分支河流體系分類初探

張昌民，張祥輝，Adrian J.Hartley，馮文杰，尹太舉，尹艷樹，朱 銳

（1.長江大學地球科學學院，武漢 430100；2.阿伯丁大學地球科學學院，英國阿伯丁AB24 3UE）

0 引言

相模式是儲層沉積學研究的基石，儲層沉積學的發展依賴于沉積相模式的不斷創新，而相模式創新來源于對現代沉積環境的觀察和古代沉積記錄的解剖［1］。Hartley 等［2］和Weissmann 等［3-4］通過對現代陸相沉積盆地的分析，提出了分支河流體系（Distributive fluvial system，以下簡稱DFS）的概念，認為DFS 是河流從一頂點進入盆地并呈放射狀展布的河道體系，陸相盆地的河流沉積絕大部分屬于分支河流體系沉積，為陸相盆地沉積模式研究帶來了新的視點，同時也引起了河流沉積學界的熱烈討論。十多年來，國內外學者圍繞DFS 開展了大量現代沉積調查、露頭考察、沉積模擬實驗和地下地質研究［5-6］，從地貌形態、水動力過程、沉積物粒度特征、沉積微相類型、相帶分布，砂體形態等方面研究DFS 的特征［7-8］，研究內容涉及全球范圍的DFS 分布，盆地規模的DFS 形態與分布，單個DFS 的沉積環境和沉積相特征以及DFS 內部的河道結構、沉積序列和沉積物特征等不同層次，大大推進了DFS 研究［9-10］。然而，DFS 廣泛發育于不同類型的陸相沉積盆地，DFS 表面發育各種河型，河道演變規律復雜，沉積環境與微相種類眾多，規模變化大，DFS 半徑跨度大，從小于1 km 到大于700 km 都有分布；形態類型各異，有近乎規則的扇形，也有葫蘆形、長條形等形狀［11-12］；沉積物粒度、成分和結構復雜。學者們對DFS 中的沖積扇進行了深入的分類研究，但對河流扇、巨型扇以及末端扇等缺乏系統分類。一些學者將DFS 理解為一種新的河道類型，也有學者認為DFS 與已有的沖積扇和河流扇內涵重復［13-14］。整體而言，學者們認可了DFS 的潛在學術研究價值，但受困于DFS 地貌學和沉積學特征的可變性，在缺乏DFS 分類模式的條件下，無法在地下地質和露頭研究中識別和描述DFS 的沉積特征及其分布特征。

在對DFS 研究進展進行充分調查分析的基礎上，介紹DFS 的地貌學特征和主要分類，分析各類DFS 的沉積特征及其差異性，并探討DFS 分類方案及其形成和發育的控制因素，以期對其概念的內涵做進一步解釋，改進現有的分類方案，為預測DFS的形成和分布提供理論依據。

1 DFS 地貌特征

為了確定某特定河段河道的平面形態，河流沉積學常按照河道的分汊性和彎曲度對河流進行分類［15-16］。然而，一條河流從源頭到其尾閭的河道類型是不斷變化的，順直河、曲流河、辮狀河和網狀河等術語都是針對某一特定的河段而言。一條河流不可能全程發育同一類型河道，即使有極少數小型河流以某種河型為主，但不同河段河道的幾何形態參數也不相同。將DFS 理解為是一種新的河道類型或者新的沉積相類型是對這一沉積體系最為常見的誤解。DFS 雖然是以河流為主導，但并非河型分類（順直河、曲流河、辮狀河和網狀河）中的任何一種，也不是一條河、一段河道，而是指河流從某一頂點分散之后形成的所有河道及河道間泛濫平原的統稱［2-4］，是指一系列有頭有尾的河道構成的相互關聯的河道網絡體系，既發育有河道，也發育河道間泛濫平原，既發育有辮狀河道，也可能發育曲流河等其他類型河道。DFS 具有從頂點呈放射狀展布、多種河型共同發育、河道幾何形態變化大以及沉積體系復雜的地貌特征，這些共同決定了DFS 不是一種新的河道類型，而是一個多種類型河道的集合，同時也決定了其特殊的沉積相組合和沉積學識別標志。

1.1 水系網絡從一點呈放射狀展布

DFS 在地貌上表現為從頂點呈放射狀展布的河流體系，主要特征包括：①沖積體系在無邊界限制的地區往盆地中心方向進積。②河道從沖積體系的頂點向下游方向呈放射狀展布。③沉積體系橫向上呈上凸狀、縱向上呈下凹狀。④發育一個頂點，在頂點之上河流在下切谷內流動，節點之下河流在沉積朵體上流動。DFS 水系網絡與物源區的匯流體系明顯不同，DFS 水系網絡是從一點呈放射狀分布，向下游分汊，橫向上朝不受DFS 匯入限制的地區擴張，終止于干鹽湖或湖泊；匯流體系則是從不同的分支河道匯合到一點，匯入點在河谷中，向下游流量增加、河道變寬，小河流和支流對泛濫平原進行改造，在主河道附近暫時沉積細粒物質，由于處于侵蝕體系中保存潛力有限（圖1）。

圖1 分支河流體系（a）與匯流體系（b）的水系結構特征（據文獻［3］修改）Fig.1 Differences between distributive fluvial systems（a）and tributary fluvial systems（b）

1.2 多種河型共同發育

從整體上觀察發現，有些DFS 體系可能整體以曲流河或者辮狀河為主，還有些DFS 體系中河道從頂點向下游逐漸從辮狀河演變為曲流河。不同類型的河道在一些大型DFS 體系共生共存，如在雅魯藏布江下游布拉馬普特拉河，多種河型共同發育的現象十分普遍，在同一河段可觀察到曲流河的點壩、辮狀河的心灘和網狀河的江心洲（圖2）。

圖2 雅魯藏布江下游布拉馬普特拉河發育曲流河、辮狀河和網狀河等多種河道Fig.2 Rivers channel including meandering channel，braided channel and anastomosing channel developed in Brahmaputra River at the downstream of Yarlung Tsangpo River

1.3 河道幾何形態變化大

自然界既發育有長度小于1 m 的微型DFS，也有長達100 km 以上的DFS，發育在南美查科平原上的DFS 半徑（指從頂點到其末端的距離）超過700 km。DFS 中河道的幾何形態變化很大，受河道分汊、地面滲濾和蒸發的影響，從頂點開始往下游發生有規律的演變，即河道的規模向下游逐漸減小，一般表現為隨著河床坡降的減小，河道彎曲度逐漸減小，河道寬度逐漸變小，分汊不斷增多，泛濫平原的面積比例不斷增加，沉積物總體粒度逐漸變小，河漫湖泊增多，湖泊、沼澤濕地的面積不斷增加［17-18］。

1.4 沉積體系復雜

DFS 的沉積環境包含河道和河道間區域，其河網體系和河道類型不斷變化的特征決定了其沉積水動力過程的復雜多變。常見的沉積水動力過程包括：①頂點的前移和后退；②河道的擺動和分汊；③河道的決口；④河道下切侵蝕；⑤河道廢棄和充填；⑥河道末端體系的形成；⑦泛濫平原湖泊和沼澤的形成與消亡等［19-21］。在復雜的沉積水動力作用下，DFS 沉積微相的多樣性十分突出，在其沉積序列中廣泛發育泥石流、河流、漫流、滑動、滑塌以及軟沉積物變形等形成的多種沉積物，發育小型湖泊三角洲、薄層湖相泥巖和碳酸鹽巖沉積，發育大量的風成和生物擾動沉積構造，發育多種古土壤層［22-24］。不同DFS 以及DFS 不同部位發育的沉積微相的類型及其對應的地層厚度、沉積物粒度、沉積構造類型、生物擾動和土壤化程度也千差萬別。如美國阿拉斯加坎寧河，以分汊的辮狀河道為主，發育3 個相帶，沉積物顆粒較粗，泛濫平原地區土壤排水良好，沙丘發育在DFS 末端（圖3a）；中國新疆葉爾羌河發育多條主干河道，發育4 個相帶，靠近頂端的2 個相帶發育辮狀河和低彎度曲流河，中部和遠端的2 個相帶以高彎曲流河為主，沙丘廣泛分布，牛軛湖和廢棄河道非常普遍（圖3b）；烏茲別克斯坦阿穆達利亞河以曲流河為主，活動河道帶發育在DFS的西側，4 個相帶皆以曲流河為主，大量發育廢棄河道、牛軛湖等［25］（圖3c）。因此，需要在對DFS 及其沉積特征進行分類的基礎上建立各類DFS 的沉積模式，實現對DFS 正確判別。

圖3 不同DFS 的河道形態及其沉積微相分布樣式（據文獻［25］修改）Fig.3 Channel morphology and sedimentary microfacies distribution of different types of DFS

此外，風成沉積物的堆積、植被的發育和動物的侵擾對DFS 沉積環境也有一定的改造作用，這些影響受氣候變化、地理位置、地貌條件的控制［26］。

2 DFS 主要類型

DFS 類型眾多，規模差異巨大，不同類型DFS既有其各自的地貌和沉積學特點，也有共同的特征。學者們從不同的視角對DFS 進行了歸類和分析，常見的類型包括河流扇、巨型扇、沖積扇和末端扇等，然而目前尚沒有關于河流扇和巨型扇分類的論述，其中研究最多、最為成熟的類型是沖積扇。

2.1 沖積扇（Alluvial Fan）

沖積扇地貌學和沉積學研究自1754 年Smith的研究開始［9］，此后不斷拓展。如Drew［27］對印度北部喜馬拉雅山麓沖積扇特征的研究成為沖積扇研究的經典；Harvey［28-30］在沖積扇地貌學領域做了大量基礎性的研究；Blair 等［31-36］研究了沖積扇沉積特征及其與河流沉積的差異，成為現代沖積扇沉積學研究的里程碑，同時揭開了河流扇和沖積扇差異研究的序幕，其觀點為大多數沉積學家認可。此外，還有一種觀點認為所有的DFS 都是沖積扇，簡單地用沖積扇的沉積模式來研究DFS 的沉積特征，而忽略了DFS 沉積體系的復雜性。

作為DFS 的一種類型，沖積扇因為發育大量的辮狀河道，具有DFS 的共性特征，其辮狀分流河道與辮狀河在沉積地貌、水動力條件和沉積特征等方面是相同的，如水系均呈放射狀分布，由出山口向盆地區河道規模不斷減小、沉積物不斷細化等［33，37-38］。然而，沖積扇發育泥石流、篩積和漫流沉積，有些沖積扇以泥石流和漫流等非河道沉積為主，而DFS 體系更加強調河流沉積的主導性，沖積扇也具有區別于其他類型DFS 的特殊性。因此，以河流作為主導還是以泥石流、漫流作為主導是對沖積扇進行進一步分類的重要標準（圖4）。

圖4 沖積扇的沉積模式（據文獻［31］修改）Fig.4 Sedimentary model of alluvial fans

Blair［33］認為沖積扇的扇體放射狀半徑從頂點開始一般延伸0.5～10.0 km，而河流的徑向長度可以超過1 000.0 km；沖積扇上辮狀河道從頂點呈放射狀發育，形成角度達到180°的弧形邊界，在坡度最陡的10 km 內地形高度差可達到200～3 000 m，而在河流體系最近端的10 km 內，其高度差遠小于70 m；沖積扇的地形坡度為1.5°～25.0°，最常見的坡度為2.0°～12.0°（也有人認為是1.0°～4.0°），而礫質河床和砂質河床近端部分的坡度極少超過0.4°，大型DFS 表面坡度一般小于0.5°［33-35］。此外，相較于河流，在沖積扇上非限制性水流更常見，臨界流和超臨界水流更發育，上面植被稀少，沉積物重力流發育，沉積物顆粒粒度更大。

20 世紀80 年代，Galloway 等［39］將沖積扇劃分為干扇（arid fan）和濕扇（wet fan），后來根據沖積扇上主要水動力機制進一步將其劃分為泥石流扇（debrisflow fan）、河流扇（stream-flow fan）和片流扇（sheetflood fan）（圖5）；Stanistreet 等［40］沒有考慮片流的作用，根據沖積扇上的河道類型以及泥石流的發育情況劃分出泥石流扇、辮狀河扇和低彎度曲流河扇3種，這一分類方案被廣泛應用于沖積扇研究中。

圖5 基于水動力方式的沖積扇分類（據文獻［39］修改）Fig.5 Classification of alluvial fans based on hydrodynamic force

2.2 巨型扇（Megafan）

巨型扇與河流巨型扇（fluvial megafan）具有相同的含義，這一術語最早出現在對印度北部的Kosi扇的研究中，研究者意識到長達60 km 的Kosi 扇的沉積特征與小型沖積扇存在巨大差異，因而將這類扇體稱為巨型扇［41-43］。巨型扇是由于河流體系側向擺動在山前形成的大型扇狀沉積體，其上游主水道一般被限制在峽谷中，在頂點以下河流可以0°～180°自由擺動，但實際上一般都達不到180°［41］，常見于陸相前陸盆地，河流從沖斷帶流出將沉積物卸載在廣闊而低洼的前陸盆地沖積平原上，容易形成半徑巨大的扇狀沉積體系。巨型扇是由大型河流沉積形成的，其地貌和沉積特征均呈現大型河流沉積的典型特征，以流水沉積相為主，缺乏泥石流沉積，在扇體外緣缺乏漫流沉積。

目前已經在世界各地發現大量現代和古代巨型扇沉積［9，14，17］，但學術界對巨型扇的研究尚處于實例描述階段，對其水動力機理及沉積特征的系統總結較少，且尚未形成統一的認識。主流觀點認為巨型扇地表坡度一般為0.01°～0.10°，沉積體系覆蓋面積達1 000～100 000km2［39，43］。以喜馬拉雅南坡一系列河流巨型扇為例，其面積為1 000～10 000km2，坡度一般為0.05°～0.18°，上游河道為礫質辮狀河或網狀河，下游河道演變為砂質辮狀河、曲流河和網狀河［44］（圖6）。此外，一些學者認為巨型扇的河道水流多為亞臨界流態，搬運的沉積物主要為砂質和泥質細粒沉積物，巨型扇的半徑大于100 km［2］。

圖6 喜馬拉雅山南坡巨型扇恒河扇平面形態（a）及沉積相帶分布（b）（據文獻［43］修改）Fig.6 Planar morphology（a）and sedimentary facies zones distribution（b）of megafan on the southern slope of Himalayas

2.3 河流扇（Fluvial Fan）

河流扇這一術語最早可追溯到Blair 等［31］對沖積扇和河流沉積體系差異性的研究，但他們并沒有明確提出河流扇的定義；Galloway 等［39］認為扇狀河流體系半徑大于10 km 就稱之為河流或者河流扇，其坡度小于或者遠小于1.0°（圖7）；Hartley 等［2，45］認為河流扇的規模處于沖積扇和巨型扇之間，其半徑為30～100 km，建議將沖積扇的半徑限定在20 km 以下，最大達到30 km，巨型扇的半徑大于100 km。文獻調研顯示，大型河流扇（large fluvial fan）［22］、大型沖積扇（large alluvial fan）、巨型扇（megafan）、濕地沖積扇（wet alluvial fan）、分流河道體系（fluvial distributary systems）以及分支河流體系（DFS）等術語［46］都曾被作為河流扇的同義詞使用。目前尚未確認使用河流扇一詞來研究分支河流體系的第一人，對河流扇的研究也較少，尚未發現對其幾何形態、水動力過程和沉積特征等方面的詳細描述。張元福等［14］對河流扇概念的形成進行了回顧，認為河流扇是從沖積扇研究中逐漸演化和分離出來的，說明了沖積扇與河流扇的關系密不可分。此外，還有一些學者片面地將河流扇作為DFS 的同義詞，這種觀點排除了沖積扇作為DFS 的內容。

圖7 沖積扇、河流和河流扇的坡度差異（據文獻［39］修改）Fig.7 Differences in gradient among alluvial fans，fluvial fans and rivers

2.4 末端扇（Terminal Fan）

末端扇是指在干旱—半干旱環境下，河流末端流量減少，地形坡度逐漸變小，流速驟減，水流向四周散開，鄰近補給水道逐漸變遷變寬直至消失，沉積物呈片狀大量堆積形成的扇狀堆積體［47-49］。Mukerji［50-51］和Friend［52］最先提出了末端扇的概念；Parkash 等［53］對印度馬坎達河地區末端扇的形成及其沉積過程做了詳細描述；Kelly 等［54］提出了末端扇的相模式；張曉華等［55］認為濮城油田古近系沙河街組沙二上亞段2+3 砂組為末端扇沉積體系；Nichols等［56］將“末端扇”和“末端河流扇”作為分流河道扇體系的重要構成部分，將末端扇的形成作為分流河道扇的主要成因機制（圖8）。與沖積扇、河流扇和巨型扇相比，末端扇只是上述扇體上單個分支河道的終止特征，是分支河流體系內部的次級沉積單元，從規模和成因機理上與此3 類扇體均不屬于同層次的研究范疇。

圖8 末端扇及其在DFS 上分布（據文獻［56］修改）Fig.8 Terminal fans and their distribution on DFS

3 DFS 分類

Hartley 等［2，45］根據DFS 半徑和河道分布樣式將其劃分為辮狀分汊型（braided bifurcating）、單一辮狀河道型（single braided）、辮狀到曲流過渡型（braided to meandering）、單個曲流河道分汊型（single sinuous bifurcating）、多個曲流河道型（multiple sinuous）以及單個曲流河道型（single sinuous）（圖9）。

圖9 DFS 河道樣式分類（據文獻［2］修改）Fig.9 River channel style classification on DFS

這一分類方式較客觀地反映了DFS 的平面形態及其河道類型演變的規律，但關于河道樣式的分類存在明顯的不足：①對DFS 平面形態的定義不夠嚴謹，對每一種河道類型的特點缺乏充分的說明，沒有定量的判別參數；②辮狀分汊型與單一辮狀河道型、單個曲流河道分汊型與多個曲流河道型在平面圖上很難區分；③除了辮狀到曲流過渡型之外，其他類型DFS 沒有顯示出從頂端到末端的河型變化趨勢；④DFS 的河道平面形態和河網分布沒有涉及地貌環境和沉積相特征，尚無法應用于沉積學研究。

對現代地球表面發育的DFS 進行考察和測量表明：①通常小型的沖積扇更容易發育泥石流等重力流沉積，扇狀特征更加明顯，而規模較大的河流扇和巨型扇則以河流沉積為主導，其平面形態多樣且不規則。②DFS 的地貌和沉積特征與其半徑、面積和地形坡度具有明顯的相關性［11-12，57-58］，DFS 半徑越大，面積越大、地形坡度越小，不同DFS 的半徑、面積及其坡度的相關關系不同。由此可見，DFS 的規模不僅隱含了控制其形成和分布的地質信息，而且與沉積環境和沉積相相關。因此，可以根據半徑、面積和地形坡度的不同對DFS 進行分類。

DFS 的半徑決定其面積和坡度，故將半徑作為關鍵指標，面積和坡度則作為輔助指標。通過對中國西部主要沉積盆地周緣DFS 半徑、面積和坡度數據進行擬合發現，DFS 半徑與面積的相關性更高，但由于DFS 的形態各異，二者并非簡單的線性關系（圖10a）；DFS 的半徑和面積越大，坡度越小，當規模增大到一定值后，坡度與面積、半徑的相關性變差（圖10b，10c）。

圖10 中國西部主要沉積盆地周緣DFS 半徑r、面積A 和坡度G 關系Fig.10 Relationships among radius，area and gradient of DFS at the major sedimentary basins in western China

將DFS 分為小型、大型和巨型3 種，并將之分別與目前學術界習慣使用的沖積扇、河流扇和巨型扇相對應（圖11，表1）。主要出于以下考慮：①盡量與已經使用的術語和習慣相對應，減少使用新的詞匯；②沖積扇研究已經非常成熟，巨型河流扇的“巨型”作為DFS 的限制性前綴已經廣為熟知，可繼續用于對規模最大一類DFS 命名；③沒有使用“中型”來命名河流扇是因為此類DFS 的半徑可達到100 km左右，屬于較大的沉積體系，同時為了在三分法分類中與巨型扇相銜接，沒有劃分出“中型”DFS。

表1 DFS 主要特征及其分類方案Table 1 Main characteristics and classification criteria of DFS

圖11 以半徑、面積和坡度為指標的DFS 分類（根據文獻［5］，［31］和［41］修改）Fig.11 DFS classification based on radius，area and gradient

需要注意的是，劃分DFS 的3 個特征參數界限是過渡的，不能作為一成不變的硬性指標，還應該關注其沉積水動力過程和沉積特征。一般情況下，從沖積扇、河流扇到巨型扇，隨著DFS 半徑和面積的增加以及坡度的變小，泥石流等重力沉積減少，沉積物粒度區間變寬，沉積環境多樣性增強。

3.1 小型DFS

此類DFS 規模小、地形較陡，從頂點到終端整體表現為下凹狀，橫向上表現為兩側低中間高的上凸特征，野外經常可見到只有數米長的微型沖積扇。廣泛發育在干旱—半干旱地區的山前地帶，新疆準噶爾盆地西北緣白楊河扇可以作為此類DFS的典型代表［25，59］。

小型DFS 主要發育泥石流通道和辮狀水道，發育大量暫時性河道，河道以順直型礫質河道為主，分汊和改道較少，分流河道間以砂礫質沉積為主，偶見泥質沉積，古土壤和植被不發育，在干旱地區植被常常沿干河床分布，河道間地區為裸露的礫石灘［25，55］。小型DFS 沉積水動力以暴雨形成的陣發性泥石流為主，部分沖積扇有短流程河流注入，發育連續性河道水流，河道流量具有顯著的季節性特征。沉積物中泥石流沉積、暫時性河道沉積和季節性河道沉積交替出現，各種沉積物的比例變化很大，季節性河流是主要的沉積搬運營力，暫時性河道對季節性河道沉積起改造作用，風對小型DFS 表面沉積物的再分布有一定的影響。

3.2 大型DFS

此類DFS 長度和面積均較大，表面地形坡度一般小于1.0°，但不同DFS 的坡度相差較大。DFS上河道類型多樣，如河西走廊盆地昌馬河扇以辮狀河為主［5］；準噶爾盆地黃羊泉扇、柴達木盆地格爾木扇既發育辮狀河也發育曲流河［60-61］；格爾木扇的頂端以辮狀河道為主，中部和遠端逐漸演變為曲流河、辮狀河，河道的彎度增加，河道明顯變窄（圖12）。

圖12 格爾木大型DFS 平面形態及其河道分布衛星圖Fig.12 DFS planar form and channel distribution of large DFS in Golmud in satellite imagery

大型DFS 近端河道間地區較為狹窄，往下游方向河道間地區逐漸變得開闊并演變為泛濫平原，泛濫平原發育暫時性湖泊和濕地，部分河道殘留形成牛軛湖，無靜止水體覆蓋地區發育古土壤。在干旱多風地區，沙丘可能在DFS 表面分布。大型DFS發育的沉積微相和砂體建筑結構差異很大，以礫質為主的DFS、砂礫混合的DFS以及以砂泥質沉積為主的DFS的相帶分布和砂體疊置關系各不相同，但總體上表現為從上游至下游沉積物的粒度變小，砂礫質的比例變小，砂體的連續性和連通性由DFS近端向遠端減弱［62-64］。局部水動力條件對沉積物分布具有強烈的控制作用。

3.3 巨型DFS

此類DFS 規模巨大，目前已知最大的DFS 為安第斯前陸的皮爾科馬約（Pilcomayo）DFS 和貝爾梅霍（Bermejo）DFS，長度均超過700 km。中國東部近代黃河沖積扇西起孟津，西北沿太行山麓與漳河沖積扇交錯，西南沿伏牛山北麓與淮河上游相接，向東延伸至魯西的湖洼地帶，地跨河南、河北、山東、江蘇和安徽5 省，呈放射狀向平原展布，與黃河三角洲直接相連［65］，東西長355 km，南北最寬處為410 km，總面積達72 144 km2，海拔40～100 m，約占下游沖積平原的1/3，是由多期扇形地疊置而成的（圖13）。

圖13 黃河扇及其不同時期扇體的形成時間和分布范圍（據文獻［65］修改）Fig.13 Range of the Yellow River megafan in different periods of the historical time

巨型DFS 近端地形坡度稍大，多為疊置的復合砂體；中部和遠端的表面地形坡度總體較小，中部砂體表現為斷續的條帶狀，夾有較厚的粉砂質和泥質泛濫平原沉積，遠端沉積剖面表現為孤立小型河道砂體夾在暫時性湖泊、沼澤和泛濫平原細粒沉積物中［17，66-67］。如美國西南部莫里森組的鹽洗段DFS半徑超過500 km，近端以高度疊置的河道帶堆積物為主，遠端沉積物主要為泛濫平原泥、片狀砂巖以及稀疏的帶狀河道，幾乎沒有河道砂體發生疊置；從近端至遠端河道沉積厚度、砂巖和疊置河道帶沉積物的體積分數都下降，河道沉積厚度從174 m 下降至40 m，砂巖體積分數從70.0%下降為8.0%，疊置河道沉積物體積分數從67.0% 降至0；泛濫平原和湖相沉積物體積分數有所增加，分別為從38.0%上升至94.0%，從0.1%上升至7.0%；此外，河道帶砂巖和砂層的平均厚度（從最厚處至最薄處）均向下游減小，分別為從15.0 m 降至3.8 m，從7.7 m 降至2.3 m，平均粒徑Ф值向下游變大（圖14）。

圖14 美國西南部莫里森組鹽洗段DFS 上游—下游含砂量、剖面厚度與平均粒度（Ф 值）變化特征（據文獻［17］修改）Fig.14 Trends in sand content，section thickness and average grain size downstream in Salt Wash DFS of Morrison Formation in southwestern United States

4 DFS 形成與分布的控制因素

DFS 的發育受盆地構造背景、氣候特征、流域面積、物源區母巖巖性等因素的控制，其中構造背景和氣候是控制DFS 形成與分布的最根本因素，流域面積、物源區母巖巖性影響沉積物供給總量，供給速率及沉積物顆粒的礦物成分、顆粒結構。此外，DFS 地形坡度作為間接因素與河流流量、流速等自生因素相結合，控制了河道形態以及河道的分汊和決口，造成沉積物的搬運和再分配，從而控制了DFS 表面的沉積環境和沉積相分布。

4.1 構造對DFS 形成與分布的控制

據Hartley 等［2］的統計，在所有的拉張（包括裂谷、坳拉槽和被動大陸邊緣）、擠壓、走滑和克拉通盆地中都發育DFS，其中57%以上位于擠壓構造背景中（37%發育在前陸到造山帶內，20% 位于造山帶內的背馱盆地），構造不活躍的克拉通環境中大型DFS 占19%，拉張構造背景中發育的DFS 占總數的13%，其他11% 的DFS 發育在以走滑變形為主的地區。不同構造背景下的DFS 規模有所差異，通常在擠壓環境中發育的DFS 長度最大，其次是克拉通和伸展環境，在走滑體系中發育的DFS 長度相對較小；前陸盆地和克拉通邊緣DFS 規模最大，如在阿拉斯加、喜馬拉雅山和安第斯前陸盆地邊緣發育較長距離向盆地內傾斜的緩慢斜坡，斜坡延伸數百千米，有利于形成大型DFS，而伸展和走滑盆地相邊緣斜坡短且狹窄，發育的DFS 半徑通常小于20 km，偶爾發育大型DFS。

DFS 河道樣式與構造背景沒有明顯的關系，似乎任何河道形態都可以在所有構造背景下發育，整體而言，在擠壓、走滑和克拉通構造背景中，DFS 河道以辮狀分汊河道為主。在構造活躍的環境中，辮狀分支的DFS 占主導地位，由于河流流量和沉積物總量較大，形成的DFS 坡度較小；在構造相對穩定的克拉通、拉張和擠壓構造背景的低起伏地區，DFS坡度較小，沉積物供給速率較小，常發育曲流河。

4.2 氣候對DFS 發育的控制

所有氣候區都發育大型DFS，但其規模和河道類型與氣候有一定的相關性。在赤道氣候條件下沉積物供應量高，有利于形成辮狀河道，并且沉積物搬運不受植被的限制和改造。Leier 等［68］通過對28 個巨型扇進行研究，指出巨型扇的發育受季節性流量大幅波動的影響，巨型扇僅出現在南、北緯度15°～35°，在這一區域，河流流量的波動極大，DFS河道呈現強烈的不穩定性。Hartley 等［2］統計了半徑大于30 km 的415 個大型DFS，17% 的DFS 發育在緯度0°～15°，45%發育在緯度15°～35°，38%發育在緯度35°～70°；熱帶、亞熱帶和干旱氣候地區發育的DFS 長度更大，熱帶氣候中62%的DFS長度大于70 km，極地、赤道和溫帶氣候條件下發育的DFS 長度相對較小，70%～80%的DFS長度小于70 km；赤道氣候、熱帶和亞熱帶發育的DFS 半徑更大，其中在赤道氣候條件下發育的DFS 以大坡度（大于0.007 5°）為主，而在熱帶和亞熱帶氣候下發育的DFS 則為小坡度（小于0.008 0°）。

不同氣候背景下DFS 的終止方式具有一定的規律，熱帶氣候下26%的DFS 終止于濕地或湖泊，赤道氣候條件下超過50% 的DFS 終止于內流盆地，大多數消散在風成沙丘中，其余的則終止在沙丘、湖泊或濕地區。

4.3 其他控制因素

DFS 的發育取決于河流體系擺脫山谷的限制和橫向擴散的能力。所有DFS 頂點都位于能夠導致河流形成放射性擴散的地區，這些地區諸如山前斷層邊界，低地形中的陡坡處，或是位于頂點下游的坡度變小、向下發生傾斜的位置，還有少量的DFS 頂點發育在風成沙丘之間。從DFS 上游至下游，河道分汊、滲濾和蒸發等因素造成的流量損失導致河道面積變小、輸沙能力下降，河道類型從辮狀河道演變為曲流河道，流量和沉積載荷的減少對控制DFS 平面形態非常重要。

地形坡度、沉積物供給和流量是控制DFS 平面形態、沉積相類型和相分布的次要因素。辮狀河道的平面形態與相對較大的坡度、較高的匯水量和較好的沉積物供應有關；坡度較大的DFS 發育在地形起伏較大的構造活動區域，如內華達山脈、安第斯山脈、天山、阿爾金山、阿爾泰和奎棱山脈［3］。

河道快速遷移和頻繁決口是形成大型DFS 的重要因素，而控制河流決口的條件非常復雜，流量波動是促進河道不穩定和決口的重要因素。在巨型扇河流中，與雨季有關的洪水是決口頻繁的催化劑，河道快速遷移也與洪峰對河岸的侵蝕有關，潮濕和干旱交替在盆地內產生大量的沉積物，有時會超過河流的運輸能力，導致河道淤塞，引起河道決口或快速遷移。此外，季節性降水也可能影響河岸沿線植被的類型和密度，影響河岸的穩定性，進而影響遷移速率和決口頻率［23-24］。

對現代DFS 的水文地貌觀測結果表明，大型DFS 河道網絡形態、河道規模以及相關地貌特征的變化受控于流域徑流和沉積物比率變化，上游流域的降雨量和徑流量、水體蒸發、滲濾等因素造成河流分汊、主河道消亡和泛濫平原坡度降低，導致向下游方向決口節點的存在，也造成主干河道分汊成更小的分流河道。流量和流域徑流受氣候控制，同時也控制DFS 的規模，如果盆地缺乏持續的水流，河流體系將會終止在盆地中。此外，沉積物供應對DFS 的形成也很重要，如第四紀加利福尼亞州圣華金山谷沉積物供應相對有限，沉積物無法填補該盆地底面，因而難以發育大型DFS。

5 結論

（1）DFS 不是一種新的或者特殊的河道類型，而是多種河道有規律的集合，是從頂點呈放射狀展布的沖積體系；可同時發育多種類型的河道，且河道的幾何形態變化極大，完整的DFS 不僅包括河道部分，也包括河道間區域。

（2）DFS 主要類型包括沖積扇、河流扇和巨型扇。沖積扇的半徑較小，地形坡度較大，扇面發育非限制性臨界流和超臨界水流，植被稀少，沉積物顆粒粗大，沉積物重力流發育；河流扇表面以河流沉積為主，缺乏泥石流沉積；巨型扇是由于河流體系側向擺動在山前形成的大型扇狀沉積體，地表坡度小，沉積體系覆蓋面積大，半徑大于100 km。

（3）根據半徑、面積和坡度將DFS 劃分為小型、大型和巨型，小型DFS 對應沖積扇，扇體半徑小于30 km，面積小于100 km2，坡度大于1.0°；大型DFS 為河流扇，半徑為30～100 km，面積為100～1000 km2，坡度小于1.0°；巨型DFS為巨型扇，扇體半徑大于100 km，面積大于1 000 km2，坡度小于0.5°。DFS 半徑是分類的關鍵指標，面積和坡度是輔助指標，這3 個特征參數的界限值是過渡的，其分布范圍有一定的交叉和重復，判斷DFS 類型還需結合沉積水動力過程和沉積特征等因素。

（4）DFS 發育受盆地構造背景、氣候特征、流域面積、物源區母巖性質等因素的控制，其中構造背景和氣候是控制DFS 形成與分布的最根本的因素，流域面積、母巖性質影響沉積物供給總量、供給速率及沉積物的礦物成分、顆粒結構。DFS 地形坡度作為間接因素，與河流流量、流速等自生因素相結合控制著河道形態以及河道的分汊和決口，造成沉積物的搬運和再分配，從而控制了DFS 表面的沉積環境和沉積相分布。