2010年，Weissmann等^[1]和Hartley等^[2]均提出了一个新的河流沉积学术语，即：分支河流体系（Distributive Fluvial System），这一术语是在运用Google Earth对全球700余个现代沉积盆地中的冲积河流沉积体系进行统计的基础上提出的，也是随着现代地球信息技术的不断发展，人们对地球表面地貌特征的观察视野不断扩大，以及河流沉积学家和地貌学家对冲积体系不断深入研究的基础上提出的。追根溯源，分支河流体系这一概念的提出起始于人们对冲积扇的研究，并经过从冲积扇到河流扇等概念的演化而逐步形成的。冲积扇的概念提出于19世纪70年代，并在20世纪70年代得到迅速发展，先后出现了干扇、湿扇、泥石流扇、片流扇、河流扇、辫状河扇、低弯度河流扇、曲流河扇等概念。21世纪以来对河流扇的研究不断增多，提出了巨型扇、大型河流扇、大型洪积扇、湿河流扇等术语。分支河流体系（DFS）概念的提出使得人们能够对沉积盆地内发育的一系列沉积体系进行总体的理解和把握，进而有必要对传统的扇三角洲、辫状河三角洲甚至“正常三角洲”等沉积体系的特点和成因做进一步分析。理解DFS的概念对正确认识陆相含油气盆地内的沉积体系具有重要意义。本次研究以冲积扇概念的演变为线索，介绍DFS的基本特征、科学意义和应用价值。

最早被用来描述扇状沉积体系的专门术语是“冲积扇”（alluvial fan），由Drew^[3]于1873年提出。通常认为冲积扇是携带有碎屑物质的水流在地形陡变地区、尤其是山前地带的河流出山口处，由于突然失去河谷的限制，而陡然变宽变浅、搬运能力降低，其携带的碎屑物质快速沉积而形成的一种平面上近似于扇形的沉积地貌体。“冲积扇”、“洪积扇”、“洪（冲）积扇”等名词在我国学术界具有等同的含义^[4-5]。

由于语言转换的原因，冲积扇及洪积扇的汉语含义与英文内涵有所差异。业内一般将“冲积”对应于“fluvial”，将“洪积”对应于“alluvial”；但通常将“冲积物”理解为包括山洪泥石流以及河流等陆上水流体系形成的沉积物，把“洪积物”理解为山洪泥石流等阵发性山区洪水因卸载其携带物而形成的沉积物。这样的理解与英文中的理解恰恰相反，英文中“alluvial”比“fluvial”具有更宽泛的含义。Bates等^[6]曾经在1976年对“alluvial”，“alluvium”以及“fluvial”做出了定义，认为：“Alluvial is pertaining to or composed of alluvium，or deposited by a stream or running water.”而“Alluvium is a general term for clay，silt，sand，gravel，or similar unconsolidated detrital material，deposited during comparatively recent geologic time by a stream or other body of running water，as a sorted or semisorted sediment in the bed of a stream or on its flood plain or delta，as a cone or fan at the base of a mountain slope.”“Term alluvial originated from Jameson ^[7]to refer to the time in which loose sediments（I.e. the alluvium）were deposited after retreat of the seas following the Noachian Flood”。也就是说“，alluvial与alluvium有关，或者说是由alluvium构成的，亦或者是指由水流或者流水沉积形成的” “；alluvium是指在相对较新的地质时期由于流水沉积而形成的黏土、粉砂、砂和砾等相关未固结的碎屑物质的总称，这些呈分选或半分选状态的沉积物沉积在河床、河流的泛滥平原或者三角洲等地区，呈锥状或者扇状堆积在山坡的坡脚处”。“alluvial一词来自Jameson等^[7]，指诺亚洪水海退以后沉积的疏松沉积物”。Bates等^[6]还认为“：Fluvial is pertaining to a river or rivers；existing，growing，or living in or about a stream or river；produced by the action of a stream or river”，“Fluvial is a subset of Alluvial”。就是说“fluvial与河流有关，指形成、生长和存在于河流中，泛指河流作用产生的任何事物，且alluvial包括fluvial”。

自20世纪70年代以来，针对冲积扇的沉积学研究得到了迅速发展。我国经典的沉积学教材^[8-9]中一般将冲积扇上的沉积物分为泥石流沉积、辫状河道沉积、筛积物和片流沉积等，研究的冲积扇规模通常小于10 km。20世纪80年代，Galloway等^[10]将冲积扇划分为干扇（arid fan）和湿扇（wet fan），认为冲积扇上面有经常性河道的为湿扇，没有的为干扇，但是这一术语得到的应用并不多。后来，Galloway等^[11]又根据冲积扇上占主导性的水动力条件，将冲积扇划分为泥石流扇（Debris-flow fan）、河流扇（Stream-flow fan）和片流扇（Sheetflood fan）等（图 1）。

图 1

Fig. 1

下载eps/tif图 图 1 冲积扇的分类（据文献[11]修改） Fig. 1 Classification of alluvial fan systems

与此同时，沉积学家也注意到了冲积扇上河道类型的差异，Stanistreet等^[12]没有考虑片流的作用，他们根据冲积扇上河道的类型以及泥石流的存在与否，将冲积扇划分为泥石流扇、辫状河扇、低弯度河流扇及曲流河扇等类型；Blair等^[13]认为冲积扇一般小于10 km，大于10 km的扇状体系应该称为河流或者河流扇（rivers or river called fans），自此，河流扇（fluvial fan）的概念开始得到应用和推广。

21世纪以来，关于前陆盆地中发育有河流扇的报道越来越多，并出现了与河流扇相关或相似的其他术语，如巨型扇（megafan）、大型河流扇（large fluvial fan）、大型洪积扇（alluvial megafan）、湿河流扇（wet fluvial fan）等。其中，大型河流扇主要发育在半干旱地区^[14]或者季风气候带^[15-16]，包括4个基本组成部分：① 近端扇，② 中扇，③ 远端扇，④ 扇间或者轴向河流。该类型扇体在沉积物搬运过程中起着重要的作用，其上的河流一般具有暴洪式的流量特征，河道的稳定性很差，分汊和充填直接导致了分支河道中流量的减小^[17-18]，而流量减小伴随快速决口又造成了沉积特征从上游到下游的一系列变化，如扇体的沉积粒度变细，河道的深度和宽度变小，盆地范围的决口、溢岸和席状洪水沉积等现象增加，河道沉积的横向和垂向连通性减弱等。

Trendell等^[19]2013年研究了亚利桑那州上三叠统Chinle组的大型河流扇沉积，在Petrified国家森林公园的Tepees和Blue Mesa地区布置了20条地层剖面，采集了42个砂岩薄片样品，根据槽状交错层理、沙纹层理前积层以及被搬运到河道里顺古流向排列的原地树干等进行了河流古流向的测定，并对各条剖面上出现的古土壤进行了详细的测量。通过研究，Trendell等^[19]总结出该组地层中主要发育的岩石相类型有11种，建筑结构要素类型及其成因有6种，并对各地层段所发育的河道与溢岸沉积的比例（C：O）、河道的连通性（CC）、代表性的建筑结构要素（E）、河道宽度深度比（W/T）、古土壤（P）以及粒度特征（GS）等进行了比较，进而总结了研究区的沉积演化模式，发现区内大型河流扇的半径长达165.4 km（图 2）。

图 2

Fig. 2

下载eps/tif图 图 2 河流扇的横剖面模式，显示不同地区的河流类型和沉积相变化趋势（据文献[19]修改） Fig. 2 A conceptual cross section of a fluvial fan showing facies trends and drainage patterns in different fan regions

Fontana等^[20]使用巨型洪积扇（alluvial megafan）来描述阿尔卑斯山南部发育的大型扇状沉积体系，这些巨型洪积扇主要是在冰后期由冰川融化所形成的冰水河流沉积塑造的。该地区发育的巨型洪积扇面积为200~3 000 km²，长度为30~70 km，区内最东部的巨型扇前端已部分进入亚得里亚海（图 3）。其中，大多数扇的沉积物从上游往下游方向逐步由砾石变为粉砂和黏土，且扇体近端由砾质沉积物构成，扇面坡降为3‰~8‰，远端变为细粒沉积，扇面坡降小于1‰，形成时间在距今26~19 ka。Fontana等^[20]认为巨型洪积扇是由活动的河流体系建造而成的扇形地貌，经常发育在造山带山前的前陆盆地区，由于这些扇体规模巨大，面积通常大于1 000 km²，因此，很难依靠人工在野外对其进行完整观测，近年来发现的这类扇体大多数是借助遥感图像识别出来的。目前，由于野外测量数据极少，因而业内对这些巨型洪积扇的沉积、地层和地貌等特征都知之甚少。

图 3

Fig. 3

下载eps/tif图 图 3 阿尔比斯山南部前陆盆地中的巨型扇和扇的地形剖面图（据文献[20]修改） Fig. 3 Topographic profiles of megafans and fans of southern Alpine foreland

20世纪70年代，有学者^[21-23]提出了末端扇的沉积学概念。此后，Parkash等^[24]对印度马坎达河地区末端扇的形成及其沉积过程作了详细描述，Kelly等^[25]提出了末端扇的相模式，张金亮等^[26]认为濮城油田古近系沙河街组沙二上亚段2+3砂组沉积模式为末端扇沉积体系，Cain等^[27]将“末端扇”、“末端河流扇”以及“分流河流扇体系”等作为相似的沉积体系。

目前扇状沉积体系的概念比较多，使用也比较混乱，Hartley等^[2]认为冲积扇（alluial fan）面积一般小于100 km²，半径为1~20 km，个别扇体半径可以达到30 km，扇面坡度一般大于1°，沉积物粒度以粗粒为主，常发育重力流沉积；巨型扇（megafan）面积一般为（0.1~10.0）万km²，半径超过100 km，扇面坡度一般小于0.1°，以河道沉积为主，在其远端，可以看到河道砂体下切到细粒沉积物中；河流扇介于冲积扇和巨型扇之间，主要为河道砂体沉积。

2010年，Weissmann等^[1]第一次使用了DFS这一术语，认为DFS沉积的基本特征是河流从某一顶点开始进入盆地并呈放射状展布，此前文献中所称的冲积扇、河流扇和巨型扇等都属于DFS。Weissmann等^[1]统计了全球724个内流及外流盆地中DFS的分布，发现单个DFS的发育长度变化较大（1~700 km）。Weissmann等^[1]认为DFS的大小主要取决于盆地内发育的河道大小，大多数盆地内都存在好几个DFS，这些DFS常常汇合到一起形成山麓冲积扇或者辫状冲积平原。Weissmann等^[1]指出，DFS的一般特点包括：① 冲积体系在不受限制的地区往盆地中心方向产生沉积作用；② 从定点往下游方向，河道呈放射状；③ 常形成一个横向上呈上凸状、纵向上呈下凹状的沉积体；④ 存在一个节点，河流体系在节点之上位于下切谷内，在节点之下展布于活动的沉积朵体上（图 4）。Weissmann等^[1]还提到，DFS主导了所有现代沉积盆地的沉积区，DFS在挤压（前陆盆地）、拉张和走滑等背景条件下都有分布。此外，Weissmann等^[1]还指出，虽然大多数河流都分布在DFS上，但河流仍然存在下列部位：① 在DFS上穿过的下切谷；② 大型DFS之间的区域；③ 2个相对的DFS之间的区域；④ DFS和盆地边界之间的区域。最后，Weissmann等^[1]还强调，Distributive一词意味着DFS上的河道呈分支状，但不一定同时期都在活动，而Distributary意味着河道是同时活动的，如三角洲平原上的分流河道，这就是分支河道体系和分流河道在概念上的区别。

图 4

Fig. 4

下载eps/tif图 图 4 分支河流体系（DFS）与汇流体系的差异（据文献[1]修改） Fig. 4 Key characteristics and differences between distributive fluvial systems(DFS)and tributary fluvial systems

同一年，Hartley等^[2]公布了利用遥感资料对全球范围内分支河流体系的测量结果，进一步总结了DFS的识别标准：① 存在明显的顶点，且河流体系（包括活动的和废弃的）从顶点往下游方向逐渐分汊；② 顶点周边形成明显的正地形，坡度从顶点往侧向和下游方向下降；③ 与DFS有关的河流呈分支状，常常分汊形成小河道；④ 从顶点往下没有支流进入；⑤ 从顶点往外，废弃河道呈分支状或弧形展布；⑥ 半径大于30 km。Hartley等^[2]将DFS上发育的河道体系归纳为6种沉积模式（图 5），并且统计了每种模式所占比例：① 单个辫状河道往下游方向发生分汊形成辫状或者顺直河道模式（占比40%）；② 单个辫状河道模式（占比14%）；③ 单个辫状主河道往下游方向分汊或变为曲流河模式（占比20%）；④ 主曲流河道体系模式（占比10%）；⑤ 单个曲流河道分汊形成小型曲流河模式（占比9%）；⑥ 多曲流河且其中没有占主导性的河道模式（占比7%）。Hartley等^[2]指出盆地中发育的DFS受物源区流域大小、基岩岩性、气候特征、沉降速率以及河流所在构造位置等要素的控制，DFS的大小与沉积盆地的大小也有一定的关系。Hartley等^[2]还提到，盆地中发育的DFS的终端方式有5种：① 汇入其他体系（contributory terminations），流域发生变化，从分流变成支流，DFS在末端汇合成为一点后流入其他体系；② 汇入轴向体系后终止（axial terminations），DFS的主河道汇入轴向河流体系；③ 转变为轴向河流（becomes the axial system），DFS上主要的河道变为轴向河流体系；④ 在岸线，湖泊或者干盐湖等处终止（that terminate at the coast，at a lake or at a playa），DFS上的主河道与岸线或者干盐湖的边界遭遇；⑤ 终止在沙丘，干盐湖，或者湿地（terminate in dune fields，playas，and wetlands）。Hartley等^[2]对所测量到的DFS的形态和分布进行了详细的统计，并对DFS的形态参数（长度、坡降、终端类型等）与盆地构造及气候背景的关系进行了分析。

图 5

Fig. 5

下载eps/tif图 图 5 分支河流体系上的河道类型与坡降及相对流量的关系（据文献[2]修改） Fig. 5 Schematic illustration of the continuum in DFS planform type in relation to gradient and relative discharge

DFS的观点也受到了质疑，2012年，Fielding等^[28]发表评论文章，对DFS的概念从3个方面提出了质疑：① 从纯科学的角度来看，需要确认沉积学界一贯研究的非DFS是否能够反映岩石记录，如果以往的术语能够反映岩石的地质特征，就没有必要提出DFS这一新的专业术语；② Weissmann等^[1]所声称的DFS主导了冲积体系岩石记录的观点经不起严格检验，也得不到现代和古代研究结果的支持；③ DFS只是一个假设，如果把假设当成事实是非常危险的，因此要花时间讨论DFS这一概念所依据的原理和提出这些观点所使用的数据是否准确可靠。尽管受到质疑，但越来越多的学者却开始接受并使用DFS这一概念。2010年以来，Weissmann等^{[1-2, 29-33]}发表了一系列论文对DFS的概念进行了阐述，并对现代和古代的DFS进行了研究。2013年前后，Davidson等^[34-35]探讨了现代分支河流体系中的地形地貌，以及现代和古代内流盆地分支河流体系的定量研究方法等。2015年，Quartero等^[36]提出了加拿大阿尔伯达科迪勒拉前陆盆地的建筑结构与分支河流体系存在的可能性。同年，Owen等^[37-38]讨论了美国西南部Salt Wash分支河流体系推进过程的垂向趋势，并对Salt Wash分支河流体系的Morrison组进行了研究；次年，Owen等^[39]又指出“铀的分布可作为分支河流体系在盆地范围流体流动的代表”。

从冲积扇到河流扇再到分支河流体系，这一系列概念的发展，是人类对地球表面认识视野扩大的结果。在地球遥感卫星航空测量技术出现之前，人们只能在地面上有限的范围内对沉积体系进行观察和研究，只能对半径小于10 km的小型冲积扇和其他类型的扇形地区进行测量和描述；地球遥感卫星航空测量技术出现之后，人们才有可能对较大范围内沉积体系的沉积特征进行观察和研究，河流扇的概念才能应运而生；21世纪以来，随着现代地球信息技术的高速发展，卫星地图成为人人可以利用的工具，借助高分辨率卫星地图，人们可以窥视整个地球表面任何地方的地貌特征，并开始对数百千米甚至更大规模的沉积体系进行整体描述和测量，也由此推动了分支河流体系概念的提出。

DFS概念的提出具有重要的沉积学意义。一方面，沉积盆地内DFS的沉积模式可以显示出比单个河道相模式更大范围的河流沉积体系的特征，使得人们能够对沉积盆地内发育的一系列沉积体系进行总体的理解和把握。因此，在DFS概念的指导下，对河流沉积建筑结构和沉积体系的研究不再局限于一条剖面、一处露头或一种河道类型的解剖和描述，而是努力追求“利用从一个观测点获得的信息对沉积体系的时空展布进行大范围的精确预测”。在这种高立足点、大范围的观测下可以发现，由于DFS体系往下游方向不断受河道分汊、地面渗滤和蒸发等作用的影响，促使河道的尺寸逐渐变小变浅，因而泛滥平原相所占面积和河道所占面积之间的比值不断增加，同时，河道砂体的内部结构也由复杂变得简单，节点之下的河流不再被限制在河谷内而是在DFS的表面上来回迁移；气候变化和构造振荡导致DFS近端的沉积物供给和河流流量发生变化，造成节点下移或者后退，DFS节点之上的下切河谷变浅或者加深，形成进积或者退积的地层层序；由于DFS沉积体系的长度往往达到数十甚至数百千米，因此，在同一个沉积体系中，不同部位形成的沉积建造序列的差异巨大，如有些部位可以形成巨厚的砂砾质粗粒沉积，有些部位则发育巨厚的细粒泛滥平原冲积盆地充填。另一方面，DFS的概念可以将传统的冲积扇和河流体系很好地综合在一个各部分有机相连的沉积体系之中进行研究。Mountney ^[40]甚至提出了DFS三角洲的概念，具体做法是将DFS及其入湖所形成的沉积体系总称为DFS三角洲，这一概念的提出大大扩充了三角洲平原的范围，改变了传统的三角洲沉积体系相带划分的方法与观念。受DFS三角洲概念的启发，本次研究认为有必要借鉴DFS的概念对传统的扇三角洲、辫状河三角洲甚至于“正常三角洲”等沉积体系的沉积特征、成因和分布等做进一步的审视和分析，这样将有助于解决一些研究中经常存在的争议和迷惑，比如：扇三角洲前缘是否像正常三角洲一样大规模发育河口砂坝和曲流河体系、辫状河能否直接入湖形成三角洲等。

从Google Earth上看，我国西部柴达木盆地、河西走廊盆地、塔里木盆地和准噶尔盆地等多个大型含油气盆地的周缘及其邻区发育有大量的现代DFS，Weissmann等^[1]和Hartley等^[2]所发表的许多数据和图片均来自于对我国西部盆地中DFS的测量。利用Google Earth软件，对我国西部沉积盆地的周缘及其邻区发育的现代DFS的几何形态和地貌学等参数进行测量与调查，不仅对研究当地的农田水利建设、土地利用、资源调查、环境评估、人口分布等经济社会发展问题具有现实的意义，还对正确认识我国陆相含油气盆地沉积体系具有重要的启发。图 6是对上述地区发育的部分DFS进行测量所得到的一些基本数据，这些DFS的最大半径约为70 km。从图 6（a）可以看出，DFS的面积越大，坡度越缓；从图 6（b）可以看出，DFS的半径越大，面积越大。

图 6

Fig. 6

下载eps/tif图 图 6 中国西部大型沉积盆地及其周缘发育的分支河流体系的几何形态参数汇总 Fig. 6 Planmetric parameters relations of DFS along the margin and adjacent areas of the large sedimentary basins in western China

观察和测量现代DFS对预测古代DFS的形态和规模具有指导意义，结合Google Earth中观测到DFS在陆相沉积盆地大量存在的事实，对比国际上对古代DFS沉积的研究实例，认为我国东部及西部众多的陆相含油气盆地在漫长的地质历史时期可能发育了大量的DFS。目前，在国内不同的断陷、坳陷及前陆盆地中已经发现许多冲积扇―辫状河―三角洲沉积体系和冲积扇―曲流河―三角洲沉积体系^[41-43]，这些沉积体系的展布与DFS相似，可能属于DFS沉积。此外，一些DFS推进到湖泊水体之中，便形成了DFS三角洲沉积，如果湖泊岸线退缩，DFS的整体便暴露出水面，如现代准噶尔盆地西北缘的黄羊泉冲积扇，该扇在距今30 ka之前处于古玛纳斯湖中，形成了扇三角洲，在距今30 ka之后，由于湖泊水位下降，黄羊泉扇便暴露出水面形成冲积扇^[44]，时至今日，该扇仍然有一部分处于艾里克湖之中。以此类推，近几年在我国湖盆沉积体系中发现的许多浅水湖盆三角洲，都有可能与DFS有关。

应用DFS的概念，有助于从整体上把握沉积体系的展布，并为发现更多有利储集相带提供了思路。其一，DFS概念出现以前，将从山前到平原再到湖泊积水洼地区域描述为逐级发育有冲积扇―辫状河―三角洲的沉积体系，这种划分方法将冲积扇、辫状河和三角洲等3个沉积体系独立开来，不太重视它们之间的有机联系；从DFS的观点来看，冲积扇、辫状河和三角洲是DFS在不同部位的表现，代表了DFS的上游、中游和下游等各段的沉积特征，DFS沉积物粒度整体上具有从上游向下游逐渐变细的趋势，虽然辫状河段本身的沉积物粒度差异就相当大，但这种变化是DFS从源到汇沉积物粒度变化整体过程的一部分，从冲积扇到辫状河再到三角洲沉积，沉积物的粒度变化整体上具有连续性；其二，从储层预测方面来看，在研究冲积扇―辫状河―三角洲沉积体系时，一般把注意力多集中在储层发育较好的三角洲相带，而将连接冲积扇和三角洲的辫状河（或者曲流河）只看成是一个长条形的相带，认为储层发育的良好场所只集中在河道相带内；受DFS概念的启发，认为陆相盆地河流沉积分布十分广泛，除了三角洲相带有利于形成良好储层之外，DFS中游地带发育的大面积连片分布的河流沉积区也有可能形成良好的储集层；如果认为河流只发育在狭窄的长条状河道带，就会丧失大量的优质储层；同时，如果把大片的优质储层都认为是三角洲沉积，就有可能对沉积环境做出误判。相信随着研究的深入，将发现越来越多的DFS沉积物。

（1）分支河流体系（DFS）是2010年提出的一个新术语，是运用Google Earth对全球700余个沉积盆地中的冲积河流沉积体系进行统计后而提出的。单个DFS的发育长度变化范围较大，从小于1 km到大于700 km均有发现，DFS主导了所有现代沉积盆地的沉积区，且DFS在挤压、拉张和走滑等背景条件下都有分布。DFS具有6条判别标准，DFS上的河道体系有6种类型，DFS自身具有5种终端方式。

（2）DFS概念的提出具有重要的沉积学意义。DFS将冲积扇和河流体系综合在一个相互有机联系的沉积体系之中，因此DFS模式可以显示出比单个河道相模式范围更大的河流沉积体系的特征，使得人们能够对沉积盆地内发育的一系列沉积体系进行总体的理解和把握。但目前对此概念的定义及其作用仍然存在争议。

（3）DFS的概念的提出对深入分析我国陆相含油气盆地沉积体系具有重要意义，为发现更多有利的储集相带提供了研究思路。开展现代DFS的调查，对开展农田水利建设、土地利用、资源调查、环境评估、人口分布等经济及社会发展问题研究具有现实的意义。