点（p₁— p₈）, 其中包括2个无人机航拍点（p₂、p₈）和5个砾石分析点（p₁— p₅）, 共统计1 932个砾石粒径数据、1 322个砾石定向性数据（见表2）。

表2

表2

表2 疏勒河分支河流体系砾石分析数据 观测点 粒径 定向性 磨圆度 样本数 最大值/mm 最小值/mm 平均值/mm 样本数 a/% σ p1-1 166 122.77 14.69 41.93 118 39 2.20 次圆状 p1-2 162 239.38 20.35 58.64 131 40 2.51 次圆状 p2-1 271 144.52 10.40 38.49 163 41 2.82 次圆状 p3-1 347 68.71 6.00 20.37 276 37 3.32 次圆状 p4-1 374 57.27 9.74 24.29 347 39 3.90 次圆状 p5-1 612 40.60 3.07 9.70 287 32 3.08 次圆— 圆状

表2 疏勒河分支河流体系砾石分析数据

根据遥感影像资料分析疏勒河分支河流体系的形态特征。平面上, 疏勒河分支河流体系呈近似对称的扇形, 扇体半径为59.6 km, 弧长为128 km, 弦长为113 km, 扇顶角为96° , 面积为3 660 km²。根据地貌特征差异、坡度差异以及河流形态差异将疏勒河分支河流体系划分为近端、中部和远端3个相带（见图2）, 地貌特征上, 近端主要表现为砾石戈壁滩, 中部可见沙生植被发育, 远端表现为绿洲平原; 坡度上, 近端坡度大于中部坡度, 远端坡度最小（见图2b）; 河流形态上, 近端为大型辫状河, 中部为分汊状辫状河, 远端为曲流河。根据不同相带发育的沉积微相类型以及沉积特征差异, 进而研究现代分支河流体系的沉积相带分布规律及其展布模式。

图2

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	图2 疏勒河分支河流体系区带划分及各区带坡度变化

3.1 分支河流体系近端沉积特征

疏勒河分支河流体系近端位于河流出山口10 km范围内, 占扇体总面积的5.87%。该区地貌特征表现为砾石戈壁滩（见图1b、图3b）, 坡度为1.25%（见图2b）, 河流形态主要以大型辫状河为主（见图3）, 河道宽度约400~500 m。疏勒河分支河流体系近端亚相主要发育辫状河道和泛滥平原微相, 泛滥平原与辫状河道之比为6.64, 在该区主要有1个沉积观察点（见图2中p₁）以及2个砾石分析点（见表2中p_1-1、p_1-2）。

图3

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	图3 疏勒河分支河流体系近端河道样式

观察点1（p₁）位置如图2所示, 整个剖面以砾质沉积为主, 砂质成分含量较少。横向上河道期次性变化较为明显, 可依据底部较大砾石的定向排列以及靠近顶部植被的定向生长进行期次性划分（见图4a）, 砾石间接触紧密, 呈顺层状或叠瓦状排列。可见辫状河道发育, 局部发育有高角度下切型板状交错层理, 在底部可见滞留沉积（见图4b）。砾石经过疏勒河源区长距离搬运, 磨圆度较好, 呈次圆状（见图4c）。垂向上各期次河道表现为明显的下粗上细（见图4d）, 底部砾石层（见图4c、图4d）具有明显的定向性。

图4

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	图4 疏勒河分支河流体系观察点1沉积剖面

通过对观察点1附近的两个砾石点（p_1-1、p_1-2）进行统计（见图5）, 共测量328个粒径数据和249个定向性数据。最小砾石粒径为1.47 cm, 最大粒径为23.94 cm, 平均粒径为5.18 cm。定向性表现为砾石最大扁平面的倾向在30° ~60° （见表2、图5）。砾石的定向性和磨圆度较好, 说明疏勒河分支河流体系近端水动力条件较强, 主要以牵引流为主, 表现为高能的辫状河道。

图5

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	图5 疏勒河分支河流体系观察点1附近不同位置（p1-1、p1-2）砾石定向性与粒径特征

观察点1附近的河道间泛滥平原较为发育（见图3）, 在泛滥平原上可见废弃的河道（见图6a）。通过对泛滥平原对应位置平面以及垂向的解析发现, 在现代沉积的垂向剖面上, 近端泛滥平原主要表现为薄泥层（见图6b）, 平面上主要表现为泛白的泥皮（见图6c）, 并且在近端靠近出山口位置, 河道之间的泛滥平原位置沉积有零星的砾石（见图6c）, 这些砾石主要由洪水期从河道冲出（片流）。由于近端水动力较强, 通过将现代沉积的泛滥平原与观察点1的大剖面对比（见图6a）, 由于下一期洪水的冲刷作用, 薄质泥层在区域大剖面上难以保存。

图6

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	图6 疏勒河分支河流体系近端现今河流间沉积特征

3.2 分支河流体系中部沉积特征

疏勒河分支河流体系中部位于近端以下30 km范围内, 占扇体总面积46.25%, 该区带地貌特征主要表现为戈壁滩、有沙生植被发育（见图7b）, 坡度为0.94%（见图2b）。由于上游河流的分汊和下渗, 河流宽度相对较窄, 为100~200 m, 河流形态主要以高度分汊的辫状河为主（见图7a）。中部主要发育有辫状河道、泛滥平原和风成沙丘等微相, 泛滥平原与辫状河道比为15.29, 风成沙丘规模较小, 主要发育在靠近远端区域（见图7c）。在该区主要有3个沉积观察点（见图2的p₂、p₃、p₄）和对应的3个砾石分析点（见表2的p_2-1、p_3-1、p_4-1）。

图7

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	图7 疏勒河分支河流体系中部河道样式

观察点2（p₂）河道分汊严重（见图2a）, 泛滥平原广泛发育（见图7a）。受分汊和下渗的影响, 水动力条件减弱, 支流河道水体干涸, 只有主河道才有水体流动（见图7b）, 心滩由近端的砾质滩向砂质滩过渡（见图7c）。砾石分析显示该点砾石主要为次圆状, 最小砾石粒径为1.04 cm, 最大粒径为14.45 cm, 平均粒径为3.85 cm; 砾石长轴倾向为120° ~150° , 具有一定定向性（见表2）。

观察点3（p₃）靠近分支河流体系边缘（见图2a）, 泛滥平原较为发育, 与观察点2相比两者都处于中部相带靠上的位置, 由于观察点2位于疏勒河主要的径流, 水动力条件较强, 与观察点3相比沉积物粒径较粗。在观察点3共统计347个粒径数据和276个定向性数据。最小砾石粒径为0.60 cm, 最大粒径为6.87 cm, 平均粒径为2.04 cm（见表2）。砾石最大扁平面的倾向为90° ~150° 。观察点3附近河道之间的位置, 泛滥平原比近端更加发育（见表1、图8a）。与近端相比植被覆盖度较高（见图8b）, 在现代沉积的垂向剖面可见植物根茎（见图8c）。由于靠近中部, 水动力条件减弱, 在泛滥平原沉积的区域, 细粒沉积得以保存, 与近端相比, 泛滥平原沉积变厚（见图6b、图8c）。

图8

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	图8 疏勒河分支河流体系中部现今河流间沉积特征

观察点4（p₄）以砾质沉积为主（见图2a、图9a）, 可见透镜状砂体发育（见图9a、图9b）。垂向上, 砾石具有明显的定向性, 呈叠瓦状排列, 底层粗粒沉积较为发育, 厚度较大, 约0.8 m, 顶层的细粒砂质沉积物厚度较小, 约0.2 m, 表现为明显的河道沉积。通过与该点现代河流形态特征类比, 透镜状砂体可能为河道上小的心滩坝（见图9b、图9c）。砾石分析显示该点砾石主要为次圆状, 最小砾石粒径为0.97 cm, 最大粒径为5.72 cm, 平均粒径为2.43 cm; 砾石长轴倾向为90° ~150° （见图10的p_4-1）。

图9

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	图9 疏勒河分支河流体系观察点4沉积剖面

图10

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	图10 疏勒河分支河流体系观察点2、3、4对应位置（p2-1、p3-1、p4-1）砾石定向性与粒径特征

与近端相比, 中部沉积物粒径总体变细, 泛滥平原分布更加广泛; 在面积开阔地形平坦区域, 风对沉积物的改造十分明显, 局部地区可形成风成沙丘（见图7c）; 由于分汊和下渗的影响, 部分河流在旱季干涸, 表现为暂时性河道沉积; 并且在分支河流体系的中部常会形成废弃的朵体, 这些废弃的朵体并不表明没有河道发育, 只是与现今河流不在同一时期。

3.3 分支河流体系远端沉积特征

疏勒河分支河流体系远端位于中部以下15 km范围内, 占扇体总面积47.88%, 该区带植被覆盖率较高, 地貌特征表现为绿洲平原, 坡度为0.51%（见图2b）, 河道宽度较窄, 为80~100 m。由于坡度减小, 水体流动平缓, 该区河流形态主要由辫状河向曲流河转变（见图11a）, 在末端表现为曲流河（见图11b）。在泉线（spring line）以下的远端亚相, 主要发育有辫状河道、曲流河道、泛滥平原、沙丘、沼泽和小湖泊（ponds）等微相（见图11a）。在远端共有4个沉积观察点（见图2的p₅、p₆、p₇、p₈）和1个砾石分析点（见表2的p_5-1）。

图11

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	图11 疏勒河分支河流体系远端河道样式

观察点5（p₅）剖面自下而上砾石层逐渐变薄, 透镜状砂层逐渐变厚, 呈条带状（见图2a、图12a）。顶层细粒砂质沉积物厚度与底层砾质沉积物厚度相近, 表明河道形态开始由辫状河向曲流河转变。砾石分析表明该点砾石呈次圆状, 最大砾石粒径为4.06 cm, 最小砾石粒径为0.30 cm, 平均粒径为0.90 cm（见表2）, 砾石长扁轴方向在70° ~160° 范围变化、定向性模糊（见图13的p_5-1）。

图12

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	图12 疏勒河分支河流体系远端各观察点剖面特征

观察点6（p₆）主要表现为较厚的砂层, 顶部发育有一套黏土层（见图2a、图12b）。剖面可见虫迹和植物根迹等孔隙, 有钙质层发育, 表现为堤岸沉积（见图12b）。在该点附近河床上可见一些小砾石遮挡形成的障碍痕（见图13的p₆）。

图13

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	图13 疏勒河分支河流体系远端砾石定向性与粒径分布及地表特征

观察点7（p₇）上部砂体呈槽状展布, 底部为一套砾石层, 层理类型主要为槽状交错层理。垂向上, 自下而上整体表现为正韵律（见图2a、图12c）。在该点附近地势低洼处可见一些滞水洼地和小湖泊发育（见图13的p₇）。

观察点8（p₈）位于分支河流体系末端, 顶部为一大套细、粉砂级沉积物, 高于河床近10 m（见图2a、图12d）, 在剖面底部可见河床滞留沉积, 底部有明显的冲刷界面（见图12e）。根据无人机航拍影像可观察到河流的截弯取直作用（见图13的p₈）。

与近端和中部相比, 远端沉积物粒径明显变细。由于水动力条件减弱, 发育有沼泽、曲流河和小湖泊等微相。在疏勒河分支河流体系的末端砾质沉积物发育较少, 主要以泥质和砂质沉积为主, 代表了河道废弃阶段曲流河的沉积特征。

随着对陆相含油气盆地研究的不断深入, 分支河流体系的研究为陆相含油气盆地沉积模式提供了新的思路。通过对比疏勒河分支河流体系从顶点到末端不同位置大尺度的变化特征, 包括顺源方向坡度的变化、河流宽度的变化、泛滥平原与河道比的变化以及河流形态的变化, 进而对沉积体系进行整体分析。近端主要为山麓高地向山前平原过渡阶段, 坡度最大, 河流摆脱顶点上两侧地形的控制, 表现为大型辫状河, 河流宽度较大, 泛滥平原与河道比值较小, 主要发育辫状河道和泛滥平原等微相（见表3）; 中部坡度相比近端较小, 受上游河流分汊和下渗的影响, 河流宽度变窄, 泛滥平原广泛发育, 河流表现为高度分汊的辫状河, 主要发育辫状河道、泛滥平原和风成沙丘等微相（见表3）; 远端, 由于接近走廊盆地沉降中心, 坡度最缓, 水体流动受阻, 滞水洼地和小湖泊等地貌单元广泛发育, 河流形态表现为由辫状河向曲流河过渡, 主要发育辫状河道、曲流河道、泛滥平原、风成沙丘以及沼泽和湖泊等微相（见表3）。通过研究分支河流体系上不同相带河流形态由大型辫状河到分汊状辫状河到曲流河这一连续性的变化, 在分支河流体系沉积模式上, 可以显示出比单个河道相模式范围更大的沉积体系特征。

表3

表3

表3 疏勒河分支河流体系各相带发育的沉积特征差异与沉积微相类型 位置 粒度 分选性 磨圆度 定向性 水动力条件 微相类型 近端 中— 巨砾 较差 次圆状 明显定向 牵引流 辫状河道, 泛滥平原 中部 细— 中砾, 砂质薄层 中等 次圆状 一定定向 牵引流 辫状河道, 泛滥平原, 风成沙丘 远端 细砾, 厚层砂 较好 次圆— 圆状 模糊定向 牵引流 辫状河道, 曲流河道, 泛滥平原, 风成沙丘, 沼泽, 湖泊

表3 疏勒河分支河流体系各相带发育的沉积特征差异与沉积微相类型

在分支河流体系大尺度观察的基础上, 对不同位置河道沉积特征进行精细描述（见图14）, 近端河道为砾质辫状河床, 水动力条件以牵引流为主, 水流主要来自源区冰雪融水。粒径较粗, 主要为中— 巨砾, 砾石具有明显的定向性, 砂质含量较少, 分选较差, 表现为高能水环境^[31]; 中部河道也主要为砾质河床, 可见小型透镜状砂体发育, 砾石粒径以细— 中砾为主, 砂质含量增高, 分选中等, 具有一定定向性, 表现为高能水环境向低能水环境过渡（见图14）。中部由于分汊和下渗, 水动力条件减弱, 部分支流河道在旱季干涸, 表现为暂时河道, 疏勒河分支河流体系暂时性河道主要受降雨的影响, 在6— 9月份降水充沛, 疏勒河径流流量较大, 携带的泥质含量较高, 暂时性河道有水体流动。但随着旱季很快来临, 这些暂时性河道迅速干涸, 在河道表层形成一层泥皮（见图7b）, 随着下次洪水期的到来, 细薄的泥皮被冲往下游, 在类比地下研究中暂时性河道发育的泥皮很难保存下来; 远端, 河流开始由辫状河向曲流河转变, 沉积物主要以砂质为主, 由于受坡降的影响, 该区带小湖泊较为发育, 在靠近活动朵体边缘, 边滩沉积较发育, 砂体呈槽状。在该相带最末端河流表现为曲流河, 可见底部滞留沉积发育, 表现为低能水环境（见图14）。从近端到远端由粗砾的辫状河到细粒的曲流河, 属于DFS内部沉积体系的递减, 而不是因为发育辫状河、曲流河两个沉积体系产生的粒径差异（见图14）。

图14

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	图14 疏勒河分支河流体系沉积模式

疏勒河分支河流体系近端坡度大于中部坡度, 远端坡度最小。河道沿分支河流体系顶点向下呈放射状展布, 受分汊和下渗影响, 河道宽度逐渐减小, 泛滥平原面积增大。近端地貌特征表现为以砾质戈壁滩为主, 中部可见沙生植被发育, 远端主要表现为绿洲地带。疏勒河分支河流体系在河流形态变化上, 近端河流摆脱源区两侧地形的控制表现为大型辫状河, 中部河流形态主要表现为高度分汊的分汊状辫状河, 在中部到远端的过渡区域河流形态由辫状河向曲流河过渡, 远端河流形态主要表现为曲流河。疏勒河分支河流体系在沉积特征变化上, 近端砾石定向性较好, 砾石以中— 巨砾为主, 次圆状; 中部砾石主要以细— 中砾为主, 磨圆度和定向性也较好; 远端主要以砂质沉积为主, 砾石含量较少, 呈圆状, 定向性模糊。疏勒河分支河流体系在沉积模式整体变化上, 砂体展布规律表现为远端砂体含量最大, 近端含量最小。近端和中部主要以辫状河沉积为主, 远端以曲流河沉积为主, 发育大量的废弃河道、牛轭湖、以及湖泊和沼泽等相带。

符号注释：

a— — 任意相邻3个小扇形半径定向性的最大值, %; bin— — 扇状图角度间距, （° ）; g_max— — 粒径最大值, mm; g_min— — 粒径最小值, mm; n— — 样本数, 个; α — — 野外剖面坡度, %; α _avg— — 砾石定向性平均坡度, （° ）; σ — — 小扇形半径偏离程度, 无因次。

（编辑 黄昌武）