渭河下游現代沉積特征及河型轉化主控因素分析

楊龍華, 李元昊*, 郭雅倩, 段祎樂, 馬婷鈺, 王首良

(1.西安石油大學地球科學與工程學院, 西安 710065; 2.陜西省油氣成藏地質學重點實驗室, 西安 710065)

現代沉積作為觀察和測試沉積作用和成巖作用的場所,也是研究各種因素對沉積巖體的沉積特征和分布的控制的天然場所。早先現代河流沉積的研究多集中在沉積相特征、巖相特征以及沉積模式。郭嶺等[1]以渭河西安段草灘沉積體為例,通過剖面和探槽的詳細研究,結合野外密集采樣及樣品的分析結果,對現代渭河草灘沉積體的粒度特征、沉積相、巖相、地層層序及沉積模式進行了綜合研究,沒有注重現代河流地貌對河道形態和河流沉積物的影響。張春生等[2]比較了現代曲流河高彎度、低彎度曲流河微相沉積物,忽視高彎度、低彎度河型轉化的原因。喬輝等[3]采用Google Earth軟件觀測曲流河特征,建立6種發育模式、測量曲流河河道參數數據、分析統計參數間的相關關系。劉警陽等[4]利用Google Earth和Arc GIS軟件獲取河流衛星影像并對其進行幾何形態參數測量,得出松花江中下游曲-辮、直-辮、辮-直河型轉化控制因素,沒有分析河型對微相沉積的影響[5-7]。艾驍等[5]通過剖面的橫向對比,研究了大同盆地石窟組辨狀河河流相沉積特征,可見研究區自西向東的亞相變化趨勢,缺少亞相變化趨勢的原因。

現選取渭河下游為研究對象,渭河從上游到下游辨狀河、低彎度曲流河、高彎度曲流河河型轉化完整,水文資料豐富且便于觀察,渭河沿斷陷盆地長軸流向,在氣候上屬于暖濕性河流,利用現代沉積學認識其沉積特征,研究其河流微相特征及河型轉化因素,對認識同類型古代河流的沉積體系提供一個實例。

1 研究區概況及研究方法

1.1 研究區概況

渭河發源于甘肅省渭源縣鳥鼠山,是黃河的最大一級支流,主要流經關中-天水經濟帶和陜西關中城市群,在潼關與黃河交匯,全長818 km,流域總控面積達13.48×104km2,渭河的干流河段主要流經甘肅的東部與陜西中部地區,渭河出甘肅后流經陜西關中平原,約22個縣(市、區),貫穿整個關中的城群,在陜西省潼關縣匯入黃河,是陜西省的母親河[6]。渭河的上、中、下游分別是寶雞峽以上、寶雞峽至咸陽、咸陽至潼關段,河段長度分別為430、180、208 km,分別發育辨狀河、低彎度曲流河、高彎度曲流河;渭河下游地處渭河盆地北接鄂爾多斯盆地渭北隆起,發育涇河、洛河等支流,南接秦嶺造山帶,發育黑河、灃河、灞河等支流[7];渭河盆地屬于斷陷盆地,河流沉積區在斷陷盆地,河流流向沿斷陷盆地長軸。渭河下游開闊平坦、河床比降小、流速緩慢,流水攜沙帶水易在下游形成淤積。選取渭河低彎度曲流河和高彎度曲流河為研究對象,屬于渭河下游,如圖1(b)所示。

圖1(b)為圖1(a)中方框放大部分;圖1(c)為圖1(b)中紅色方框放大部分;圖1(d)為圖1(b)中黃色方框放大部分

1.2 研究方法

經過對現代渭河下游考察、觀察描述探槽及野外露頭、收集研究區遙感水文資料,研究了現代渭河下游沉積相及沉積模式等、并對研究區不同沉積相的沉積微相特征進行分析對比了低彎度曲流河、高彎度曲流河現代沉積特征差異,通過兩種不同河型的水文參數特征確定低彎度曲流河到高彎度曲流河的河型轉化主控因素,系統分析了渭河下游現代沉積模式,以期對現代河流沉積研究提供新思路,并對研究古代河流沉積起到對比和參考作用。

1.3 低彎度曲流河高彎度曲流河界限劃分

依據河流平面形態,彎曲度對河流進行分段,彎曲度是指該河段實際長度與河段之間距離的比值。根據河型判別方法[8-9](表1),應用Google衛星提取河流部分參數(表2),研究區共分為兩段:上段黑河北至涇河南為低彎度曲流河,下段臨潼北至潼關縣為高彎度曲流河(圖3),低彎度曲流河彎曲度介于1.02～1.25,彎曲度變化幅度不大,高彎度曲流河彎曲度介于1.06～2.51,彎曲度變化幅度較大與河道擺動有直接關系。

表1 河流分類表

表2 河流參數表

2 渭河下游沉積特征

2.1 低彎度曲流河沉積特征

渭河咸陽-西安段主要發育低彎度曲流河,為解剖低彎度曲流河沉積特征,在北客站北選取一個觀察點,坐標為108°55′5.42″E, 34°24′30.24″N,現今海拔為386 m,河寬約145 m,如圖2(a)所示。

圖2 北客站考察點沉積特征Fig.2 Sedimentary characteristics of the North Railway Station

2.1.1 微相特征

(1)河床滯留沉積微相特征。河床亞相包括河床滯留沉積和邊灘兩種微相,河床是河谷中經常流水的部分,即平水期水深所占的最低部分。河床亞相又稱河道亞相,河床亞相是渭河下游沉積的主體部分。

河床滯留沉積為流水的選擇性搬運,將顆粒小于0.05 mm地帶走,大于2 mm的礫石等粗碎屑物質堆積在河道底部,形成不連續,厚度較薄的河床滯留沉積[9-10]。通過露頭觀測和野外觀察,北客站北的河床滯留沉積微相沉積在靠近邊灘一側的河道底部,圖2(d)所示,礫石磨圓度為圓度-次圓度,分選較好,礫石礫徑為4～15 cm,平均礫徑為7 cm,最大礫徑為25 cm。礫石成分為花崗巖、灰巖、少量千枚巖。

(2)邊灘微相特征。邊灘為曲流河的典型的沉積微相,由于河床沉積物的側向加積形成[10]。該微相構成觀察點河流沉積主要的組成部分,垂向上呈正粒序(表3),下部發育槽狀交錯層理,向上過渡為平行層理。北客站北邊灘頂部沙波構造明顯,沙波迎水面波長約30 cm,寬為10～20 cm,見鳥足動物遺跡及枯木障礙痕,障礙痕兩端粒度差異明顯[圖2(h)],邊灘以砂質沉積為主[圖2(c)]。邊灘內部發育平行層理、槽狀交錯層理、斜層理;斜層理走向平行水流流向指示邊灘向下游遷移[圖2(i)],平行層理夾有泥線,是洪水水退時流經邊灘表面所沉積[圖2(g)]。

表3 北客站北沉積剖面特征

(3)河漫灘微相特征。河漫亞相主要出現在平原河流中,位于天然堤的外側,洪水泛濫期間,水流滿溢天然堤,流速降低使河流懸浮沉積物在河道側方大量堆積。平水期無水,洪水期水溢出河床,淹沒平坦河谷谷底形成河漫灘沉積[11]。北客站北觀察點河漫灘表面發育有蘆葦等植物[圖2(b)],主要以泥質及粉砂質沉積為主,河漫灘發育的泥裂及塊狀構造如圖2(e)和圖2(f)所示。

2.1.2 沉積層序

北客站北剖面垂向上由2套沉積組成如表3所示。

(1)底部:總的特點是由下到上的正韻律,底部為10～20 cm的黑灰色礫巖,漸變為灰褐色含礫細砂巖,發育槽狀交錯層理,厚20～30 cm;頂部為米黃色細砂巖,厚約1 m,發育平行層理和斜層理指示邊灘遷移及灰白色粉砂巖,發育平行層理。

(2)頂部:底部為10～20 cm的黑灰色礫巖,少量泥礫,灰褐色含礫中-細砂巖,厚度為70～80 cm,發育槽狀交錯層理,向上漸變為平行層理灰白色粉砂巖,厚度為60～70 cm,頂部為泥巖已土壤化,發育有豐富的植物根莖。

2.2 高彎度曲流河(下段)沉積特征

高彎度曲流河發育在渭河臨潼北-潼關段,選取了2個觀察點(圖3和圖4),近端觀察點臨潼北,坐標為109°16′58.63″E, 34°29′55.67″N,現今高程為347 m,河寬約163 m[圖3(a)];觀察點華西鎮北,坐標為109°57′34.83″E, 34°36′59.34″N,現今高程為336 m,河寬約為130 m[圖4(a)]。

圖3 臨潼北考察點沉積特征Fig.3 Sedimentary characteristics of North Lintong

2.2.1 微相特征

(1)河床滯留沉積微相特征。觀察點臨潼北河床滯留沉積礫石主要要礫徑為1～13 cm,平均礫徑為3 cm,最大為17 cm,礫石類型為泥礫,源區礫和生物碎屑,礫石主要成分為花崗巖、灰巖、砂巖,少量為千枚巖[圖3(i)]。

(2)邊灘微相特征。觀察點臨潼北邊灘表面發育有沖槽和流水波痕[圖3(d)和圖4(e)],沖槽內可見邊灘內部的平行層理。觀察點華西鎮邊灘上游壩下游壩高低差約20 cm[圖4(c)]表面發育有沖槽[圖4(f)],沖槽周圍及底部沉積有泥質沉積物,邊灘發育有廢棄串溝,被泥質和粉砂質沉積物充填[圖4(h)]。臨潼北邊灘內部槽狀交錯層理如圖3(g)所示;華西鎮邊灘發育斜層理、平行層理、小型槽狀交錯層理。

(3)河漫灘微相特征。觀察點臨潼北河漫灘表面蘆葦等植被發育,兩側堤岸高度差異約20 cm,如圖3(a)所示,河漫灘內有小型河道廢棄,如圖3(h)所示;觀察點華西鎮兩側堤岸高度差約2 m,河漫灘以多期泥質沉積為主[圖4(e)],主要原因是渭河下游的水體漲幅頻率較快,一期完整的洪泛沉積為頂部根土層,中部泥質沉積物為主,底部厚度為5～10 cm的落淤層。多期的洪泛沉積在剖面上常不能完整保存,表現為越往底,上層會缺失厚度越大,其原因可能是頂部的根土層沉積速率較快,且固結程度不高,在洪水時期水動力由強到弱的水流沖刷導致。觀察點臨潼北和華西鎮河漫灘均發育水平層理、塊狀層理、泥裂,如圖3(b)、圖3(f)和圖4(b)所示。

(4)牛軛湖亞相特征。曲流河的截彎取直作用使被截掉的彎曲河道廢棄,形成牛軛湖。從衛星照片上看華西鎮觀察點發育的牛軛湖可分為兩期,如圖4(i)所示,說明該研究區水動力的強弱變化快,其主要為泥質充填沉積。牛軛湖發育是高彎度曲流河的標志。

(5)天然堤微相特征。堤岸亞相分為決口扇和天然堤兩個沉積微相,與河床沉積相比其粒度較細,發育爬升層理,如圖3(h)和圖4(g)所示。河水攜帶的細、粉砂級物質溢出河道沿河床兩岸堆積,形成平行河床的沙堤,稱天然堤。觀察點華西鎮和臨潼北發育有天然堤微相,臨潼北的天然堤較于華西鎮的天然堤展布面積稍小,主要沉積物為粉砂巖,如圖3(c)和圖4(d)所示。

2.2.2 沉積層序

(1)臨潼北沉積垂向上有2套沉積(表4)。底部:由下而上為正韻律,底部為灰褐色含礫細-中砂巖,發育槽狀交錯層理,厚約20 cm,向上為米黃色細砂巖,發育兩層傾角不同的斜層理,厚約60 cm,表明河流水深的快速變化[12],頂部為灰白色細砂巖和棕色泥巖,發育爬升層理,厚約50 cm。頂部:底部為灰褐色含礫細-中砂巖,發育槽狀交錯層理,厚約70 cm,向上過渡為米黃色細砂巖,發育斜層理,厚約40 cm,頂部為灰白色細砂、棕褐色粉砂質泥巖和褐色泥巖,發育爬升層理和水平層理,厚約70 cm。

表4 臨潼北沉積剖面特征

(2)華西鎮沉積剖面垂向上有3套沉積(表5)。底部:總體來看為正韻律,底部為黃褐色含礫中-細砂巖,發育槽狀交錯層理,厚約30 cm,向上為黃褐色細砂巖,發育平行層理,厚約60 cm,中部為灰白色粉砂巖,發育爬升層理,厚約30 cm,透鏡狀細砂巖,厚約10 cm,兩者均在剖面橫向上尖滅,灰白色粉砂巖橫向上略長,頂部為棕色泥巖。厚約10 cm。中部:底部為米黃色細砂巖,發育平行層理,厚約60 cm,頂部為棕色泥巖,厚約10 cm。頂部:底部為米黃色細砂巖,發育槽狀交錯層理,平行層理,厚約80 cm,頂部為灰白色泥質粉砂巖,發育爬升層理和水平層理,厚約1 m,向上漸變為棕色泥巖,厚約30 cm。

表5 華西鎮沉積剖面特征

低彎度曲流河到高彎度曲流河垂向上頂部部泥質沉積物逐漸變厚,底部粗粒沉積物逐漸變薄其原因與物源的搬運距離及低彎度的物源方向有關低彎度曲流河靠近上游,且物源主要來自支流黑河,灞河的秦嶺方向,高彎度曲流河靠近下游,物源主要是來自黃土高原的涇河和洛河;平面上兩側堤岸差異逐漸變大,一方面是因為下游彎曲大,對凹岸侵蝕加劇,另一方面渭河屬于暖濕氣候帶的河流,降水豐富,下游洪水頻發,更易發生決口。

3 河型轉化主控因素分析

利用現代沉積調查河型轉化是最直接的手段,河型的變化可以識別河流對構造作用的響應,其取決于沉積物負載、河流類型及規模大小,河型的轉化與河流的流量及地形坡度有關,從時間角度來看,河型隨著年平均流量、河寬的變化而隨之變化[13],空間上兩個不同河段的河型變化取決于主河道的流量、坡度以及沉積物的搬運方式[14]。河型轉化主要受構造作用、沉積物供給、氣候條件和海(湖)平面變化的控制,而對于曲流河彎曲度的變化取決于需要河流需補充的動能[15],河段上下斷面的動能差越大,河段彎曲系數就越大,即流量一定時,含沙量越大,河流愈彎曲;輸沙量一定時,流量越小越彎曲渭河[16]。渭河下游水沙變化較大,無法對其進行定量分析,只能在其原有的水沙特性結合地質條件分析主控因素。

3.1 流量對河型的影響

渭河下游自上而下發育低彎度曲流河和高彎度曲流河,對比咸陽水文站和華縣水文站2016—2021年水文數據發現,華縣水文站的年徑流量和輸沙量約為咸陽水文站3倍如圖5所示,這是因為高彎度曲流有涇河,灞河等支流匯入,打破原有的水沙平衡,高輸沙量和高流量代表對堤岸的侵蝕作用更強,所以高彎度曲流河形態更加復雜。

圖5 咸陽水文站和華縣水文站徑流量和輸沙量對比圖Fig.5 Comparison of runoff and sediment discharge between Xianyang Hydrological Station and Huaxian Hydrological Station

3.2 坡度對河型的影響

通過前期對渭河下游上下段河流發育特征進行的統計學分析,彎曲度逐漸逐漸增加,坡度逐漸減小,以坡度為自變量,彎曲度為因變量,尋找二者擬合規律如圖6所示。

圖6 渭河下游坡度與河流彎曲度關系Fig.6 Relationship between slope and river curvature in the lower Weihe River

利用二元回歸分析發現,河流彎曲度與坡度之間存在良好的負相關性,相關性為0.512 2,即隨著坡度的減小,彎曲度逐漸增大。

3.3 氣候、支流對河型的影響

渭河屬于暖溫帶半濕潤半干旱氣候帶,研究區具有春、冬兩季多風少雨、夏季多強降水和連續性降水;多年平均降水量在663.9 mm,且季節分配不均。如圖7所示對比低彎度段和高彎度段2016—2021年降水量,低彎度段年降水量整體大于高彎度段,降水量的變化與河寬具有一致性但與流量變化卻不同。

圖7 低彎度曲流河段和高彎度曲流河段年降水量對比圖Fig.7 Comparison of annual precipitation in low-curve meandering river sections and high-curved meandering river sections

研究后發現渭河下游低彎度段的支流從上而下有黑河、灃河、灞河、涇河,高彎度段支流有洛河;黑河、灃河、灞河物源方向為秦嶺,涇河、洛河物源方向為黃土高原,支流為主河道提供了物源和流量,涇河、洛河支流匯入可能是高彎度曲流河降水量小于低彎度曲流河,流量卻高于低彎度曲流河的原因。渭河下游河型轉化可能也與兩種河型的支流數量及支流物源方向有一定的關系,但支流、氣候是否為河型轉化的控制因素,有待進一步討論。

結果表明:流量、輸沙量、坡度是渭河下游低彎度向高彎度轉化的主控因素。

4 渭河下游沉積模式

通過對渭河下游沉積環境,沉積相及河型轉化主控因素的研究與分析,本文研究建立了渭河下游沉積模式如圖8所示。此模式表明渭河下游低彎度曲流河到高彎度曲流河河型轉化的過程中,曲流河邊灘的遷移特征及砂體垂向的變化。低彎度曲流河邊灘遷移為主,由于大堤的限制性及堤岸兩側人為因素,本該發育多的決口扇在平面上少有發育;高彎度曲流河邊灘擴張為主,泛濫平原上發育有泛濫湖泊、牛軛湖等,彎曲的增大對凹岸侵蝕程度較高,大型枯木或植物出現在曲流河凹側附近,其增加了流動阻力和湍流,導致水流泥沙的重新分配,增加局部的抗蝕性并引導水流遠離堤岸,對邊灘兩側侵蝕。遷移型邊灘砂體垂向上為疊瓦狀,擴張型邊灘砂體垂向疊置關系好,具有良好的連通性。建立渭河下游沉積模式對認識流向沿斷陷盆地長軸、暖濕性古氣候的曲流河不同河段河型對比具有借鑒意義。

圖8 渭河下游沉積模式Fig.8 Depositional model in the lower Weihe River

5 結論

(1)渭河下游根據河流的平面形態可分為上、下兩段,上段為低彎度曲流河,下段為高彎度曲流河。

(2)渭河下游曲流河沉積在平面上連續分布,礫質沉積物與礫徑變化與搬運距離呈負相關性,砂質沉積物由上段到下段分布范圍明顯增大,泥質沉積物垂向增大。

(3)渭河下游河型轉化控制因素為坡度,流量和河流輸沙量。坡度改變水流的侵蝕方式,及水動力強弱,流量和輸沙量之間動態平衡影響河流的沖淤關系。渭河下游低彎度到高彎度的控制因素是因為坡度的減小下,流量增加,輸沙量增大。

(4)建立了渭河下游沉積模式:低彎度曲流河到高彎度曲流河河流沉積模式。