引用本文
张元福, 戴鑫, 王敏, 李鑫鑫. 河流扇的概念、特征及意义[J]. 石油勘探与开发, 2020,47(5): 947-957.
ZHANG Yuanfu, DAI Xin, WANG Min, LI Xinxin. The concept, characteristics and significance of fluvial fans[J]. Petroleum Exploration & Development, 2020,47(5): 947-957.  
Doi: 10.11698/PED.2020.05.09
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河流扇的概念、特征及意义
张元福1, 戴鑫1, 王敏2, 李鑫鑫1
1.中国地质大学（北京）,北京 100083
2.中国石油勘探开发研究院,北京 100083

第一作者简介：张元福（1979-）,男,吉林辽源人,博士,中国地质大学（北京）副教授,主要从事沉积学理论及油气储集层研究。地址：北京市海淀区学院路29号,中国地质大学（北京）能源学院,邮政编码：100083。E-mail：zyf@cugb.edu.cn

收稿日期: 2019-07-13
基金项目: 国家科技重大专项“陆相深水储集体成因与地质评价新方法”（2017ZX05009-002）
摘要

通过详细的综述以及实例解剖,阐述现代河流扇这一沉积体系的概念和特征。首先对河流扇概念的演化进行分析,对相关术语进行梳理;其次,从成因机制、分析方法、沉积模式等方面对国际上的最新进展和争议进行阐述,并将河流扇分别与冲积扇、河流、湖泊三角洲等相似沉积体系进行对比;最终,提出河流扇的10个识别标志。研究认为河流扇的发育和规模受气候、构造、物源、风力改造等外部因素影响,扇体内部的相态发育以及岩性组合则受内部河道的活跃程度控制。现今在全球广泛分布的河流扇在地质历史时期也必然会大量发育,河流扇的出现将改变以冲积扇-河流-湖泊为主的传统陆相沉积体系。对河流扇的深入研究在沉积学和油气勘探领域具有一定的理论和现实意义。图6表1参68

关键词: 河流扇; 冲积扇; 河流; 分支河流系统; 沉积体系
中图分类号:TE122 文献标志码:A 文章编号:1000-0747(2020)05-0947-11
The concept, characteristics and significance of fluvial fans
ZHANG Yuanfu1, DAI Xin1, WANG Min2, LI Xinxin1
1. China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration & Development, Beijing 100083, China
Abstract

The concept and characteristics of fluvial fan are elucidated through literature review and case analysis. Firstly, the concept and terminology of fluvial fan are introduced. Secondly, the progress and controversy on the formation mechanism, analysis methods and sedimentary models of fluvial fan are elaborated, and fluvial fan is compared with alluvial fan, river and lacustrine delta. Finally, ten identification signs of the fluvial fan are proposed. It is found through the study that development and scale of fluvial fan are affected by external factors such as climate, tectonic, provenance and wind field. The facies and lithofacies association inside the fan are controlled by the activity of the internal channel. It is pointed that fluvial fans are widely distributed in the world not only today but also in the geological history. The occurrence of fluvial fan will change the traditional continental deposition system dominated by alluvial fan-river-lacustrine. Meanwhile, the research of fluvial fan will be of great significance in the fields of sedimentology and oil and gas exploration.

Keyword: fluvial fan; alluvial fan; river; distributary fluvial system; sedimentary system
0 引言

长期以来, 发育在山口的冲积扇和发育在平原上的河流、湖泊、过渡地带的三角洲等沉积是中国沉积学界对陆相沉积体系的传统认识[1, 2, 3]。近年来, 越来越多的国外学者对一种以河流作用为主的扇形沉积体进行研究, 提出了河流扇的概念。进入21世纪以来, 与河流扇相关的文章发表数量呈明显上升趋势, 研究历程大致可以分为4个时期：①2006年以前, 大部分学者在冲积扇研究的基础上开展河流扇的初步研究; ②2007— 2009年, North等[4]提出了河流扇的沉积模型, 并对河流扇进行了限定, 出现了第1个研究高峰; ③2010— 2014年, Hartley等[5, 6]基于卫星图片和遥感观察提出分支河流系统, 引发了沉积学界的广泛关注和讨论, 使河流扇和冲积扇的经典争议成为前沿研究领域, 出现了第2个研究高峰; ④2015年以来, 河流扇的研究进入第3个研究高峰, 大批学者从河流扇的成因、内部构型、季节性因素等方面对河流扇进行了细致和全面的讨论[7], 年平均论文发表数量超过130篇, 并持续成为研究热点。

与国外研究形成鲜明对比的是, 国内学者对河流扇的研究较少, 张昌民等[8]在2017年曾对分支河流体系的概念做过介绍。刘宗堡等[9]对末端扇的研究现状进行了分析。对于这一可能推动沉积学向前发展的重要研究领域, 有必要将其国内外研究进展进行梳理。本文将从河流扇的概念、研究的主要进展和争议、河流扇识别标志及研究意义等方面对河流扇的相关研究进行系统阐述。

1 河流扇概念的提出和沿革

河流扇的概念是在冲积扇的研究中逐渐演化和分离出来的。Denny[10]于1967年在冲积扇的研究中指出, 冲积扇上发育有突发性水流形成的朵叶体, 朵叶体的大小是坡度、径向长度和局部地貌的函数。Anstey[11, 12]认为这种通过朵叶体扩张所形成的冲积扇半径通常小于10 km, 但对于在开阔的陆上地区观察到的大量半径大于10 km的扇体用冲积扇难于解释。Schumm在《河流体系》一书中将河流作用引入到了具有稳定流体供给的扇形沉积体中, 是河流扇概念的基本雏形[13]。Nemec等[14]认为传统的冲积扇体系中存在河流作用, 并将表面具有常年性河道水流的冲积扇称为湿扇。Blair等[15]认为, 当河流从高地进入到比较宽阔的地带, 如阿根廷的Huaco和Jachal河, 形成的扇形沉积体既不是冲积扇, 也不是三角洲, 应是河流环境的产物, 即河流或者河流扇。Galloway等[16, 17]根据辫状河、泥石流、漫流的发育程度将冲积扇分成以河流为主、以泥石流为主和以漫流为主的冲积扇。总体上, 在2006年以前, 河流扇虽然得到了部分学者的关注, 但仍然被认为是冲积扇的一种特殊类型。

North等[4]在2007年进一步对河流扇进行了定义, 指出河流扇是在没有水平约束的情况下河道频繁改道形成, 在地质时间尺度上会形成区域性的发散状几何形态, 河流扇上的单一水道同河流沉积相似。

Hartley等[5, 18, 19]将长度在1~700 km、以河流和冲积作用为主体的扇形沉积体都归类为分支河流体系（Distributive Fluvial System, 简称DFS）, 并将广义的DFS扩展为3个尺度：①大尺度河流巨型扇, 半径大于100 km, 面积为1 000~100 000 km2; ②小尺度冲积扇, 半径小于30 km, 面积小于100 km2; ③介于大尺度与小尺度之间的中等尺度河流扇。DFS的提出对河流扇的研究起到了推动作用, 也引起了巨大的争议。经过不断的争论, 2018年以后, 部分学者开始强调以河流扇（fluvial fan）作为此类扇体的概念术语。

关于河流扇与冲积扇之间的关系, 前人的研究大致从成因和规模两个角度展开。成因上, 一般认为河流扇内部以牵引流作用为主, 而冲积扇则以重力流、片流为主。规模上, 河流扇的半径普遍大于10 km, 而冲积扇半径则普遍小于30 km, 在10~30 km的尺度上, 冲积扇和河流扇都有可能发育。河流扇与冲积扇的差异表现在水文、几何形态、沉积搬运机制和地层构型等方面[7, 17, 18, 20]。这些差异使河流扇和冲积扇相比, 缺少泥石流沉积, 沉积物结构成熟度相对较高, 发育规模相对较大。

综合前人的研究成果, 可以把河流扇定义为一种发育在山口或平原地带, 内部以河流沉积作用为主, 在地质时间尺度上形成沿上游顶点向下游区域发散的扇状沉积体。

2 河流扇的形成机制及分类
2.1 河流扇的形成机制

Syvitski等[21, 22, 23, 24]认为汇流区的沉积物负载过剩是导致河道带不稳定的根本原因。大多数河流扇体起源于构造活跃地区或广阔的大型汇流区, 过载的碎屑物质向邻近的低地输运, 在十年或百年时间跨度上持续存在构建河流地貌的强烈趋势, 最终在纵向上楔入地形梯度逐渐减小的下游方向, 在横向上可以形成数十至数百千米宽规模的河流扇体。弧后前陆盆地通常是大型河流扇发育的有利地区, 比如数量巨大的河流扇占据了从安第斯山脉向下倾斜的大片冲积平原。

Mccarthy等[25, 26, 27, 28]在裂谷、走滑和弧后盆地中也发现了河流扇, 由于这种盆地类型的地形限制较大, 河流扇的规模通常较小。Aslan等[29, 30, 31, 32]认为河流扇在一定条件下也存在于构造不活跃的区域, 比如穿越高地或者峡谷的河流快速进入到一个无限制区域。

Ielpi等[33]研究了早古生代Alderney砂岩组河流扇沉积模型, 提出了河流和风成过程之间相互作用的增强通常伴随着河道和沙坝减小的趋势。Chakraborty等[30]通过研究印度北部Kosi区域河流扇认为, 大部分洪水流量通过扇区的分流网络向下传输, 是河流扇形成的重要驱动力。

综合各位学者的观点, 河流扇的形成是一定构造和地形、气候、沉积物供给等条件的综合产物。首先, 河流扇的物质基础是河流上游的大型汇流区, 沉积物供给充足; 其次, 地形基础是下游方向存在一个邻近低地, 河道在某个端点楔入后发展成扇形网络。同时, 受内部河道的径向变化, 河流扇不同位置的沉积特征具有明显差异[34]。

2.2 河流扇的分类

目前, 河流扇仍缺乏得到广泛认可的类型划分方案, 但不同学者从多个角度开展了相关研究。有学者从河流扇发育的气候环境出发, 识别出亚热带季风性气候河流扇、干旱气候河流扇和极端气候河流扇[5, 6, 32, 35, 36, 37]。有学者根据盆地类型划分出弧后前陆盆地河流扇、裂谷盆地河流扇和走滑盆地河流扇[5, 6, 28, 38, 39]。还有部分学者认为可以从河流扇发育位置以及与相邻沉积环境的关系方面划分出发育在冲积扇之上的河流扇、发育于大型河流中部的河流扇、发育在大型河流末端的河流扇等[18, 40]。

Mikesell等[41]在美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室内对河道分叉形成的河流扇进行研究, 证实分叉型河流扇的存在, 并总结出分叉型河流扇的沉积模式。Hartley等[5, 6, 8]根据扇体内部河流形态的特点, 将DFS（含河流扇）的沉积类型划分成单个辫状河型、分叉状辫状河型、辫状河转换曲流河型、分叉状小型曲流河型、多曲流河型和主曲流河道型等6种类型。Escalona等[42]研究了委内瑞拉Chacaito河流扇河道摆动作用对扇体形成过程的影响, 证实游荡型河流扇的存在。

本文结合前人研究成果及现代河流扇地貌资料, 从河流扇成因及形态出发, 主要考虑扇体内部的河道形态和扇体外部的宏观形态, 将河流扇内部的河道形态划分为顺直型、弯曲型、分叉型和游荡型4种主要类型。再根据演化形态, 将扇体分为迭进型、摆动型和次生型。迭进型是指扇体整体向前堆叠演化, 扇体形态比较完整。摆动型是指扇体由2个或2个以上多个子扇体横向摆动演化而成, 呈现不对称特征。次生型是指扇体主要由末端水道形成的次生扇体演化而成, 主扇体内部嵌套多个次生扇体, 在扇体边缘呈现嵌套特征。

相应地河流扇的分类应该是兼顾内部河道形态和宏观扇体类型, 是二者的组合分类。理论上将存在12种河流扇类型及多种过渡类型。图1展示了几种常见的河流扇类型。分叉迭进型河流扇的内部河道主要为分叉型, 也可以存在少数几条活动的主河道, 扇体由内部河道的河流沉积逐步向前堆叠演化而成（见图1a）。顺直迭进型河流扇的河道为顺直型, 扇体以整体向前堆叠演化为主（见图1b）。分叉次生型河流扇的内部河道为分叉型, 扇体由河道末端的持续次生作用演化而成（见图1c）。顺直次生型河流扇的河道以顺直型为主, 分叉较少, 扇体以河道末端次生演化为主（见图1d）。弯曲摆动型河流扇的河道为弯曲或曲流型为主, 扇体由若干个摆动的子扇体组成（见图1e）。游荡摆动型河流扇的河道形态以游荡或散乱型为主, 扇体由多个摆动的子扇体组成（见图1f）。

图1 几种典型的河流扇
（a）巴西, Taquari河, 分叉迭进型; （b）中国, 新疆且末, 莫勒切河, 顺直迭进型; （c）中国, 新疆新和, 渭干河, 分叉次生型; （d）中国, 甘肃, 弱水河, 顺直次生型; （e）中国, 新疆喀什, 叶尔羌河, 弯曲摆动型; （f）中国, 内蒙古四子王旗, 塔布河, 游荡摆动型

3 河流扇全球分布及实例研究
3.1 河流扇的全球分布

本文统计全球超过280余个区域发育现代河流扇。其中美国西部、南美洲西部、非洲中部、中东地区以及中国西部是河流扇发育的主要地区。特别需要指出的是, 河流扇基本发育在中纬度地区, 高纬度地区发育程度较低, 表明河流扇发育受气候因素控制显著。

中国是世界上河流扇发育的主力地区, 仅中西部就有超过50余个区域发育河流扇, 沉积扇体数量可达数百个。塔里木盆地周缘、内蒙古中西部、青藏高原西部地区是现代河流扇集中发育的地区。其中, 塔里木盆地周缘发育数个半径超过50 km以上的巨型河流扇; 内蒙古中部地区还观测到半径超过150 km、干旱气候下的巨型河流扇。另外, 文献调研发现, 塔里木、鄂尔多斯、渤海湾等主要沉积盆地均具备发育古代河流扇沉积的有利地质条件。

3.2 国外河流扇现代沉积及露头沉积研究典型实例

2006年, Bennett等[43]研究了美国加州San Joaquin河谷东部的Kings、Tuolumne和Merced等3个河流扇, 建立了探地雷达（GPR）信号与古土壤及河道活动的对应关系, 认为GPR信号增强对应着古河道活动区域。发现古河道活跃的河流扇广泛发育河道沉积, 而古河道不活跃的河流扇广泛发育以细粒为主的岸后沉积。

2016年, Escalona等[42]考察了委内瑞拉Chacaito河流扇的河道摆动作用对扇体形成的影响, 利用水沙混合流的二维数值模拟方法, 证实了河道摆动影响扇体形态及规模。该研究从实例和模拟两个方面证实了游荡型河流扇的存在。

2016年, Galve等[44]研究了哥斯达黎加北部火山作用对Santa Clara河流扇的影响。通过无人机、探地雷达、卫星图像等技术手段, 发现火山作用及相关的地震作用极大地促进了该区河流扇的供给, 加速了河流扇形态和规模的扩展。该研究表明, 火山、地震等事件性沉积可以直接影响河流扇的形成和规模。

2016年, Ielpi等[33]研究了英国海峡群岛奥尔德尼砂岩地层, 推翻了前人认为的该沉积是单一河流过程产物的结论。认为其沉积模式应为干旱气候下受风力改造的多期次河流扇沉积。通过与墨西哥、土库曼斯坦现代河流扇的对比, 总结了干旱时期河流扇末端以蒸发作用为主的沉积特征, 指出沿下游方向河道分叉加大及风力改造作用增强是此类型扇体的重要识别特征[45]。此类扇体与塔里木盆地周缘沙漠环境中的现代河流扇沉积十分相似, 对进一步研究中国的河流扇沉积具有借鉴意义。

2016年, Toorenenburg等[46]研究了西班牙Ebro盆地河流扇沉积及储集层物性特征。利用数字露头与测井数据相结合, 分析了泛滥平原内部砂体连通性与河道稳定程度的正比演化关系。发现在湿润气候下, 河流扇扇端部位岸后细粒沉积发育程度较高, 且末端河道弯曲度低, 河道稳定。

3.3 中国内蒙古塔布河河流扇实例解剖

塔布河现代河流扇沉积位于中国内蒙古四子王旗以北200 km处, 为塔布河自南向北冲刷充填形成。塔布河为半干旱气候下的内陆辫状河, 河道从一个顶点开始分叉, 在开阔平坦的下游区域形成两期河流扇沉积。两期扇体半径分别为36 km和43 km。在第1期扇体的西侧, 存在1个山前冲积扇发育区域, 冲积扇体数量较多, 最大扇体半径为5.6 km。第1期扇体为早期河流扇体, 废弃河道及风力改造明显。第2期扇体为现今活动扇体, 扇体最东侧存在活动的河流系统。扇体的分期反映了河道网络自西向东迁移的特征（见图2）。在扇体末端河道逐渐干涸、终止。在两期扇体上观察到风积层、废弃河道、河道、深切河道、重力流水道、底砾、末端河道、侧向坝、顺流坝、堤坝、决口扇、片流、泛滥平原细粒沉积等13种河流扇沉积构型。其中河道复合沉积的相关构型占56%, 反映扇体演化主要受河流系统控制。岸后复合体相关构型占34%, 风成改造沉积约占10%（见图3）。

图2 内蒙古塔布河现代河流扇扇体全貌（A、B、C为典型剖面位置）

图3 内蒙古塔布河现代河流扇扇体内部结构

在河流扇内部选取了17个考察点进行解剖（见图2）。塔布河河流扇整体形态完整, 顶点清晰, 岩性以砾岩、砂岩、泥质粉砂岩为主, 主要为河道复合体、岸后复合体及风成改造沉积（见图3）。分别在扇根、扇中、扇端选取典型剖面进行对比分析。在扇根, 沉积物以粒径5~10 cm的砂砾质沉积为主, 水动力强, 发育高角度交错层理, 河道下切明显, 单期河道规模较大, 岸后细粒沉积发育规模较小（见图4）。在扇中, 沉积物以粒径小于5 cm的砾石、砂质为主, 水动力条件变弱, 发育低角度交错层理, 单期河道沉积厚度变小, 河道稳定性变差, 溢岸、决口作用增强, 岸后泥质、粉砂质沉积大量发育（见图5）。在扇端, 沉积物以砂质、粉砂质为主, 含少量粒径小于1 cm的砾石, 水动力条件极弱, 交错层理不发育, 末端规模小, 稳定性差, 多期次岸后泥质、粉砂质沉积叠置发育, 末端沉积物普遍遭受风力改造（见图6）。

图4 内蒙古塔布河现代河流扇扇根典型剖面A解析（剖面位置见图2）

图5 内蒙古塔布河现代河流扇扇中典型剖面B解析（剖面位置见图2）

图6 内蒙古塔布河现代河流扇扇端典型剖面C解析（剖面位置见图2）

通过两期扇体扇根7个考察点、扇中6个考察点和扇端4个考察点剖面对比统计发现：①扇根以河道沉积为主体（占42%）, 深切水道发育（占20%）, 发育少量重力流水道（占6%）, 废弃河道发育程度较低（约占5%）, 反映扇根具有充足的物源供给和强水动力条件, 河道相对稳定; ②扇中河流系统迅速横向扩散, 活动河道占比明显降低（占25%）, 较扇根部位减少17%, 各类河道沙坝、泛滥平原等岸后沉积普遍发育（占38%）, 废弃河道数量增多（占10%）, 侧向坝大量出现（占15%）, 反映扇中水动力条件减弱, 河道稳定性变差, 频繁发生迁移和废弃, 沉积作用增强; ③扇端河道逐渐干枯, 河流负载减小, 以末端河道（占26%）与废弃河道（占21%）为主体, 各类坝体发育程度低（占6%）, 反映末端极低的水动力条件, 河道规模小, 负载量少, 稳定性极差（见图3）。

风成沉积在扇体各部位均有发育, 但存在差异。扇根沉积物粒度较粗, 地形狭窄, 风积物发育规模较小。扇中沉积物粒度减小, 扇体面积扩大, 岸后细粒沉积易被风力改造, 形成一定规模的风积层。扇端河道数量增多, 但河道规模小, 稳定性差, 且沉积物粒度小, 以细砂、粉砂为主, 受风力影响明显, 风积层规模迅速扩大。

废弃河道在扇体各部位普遍发育, 扇根由于河道水动力强, 稳定性高, 废弃河道数量较少。扇中河道迁移、决口现象明显, 废弃河道数量逐渐增多。扇端水动力条件极小, 不稳定的末端河道为主要河道系统, 受风力、干旱等因素影响, 废弃河道大量发育。

综上所述, 塔布河现代河流扇为一个典型辫状河形成的河流扇体, 扇体规模较大, 沉积构型完整, 各部位沉积特征区分明显, 沉积现象典型, 可以作为河流扇研究的典型剖面。

4 河流扇与陆相相关沉积体的区别及其识别标志

针对河流扇的研究仍在不断深入。作为陆上大型沉积体, 河流扇与冲积扇、河流、湖泊三角洲、湖泊扇三角洲等存在密切的关联, 并具有一定的相似性。因此, 建立识别标志, 并将河流扇和相似沉积体进行有效判别是开展深入研究的基本前提。

4.1 冲积扇与河流扇

2018年, Ventra等[18]认为冲积扇与河流扇是普遍存在的沉积系统, 沉积背景有一定的相似性。关于冲积扇和河流扇之间的关系存在着长期的争议。近年研究表明, 这两种沉积系统在基本形态和沉积过程上均存在着差异, 而且在本质上具有不同的沉积相组合和不同的内部构造特征[7]。

关于两者形态上的差异, Gohain等[47]于1990年首次应用“ 巨型扇” 这一术语来区分冲积扇与河流扇, 认为半径小于30 km的为冲积扇, 半径大于30 km的为“ 巨型扇” 即河流扇。随着认识的不断深化, Blair[48]在2003年提出冲积扇的半径普遍小于10 km, 一般为数百米到数千米, 半径大于10 km则为河流扇。Hartley等[5, 6, 49, 50, 51, 52]后来又将这一差异更加定量化, 认为面积超过105 km2的沉积扇体为河流扇, 小于这一面积则为传统冲积扇。

冲积扇与河流扇在扇体结构上也存在根本的差异。河流扇表面发育典型的河流系统, 在河道与岸后区的广泛区域均发育多种沉积; 沉积物的粒度、分选性均好于冲积扇; 沉积相类型多样, 且在横向和纵向上的变化、组合形式复杂。河道梯度的变化促使河流扇在向前进积的同时也发生侧向加积。Chakraborty等[53]认为向下游方向, 河道的宽度和深度逐渐减小, 河道类型由辫状河向曲流河频繁过渡。

结合前人的观点, 本文总结河流扇与冲积扇的差异表现在以下几个方面：

①河流扇与冲积扇在规模上存在显著差异。通过卫星图像对全球100余个河流扇进行统计, 结果显示河流扇的半径大多为10~50 km, 最大可达160 km。大部分冲积扇半径小于10 km。综合来说, 半径大于30 km的扇体主要为河流扇, 半径小于10 km的扇体主要为冲积扇, 半径为10~30 km的扇体既可能是河流扇, 也可能是冲积扇。

②冲积扇是由山区季节性洪水携带的沉积物在山前开阔地带快速堆积而形成。河流扇为河流从邻近高地进入开阔洼地的无限制地带时, 沉积物呈放射状堆积形成。

③从沉积物搬运机制来说, 冲积扇主要由重力流、片流搬运、堆积; 河流扇则以河流作用为主, 河道废弃作用明显, 沉积物的沉积主要受牵引流控制。

④从沉积物总体特征来说, 冲积扇的沉积物总体表现为泥石流混杂堆积, 结构成熟度低, 沉积物有序度低; 河流扇主体体现为牵引流沉积, 成熟度相对较高, 沉积物在横向和纵向上具有更强的规律性。

⑤从沉积体内部结构的稳定程度来说, 冲积扇的亚相稳定性较低, 由于冲积扇具有坡度陡、面积小、距物源区近的特点, 泥石流、河道及漫流等沉积相对物源变化反映强烈, 相变频繁[54]; 河流扇发育的主体区域坡度更低、面积更大, 河道、泛滥平原、泥炭沼泽等微相都有发育, 各亚相和微相的组合相对而言更加有序。

4.2 河流相与河流扇

Friend[20]首先提出古代河流扇与现代河流系统的区别, 总结出河流扇的沉积特征为向下游方向砂岩的粒度和地层厚度逐渐减小, 细粒沉积、小规模的交错层理和水平层理的比例增加。与典型河流相相比, 陆上河流扇终止于分流河道网络, 并没有到达海洋或者湖泊。Kelly等[55]利用河流扇模型描述了一个同级的分流网络, 向下游方向扇体随着河流的分叉逐渐向前和向侧向进积, 这两种模型虽然不是描述典型、完整的河流扇的特征, 但部分说明了河流扇末端的分叉、河道横向扩散是与普通河流系统在形态上的典型差别。

河流扇是在没有水平约束的条件下, 河流节点频繁发生改道作用、从而分叉形成的一种复合沉积体。这与河流相中由于决口作用而形成的小规模决口扇具有明显区别。河流扇的扇体表面分布着大量河道, 由这些河道形成的沉积系统在较长的地质时间尺度上可观察到具有区域辐射展布的特征。这是河流扇与其他非扇形河流系统、特别是受河谷限制的河流系统最显著的形态差异[4]。

河流扇和河流体系也可以在一定条件下发生转化。Leier等[50]认为如果有足够大的水平空间, 河流扇可以在河流的任何部位形成, 且同一条河流可以在其沿线形成多个河流扇。形成河流扇的部位需要满足两个条件：①具有从狭窄向开阔地形过渡的河流条件; ②具备适宜扩散和分叉的环境条件。由于周期性洪水事件会增大河道的不稳定性, 大型河流扇多发育在河流流量受季节性影响较大的地区。

综合各学者的观点, 本文总结河流扇与河流在典型沉积单元的发育规模和比例上存在以下差异：①河流扇由于扇体面积大, 内部河道迁移、演化程度高, 废弃河道十分发育, 风成改造沉积数量及规模大于普通河流相; ②从发育位置来说, 河流扇是河流体系在特定条件下发育的沉积体, 相当于一类特殊的河流体系, 当河流沿着下游方向的一个端点处进入到邻近洼地, 河流体系在横向上迅速扩展, 在一个扇形区域内堆积并改造沉积物, 进而形成河流扇沉积; ③从沉积相展布特征来说, 河流体系受地形控制更加明显, 多数情况下局限于一个狭窄的环境中, 沉积相横向发育面积受限, 发育规模较小[56], 河流扇是一种横向不受约束的河流体系, 各沉积相可在更大范围内演化, 发育规模更大、演化时间更长。

4.3 湖泊三角洲、湖泊扇三角洲、各类水下扇与河流扇

North等[4, 57]结合水槽实验结果认为不同于普通河控三角洲中的河道分流, 河流扇的扩展是多个河道频繁淤积、迁移的结果。河流扇中河道的分叉并不是河道一分为二, 而是在不同历史时期, 两期（或多期）河道受淤积、流量改变等因素自某一点发生改道, 在剖面中呈现出的一种“ 假分叉” 。这一理论的提出, 将河流扇沉积模式与传统三角洲的沉积模式从根本上区分开来[58]。

Olariu等[58, 59]通过对现代河流沉积系统的观察与研究发现, 典型三角洲和扇三角洲主要发育在稳定水体的基准面附近, 受湖泊或海洋基准面的波动影响明显。沉积物扩散受水体控制明显, 沉积物的积累和保存程度取决于基准面的上升和下降[60]。并且, 湖泊扇三角洲通常由冲积扇提供物源, 其扇三角洲平原部分具有典型的冲积扇特征, 河流控制作用较弱。近岸水下扇和湖底扇等各类水下扇体则主要发育在稳定水体的基准面之下, 沉积机制上受重力流作用明显, 并且由于基准面波动引起的可容空间变化也会对各类水下扇体的规模起到重要影响。与之形成对比的是, 现代河流扇可在山区、平原等广大陆相地区均有发育。并且, 河流扇可沿着大陆的任意位置向湖泊或者海洋方向运送沉积物, 从不受基准面控制的孤立内陆盆地[4, 61], 到受河流和湖（海）共同控制的湖（海）沿岸均有分布[29, 49, 62]。在这种模式下, 在山区或平原地带孤立发育的河流扇由于发育位置的不同, 与湖泊类扇体具有天然区别。发育在湖岸附近的河流扇通常会进入水体形成河流扇型三角洲。河流扇型三角洲与各类湖泊扇体的一个主要区别是存在明显的以河流作用为主的扇体发育区, 并在河流扇体的末端发育小型的三角洲和扇三角洲扇体。这一特点在中国的鄱阳湖赣江地区和青海湖的刚察地区都有体现。

综上所述, 河流扇与湖泊三角洲、扇三角洲及各类水下扇体的区别表现在4个方面：①从发育位置来看, 河流扇发育位置更广, 山区、平原或湖泊附近都可发育; ②从扇体构成来看, 河流扇主要发育以河流控制作用为主的扇体, 受湖泊影响有限。即使是河流扇型三角洲, 也存在一个以河流作用为主的大型扇体, 在湖泊作用的影响下, 在主扇体边缘会发育小型的正常三角洲的沉积; ③从控制因素看, 河流扇主要是在河流作用下发生沉积、改造, 扇体主体远离湖泊或向湖进积距离有限, 受湖泊等稳定水体影响小; ④从扇体内部水道展布形式看, 河流扇内部河流系统以分支河道为主, 不一定是同期活动, 可以是数条游荡型河流在时空上的迁移。湖泊三角洲和扇三角洲内部水道系统以分流水道网络为主, 大部分分流河道同期活动。而各类水下扇体内部则以重力流水道为主。

4.4 河流扇的识别标志

Sambrook等[6]总结出DFS（含河流扇）的4个一般特点：①冲积体系在不受限制的地区向盆地中心方向产生沉积作用; ②从顶点往下游方向, 河道呈放射状; ③常形成一个横向上呈上凸状、纵向上呈下凹状的沉积体; ④存在一个节点, 河流体系在节点之上位于下切谷内, 在节点之下展布于活动的沉积朵体上。Moscariello[7]总结出河流扇的4个主要特征：①具有典型的河流沉积过程, 河道和岸上沉积区域连片发育; ②河道的地形梯度和样式向着下游和侧向的变化具有一致性; ③碎屑物的沉积结构向下游方向发生有规律的变化; ④相组合的演化在横向和垂向上具有规律性。Ventra等[18]总结出河流扇的7个一般特征：①以河流扇的顶点为起点, 扇体上的河流体系和残留的河道轴线成辐射状分布; ②在主扇体上会频繁叠加由孤立水道形成次级扇体; ③从河流扇的扇根到扇端, 河道样式从辫状、游荡型向高弯度型过渡, 在扇体末端终结或汇聚为单条稳定河道; ④在干旱条件下, 扇体向下游方向, 河道深度和宽度都可能减小, 形成所谓的末端扇; ⑤向下游方向, 河道和溢岸沉积物的典型沉积构造持续减少; ⑥向下游方向, 非河道部分的面积持续增加; ⑦向下游方向, 常年和季节性水位降低。

在前人研究成果的基础上, 结合塔布河河流扇研究实例, 本文总结河流扇与相关沉积体之间的差异（见表1）, 并总结出典型河流扇的10个共性特征：①扇体平均半径普遍大于10 km; ②主水系从汇流区或汇流体系进入低地形梯度的开阔区域; ③单一顶点, 横向上凸状、纵向下凹状, 自顶点向下呈辐射状展布; ④具备典型的河流沉积特征, 不受稳定水体影响, 既可以是分流河道体系, 也可以是若干条河流反复摆动形成; ⑤基于地形梯度, 河道横向扩散, 末端径向分叉, 向下游方向废弃或活动型河道数量增多, 下切作用减弱, 非河道沉积比例增加, 沉积物粒度变小, 结构成熟度变高; ⑥发育规模受气候和地貌影响显著, 在主扇体上通常会叠加由多个孤立水道形成的次级扇体或朵叶体; ⑦在扇体内部, 河道和溢岸沉积连片发育, 并发育较大规模泥炭沼泽、泛滥平原等沉积微相, 河道-岸后比在扇体内部呈现有规律的变化; ⑧末端类型多样, 可以汇聚为轴向河流, 也可以终止于分支河道末端, 还可以终止于海洋或湖泊等稳定水体; ⑨河流扇内部河道迁移改道频繁, 河道废弃作用强, 废弃河道及风成改造沉积十分发育; ⑩河流扇的沉积序列受控于河道建设和河道废弃二者的相互作用, 正、反韵律可交替出现。

表1 河流扇与相关沉积体的差异
5 河流扇研究的争议及意义

有关河流扇沉积的研究经历了多个阶段, 多个相关或相近的术语被提出来, 如湿扇（wet alluvial fans）[13, 63]、巨型洪积扇（alluvial megafan）[63, 64]、终端扇（terminal fans）[65]、河流型巨扇（fluvial megafan/large fluvial fan）、分支河流体系（Distributive Fluvial System）等。

当把河流扇作为与冲积扇以及河流相同地位的沉积体系提出时, 与冲积扇概念有关的湿扇、巨型洪积扇, 与河流有关的终端扇、河流型巨扇都可以被河流扇概念替代。另外, 广义的分支河流体系（DFS）包含3个尺度沉积类型, 即小尺度的冲积扇、中等尺度的典型河流扇、大尺度的巨型河流扇。所以, 有必要对分支河流体系和河流扇的关系进行分析。

5.1 分支河流体系的研究及争议

分支河流体系（DFS）描述了一类河道及洪泛平原的沉积样式, 是指源自汇流区的水道在进入盆地后自某一顶点开始发散, 其携带的碎屑物质向下游方向形成扇状沉积。

部分学者甚至认为DFS主导了现代沉积盆地的主要地貌要素。现代河流沉积的88%可能是DFS, 其他分流系统仅占1%~12%[19]。依此观点, 前文所述的冲积扇、河流扇和巨型扇等都属于DFS[5, 6, 8]。

Weissmann等指出, DFS的大小主要取决于盆地内发育的河道大小, 大多数盆地内存在好几个DFS。DFS的一般特点包括：①冲积体系在不受限制的地区往盆地中心方向产生沉积作用; ②从定点往下游方向, 河道呈放射状; ③常形成一个横向上呈上凸状、纵向上呈下凹状的沉积体; ④存在一个节点, 河流体系在节点之上位于下切谷内, 在节点之下展布于活动的沉积朵体上。根据Wessiman等的观点, DFS宏观上以扇形沉积为特点, 内部以河流沉积为主, 内部沉积特征与河流类似。所以, 宏观上DFS除了上述4个一般特征之外, 还具有不同类型河流的组合特征。Hartley等[5, 6, 8]依此将DFS分成了单辫状河道、分叉辫状河道、辫状河转换曲流河、分叉曲流河、多曲流河、单曲流河等6种模式。Sambrook等[6]甚至认为DFS主导了所有现代沉积盆地的沉积区。2010年后有很多学者陆续以DFS概念为基础, 从不同角度对DFS进行了研究[24, 35]。特别需要指出的是, DFS系统提出后一直伴随着质疑。Fielding等[36]从现代沉积和古代沉积两个角度对DFS术语的科学必要性、证据的完备性、数据的准确性等方面提出了一系列质疑, 指出在地层记录中大量保存了与现代大型河流相当的主干河流沉积物, 针对现代河流支流体系的研究也证明河流支流系统可以更好的替代DFS。

如果将大陆沉积体系中所有这类沉积体都归入到DFS中, 并不能突出河流作用在这些扇体形成过程中的主导作用。同时, DFS着重强调沉积扇体的地貌特征, 这一分类方案在沉积学应用中并不能很好地以成因类型的角度对不同部位的扇体进行研究。

5.2 河流扇的研究意义

5.2.1 沉积学意义

扇形沉积体的研究是沉积学研究中古老而又充满活力的领域, 在传统的沉积学体系里, 冲积扇、扇三角洲和三角洲、以及深水扇分别是陆上区域、过渡区域和海洋（湖泊）区域的主要扇体类型[1, 2, 3]。河流扇的提出, 是现代沉积研究对传统沉积学的又一次修订和补充。作为陆相沉积的扇体, 河流扇可与冲积扇、扇三角洲以及三角洲相互作用, 形成复合沉积体。通过对河流扇与冲积扇、河流、三角洲及扇三角洲关系的进一步研究和讨论, 将会使人们更加深入理解河流在陆相沉积过程中的作用, 推动沉积学研究向前发展。

河流扇这一新的沉积模式正在引发世界范围内对现代和地下沉积体系的再认识。Hartley等[5, 6]分析了全球700多个盆地的沉积体系特征, 在其中发现了400余个不同于典型冲积扇和三角洲的大型扇形沉积体。通过卫星地图分析, 在中国新疆和内蒙古, 河流扇也大量分布。同时, 中国具有多个大型的陆相含油气盆地。河流扇作为一种在现代沉积中普遍存在的陆相沉积体, 在古代含油气盆地中也必然存在。将河流扇作为独立的沉积体系进行研究, 有助于从沉积成因的角度更加深入理解不同陆相沉积体系之间的演化-继承关系。这些新的认识将对沉积学的研究产生深远影响。

5.2.2 油气勘探意义

河流扇内部普遍发育河道砂体[4], 具备发育优质储集层的潜力[7]。某些河流扇的沉积厚度可以达到1 km以上。从对比的角度来看, 冲积扇和三角洲均可发育优质油气储集体, 河流扇作为发育于二者之间的陆相沉积体, 其扇体规模比冲积扇更大, 比三角洲更加接近物源区[18], 内部可见广泛的岸后沉积区域, 可以和河道及漫滩砂体构成良好的储盖组合。

目前, 国内外多个油田均发现了河流扇储集层。阿根廷中部Neuquen盆地在干旱气候下发育的河流扇形成厚度10~12 m、宽度数十千米的优质储集层, 油气产量稳定[66]。阿根廷东南部San Jorge盆地在湿润气候下发育受火山活动影响的河流扇沉积, 储集层厚度达300~1 500 m, 已成为重要的产油区[7]。Southern North Sea的多个区域也发育河流扇沉积, 目前已实现油气开采[7]。中国濮城油田古近系沙河街组沙二段上亚段、玛湖凹陷三叠系百口泉组、松辽盆地三肇凹陷扶余油层等都发现了可能的河流扇沉积储集层[9]。

基于前述分析, 推测中国的松辽、渤海湾、准噶尔、鄂尔多斯、柴达木等陆相含油气盆地均可能存在相当规模的河流扇沉积[67, 68]。在上述盆地开展河流扇沉积研究将可改变中国对陆相含油气盆地沉积体系的认识, 也会对油气勘探产生重要的影响[58]。

6 结论

河流扇的概念一直在不断的发展中, DFS的提出大大提高了河流扇研究的深度和广度, 但是相比于DFS, 独立于冲积扇的“ 河流扇” 定义更符合沉积学的研究需要。

河流扇具有典型的识别标志。与冲积扇, 河流相以及湖泊三角洲在发育位置、水动力条件, 沉积体系形态, 沉积相组合等方面都具有明显差异。

河流扇的发育受多种因素控制。气候、构造、物源、风力改造、火山事件等外部因素控制了河流扇的发育和规模。而内部河道的活跃程度则控制了扇体内部的相态发育以及岩性组合。

河流扇的研究将丰富传统的沉积学认知, 正在引发世界范围内对现代和古代陆相沉积体系的再认识。对现代河流扇体系的研究将在水力建设、环境评估、地质灾害预防方面具有一定意义; 而对古代河流扇沉积的研究将为油气储集层研究提供新的思路。

编辑 王晖

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