末端扇沉积相是什么？关于末端扇沉积相的科普介绍

创闻用户 2022-08-05 17:14:26

末端扇由于处于干旱－半干旱环境下的河流末端，水流强度不大，沉积物大多暴露在地表，而部分处于湖水面以下的远源溢岸沉积，也由于水体较浅而受到不同程度的氧化作用，因此末端扇沉积物多以细粒砂岩沉积为主，砂岩中泥质含量高。砂岩颜色以浅棕色为主，泥岩沉积多为紫红色、浅棕色，缺乏暗色泥岩沉积物，这是末端扇沉积的重要特征。此外，末端扇沉积中常含有碳酸盐矿物，这是由于季节性降雨或地下水位上涨时形成临时性湖泊的盐碱地，在干旱气候环境强烈的蒸发作用下，最终盐度达到饱和发生岩盐沉积，它是与碎屑岩沉积同时进行的。

概念及研究历史

研究历史

对末端扇沉积相和沉积模式的研究经历了一个漫长的过程。“末端扇”（terminal fan）一词最早出现在沉积学文献中是用来描述干旱地区河道体系的一个引人注目的现象，即：河道延伸到下游某一点，就完全消失了。Mukherji 第一次对印度马坎达（Markanda）河地区扇体的形态学外貌作了详细的描述。Friend指出某些古河流系统末端的地形呈舌状形态，河流向下游深度递减，而且这些河流相地层缺乏明显的河道切割。他提出这些河流相沉积物是由末端扇沉积作用形成的。此后人们通过对全球各地区末端扇岩相、沉积构造和沉积模式的研究，加深了对末端扇概念和沉积模式的认识。Parkash等继Mukherji之后对印度北部马坎达地区扇体的岩相和沉积构造做了详细的描述，对其沉积学特点做了总结，第一次对末端扇进行了沉积相带的划分。

末端扇研究的重要转折点是 Kelly和Olsen对末端扇定义及相模式的提出。他们通过对已有文献的总结和当时普遍接受的干旱地区河流特点的考虑，提出了末端扇的概念。Kelly和Olsen认为，末端扇是在干旱－半干旱环境下，河流末端由于蒸发流量消减，随着地形坡度逐渐变缓，水流向四方散开，流速骤减，碎屑物质大量沉积，邻近补给河道区的宽而浅的河道向扇体转变并逐渐变成片流，在这种情况下形成的扇状堆积体。Kelly和Olsen还把该模式与格陵兰、英格兰和爱尔兰地区的泥盆纪盆地实例做了对照，对扇体中砂体的规模和特点进行了推测，分析了末端扇的沉积层序，把古代实例与现代分流体系相结合构建了简明的末端扇相模式和沉积模式。

自Kelly等总结出末端扇的相模式和沉积模式以后，人们对末端扇的认识提高到一个新的高度，并且将其沉积模式运用到不同地区不同沉积环境的地层研究中，取得了重大突破。Newell等研究了俄罗斯前陆盆地南乌拉尔阶上二叠纪横向河流系统（Transverse Fluvial System），对Kelly等提出的末端扇沉积环境和三层沉积结构的观点表示赞同，并对该区的末端扇沉积环境和沉积相特征进行了详细描述。

在国内，张金亮等在湖泊储集砂体中提出砂质洪水岩砂体的概念，认为在浅水充氧陆源湖泊相中广泛发育的红色砂岩层，为浅水砂质洪水流的产物，称为洪水岩，也有人将其称之为洪水－漫湖沉积，还有人称之为滨岸沙泥坪－河流末端沙坪沉积，这一沉积与末端扇沉积具有相似之处。之后，张金亮等对东濮凹陷濮城地区沙二上亚段的沉积特征进行了详细分析，认为该地区为干旱－半干旱气候条件下的末端扇沉积，并在总结国外末端扇研究的基础上，将濮城地区末端扇沉积相划分为近端亚相、中部亚相和远端亚相，建立了该区的末端扇沉积模式，这是国内第一次系统的对末端扇沉积相和沉积模式进行具体研究。

总的来说，末端扇的沉积环境较为多样化，但它主要是干旱－半干旱环境下，河流末端由于蒸发流量消减，流速骤减，碎屑物质大量沉积形成的，是河流末端推进到不稳定水体的砂质扇状堆积体。

末端扇沉积环境概述

“末端扇”从它出现起就与干旱环境紧密相关。Parkash等认为印度马坎达河发育在半干旱地区（平均降雨量530mm），并指出末端扇常被认为是干旱地区的典型沉积。

Abdullatif通过野外地质考察和卫星照片，清楚地描述了喀什河流（Gash River）经苏丹东南卡撒拉镇（Kassala）后，最终消失在沙漠中的现象。此外，Abdullatif还描述了该区末端扇以片流为主的末梢区域。美国南温塔盆地（Southern Uinta Basin）绿河（Green River）下游出现的末端扇沉积主要发育于湖盆边缘，碎屑沉积的末端扇体系结构与引发湖平面上下摆动的潮湿到干旱环境的不断循环密切相关。在干旱时期，湖平面下降，广阔的湖泛平原暴露出水面，几乎没有沉积作用发生；而在雨季来临时，不断增加的降雨量在湖泛平原上形成能量越来越强的洪流，同时末端扇体系向湖推进，由于充足的沉积空间及洪水带来的足够的碎屑物质，在湖泛平原上堆积了一套末端扇的厚层碎屑岩沉积；雨季高峰过后，降雨量不断减少，不断减少的雨量导致洪流越来越弱，末端扇体系开始退积。Kelly指出，在英格兰、爱尔兰和格陵兰的一些泥盆纪盆地末端扇沉积体系中，河流蒸发和流量损失严重，末端扇特有的分流河道的特点也反映了河流能量的损失和流量的时空波动。Newell研究了俄罗斯前陆盆地南乌拉尔阶上二叠纪横向河流沉积系统，提出该地区末端扇主要是由半干旱环境下季节性降雨带来的碎屑沉积填充形成。

由于末端扇沉积过程中主要受到牵引流控制，因此层理构造发育较好。末端扇层理构造以小型槽状交错层理和平行层理最为发育，少见大型槽状交错层理及板状交错层理。处于湖盆边缘的末端扇远源漫溢相沉积砂岩中还可见有浪成沙纹层理和浪成沙纹，这是由于洪水期湖水上涨淹没使得沉积作用位于浪基面以上的浅水地带造成的。

末端扇相沉积模式

末端扇沉积相分为近端亚相、中部亚相、远端盆地三个亚相。末端扇各个亚相在岩性、沉积构造、沉积物结构、垂向组合等方面各具特征。

近端亚相沉积特征

近端亚相（Proximal subfacies）主要由补给河道和河道间沉积组成，整个沉积环境由冲积河流控制，碎屑颗粒粒度是末端扇沉积体系中最粗的。近端亚相又称补给区、补给带（Feeder zone）、内扇。

近端亚相的水流形式包含了完全约束(河道砂体)、完全无约束(单个薄层砂体)以及两者的混合部分(翼状砂体和叠加砂体)三种。补给河道中有时发育河道沙坝。在洪水期，因水位较高，河水携带的细粒物质溢出河道两岸，在低洼地区沉积则形成补给河道间沉积，个别地区的末端扇体系补给区不发育，如爱尔兰西南部Munster盆地末端扇体系。

（1）补给河道

补给河道一般深而窄，厚度5～12m，宽约100m。河道底部具有微冲刷或强烈冲刷，上覆滞留砾石和大量的泥砾、泥屑。

补给河道充填通常由数个单河道叠置组成，沉积物主要是中－细粒的河道砂岩，间夹粉砂岩，而河道底部则以砾质砂岩为主。河道砂体主要为由红色泥岩基质支撑的砂岩体，成分复杂，颗粒大小混杂，泥质含量高，分选一般很差。砂体以垂向加积沉积作用为主，呈向上变细的正韵律，排列类型多种多样。

补给河道砂体层序中平行层理发育，亦有小型槽状交错层理、大型槽状交错层理和板状层理发育，向上粒度变细，顶部以波状层理和沙纹层理为主。丰富的平行层理说明水流是短期的，但强度很大。在部分地区的河道底部可见砾质沙丘迁移形成的槽状充填构造。

（2）补给河道间

补给河道间沉积位于补给河道之间的低洼地区，是溢岸减速水流在泛滥平原上侧向流动，遇到细粒悬浮沉积的堵塞而沉积形成的。河道间沉积物主要来源于低浅河道中的悬浮物质，以厚层浅棕色泥岩、粉砂岩互层沉积为主，泥岩中还夹有少量薄层粉细砂岩互层沉积，局部存在风成沉积物。河道间沉积层理构造并不发育，仅在部分砂岩中发育水平层理和透镜状层理，并可见低角度花彩弧状交错层理，这说明说明沉积过程中没有岩性的变化或缺少生物扰动。由于强烈的蒸发作用，部分地区的河道间沉积盐度会达到饱和并发生一段时间的岩盐沉积，局部发育初期的钙质壳和泥裂。在垂向上，补给河道间泥岩沉积主要出现在河道层序的底部，并向上突变为中部亚相分流河道砂体，整个沉积层序呈向上变细的正韵律。

总的来说，近端亚相由发育较好的砾质补给河道和与之相伴生的河道间沉积组成。沿河道下游方向，单个河道充填厚度明显变薄，补给河道数量减少。沿河道下游方向，沉积物特征也呈现相应变化：补给河道充填沉积逐渐变为分流河道和漫溢沉积；河道底部的冲刷充填和槽状交错层理逐渐变为平行层理和块状层理。

中部亚相沉积特征

中部亚相（middle subfacies），又称分流区（distributary zone）、中部带（middle zone）。中部亚相位于近端亚相的前方，是末端扇沉积体系的主体和河道的主要发育区，也是砂体最发育部位，砂岩含量高，未见砾岩发育。中部亚相主要为厚层粉细砂岩沉积，局部存在中细砂岩沉积，伴生有风成沙丘和席状砂岩沉积，河道砂体和席状砂岩以及漫溢沉积同时存在。粉细砂岩内部以平行层理最为发育，而在中细砂岩内部则有槽状交错层理发育。

根据中部亚相沉积物特征可将其进一步划分为三个个沉积微相：分流河道、泥滩和河道漫溢。

（1）泥滩

泥滩相主要发育在末端扇体之间的低洼地区，沉积物以较浅的阻塞洪水作用下的悬浮沉积为主。岩性主要为厚层红色泥岩、薄层含有干裂的泥岩、薄层灰绿色泥岩、含粉砂泥岩及含泥粉砂岩。

粉砂岩单元经常呈块状或不明显的层理，具有明显的生物扰动构造，并常见砂质充填多边形和初期钙质结核。

（2）分流河道

分流河道是末端扇中部亚相的重要组成部分，也是上游方向河流补给河道的继承。由于干旱气候下间歇性洪水作用，末端扇的河流作用强，推移质与悬移质比值较高，分流河道较为发育，所以成为末端扇的骨架砂体。

（3）河道漫溢

河道漫溢微相为洪水期分流河道水流溢出形成的沉积物。沉积初期由于洪水流作用，上游河道遭遇侵蚀，砂体向下游运移并溢出河岸，随着分流河道逐渐向下游延伸，漫溢砂体沉积增多并向四周扩散，最终形成大面积的漫溢砂体沉积区域。该区域多以薄层的粉砂岩和厚0.5－2.0m的细砂岩组成，泥质含量较高，少见中粗砂岩沉积，分选极差，一般以颗粒流形式沉积为主，细砂岩沉积内部发育小型交错层理、平行层理和波纹层理，平行层理中还存在原生水流线理。根据离河道远近和沉积物特征，又可以将其细分为近河道漫溢和远河道漫溢两种微相。

远端亚相沉积特征

远端亚相（distal subfacies），又称盆地带（basinal zone），主要位于河道漫溢相前缘、末端扇向盆地方向，在不同沉积环境下其组成不同。

干旱环境下，盆地中心地势较高，往往不能形成很好的水体聚集区。在这种情况下，末端扇沉积向盆地中心推进，形成细粒的盆地区域沉积，也叫做泛滥盆地沉积。在该区，分流河道经过进一步的多次分割，能量衰减，最后在泥质洪积盆地终止。在末端扇前缘洪积盆地沉积中，由于气候干旱，河流流量和沉积砂量沿下坡大量减少，沉积物以泥质为主。此外，沿下坡方向，除了表面溢流的变化，还有地下水流的变化。干旱气候下的蒸发作用使得地下浅水区的盐度沿下坡升高，这造成了泛滥盆地中岩盐的发育。

末端扇典型实例

俄罗斯乌拉尔前陆盆地是一个南-北向线性延伸的沉积中心，是一个由乌拉尔造山带的构造载荷作用在欧洲稳定地块产生的褶曲形成的不对称结构。Newell等研究了盆地南乌拉尔上二叠纪横向河流沉积系统，认为该地区末端扇主要是半干旱环境下季节性降雨带来的碎屑沉积充填形成，并将其分为补给亚相、中部亚相和洪积盆地亚相三个亚环境。中部区域为末端扇最重要的沉积地带，主要由泥滩、分流河道、细粒溢岸沉积和粗粒溢岸沉积构成，垂向上为一向上变粗的层序。