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障碍沉积可以发育在高流态粗粒沉积物为主的大型河床沉积(图2c),也可以发育在低流态细粒沉积物为主的小型河床沉积(图2a)。障碍砾石的大小和形状都与周围的沉积层不同[4]。它们通常是由自然原因静置的,在极端规模的洪水中作为底负荷移动,或者通过岩石坠落、泥石流或冰川运输到河床。此外,在河道内人类活动过程中如:砾石开采、河流恢复工程、大坝建设等,可能保留单一或多个巨石,并在一定范围内改变河道的水文形态[1]。
本文现代沉积研究区以安集海的河废弃河道和头屯河的支流为主,主要方法是沿河道和废弃河道进行现场观察、拍照、测量,并在室内对图片处理,对各类障碍沉积特征进行总结。河流沉积环境中发育的障碍沉积可以按照沉积特征和粒度特征分为梭状沉积、锥状沉积、横向脊沉积和似圆状沉积[19]。基于野外现代沉积现象,使用ImageJ软件测量砾石粒径,以障碍砾石为0点,距障碍砾石的距离为横坐标,统计每段距离内砾石的平均粒径,绘制平均粒径与障碍砾石的距离关系图(图3)。共测量18个现代障碍沉积现象的粒度分析数据,统计单一大砾石作为主障碍砾石沉积模式中的粒度,结果如表1,对比分析障碍砾石前后平均粒度分布特征。
R R1 R2 L1 L2 锥状 3.79 1.13 0.025 5.15 10.55 8.88 1.02 0.170~0.025 7.16 26.74 9.00 1.12 0.025 10.25 22.16 9.69 1.72 0.150~0.025 5.72 18.09 15.32 1.18 0.210~0.025 10.15 17.44 15.68 1.76 0.025 12.26 29.36 16.39 1.37 0.025 13.43 25.52 16.71 1.33 0.330~0.025 8.16 21.21 22.06 1.49 0.370~0.025 6.92 36.23 90.00 3.360 160.32 梭状 12.84 1.35 0.430~0.025 10.52 16.24 16.33 1.57 0.360~0.025 12.33 17.61 20.03 2.34 0.340~0.025 10.34 15.02 20.46 1.74 0.390~0.025 10.92 29.85 24.02 1.53 0.260~0.025 12.56 19.88 25.05 1.36 0.025 11.63 23.00 25.22 1.30 0.250~0.025 14.59 15.84 33.04 2.36 0.440~0.025 12.85 30.51 注: R.主障碍砾石粒径;R1.主障碍砾石前砾石平均粒径;R2.主障碍砾石后砾石平均粒径;L1.主障碍砾石前侵蚀或堆积距离;L2.主障碍砾石后沉积物脊的长度。Table 1. Particle sizes of cone and fusiform deposits (cm)
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锥状沉积发育在头屯河的次级河道内。一个远大于周围粒度且水流不能将其搬运的砾石作为障碍砾石,在障碍砾石前无沉积物堆积,障碍砾石后形成沉积物脊,这种现象称为锥状沉积(图2a~d)[20]。锥状沉积形态与河道基岩性质、砾石形状、水流强度等有关。河床基岩是砂质时,抗侵蚀性较弱,会在障碍砾石前形成新月形的凹痕(图2a,b);河床基岩是砾质时,砾石间的杂基被冲刷出来,形成分选较好,且为颗粒支撑结构的支撑砾岩(图2c)[21]。
由于水动力强弱不同,河流携带的沉积物的粗细也不一致,沉积物脊的形态受很大影响(图2d)。障碍砾石前的冲刷范围呈冠状分布,冲刷范围内的基岩平均粒度为细砾;障碍砾石两侧由于砾石正面的遮挡作用,两侧水动力增大,水流冲刷河道的基岩,颗粒间中较细的沉积物被冲刷出来,形成支撑砾岩的沉积特征;障碍砾石前侵蚀长度与主障碍砾后堆积的长度之比约为1∶2(图2e);障碍砾石后形成沉积物脊,由近至远厚度是逐渐变薄,颗粒以砂质为主。沉积物脊覆盖在基岩顶部形成结壳河床,初始粒间孔隙度较小(图2f)。
依据粒度统计结果分析得出,在锥状沉积中障碍砾石前后分布的颗粒粒级、范围存在很大差异(表1)。障碍砾石的直径越大,周围受其遮挡作用影响的颗粒粒径越大,沉积物脊越长。障碍砾石前沉积物粒度远大于障碍砾石后沉积物粒度。障碍砾石粒度与沉积物脊的长度差异较大,主要因素是沉积物的供给,沉积时间等。障碍砾石粒度与沉积物脊的长度之比介于1∶2~1∶4。
锥状沉积中障碍砾石前由于没有砾石的堆积,所测的砾石直径数据是河道底部的基岩粒径大小,障碍砾石前平均粒径相差不大。锥状沉积障碍砾石前粒径取决于河道基岩,故无序,在障碍砾石后粒径分布规律是依次变小。若河道基岩为砂质,则障碍砾石前后粒度级均为砂,差异不大(图2a)。若河道基岩为砾质,则障碍砾石前粒度级为砾,后为砂,差异较大(图3a)。
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梭状沉积主要发育在安集海河支流的废弃河道内,障碍砾石粒径介于12~34 cm,障碍砾石对河道的形成改造长度介于30~60 cm。梭状沉积是由一个水流不能将其搬运的砾石作为主障碍砾石,粒径较大的砾石堆积在主障碍砾石前呈叠瓦状排列,细砾—砂质则会在障碍砾石后形成较短的沉积物脊(图4a)[20]。在主障碍砾石前方依次堆积粒度由大到小的片状砾石,这些片状砾石长轴与障碍砾石长轴近平行,在障碍砾石前呈叠瓦状排列。由于这些片状砾石在刚开始堆积时与已经堆积的砾石间存在小的砾石,小砾石被前后的板状砾石包夹,无法被水流搬运,形成颗粒支撑的大孔隙岩石结构。主障碍砾石对水流的遮挡作用,两侧的水动力增大,水流冲刷河道的基岩,带走孔隙中较细的沉积物,形成支撑砾岩的接触方式。主障碍砾石后由近至尾部粒度逐渐变小,宽度也是逐渐变小,分布形态以指状为主,颗粒以细砾—砂质为主,初始砾间孔隙度较小,沉积物脊的长轴平行于水流方向(图4f)。
依据沉积粒度统计结果(表1)分析,障碍砾石的粒径越大,周围受其遮挡作用影响的颗粒粒径越大。障碍砾石前沉积物粒度大于障碍砾石后沉积物粒度。理想状态下,在主障碍砾石前堆积的叠瓦状的砾石长度与主障碍砾石后形成的沉积物脊的长度比值约1∶1(图4e,f),叠瓦状沉积的砾石长度与主障碍砾石后形成的沉积物脊的长度比值约1∶2(图4a~d);但一般情况下水流无法稳定持续的减弱,叠瓦状沉积的砾石得不到良好的保存。梭状沉积与锥状沉积相比,梭状沉积的粒度较大,沉积脊较短,但影响范围相差无几。
梭状沉积中障碍砾石前叠瓦状砾石粒度距障碍砾石越远粒度越小,每次叠加的砾石均是上一期砾石粒径的一半,宽度也逐渐变小;障碍砾石后距障碍砾石越远粒度越小。障碍沉积总体粒径分布规律是先依次增大,在障碍砾石处达到最大,再变小。粒度障碍砾石前后粒度会在障碍砾石位置发生突变,障碍砾石前后粒径差异极大(图3b)。
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似圆状沉积主要发育在头屯河的支流河道(图5a)。洪水期携带较大的砾石,在水动力减弱时这些较大的砾石会零散地静止在河道内部,它们间的距离较近且大小相似。每个砾石都会作为障碍砾石形成锥状沉积或梭状沉积,在经历多次季节性水流后,水流携带的较大的砾石会被这些零散障碍砾石截停,形成一个组合的障碍沉积[19]。似圆状障碍沉积的边缘发育较大的砾石,中间是较小的颗粒,由于水动力的反复冲刷,中间部分的砂质含量较小,砂质一般分布在似圆状沉积的背水面。沿水流方向,粒度变化表现为先变细再变粗最后变细(图5b)。似圆状沉积中,每次发生障碍沉积均会在障碍砾石的背水面形成砂质拖尾。在似圆状沉积中部形成的砂质拖尾会被水流反复冲刷,在似圆状沉积的中心保留一个“U”字形以颗粒支撑的细砾岩。似圆状沉积中部的细砾岩孔隙度最大,多为颗粒支撑的砾岩,前后多为砂质充填的岩性(图5c)。
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横向脊沉积发育在安集海河废弃河道内。河流洪水期携带较粗碎屑物滞留在河道侧面形成砾质滩坝,滩坝较大的砾石与河道的小砾石共同组成横向脊沉积[20]。横向脊沉积是垂直于水流延伸的砾石脊,颗粒沿着河床排列,较大的砾石呈滩坝状,控制着河道边缘,较小的砾石则在河道内部(图6a,b)。横向脊沉积中,较细粒度沉积物是河道沉积,定向性明显;较粗的沉积物则是河道边缘的滩坝,所以较细粒度沉积物沉积长度远大于较粗粒度沉积长度(图6c)。横向脊沉积的滩坝部分是颗粒分选较好的大砾石,其接触方式是颗粒支撑,粒度从横向脊沉积的滩坝向河道内逐渐变小,整体上初始砾间孔隙较小,砂质充填多(图6d)。