河流砾-砂过渡带位置变化的控制因素及其指示意义_施一凡.pdf

第 卷第期 年月地 球 科 学 与 环 境 学 报 施一凡，李超，王平，等 河流砾砂过渡带位置变化的控制因素及其指示意义地球科学与环境学报，（）：，（）：收稿日期：；修回日期：投稿网址：基金项目：国家自然科学基金项目（，）；河海大学中央高校基本科研业务费专项资金项目（）作者简介：施一凡（），男，江苏南通人，理学硕士研究生，：。通讯作者：李超（），男，安徽淮南人，讲师，理学博士，：。：河流砾砂过渡带位置变化的控制因素及其指示意义施一凡，李超，王平，刘晓波，饶文波（河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京 ；南京师范大学 地理科学学院，江苏 南京 ；长安大学 地球科学与资源学院，陕西 西安 ）摘要：河流自山区流至下游盆地过程中，当所搬运的碎屑物在磨损和分选作用下逐步变细至中粗卵砾尺度时，河床沉积在一段相对短的距离内从砾石迅速转变为砂，这一粒度陡变的河段被称为砾砂过渡带（，）。河流砾砂过渡带现象具有时间和空间的普遍性。砾砂过渡带被埋藏在地层中成为砾岩砂岩过渡带，沉积盆地充填碎屑中的砾岩砂岩过渡带的位置变化所反映的砾砂过渡带时空演化历史对区域构造与气候变化有明确的指示意义。基于已有文献，对地质演化时间尺度下砾砂过渡带的位置变化控制因素及其地质指示意义进行梳理和展望。对世界范围沉积盆地内砾砂过渡带时空演化历史的重建表明，盆地沉降速率、沉积物供给量与供给沉积物初始粒度分布是控制砾砂过渡带在盆地内相对位置的主要因素，且不同盆山关系下砾砂过渡带空间变化具有不同的地质意义。盆山相对位置固定背景下，盆地沉积序列内砾砂过渡带在垂直造山带方向上的水平迁移反映山脉隆升等构造活动或气候变化引起的盆地沉降速率、沉积物供给量变化；盆山相对汇聚背景下，前陆盆地内砾砂过渡带向前陆方向的持续迁移反映盆地基底与造山带之间的汇聚过程，砾砂过渡带迁移速率是约束地壳缩短速率的有效指标。关键词：沉积学；砾砂过渡带；盆山关系；前陆盆地；构造演化；气候变化；河流沉积；粒度中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，（），：；引言发育自山区的河流流经下游宽阔盆地时，所搬运的碎屑物在磨损和分选作用下逐步变细，当沉积物减小到中粗卵砾级别（粒度为 ）时，会在相对短距离内快速转变为极粗砂（），这种粒度突变现象出现的河段被称为砾砂过渡带（，）。砾砂过渡带最早由 在研究日本中部条河流纵向粒度变化时所发现，之后这一现象在世界范围内的其他现代河流沉积中被广泛发现，具有空间和时间尺度的普遍性。在沉积盆地的地层记录中，粒度变化是最容易识别的物理岩性特征之一。近 年来，地质学家通过对沉积地层中沉积物粒度测量识别出等时的砾岩砂岩过渡带，具有与现代河床沉积砾砂过渡带相似的特征，被认为是地质历史时期的古砾砂过渡带被埋藏后形成的。基于重建的中印国界上喜马拉雅山南侧恒河前陆盆地、西班牙比利牛斯山南侧盆地古砾砂过渡带时空演化历史，砾砂过渡带在沉积盆地中的位置被认为主要受盆山相对位置、物源区构造与气候变化控制的盆地沉降、河流沉积 物 供 给 和 物 源 沉 积 物 粒 度 分 布 等 因 素 的 影响，。近年来，通过重建沉积盆地地层记录的古砾砂过渡带时空演化，反演盆地沉降与沉积物供给的变化，反映区域构造和气候变化历史，已成为基于盆地沉积标志揭示盆地地质演化的重要方法。本文基于已有文献对河流砾砂过渡带的基本特征、地质演化时间尺度下控制沉积盆地内砾砂过渡带位置变化的主要因素以及砾砂过渡带位置变化的指示意义进行梳理和回顾，重点阐述了在盆山相对位置固定与盆山相对汇聚的不同构造背景下，砾砂过渡带位置变化历史代表的不同构造与气候的指示意义，旨在促进其在物源分析、构造反演与古气候恢复等领域的应用。河流砾砂过渡带基本特征河流从地势较陡的山区向广阔的平原搬运沉积物时，河床沉积物粒度会向下游逐步变细（图），沉积物粒度根据 定律呈指数式下降，即 ，其中，为粒度下降的速率系数，为特征粒径（如中值粒径），为该特征粒径的初始值，为下游距离。砾砂过渡带正是这种规律控制下河床沉积物粒度向下游发生突变的现象，粒度分布在砾砂过渡带处经历了从单峰砾石到双峰砾、砂，再到单峰砂的变化过程。河床沉积粒度的快速变化引起河流沉积物运输方式的转变，从砾砂过渡带上游由冲刷机制主导转变为砾砂过渡带下游以悬移机制为主。砾砂过渡带上、下游粒度差异也导致河床稳定性的变化，从相对固定的、陡峭的砾石床河道，到低坡度、相对流动的砂床河道。由于砾砂过渡带下游河床稳定性与冲刷机制的变化，小型河流的砾砂过渡带对应辫状河沉积与曲流河沉积两种不同沉积环境的界线（图）。河流砾砂过渡带的形成机制被认为既与河流第期施一凡，等：河流砾砂过渡带位置变化的控制因素及其指示意义下方小图指示不同沉积物粒度变化；图件引自文献，有所修改图河流砾砂过渡带上、下游河道形态及沉积物粒度变化示意图 自身稳定发生的 粒度范围的河床物质缺乏有关，也与外部水力条件或沉积供应的改变有关，。其中，强调磨损的假说认为：一些流量较大（）的大中型河流中的基岩物质在搬运过程中易破碎，特别是粒径在，并产生大量砂级的磨损产物；随着河流向下游进入低能环境，悬浮携带的砂在某个时刻由于无法继续被搬运而大量沉积，完成砾砂过渡。强调磨损的假说很好地解释了河床物质粒径空缺存在于 的原因。而关注砾砂过渡带与河道地形变化关系的研究者认为外力导致的坡折是砾砂过渡带形成的主要因素。由外力回水（）或构造作用 诱发的坡折，导致局部基准面改变，水面比降降低，河流搬运能力下降，碎屑物质选择性沉积来减小粒度，其结果是大量砂被运往下游，河流在短距离内转变为完全的砂层，粒度发生突变，形成砾砂过渡带。除磨损与坡折外，少数河流的砾砂过渡带是与河流支流或人为因素带入的大量横向输入的沉积物有关。自然条件下，河流砾砂过渡带会出现在外部施加回水效应、上游砾石供应耗尽的河段。对于无支流汇入的中小型河流，这一位置对应于冲积扇前缘与冲积平原的过渡区域。在人类历史叙事的时间尺度（年），砾砂过渡带的位置相对稳定，但在地质演化的时间尺度（年），构造活动、气候变化会引起沉积盆地内砾砂过渡带的相对位置发生变化，。砾砂过渡带位置变化的控制因素在世界各地的现代河流沉积砾砂过渡带被广泛报道后 ，地质学家发现在全球范围内多个大型盆地的沉积地层内存在等时的砾岩砂岩过渡的粒度突变现象，其被认为是河流沉积砾砂过渡带被埋藏压实固结后的产物，反映河流砾砂过渡带在时间尺度上的普遍性。河流砾砂过渡带在时间尺度上的普遍性使得沉积盆地内充填碎屑保存的砾岩砂岩过渡带相对盆地基底的位置变化能够记录古砾砂过渡带的时空演化历史，并可能基于砾砂过渡带的演化指示区域构造历史与古气候变化。为探究地质演化的时间尺度（年）下沉积盆地内砾砂过渡带相对位置的控制因素，地质学家重建了比利牛斯山南侧 盆地、喜马拉雅山南侧恒河前陆盆地、天山北侧准噶尔前陆盆地砾砂过渡带在地质历史时期的空间演化历史。这些研究实例反映盆地沉降速率、沉积物供给量和供给沉积物初始粒度分布是控制砾砂过渡带相对盆地基底位置变化的主要因素。这些因素都由盆地相邻造山带的构造与气候变化的相互作用决定，。基于自相似原理数值模型 与非 线性扩散数值模型 的模拟结果佐证了盆地沉降、沉积物通量与碎屑物的初始粒度分布直接控制砾砂过渡带的空间演化。盆地沉降速率盆地构造沉降的幅度和波长共同影响砾砂过渡带的位置。其中，盆地边缘快速隆升的造山带构造荷载施加于刚性较弱的岩石圈或强烈的裂谷作用会引起短波长高幅度的盆地沉降，导致汇入盆地的河流沉积具有较大向下游的细化率，使砾砂过渡带更靠近上游山区；而隆升缓慢的造山带构造荷载施加于刚性较强的岩石圈或活动速率较慢的裂谷会引起长波长低幅度的盆地沉降，导致较小向下游的细化率，使砾砂过渡带更靠近下游盆地内部 图、（）。短波长高幅度的盆地沉降使得从山区至盆地的河流地形纵剖面的坡度降低，河流不得不减少搬运荷载来降低河道比降，河流搬运能力下降，推移质沉积得到加强，从而使得砾石快速沉积，砾砂过渡带向源区山脉移动，反之亦然。因此，沉降速率的长 期 模 式 是 砾砂 过 渡 带 迁 移 的 主 要 控 制 因素。地球科学与环境学报 年为振幅；为波长；图（）引自文献，有所修改图盆地沉降波长与幅度影响砾砂过渡带位置变化示意图 喜马拉雅山南侧恒河前陆盆地的东部沉降速度更快，向西逐渐减小，盆地东、西部河流砾砂过渡带的相对位置有效反映了盆地东、西部沉降模式的差异。等研究认为在盆地东部更高的沉降速率会导致河流具有更大的地形梯度，沉积物粒度向下游变细的速率更大，砾砂过渡带更靠近喜马拉雅山麓；而在西部更小的沉降速率会导致河流纵剖面的地形梯度小，沉积物变细的速率更小，砾砂过渡带更远离山脉（图）。基于自相似原理数值模型的模拟结果反映波长越小、幅度越大的盆地沉降会导致沉 积 物 平 均 粒 度 向 下 游 变 细 得 越 快 图（），模拟结果支持了在喜马拉雅山南侧观察到的盆地沉降对砾砂过渡带相对位置的控制。沉积物供给量源汇系统中河流沉积物供给量的变化是驱动地质演化时间尺度砾砂过渡带位置变化的另一重要因素，。研究者使用基于自相似原理数值模型模拟河流沉积过程获得沉积物供给量如何在 年的时间尺度上控制河流序列的粒度空间分布结果，这反映了沉积物供给量对砾石前缘（即砾砂过渡带位置）的控制关系。模拟结果显示，当气候变化导致的降水量翻倍，引起源汇系统中沉积物供第期施一凡，等：河流砾砂过渡带位置变化的控制因素及其指示意义图（）线条从里往外表示由短波长高振幅到长波长低振幅；表示由于盆地面积与构造沉降产生的沉积物可容纳空间的比率；图件引自文献 ，有所修改图自相似原理数值模型模拟的两种对盆地源汇系统纵剖面粒度的控制因素 给量增加时，汇水区的冲积扇长度会迅速增加，位于冲积扇前缘的砾砂过渡带向盆地内部迁移。在此过程中，沉积物供给量的增加引起河流坡度减小，连续的粒度细化率减小，最终导致砾砂过渡带位置发生变化 。使用非线性扩散数值模型模拟源汇系统中沉积物输入对粒度细化率的影响，也反映当沉积物供给量与盆地沉降比例越小时，沉积物粒度细化率越大，即粒径大的沉积物沉积得越快，砾砂过渡带越靠近源区 图（）；相反地，当沉积物供给量与盆地沉降比例越大，沉积物的粒度细化率越小，即粒径大的沉积物沉积得越慢，砾砂过渡带越远离源区。因此，在地质演化的时间尺度上，当造山带构造活动速率或气候变化导致河流系统的沉积物供给量增加时，河流砾砂过渡带在盆地中的相对位置会向河流下游迁移；反之，当造山带构造活动速率或气候变化导致河流系统的沉积物供给量减少时，河流砾砂过渡带在盆地中的相对位置会向河流上游迁移。在研究实例中，由于沉积物供给量增加通常由气候变化引起，具有短期性、间接性，所以沉积物供给对砾砂过渡带位置的影响常呈现出非线性的特征 。在比利牛斯山脉 盆地的上始新世地层 冲积扇沉积内两个等时界面的粒度空间分布详细测量反映，构造活动引起物源区变化导致的沉积物供给增加会造成冲积扇长度增加，引起砾砂过渡带向下游迁移。在 的比利牛斯山南侧，一次强烈逆冲活动和快速隆升导致 盆地沉积物供给量增加超过，同时期 冲积扇向盆地内部进积，对应于较小的粒度细化率时期，砾砂过渡带向盆地内部迁移约 ，而在逆冲活动停止后，沉积物供给量减少，冲积扇向山脉方向退积，对应于较大的粒度细化率时期，砾砂过渡带向山脉迁移。相似地，喜马拉雅山南侧恒河前陆盆地 地层记录了砾石楔向盆地内部脉冲式的进积旋回，即砾砂过渡带向盆地内部的迁移，是由源自盆地北缘喜马拉雅山脉的 和 河砾石供给量在全新世晚期和早期的变化驱动的。在印度西北部的 序列中观察到的砾岩层也是这种现象的例证，即主边界逆冲断层的启动导致了局部的砾石供给量增加，从而使砾石前缘进一步向盆地推进。供给沉积物初始粒度分布提高源汇系统中供给河流的初始碎屑物中粗碎屑的比例，会使系统内河流砾砂过渡带向下游迁移；反之，降低源汇系统中供给河流的初始碎屑物中粗碎屑的比例，会使系统内河流砾砂过渡带向上游迁移。在研究实例中，供给沉积物初始粒度的变化通常是由气候变化或突发构造活动改变河流物源区的面积、岩性或位置引起的。例如，新疆天山北麓的准噶尔南部前