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第44章 泥石流堆积(7)

从整个泥石流沉积体在空间中的分布和随时间产生的变化来看,从宏观、总体看泥石流扇不同部位的相序与标准相模式对比时都略有差异。它们都明显包含标准相模式的一些主要要素,但又有所不同。这是在整体沉积环境上因局部的差异造成的。根据笔者对多处泥石流扇的详细研究,把不同的相序与不同的空间位置、地貌单元和时间变化结合起来,并在不同部位进行了组构量测,得出了泥石流扇的模式——综合相模式。

在泥石流扇顶部的沟口处,通道窄、坡度陡,历次泥石流暴发通过此区时速度快、砾石滚动,跳跃而下。细颗粒物质不易沉积下来。同时这里又是泥石流停积后后期流水的必经之路,流水冲刷强烈,主要发育了A相和C相。这里的C相是整个扇上厚度最大、最发育的几乎见不到B相和D相。因此其相序是C—A—C型(图5—38a)。因沟道窄、泥石流停积时束缚了它的自由度,砾石不易改变其方向,砾石的ab面和a轴都无明显的优势倾向。

在扇的中、下部相组合很接近标准的泥石流相模式。这些地方不仅A相发育好,而且由于这里是泥石流堆积的主要地带,堆积过程和后期流水冲刷过程较为平衡。铺床过程的D相、冲刷过程的C相也较发育。在沟道两侧的泥石流台地和洼地中可见到发育很好的B相(图538c)。笔者在此地对砾石组构的量测发现砾石扁平面倾向上游(图538d)。因为在泥石流快速停积并缓慢蠕动前进的过程中,砾石不再跳跃、翻滚,而是在运动惯性力和前部阻挡力的作用下,逐步调整自己的方位使扁平面倾向上游,保持动态平衡以适应外力作用。

在泥石流扇两侧的相模式中,表泥层很发育。泥石流暴发出山口后,地形开阔流速减低,大砾石因惯性大不易改变方向,它们保持一定的速度顺扇轴部而下。泥石流浆体中的细颗粒物质被挤上浮,形成较厚的表泥层。这类沉积体中,由于很少受后期流水的影响,相模式中缺少C层(图538e)。支沟的泥石流进入主沟后,常常全部或部分堵塞主沟,使主沟产生壅水。泥石流暴发期间的大雨使大量泥土冲入主沟,它们因堵塞在支沟与主沟汇合的上游一侧沉积下来,增加了泥石流体表面的泥层。1987年5月22日甘肃武都地区马街处,支沟泥石流堵塞主沟后形成的表泥层可达0.5m左右,因此这类相模式中表泥层很发育。

泥石流扇的正前缘的相模式是以巨砾为其特征。这里是泥石流“龙头”所在地,砾石相撞强烈,ab面和a轴的优势的排列方位不明显。由于细粒物质较少,B相和D相不发育(图538f)。

值得注意的是,每次泥石流暴发后的沉积体只能部分将泥石流扇覆盖住,并以中部沉积最厚向两侧逐渐变薄。同时,泥石流总是改变其运动通道。黏性大的泥石流内聚力很强常常在扇面上形成纵向的垄状(或舌状)堆积。同一横剖面在很近的距离上相序可能就相差较大,而同一纵剖面的相序差别就小得多。

较为典型的纵向相序,从扇顶到扇前缘的变化是:CAC组合—CDAA1B组合—CA组合。横剖面上相序的变化为:DAB组合—CDAA1B组合—CA组合。横剖面上相序的变化为:DAB组合—CDAA1B组合—DAB组合。这种综合的模式在新产生的泥石流扇上最为明显。泥石流出山口后,因地形开阔流体的厚度、流速都迅速减小,砾石受力为辐射状,因而砾石ab面倾斜方向的变化规律是中、下部的砾石ab面,不仅仅倾向上游而且倾向辐射中心——沟口(图538g、h)。在沟口和正前缘则无明显的优势方向。

3.泥石流相模式的作用

相模式是对一个特定沉积环境的全面概括,每一单个旋回都可以与模式相比较,识别其共同点和不同点,其中的冲刷面可解释为旋回之间的界线。Warker(1979)认为相模式本身除了一个环境的概括外,还要为进一步考虑提供一个提纲。

(1)标准作用。泥石流相模式是帮助我们认识复杂自然现象和过程的简化图式。

当我们用其他实例来与之进行比较研究时,它起着标准作用。从笔者作出的各剖面地方性相模式中可以看出,不同的剖面、不同的部位泥石流沉积相组合是不同的。有CDAA1、ACD、DABD、DAA1CD、CDAB、AC等组合。它们都明显地含有泥石流相模式的主要要素,但与标准相模式又略有不同。这样我们就可以发现问题,进一步深入研究地方性的变化。例如通过AC型的组合与标准泥石流相模式对比后可知,该组合形成过程中,泥石流的铺床作用不明显或泥石流暴发迅速猛烈与铺床过程几乎同时进行,因此缺失D相。同时在泥石流运动和停积后的几小时内,流体中的粒度分异作用不明显,没有形成正粒序,缺少A1层。很多有关泥石流沉积文献中对泥石流剖面的层状描述,只要同作者的相模式比较,对照后就知道其沉积是属于哪种组合,并可得知其形成过程及环境。

(2)提纲和指南作用。自1987年以来作者利用泥石流相模式对山西、陕西、甘肃、新疆、四川、台湾等地的混杂堆积剖面进行了比较研究。由于该模式概括了泥石流最重要的特征,因此在野外规定了新的剖面中需要收集和描述资料和沉积现象。从而较快地找出了沉积体的特点,并区别出泥石流沉积与其他成因的混杂堆积。

(3)预测作用。从前述已知泥石流综合模式和标准相模式的特征,并且了解到泥石流的纵剖面层位较稳定、相序变化不大,易对其进行横向对比、连结。因此在新的地区工作时,只要根据有限的该区纵向剖面资料和对该区泥石流地方性相模式的了解,知道它的意义就可以进行预测了。同时根据观察到的相组合还可以预测其沉积时在泥石流扇上的大致部位,恢复其原始形态。

4.相组合与沉积环境

(1)区域分异规律。从笔者实测的泥石流沉积剖面中可以把不同的相组合分为二大类。第一类组合是AB、DAB、DA、EA。若剖面中这类相组合重复出现,说明两次泥石流沉积时间间隔短,后期流水在短时期内没有将A相改造成冲刷层——C相。或者两次泥石流沉积之间是一个长时间的无雨期。如果一个剖面中这类组合出现的频率很高,可能反映该地区在该时段内泥石流暴发较频繁。我国西南山区泥石流沉积多属于这类组合。该区新构造运动强烈,地震繁多,岩石裸露,节理纵横,地层多经强烈的挤压褶皱和断裂。山高谷陡,常产生滑坡和崩塌,有充足的碎屑堆积物。同时受东南季风和西南季风的影响,降水丰富,可产生连续不断的堆积。例如,该区小江流域的蒋家沟每年暴发泥石流十几次至几十次。故这里的剖面中很少有发育清晰的冲刷层,第二类相组合是AC、DAC、CDA、CAB、ACE等带有C层的组合。这类相组合在剖面中出现较多时,则说明泥石流暴发频率不高。这类相组合多出在我国北方山区的泥石流剖面中。例如陕西的秦岭北坡,山西的五台山。因为这里松散物质积累过程很缓慢,而且降水相对较少,因此泥石流堆积中冲刷层特别发育,层厚而且延续长。

上述两类不同的泥石流沉积相组合代表了不同的气候环境。第一类是亚热带气候的产物,第二类是暖温带气候的产物。甘肃武都地区在地理位置上处于上述两气候带之间,因此泥石流堆积体中相组合表现了处于气候过渡地带两类兼而有之的特点。

从全家沟汊口泥石流实测剖面图中(图532),可以分为7个沉积旋回。其中第二个旋回的相组合为:DAB—DAB—AB—AB—A,这期间有5次泥石流堆积。第4个旋回的相组合为DAB—DAB—DAB—AB—DAB—DA,这一堆积期有6次泥石流堆积。很明显它们属于第一类相组合,在这两个时期泥石流暴发频繁,后期的流水没有将泥石流体改造成冲刷层。沉积较为连续。其各层之间的界线往往是用不同的粒度、含泥浆的颜色、表泥层或底泥层等来鉴别。而第1、3、5、6这4个旋回都仅有一层泥石流沉积,反映这些时期泥石流活动不频繁,沉积间断的时间长。后期流水对泥石流体改造较强烈。A相之上都有发育很好的C相。这是典型的第二类相组合。

在笔者所测的剖面中4个剖面皆有泥流层E。这些泥流层与其上、下层的组合关系是:三个是CEAD组合,一个是CEA组合。从这些组合来看,它们反映环境的情况可能是泥石流一次大的暴发过后,沟谷里缺少碎屑物质,后期暴雨只能将黄土冲下形成泥流层——E相。在这两次堆积期间,流水冲刷形成了C相。泥流层形成之后才是新的泥石流覆盖,否则剖面中应出现ABE或DAE等组合。另一方面,即使在降水量不够大,不能将沟谷上游的砂、砾石等风化碎屑冲下,而仅将黄土冲刷的条件下,剖面中也应该出现ABE或DAE的组合。因此泥流层的这种特殊组合可能是判断沟谷里是否有足够形成泥石流的松散碎屑的一个标志。

(2)沉积旋回与时间变化。整个沉积体是由作用时间长短完全不同的许多沉积单元组成的。无论是泥石流暴发时沉积的DAB相组合或是泥流暴发时形成的E相,经常是很复杂的,在整个地层序列中,厚度上它占很大的比例,但从地层学上讲它们是同时形成的岩性旋回。这种沉积代表了很短的沉积时间,而C相虽然很简单厚度很小,却代表了较长的时间。后者同前者的组合序列则是较长时期环境变化的结果。因此它们是地质历史时期环境变化的记录。

为了使沉积剖面所反映的环境更为合理、更具普遍性、更为可靠,笔者实测时选择了不同地区纵、横剖面,实测剖面中泥石流层和泥流层代表泥石流暴发期,以冲刷层代表泥石流不活动期,作出了泥石流沉积旋回曲线图(图539)。同时将9个厚度大于15m,相数超过30的剖面韵律特征归纳在表516中。这样可更充分地反映各个泥石流整体剖面的动态环境特点,尽管各剖面冲刷层数不完全相同,变化在7—13。换言之这些剖面反映泥石流活动与不活动的小旋回变化在7—13。但仔细研究各剖面可以发现它们都是由3个较大的旋回组成。只是选3个旋回在每个剖面中表现略有差异。它们反映了整个泥石流沉积的大时间尺度中(大旋回)还有3个次一级的泥石流活动的变化(中旋回)。这些变化是同碎屑的供给量以及降水量等气候变化密切相关的。

通过对比,笔者认为表516中甘肃武都地区的9个剖面的时代、层位是基本一致的,属于晚更新世。全家沟的5个剖面与甘—川公路上的426km处的2个剖面相距20km左右,是不同的二条泥石流沟的堆积剖面。对比两处各层堆积的厚度及厚度的变化都不相同。但它们泥石流活动的中等旋回都是3个(图539)。因此可以推断这3个旋回所反映的变化与碎屑供给量关系不大,而主要与沉积时的气候变化相关。反映了晚更新世泥石流堆积期间,气候有过3次较大的变化,即有3次由较温暖、降水多湿润转向干燥、寒冷的气候周期。我们所测到的不同地区泥石流沉积变化趋势普遍是一致的,这种现象不是偶然的。从这9个时代、层位基本一致的泥石流剖面所反映出的三个气候变化旋回表明泥石流沉积记录气候变化的规律是相当好的。这为今后研究混杂堆积的沉积环境又开创了一条新路。这种研究还刚刚开始,需做大量细致的工作。

毫无疑问,沉积体中层的厚度及变化也能提供一定的环境信息。泥石流层的厚度及其变化可以反映泥石流的规模、堆积量以及气候的变化。

甘肃武都全家沟的5个剖面泥石流层的厚度变化的大致规律是:下部和上部的泥石流层厚度相对较小,中部的泥石流层厚度大,即厚度呈现薄—厚—薄的变化。而甘—川公路426km处的2个泥石流剖面层厚度的变化规律是:下部层厚度大,向上逐渐减少,即呈现厚变薄的变化趋势。因为气候变化是大范围的,这两地相距较远,在同样气候变化中,同时代形成的泥石流剖面中层的厚度变化却不一样。因此可以推断这种层厚度的变化主要与泥石流沟上游的碎屑供给量以及积累量有关,与气候大范围的变化关系不大。426km剖面所反映的碎屑供给量变化呈现逐渐减少的趋势。这可能说明沟上游的风化程度、岩性和构造等有了变化,碎屑积累量减少。

而全家沟的各剖面碎屑供给量初期少,中期多,后期又逐渐减少,反映了泥石流的规模、堆积量由小到大又逐渐减少。但这两地的剖面都反映了晚更新世后期武都地区的泥石流规模是逐渐减少的。陕西眉县鹦鸽嘴处的晚更新世泥石流剖面中层的厚度后期也是减小的(图539;表516),同武都地区的各泥石流剖面一样其泥石流顶部也堆积了黄土。笔者认为泥石流沉积主要是间冰期的产物,因此这种大范围内,同一时代的泥石流规模都逐渐减小,顶部都堆积了黄土,可能意味着气候在大尺度(大旋回)的变化中逐渐转向寒冷、干燥而使泥石流活动减弱。

(第七节)水石流堆积特征

水石流与泥石流在运动时具有不同的特点。水石流是一种颗粒流或可能的两相流,而黏性泥石流则是一种结构两相流,也就是说有浆体存在。这种不同在沉积上是有表现的,如泥石流具有相对稳定的沉积地——泥石流扇,并具有特定的结构构造(崔之久,1986)。水石流在多数情况下不具有浆体结构,在沉积上则具有自己的特点。但在堆积地貌上与泥石流堆积地貌也有相似和相异之处。

一、堆积地貌

(1)水石流砾石心滩。

水石流堆积地貌的特点就是随时堆积。即沟谷纵比降一旦变缓,水石流立即将所携带的大砾石堆积在沟谷内,其余小粒径的砾石继续随水石流运动;若遇比降变大时,可再次发生“揭底”;若比降继续减缓,则继续堆积粒径较小的碎屑,直至变为洪水。每一次堆积的砾石心滩粒径大致相当,一次水石流过程可在沟谷内堆积出多片砾石心滩,这种心滩的粒径从上游至下游是逐渐变小的,有时是中游最大。这是因为沟谷水石流的揭底,在上游由于汇水面积有限,水量不大;而至中游时,水量增大,沟谷纵比降亦合适,故能将大粒径的砾石揭底而起;至下游时,水量虽大,纵坡却变得很缓,故只能携带粒径小的砾石。表517是北京密云、怀柔几条水石流沟谷心滩粒径从上游至下游的变化情况。

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