第三节 冲 积 扇 相

一、 概述

当山谷中的季节性洪水进入盆地时，由于坡降变缓，水的流速急剧降低，水流分散，形成许多分流河道，于是洪水所携带的大量碎屑物质便在山口外，顺坡向下堆积，形成冲积扇(alluvial fan)沉积。上升的隆起区或山区与盆地之间往往有同生断层发育，当断层持续活动时，可发育很厚的冲积扇，形成独特的沉积层序。冲积扇的形成和发展受自然地理、气候条件和地壳升降运动等因素的制约。造山运动越强，地形高差越大，气候越干旱，该相就越发育。随着冲积扇的发展，其范围逐渐扩大，山前的冲积扇彼此相连和重叠，形成沿山麓分布的带状或裙边状的冲积扇群或山麓堆积(talus)，又称为山麓一洪积相。

冲积扇在空间上是一个沿山口向外伸展的巨大锥形沉积体，锥体顶端指向山口，锥底向着平原，其延伸长度可达数百米至百余千米。在纵向剖面上，冲积扇呈下凹的透镜状或呈楔形，横剖面是上凸状。冲积扇的表面坡度扇根处可达4°~10°，远离山口变缓，为1°~6°(图5-6)。冲积扇的面积变化较大，其半径可从小于100m到大于150km以上，但通常小于10km。其沉积物的厚度变化范围可以从几米到8000m左右。冲积扇沉积主要受汇水盆地大小、气候等多因素的控制。一般来说，汇水盆地越大，气候越潮湿，则冲积扇沉积面积越大，且冲积扇的沉积作用也存在差异。根据气候条件，冲积扇可分为潮湿型和干旱型两种类型 (图5-7)。潮湿型冲积扇单个扇体大，河流作用明显；干旱型冲积扇单个扇体小，泥石流作用明显。

在我国，新构造运动十分活跃，加之除东部沿海地区之外，多属大陆性气候环境，因此冲积扇广泛发育于我国的现代沉积中，如西北地区各构造盆地边缘，华北盆地的燕山、太行山和大别山山麓，四川盆地的龙门山山麓等。我国的古代冲积扇也很发育，主要出现于晚古生代、中生代和古近纪，特别是自中新生代以来，形成许多内陆断陷盆地，在盆地边缘经常有冲积扇沉积，如克拉玛依的三叠系、酒泉盆地的白垩系、渤海湾盆地的古近系等。在以粗碎屑为主的冲积扇内，常有良好的孔隙性和渗透性，可以形成巨大的地下天然水库，也可成为石油和天然气的储集场所。

二、冲积扇的沉积作用及沉积模式

(一) 冲积扇的沉积作用

根据冲积扇形成过程中流体的流动特点，其沉积作用可分为二种类型：一种类型起因于暂时性水流的沉积作用；另一种起因于泥石流及其相关的沉积作用。暂时性水流的沉积作用主要是指那些发生在河流体系中的作用，它们以悬浮、跳跃和滚动方式搬运沉积物为特征。因此，暂时性水流沉积一般成层性好，含有指示不同流态的各种沉积构造，而且杂基含量少，呈碎屑支撑，并含有叠瓦状构造及与流动方向有关的其他定向构造。泥石流及其相关的沉积作用的特点是含有大量泥质和粉砂质杂基。这些细粒物质支撑碎屑颗粒，并以粘性流体的块体方式进行搬运。因而泥石流及其相关沉积通常成层性差，几乎很少显示沉积构造(包括叠瓦状构造)，但具有大量粘土杂基，呈杂基支撑。因此按照沉积作用发育的位置和沉积物特征，冲积扇可进一步划分为泥石流沉积、河道沉积、漫流沉积和筛状沉积。

1. 泥石流沉积 (debris flow deposition)

泥石流是由碎屑沉积物和水混合在一起的一种高密度和高粘度的流体。泥石流沉积是冲积扇的主要沉积类型之一，且为陆上泥石流，其最大的沉积特征是分选极差，砾、砂、泥混杂，而且粒级大小相差悬殊，甚至可含有几吨重的巨砾。砾石多呈棱角状至次棱角状，也可见磨圆较好的砾石 (图5-8(a))。层理不发育或不清楚，一般呈块状，但有时可见不明显的递变层理。其组构特征，或者是板状、长条形砾石以垂直于泥石流流向的直立定向排列为主，或者是呈水平或叠瓦状排列。上述构造和组构特征与泥石流的粘度有关。一般来讲，粘度不大的泥石流沉积可具有递变层理，砾石呈水平或具叠瓦状构造；粘度大的泥石流多是块状，其砾石以直立排列为主。

泥石流沉积可局限于一定的河道内，也可在侧向上呈席状或朵状体延伸到河道间或扇端地区。它们的典型特征是其边缘明显而陡厚，这与泥石流的粘度大有关。但席状沉积物中部的厚度较均一，因而在露头上泥石流的沉积较稳定。单个泥石流可以有明显的水道轴向部分，以及在流体最发育时期由水道侧翼沉积作用所产生的发育良好的天然堤。沿着泥石流沉积的边缘或脊，有时还可见到墙式的粗粒物质。另外，泥石流沉积常与水携(牵引流)沉积交互出现，因而在这两种沉积互层的沉积剖面中，泥石流沉积表现得相当明显，往往成为判断古冲积扇的一个重要标志。

泥流 (mudflow)是泥石流的一个变种，其沉积物较细，主要由砂和泥混合而组成，一般不含4mm以上粒径的颗粒。泥裂是富含粘土质泥流沉积的一个特征。由于泥流的粘度变化可以很大，与泥石流沉积相类似，其沉积形态的变化范围也可以从薄而广的席状到具有明显边缘的、厚的朵状体。泥流沉积既可沉积在冲积扇的河道中，也可以发育在非河道地区。

2. 河道沉积 (stream channel deposition)

冲积扇上的河道沉积是指暂时切入冲积扇内的河道的充填沉积，故又称为河道充填沉积。它们是水携沉积物中粗粒的和分选差的沉积部分，但向扇端方向沉积物变细。典型的扇根河道直而深；至扇中和扇端地区则河道变浅，大多为辫状河道；平面形态上一般为窄而长的带状。

河道沉积物由砾石和砂组成，分选较差，层理不发育，多呈块状。其单层厚度一般为4~60cm，有时可达2m以上。但有时发育有不明显的单向板状交错层理，或不明显的平行层理，具叠瓦状构造 (图5-8(b))。有时在剖面中也可见到明显的河道冲刷一充填构造。河道沉积的底部一般凸凹不平或呈下凹状，与侧翼和下伏沉积物呈冲刷侵蚀接触关系，并且向周围常常过渡为泥石流或泥流沉积。

3. 漫流沉积 (sheetflood deposition)

漫流沉积又称片流沉积，是冲积扇中最常见的一种沉积类型。携带着沉积物的水流，从冲积扇上的河道末端或两侧漫出，形成了宽阔的浅水带，或席状漫流 (其水深一般不超过30cm)。由于水深和水流速度同时减小，以及扇端地区坡度较低缓，而使其所携带的沉积物迅速地沉积下来，形成了席状的砂、砾沉积物，但有时可被低洪时期小而浅的河道切开。

漫流沉积物通常由砂、砾石和含少量粘土的粉砂组成，分选中等。其沉积构造为块状层理、交错层理和水平或平行纹理，有时也见有小型冲刷一充填构造。漫流沉积常与上述的河道充填沉积物相伴而生，与河道沉积物相比较，其粒度较细，分选性变好。

4. 筛状沉积 (sieve deposition)

筛状沉积是冲积扇上最富有特色的一种沉积作用。当物源区供给冲积扇主要为砾石而无或极少细粒物质 (砂、粉砂和泥)时，在冲积扇的表层形成舌状的砾石层。由于砾石层具有较好的孔隙性和渗透性，使洪水在流到冲积扇趾部以前就从其中完全渗漏到地下，不能形成地表水流。因为水是从砾石层中渗掉而不是从上面流走的，所以它们就像筛子那样，只允许水渗走，而阻止粗粒物质继续搬运并堆积下来，故称为筛状或筛余沉积 [图5-8(c)]。

筛状沉积主要由棱角状至次棱角状的砾石组成，其中充填以砂粒，多形成具双众数分布特征的砂砾岩。其层与层之间的接触界线不清，呈块状构造。显然，筛状沉积的分布不如其他水携沉积物普遍，只是局部的堆积现象。

冲积扇可以由某种单一沉积类型组成，如泥石流的单一沉积，但大多数冲积扇是由上述几种沉积类型共同组合而成的。当多种沉积作用类型共存时，其在空间分布上具有一定的规律性。泥石流沉积常产出在扇根附近；漫流沉积则分布于扇中和扇端地区，主要分布于河道交会点以下；河道沉积主要分布在该区交会点以上(图5-9)。

(二)冲积扇的沉积模式

根据现代冲积扇地貌及沉积物的分布特征，冲积扇可进一步划分为扇根、扇中和扇端三个亚相(图5-6)。

1. 扇根

扇根 (the upper fan) 分布在邻近冲积扇顶部地带的断崖处，其特点是沉积坡角最大，并发育有单一或1~3个直而深的主河道。其沉积物主要是由分选极差的、无组构的混杂砾岩或具叠瓦状的砾岩、砂砾岩组成。一般呈块状构造，其砾石之间为粘土、粉砂和砂的杂基所充填。但有时也可见到不明显的平行层理、大型单组板状交错层理以及流速衰减而形成的递变层理。也就是说，扇根沉积物主要为泥石流沉积和河道充填沉积。

2. 扇中

扇中 (themid fan)位于冲积扇的中部，并为其主要组成部分。它以具有中到较低的沉积坡角和发育的辫状河道为特征。因此，沉积物主要由砂岩、砾状砂岩和砾岩组成。与扇根沉积相比较，砂与砾比率增加。砾石碎屑多呈叠瓦状排列；在交错层中，它们的扁平面则顺倾斜的前积纹层分布。在砂岩和砾状砂岩中，则出现主要由辫状河流作用形成的不明显的平行层理和交错层理，甚至局部可见逆行沙丘交错层理。河道冲刷一充填构造较发育，也是扇中沉积的特征之一。沉积物的分选性相对于扇根来说，有所好转，但仍然较差。

3. 扇端

扇端 (thelower fan)出现在冲积扇的趾部，又叫扇缘，其地貌特征是具有最低的沉积坡角和地形较平缓。沉积物通常由砂岩和含砾砂岩组成，夹粉砂岩和粘土岩；但有时细粒沉积物较发育，局部也可见有膏盐层。其砂岩粒级变细，分选性变好。在砂岩和含砾砂岩中仍可见到不明显的平行层理、交错层理和冲刷—充填构造外，粉砂岩和泥岩则可显示块状层理、水平纹理以及变形构造和暴露构造 (如干裂、雨痕)。

总之，对于同一期沉积而成的冲积扇而言，其沉积作用及其产物空间上一般存在一定的发育规律。由扇根到扇端，沉积物粒度变细，沉积物分选性变好，沉积厚度变薄，沉积构造规模变小，且沉积序列也不同 (图5-10)。扇根的沉积序列主要为块状混杂砾岩和具叠瓦状组构砾岩组成的正韵律沉积组合。扇中的沉积序列自下而上为具叠瓦状的砾岩及不明显的平行层理、交错层理砾状砂岩、砂岩组成。扇端的沉积序列通常为具冲刷一充填构造的含砾砂岩、交错层理和平行纹理砂岩，以及水平纹理粉砂岩和块状层理泥岩，但有时也发育有变形构造，如旋卷纹理及球枕构造。

三、古代冲积扇的识别标志及其与油气的关系

(一)古代冲积扇的识别标志

1. 岩性

冲积扇在岩性上差别较大，这主要是由于源区母岩性质不同。大部分冲积扇多以砾岩为主，砾石间充填有砂、粉砂和粘土级的物质，有些冲积扇也可由含砾的砂、粉砂岩组成。扇根部分以砾、砂岩为主；扇缘部分砾岩减少，砂、粉砂、泥质岩增多，层的厚度变薄；扇体与平原过渡地带则以粘土沉积为主。

冲积扇沉积中常含有碳酸盐、硫酸盐等矿物，如方解石、石膏等。它们是和碎屑物质几乎同时沉积或是作为地表物质风化结果而堆积下来的。冲积扇的源区母岩性质不同，则所含的盐类矿物就可能出现明显的变化。故根据盐类矿物的差异，在一定条件下有可能推断出源区母岩的性质。

2. 结构

粒度粗、成熟度低、圆度不好、分选差是冲积扇沉积的重要特征。然而不同沉积类型，其分选亦有较大差别。在垂向上和平面上，粒度变化较快。从扇根至扇缘粒度逐渐变细，分选、圆度逐渐变好。但有时因河床切割一充填沉积的影响，也会使粗粒沉积物位于扇体的中部或下部。

冲积扇砂质沉积物的粒度概率曲线一般为三段：滚动组分含量为1%~3%，跳跃组分含量为50%~60%，悬浮组分含量为10%~30%。从扇根向扇缘方向，滚动组分和跳跃组分含量降低，悬浮组分含量增高。冲积扇中不同类型的沉积物具有不同特征的C-M图 (图5-11)。漫流沉积与河床充填沉积在C-M图上为一弯曲图形，与帕塞加牵引流标准C-M图相比，缺少RS段，而只有P-Q-R段图形，说明均匀悬浮沉积对冲积扇来说是不特征的。图形PQ段代表冲积扇河床充填沉积；QR 段大致与C=M线平行，C与M成比例增加，C与M值接近，说明分选好，这一段代表浅的面状水流沉积，即漫流沉积。泥流沉积是一个近于与C=M线平行的长条状图形，与帕塞加的浊流沉积C-M图接近。所不同的是，浊流C-M图中线 (线两边的样品点数相等)上的样品点，C是M值的2.3~4.2倍，而泥流C-M图中线上各点，C是M值的40~80倍，这说明泥流比浊流在分选上要差得多，粘度和密度也大得多。

3.沉积构造及颜色

冲积扇沉积由于属间歇性急流成因，故层理发育程度较差或电等。泥石流沉积显示块状层或不显层理，细粒泥质沉积物可见薄的水平层理，粗粒碎屑沉积有时亦可见不太明显和不太规则的交错层理，斜层倾向扇缘，倾角为10°~15°。在垂向上，层理构造表现为流水沉积物与泥质沉积物复杂交互的构造序列 (图5-12)。

冲积扇的粗碎屑沉积中常见冲刷一充填构造，主要发育在扇顶附近。砂质沉积局部可见流水波痕。砾石若有定向排列，则呈“向源倾斜”，倾角30°~40°。泥质表层可发育泥裂、雨痕、流痕等。

冲积扇是间歇性急流堆积的产物。沉积物质经常暴露地表，遭受着不同程度的氧化作用，故缺少还原性的暗色沉积物，泥质沉积的颜色一般带有红色，这是干旱和半干旱地区冲积扇的重要特征。

4. 生物化石

冲积扇中几乎不含动植物化石，也很少含有机质。

5.垂向层序及沉积相组合

冲积扇在形成和发育过程中发生进积和退积作用，使其垂向沉积层序有着明显的不同。当冲积扇向源区退积时，形成下粗上细的退积正旋回层序；否则，相反。在扇体的不同部位，其沉积层序也不相同。

冲积扇在横向上，向源区方向与残积、坡积相邻接，向沉积区常与冲积平原组合或风成一干盐湖相相接 (图5-13)，与河流或湖泊、沼泽沉积呈超覆或舌状交错接触。有时也可直接与滨海 (湖)平原共生。有些扇体甚至可以直接进入湖泊或海盆地的安静水体，形成水下扇或扇三角洲。

(二)冲积扇沉积与油气关系

冲积扇在我国现代大陆沉积中及地质历史时期的古代沉积中不乏其例，且发现了多个与冲积扇有关的油气藏，如我国新疆克拉玛依油田二叠系—三叠系冲积扇就是典型实例之 一。

新疆克拉玛依油田二叠系—三叠系砂砾岩分布于老山山前的断裂带，呈条带状分布于沉积时期的古盆地边缘，由七个冲积扇彼此相互连接构成一个冲积裙带 (图5-14)。其岩性为一套较厚一巨厚的粗粒碎屑岩，砾岩厚度占总沉积厚度的60%~90%以上，砾石直径为1~60mm，分选极差，多呈棱角状，砾石成分90%以上为紧邻物源区的母岩碎块 (变质砂泥岩块)。杂乱堆积的砾石在剖面上频繁地粗细交替，组成不明显的洪积层理和韵律层，并具清晰的冲刷面。其中所夹的棕红色一灰色、紫色泥岩透镜体含有砾石、粗砂和较多的粉细砂，无层理，无生物化石。这些特征反映其是在强氧化环境中由间歇性洪水所形成的、不稳定性的非连续沉积物，且经历了多次加积作用，而发育成如此巨厚的冲积扇沉积。

在每个扇体的扇中部位发育的砂砾岩体厚度大，颗粒粗，向扇体两侧变薄变细；且扇中部位的连片河床砂砾岩层，粒度适中，分选较好，胶结疏松，孔隙性和渗透性相对较好，为油气储集的有利相带。但同生断裂带的发育和不整合面的存在，也是该油气藏形成所不可缺少的地质条件。