經典論文重讀：漫談特大洪水沉積
鄧濤
西方聖經故事中的“諾亞方舟”是關於大洪水人盡皆知的一個故事。創造世界萬物的上帝耶和華見到世上充滿種種罪惡行為，於是計劃用洪水消滅這些罪人，除了人類之中的賢者諾亞。於是上帝指示諾亞建造一艘方舟，並帶著家人與動物登上方舟避難，且動物必須包括雄性與雌性（《創世紀》6-9章），這才使得萬物生靈沒有完全毀滅（圖1）。中國史籍中類似的大洪水事件也不罕見，《孟子》中曾記載“當堯之時，天下猶未平。洪水橫流泛濫於天下，水逆行氾濫於中國”，《尚書》中曾記載“湯湯洪水方割，蕩蕩懷山襄陵”。當今，特大洪水仍然顯著影響著人類的社會生活，如2021年夏季河南特大洪災就對中原地區人民群眾的生命財產安全造成了重大損失。
潰決大洪水事件往往是地表過程對氣候變化進行快速水文響應的極端表現之一。地史時期的大洪水深刻塑造了過去地表的地貌形態，直接造成環境突變事件。例如，著名的新仙女木事件（Younger Dryas Event）期間全球變冷（12。8 ka B。P。），就可能是受Laurentide冰蓋消融影響，冰川湖潰決向海洋中釋放了大量淡水所引發的變冷事件（Teller et al。， 2002）。近年來，大洪水及其沉積物受到沉積學家們越來越多的關注（王慧穎等，2020；王昊等，2021）。
圖1《聖經》大洪水及諾亞方舟的藝術想象圖（https：//www。crossroadsinitiative。com/media/articles/lent-noahs-ark-baptism/）
什麼是“特大洪水（megaflood）”
“特大洪水（megaflood）”指峰值流量大於1Sv（流量單位，1Sv=1*106 m3/s）的洪水事件（Baker，2002），
現今長江平均流量為30166 m3/s，最大流量也僅為1。1*105 m3/s（維基百科）。現今，世界各地廣泛分佈著與高能、大規模“淡水洪水（freshwater floods）”有關的沉積物（圖2），主要與第四紀冰川堰塞湖的潰壩洪水有關，前第四紀（深時）沉積地層中也有相關報道。但是特大洪水沉積物的識別極具挑戰，Carling（2013）綜述了全球範圍特大洪水沉積序列所具有的共性特徵與
關鍵特徵，基於
對單期及多期洪水事件對應沉積層序的解讀，重現了特大洪水的演化過程，並對特大洪水沉積學的未來研究提出了展望。
圖2 全球範圍41處發育特大洪水或相關大洪水沉積記錄的地點（
Carling， 2013
）
特大洪水的形成背景與基本特徵
自然界特大洪水通常由冰川潰壩導致形成
，其他誘發因素還包括天然碎石壩決堤、冰下熱活動和火山噴發等。特大洪水沉積的一個基本特徵是單個沉積單元具有明顯的塊狀外貌形態，近距離觀察通常可見相似粒度分佈的合併層（amalgamated layers）。
特大洪水沉積層序可在區域上廣泛分佈，
單層和層系組通常近水平面狀展布，
缺乏河道化沉積特徵。局部發育大型斜層理或小型交錯層理，分別與沙壩前緣或沙丘進積有關，大型交錯層理沖刷面與小型沖刷構造少見
，僅偶見於墜石和冰塊等大型孤立礫石附近。
2．特大洪水沉積序列與典型層序
與一次特大洪水有關的完整垂向岩石地層組合可稱為一個“序列（succession）”
，其厚度可為十米級別。該沉積序列可包含單期洪水的漲落、多期洪水漲落或一期大洪水流態中主洪峰階段的資訊。
一個沉積序列由多個次級地層單元“層序（sequence）”組成，其厚度可達數米
。每個層序具有特定的地層樣式，對應於特定的沉積水力學特徵。而
單個層序則由多個“層（bed）”（數釐米至數米厚）或“紋層（laminae）”（厚度<1cm）組成。為了更好地關聯沉積特徵與小尺度流體過程，“相（facies）”被定義為“一定的沉積條件下形成的具有密切沉積特徵的綜合體”
。此時，
相特徵為特大洪水沉積研究的最小尺度
，在毫米到釐米尺度上能夠清晰重建流體動力學特徵。層理面上的非沉積介面和侵蝕介面對理解洪水動力學也極具價值，但目前相關研究還較缺乏。Carling等（2009）在一個特大洪水沉積的垂向序列中識別出6個相似的層序，這些層序被解釋為單次特大洪水的大規模脈動式沉積，或6期獨立而相似的洪水沉積 （圖3）。
圖3 阿爾泰Jaloman沙壩內的典型單韻律沉積（通常8-10米厚），顯示了從層序S1到層序S6的典型疊加序列（Carling等，2009）。層序S1：近似水平-平行卵石層，區域性塊狀礫岩層。層序S2：層序S1頂部偶見的交錯層理沉積。層序S3：近似平行-水平的細礫石層，偶被薄層中砂岩分隔，單紋層向上變粗，偶見沙波交錯層或無侵蝕波狀層理，偶見小型碎屑流透鏡體、墜石、孤立卵石及衝裂構造的粉砂質內碎屑。層序S4：以細卵石、中礫、粗砂為主，低起伏沙波層理，小型充填構造。層序S5：薄層粉砂岩或薄層塊狀礫岩，兩者可同時出現。層序S6 ：薄層細碎屑流沉積，夾於變形的層序5或塊狀礫石層（來自上覆的下個層序S1）。
特大洪水沉積中典型序列的垂向疊加層序包括：（S1）底部厚層平行層理粗粒單元；（S2）大型斜層理沉積單元；（S3）薄層水平層理單元；（S4）沙紋與沙波交錯層理單元；（S5）粉砂層單元；（S6）頂部碎屑流單元（圖3和圖4）。
該序列通常指示單個洪水漲落旋迴，主要為發育於平坦底床上的高濃度懸浮沉積。這些序列幾乎完全是加積的，各單元間缺乏明顯的大型不整合面。高能水動力條件使得細礫和粗砂能夠以懸浮荷載的方式進行搬運，並在沉積時以懸浮方式沉降為粒度較粗的沉積層。
在一個典型序列中，粘土和粉砂通常稀少或缺失
，它們會被輸送到沉積系統的下游。在水文曲線尺度上，這種垂向疊置序列指示流速先增加後衰減的特徵，沉積特徵同樣證明存在顯著的短週期流量脈衝事件。
從流體動力學來看，6個層序分別對應不同流體動力學階段的產物
。層序S1中底部粗粒平行層單元的形成通常與洪泛地區內推移質沉積物的快速沉積有關。層序S2中大型斜層理沉積層序一般由板狀似平行層所組成，地層傾角通常為10°-20°（
圖4
），這些斜層理沉積形成於洪水沉積的早期階段，對應於巨型沙壩（Giant bars）向河灣的進積。層序S3中水平紋層單元層序側向延伸遠，單個薄層通常由多個紋層構成，聚合作用通常使薄層的物理介面模糊不清（尤其在粗粒沉積中）；單層厚度通常介於10-150毫米之間，小規模層理在層序內通常為整合接觸，而韻律層序之間則往往表現為不整合接觸關係。關於本層序單元沉積層理的成因目前還存在較大爭議，是由牛頓流體還是是由具有非牛頓流體特性的密度流所形成仍無定論。層序S4沙紋與沙波交錯層理單元層序具有較細的粒度與較薄的厚度，成因上與低密度湍流有關。層序S5粉砂層粒度更細、厚度更薄，為洪水動力逐漸減弱的加積事件後細粒物質以懸移質方式沉降形成。層序S6中碎屑流代表斜坡崩塌引發的薄層碎屑流和湍流沉積 （Winsemann et al。， 2007），或厚度較大、粗碎屑比例較低的泥石流遠端沉積。
圖4。 特大洪水6個層序的典型野外照片（Carling，2013）。A：水平層理、板狀層理、弱粒序層理的中厚層礫岩和卵石砂岩被薄層橫向延伸的泥岩隔開；B：傾角約為
20°的
交錯層理（略微上凸），人高1。9米，古水流從左到右，現代水流從右到左；C：向上變粗的平行層理-微波狀起伏的紋層，單層由底部細沙開始向上變粗，形成細-薄的卵石層，古水流從左到右；D：紋層狀玄武質粗砂岩，智利Tucapel礫石坑沉積物（Thiele et al。，1998），水平視野約1。5米；E：沙丘沉積中的花彩狀層理（Festoon bedding），為德國Porta水下冰接觸扇上的高速射流（jet efflux）沉積（Winsemann， 2007），人高1。75米；F：阿爾泰Kezek-Jala巨型沙壩，大型斜坡層序發育細砂及粉砂質沉積，路標高2。5米，流向從左向右；G：粗角礫碎屑流層覆蓋在富含粉砂礫岩和粗礫岩韻律紋層之上，筆記本長度220毫米；H：厚約1 m的細碎屑泥石流，可見泥質撕裂屑覆蓋在粗礫石水平紋層上，相機包長度220毫米。
3 特大洪水沉積相的識別依據
許多關鍵沉積相特徵可以指示特大洪水沉積，
可總結歸納為：
（1）沉積單元的塊狀性、疊置地層的疊合性與沉積層的橫向延伸性。
高能洪水懸浮質粒徑相對均一，且濃度極高，其快速沉降往往形成塊狀構造、層合併現象和席狀展布等一系列標誌性的沉積特徵（王昊等，2021）。高能洪水沉積物粒徑的均一性主要受控於以下兩類機制：高能洪水水流能量高，湍流強，攜帶沉積顆粒經過強烈碰撞，破碎成相對均一的粒徑；強烈的水流分選作用則可使沉積物粒徑分佈集中。。
（2）韻律性。
韻律層之間侵蝕面（不整合面）的缺失，以及韻律層介面上陸地暴露現象（古土壤、沖溝、風化產物、火山灰）的缺失，反映這種沉積韻律是單次高能洪水事件過程中水流規律性脈動的產物，雖然韻律層數並不能直接對應洪水期次（Carling，2013）。相似的沉積韻律必然與相似的幕式沉積作用有關，其控制過程亦具有相似的時間序列級別。大尺度韻律沉積可能由外部因素所控制，如洪水形成機制，而小尺度韻律沉積則可能由內部因素所控制，如湍流脈衝或濁積岩演化過程。
（3）“漂浮” 礫石（圖5）。當潰壩
洪水中裹挾的浮冰融化時，浮冰中攜帶的鬆散沉積物直接沉降，形成“漂浮”碎屑及相關沉積
。
（4）內碎屑（Intraclasts）。
特大洪水沉積中，內碎屑被定義為前期沉積遭受沖刷而形成的塊體，保留著原始沉積結構及地層特徵。大多數內碎屑的大小和塊狀特徵表明其沉積前未經歷遠距離搬運。
（5）冰塊形成的障礙痕。
冰塊中沉積物含量可能很高，導致冰塊密度較大。因此，在較淺冰川湖發生突發性洪水（jökulhlaups）時，較重的冰塊從冰川前緣被運送到靠近冰床的地方，被併入到沉積地層中，從而形成此類障礙痕。
（6）粉砂質及泥質沉積的缺失。
高流速的特大洪水將大多數細粒沉積物沖刷剝蝕並搬運至沉積體系下游，使得原地大洪水沉積記錄缺乏細粒沉積。
（7）指示流體變化的沉積構造。
雖然多數大洪水沉積物為懸浮沉降，但推移質搬運導致存在不同程度的再沉積作用，通常表現為湍流牽引方向的碎屑區域性聚集和發育較差的疊瓦構造（圖5）。
（8）洩水構造。
洩水構造包括斷層和碎屑岩牆，雖然無法用來直接識別特大洪水沉積，但在能用來識別某些情況下的沉積間斷。
圖5。 （A）阿爾泰Kezek-Jala沙壩，“彗星狀”沖刷坑中的超大礫石，從左向右流動；（B）阿爾泰Kezek-Jala沙壩，加積背景層理上的超大礫石，從左向右流動，礫石b軸長度大約1。5米（
Carling et al，2013
）
。
4特大洪水沉積序列與鮑瑪序列沉積特徵的對比
鮑馬序列是指一種濁流沉積的典型層序
（圖6A），由自下向上變細的五個層段組成（a， b， c， d， e）。底部a段為具遞變層理的砂岩，底面具有槽模，溝模等沖刷鑄模；b段為具有平行層理的砂岩；c段為發育小型砂紋交錯層理、變形層理的粉砂岩；d段為具有水平紋理的粉砂岩與粉砂質泥岩；頂部e段為塊狀泥岩。
大量研究表明大洪水沉積序列與鮑馬序列具有強烈的相似性（
Carling et al。， 2013
）
（圖6B，C），這意味著由密度驅動的獨特搬運過程及沉積過程可能影響著特大洪水沉積作用。雖然主流觀點認同該觀點，並進行了洪水沉積序列與鮑馬濁積岩序列的比較，
但仍有學者反對將粗粒度的特大洪水沉積物等同於濁積岩。主要基於以下四點考慮：
（1）反對懸移質搬運方式能夠搬運粗粒沉積物（尤其是粗礫石）；（2）沿海陸架和湖泊環境中的砂質和粉砂質沉積序列中廣泛報道了濁積岩，洪水形成的礫質河流沉積中相關報道則較為缺乏；（3）濁流被定義為“攜帶大量懸浮沉積物的高密度渾濁水流，並向下流入密度較小的水體”，就該定義而言，濁流過程與特大洪水沉積之間關係的直接證據是有限的；（4）鮑馬序列模型最初是針對低密度砂質流建立的（Bouma， 1962），而特大洪水沉積序列通常被解釋為高密度流，且通常含有粗粒沉積物。
儘管如此，引入濁流沉積機制後，能夠更好地解釋高能洪水沉積過程，而且冰下通道內大型潰決洪水沉積與濁流過程的密切關係已被論證。因此有研究者
將整體呈正粒序的高能洪水沉積序列解釋為逐漸減弱的高密度渾濁水流所攜帶的懸浮質持續沉積的產物
（王慧穎等，2020；王昊等，2021）。
圖6。 濁積岩和大洪水沉積的典型沉積序列，（A）鮑馬序列；（B-C）特大洪水沉積序列和成因解釋，修改自Talling et al。， 2012。
5結論與啟示
特大洪水沉積序列常表現為韻律性重複，這可能代表一次連續洪水的沉積記錄。這些沉積序列雖然類似於濁流沉積形成的鮑瑪序列，但沉積粒徑通常為粗粒。
實踐研究中需要注意每一單層詳細的沉積特性，而不只是地層學宏觀特徵
，還需要加強沉積過程解釋，從而促使特大洪水沉積事件模型的完善提高。未來可應用物理模型及數值模型研究的關鍵問題為
特大洪水沉積環境中重力流發展的潛力，以及相應粗粒沉積與深水濁積岩細粒沉積之間的關係
。
儘管不同特大洪水沉積序列之間存在相當大的差異，但也存在一些共性，這些共性表明高能洪水在不同地理背景下的沉積過程相似。典型序列中沉積樣式的變化為理解洪水的流體性質提供了線索，進而能夠增強對特大洪水水文學特徵的認識。然而，目前將這些沉積特徵與流體動力學聯絡起來的假設條件仍不成熟，而且缺乏案例檢驗。多數已發表成果在較粗尺度描述了沉積序列，對單層沉積構造的精細研究還嚴重不足，例如反映流體動力學特徵的紋層樣式、顆粒方向和同沉積變形構造等。因此，更好地分析特大洪水沉積層的沉積學特徵將有助於更好地理解水文學控制因素，進而建立更好的特大洪水沉積模型。
感謝特約主編和審稿人對本文的諸多建設性意見，大大提升了文章的可讀性和科學性。本文作者系南京大學地球科學與工程學院在讀博士生。本文是對2013年發表在《Earth-Science Reviews》雜誌上“Freshwater megaflood sedimentation： What can we learn about generic processes？”文章的個人解讀。相關問題交流可透過郵箱1083903583@qq。com與本人聯絡。欲知更多詳情，請進一步閱讀下列參考文獻。
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Quaternary Science Reviews
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21
（8-9）， pp。879-887。
約稿：
胡修棉
圖文：
鄧濤
稽核：王學天，賴文
