河流辮—曲轉換特點與廢棄河道模式

李勝利，于興河，姜濤，梁星如，蘇東旭

1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083 2.中國石油新疆油田公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依 830013 3.中國石油華北油田分公司，河北任丘 062552

河流辮—曲轉換特點與廢棄河道模式

李勝利1，于興河1，姜濤2，梁星如3，蘇東旭1

1.中國地質大學(北京)能源學院，北京 100083 2.中國石油新疆油田公司勘探開發研究院，新疆克拉瑪依 830013 3.中國石油華北油田分公司，河北任丘 062552

通過總結河流變遷規律，明確了辮—曲轉換特征，建立了辮—曲過渡型河流的沉積序列；通過分析彎曲度與廢棄河道沉積特征的相互關系，提出不同類型河流中存在分叉分流、串溝取直及頸項截直三類廢棄河道，并提出三類廢棄河道的分類依據，進而建立了相應的沉積模式。通過解剖北京西山軍莊二疊系河流相野外露頭，分析了辮狀河、以曲流河及其過渡型河流的沉積特征與演變特點，識別出該露頭中發育的廢棄河道，進而明確該露頭中產生辮—曲轉換的地質因素是不同氣候條件下，由于沉積供源的差異導致河道類型的變化。

河流辮—曲轉換；沉積序列；廢棄河道；二疊系河流相

0 引言

雖然河流分類有許多種方法，但最為人們稱道并經常使用的還是根據彎曲度(sinuosity)與分岔指數/辮流指數(braided degree)作為劃分依據的分類方案[1-3]，也即直流河(straight rive)、辮狀河(braided rive)、曲流河(meandering river)及網狀河(anastomosing)。Schumm[4]曾經提出辮狀河與曲流河兩類河流之間存在過渡類型的河流，這種過渡類型河流與地形坡度、粒度、流速、沉積物載荷及水流強度有關。但有關辮—曲過渡型河流的沉積序列特點尚沒有充分研究。

Walker[5]提出兩種類型的河道廢棄過程，即串溝取直與頸項截直；而Toonenetal.[6]又提出了兩種類型的廢棄河道構型模式，即串溝與分叉廢棄，實際上他把串溝取直與頸項截直歸為了一種類型。這兩種分類方案共同之處都強調了串溝取直的情況，但Walker[5]的模式沒有考慮彎度相對低易產生河道分叉的情況，因此不易解釋Toonenetal.[6]所提出的由于沖決作用(Avulsion)而產生的分叉廢棄(Bifurcation)的情況。然而，Toonen[6]的模式中又忽略了極高彎度情況的頸項截直的情況。

本文結合河流辮—曲轉換的沉積特征，總結了頸項截直、串溝取直及分叉分流三種成因廢棄河道的沉積特點與模式；從廢棄過程、彎曲度范圍、砂/泥值、廢棄特點及主要發育的河流類型等5個方面來明確它們的識別特征與標準；進而結合典型河流相露頭沉積學研究，明確了辮—曲轉換的過程與地質成因，識別出了其中發育的廢棄河道。

1 河流辮—曲轉換特征

Friendetal.[7]描述了現代沉積中辮狀河、曲流河及過渡型河流共存的實例，利用衛星航片，通過直接測量，通過提出的相關參數對印度境內的三條河流進行河型分析，認為它們分別屬于辮狀河、曲流河及辮—曲過渡型河流。同時，自然界中也存在同一河道帶中發育辮狀河、曲流河及兩者之間的過渡型河流[8]。辮—曲過渡型河流既具有辮狀河的特征，也具有曲流河(低彎或高彎型)的特征，但一般彎曲度不會超過2.0，因為彎度曲大于2.0的河道通常為細粒的特高彎曲流河或網狀河[9]。河道彎曲度是指河道長度與河谷長度之比，按彎曲度可將河流劃分為低彎度(彎曲度<1.5)與高彎度(彎曲度>1.5)[2]；而Schumm[4]把河流按彎曲度分為高、中、低彎曲度河流，其中彎曲度小于1.05為直流河；彎曲度大于1.05而小于1.26為低彎曲度河；大于1.26的河流歸為高彎度河；同時在論述河流底負載、混合負載及懸浮負載特點時，又把彎曲度1.3做為一個關鍵數據[4]。綜合考慮河道彎曲度的情況對河流按彎曲度進行分類(表1)，其中高彎與低彎的界限定在1.3，而超高彎河的彎曲度大于2.0，當彎曲度大于1.3時，河流已比較彎曲了(圖1)。這一分類方案有利于解釋多河道共存的辮—曲過渡型河流及網狀河的沉積特點。

表1 河流按彎曲度的分類

注：S表示彎曲度。

圖1 河道彎曲度示意圖Fig.1 Schematic diagram showing sinuosity of channel

如前所述，從辮狀河到曲流河通常不是截然變化，而是存在一種過渡類型。辮狀河通常表現為多河道，彎曲度較小，心灘壩使河道呈辮狀形態；曲流河常表現為單河道特點(多次河道遷移可形成曲流河道帶)，河道彎曲度通常較大，導致點壩比較發育；而辮—曲過渡型河流兼具辮狀河與曲流河的特征，表現為心灘壩與點壩一起出現的特點(圖2A，B，C)。

從河道沉積充填的砂/泥值[10]或負載類型(底負載、混合負載及懸浮負載，可以用來大致判斷河流的類型[9]。這種負載類型的差異體現在三種河道的沉積序列的不同(圖2D，E，F)。從辮狀河到辮—曲過渡型河再到曲流河，河道彎曲度逐漸增大，分叉指數逐漸減小，沉積水動力條件呈逐漸減弱，砂/泥值逐漸減小。砂巖中交錯層理的規模與角度也呈現逐漸減小的趨勢。尤其表現在槽狀交錯層理與板狀交錯層理的規模與紋層傾角逐漸變小。辮狀河中槽狀交錯層理規模大且多層疊加，板狀交錯層理以高角度下截型為主(圖2D)；辮—曲過渡型河在沉積序列主要呈現下辮上曲的特點(圖2E)；而曲流河中槽狀交錯層理集中發育在河道中下部，向上大多過渡為低角度下切型板狀交錯層理(圖2F)。從辮狀河到辮曲過渡型河再到曲流河，總體上沉積作用從垂向加積逐漸向側向加積變化，河道能量也逐漸減弱。

辮—曲過渡型河流的沉積序列(圖2E)中多期河道疊加特征明顯，中下部常表現為大規模槽狀交錯層理與高角度下截板狀交錯層理組合，為辮狀河道的特征；而上部水動力能量開始減弱，中小規模的槽狀交錯層與低角度下切型板狀交錯層理發育，頂部粉細砂及泥巖沉積也有一定的規模，表現出曲流河的特征。

圖2 辮狀河—辮曲轉換河—曲流河沉積特征示意圖Fig.2 Sedimentary characteristics of different types of river channel

2 廢棄河道類型與特點

河道的廢棄與河流彎曲度與能量密切相關。事實上，廢棄河道的平均長度與河流的彎曲度多呈指數正比關系[10]。隨著水動力的減弱，廢棄河道常被后期的泛濫平原所覆蓋[11]。Walker[5]明確了曲流河廢棄河道的產生有兩種主機制，即頸項截直(Neck Cutoff)與串溝取直 (chute cutoff)，并提出了相應的沉積序列模式圖。而Schumm[4]在研究河道變化時，把曲流河道的變遷歸結為頸項截直、河曲變化及決口作用，其中前兩者最易形成廢棄河道。決口(Auvlsion) 主要是河流水體高位時暫時性沖決堤岸，這種決口作用使河道產生分叉，新的河道既可與原河道匯流，也可以形成完全新的河道路徑或決口扇，老河道因之可以產生部分或完全廢棄，但這種廢棄比較易于復活[3]。由于河流可以從辮狀河逐漸過渡到曲流河，這種變化過程中彎曲度也在發生變化，導致廢棄河道的產生與廢棄特點也會有所不同，據此本文總結出了三種廢棄過程，也即三種類型的廢棄河道(表2、圖3)。

表2 不同彎曲度河流的廢棄河道特征表

圖3 廢棄河道沉積特征與沉積模式(據Toonen et al., 2012; Walker, 1982修改)Fig.3 Sedimentary characteristics and patterns of three abandoned channel types

隨河流彎曲度由低到高，主要廢棄過程從河道分叉變為串溝取直和頸項截直；砂/泥值從高到低，砂塞從比較明顯過渡到不發育，泥塞則從小規模變化到以泥塞為主。其中I型為頸項截直型廢棄河道，河道彎曲度大于2.0，其砂/泥值低，在沉積剖面上常表現為底部薄層砂礫巖沉積迅速變為泥巖沉積；這種廢棄河道中以泥塞為主，砂塞不夠發育，主要發育在特高彎曲度的曲流河與網狀河之中，也包括三角洲中的網狀分流河道，反映低能快速廢棄的特征，這種河道廢棄之后常難以復活。II型為串溝取直為主，河道彎曲度多在1.3～2.0之間，其砂/泥值中等，在沉積剖面上常表現為砂泥巖厚度大致相近，甚至泥巖相對略??；這種廢棄河道中砂塞比較發育，泥塞也同時出現，主要在高彎型的曲流河中出現，反映河道能量中等，逐漸廢棄，其廢棄后可以復活。而III型為河道分叉型廢棄河道，河道彎曲度多在1.05～1.3之間，其砂/泥值高，在沉積剖面上常表現為厚層的砂礫巖向上變為相對較薄的泥巖沉積；這種廢棄河道砂塞明顯，泥塞相對不太發育，多發育在低彎的曲流河與辮—曲轉換型河流之中，也包括三角洲平原中的曲流型分流河道，反映河道能量較強，廢棄過程較慢，且很容易復活。

河道廢棄過程并不是只出現在特定類型的河道中，但這一分類可以反映不同河型中主要可能出現的廢棄河道類型。尤其是當辮—曲轉換迅速，河道變化快速從低彎變為高彎及特高彎河道時，低能的頸項截直型廢棄河道也會出現在這種辮—曲轉換型河道之中。

頸項截直使廢棄曲流環快速關閉，從而缺少粗碎屑物質沉積，相對靜水條件下的泥質沉積物開始充填。因此這種類型的廢棄河道能量較低，砂/泥值也比較低。串溝取直作用比頸項截直作用更普遍[12-14]，特別是辮—曲流過渡型河流的點壩頂部比較容易出現串溝[15]，反映串溝的形成需有相對較強的水動力條件。

頸項截直和串溝取直與河岸侵蝕或泛濫平原的切蝕有關，而并不一定是洪水期或高峰水位的產物[16]；而沖蝕作用產生的河道分叉則多為高峰河水沖決堤岸而形成。因此，這三者在水動力條件上有差別，從頸項截直到串溝取直再到分叉分流，水動力條件逐漸增強(圖3)。河道產生截直或分叉之后，老的河道一般不會直接廢棄形成所謂的牛軛湖，通常是要形成細粒(中細—粉細砂)的砂壩(Sand bar) 或壩塞(Plug bar)，然后才逐漸形成泥塞，最后才成為牛軛湖[5,16]。而分叉分流的產生通常由于高能水動力條件有關，新河道形成后，可與老河道共存而不廢棄；也可發生緩慢廢棄，新產生的河道可與老河道發生交匯，也可完全另辟新徑(圖3)。

把上述三種廢棄河道與粒度、彎曲度相結合，可以分析不同類型廢棄河道主要出現在哪種類型的河流之中。分叉分流型廢棄河道多出現于高水動力的礫石質河流，與低彎度曲流河及辮—曲過渡型河相關，當然在砂質河流中也比較容易出現，尤其是三角洲分流河道之中易出現，因為三角洲分流河道常分叉頻繁。串溝取直型廢棄河道最常見于砂質河流，且在礫質、砂質及粉砂質河流中也比較容易出現，大多與相對高彎曲度的曲流河有關，也可在辮—曲過渡型河流中出現，是最常見的廢棄河道類型，尤其是在現代沉積沉積經?？梢砸姷?。而頸項截直型廢棄河道在低水動力的粉砂質或泥質河流中比較常見，在礫質與砂質河流中均發育較少(圖4)。項截直型廢棄河道由于能量較低，廢棄迅速，因此一旦形成就比較容易得到保留，因此在古代河流的露頭中與地下地質體中易見到。

圖4 廢棄河道分類圖Fig.4 Classification of abandoned channels

3 露頭河流相解剖

露頭剖面位置位北京市門頭溝區軍莊鎮曹家溝的火車站東側(圖5)。出露地層為中二疊統下部的紅廟嶺組[17-19]，大致對應中國華北地區中二疊統上石盒子組[19]。

紅廟嶺組沉積期，氣候逐漸由濕熱轉為干熱；露頭剖面巖性組合包括肉紅色、灰白色或淺灰綠色砂礫巖、砂巖、細砂巖，黑色頁巖，棕紅色—深黃色粉砂巖或泥質粉砂巖等；巖石中大型交錯層理十分發育；植物化石的組合以楔葉綱、真蕨綱及種子蕨綱為主，反映地質時代為二疊紀。因此，該露頭剖面總體反映了河流沉積環境[19]。

圖5 露頭區位置示意圖Fig.5 Location of the outcrop

3.1 沉積演變規律

該露頭砂礫巖與砂巖十分發育(圖6，7)，總體砂地比值達80%；以露頭上標記的i點界，下部地層砂地比值達85%，上部砂地比值75%左右(圖6A)。若從河道底部開始計算，即去除標記的a點與b點的溢岸與洪泛平原沉積(應屬早一期河流沉積)，那么從b點到i點，砂地比值將高達90%。砂巖或砂礫巖底部多見沖刷面(圖6A，B，C、圖7a,c)，沖刷面附近礫石多集中分布，且總體多呈向上變細的粒序，反映多為不同期次的河道沉積。單期河道底部多以砂礫巖為主，發育規模較大的槽狀層理(圖7f)；向上可過渡為板狀交錯層理(圖6D；圖7d)或平行層理；上部可見沙紋層理(圖7b)，然后逐漸過渡為粉砂巖與泥巖沉積(圖6A)。多期河道大多呈相互切割疊置的特點，而泥巖沉積相對孤立。這些現象說明下部地層為一套辮狀河沉積序列。

從i點到m點，剖面上反映出多套砂、泥互層結構，泥巖沉積表現出色淺(灰黃色—紫紅色)質雜(泥巖中多含粉細砂)的特點，砂礫巖的比例較小，且砂巖中礫石含量也相對i點下部的地層減少，多期河道疊置程度也降低了，在剖面上可識別出一套串溝(Chute)沉積(圖6C，j點與k點所對應的地層之中)，這些現象都說明上部沉積的河流類型有別于下部地層，為典型的曲流河沉積。

對比i點上、下兩套沉積地層，也可以發現下部地層中巖石粒度比上部要粗，砂礫巖及粗砂巖含量更高，且下部地層中單砂層與復合砂層的厚度要比上部地層更大(圖6A，C、圖7a～j)，反映搬運沉積物的水動力條件更強一些。

露頭剖面的下部地層呈砂包泥特征，而上部總體上呈砂泥間互特征(圖6A，C、圖7k～r)。下部地層泥巖顏色以灰黑色為主；而上部泥巖以灰黃色—紫紅色為主。這種泥巖顏色的變化正好反映了沉積期氣候從濕熱轉變為干熱。

通過上述有關該露頭的基本沉積特征，我們可以確定該露頭剖面的下部沉積為早期濕熱條件下砂包泥的沉積結構，主要反映辮狀河道的沉積；而上部沉積為后期干熱條件下砂泥間互的沉積結構，主要反映了曲流河的沉積序列。該露頭剖面也反映了從辮狀河過渡到曲流河的變化，即中間有辮—曲轉換的過程，從露頭剖面標記的f點到k點(圖6A，C)恰好是這種轉換期的沉積。該段沉積粒度逐漸減小，砂地比值也開始減??；而泥巖顏色從灰黑色轉變為灰黃色，砂巖中槽板狀交錯層理規模也開始減小(圖6C)。

該露頭揭示的這種辮—曲轉變換過程是在不同氣候條件下，由于沉積物供源的差異(粒度大小、沉積物多少及底負載量等)導致河道類型的變化。因為潮濕的氣候常使河流徑流量大且攜砂礫的能力強，所以形成的沉積巖粒度也相對更粗且砂礫含量更高，易于不穩定的辮狀河形成；而干旱氣候則正相反，由于河流徑流量相對較小導致攜砂礫的能力減小，沉積的粒度也就相對小一些，易于形成曲流河沉積。正是由于氣候從潮濕向干旱變化，導致了該露頭河流類型也從辮狀河向曲流河轉變。

圖6 北京西山軍莊火車站東側二疊系河流相露頭剖面沉積特征解釋露頭剖面呈南北走向分布，地層傾角約40度；巖性柱狀剖面(A)總長(地層厚度)78 m；露頭(B)總長約150 m(照片由于拼接略有變形)；沉積解釋剖面(C)從j點到m點長度略有壓縮(同樣由于照片拼接變形的原因)。Fig.6 Sedimentary explanation on the fluvial outcrop in the suburb of Beijing, China

3.2 廢棄河道識別

如前所述，從辮狀河向曲流河演化過程中，河流彎曲度增加，廢棄河道因之易于產生。在該露頭的辮—曲過渡型河段與曲流河段可以識別出3個廢棄河道，從下至上分別為廢棄河道I、廢棄河道II、廢棄河道III(圖6A)。以廢棄河道I最為典型，在剖面中標記的h點與i點之間，其下部發育明顯薄層狀滯留砂礫巖沉積，底部具明顯沖刷面并切蝕其下砂體(圖6E；圖7h)，向上迅速變為中—薄層狀中—細砂巖，為砂塞沉積(圖6F；圖7h，i)，最后演變為靜水沉積的灰黑色泥巖，為泥塞沉積(圖6F、圖7i)，該套泥塞沉積向上傾方向迅速減薄并尖滅(圖6C)，反映從廢棄河道向曲流河點壩沉積的快速變化。這種沉積特征恰好反映了前文所論述的頸項截直型廢棄河道的沉積序列(圖3)，即最初為活躍河道沖刷充填沉積，然后形成砂塞壩，再形成泥塞，直至最終廢棄。

從沉積序列看，廢棄河道I應為頸項截直型廢棄(圖3、表2)，這在辮曲轉換型河道中比較鮮見，推測是由于從其下的辮狀河迅速轉換成曲流河，能量迅速減弱，導致曲流河部分彎曲度迅速加大進而形成頸項截直而廢棄。這也反證了河流在地質歷史中發生了辮曲轉換過程。

廢棄河道II為典型的串溝截直型，發育在剖面的j點與k點之間，如前所述為明顯的串溝沉積(圖6C)，這一串溝切蝕到了早期的河道之中，并且向兩側迅速發生減薄，外形呈小型下切河道的特征；而廢棄河道III發育中剖面的l點到m點之間(圖6A)，根據前文所論述的III種類型的廢棄河道沉積序列看，也應屬于串溝取直型，只不過串溝沉積在露頭區并未保存下來。

4 結論

(1) 河流變遷可形成辮—曲過渡型河道。這種類型的河道兼具辮狀河與曲流河的特點，心灘壩與點壩在垂向上可疊加，而平面上它們可同時出現。辮—曲轉換存在兩種情況，即迅速轉換與緩慢轉換。

(2) 河流的廢棄過程與廢棄河道類型有三類，即頸項截直、串溝取直及分叉分流。它們具有不同的沉積序列，尤其是在砂塞與泥塞發育程度上有明顯不同。不同類型廢棄河道形成機制也不同，與河流類型、彎曲度等因素有關。

(3) 露頭剖面中揭示的現象印證了廢棄河道的形成不是直接由泥塞導致廢棄，而是先有砂塞，再有泥塞，才最后發生廢棄。需要說明的是由于露頭保存條件，判斷廢棄河道類型仍存在不確定性。

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Meander-braided Transition Features and Abandoned Channel Patterns in Fluvial Environment

LI ShengLi1，YU XingHe1，JIANG Tao2，LIANG XingRu3，SU DongXu1

1. School of Energy Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China 2. Research Institute of Exploration and Development, Xinjiang Oilfield, PetroChina, Karamay, Xinjiang 830013, China 3. Huabei Oilfield Company, PetroChina, Renqiu, Hebei 062552, China

Based on summing up the great variability and dynamic behavior of rivers, we analyzed the meander-braided transition characteristics and constructed its sedimentary sequence. According to the relationship between sinuosity and abandoned channels, we divided abandoned channels into three patterns which are avulsion, chute cutoff- and neck cutoff- abandoned channel, respectively, and each pattern has its particular sedimentary sequence model. Furthermore, by analyzing the sedimentary characteristics from a Permian fluvial outcrop located in Beijing western suburbs, we clarified the evolution of braided, meander-braided transition and meandering channels and distinguished three abandoned channels. We reached the conclusion that the main factor leading to meander-braided transition in the study area is the change of sediment supply caused by different climate conditions.

meander-braided transition of river; sedimentary sequence; abandoned channel; fluvial environment in Permian

1000-0550(2017)01-0001-09

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.01.001

2015-11-16；收修改稿日期： 2016-03-04

國家自然科學基金項目(41572080，41272132)；中石油華北油田重大科技專項(HBYT-YJY-2015-JS)[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 41572080, 41272132; Science and Technology Projects of Huabei Oilfield Company, CNPC, No. HBYT-YJY-2015-JS]

李勝利，男，1971年出生，博士，副教授，儲層沉積學，E-mail: slli@cugb.edu.cn

P512.2

A