沖積扇

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沖積扇（英語：Alluvial fan）是山地河流出口处的堆积地貌，由沉積物堆積而成，從沉積物集中的來源（如從斷崖流出的狹窄峽谷）向外呈扇狀展開。它們是乾旱至半乾旱氣候山區地形的特徵，但也存在於受強降雨影響較濕潤的環境以及現代冰河地區。其面積範圍從小於1平方公里至20000平方公里不等。

沖積扇通常形成於沉積物或岩石流從受限通道流出，並突然能夠向多個方向擴散處。例如，當陡峭的山谷與平坦的平原交會時，許多沖積扇便會隨之形成。從狹窄通道轉變為寬廣開放區域會降低水流的搬運能力，進而導致沉積物堆積。水流的形式可為土石流，或間歇性的溪流、小河。

水量減少是沖積扇形成的關鍵。如果河流流出山谷時水量沒有明顯降低，通常會形成沖積平原。沖積地層的坡度取決於進入平地時水量減少的程度，如果河流水量較大，則沉積物會堆積在較遠的地方。

沖積扇常出現於沙漠山脈的山腳下，例如：北美西部的盆地地形區、南德文郡的新紅砂岩、新疆塔克拉瑪干沙漠或準噶爾盆地的主要人口聚居中心等。

沖積扇不僅存在於地球，也存在於其他星球，例如在火星和土衛六（泰坦）等星球曾發現發現許多沖積扇，這表示其他星球也曾發生過河流作用。

地球上最大的沖積扇位於印度河恆河平原上的喜馬拉雅山山前地帶。補給河道的偏移（節點改道）可能導致災難性的洪水，正如2008年發生在戈西河的情況。

描述

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死亡谷的沖積扇

沖積扇是從集中物源（如從斷崖延伸出的狹窄峽谷）向外扇開的沉積物堆積。這種堆積物的形狀像是一個淺圓錐體的一部份[1]，其頂點位於沉積物源。[2]

沖積扇的大小差異很大，底部寬度從僅幾公尺到150公里不等，坡度為1.5到25度。[1]一些巨大的沖積扇面積將近20,000平方公里（7,700平方英里）。[3]從頂點測量的坡度通常呈凹狀，最陡的坡度靠近頂點（近端扇[4]或扇頂[5]），越往外越平緩（中端扇），並在扇形邊緣變得最淺（遠端扇或外扇）。近端扇可能存在篩分沉積，即粗礫石組成的葉狀體。沖積扇中的沉積物通常較粗且淘選度較差，其中最粗的沉積物發現於近端扇。[6][7]

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死谷的大型沖積扇，顯示出「扇緣受蝕」的剖面

當冲积平原有足夠空間讓所有沉積物扇開而未接觸到其他谷壁或河流時，就會形成不受限的沖積扇。不受限的沖積扇能讓沉積物自然地扇形展開，其形狀不受其他地形特徵影響。當沖積平原較受限，使得扇體與地形障礙物接觸時，則會形成受限扇。[8]

扇體邊緣的波浪或河道侵蝕（側蝕）有時會產生扇緣受蝕扇，其邊緣以小斷崖為特徵。[9]扇緣受蝕扇可能記錄了氣候變遷或構造活動過程，且側蝕過程可能會增強該扇體作為含水层或油藏的潛力。[10]火星上的扇緣受蝕扇為過去的河流系統提供了證據。[11]

當眾多河流與溪流從山前流向平原時，多個沖積扇會結合形成連續的披蓋物。這被稱為bajada或山麓沖積平原。[12][13]

印尼西爪哇瓦丹瑙破火山口附近的沖積扇地形圖

形成

沖積扇通常形成於受限的補給河道離開山前[14][15]或冰河邊緣處。[6]當水流離開補給河道進入扇面時，其得以擴散至寬而淺的河道中，或入滲至表面下。這降低了水流的搬運能力，並導致沉積物堆積。[15]

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位於新疆塔克拉瑪干沙漠的沖積扇，圖中顯示了左側的活躍區域與右側的非活躍區域

在坡度最陡的扇頂處，水流通常受限於單一河道[6]（即扇頂溝槽[3]），其深度可達30米（100英尺）。[6]該河道容易被堆積的沉積物或土石流阻塞，導致水流定期脫離舊河道（即節點改道），並轉移至扇面上坡度較陡的部分重新開始沉積。[15]因此，在任何特定時間通常僅有部分扇面處於活躍狀態，而被避開的區域則可能經歷土壤形成或侵蝕過程。[6]

沖積扇可能以土石流為主（稱為土石流扇），或以河流徑流為主（稱為河流扇）。[4][16][17]形成何種類型的沖積扇取決於氣候、地質構造以及向扇面供水區域的基岩類型。[18]

土石流

土石流扇的大部分沉積物是以土石流的形式堆積而成。土石流是水與各種粒徑顆粒（從黏土到巨石）的泥漿狀混合物，外觀與濕混凝土相似。其特徵在於具有屈服強度，這意味著在低流速下具有高黏稠性，但隨著流速增加，黏度會隨之降低。這表示土石流即便在尚具坡度的地面上也能停止流動。隨後，流體會在自身重力的作用下發生固結。[19]

土石流扇可見於各類氣候區，但若源岩為泥岩或富含基質的腐岩，而非較粗且具滲透性的風化層時，其分布則更為常見。豐沛的細粒沉積物有助於初期山坡崩塌的發生，並促使後續土石產生具凝聚力的流動。[20]局部強烈的雷陣雨使富含黏土的崩積層達到水分飽和，進而引發坡地崩塌。由此產生的土石流沿著補給河道向下移動至沖積扇的表面。[21]

土石流扇的扇頂分布著大多已不具活動性的分流河道網，並延伸銜接至中下層的扇葉。這些河道往往會被後續發生的具凝聚性土石流所填滿。通常同一時間僅有一個扇葉處於活動狀態，而不具活動性的扇葉則可能在1000至10000年的時間尺度下，因風成粉塵堆積而形成沙漠漆或土壤剖面。[22]由於黏稠度高，即便是在以土石流為主導的沖積扇中，土石流也多半侷限在扇頂（近端）與扇中（中段），而扇端（遠端）則主要由溪流洪水所主導。[23]然而，在乾旱氣候下，某些以土石流為主導的扇幾乎完全由土石流及經風蝕後的殘餘礫石所組成，並無片流或篩狀沉積的跡象。[24]以土石流為主導的沖積扇通常坡度較陡，且植被稀疏。[25]

河流

河流扇接收的大部分沉積物形式為溪流作用，而非土石流。與土石流扇相比，它們與普通河流沉積物的區別較不明顯。[14]

河流扇發生於具有常流性、季節性或暫時性溪流作用之處，這些溪流供給了扇狀地上的分流河道系統。在乾旱或半乾旱氣候下，沉積作用主要由不頻繁但強烈的降雨主導，這會在供給河道中產生驟洪。[23]這導致了沖積扇上的片流，即載滿沉積物的水流離開河道限制並擴散至扇面。這些可能包括含有20%至45%沉積物的高含沙水流，其性質介於沉積物含量20%或以下的片流與含沙量超過45%的土石流之間。[25]隨著洪水消退，通常會留下礫石沉積的殘留層，其外觀呈現辮狀河流網路。[23]

在流量較為連續的情況下（如春季融雪），高度約1—4米（3—10英尺）的切割河道流發生在辮狀河流網路中。[25]這類沖積扇往往坡度較緩，但規模可能變得極大。[23]位於印度恆河平原喜馬拉雅山前地帶的科西河與其他沖積扇，就是巨大溪流作用主導型沖積扇的範例，有時被描述為巨型沖積扇。[26]在此地，過去一千萬年來主邊界斷層的持續運動，將長達750公里（470英里）山前地帶的排水集中到了僅僅三個巨大的沖積扇中。[3]

地質紀錄

新紅砂岩包含沉積於沖積扇中的礫石層
新赤色砂岩中的礫石層

沖積扇在地質紀錄中很常見，但在古生代中期陸生植物演化之前可能特別重要。[27]它們是斷層界限盆地的特徵，由於盆地的構造下陷與山前抬升，其厚度可達5,000米（16,000英尺）或更厚。大多數因淺層氧化環境中富含鐵的礦物經成岩作用蝕變產生的赤鐵礦而呈紅色。古沖積扇的例子包括北美洲東部的三疊紀盆地與德文郡南部的新赤色砂岩，[23]挪威的泥盆紀霍內倫盆地，以及加拿大加斯佩半島的泥盆紀至石炭紀地層。[27]這類扇狀沉積物可能包含了地質紀錄中最大規模的礫石堆積。[28]

沉積相

在沖積扇中可發現數種沉積物（沉積相）。

沖積扇的特徵是具有粗大的沉積作用，儘管構成沖積扇的沉積物會隨著遠離扇頂而變得較不粗糙。礫石顯示出發育良好的疊瓦結構，其中的卵石向扇頂方向傾斜。[23]扇狀沉積物通常顯示出因沖積扇向外擴張而形成的發育良好反向粒級層：較細的沉積物沉積在沖積扇邊緣，但隨著沖積扇持續生長，越來越粗的沉積物會堆積在先前較細的沉積物之上。然而，少數沖積扇顯示出正向粒級層，這代表沖積扇處於停止活動甚至退縮的狀態，導致越來越細的沉積物堆積在先前較粗的沉積物上。正向或反向粒級層序列的厚度可達數百至數千公尺。[27]根據報告，沖積扇的沉積相包括土石流、片狀洪水與高流態河流洪水、篩分沉積以及辮狀河，每種都會留下可供地質學家識別的特徵沉積物。[23][29]

土石流沉積在沖積扇的近端與中段非常常見。[23]這些沉積物除了偶爾在基部出現反向粒級層外，缺乏沉積構造，且分選性極差。[30]沖積扇近端也可能包含被解釋為篩分沉積的礫石瓣，即地表逕流迅速滲透，僅留下粗大物質。然而，礫石瓣也被解釋為土石流沉積。[30]源於沖積扇土石流的礫岩被稱為扇礫岩。[31]

河流沉積往往呈片狀，其分選性優於土石流沉積，且有時會顯示出發育良好的沉積構造，例如交錯層理。這些沉積在沖積扇的中段與末端較為盛行。[25]在河道非常淺且呈辮狀的沖積扇末端，河流沉積由具有平面與槽狀斜層理的砂質互層組成。[32]以河流作用為主的沖積扇中段，其沉積相幾乎與普通河流環境相同，因此對古代沖積扇的識別必須基於山麓地帶的放射狀古地貌。[33]

分佈

沖積扇是乾燥至半乾燥氣候中山區地形的特徵，[34][6]但在降雨充沛的濕潤環境[7]以及現代冰河作用地區也能發現其蹤跡。[6]在太陽系的其他天體上也有發現沖積扇。[35][36]

陸域

沖積扇的形成是為了因應由構造抬升引發的侵蝕作用。[37]構成沖積扇的岩層呈現向上變粗的趨勢，反映了向沖積扇輸送沉積物的高地所經歷的侵蝕週期。然而，氣候與基準面的變化可能與構造抬升同樣重要。例如，喜馬拉雅山脈的沖積扇顯示較老的扇體被下切並被較年輕的扇體覆蓋。而這些較年輕的扇體又被深邃的切穿河谷切割，呈現出兩層河流階地。透過光釋光定年建議，新舊扇體之間存在70,000至80,000年的間斷，並有證據顯示45,000年前發生了構造傾斜，且扇體沉積在20,000年前停止。這段間斷以及較近期的沉積結束，都被認為與西南季風降水增加的時期有關。氣候也影響了美國加利福尼亞州死亡谷的扇體形成，當地的岩層定年顯示，過去25,000年內的扇體沉積高峰出現在氣候劇烈變化的時期，包括從濕潤轉為乾燥以及從乾燥轉為濕潤的過程。[38]

沖積扇常見於沙漠地區，這些地區常受鄰近山丘雷雨引發的週期性突發性洪水影響。乾燥氣候中典型的水道在頂部有一個大型漏斗狀盆地，連接到狹窄的隘口，並在底部開展成沖積扇。水流發生時通常存在多條活躍的編織河。[34]有時可以在從乾燥氣候扇緣向外輻射的蜿蜒線條中發現深根植物（具有長直根且能觸及深層地下水的植物）。這些「扇緣深根植物帶」追溯了來自沖積扇、與不透水的內流盆地沉積物交錯排列的粗粒沉積物埋藏河道。[39]

在地形起伏劇烈且鄰近平坦地形的濕潤氣候區也會發育沖積扇。[37]在尼泊爾，柯西河在離開喜馬拉雅山麓進入幾乎平坦的平原處，形成了一個面積約15,000 km2（5,800 sq mi）的巨型沖積扇，隨後河流進入印度並匯入恆河。在柯西河上游的支流沿線，構造力量每年使喜馬拉雅山脈抬升數公釐。抬升量與侵蝕量大致平衡，因此該河流在流出山區時，每年攜帶約100 × 106立方米（3.5 × 109立方英尺）的沉積物。數百萬年來如此規模的沉積，足以解釋巨型沖積扇的形成。[40]

在北美洲，流入加州中央谷地的河流也沉積了規模較小但依然廣闊的沖積扇，例如流經內華達山脈的金河沖積扇。[41]與喜馬拉雅山脈的巨型沖積扇一樣，這些都是以河流流量為主導的扇體。[42]

地外天體

火星

火星上的蓋爾撞擊坑包含一個巨大的沖積扇
火星蓋爾撞擊坑邊緣底部的巨大沖積扇

在火星上也發現了沖積扇。與地球上的沖積扇不同，火星上的沖積扇很少與板塊構造作用相關，而是更常見於撞擊坑邊緣。[43][44]撞擊坑邊緣的沖積扇似乎是由面流而非土石流沉積而成的。[45]

在佐伯撞擊坑中已發現三個沖積扇。這些沖積扇證實了該行星過去曾有過河流活動，並進一步支持了液態水曾以某種形式存在於火星表面的理論。[46]此外，由軌道衛星對蓋爾撞擊坑內沖積扇進行的觀測，目前已透過好奇號火星車發現的河流沉積物得到證實。[47]霍頓撞擊坑內的沖積扇具有扇緣受蝕的剖面，這被歸因於河流侵蝕作用。[11]

少數與構造過程相關的沖積扇包括位於科普拉特斯峽谷和尤文圖斯峽谷的沖積扇，這些峽谷屬於水手號谷峽谷系統的一部分。這些沖積扇為火星該地區斷層作用的存在與性質提供了證據。[48]

土衛六

卡西尼-惠更斯號任務利用卡西尼號軌道器的合成孔徑雷達儀器在土衛六（泰坦）上觀察到了沖積扇。這些沖積扇在中緯度較乾燥地區更為常見，位於甲烷/乙烷河流的末端；據信這些地區因降水而頻繁發生乾濕交替，與地球上的乾旱地區沖積扇非常相似。雷達影像顯示，沖積扇物質很可能由直徑約2公分的圓形水冰顆粒或固體有機化合物組成。[49]

對人類的影響

在許多地區，沖積扇是最重要的地下水儲水層。許多都市、工業和農業區都位於沖積扇上，[50]包括美國西部的加州洛杉磯、猶他州鹽湖城與科羅拉多州丹佛等都會圈，以及世界其他許多地區。[51]然而，沖積扇上的洪水為防災與準備工作帶來了獨特的問題。[52]

含水層

與沖積扇相關的粗粒沉積層形成了含水層，是許多地區最重要的地下水儲水層。[50]這些地區包括乾旱地區（如埃及[53]或伊拉克[54]）以及潮濕地區（如中歐[55]或台灣）。[56]

洪災危害

沖積扇易受罕見但往往具有破壞性的洪水影響，其異常特性使沖積扇洪水與一般的河岸洪水有所區別。這些特性包括洪水路徑的高度不確定性、洪水從上游來源挾帶的沉積物可能發生突然堆積與侵蝕，以及沉積物的可取得性與扇面坡度及地形的結合，共同造成了極大的危害。這些危害無法透過填土墊高（將既有建築抬高至1公尺，並在其下方修築新基礎[57]）來可靠地減輕。至少需要主要的結構性防洪措施才能減輕風險，且在某些情況下，唯一的替代方案是限制扇面上的開發。這類措施可能在政治上引起爭議，特別是因為這種危害對業主而言並不顯而易見。[58]在美國，沖積扇洪災風險區域在洪水保險費率圖上被標記為AO區域。[59]

沖積扇洪水通常以持續時間短（數小時）但能量巨大的突發性洪水形式出現，且發生時幾乎沒有預警。它們通常是由長時間的強降雨引起，特點是流速高且沉積物輸送能力強。根據流體中沉積物的含量，流動形式涵蓋了從一般洪水、高含沙水流到土石流的範圍。土石流主要由粗大的碎屑組成，類似剛澆灌的混凝土。高含沙水流介於一般洪水與土石流之間，含水量按重量計在40%至80%之間。洪水在挾帶沉積物時可能會轉變為高含沙水流，而土石流若被水稀釋則可能變成高含沙水流。[60]由於沖積扇上的洪水攜帶大量沉積物，河道可能會迅速被堵塞，導致流徑產生極大的不確定性，進而放大了危險性。[58]

義大利亞平寧山脈的沖積扇洪水曾多次造成人員傷亡。1581年10月1日發生在佩迪蒙特馬泰塞的洪水導致400人喪生。沖積扇洪水造成的人員傷亡一直持續到19世紀，而沖積扇洪水的危害在義大利至今仍是一項關注議題。[61]

1934年1月1日，加利福尼亞州聖蓋博山脈近期遭火災燒毀的區域創下紀錄的降雨量，導致其下的沖積扇發生嚴重洪水，而蒙特羅斯與格倫代爾鎮便坐落於該沖積扇上。這場洪水造成了嚴重的人員傷亡與財產損失。[62]

印度的柯西河在流出喜馬拉雅山脈進入恆河平原處發育了一個巨型沖積扇。該河有頻繁且反覆無常變更河道的歷史，因此被稱為比哈爾之愁，其對印度洪災死亡人數的貢獻比例極高，僅次於孟加拉。[63]在過去幾百年間，該河在扇面上總體向西遷移，到2008年時，主河道位於巨型沖積扇的最西端。在2008年8月，強大的季風流量沖破了柯西河的堤防，使大部分河水轉向一條無防護的古老河道，並淹沒了巨型沖積扇的中心部分。該地區人口密度極高，且已穩定超過200年。[64]這場災難導致超過百萬人無家可歸，約千人喪生，數千公頃的農作物被毀。[65][66][67]

石油儲層

埋藏的沖積扇有時會出現在石油盆地的邊緣。土石流扇作為石油儲層的品質較差，但河流型扇狀地則是具有潛力的重要儲層。儘管河流型扇狀地由於結構複雜，其品質通常優於靠近盆地中心的儲層，但扇面上偶發的洪水河道是石油勘探中潛在的有利目標。[68]受到軸向河流（沿著斷崖邊界盆地長軸流動的河流）側向侵蝕（扇端切蝕）影響的沖積扇，其作為儲層的潛力可能會增加。河流會沉積相對具多孔性、滲透性的軸向河流沉積物，並與扇沉積層交替出現。[69]

參見

註腳

  1. ^ 1.0 1.1 Boggs 2006，第246頁.
  2. ^ Leeder 2011，第282–285頁.
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 Leeder 2011，第285頁.
  4. ^ 4.0 4.1 Boggs 2006，第247頁.
  5. ^ Blatt, Middleton & Murray 1980，第629頁.
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Blatt, Middleton & Murray 1980，第629-632頁.
  7. ^ 7.0 7.1 Boggs 2006，第246-250頁.
  8. ^ Nemec & Steel 1988，第6頁.
  9. ^ Leeder 2011，第282頁.
  10. ^ Leeder & Mack 2001，第885, 889-891頁.
  11. ^ 11.0 11.1 Moore & Howard 2005，2.2 [12].
  12. ^ Thornbury 1969，第173頁.
  13. ^ Jackson 1997，"piedmont alluvial plain".
  14. ^ 14.0 14.1 Boggs 2006，第246-248頁.
  15. ^ 15.0 15.1 15.2 Leeder 2011，第285-289頁.
  16. ^ Leeder 2011，第287-289頁.
  17. ^ Gao et al. 2021，第2頁.
  18. ^ Nichols & Thompson 2005，[Abstract].
  19. ^ Leeder 2011，第177頁.
  20. ^ Blair 1999，[Abstract].
  21. ^ Boggs 2006，第45, 246頁.
  22. ^ Leeder 2011，第287-288頁.
  23. ^ 23.0 23.1 23.2 23.3 23.4 23.5 23.6 23.7 Blatt, Middleton & Murray 1980，第631頁.
  24. ^ Blair & Mcpherson 1992，[Abstract].
  25. ^ 25.0 25.1 25.2 25.3 Boggs 2006，第248頁.
  26. ^ Leeder 2011，第288-289頁.
  27. ^ 27.0 27.1 27.2 Boggs 2006，第249頁.
  28. ^ Leeder 2011，第290頁.
  29. ^ Mack & Rasmussen 1984，[Abstract].
  30. ^ 30.0 30.1 Boggs 2006，第247-249頁.
  31. ^ Bates & Jackson 1987，"fanglomerate".
  32. ^ Blatt, Middleton & Murray 1980，第630頁.
  33. ^ Ghinassi & Ielpi 2018，[Abstract].
  34. ^ 34.0 34.1 Shelton 1966，第154頁.
  35. ^ Morgan et al. 2014，[Abstract].
  36. ^ Radebaugh 2013，[Abstract].
  37. ^ 37.0 37.1 Moore & Howard 2005，1 [2].
  38. ^ Leeder 2011，第291-293頁.
  39. ^ Mann 1957，第130-132頁.
  40. ^ NASA 2009，ch. 4.
  41. ^ Croft & Gordon 1968，第11頁.
  42. ^ Weissmann, Mount & Fogg 2002，[Abstract].
  43. ^ Moore & Howard 2005，2.7 [7].
  44. ^ Davis et al. 2021，第1250頁.
  45. ^ Kraal et al. 2008，第102頁.
  46. ^ Morgan et al. 2014，第131-132頁.
  47. ^ Harwood & Wall 2012.
  48. ^ Davis et al. 2021，第1250-1253頁.
  49. ^ Radebaugh 2013.
  50. ^ 50.0 50.1 Petalas 2013，第439頁.
  51. ^ Larsen et al. 2001，第1頁.
  52. ^ National Research Council 1996，第1頁.
  53. ^ Khalil 2010，[Abstract].
  54. ^ Alkinani & Merkel 2017，"Introduction".
  55. ^ Zaharia 2011，[Abstract].
  56. ^ Chia 2004，"Network of Monitoring Wells in the Choshui River Alluvial Fan".
  57. ^ Hill 2014，"Methods of building elevation".
  58. ^ 58.0 58.1 National Research Council 1996，第1-2頁.
  59. ^ FEMA 2020.
  60. ^ Larsen et al. 2001，第2頁.
  61. ^ Santangelo et al. 2012，table 1.
  62. ^ Chawner 1935，第255頁.
  63. ^ Bapalu & Sinha 2005，第1頁.
  64. ^ Leeder 2011，第289-291頁.
  65. ^ CNN 2008.
  66. ^ EHA-India 2008.
  67. ^ Coggan 2008.
  68. ^ Gao et al. 2021，第2, 20-21頁.
  69. ^ Leeder & Mack 2001，[Abstract], "Applications to basic analysis: architectural models".

資料來源

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