洪水沉积岩的特征

由于洪水事件发育的环境条件(地质背景)不同,洪水沉积岩的特征和相序组合也不同。在地质历史时期,洪水事件大多发生在大陆冲积扇、河流和三角洲环境中,从而形成了各具特点和相序组合的洪水沉积类型。

1.山洪事件形成的洪水沉积特征

山前洪水事件在平面上呈扇形,通常称为冲积扇(图3-4)。冲积扇是由山区洪水带出,因坡度减小堆积在山口山麓,呈扇形分布的粗粒锥形堆积体。在冲积扇中,扇根相、扇中相和扇末相从根部向边缘依次堆积(图3-5)。

图3-4现代冲积扇(冲积扇)宏观形态特征

图3-5山区冲积扇沉积模式

扇根相堆积以巨砾岩块堆积中加入中细砾石或砾石透镜体为特征。事实上,巨砾岩块堆积多为山区泥石流物质堆积,岩石大多倾向于向上游倾斜。扇内堆积的特点是砾石层或砾石、砾石透镜体夹在下部和上部之间,下厚上薄,是冲积扇形成过程中扇体纵坡缓慢的结果,夹层或透镜体是舌状古河道内的堆积。扇端沉积以洪水沉积为主,具细平均颗粒、细砾石和粗砂透镜体,发育层状构造、大型斜层理构造和槽状交错层理构造。

冲积扇主要由泥石流沉积组成,包括泥流和泥石流沉积。

(1)泥石流:又称泥石流,是一种由泥沙(砾石、泥、砂)和水的混合物组成的高密度、高粘度、可塑流体。材料在骨料中沿剪切面移动,并在重力作用下成块运输。泥石流的形成与源区母岩的性质密切相关:在母岩为泥质岩,植被不发育,地形坡度较陡的情况下,由于暴雨,水量会在短时间内突然增加(泛滥),甚至侵蚀作用增强,携带大量泥沙形成泥石流。具有以下特点:①分选差,砾石、砂、泥混杂;②圆度差;③层理不发育,多为块状构造,有时有渐变层理;④杂基支持着碎片颗粒。

(2)泥石流:泥石流的一种,不含大于4 mm的砾石,主要由砂粒和泥质组成。

总的来说,在洪积扇中形成的洪水沉积岩(图3-6)具有以下特点:①岩石常呈红色;②常含与干燥气候条件有关的石膏盐和方解石结核;③在整个层序中,砾岩占很大比例;④层理不发育,常为块状构造;⑤可单独出现,多沿山麓形成裙带关系。

图3-6冲积扇中形成的洪水沉积岩

2.平原河流洪水事件的洪水淤积特征。

平原河流主要是辫状河和曲流河,与洪水事件有关的沉积环境包括残积洪水沉积、河流洪水沉积、天然堤洪水沉积、泛滥平原洪水沉积和牛轭湖沉积。

(1)残余洪水沉积

这类矿床主要发育在河流相的主河道中,形成于主流线位置的河床深槽中。如果河道横向迁移或沉积动力条件发生较大变化,就会被后来的冲积物掩埋,成为厚层洪水沉积底部的粗粒沉积,河底在其下方。侵蚀洪水沉积的物质来自河床底部被侵蚀后的粗粒残留物,也可能是其他沉积物被洪水侵蚀改造后的残留物,如河流两岸的崩塌堆积,河流两岸的滑坡泥石流堆积,或历次特大洪水的堆积。洪水的侵蚀转化主要是使部分岩石再次破裂,大部分较小的颗粒被洪水冲走,只留下粗粒岩石、部分密度特别大的物质和部分棱角尖锐的岩石物质,不容易被冲走。侵蚀堆积通常是大小岩石的不规则排列,但岩石间常有磨圆的砾石和粗砂。

(2)河流洪水淤积

其在河床上的堆积高度可达平滩水平或距洪水位约1m的高度。山区河流河床相以砾石堆积为主(图3-7),平原河流河床相以砾石粗砂为主(图3-8),河口段河床相堆积以细砂为主。河床相堆积的沉积结构特点是颗粒矿物成分复杂,但抗风化和抗磨性稳定的矿物较多,重矿物含量自上而下增加,颗粒较粗。平均粒度自下而上递减,粒度分选较好,平均磨矿也较好。河床相沉积的沉积构造以发育叠瓦状构造或斜层理、颗粒层理为特征。砂层中的倾斜层面向下游方向倾斜。若河道为侧向转移,则凸岸河床相堆积的倾斜层面向凹岸下部倾斜或与主流方向相交。有时在斜层理面上可见到有机质含量高的粘土薄层或沿层理面倾斜的薄层。

图3-7山区河流和河床相砾石堆积特征

图3-8洪水期平原河流沉积特征

以降水补给为主的河流,水动力条件变化明显。当气候变暖变湿时,降水量增加,形成的沉积物以粗颗粒为主,反之则以细颗粒为主。

(3)天然堤洪水淤积

天然堤是洪水漫过河岸时,河流两岸的泥沙淤积(图3-9)。沉积高度高于水平面和滩面,但低于洪水位。因此,在洪水过境期间,它将继续积累和增加。天然岩脉的粒度一般小于河床滩的粒度,但大于河漫滩相沉积的粒度,主要由细砂岩、粉砂岩和泥岩互层组成。重矿物的相对含量也高于河漫滩堆积。

(4)河漫滩洪水沉积

洪水期间,河水漫过天然堤,天然堤外低洼平坦处的泥沙以大量悬浮物发育为特征。垂直位于河床或天然堤的上部,属于洪峰沉积。其平均粒度较细,主要由泥岩等细粒沉积物组成,重矿物相对含量较低,有时出现较多片状矿物,平均有机质含量较高。洪泛区洪水沉积的显著特征是水平层理和波状层理的发育。洪泛区堆积中有许多虫洞、根洞、动物足迹和各种扰动构造。河漫滩的最大厚度不会超过当地水位和洪水位之间的高度差。但在构造运动的沉降区或局部水位逐渐上升的地区,洪泛区洪水沉积物的堆积厚度可能超过上述洪泛区堆积的最大厚度。

图3-9洪水期天然堤淤积过程示意图

图3-10现代河流的河漫滩沉积物

河漫滩实际上是在河床堆积组成的边滩基础上形成的,由洪水溢流形成的河漫滩相细颗粒沉积而成(图3-10)。因此,河漫滩的沉积结构和沉积构造的特征基本上是二元结构,即河床下部的沉积物颗粒较粗,具斜层理或交错层理;上部河漫滩沉积颗粒较细,近水平层理或波状层理发育。河漫滩的特点是没有逃脱洪水的威胁,所以河漫滩的顶部总是低于该地区河流的洪水位。高洪泛区是指仅被特大洪水淹没的洪泛区,即高洪泛区的滩面高于该地区的一般洪水位。

(5)牛轭湖的洪水沉积

主要是河流截流形成的废弃河流泥沙充填。截断分为跨槽截断和颈部截断两种(图3-11)。这条废弃河道中的沉积物主要是洪水带来的细粒物质,如粉砂岩和泥岩(图3-12)。在横切过程中,老河道逐渐废弃,因此在沉积物中出现了一套较厚的低水流沉积构造序列。在切颈过程中,老河道突然断流,水流突然减为零,所以沉积层序主要是后期洪水携带的淤泥和粉砂岩。

3.洪水事件形成的平流沉积特征

洪峰过渡到高水位,在缓坡或古河漫滩溢出。该部分水深很浅,水体只向岸边涌来,其沿洪水的纵向流速接近或等于零。这部分过水断面成为洪水断面的滞水断面,滞水断面的悬浮物沉积是洪水事件的平流沉积。洪水平流沉积具有以下特点:平均粒径相对较细,沉积物中有机质含量略高,其沉积部分分布特别多,非常接近最高洪水位。并且在它形成之后,可能被从岸坡上下来的其他沉积物所掩埋和保存。例如,在黄河小浪底水利枢纽附近的取土坑边缘,1994年8月2日洪水的平流淤积尖端与洪水标志一样高(图3-13),说明平流淤积尖端是本次洪水的最高水位。因此,古洪水研究应努力寻找该地区的古洪水平流沉积。

图3-11切割-弯曲矫直和弯曲-颈部矫直及其沉积顺序

(据沃克1976)

va——垂直增生;AB ——河道废弃沉积;ACT—-主动渠道存款

图3-12现代河流发育的牛轭湖

图3-13黄河小浪底河段1994取土坑洪水淤积剖面图

(1)平流沉积的研究意义

洪水期,河流漂流着花粉、枯枝落叶等有机物,以及退水沉积的平流沉积物。它是洪水信息的载体,不仅可以提供洪水水位(流量),还可以利用放射性同位素、考古、发光测年等。,还可以获得古代洪水的年代,从而获得全新世以来的重大洪水信息。而且古洪水的研究以洪水沉积物为研究载体,实地有实物证据,研究结果不会因人而异,这也是古洪水研究优于暴雨径流估算洪水的地方,所以古洪水的研究有助于发现河流洪水的发展规律。

研究洪水事件最重要的是准确确定和获得古代洪水的平流沉积物。洪水期间,河湖上有漂浮的悬浮物,由幼芽、花粉、植被、断叶、树根和有机质较多的泥砂组成。水退去后,这些悬浮物被崩塌的土壤或斜坡沉积物所覆盖和掩埋,称为洪水平流沉积物。

(2)洪水平流沉积的识别

确定和获取古洪水平流沉积物是古洪水研究中的一个关键问题。识别不同平流沉积物的沉积学指标和最适合其形成的河流环境指标见表3-3。古代洪水沉积遗址必须满足的条件包括:①适宜的泥沙来源或流域内细泥沙的出现。②适宜的保存条件。古洪水平流沉积物的最佳沉积场所是峡谷附近的洞穴、凹壁或岩石古悬崖,这些地方保存得最好,以避免洪水后的侵蚀,或斜坡运动或地表植被改造的破坏。支流、河口、河谷突然变窄或变宽的转弯处,也是洪水平流沉积的理想场所。

表3-3判断单一洪水事件的沉积学指标

洪水平流沉积物的连续层,或多层沉积单元,可能连续沉积数百年甚至数千年,并记录在特定的沉积剖面中。为了识别这些沉积物,需要进行详细的地层划分,并应特别注意解释古代洪水沉积物的不连续性和接触,这表明了一次独立的古代洪水。利用以下一种或多种标志,可以清楚地识别出沉积剖面中的单个洪水沉积单元:①洪水沉积单元顶部出现细泥沙覆盖层,代表洪水消退;(2)在两个连续的洪水单元之间有一层非洪水沉积物,如崩塌沉积物、从洞顶落下的碎屑,甚至是从洞中滴落的沉积碳酸盐;③支流粗粒冲积层与支流河口干流洪水平流沉积细粒层的交替韵律;(4)洪水后裸露沉积物表面的生物扰动;⑤被后续洪水侵蚀的旧洪水沉积单元的侵蚀面;⑥洪水沉积单元物理特征的变化,如沉积物颜色或粒度的变化,可能是由各种洪水事件发生时不同的沉积来源或不同的动力条件等多种因素引起的;⑦埋藏古土壤出现;⑧沉积物硬化或残余泥裂的存在,代表地表暴露于外界的过程。

国内外古洪水研究的最新发现,不仅阐明了古洪水平流沉积在古洪水研究中的重要性,也提出了深入研究古洪水平流沉积本身以提高洪水事件研究科学水平的必要性。

(3)洪水平流沉积的发育特征

古河流洪水产生的平流沉积在沉积结构如沉积体的沉积结构、形状和颜色以及沉积结构如粒度、分选和矿物组合等方面具有可识别的标志,对确定洪水事件具有重要意义。

1)平流沉积物的颜色:由于平流沉积物往往被当地的坡面沉积物所掩埋,因此来自河流上游的平流沉积物往往与当地的坡面沉积物颜色明显不同。在长江三峡,当地人把所描述的古代洪水平流沉积物称为“陈洪泥”。但需要注意的是,颜色的变化可能使盆地某一特定河段的古洪水沉积物具有象征性特征,但不能作为大范围判断古洪水沉积物的最重要标志。

2)平流沉积物的沉积结构特征:由于平流沉积物是在特殊的水动力条件下形成的,因此在沉积层理、沉积体的形态和颜色上具有明显的特征:①在沉积层理中,平流沉积物是在流速接近于零的条件下形成的,因此往往由于波浪扰动而形成极薄的水平层理或薄的波状层理。这种层理的厚度往往只有1 ~ 2mm,由于颗粒细,形成时间长,结构非常致密。平流沉积物之下是河漫滩沉积物,具有明显的斜层理或交错层理。(2)从沉积体的形态来看,由于沉积体形成于最高洪水位,在山区河流中,洪水一般在河谷斜坡较高部位的缓倾斜平台上形成平流沉积;由于厚度不同造成的差异压实和地形的影响,沉积体往往有端部倾斜的现象。

3)平流沉积物的沉积结构:①平流沉积物的粒度特征。洪水平流层沉积物形成于静水环境附近,因此其粒度较细,沉积物中的砂成分相对较少。粒径参数的概率图和累积概率曲线都表现出许多悬浮组分的特征,偏度系数可能更为正。②分选性:平流层沉积物形成的特殊水动力条件决定了这类沉积物具有良好的分选性。

4)平流沉积物的重矿物组合规律:重矿物组合规律有助于识别古洪水的平流沉积物。由于平流沉积物是在流速极低的情况下形成的,因此与正常的河流沉积物相比,平流沉积物中重矿物的含量较低,且重矿物种类单调。