洪水沉积岩的特征

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由于洪水事件发育的环境条件（地质背景）不同，导致洪水沉积岩的特征及相序组合不同。地质历史时期洪水事件多发生于陆相洪积扇、河流、三角洲环境，以而形成了具有自身特征和相序组合的洪水沉积类型。

1.山地洪水事件所形成的洪水沉积特征

山前洪水事件沉积在平面上呈扇形，通常称为洪积扇（图3-4）。洪积扇是由洪水将沉积物以山区带出，在山口的山麓地带因坡降减小堆积而成扇状分布的粗粒锥状堆积体。洪积扇以根部向边缘方向相继出现扇根相、扇中相与扇端相堆积（图3-5）。

图3-4 现代洪积扇（冲积扇）宏观形态特征

图3-5 山区洪积扇沉积模式图

扇根相堆积的特点是巨砾岩块的堆叠加中细砾或砂砾透镜体，巨砾岩块堆叠实际上多数是山地泥石流物质的堆叠，大部分岩块有向上游方向倾斜的趋势。扇中堆积的特点是下粗上细夹砾石层或砂砾质、砾质透镜体，下粗上细是洪积扇形成过程中扇面纵向坡度变缓的结果，其中的夹层或透镜体是舌状延伸的古河道中的堆积。扇端堆积主要是洪水泛滥沉积，平均颗粒比较细，夹细砾粗砂透镜体，发育层状构造、大型斜层理构造及槽状交错层理构造。

洪积扇中主要由泥石流沉积物组成，包括泥流和泥石流沉积。

（1）泥石流：又称碎屑流，是由沉积物（砾石、泥砂）与水的混合物构成的一种高密度、高黏度、可塑性状态的流体。物质沿聚集体内的剪切面运动，在重力作用下呈块体搬运。泥石流的形成与源区母岩性质密切相关：在母岩为泥质岩类且植被不发育、地形坡度较陡的情况下，因暴雨而造成短期内水量骤增（洪水），以至侵蚀作用增强，大量泥砂被携带而形成泥石流。具有如下特征：①分选极差，砾、砂、泥混杂；②磨圆度差；③层理不发育，多呈块状构造，有时见递变层理；④碎屑颗粒由杂基支撑。

（2）泥流：是泥石流的一种，不含＞4mm的砾石，主要由砂和泥质物组成。

总体来看，洪积扇中形成的洪水沉积岩（图3-6）具有如下特征：①岩石常具有红色色调；②常含有干旱气候条件下有关的膏盐、方解石结核；③整个层序中，砾岩所占比例大；④层理不发育，常为块状构造；⑤可单个出现，更多沿山麓组成裙带状。

图3-6 洪积扇中形成的洪水沉积岩

2.平原河流洪水事件所形成的洪水沉积特征

平原河流主要为辫状河和曲流河，与洪水事件有关的沉积物沉积环境包括蚀余洪水沉积、河道洪水沉积、天然堤洪水沉积、河漫滩洪水沉积和牛轭湖沉积。

（1）蚀余洪水沉积

该类沉积主要发育于河流相的主河道，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，它就会被后来的冲积物掩埋，成为厚层洪水沉积底部的粗颗粒沉积，其下为槽底。蚀余洪水沉积的物质来源于河床底被侵蚀后的粗颗粒残留物，也可能是已形成的其他堆积物被洪水冲蚀改造的残留物，如两岸的崩塌堆积，两岸的滑坡泥石流堆积，或以前特大洪水的堆积等。洪水的冲蚀改造，主要是使部分岩块发生再破裂，和大部分较细小颗粒又被洪水冲走，仅留下粗大岩块、部分密度特别大的物质和部分棱角分明又互相镶嵌因而不易被冲走的岩块物质等。蚀余堆积通常是大大小小的岩块呈不规则排列，但在岩块之间常有磨圆很好的砾和粗砂。

（2）河道洪水沉积

它在河床上的堆积高度可以达到平滩水位上下，或者距离洪水位1m左右的高度。山地河流河床相以砾石堆积为主（图3-7），平原河流的河床相以含砾粗砂为主（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征是颗粒矿物成分比较复杂，但多抗风化、抗磨蚀比较稳定的矿物，重矿物含量自上而下增多，颗粒比较粗。平均粒度自下向上变小，颗粒大小分选比较好，平均磨圆也比较好。河床相沉积的沉积构造特征是发育叠瓦状构造或斜层理、粒序层理。砂层中的斜层理层面向下游方向倾斜，若在河道横向迁移情况下，凸岸的河床相堆积斜层理层面倾向凹岸的下方，或与主流方向相斜交。有时，在斜层理层面可见黏土质薄层或有机质含量比较高的顺层面倾斜的薄层。

图3-7 山地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

河流水动力条件的强弱变化在主要由降水补给的河流中反映很明显，当气候变暖湿时，降水量增多，形成的沉积物以粗粒为主，反之，以细粒为主。

（3）天然堤洪水沉积

天然堤是在洪水漫过河岸时，在河道两侧边缘发生的泥砂沉积（图3-9）。沉积高度高于平水位和边滩面，而低于洪水位。所以，在洪水过境期间会在其上继续加积增高。天然堤的粒度，一般小于河床边滩而大于河漫滩相沉积，主要由细砂岩、粉砂岩及泥岩互层组成。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，在天然堤外侧地势低洼平坦处的沉积物，以发育大量悬浮物质为特征。垂向上位于河床或天然堤的上部，属于洪水顶层沉积。它的平均粒度比较细，常以泥岩等细粒沉积物为主，重矿物相对含量比较低，有时会出现较多的片状矿物，有机质含量平均偏高。河漫滩洪水沉积的显著特点是发育水平层理和波状层理。河漫滩堆积中有较多的虫孔、根孔、动物的行迹及多种多样的扰动构造。河漫滩的最大厚度不会超过当地平水位与洪水位的高度差。但是，在构造运动沉降区或当地水位逐步上升的地区，河漫滩洪水沉积物的累积厚度就有可能超过上述的河漫滩堆积最大厚度。

图3-9 洪水期天然堤沉积过程示意图

图3-10 现代河流的河漫滩沉积

河漫滩实际上是在河床堆积组成的边滩基础上，加上由洪水泛滥溢出而形成的河漫滩相细颗粒沉积而成的（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，即下部的河床沉积积颗粒比较粗、发育斜层理或交错层理；上部的河漫滩相沉积颗粒比较细、发育近水平的水平层理或波状层理。河漫滩的特点是尚未脱离洪水泛滥的威胁，因而河漫滩顶面总是低于该地河流的洪水位。高河漫滩是指仅有特大洪水才被淹没的河漫滩，即高河漫滩滩面已高于该地的一般洪水位。

（5）牛轭湖洪水沉积

主要是河流的截直作用形成的一种废弃河道沉积充填物。截直可分为串沟截直和颈项截直两种（图3-11）。这种废弃河道中的沉积主要是洪水带来的比较细粒物质，如粉砂岩、泥岩等（图3-12）。在串沟截直过程中，旧河道逐渐废弃，因此，在沉积物中有一套很厚的低水流量的沉积构造的序列。在颈项截直过程中，旧河道突然截断，水流量突然减少到零，故其沉积的序列以晚期洪水携带的泥、粉砂岩为主。

3.洪水事件所形成的平流沉积特征

洪峰过境达到高水位，并漫上平缓的岸坡或古漫滩，该部分水深很浅，水体只有一股股地向岸涌动，而其顺洪流的纵向流速接近或等于零，该部分过水断面就成为洪水断面中的死水断面，死水断面中的悬浮物质的沉积即为洪水事件平流沉积。洪水平流沉积具有以下特点：平均颗粒比较细、沉积物中的有机质含量稍偏高、其沉积部位的分布也特别高，非常接近最高洪水位。而且在它形成之后，有可能被岸坡上下来的其他堆积物掩埋保存。例如，黄河小浪底水利枢纽附近的取料坑边部，1994年8月2日洪水的平流沉积尖灭端与洪痕一样高（图3-13），表明平流沉积的尖灭端即为该次洪水的最高水位。因此，古洪水研究要尽最大努力找到该地的古洪水平流沉积。

图3-11 截弯取直和曲颈取直作用及其沉积层序

（据沃克，1976）

VA—垂向加积；AB—河道废弃期沉积；ACT—活动河道沉积

图3-12 现代河流边发育的牛轭湖

图3-13 黄河小浪底河段取料坑中1994年洪水沉积剖面图

（1）平流沉积的研究意义

河流在洪水期漂流着由流域面上带来的抱子花粉、枯枝落叶等有机物，因退水而停留沉积下来的平流沉积物，它是洪水信息的载体，不但可以提供洪水位（流量）而且利用放射性同位素、考古学、释光测年等，还可求得古洪水发生的年代，以而得到全新世以来的大洪水资料。而且古洪水研究以洪水沉积物为研究载体，在野外有物理实证，研究结果不会因人而异，这也是古洪水研究优于用暴雨径流估算洪水的地方，所以古洪水研究有助于寻找河流洪水的发育规律。

对于洪水事件研究最为关键的是对于古洪水平流沉积物的准确判定和取得。洪水时期的河流及湖泊水面漂流着由流域面带来的抱子、花粉、草木、碎叶、根茎及有机质较多的泥砂组成的悬浮物质，退水后这些悬浮物质如被坍塌泥土或坡积物所覆盖掩埋，这就是洪水平流沉积物。

（2）洪水平流沉积的识别

确定和取得古洪水平流沉积物，是古洪水研究中的关键问题。识别不同平流沉积物的沉积学标志和最适于它们形成的河流环境标志见表3-3。古洪水沉积地点必须满足的条件包括：①适宜的沉积物来源或流域内细粒沉积物的出现。②适宜的保存条件。古洪水平流沉积物最佳沉积地点是峡谷边的洞穴里，凹壁或岩石古悬崖上，这些地点保存得最好，免于洪水过后被侵蚀，或被斜坡运动或地表植被改造破坏。支流河口和河谷突然变窄或变宽的转折区域也是洪水平流沉积的理想场所。

表3-3 判断单次洪水事件的沉积学标志

洪水平流沉积物的连续层次，或多层沉积单元可能是经几百年甚至上千年的连续沉积，记录在特定沉积剖面中。要识别这些沉积需要有详细的地层划分，特别注意解释古洪水沉积物的间断和接触，它们指示着一次独立的古洪水。通过使用以下标志的一种，或几种，沉积剖面内的洪水单次沉积单元能被清楚地辨认出来：①洪水沉积单元顶部出现细粒粉砂披覆层，代表着洪水退落；②两个连续的洪水单元之间夹着一层非洪水沉积层，例如塌陷沉积物，洞顶掉落的碎屑，甚至是洞穴滴落的沉积碳酸盐；③在支流河口处支流粗粒冲积层与主干流洪水平流沉积细粒层交替韵律；④洪水过后暴露在外的沉积物表面的生物扰动；⑤老的洪水沉积单元被后续洪水侵蚀后的侵蚀面；⑥洪水沉积单元物理特征的变化，例如沉积物颜色或粒径，这可能是各个洪水事件发生时，由于不同的沉积源或者不同的动力条件等多种因素带来；⑦出现埋藏古土壤；⑧沉积物硬化或残余泥裂的存在，代表着表面暴露到外部的过程。

国内外古洪水研究的最新发现，不仅明确了古洪水平流沉积在古洪水研究中的重要性，而且提出了对古洪水平流沉积本身进行深入研究的必要性，以提高洪水事件研究的科学水平。

（3）洪水平流沉积的发育特征

河流古洪水产生的平流沉积在沉积层理、沉积体形状、颜色等沉积构造和粒度、分选性、矿物组合等沉积结构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：由于平流沉积物常被当地的坡积物所掩埋，因此来自河流上游区的平流沉积物与该地坡积物在颜色上往往有明显的区别，在长江三峡当地人把所描述的古洪水平流沉积称为“陈红泥”。但要注意的是，颜色的变化在流域的特定河段可能会使古洪水沉积层具有标志性特征，但以大范围上不能作为古洪水沉积判断的最重要标志。

2）平流沉积物的沉积构造特征：由于平流沉积物是在特殊的水动力条件下形成的，因此，它在沉积层理、沉积体形状、颜色等方面具有明显的特点：①在沉积层理上，平流沉积物是在流速近于零的条件下形成的，所以常形成极微薄的水平层理或因受到波浪等的扰动而形成微薄的波状层理。这种层理的厚度往往只有1～2mm，且由于颗粒细，形成时间长，因此其结构非常紧密。在平流沉积物以下则是漫滩沉积物，有明显斜层理或交错层理。②在沉积体形状方面，由于沉积体是在最高洪水水位时形成的，因此，在山区河流中，洪水一般在河流谷坡的较高处的缓倾斜台地上形成平流沉积；由于厚度不一造成的差异压实作用以及受地形的影响，沉积体常具有末端翘起的现象。

3）平流沉积物的沉积结构：①平流沉积物的粒度特征，洪水平流层沉积物是在接近静水环境下形成的，因而其粒度较细，沉积物中含砂成分相对较少。粒度参数概率图及累积概率曲线图上均表现出悬移组分多的特征，偏态系数上可能较多地出现正偏现象。②分选性，平流层沉积物形成的特殊水动力条件决定了这种沉积物具有很好的分选性。

4）平流沉积物的重矿物组合规律：重矿物组合规律可以有助于识别古洪水平流沉积。由于平流沉积物是在流速极低时形成的，因此，与正常河流沉积物相比，平流沉积物中的重矿物含量偏低，且重矿物的种类较单调。

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