黑河分支河流体系地貌特征和沉积模式

胡赛寅, 刘宗堡, 卢志霖, 刘警阳

(1.东北石油大学 地球科学学院, 黑龙江 大庆 163318; 2.山东师范大学 地理与环境学院, 山东 济南 250358)

分支河流体系(distributive fluvial systems, DFS)指河流携带的碎屑颗粒在河流进入盆地后,形成放射状展布的沉积体系[1]。DFS通常由近端、中部和远端三部分组成,其中近端和中部储集性较好,利于形成范围广、规模大的油气优质储层[2-3]。DFS最早由Weissmann等[1]于2010年提出,Hartley等[4]进一步研究了DFS的类型、展布、延伸长度、构造背景和环境特征,提出了DFS发育有6种河道模式和五种末端类型,同期Davidson等[5]将DFS沉积模式简化为3种。张昌民等[6]以冲积扇概念的演变为主线,总结出DFS的发育特征和地质意义。吕俊岭等[7]利用水槽模拟实验重建了干旱区DFS的沉积过程,并提出了干旱区DFS沉积演化的三个阶段。赵芸等[8]介绍了DFS的概念、规模、特征和研究方法,如遥感影像解译、无人机航拍、沉积露头类比和古土壤分析等。研究表明,世界上70%的DFS分布在干旱区,如撒哈拉沙漠、中亚地区、澳大利亚大陆内部和我国西北干旱区[1,9-10]。根据扇体规模(半径和面积),DFS分为冲积扇(半径小于30 km,面积小于100 km2)、河流扇(半径在30～100 km之间,面积为100～1 000 km2)和巨型扇(半径大于100 km,面积为1 000～100 000 km2)三种[4]。其中巨型扇由于地貌条件限制研究成果不足,且已有研究大多针对热带或亚热带气候发育的巨型扇[11-14],而对温带干旱区特别是北半球温带干旱区巨型扇的地貌特征和沉积模式鲜有研究。

黑河是我国第二大内流河,其末端形成的分支河流体系(简称黑河DFS)不仅是我国西北干旱区中少见的巨型扇,也是世界上典型的温带干旱区巨型扇,在地貌类型、沉积特征、环境变化和人地关系等方面具有很高的研究价值。长期以来,许多学者就黑河下游的水系变迁、气候变化、群落演替和土地利用等方面开展了深入研究,积累了详实的资料和成果[15-20]。黑河DFS是第四纪形成的分支河流体系[21-23],位于环境变化的敏感区和脆弱区,形成后易被其他自然地理要素改造,呈现出独具特色的地貌类型、河流展布和沉积序列,已经成为当地生产生活的重要场所和沙漠边缘的生态屏障。本文通过卫星遥感影像解译,同时结合相关的地质资料和DEM数据,确定了黑河DFS的边界形态、内部结构和地貌类型,并讨论了黑河DFS演化的控制因素和沉积模式。本研究有利于进一步了解黑河下游的地质环境,可为地下储层类比预测[24]和温带干旱区DFS的沉积构型提供借鉴。

1 研究区概况

黑河DFS位于99.2°～101.8°E和39.8°～42.6°N之间,南北跨越甘肃省和内蒙古自治区。研究区地处黑河下游,地势东南高、西北低,平均海拔1 500 m(图1)。

图1 研究区

从地貌单元看,研究区位于阿拉善高原,东邻巴丹吉林沙漠,西侧与额济纳戈壁区接壤,内部发育有大量湖盆洼地和沙漠[25-26]。DFS顶点在正义峡以下约14 km处,DFS内黑河先向北东方向流动,而后在狼心山分为东河、西河两支,分别汇入东、西居延海,形成了面积约3.01×104km2的黑河DFS。历史上,黑河曾汇入居延泽,成为发展绿洲农业和军事防御的重要场所,后随着气候变化和上游人类活动,黑河下游来水量减少,居延泽逐渐萎缩,而后形成东居延海、西居延海等黑河尾闾湖泊。研究区属于大陆性气候中的干旱荒漠和极端干旱气候,具有降水量少、蒸发性强、昼夜温差大和风沙多等特点[27],造成土壤缺水、植被稀疏和砂石发育。

2 数据与方法

2.1 数据来源

本次研究所用Landsat系列影像和哨兵影像来自地理空间数据云(www.gscloud.cn/)和美国地质调查局(https://glovis.usgs.gov/),DEM数据来自地理空间数据云(www.gscloud.cn/),各类地质图和部分水文资料来自地质云(https://geocloud.cgs.gov.cn/#/home)。地貌数据来自黑河流域地貌类型图和黑河流域沙漠(沙地)分布数据集(http://www.ncdc.ac.cn/portal/);气象数据取自中国1 km分辨率月平均气温数据集和逐月降水量数据集(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),用于计算1950年以来黑河流域多年平均气温和年降水量,并绘制等温线和等降水量线;土壤质地数据取自面向陆面模拟的中国土壤数据集和中国土壤水分数据集(2002—2018)(https://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/),用于分析土壤质地、土壤含水量和砾石分布;部分水文资料来自中国河流泥沙公报(http://www.mwr.gov.cn/)。上述数据能够保证相关研究的准确性和真实性。

2.2 研究方法

2.2.1DFS边界识别

本次研究首先通过地质图确定了DFS的顶点、河道范围和终端位置,随后利用Landsat MSS和TM影像SWIR2、NIR、Green波段,OLI影像SWIR2、NIR、Red波段进行假彩色合成,最终确定了可目视解译的黑河DFS边界。从假彩色合成的影像上看,DFS起点处河流已经出山,河流沉积突然变明显;研究区北侧和西侧发育有大量辫状河道,东侧为表面凹凸不平的沙漠,东南侧存在全新世形成的古代湖泊;此外,在难以确定边界的区域,借助天地图影像等更高分辨率(不足10 m)影像进行目视解译。

本次研究选用影像的成像时间为每年5～10月,云量小于5%,影像质量能够满足工作要求。误差主要为影像分辨率误差,计算公式[28]为:

(1)

式中:ε为误差面积(m2);N为影像分辨率(Landsat MSS影像取60 m,Landsat TM影像取30 m,Landsat OLI影像取30 m);λL为DFS边界经过的像元个数。

2.2.2地貌类型划分

根据DEM数据将研究区分为中海拔区域(1 000 m以上)和低海拔区域(1 000 m以下),并初步划分平原、台地和丘陵等基本地貌类型,然后将Landsat OLI影像SWIR2、NIR、Red波段进行假彩色合成,目视解译各地貌类型的边界,结合黑河流域1∶100万地貌类型图、研究区地质图和土壤植被等资料进行进一步修订,最终确定黑河DFS的30种地貌类型。其中沙地的划分和命名参考黑河流域1∶10万沙地分布数据集,各地貌类型的名称及特征详见表1。因缺少野外考查资料,本研究的地貌类型难免存在误差,不适合小尺度地貌研究。

表1 黑河DFS地貌类型及特征

3 黑河DFS地貌特征

3.1 宏观地貌特征

黑河DFS呈南西—北东方向展布,上窄下宽,面积约3.01×104km2,最大半径约310 km,最宽处约167 km,扇顶角约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°。为了研究黑河DFS整体地貌特征,绘制了3条纵剖面线和8条横剖面线,间隔500m取点,测量各点的高程、坡度和地表起伏度(图2),三条纵剖面的高程与到顶点的距离具有较好的线性负相关。冲积物和冲洪积物覆盖区等高线向东北方向突出,与DFS延伸方向一致,湖积物覆盖区等高线向西南方向突出,与DFS延伸方向相反,900m等高线形成两个封闭的环形区域,与西居延海和古居延泽范围大致相同(图2(a))。各横剖面线等高线形态特征相似,可能是区内古代湖泊造成的。图2(b)和(c)表明,各剖面线地形起伏特征与坡度特征基本一致,除斜穿剖面线e-g的长条形区域外,其余坡度和地表起伏较大的区域可能存在湖泊、残丘和沙地。各剖面线坡度统计表明:纵剖面坡度的均值与DFS平均坡度相近,但中位数和标准差低于整个DFS(坡度中位数0.788°,标准差0.934);横剖面a、d坡度波动明显,横剖面d、e、g的均值与整个DFS坡度接近。综上所述,DFS中部坡度较低且没有较大波动,但有陡坡出现,而DFS的边缘区域特别是起点处存在较大的坡度波动。坡度是构造活动的一种表现[29],因此黑河DFS的坡度特征可能与DFS边缘和内部的构造有关。

图2 黑河DFS整体地貌特征

利用10期遥感影像研究1973年以来黑河DFS的形状变化特征,并计算DFS的面积。结果表明:1986年DFS面积最大,1973年DFS面积最小(图3),且各期影像解译的面积误差与提取的DFS面积之比小于1.4/1000。不同时期DFS边界的西侧和南侧重合度很高,东北部重合度较低(可能是东北部的巴丹吉林沙漠吞噬造成的),而 DFS内部河道没有明显的改道、侧向迁移和截弯取直现象,说明1973年以来黑河DFS的边界和河床是稳定的,黑河DFS没有向前推进或横向扩张。然而,与稳定的边界和河床不同,DFS内的河流水量和湖泊面积是不稳定的,具体表现为不同时期湖泊水体面积差距较大(图3),湖泊水体面积最小时(2002年)仅为面积最大时(1990年)的26%。湖泊水体面积的变化不是湖盆扩张或收缩造成的,而是与气候和黑河径流量有关,如2000年前湖泊水体主要靠降水补给,水体面积较大,而2000年后降水量减少且蒸发较强[30],湖泊萎缩甚至干涸,面积达到最小值。黑河统一调水后,黑河水先后进入东、西居延海[19],湖泊水体逐渐恢复,水体面积与正义峡径流的变化趋势基本一致。

图3 黑河DFS时间变化特征

3.2 分区地貌特征

为进一步研究黑河DFS的形成机制、地貌特征和水系分布,将研究区分为近端、中部和远端(图4(a))。黑河自DFS端点至狼心山经历了低弯度曲流河向辫状河的转化,以狼心山为界,黑河分为东河和西河,在东河和西河的两侧出现了大量放射状的古河道,这些古河道使黑河DFS横向延伸且宽度增加。狼心山以南为DFS近端,狼心山以北为DFS中部。东河和西河在950m等高线以北各自形成汇入湖泊的放射状分流河道,中部发育的大部分古河道在950m等高线附近不再向北延伸,故以950m等高线划分DFS中部和DFS远端。

图4 黑河DFS分区地貌特征

近端呈喇叭形,面积约0.517×104km2,平均海拔1 126.824m,平均坡度0.974°。黑河DFS在近端发生了曲流河向辫状河的转化,曲流河长约12.76 km,弯度指数小于2;辫状河长约170.35 km,汊道发育,丰水期河水可没过心滩。近端发育中海拔河流阶地、中海拔洪积高平原等14种地貌类型,河流和洪水塑造了堆积地貌,在河流阶地上发育有已经干涸的古河道。风力起到了侵蚀和堆积作用,黑河干流西侧新月形沙丘说明近端区盛行西风,沙地的物源区可能是西侧的阿拉善戈壁,同时东侧的巴丹吉林沙漠可能会侵蚀近端。近端西侧乳白色沉积物为盐湖平原,以西有冲沟和干枯河道汇入,在河西新湖周围有小面积的湖积平原,而河漫滩上发育的湖泊周围无明显湖积物痕迹(图5(a))。

图5 黑河DFS分区地貌类型

中部面积1.741×104km2,平均海拔999.534m,海拔跨度超过400m,平均坡度约0.947°。中部主要地貌类型为冲积平原、洪积平原和沙地。黑河DFS在中部分成东河和西河,两河的夹角约60°,沉积物和水流的相互作用形成了与河流延伸方向一致的小型纵向沙坝,东河支流数量、河漫滩和河流阶地面积均小于西河。中部广阔的冲洪积平原上发育有众多放射状的曲流河或辫状河古河道,分流河道间有冲沟,由于风的堆积作用,古河道的边滩和心滩边界模糊。中部的西北部和东部存在已经干涸的中更新世湖泊,东南部存在已经干涸的全新世湖泊(古日乃湖),从遥感影像上很难识别古日乃湖的边界。现今古代湖泊基本被沙地覆盖,只在表面发育有冲沟和古河道。由于研究区盛行西风,因此中部沙地的物源来自东部巴丹吉林沙漠的可能性较小。中部南部的残丘相对高度大于西北部,与近端的基岩残丘类型一致(图5(b))。

远端面积约0.720×104km2,平均海拔922.60 m,平均坡度0.989°,主要地貌类型有湖积冲积平原、湖积平原和湖积台地。全新世远端北部的众多黑河尾闾湖泊曾是相连的大湖,西居延海、东居延海和古居延泽曾为相连的古大湖,最大湖泊面积可能超过6 000 km2,边界与927 m等高线相近。东河在远端发育了规模很大的分流河道,形成了额济纳绿洲,众多水上分流河道或汇入东居延海或自然消亡,分流河道间有湿地,靠近湖泊的三角洲平原亚相受湖泊和风改造。西河分流河道较少,心滩十分发育且分流河道周围植被稀疏,受风力侵蚀的痕迹较为明显。西居延海面积远大于东居延海,现今水量很小且湖水含盐,湖盆内可见泥裂,湖堤保存较好,湖盆周围亦存在面积较大的全新世湖积物。高水位期湖水淹没了部分放射状河道,扩大了湖积物覆盖范围,与河水共同塑造了冲积湖积平原等地貌。随着气候变干和上游来水量减少,大湖分裂为东居延海和西居延海等面积不等的湖泊,部分水下三角洲出露地表。随着水体继续减少,湖底干涸,甚至成为沙地。西居延海西南侧存在5～6个完全干涸的古代湖泊,北部有古河道入湖,发育小型三角洲。古居延泽周围,特别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链明显,沙地中古河道隐约可见(图5(c))。

近端、中部和远端均有流水、沙地和干燥剥蚀等地貌,地貌发育的环境较为干燥,有利于风积物堆积,但地貌外营力和地貌类型具有较大差异(表2)。

近端干燥剥蚀地貌最为发育,固定和半固定沙地不发育;中部地貌外营力最丰富,冲积物和冲洪积物的覆盖范围最广,沙地类型丰富,残丘数量多;远端风积地貌和湖积地貌占比最大,出现如冲积湖积平原等多营力共同塑造的地貌,众多三角洲沉积亦受风力作用改造。分类统计研究区的高程和坡度数据(图4(b)和(c)),发现近端和远端的高程变化范围较小,而中部覆盖了900 m以上的所有类别;图4(c)中远端平均坡度最大,而中部平均坡度最小,说明湖积物和风积物覆盖区不及冲积物和冲洪积物覆盖区平缓。对比近端、中部和远端的地貌特征,可以确定自近端至远端,河流水动力逐渐减弱,但河道(包括古河道)的规模先扩张后缩小。近端、中部和远端可容纳空间大小为近端<远端<中部,沉积物供给量为近端>中部>远端,且三者之间可容纳空间之差大于沉积物供给量之差,因此自近端至远端,A/S值(可容纳空间/沉积物供给)先增加后减小。

4 黑河DFS控制因素和沉积模式

4.1 黑河DFS演化的控制因素

DFS的演化受控于流域、构造、气候以及在多种因素影响下的径流变化[7]。流域特征决定了物源区沉积物的性质与总量、沉积物搬运的难易程度以及DFS形成过程中沉积物与汇水区基底的相互作用;构造塑造了流域盆地的形态,与盆地的可容纳空间直接相关,也影响着汇水区的形态和体积,同时改变河流在汇水区的动力条件和DFS的展布形状。物源区和汇水区的气候变化可能造成DFS形态改变,甚至导致DFS由加积状态变为侵蚀状态,如整个流域的干旱会促使DFS表面放射性河道废弃,抑制DFS的横向扩张,而气候波动带来的洪水发生频率和强弱变化也直接影响着DFS的横向发展。DFS形成后径流的变化影响着DFS的沉积方向、搬运距离和分选变化,进而逐渐改变DFS的几何形态。

黑河DFS的物源区为黑河干流的上游和中游(以下简称黑河上游、黑河中游)。黑河上游位于祁连山区,夷平面以下(图6(c))属于地貌演化的壮年期(0.35

图6 黑河DFS的控制因素

近端所在的金塔-鼎新盆地和中部、远端所在的额济纳盆地为DFS沉积提供了广阔的场所,且盆地边缘和内部的构造控制了黑河DFS的形态。近端东侧的长断裂抑制了近端向东扩张,近端西侧的前中生界地层隆起形成的小型断层限制了近端向西扩张。近端河流沿线的断层(图6)可能阻挡河流向东游荡从而造成河流偏向近端西侧。起点附近河流并未完全摆脱山体束缚,发育有与上游相似的曲流河,河流向下游不再有山体约束,干旱的气候和稀疏的植被有利于河流向辫状河转化,近端较小的河流宽度又降低了近端发育多条辫状河道或辫状河道自由迁移的可能性,河流表现为单一曲-辫转化。额济纳盆地边界的中型断层则控制了中部和远端的形态,其中东侧断层阻挡了一部分风沙向东运动,有利于风积物在DFS表面保存。在DFS内部,古日乃湖西侧的断裂与盆地边缘的断层共同控制了古代湖泊的形态,这条断裂既是湖积物覆盖区和冲洪积平原的边界,也可能是DFS横剖面没有呈上凸形的主要原因。DFS西北部斜穿中部和远端的长断裂可能是这一区域坡度和地表起伏度高于周围区域的原因,而DFS内部的几条与河流延伸方向接近平行的隆起或断裂[35]一定程度上影响了横剖面的形态(图6(a))。如图6(a)所示的几条断裂和隆起均不明显,且没有观察到研究区内有其他明显断裂,整个DFS又属于地质灾害的轻度发育区(图6(c))和地貌活动的老年期(HI=0.27),近几十年构造活动不强烈。

黑河DFS几乎是黑河流域最温暖的地区,但多年平均气温不超过15℃(图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发量南低北高,南部蒸发量为2 000～2 400 mm,北部超过2 400 mm,属于我国的干旱区。DFS中部和远端所在的额济纳旗,起沙风集中在3～6月[36],降水集中在7～9月,被吹起的颗粒不容易被降水打湿并回到地表。因此气候条件有利于黑河DFS的保存、风力作用对DFS的改造和风成沙地发育,抑制了DFS表面的化学风化和生物风化,却促进了物理风化。这种气候下,突发性强降水会对DFS产生重要影响,而远端土壤含水量(8.4%)略低于近端(8.8%)也是气候条件造成的。

当DFS径流突增时,洪水扩大冲洪积平原面积,造成河流改道和DFS几何形状与地貌类型改变,增进了河流沉积的复杂性,如中部大量干涸的放射状古河道说明第四纪黑河下游是频繁改道的。中部和远端的东部,古河道流经区域颜色较周围深,而西部颜色变化不明显,表明上更新世河流和洪水运动并不是覆盖整个DFS,西侧河流和洪水的活动范围可能更大。中部坡度变缓,产流减少,河流水动力变弱,部分放射状的古河道变为曲流河,但在坡度较大的区域,辫状河仍可保持原有形态,因此中部的河流沉积具有复杂的放射状曲辫共存特征。远端河流水量继续减少,蒸发量和风力侵蚀增加,放射状河道在自然状态下容易萎缩甚至消亡,难以全部汇入终端湖泊,河流沉积出现萎缩曲辫共存的现象。目前,黑河流域的径流处在近2 000年来的较低水平[37],黑河DFS平均径流深度不足5 mm,狼心山下泄水量约为正义峡下泄水量的二分之一,近端径流损耗严重;狼心山以下几乎不产流且中部坡度减小,造成水动力减弱,导致河流携带泥沙沉积的范围没有继续向前扩大,河流断流常见。加之黑河DFS地层富水程度较差,地下水不能很好地补给径流,DFS内河流水量减弱会缩短泥沙搬运的距离,导致近端沉积物粒度变粗,使得近端、中部和远端的A/S值变化。

上述分析表明,黑河DFS物源区的构造活动对黑河DFS影响较弱,而气候和径流条件有利于DFS前积。其中黑河上游的气候和径流条件、中游的气候条件与整个物源区相一致,中游径流条件与整个物源区不一致。DFS所在沉积盆地边缘和内部的构造控制了DFS的形态,DFS内的气候和径流则不利于DFS扩张。若不考虑人类活动的影响[38-40],构造控制了黑河DFS形态,气候和径流控制了黑河DFS演化。近五十年来黑河DFS保持稳定是稳定的构造、干旱的气候、水少沙多及分配不均的径流共同作用的结果。

4.2 黑河DFS沉积模式

黑河DFS形成于第四纪,是由河流和洪水搬运作用共同形成的,堆积的冲积物和冲洪积物形成了冲积平原和冲洪积平原,一部分冲洪积物经过了风的改造,发生物理风化或其表面有风积物覆盖。上更新统的冲洪积物形成的冲洪积平原其部分区域又经过干燥剥蚀作用,成为干燥剥蚀高平原或台地。近一万年以来,黑河DFS以河流的搬运和沉积作用为主,东河、西河形成以后带来的冲积物塑造了河漫滩、河流阶地和冲积平原等地貌。在部分湖泊存在的区域,湖泊成为主要的地貌营力,湖泊干涸后部分湖积物表面覆盖了全新世风积物,形成了各种类型的沙地。若以土壤质地近似替代表层沉积物粒度,存在冲积物<洪积物<风积物的现象,其结论与土壤中砾石含量一致。

黑河DFS最大半径为310 km,高度差与半径之比为0.001 5(约0.087°),依据扇体规模和气候,确定黑河DFS是干旱气候下形成的巨型扇,并建立黑河DFS沉积模式(图7):黑河DFS由近端、中部和远端三部分组成;近端(DFS延伸长度的50%)主体为受构造限制的冲积平原和冲洪积平原,主要沉积动力为河流和洪水;中部(DFS延伸长度的25%)主体为河流和洪水形成的冲积平原和冲洪积平原,主要沉积动力为河流、洪水、湖泊和风;远端(DFS延伸长度的25%)主体为DFS终端湖泊以及河流、洪水、湖泊堆积作用形成的泛滥平原、台地,主要沉积动力为河流、湖泊、风和洪水。DFS自近端至远端,A/S值先增加后减少,反映了DFS所在沉积盆地的空间形态和DFS沉积物的供给量变化。DFS顺物源方向的河流转化模式依次为单一曲-辫转化、复杂放射状曲辫共存和萎缩的放射状曲辫共存,这也是DFS内河流水动力逐渐减弱的体现。

图7 黑河DFS的沉积模式

5 结 论

1) 黑河DFS面积约3.01×104km2,最大半径超过300 km,扇顶角约71.02°,平均高程约1 004 m,平均坡度为0.96°,平均地表起伏度2.73。高程纵剖面呈直线形,横剖面呈中西部上凸形和东部下凹形,近五十年来黑河DFS的边界、河道位置和冲积物覆盖区范围变化不大。

2) 根据地貌、沉积和水系等特征,将黑河DFS划分为近端、中部、远端3部分和30种地貌类型。DFS宏观地貌的发育环境较为干燥,有利于风积地貌保存,平均海拔近端>中部>远端,平均坡度近端>远端>中部。近端、中部和远端均发育有河漫滩和河流阶地,中部干燥剥蚀地貌面积最大、冲洪积平原范围最广和沙地类型最丰富,远端风积地貌、湖积地貌占比最高,而单纯的冲积和冲洪积平原占比降低。

3) 黑河DFS形态受构造约束,物源区和DFS内的气候、径流条件是DFS演化的主要控制因素,近五十年来,黑河DFS保持稳定是构造、气候、径流共同作用的结果。

4) 黑河DFS是第四纪干旱气候下形成的巨型扇:主要沉积动力为河流、洪水、湖泊和风;近端和中部主体为冲积平原和冲洪积平原,远端主体为泛滥平原和DFS终端湖泊;顺物源方向河流沉积模式依次为单一曲-辫转换、复杂放射状曲辫共存和萎缩的放射状曲辫共存。