分支河流体系分类初探

张昌民，张祥辉，Adrian J.Hartley，冯文杰，尹太举，尹艳树，朱 锐

（1.长江大学地球科学学院，武汉 430100；2.阿伯丁大学地球科学学院，英国阿伯丁AB24 3UE）

0 引言

相模式是储层沉积学研究的基石，储层沉积学的发展依赖于沉积相模式的不断创新，而相模式创新来源于对现代沉积环境的观察和古代沉积记录的解剖［1］。Hartley 等［2］和Weissmann 等［3-4］通过对现代陆相沉积盆地的分析，提出了分支河流体系（Distributive fluvial system，以下简称DFS）的概念，认为DFS 是河流从一顶点进入盆地并呈放射状展布的河道体系，陆相盆地的河流沉积绝大部分属于分支河流体系沉积，为陆相盆地沉积模式研究带来了新的视点，同时也引起了河流沉积学界的热烈讨论。十多年来，国内外学者围绕DFS 开展了大量现代沉积调查、露头考察、沉积模拟实验和地下地质研究［5-6］，从地貌形态、水动力过程、沉积物粒度特征、沉积微相类型、相带分布，砂体形态等方面研究DFS 的特征［7-8］，研究内容涉及全球范围的DFS 分布，盆地规模的DFS 形态与分布，单个DFS 的沉积环境和沉积相特征以及DFS 内部的河道结构、沉积序列和沉积物特征等不同层次，大大推进了DFS 研究［9-10］。然而，DFS 广泛发育于不同类型的陆相沉积盆地，DFS 表面发育各种河型，河道演变规律复杂，沉积环境与微相种类众多，规模变化大，DFS 半径跨度大，从小于1 km 到大于700 km 都有分布；形态类型各异，有近乎规则的扇形，也有葫芦形、长条形等形状［11-12］；沉积物粒度、成分和结构复杂。学者们对DFS 中的冲积扇进行了深入的分类研究，但对河流扇、巨型扇以及末端扇等缺乏系统分类。一些学者将DFS 理解为一种新的河道类型，也有学者认为DFS 与已有的冲积扇和河流扇内涵重复［13-14］。整体而言，学者们认可了DFS 的潜在学术研究价值，但受困于DFS 地貌学和沉积学特征的可变性，在缺乏DFS 分类模式的条件下，无法在地下地质和露头研究中识别和描述DFS 的沉积特征及其分布特征。

在对DFS 研究进展进行充分调查分析的基础上，介绍DFS 的地貌学特征和主要分类，分析各类DFS 的沉积特征及其差异性，并探讨DFS 分类方案及其形成和发育的控制因素，以期对其概念的内涵做进一步解释，改进现有的分类方案，为预测DFS的形成和分布提供理论依据。

1 DFS 地貌特征

为了确定某特定河段河道的平面形态，河流沉积学常按照河道的分汊性和弯曲度对河流进行分类［15-16］。然而，一条河流从源头到其尾闾的河道类型是不断变化的，顺直河、曲流河、辫状河和网状河等术语都是针对某一特定的河段而言。一条河流不可能全程发育同一类型河道，即使有极少数小型河流以某种河型为主，但不同河段河道的几何形态参数也不相同。将DFS 理解为是一种新的河道类型或者新的沉积相类型是对这一沉积体系最为常见的误解。DFS 虽然是以河流为主导，但并非河型分类（顺直河、曲流河、辫状河和网状河）中的任何一种，也不是一条河、一段河道，而是指河流从某一顶点分散之后形成的所有河道及河道间泛滥平原的统称［2-4］，是指一系列有头有尾的河道构成的相互关联的河道网络体系，既发育有河道，也发育河道间泛滥平原，既发育有辫状河道，也可能发育曲流河等其他类型河道。DFS 具有从顶点呈放射状展布、多种河型共同发育、河道几何形态变化大以及沉积体系复杂的地貌特征，这些共同决定了DFS 不是一种新的河道类型，而是一个多种类型河道的集合，同时也决定了其特殊的沉积相组合和沉积学识别标志。

1.1 水系网络从一点呈放射状展布

DFS 在地貌上表现为从顶点呈放射状展布的河流体系，主要特征包括：①冲积体系在无边界限制的地区往盆地中心方向进积。②河道从冲积体系的顶点向下游方向呈放射状展布。③沉积体系横向上呈上凸状、纵向上呈下凹状。④发育一个顶点，在顶点之上河流在下切谷内流动，节点之下河流在沉积朵体上流动。DFS 水系网络与物源区的汇流体系明显不同，DFS 水系网络是从一点呈放射状分布，向下游分汊，横向上朝不受DFS 汇入限制的地区扩张，终止于干盐湖或湖泊；汇流体系则是从不同的分支河道汇合到一点，汇入点在河谷中，向下游流量增加、河道变宽，小河流和支流对泛滥平原进行改造，在主河道附近暂时沉积细粒物质，由于处于侵蚀体系中保存潜力有限（图1）。

图1 分支河流体系（a）与汇流体系（b）的水系结构特征（据文献［3］修改）Fig.1 Differences between distributive fluvial systems（a）and tributary fluvial systems（b）

1.2 多种河型共同发育

从整体上观察发现，有些DFS 体系可能整体以曲流河或者辫状河为主，还有些DFS 体系中河道从顶点向下游逐渐从辫状河演变为曲流河。不同类型的河道在一些大型DFS 体系共生共存，如在雅鲁藏布江下游布拉马普特拉河，多种河型共同发育的现象十分普遍，在同一河段可观察到曲流河的点坝、辫状河的心滩和网状河的江心洲（图2）。

图2 雅鲁藏布江下游布拉马普特拉河发育曲流河、辫状河和网状河等多种河道Fig.2 Rivers channel including meandering channel，braided channel and anastomosing channel developed in Brahmaputra River at the downstream of Yarlung Tsangpo River

1.3 河道几何形态变化大

自然界既发育有长度小于1 m 的微型DFS，也有长达100 km 以上的DFS，发育在南美查科平原上的DFS 半径（指从顶点到其末端的距离）超过700 km。DFS 中河道的几何形态变化很大，受河道分汊、地面渗滤和蒸发的影响，从顶点开始往下游发生有规律的演变，即河道的规模向下游逐渐减小，一般表现为随着河床坡降的减小，河道弯曲度逐渐减小，河道宽度逐渐变小，分汊不断增多，泛滥平原的面积比例不断增加，沉积物总体粒度逐渐变小，河漫湖泊增多，湖泊、沼泽湿地的面积不断增加［17-18］。

1.4 沉积体系复杂

DFS 的沉积环境包含河道和河道间区域，其河网体系和河道类型不断变化的特征决定了其沉积水动力过程的复杂多变。常见的沉积水动力过程包括：①顶点的前移和后退；②河道的摆动和分汊；③河道的决口；④河道下切侵蚀；⑤河道废弃和充填；⑥河道末端体系的形成；⑦泛滥平原湖泊和沼泽的形成与消亡等［19-21］。在复杂的沉积水动力作用下，DFS 沉积微相的多样性十分突出，在其沉积序列中广泛发育泥石流、河流、漫流、滑动、滑塌以及软沉积物变形等形成的多种沉积物，发育小型湖泊三角洲、薄层湖相泥岩和碳酸盐岩沉积，发育大量的风成和生物扰动沉积构造，发育多种古土壤层［22-24］。不同DFS 以及DFS 不同部位发育的沉积微相的类型及其对应的地层厚度、沉积物粒度、沉积构造类型、生物扰动和土壤化程度也千差万别。如美国阿拉斯加坎宁河，以分汊的辫状河道为主，发育3 个相带，沉积物颗粒较粗，泛滥平原地区土壤排水良好，沙丘发育在DFS 末端（图3a）；中国新疆叶尔羌河发育多条主干河道，发育4 个相带，靠近顶端的2 个相带发育辫状河和低弯度曲流河，中部和远端的2 个相带以高弯曲流河为主，沙丘广泛分布，牛轭湖和废弃河道非常普遍（图3b）；乌兹别克斯坦阿穆达利亚河以曲流河为主，活动河道带发育在DFS的西侧，4 个相带皆以曲流河为主，大量发育废弃河道、牛轭湖等［25］（图3c）。因此，需要在对DFS 及其沉积特征进行分类的基础上建立各类DFS 的沉积模式，实现对DFS 正确判别。

图3 不同DFS 的河道形态及其沉积微相分布样式（据文献［25］修改）Fig.3 Channel morphology and sedimentary microfacies distribution of different types of DFS

此外，风成沉积物的堆积、植被的发育和动物的侵扰对DFS 沉积环境也有一定的改造作用，这些影响受气候变化、地理位置、地貌条件的控制［26］。

2 DFS 主要类型

DFS 类型众多，规模差异巨大，不同类型DFS既有其各自的地貌和沉积学特点，也有共同的特征。学者们从不同的视角对DFS 进行了归类和分析，常见的类型包括河流扇、巨型扇、冲积扇和末端扇等，然而目前尚没有关于河流扇和巨型扇分类的论述，其中研究最多、最为成熟的类型是冲积扇。

2.1 冲积扇（Alluvial Fan）

冲积扇地貌学和沉积学研究自1754 年Smith的研究开始［9］，此后不断拓展。如Drew［27］对印度北部喜马拉雅山麓冲积扇特征的研究成为冲积扇研究的经典；Harvey［28-30］在冲积扇地貌学领域做了大量基础性的研究；Blair 等［31-36］研究了冲积扇沉积特征及其与河流沉积的差异，成为现代冲积扇沉积学研究的里程碑，同时揭开了河流扇和冲积扇差异研究的序幕，其观点为大多数沉积学家认可。此外，还有一种观点认为所有的DFS 都是冲积扇，简单地用冲积扇的沉积模式来研究DFS 的沉积特征，而忽略了DFS 沉积体系的复杂性。

作为DFS 的一种类型，冲积扇因为发育大量的辫状河道，具有DFS 的共性特征，其辫状分流河道与辫状河在沉积地貌、水动力条件和沉积特征等方面是相同的，如水系均呈放射状分布，由出山口向盆地区河道规模不断减小、沉积物不断细化等［33，37-38］。然而，冲积扇发育泥石流、筛积和漫流沉积，有些冲积扇以泥石流和漫流等非河道沉积为主，而DFS 体系更加强调河流沉积的主导性，冲积扇也具有区别于其他类型DFS 的特殊性。因此，以河流作为主导还是以泥石流、漫流作为主导是对冲积扇进行进一步分类的重要标准（图4）。

图4 冲积扇的沉积模式（据文献［31］修改）Fig.4 Sedimentary model of alluvial fans

Blair［33］认为冲积扇的扇体放射状半径从顶点开始一般延伸0.5～10.0 km，而河流的径向长度可以超过1 000.0 km；冲积扇上辫状河道从顶点呈放射状发育，形成角度达到180°的弧形边界，在坡度最陡的10 km 内地形高度差可达到200～3 000 m，而在河流体系最近端的10 km 内，其高度差远小于70 m；冲积扇的地形坡度为1.5°～25.0°，最常见的坡度为2.0°～12.0°（也有人认为是1.0°～4.0°），而砾质河床和砂质河床近端部分的坡度极少超过0.4°，大型DFS 表面坡度一般小于0.5°［33-35］。此外，相较于河流，在冲积扇上非限制性水流更常见，临界流和超临界水流更发育，上面植被稀少，沉积物重力流发育，沉积物颗粒粒度更大。

20 世纪80 年代，Galloway 等［39］将冲积扇划分为干扇（arid fan）和湿扇（wet fan），后来根据冲积扇上主要水动力机制进一步将其划分为泥石流扇（debrisflow fan）、河流扇（stream-flow fan）和片流扇（sheetflood fan）（图5）；Stanistreet 等［40］没有考虑片流的作用，根据冲积扇上的河道类型以及泥石流的发育情况划分出泥石流扇、辫状河扇和低弯度曲流河扇3种，这一分类方案被广泛应用于冲积扇研究中。

图5 基于水动力方式的冲积扇分类（据文献［39］修改）Fig.5 Classification of alluvial fans based on hydrodynamic force

2.2 巨型扇（Megafan）

巨型扇与河流巨型扇（fluvial megafan）具有相同的含义，这一术语最早出现在对印度北部的Kosi扇的研究中，研究者意识到长达60 km 的Kosi 扇的沉积特征与小型冲积扇存在巨大差异，因而将这类扇体称为巨型扇［41-43］。巨型扇是由于河流体系侧向摆动在山前形成的大型扇状沉积体，其上游主水道一般被限制在峡谷中，在顶点以下河流可以0°～180°自由摆动，但实际上一般都达不到180°［41］，常见于陆相前陆盆地，河流从冲断带流出将沉积物卸载在广阔而低洼的前陆盆地冲积平原上，容易形成半径巨大的扇状沉积体系。巨型扇是由大型河流沉积形成的，其地貌和沉积特征均呈现大型河流沉积的典型特征，以流水沉积相为主，缺乏泥石流沉积，在扇体外缘缺乏漫流沉积。

目前已经在世界各地发现大量现代和古代巨型扇沉积［9，14，17］，但学术界对巨型扇的研究尚处于实例描述阶段，对其水动力机理及沉积特征的系统总结较少，且尚未形成统一的认识。主流观点认为巨型扇地表坡度一般为0.01°～0.10°，沉积体系覆盖面积达1 000～100 000km2［39，43］。以喜马拉雅南坡一系列河流巨型扇为例，其面积为1 000～10 000km2，坡度一般为0.05°～0.18°，上游河道为砾质辫状河或网状河，下游河道演变为砂质辫状河、曲流河和网状河［44］（图6）。此外，一些学者认为巨型扇的河道水流多为亚临界流态，搬运的沉积物主要为砂质和泥质细粒沉积物，巨型扇的半径大于100 km［2］。

图6 喜马拉雅山南坡巨型扇恒河扇平面形态（a）及沉积相带分布（b）（据文献［43］修改）Fig.6 Planar morphology（a）and sedimentary facies zones distribution（b）of megafan on the southern slope of Himalayas

2.3 河流扇（Fluvial Fan）

河流扇这一术语最早可追溯到Blair 等［31］对冲积扇和河流沉积体系差异性的研究，但他们并没有明确提出河流扇的定义；Galloway 等［39］认为扇状河流体系半径大于10 km 就称之为河流或者河流扇，其坡度小于或者远小于1.0°（图7）；Hartley 等［2，45］认为河流扇的规模处于冲积扇和巨型扇之间，其半径为30～100 km，建议将冲积扇的半径限定在20 km 以下，最大达到30 km，巨型扇的半径大于100 km。文献调研显示，大型河流扇（large fluvial fan）［22］、大型冲积扇（large alluvial fan）、巨型扇（megafan）、湿地冲积扇（wet alluvial fan）、分流河道体系（fluvial distributary systems）以及分支河流体系（DFS）等术语［46］都曾被作为河流扇的同义词使用。目前尚未确认使用河流扇一词来研究分支河流体系的第一人，对河流扇的研究也较少，尚未发现对其几何形态、水动力过程和沉积特征等方面的详细描述。张元福等［14］对河流扇概念的形成进行了回顾，认为河流扇是从冲积扇研究中逐渐演化和分离出来的，说明了冲积扇与河流扇的关系密不可分。此外，还有一些学者片面地将河流扇作为DFS 的同义词，这种观点排除了冲积扇作为DFS 的内容。

图7 冲积扇、河流和河流扇的坡度差异（据文献［39］修改）Fig.7 Differences in gradient among alluvial fans，fluvial fans and rivers

2.4 末端扇（Terminal Fan）

末端扇是指在干旱—半干旱环境下，河流末端流量减少，地形坡度逐渐变小，流速骤减，水流向四周散开，邻近补给水道逐渐变迁变宽直至消失，沉积物呈片状大量堆积形成的扇状堆积体［47-49］。Mukerji［50-51］和Friend［52］最先提出了末端扇的概念；Parkash 等［53］对印度马坎达河地区末端扇的形成及其沉积过程做了详细描述；Kelly 等［54］提出了末端扇的相模式；张晓华等［55］认为濮城油田古近系沙河街组沙二上亚段2+3 砂组为末端扇沉积体系；Nichols等［56］将“末端扇”和“末端河流扇”作为分流河道扇体系的重要构成部分，将末端扇的形成作为分流河道扇的主要成因机制（图8）。与冲积扇、河流扇和巨型扇相比，末端扇只是上述扇体上单个分支河道的终止特征，是分支河流体系内部的次级沉积单元，从规模和成因机理上与此3 类扇体均不属于同层次的研究范畴。

图8 末端扇及其在DFS 上分布（据文献［56］修改）Fig.8 Terminal fans and their distribution on DFS

3 DFS 分类

Hartley 等［2，45］根据DFS 半径和河道分布样式将其划分为辫状分汊型（braided bifurcating）、单一辫状河道型（single braided）、辫状到曲流过渡型（braided to meandering）、单个曲流河道分汊型（single sinuous bifurcating）、多个曲流河道型（multiple sinuous）以及单个曲流河道型（single sinuous）（图9）。

图9 DFS 河道样式分类（据文献［2］修改）Fig.9 River channel style classification on DFS

这一分类方式较客观地反映了DFS 的平面形态及其河道类型演变的规律，但关于河道样式的分类存在明显的不足：①对DFS 平面形态的定义不够严谨，对每一种河道类型的特点缺乏充分的说明，没有定量的判别参数；②辫状分汊型与单一辫状河道型、单个曲流河道分汊型与多个曲流河道型在平面图上很难区分；③除了辫状到曲流过渡型之外，其他类型DFS 没有显示出从顶端到末端的河型变化趋势；④DFS 的河道平面形态和河网分布没有涉及地貌环境和沉积相特征，尚无法应用于沉积学研究。

对现代地球表面发育的DFS 进行考察和测量表明：①通常小型的冲积扇更容易发育泥石流等重力流沉积，扇状特征更加明显，而规模较大的河流扇和巨型扇则以河流沉积为主导，其平面形态多样且不规则。②DFS 的地貌和沉积特征与其半径、面积和地形坡度具有明显的相关性［11-12，57-58］，DFS 半径越大，面积越大、地形坡度越小，不同DFS 的半径、面积及其坡度的相关关系不同。由此可见，DFS 的规模不仅隐含了控制其形成和分布的地质信息，而且与沉积环境和沉积相相关。因此，可以根据半径、面积和地形坡度的不同对DFS 进行分类。

DFS 的半径决定其面积和坡度，故将半径作为关键指标，面积和坡度则作为辅助指标。通过对中国西部主要沉积盆地周缘DFS 半径、面积和坡度数据进行拟合发现，DFS 半径与面积的相关性更高，但由于DFS 的形态各异，二者并非简单的线性关系（图10a）；DFS 的半径和面积越大，坡度越小，当规模增大到一定值后，坡度与面积、半径的相关性变差（图10b，10c）。

图10 中国西部主要沉积盆地周缘DFS 半径r、面积A 和坡度G 关系Fig.10 Relationships among radius，area and gradient of DFS at the major sedimentary basins in western China

将DFS 分为小型、大型和巨型3 种，并将之分别与目前学术界习惯使用的冲积扇、河流扇和巨型扇相对应（图11，表1）。主要出于以下考虑：①尽量与已经使用的术语和习惯相对应，减少使用新的词汇；②冲积扇研究已经非常成熟，巨型河流扇的“巨型”作为DFS 的限制性前缀已经广为熟知，可继续用于对规模最大一类DFS 命名；③没有使用“中型”来命名河流扇是因为此类DFS 的半径可达到100 km左右，属于较大的沉积体系，同时为了在三分法分类中与巨型扇相衔接，没有划分出“中型”DFS。

表1 DFS 主要特征及其分类方案Table 1 Main characteristics and classification criteria of DFS

图11 以半径、面积和坡度为指标的DFS 分类（根据文献［5］，［31］和［41］修改）Fig.11 DFS classification based on radius，area and gradient

需要注意的是，划分DFS 的3 个特征参数界限是过渡的，不能作为一成不变的硬性指标，还应该关注其沉积水动力过程和沉积特征。一般情况下，从冲积扇、河流扇到巨型扇，随着DFS 半径和面积的增加以及坡度的变小，泥石流等重力沉积减少，沉积物粒度区间变宽，沉积环境多样性增强。

3.1 小型DFS

此类DFS 规模小、地形较陡，从顶点到终端整体表现为下凹状，横向上表现为两侧低中间高的上凸特征，野外经常可见到只有数米长的微型冲积扇。广泛发育在干旱—半干旱地区的山前地带，新疆准噶尔盆地西北缘白杨河扇可以作为此类DFS的典型代表［25，59］。

小型DFS 主要发育泥石流通道和辫状水道，发育大量暂时性河道，河道以顺直型砾质河道为主，分汊和改道较少，分流河道间以砂砾质沉积为主，偶见泥质沉积，古土壤和植被不发育，在干旱地区植被常常沿干河床分布，河道间地区为裸露的砾石滩［25，55］。小型DFS 沉积水动力以暴雨形成的阵发性泥石流为主，部分冲积扇有短流程河流注入，发育连续性河道水流，河道流量具有显著的季节性特征。沉积物中泥石流沉积、暂时性河道沉积和季节性河道沉积交替出现，各种沉积物的比例变化很大，季节性河流是主要的沉积搬运营力，暂时性河道对季节性河道沉积起改造作用，风对小型DFS 表面沉积物的再分布有一定的影响。

3.2 大型DFS

此类DFS 长度和面积均较大，表面地形坡度一般小于1.0°，但不同DFS 的坡度相差较大。DFS上河道类型多样，如河西走廊盆地昌马河扇以辫状河为主［5］；准噶尔盆地黄羊泉扇、柴达木盆地格尔木扇既发育辫状河也发育曲流河［60-61］；格尔木扇的顶端以辫状河道为主，中部和远端逐渐演变为曲流河、辫状河，河道的弯度增加，河道明显变窄（图12）。

图12 格尔木大型DFS 平面形态及其河道分布卫星图Fig.12 DFS planar form and channel distribution of large DFS in Golmud in satellite imagery

大型DFS 近端河道间地区较为狭窄，往下游方向河道间地区逐渐变得开阔并演变为泛滥平原，泛滥平原发育暂时性湖泊和湿地，部分河道残留形成牛轭湖，无静止水体覆盖地区发育古土壤。在干旱多风地区，沙丘可能在DFS 表面分布。大型DFS发育的沉积微相和砂体建筑结构差异很大，以砾质为主的DFS、砂砾混合的DFS以及以砂泥质沉积为主的DFS的相带分布和砂体叠置关系各不相同，但总体上表现为从上游至下游沉积物的粒度变小，砂砾质的比例变小，砂体的连续性和连通性由DFS近端向远端减弱［62-64］。局部水动力条件对沉积物分布具有强烈的控制作用。

3.3 巨型DFS

此类DFS 规模巨大，目前已知最大的DFS 为安第斯前陆的皮尔科马约（Pilcomayo）DFS 和贝尔梅霍（Bermejo）DFS，长度均超过700 km。中国东部近代黄河冲积扇西起孟津，西北沿太行山麓与漳河冲积扇交错，西南沿伏牛山北麓与淮河上游相接，向东延伸至鲁西的湖洼地带，地跨河南、河北、山东、江苏和安徽5 省，呈放射状向平原展布，与黄河三角洲直接相连［65］，东西长355 km，南北最宽处为410 km，总面积达72 144 km2，海拔40～100 m，约占下游冲积平原的1/3，是由多期扇形地叠置而成的（图13）。

图13 黄河扇及其不同时期扇体的形成时间和分布范围（据文献［65］修改）Fig.13 Range of the Yellow River megafan in different periods of the historical time

巨型DFS 近端地形坡度稍大，多为叠置的复合砂体；中部和远端的表面地形坡度总体较小，中部砂体表现为断续的条带状，夹有较厚的粉砂质和泥质泛滥平原沉积，远端沉积剖面表现为孤立小型河道砂体夹在暂时性湖泊、沼泽和泛滥平原细粒沉积物中［17，66-67］。如美国西南部莫里森组的盐洗段DFS半径超过500 km，近端以高度叠置的河道带堆积物为主，远端沉积物主要为泛滥平原泥、片状砂岩以及稀疏的带状河道，几乎没有河道砂体发生叠置；从近端至远端河道沉积厚度、砂岩和叠置河道带沉积物的体积分数都下降，河道沉积厚度从174 m 下降至40 m，砂岩体积分数从70.0%下降为8.0%，叠置河道沉积物体积分数从67.0% 降至0；泛滥平原和湖相沉积物体积分数有所增加，分别为从38.0%上升至94.0%，从0.1%上升至7.0%；此外，河道带砂岩和砂层的平均厚度（从最厚处至最薄处）均向下游减小，分别为从15.0 m 降至3.8 m，从7.7 m 降至2.3 m，平均粒径Ф值向下游变大（图14）。

图14 美国西南部莫里森组盐洗段DFS 上游—下游含砂量、剖面厚度与平均粒度（Ф 值）变化特征（据文献［17］修改）Fig.14 Trends in sand content，section thickness and average grain size downstream in Salt Wash DFS of Morrison Formation in southwestern United States

4 DFS 形成与分布的控制因素

DFS 的发育受盆地构造背景、气候特征、流域面积、物源区母岩岩性等因素的控制，其中构造背景和气候是控制DFS 形成与分布的最根本因素，流域面积、物源区母岩岩性影响沉积物供给总量，供给速率及沉积物颗粒的矿物成分、颗粒结构。此外，DFS 地形坡度作为间接因素与河流流量、流速等自生因素相结合，控制了河道形态以及河道的分汊和决口，造成沉积物的搬运和再分配，从而控制了DFS 表面的沉积环境和沉积相分布。

4.1 构造对DFS 形成与分布的控制

据Hartley 等［2］的统计，在所有的拉张（包括裂谷、坳拉槽和被动大陆边缘）、挤压、走滑和克拉通盆地中都发育DFS，其中57%以上位于挤压构造背景中（37%发育在前陆到造山带内，20% 位于造山带内的背驮盆地），构造不活跃的克拉通环境中大型DFS 占19%，拉张构造背景中发育的DFS 占总数的13%，其他11% 的DFS 发育在以走滑变形为主的地区。不同构造背景下的DFS 规模有所差异，通常在挤压环境中发育的DFS 长度最大，其次是克拉通和伸展环境，在走滑体系中发育的DFS 长度相对较小；前陆盆地和克拉通边缘DFS 规模最大，如在阿拉斯加、喜马拉雅山和安第斯前陆盆地边缘发育较长距离向盆地内倾斜的缓慢斜坡，斜坡延伸数百千米，有利于形成大型DFS，而伸展和走滑盆地相边缘斜坡短且狭窄，发育的DFS 半径通常小于20 km，偶尔发育大型DFS。

DFS 河道样式与构造背景没有明显的关系，似乎任何河道形态都可以在所有构造背景下发育，整体而言，在挤压、走滑和克拉通构造背景中，DFS 河道以辫状分汊河道为主。在构造活跃的环境中，辫状分支的DFS 占主导地位，由于河流流量和沉积物总量较大，形成的DFS 坡度较小；在构造相对稳定的克拉通、拉张和挤压构造背景的低起伏地区，DFS坡度较小，沉积物供给速率较小，常发育曲流河。

4.2 气候对DFS 发育的控制

所有气候区都发育大型DFS，但其规模和河道类型与气候有一定的相关性。在赤道气候条件下沉积物供应量高，有利于形成辫状河道，并且沉积物搬运不受植被的限制和改造。Leier 等［68］通过对28 个巨型扇进行研究，指出巨型扇的发育受季节性流量大幅波动的影响，巨型扇仅出现在南、北纬度15°～35°，在这一区域，河流流量的波动极大，DFS河道呈现强烈的不稳定性。Hartley 等［2］统计了半径大于30 km 的415 个大型DFS，17% 的DFS 发育在纬度0°～15°，45%发育在纬度15°～35°，38%发育在纬度35°～70°；热带、亚热带和干旱气候地区发育的DFS 长度更大，热带气候中62%的DFS长度大于70 km，极地、赤道和温带气候条件下发育的DFS 长度相对较小，70%～80%的DFS长度小于70 km；赤道气候、热带和亚热带发育的DFS 半径更大，其中在赤道气候条件下发育的DFS 以大坡度（大于0.007 5°）为主，而在热带和亚热带气候下发育的DFS 则为小坡度（小于0.008 0°）。

不同气候背景下DFS 的终止方式具有一定的规律，热带气候下26%的DFS 终止于湿地或湖泊，赤道气候条件下超过50% 的DFS 终止于内流盆地，大多数消散在风成沙丘中，其余的则终止在沙丘、湖泊或湿地区。

4.3 其他控制因素

DFS 的发育取决于河流体系摆脱山谷的限制和横向扩散的能力。所有DFS 顶点都位于能够导致河流形成放射性扩散的地区，这些地区诸如山前断层边界，低地形中的陡坡处，或是位于顶点下游的坡度变小、向下发生倾斜的位置，还有少量的DFS 顶点发育在风成沙丘之间。从DFS 上游至下游，河道分汊、渗滤和蒸发等因素造成的流量损失导致河道面积变小、输沙能力下降，河道类型从辫状河道演变为曲流河道，流量和沉积载荷的减少对控制DFS 平面形态非常重要。

地形坡度、沉积物供给和流量是控制DFS 平面形态、沉积相类型和相分布的次要因素。辫状河道的平面形态与相对较大的坡度、较高的汇水量和较好的沉积物供应有关；坡度较大的DFS 发育在地形起伏较大的构造活动区域，如内华达山脉、安第斯山脉、天山、阿尔金山、阿尔泰和奎棱山脉［3］。

河道快速迁移和频繁决口是形成大型DFS 的重要因素，而控制河流决口的条件非常复杂，流量波动是促进河道不稳定和决口的重要因素。在巨型扇河流中，与雨季有关的洪水是决口频繁的催化剂，河道快速迁移也与洪峰对河岸的侵蚀有关，潮湿和干旱交替在盆地内产生大量的沉积物，有时会超过河流的运输能力，导致河道淤塞，引起河道决口或快速迁移。此外，季节性降水也可能影响河岸沿线植被的类型和密度，影响河岸的稳定性，进而影响迁移速率和决口频率［23-24］。

对现代DFS 的水文地貌观测结果表明，大型DFS 河道网络形态、河道规模以及相关地貌特征的变化受控于流域径流和沉积物比率变化，上游流域的降雨量和径流量、水体蒸发、渗滤等因素造成河流分汊、主河道消亡和泛滥平原坡度降低，导致向下游方向决口节点的存在，也造成主干河道分汊成更小的分流河道。流量和流域径流受气候控制，同时也控制DFS 的规模，如果盆地缺乏持续的水流，河流体系将会终止在盆地中。此外，沉积物供应对DFS 的形成也很重要，如第四纪加利福尼亚州圣华金山谷沉积物供应相对有限，沉积物无法填补该盆地底面，因而难以发育大型DFS。

5 结论

（1）DFS 不是一种新的或者特殊的河道类型，而是多种河道有规律的集合，是从顶点呈放射状展布的冲积体系；可同时发育多种类型的河道，且河道的几何形态变化极大，完整的DFS 不仅包括河道部分，也包括河道间区域。

（2）DFS 主要类型包括冲积扇、河流扇和巨型扇。冲积扇的半径较小，地形坡度较大，扇面发育非限制性临界流和超临界水流，植被稀少，沉积物颗粒粗大，沉积物重力流发育；河流扇表面以河流沉积为主，缺乏泥石流沉积；巨型扇是由于河流体系侧向摆动在山前形成的大型扇状沉积体，地表坡度小，沉积体系覆盖面积大，半径大于100 km。

（3）根据半径、面积和坡度将DFS 划分为小型、大型和巨型，小型DFS 对应冲积扇，扇体半径小于30 km，面积小于100 km2，坡度大于1.0°；大型DFS 为河流扇，半径为30～100 km，面积为100～1000 km2，坡度小于1.0°；巨型DFS为巨型扇，扇体半径大于100 km，面积大于1 000 km2，坡度小于0.5°。DFS 半径是分类的关键指标，面积和坡度是辅助指标，这3 个特征参数的界限值是过渡的，其分布范围有一定的交叉和重复，判断DFS 类型还需结合沉积水动力过程和沉积特征等因素。

（4）DFS 发育受盆地构造背景、气候特征、流域面积、物源区母岩性质等因素的控制，其中构造背景和气候是控制DFS 形成与分布的最根本的因素，流域面积、母岩性质影响沉积物供给总量、供给速率及沉积物的矿物成分、颗粒结构。DFS 地形坡度作为间接因素，与河流流量、流速等自生因素相结合控制着河道形态以及河道的分汊和决口，造成沉积物的搬运和再分配，从而控制了DFS 表面的沉积环境和沉积相分布。