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论文重读 漫谈特大洪水沉积

发布日期: 2022-09-16 阅读次数:
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邓涛

西方圣经故事中的“诺亚方舟”是关于大洪水人尽皆知的一个故事。创造世界万物的上帝耶和华见到世上充满种种罪恶行为,于是计划用洪水消灭这些罪人,除了人类之中的贤者诺亚。于是上帝指示诺亚建造一艘方舟,并带着家人与动物登上方舟避难,且动物必须包括雄性与雌性(《创世纪》6-9章),这才使得万物生灵没有完全毁灭(图1)。中国史籍中类似的大洪水事件也不罕见,《孟子》中曾记载“当尧之时,天下犹未平。洪水横流泛滥于天下,水逆行泛滥于中国”,《尚书》中曾记载“汤汤洪水方割,荡荡怀山襄陵”。当今,特大洪水仍然显著影响着人类的社会生活,如2021年夏季河南特大洪灾就对中原地区人民群众的生命财产安全造成了重大损失。

溃决大洪水事件往往是地表过程对气候变化进行快速水文响应的极端表现之一。地史时期的大洪水深刻塑造了过去地表的地貌形态,直接造成环境突变事件。例如,著名的新仙女木事件(Younger Dryas Event)期间全球变冷(12.8 ka B.P.),就可能是受Laurentide冰盖消融影响,冰川湖溃决向海洋中释放了大量淡水所引发的变冷事件(Teller et al., 2002)。近年来,大洪水及其沉积物受到沉积学家们越来越多的关注(王慧颖等,2020;王昊等,2021)。

图1《圣经》大洪水及诺亚方舟的艺术想象图(https://www.crossroadsinitiative.com/media/articles/lent-noahs-ark-baptism/ 

什么是“特大洪水(megaflood)”

特大洪水(megaflood)”指峰值流量大于1Sv(流量单位,1Sv=1*106 m3/s)的洪水事件(Baker,2002),现今长江平均流量为30166 m3/s,最大流量也仅为1.1*105 m3/s(维基百科)。现今,世界各地广泛分布着与高能、大规模“淡水洪水(freshwater floods)”有关的沉积物(图2),主要与第四纪冰川堰塞湖的溃坝洪水有关,前第四纪(深时)沉积地层中也有相关报道。但是特大洪水沉积物的识别极具挑战,Carling(2013)综述了全球范围特大洪水沉积序列所具有的共性特征与关键特征,基于对单期及多期洪水事件对应沉积层序的解读,重现了特大洪水的演化过程,并对特大洪水沉积学的未来研究提出了展望。

图2 全球范围41处发育特大洪水或相关大洪水沉积记录的地点(Carling, 2013)

1  特大洪水的形成背景与基本特征

自然界特大洪水通常由冰川溃坝导致形成,其他诱发因素还包括天然碎石坝决堤、冰下热活动和火山喷发等。特大洪水沉积的一个基本特征是单个沉积单元具有明显的块状外貌形态,近距离观察通常可见相似粒度分布的合并层(amalgamated layers)。特大洪水沉积层序可在区域上广泛分布,单层和层系组通常近水平面状展布,缺乏河道化沉积特征。局部发育大型斜层理或小型交错层理,分别与沙坝前缘或沙丘进积有关,大型交错层理冲刷面与小型冲刷构造少见,仅偶见于坠石和冰块等大型孤立砾石附近。

2  特大洪水沉积序列与典型层序

与一次特大洪水有关的完整垂向岩石地层组合可称为一个“序列(succession)”,其厚度可为十米级别。该沉积序列可包含单期洪水的涨落、多期洪水涨落或一期大洪水流态中主洪峰阶段的信息。一个沉积序列由多个次级地层单元“层序(sequence)”组成,其厚度可达数米。每个层序具有特定的地层样式,对应于特定的沉积水力学特征。而单个层序则由多个“层(bed)”(数厘米至数米厚)或“纹层(laminae)”(厚度<1cm)组成。为了更好地关联沉积特征与小尺度流体过程,“相(facies)”被定义为“一定的沉积条件下形成的具有密切沉积特征的综合体”。此时,相特征为特大洪水沉积研究的最小尺度,在毫米到厘米尺度上能够清晰重建流体动力学特征。层理面上的非沉积界面和侵蚀界面对理解洪水动力学也极具价值,但目前相关研究还较缺乏。Carling等(2009)在一个特大洪水沉积的垂向序列中识别出6个相似的层序,这些层序被解释为单次特大洪水的大规模脉动式沉积,或6期独立而相似的洪水沉积 (图3)。

图3 阿尔泰Jaloman沙坝内的典型单韵律沉积(通常8-10米厚),显示了从层序S1到层序S6的典型叠加序列(Carling等,2009)。层序S1:近似水平-平行卵石层,局部块状砾岩层。层序S2:层序S1顶部偶见的交错层理沉积。层序S3:近似平行-水平的细砾石层,偶被薄层中砂岩分隔,单纹层向上变粗,偶见沙波交错层或无侵蚀波状层理,偶见小型碎屑流透镜体、坠石、孤立卵石及冲裂构造的粉砂质内碎屑。层序S4:以细卵石、中砾、粗砂为主,低起伏沙波层理,小型充填构造。层序S5:薄层粉砂岩或薄层块状砾岩,两者可同时出现。层序S6 :薄层细碎屑流沉积,夹于变形的层序5或块状砾石层(来自上覆的下个层序S1)

 

     特大洪水沉积中典型序列的垂向叠加层序包括:(S1)底部厚层平行层理粗粒单元;(S2)大型斜层理沉积单元;(S3)薄层水平层理单元;(S4)沙纹与沙波交错层理单元;(S5)粉砂层单元;(S6)顶部碎屑流单元(图3和图4)。该序列通常指示单个洪水涨落旋回,主要为发育于平坦底床上的高浓度悬浮沉积。这些序列几乎完全是加积的,各单元间缺乏明显的大型不整合面。高能水动力条件使得细砾和粗砂能够以悬浮荷载的方式进行搬运,并在沉积时以悬浮方式沉降为粒度较粗的沉积层。在一个典型序列中,粘土和粉砂通常稀少或缺失,它们会被输送到沉积系统的下游。在水文曲线尺度上,这种垂向叠置序列指示流速先增加后衰减的特征,沉积特征同样证明存在显著的短周期流量脉冲事件。

从流体动力学来看,6个层序分别对应不同流体动力学阶段的产物。层序S1中底部粗粒平行层单元的形成通常与洪泛地区内推移质沉积物的快速沉积有关。层序S2中大型斜层理沉积层序一般由板状似平行层所组成,地层倾角通常为10°-20°(图4),这些斜层理沉积形成于洪水沉积的早期阶段,对应于巨型沙坝(Giant bars)向河湾的进积。层序S3中水平纹层单元层序侧向延伸远,单个薄层通常由多个纹层构成,聚合作用通常使薄层的物理界面模糊不清(尤其在粗粒沉积中);单层厚度通常介于10-150毫米之间,小规模层理在层序内通常为整合接触,而韵律层序之间则往往表现为不整合接触关系。关于本层序单元沉积层理的成因目前还存在较大争议,是由牛顿流体还是是由具有非牛顿流体特性的密度流所形成仍无定论。层序S4沙纹与沙波交错层理单元层序具有较细的粒度与较薄的厚度,成因上与低密度湍流有关。层序S5粉砂层粒度更细、厚度更薄,为洪水动力逐渐减弱的加积事件后细粒物质以悬移质方式沉降形成。层序S6中碎屑流代表斜坡崩塌引发的薄层碎屑流和湍流沉积 (Winsemann et al., 2007),或厚度较大、粗碎屑比例较低的泥石流远端沉积。

 

图4 特大洪水6个层序的典型野外照片(Carling,2013)

A:水平层理、板状层理、弱粒序层理的中厚层砾岩和卵石砂岩被薄层横向延伸的泥岩隔开;B:倾角约为20°的交错层理(略微上凸),人高1.9米,古水流从左到右,现代水流从右到左;C:向上变粗的平行层理-微波状起伏的纹层,单层由底部细沙开始向上变粗,形成细-薄的卵石层,古水流从左到右;D:纹层状玄武质粗砂岩,智利Tucapel砾石坑沉积物(Thiele et al.,1998),水平视野约1.5米;E:沙丘沉积中的花彩状层理(Festoon bedding),为德国Porta水下冰接触扇上的高速射流(jet efflux)沉积(Winsemann, 2007),人高1.75米;F:阿尔泰Kezek-Jala巨型沙坝,大型斜坡层序发育细砂及粉砂质沉积,路标高2.5米,流向从左向右;G:粗角砾碎屑流层覆盖在富含粉砂砾岩和粗砾岩韵律纹层之上,笔记本长度220毫米;H:厚约1 m的细碎屑泥石流,可见泥质撕裂屑覆盖在粗砾石水平纹层上,相机包长度220毫米 

3  特大洪水沉积相的识别依据

许多关键沉积相特征可以指示特大洪水沉积,可总结归纳为:

(1)沉积单元的块状性、叠置地层的叠合性与沉积层的横向延伸性。高能洪水悬浮质粒径相对均一,且浓度极高,其快速沉降往往形成块状构造、层合并现象和席状展布等一系列标志性的沉积特征(王昊等,2021)。高能洪水沉积物粒径的均一性主要受控于以下两类机制:高能洪水水流能量高,湍流强,携带沉积颗粒经过强烈碰撞,破碎成相对均一的粒径;强烈的水流分选作用则可使沉积物粒径分布集中。。

(2)韵律性。韵律层之间侵蚀面(不整合面)的缺失,以及韵律层界面上陆地暴露现象(古土壤、冲沟、风化产物、火山灰)的缺失,反映这种沉积韵律是单次高能洪水事件过程中水流规律性脉动的产物,虽然韵律层数并不能直接对应洪水期次(Carling,2013)。相似的沉积韵律必然与相似的幕式沉积作用有关,其控制过程亦具有相似的时间序列级别。大尺度韵律沉积可能由外部因素所控制,如洪水形成机制,而小尺度韵律沉积则可能由内部因素所控制,如湍流脉冲或浊积岩演化过程。

(3)“漂浮” 砾石(图5)。当溃坝洪水中裹挟的浮冰融化时,浮冰中携带的松散沉积物直接沉降,形成“漂浮”碎屑及相关沉积。

(4)内碎屑(Intraclasts)。特大洪水沉积中,内碎屑被定义为前期沉积遭受冲刷而形成的块体,保留着原始沉积结构及地层特征。大多数内碎屑的大小和块状特征表明其沉积前未经历远距离搬运。

(5)冰块形成的障碍痕。冰块中沉积物含量可能很高,导致冰块密度较大。因此,在较浅冰川湖发生突发性洪水(jökulhlaups)时,较重的冰块从冰川前缘被运送到靠近冰床的地方,被并入到沉积地层中,从而形成此类障碍痕。

(6)粉砂质及泥质沉积的缺失。高流速的特大洪水将大多数细粒沉积物冲刷剥蚀并搬运至沉积体系下游,使得原地大洪水沉积记录缺乏细粒沉积。

(7)指示流体变化的沉积构造。虽然多数大洪水沉积物为悬浮沉降,但推移质搬运导致存在不同程度的再沉积作用,通常表现为湍流牵引方向的碎屑局部聚集和发育较差的叠瓦构造(图5)。

(8)泄水构造。泄水构造包括断层和碎屑岩墙,虽然无法用来直接识别特大洪水沉积,但在能用来识别某些情况下的沉积间断。

图5 (A)阿尔泰Kezek-Jala沙坝,“彗星状”冲刷坑中的超大砾石,从左向右流动;(B)阿尔泰Kezek-Jala沙坝,加积背景层理上的超大砾石,从左向右流动,砾石b轴长度大约1.5米(Carling et al,2013)

4  特大洪水沉积序列与鲍玛序列沉积特征的对比

鲍马序列是指一种浊流沉积的典型层序(图6A),由自下向上变细的五个层段组成(a, b, c, d, e)。底部a段为具递变层理的砂岩,底面具有槽模,沟模等冲刷铸模;b段为具有平行层理的砂岩;c段为发育小型砂纹交错层理、变形层理的粉砂岩;d段为具有水平纹理的粉砂岩与粉砂质泥岩;顶部e段为块状泥岩。大量研究表明大洪水沉积序列与鲍马序列具有强烈的相似性(Carling et al., 2013)(图6B,C),这意味着由密度驱动的独特搬运过程及沉积过程可能影响着特大洪水沉积作用。虽然主流观点认同该观点,并进行了洪水沉积序列与鲍马浊积岩序列的比较,但仍有学者反对将粗粒度的特大洪水沉积物等同于浊积岩。主要基于以下四点考虑:(1)反对悬移质搬运方式能够搬运粗粒沉积物(尤其是粗砾石);(2)沿海陆架和湖泊环境中的砂质和粉砂质沉积序列中广泛报道了浊积岩,洪水形成的砾质河流沉积中相关报道则较为缺乏;(3)浊流被定义为“携带大量悬浮沉积物的高密度浑浊水流,并向下流入密度较小的水体”,就该定义而言,浊流过程与特大洪水沉积之间关系的直接证据是有限的;(4)鲍马序列模型最初是针对低密度砂质流建立的(Bouma, 1962),而特大洪水沉积序列通常被解释为高密度流,且通常含有粗粒沉积物。

尽管如此,引入浊流沉积机制后,能够更好地解释高能洪水沉积过程,而且冰下通道内大型溃决洪水沉积与浊流过程的密切关系已被论证。因此有研究者将整体呈正粒序的高能洪水沉积序列解释为逐渐减弱的高密度浑浊水流所携带的悬浮质持续沉积的产物(王慧颖等,2020;王昊等,2021)。

6 浊积岩和大洪水沉积的典型沉积序列,(A)鲍马序列;(B-C)特大洪水沉积序列和成因解释,修改自Talling et al., 2012 

5  结论与启示

特大洪水沉积序列常表现为韵律性重复,这可能代表一次连续洪水的沉积记录。这些沉积序列虽然类似于浊流沉积形成的鲍玛序列,但沉积粒径通常为粗粒。实践研究中需要注意每一单层详细的沉积特性,而不只是地层学宏观特征,还需要加强沉积过程解释,从而促使特大洪水沉积事件模型的完善提高。未来可应用物理模型及数值模型研究的关键问题为特大洪水沉积环境中重力流发展的潜力,以及相应粗粒沉积与深水浊积岩细粒沉积之间的关系。

尽管不同特大洪水沉积序列之间存在相当大的差异,但也存在一些共性,这些共性表明高能洪水在不同地理背景下的沉积过程相似。典型序列中沉积样式的变化为理解洪水的流体性质提供了线索,进而能够增强对特大洪水水文学特征的认识。然而,目前将这些沉积特征与流体动力学联系起来的假设条件仍不成熟,而且缺乏案例检验。多数已发表成果在较粗尺度描述了沉积序列,对单层沉积构造的精细研究还严重不足,例如反映流体动力学特征的纹层样式、颗粒方向和同沉积变形构造等。因此,更好地分析特大洪水沉积层的沉积学特征将有助于更好地理解水文学控制因素,进而建立更好的特大洪水沉积模型。  

 

感谢特约主编和审稿人对本文的诸多建设性意见,大大提升了文章的可读性和科学性。本文作者系南京大学地球科学与工程学院在读博士生。本文是对2013年发表在《Earth-Science Reviews》杂志上“Freshwater megaflood sedimentation: What can we learn about generic processes?”文章的个人解读。相关问题交流可通过邮箱1083903583@qq.com与本人联系。欲知更多详情,请进一步阅读下列参考文献。

 

主要参考文献

[1]  王昊, 崔鹏, 2021. 高能洪水沉积研究综述. 地学前缘, 28(2): 140-167.

[2]  王慧颖, 王萍, 胡钢, 葛玉魁. 溃决大洪水的地貌、沉积特征与水力学重建. 第四纪研究, 2020, 40(5): 1334-1349.

[3]  Baker, V.R., 2002. High-energy megafloods: planetary settings and sedimentary dynamics. In: Martini, I.P., Baker, V.R., Garzon, G. (Eds.), Flood and Megaflood Deposits: Recent and Ancient Examples. IAS Special Publication, 32, pp. 3-15.

[4]  Baker, V.R., 2013. Global late Quaternary fluvial paleohydrology with special emphasis on paleofloods and megafloods. In: Wohl, E.E. (Ed.), Treatise in Fluvial Geomorphology. Elsevier.

[5]  Bouma, A., 1962. Sedimentology of Some Flysch Deposits: A Graphic Approach to Facies Interpretation. Elsevier, Amsterdam (168 pp.).

[6]  Winsemann, J., Asprion, U., Meyer, T., 2007. Lake-level control on ice-margin subaqueous fans, glacial Lake Rinteln, Northwest Germany. In: Hambrey, M.J., Christoffersen, P., Glasser, N.F., Hubbard, B. (Eds.), Glacial Sedimentary Processes and Products. Blackwell, Oxford, pp. 121-148.

[7]  Carling, P.A., Martini, I.P., Herget, J., Borodavko, P., Parnachov, S., 2009. Megaflood sedimentary fill: Altai Mountains, Siberia. (Chapter 13) In: Burr, D.M., Carling, P.A., Baker, V.R. (Eds.), Megaflooding on Earth & Mars. CUP, pp. 243-264.

[8]  Carling, P.A., 2013. Freshwater megaflood sedimentation: What can we learn about generic processes?. Earth-Science Reviews, 125, pp.87-113.

[9]  Talling, P.J., Masson, D.G., Sumner, E.J., Malgesini, G., 2012. Subaqueous sediment density flows: depositional processes and deposit types. Sedimentology 59, 1937-2003.

[10] Teller, J.T., Leverington, D.W. and Mann, J.D., 2002. Freshwater outbursts to the oceans from glacial Lake Agassiz and their role in climate change during the last deglaciation. Quaternary Science Reviews, 21(8-9), pp.879-887.

 


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