绿洲与冲积扇

 

生活在湿润区的我们,对于沙漠绿洲知之甚少,通过地理的学习,我们知道绿洲分布在山麓冲积扇地带,原因是干旱区最为缺乏的水分要素在冲积扇区域得到了满足,在漫漫黄沙中点缀上了点点新绿。那么,为何在死寂的荒漠区域,上帝独独眷顾了这些神秘的“扇子”呢?

我们先通过一段亲历者的描述来感知一下冲积扇的结构:“在河流出山口的地方,我们看到的是一片书桌大小的砾石,虽然不太光滑圆润,但还是有一定的磨圆度;向下行几百米,石头逐渐变小,有西瓜大小;再下行几百米,遍地石头如梨子苹果一般;再下行几百米,砾石变得有如鸡蛋和枣子,其中已经有粗沙掺杂其中;再下行,砾石不见了,遍地细沙;再下行,沙不见了,泥开始出现,这时已经到了平地。这种砾石泥沙的分级出现,展现的是在冲积扇上河流的分选作用:即河流不是把从山中带下来的物质一股脑地堆在沟口,而是像流水线上的工人一样把不同的东西放到不同的位置上:大的石块最先落在沟口,小一些的次之,再小些的更次之,砾石如此依次按照大小轻重随着水流呈放射状地淤落和分布下来;沙和泥也是如此,最后在扇缘部分像是镶嵌了一道花边一样分布的是最细小的黏土。”

冲积扇可分为扇顶、扇中、扇缘三部分,这种分法,体现了河流在冲积扇上的分选作用。

冲积扇上的这种分选结构,除了构建出大地上一种独特景观外,至少还造成了两个结果,一是冲积扇成了一座天然的地下水库,因为分选作用,粗大的砾石留在扇顶,层垒在一起的砾石间遍布空隙,这有利于水流的下渗和转变为地下径流。而扇缘部分沉积的是粒径极小的黏土,黏土透水性差,这相当于在扇缘建起了一道天然的水库大坝,一座天然的地下水库就这样建成了。当水库中积蓄的水超过了黏土堤坝的高度后,积水就会涌出地表形成一处处泉水流淌,因此在冲积扇的黏土带与细沙带接触的部分,会形成一个泉水带,就是在这个环形的带状区域内一处处泉水涌流。而水正是干旱区的人类最缺乏的宝贵资源,沿着冲积扇的泉水带,人类开垦田地,种植果蔬粮食,因此泉水带也是人类的聚落带。

▲冲积扇成泉原理图

为什么冲积扇的扇缘部位常常会有泉水出露?这与冲积扇的结构有很大关系:从冲积扇的纵剖面图上可以看出,上层通常是粒径较大的砾石,而下层则是颗粒更小的细沙和黏土。每当山洪暴发,大量的水流从山口的扇顶部位倾泻下来,漫过整个扇体,而洪水在沿着扇体向下奔流的同时,也大量地渗入扇体内部。由于扇体最表层的洪积物粒径较大,排列并不紧密,彼此之间的缝隙很宽,非常利于地表水的下渗。而当水下渗到扇体下层的黏土层时,由于沉积物粒径的减小,排列变得更加紧密,不利于水的继续下渗,水流垂直运动的速度减缓,变为近似水平方向的流动。当水流到冲积扇扇缘部位的时候,已经离地表很近,非常利于打井汲水甚至直接形成泉水出露。而且,由于扇缘部位的黏土在一定程度上起到了对水体阻隔的作用,它能保证季节性山洪的水长期储存在扇体中,相当于一个“水坝”,保证了泉水的稳定性。

▲冲(洪)积扇、泥石流扇结构模式图

在自然界中,另外一种与冲积扇形态、成因都相似的扇状堆积物也很常见,这就是泥石流扇。与冲积扇从上到下粒径逐渐减小的趋势不同,泥石流扇恰恰相反,在扇体最下端往往有体积较大的砾石块,偶尔也夹杂有断木,而扇顶部位则是粒径细小的沙砾和黏土。造成泥石流扇与冲积扇粒径沉积顺序截然相反的原因是由于泥石流与洪流的不同性质引起的。形成冲积扇的水流对固体物质的搬运力量会随着流动距离的增加而不断减弱,因此体积大、重量大的砾石往往在洪流的上游,也就是冲积扇的扇顶部位沉积下来,而体积小、重量小的细沙和黏土,则可以跟随洪流走得更远,漂到洪积扇的扇缘。而泥石流中往往含有大量的固体物质(体积占比为40%—60%,最大能达到80%),使得流体的黏稠度过高。这时,泥石流已经不是夹杂固体物质的水流,而变成一种类似于固体的弹性流体。因此,重量大的巨石由于重力和惯性的作用,会顺着山势一直冲到泥石流扇的扇缘,而重量小的黏土则没有足够的动力完成远行,只能停在扇顶遥望前面的巨石滚滚向前。

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