冲积扇

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冲积扇（Alluvial fan）是山地河流流出谷口时，因坡度骤降、水道趋于开阔，导致水流速度减慢、搬运能力降低，挟带的泥沙砾石在谷口大量堆积而成的扇状地貌。这类地形广泛分布于干旱、半干旱或部分湿润与现代冰河地区的山麓地带。其面积因地而异，小至不足1平方公里，大可达20,000平方公里。

冲积扇的形成动力主要来自土石流或间歇性、常流性的溪流；河流向下游进入平原后，亦可能进一步塑造出广阔的冲积平原。

除了地球，科学家也在火星与土卫六（泰坦）上发现明显的冲积扇地貌，证实了这些外星天体过去或现在存在流体冲刷地表的作用。在陆域现代冲积扇中，位于中国新疆的塔里木盆地沙漠冲积扇为全球规模最大的扇体。由于冲积扇上的河道极易频繁改道（节点改道），一旦发生洪水，往往容易造成严重的灾害，例如2008年印度的戈西河洪灾便是典型案例。

## 描述

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冲积扇的地貌形态是由沉积中心（如断崖延伸出的狭窄峡谷口）向外呈放射状或扇状铺展开来的沉积物堆积，外观呈浅圆锥体的局部，顶点位于沉积物的发源处。其规模差异极大，底部宽度从数米到150公里不等，坡度则介于1.5至25度之间。某些大型冲积扇的面积可达20000km2。

自顶点向下的扇面坡度通常呈凹状，靠近顶点的区域（近端扇或扇顶）最为陡峭，向外逐渐平缓（中端扇），并在边缘处最为低平（远端扇或外扇）。近端扇常出现筛分沉积，由粗砾石组成。整体而言，冲积扇中的沉积物颗粒较粗且分选性较差，颗粒最粗大者多集中在近端扇。

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若冲积平原空间充裕，能让沉积物自由铺展而不受两侧谷壁或河流阻截，会形成不受限的冲积扇，其形状主要由水动力决定。反之，若平原腹地狭小，导致扇体受到地形阻碍，则会形成受限扇。

此外，受到扇缘波浪或河道侵蚀的影响，有时会形成边缘带有小断崖的扇缘切蚀扇。这类扇体通常记录了气候变迁或地质构造活动的历史，且侧蚀作用可能提升扇体作为含水层或油藏的潜力。火星上发现的扇缘切蚀扇，即为其过去曾拥有河流系统的有力证据。

当多条溪流同时在山麓前缘发育时，各自形成的冲积扇便可能连绵相接，形成大范围的堆积覆盖层，在地形学上称为山麓冲积平原。

## 形成

冲积扇通常形成于受到地形制约的补给河道流出山前或冰河边缘之处。当急流脱离河道束缚冲向扇面，水流得以在开阔的河网中分散，或迅速渗入地下。此时流速与搬运能力会急剧衰退，导致泥沙大量沉积。

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在坡度最陡峭的扇顶处，水流多半局限在单一河道（即扇顶沟槽），其深度有时可达30meters。这条主河道极易被日益增加的沉积物或土石流填塞，迫使水流定期改道（即节点改道），转向扇面上坡度更陡的区域重新沉积。

因此，在特定的时间点上，通常只有局部扇面处于活跃状态，而暂时处于非活跃的区域则会经历土壤演化或风化侵蚀。冲积扇依据主导的沉积力量，可划分为土石流主导的土石流扇以及河流径流主导的河流扇，取决于当地的气候条件、地质构造以及上游物源区的基岩性质。

### 土石流

土石流扇的物质主要仰赖土石流搬运堆积。土石流是由水与粗细不一的固体颗粒（从小如黏土到巨石）混杂而成的泥浆状高密度流体。它具有屈服强度，在低流速时极其黏稠，但随着流速攀升，黏滞性会显著下降。因此，即使土石流位于具一定坡度的地面上，仍可能停止流动，并在自身重力作用下固结沉积。

这类扇体广泛分布于各类气候区，但若源头岩层属于易碎的泥岩而非粗颗粒且具渗透性的风化层，分布往往最为密集。源源不断的细粒沉积物极易诱发山坡坍塌，并促成后续土石形成具备凝聚力的整体流动。当局部短暂而强烈的雷阵雨降临，富含黏土的崩积层达到饱和，引发边坡失稳；土石流便会顺着补给河道滚滚而下，倾泻在冲积扇表面。

在土石流扇的扇顶，通常错落着大批已不再活跃的分流河道，并向下与中下部的扇叶交接。这些古老河道往往会被后续的土石流填满。通常同一时间仅有一个扇叶处于活跃状态，而被废弃的扇叶则在漫长的岁月中，因风成粉尘的经年堆积而孕育出沙漠漆或成熟的土壤剖面。

由于黏稠度极高，即便是以此类作用为核心的冲积扇，土石流主要也被局限在扇顶（近端）与扇中（中段），至于扇端（远端）则主要由溪流洪水所主导。然而在极端干旱的环境下，某些土石流扇几乎全由黏稠的土石沉积物与经风筛作用后留下的残余砾石组成。这类冲积扇通常地势陡峭，且地表植被十分稀疏。

### 河流

相较之下，河流扇的主要推手是长期的溪流冲刷与沉积，而非突发性的土石流；因此，它们与一般河流沉积物的界线相对较为模糊。

河流扇多诞生于拥有常流性、季节性或间歇性溪流的区域，这些水源交织成网，在扇面上形成分流系统。在干旱或半干旱气候区，沉积作用往往由罕见的暴雨所主导，极易在补给河道中引发山洪。洪水裹挟著大量泥沙冲破河道束缚，往四周扩散形成广阔的片流。这些水流可能包含20%至45%固体颗粒的高含沙水流，介于清澈的普通片流与黏稠的土石流之间。

当洪水退去，往往会在扇面上留下纵横交错的辫状河流网络与粗糙的砾石残留层。假若水源供应较为稳定（例如春季融雪），高度约1-4meters的下切河道便会在辫状河网中自成一格。

这类河流扇的坡度通常十分平缓，但蔓延范围却往往非常广阔。坐落于印度恒河平原喜马拉雅山前的戈西河冲积扇，便是此类溪流主导型巨型冲积扇的典型代表，在过去一千万年来主边界断层的持续造山运动，将长达750km的山前地带排水系统，压缩并集中至三个大型冲积扇中。

## 地质纪录

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冲积扇在地质演化史上相当常见，在古生代中期陆生植物尚未出现、地表缺乏植被保护的时代，冲积扇发育规模与重要性更为显著。它们是断层边界盆地的重要特征，在盆地剧烈构造下陷与山体快速抬升的共同作用下，堆积厚度有时能突破5000meters。

由于地处浅层氧化环境，岩层中富含铁质的矿物经由成岩作用转变为赤铁矿，使其外观多呈现红褐色。历史悠久的古冲积扇范例相当丰富：如北美东部的三叠纪盆地、英国德文郡南部的新赤色砂岩、挪威的泥盆纪霍内伦盆地，以及加拿大加斯佩半岛横跨泥盆纪至石炭纪的地层。这类扇状沉积构造，传统上往往会封存地质纪录中规模最为宏大的砾石堆积。

### 沉积相

历经不同的流水与地质作用，冲积扇内部会发育出数种不同的沉积相。颗粒粗大是冲积扇沉积的显著标志，且颗粒大小通常随其远离扇顶而呈规律性递减。内部的砾石常展示出整齐的叠瓦结构，其扁平卵石纷纷向扇顶方向倾斜。

在单一沉积床或流动单元内部，有时可观察到反向粒级层（即下细上粗）；而随着扇体向外持续推进，在区域大尺度地层剖面上，则常呈现向上变粗的前积层序：早期较细的沉积物位于底部，后期更为粗重的沙砾则覆盖其上。反之，若呈现正向粒级（下粗上细），通常意味着该冲积扇的活动已日渐衰退。

地质学家通常能根据土石流、片状洪水、高流态河流洪水、筛分沉积以及辫状河等不同作用留下的痕迹，来精准识别其特定的沉积相。

土石流沉积物在冲积扇的近端与中段非常常见。这些物质除了在基部偶见反向粒级层外，内部几乎没有层理构造，且分选性极差，泥沙与巨石混杂。扇体近端有时会夹杂一些砾石瓣，常被解读为地表径流瞬间下渗后仅剩粗大物质的筛分沉积，但也有不少学者将其归类为土石流的产物。这类孕育自冲积扇土石流的砾岩，在地质学中被称为扇砾岩。

相比之下，河流沉积多呈层状广泛铺展，其分选性明显优于杂乱的土石流沉积，且内部通常能见到发育良好的交错层理等沉积构造。这些现象在冲积扇的中段与远端尤为盛行。在河道极浅且密集的扇形边缘，河流沉积主要由砂质互层组成，并发育平面状和槽状斜层理。

值得注意的是，河流主导型冲积扇的中段沉积特征与一般普通的河流环境非常相似，因此地质学家要辨识古老冲积扇，必须仰赖山麓地带所呈现出的放射状古地貌才能判定。

## 分布

虽然冲积扇普遍被视为干燥至半干燥气候区山麓地形的标志，但在降雨充沛的湿润环境，乃至于现代冰河活动的寒冷地带也相当常见。此外，科学家在太阳系的其他天体上也发现了冲积扇的地貌特征。

### 陆域

陆地上的冲积扇多是为了因应构造抬升与随之而来的侵蚀而诞生。随着高地源头的不断侵蚀，地层多呈现向上变粗的典型趋势，记录着高山崛起的历史周期。然而，气候变迁与基准面的波动，其影响力与构造抬升相比也相当显著。

以喜马拉雅山脉的冲积扇为例，古老的扇体往往受到后期河流下切破坏，进而被较年轻的扇体覆盖，而这些新生的扇体随后又被峡谷切断，形成了两级河流阶地。科学家透过光释光定年技术发现，新旧扇体之间存在着长达70,000至80,000年的沉积间断，并有证据表明45,000年前发生过构造倾斜，而整个扇体的沉积活动大约在20,000年前结束。这段长时间的沉积停滞与最终的结束，皆被认为与当时西南季风降水大增的气候息息相关。

气候变迁也主导了美国加利福尼亚州死亡谷的扇体发育。当地的地层定年数据显示，过去25,000年来的沉积颠峰，恰好都落在气候剧烈动荡（如由湿润骤转干燥，或由干燥猝变湿润）的关键转折点上。

冲积扇在沙漠地区最为活跃，这些地区极易受到邻近山区雷雨所引发的山洪突袭。在干燥气候下，典型的水道在顶部拥有一个巨大的漏斗状集水盆地，向下收窄衔接狭窄的隘口，最终在山脚下展开，铺展成冲积扇，洪水降临时通常会有数条活跃的辫状河流网络在扇面上纵横奔流。

在干旱扇缘向外辐射的区域中，科学家常能寻获深根植物（拥有发育极长、能直达地底深处汲取地下水之主根的植物）的踪影。这些扇缘深根植物带，正是粗颗粒沉积物所掩埋的地下古河道，它们与不透水的内流盆地沉积层相互交织，成为荒漠中的水源线。

此外，在地形高低悬殊、高山与平原交接的湿润气候区，冲积扇同样能蓬勃发展。譬如在尼泊尔，奔腾的戈西河在冲出喜马拉雅山麓、踏入一望无际的平原交界处，孕育出一座面积高达15000km2的巨型冲积扇，随后注入印度并汇入恒河。

在戈西河上游的各条支流沿线，强大的地质构造力量推动喜马拉雅山脉每年抬升数毫米。这种高度的抬升量与剧烈的侵蚀量大体达成平衡，使得该河流在流出山区时，每年携带100e6m3的泥沙。数百万年来日积月累的持续堆积，成就了这座规模宏大的巨型冲积扇。

在北美洲，流入加州中央谷地的许多河川也孕育了规模不容小觑的广阔冲积扇，如横穿内华达山脉的金河冲积扇。与喜马拉雅山麓的巨型扇体相同，这些皆属于典型的河流流量主导型冲积扇。

### 地外天体

#### 火星

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科学家在火星地表也观测到了冲积扇。然而与地球上的同类不同，火星上的冲积扇极少与板块构造活动挂钩，反而更常密集分布在陨石撞击坑的边缘。这些撞击坑扇主要由广泛的片流所形成，而非高密度的土石流。

科学家在佐伯陨击坑内观察三个冲积扇，这些遗迹证实这颗行星过去曾拥有活跃的河流作用，进一步为液态水曾在火星表面流淌的理论提供支持。

此外，由轨道卫星在盖尔撞击坑内观测到的巨大冲积扇，如今已被好奇号火星车在地面实地采集到的河流沉积物证实。霍顿撞击坑内部的冲积扇则展现出显著的扇缘切蚀剖面，科学家推测这同样是远古时期河流侵蚀所留下的历史痕迹。

少数与地质构造息息相关的火星冲积扇，则坐落于科普拉特斯峡谷和尤文图斯峡谷，它们皆属于庞大的水手号谷峡谷系统，为科学家剖析火星该区断层活动的性质与演变提供许多线索。

#### 土卫六

卡西尼-惠更斯号探测任务利用卡西尼号轨道器上的合成孔径雷达仪器，在土卫六上发现冲积扇。这些扇体在中纬度较为干燥的区域更为密集，皆位于液态甲烷或乙烷河流的末端。

有研究认为，这些地区因降水而频繁发生干湿交替，与地球上的干旱冲积扇特征相似。雷达影像进一步显示，这些冲积扇的堆积物质可能由直径约2公分的圆形水冰颗粒或固态有机化合物所组成。

## 对人类的影响

在许多地区，冲积扇扮演着极为关键的储水层角色。许多城市、工业区与农业核心区皆发展于冲积扇之上，如美国西部的加州洛杉矶、犹他州盐湖城与科罗拉多州丹佛等都会圈。然而，冲积扇特有的洪涝灾害，也为人类的防灾与减灾工作带来严峻考验。

### 含水层

冲积扇内部交织的粗颗粒沉积层，天生是良好的含水层，成为许多地区仰赖的地下水资源。无论是长年干旱的区域（如埃及或伊拉克），还是雨水丰沛的湿润地带（如中欧或台湾），冲积扇的地下水资源皆发挥着举足轻重的作用。

### 洪灾危害

冲积扇容易受到突发性且破坏力强的洪水袭击，其不确定特性与一般的传统河岸洪涝截然不同。这些危险特征包括洪水路径难以预测、挟带的大量沉积物可能在瞬间发生剧烈堆积与严重侵蚀，加上扇面陡峭坡度的助长，构成重大的安全隐患。

这类独特的地理危害，通常无法单靠简单的建筑填土垫高来化解。人类必须修筑结构性的防洪工程才能降低风险，在某些情况下，甚至必须限制扇面上的土地开发。然而，此类限制措施常引发争议，特别是因为这类山洪危害对于普通大众而言通常并不显而易见。在美国，冲积扇洪灾高风险区在官方洪水保险费率图上被标记为AO区域。

冲积扇洪水通常以迅猛之势骤然降临，持续时间虽短（通常仅数小时），但破坏力大，且爆发前几乎没有征兆。它们通常由长时间的暴雨所催生，流速极快且挟沙能力极强。根据流体中固体沉积物的比例，流动形态涵盖普通山洪、高含沙水流乃至土石流。由于洪水夹带的泥沙量极大，现有河道往往在短时间内堵死，使得水流随机变更流向，进一步提升危险性。

历史上，意大利亚平宁山脉的冲积扇山洪便曾多次引发严重灾害。1581年10月1日爆发于佩迪蒙特马泰塞的洪灾造成400多人死亡，类似的伤亡一直延续到19世纪。时至今日，冲积扇洪水的防范依然是意大利国土治理的焦点。

1934年元旦，美国加利福尼亚州圣盖博山脉一处刚遭森林大火肆虐、失去植被保护的林地，突遭暴雨侵袭，导致山脚下的冲积扇爆发了严重的洪灾。而当时蒙特罗斯与格伦代尔等城镇恰好坐落于该冲积扇上，这场突如其来的灾难造成了大量的人员伤亡与财产损失。

前文提及的印度戈西河，在冲出喜马拉雅山脉、进入恒河平原处所发育的巨型冲积扇，更是历史上的重大灾区。由于该河河道变动极为频繁，历来被冠以“比哈尔之愁”的称号，所造成的洪灾死亡人数在南亚地区居高不下。

在过去数百年间，该河在扇面上总体呈现由东向西的偏移，到了2008年初，主河道已偏向这座巨型冲积扇的最西端。然而在2008年8月，强烈的季风暴雨让戈西河水位暴涨并冲垮堤防，大股水流改道并涌入一条远古荒废的老河道，淹没巨型冲积扇人口极为稠密的地带。这场灾难最终导致超过百万人流离失所、数百人不幸罹难，数千公顷的良田化为乌有。

### 石油储层

在地质岁月中，古老的冲积扇常存在于石油盆地的边缘。虽然由土石流组成的扇体作为油气储集层的品质较差，但河流主导型的扇体却往往是极具开发潜力的优质储层。

尽管河流型扇体因内部结构错综复杂而增加了开采难度，但其储层品质往往优于盆地中央的普通沉积层；特别是扇面上因偶发洪水而发育的古河道砂体，更是石油探勘中的重要目标。

若冲积扇的扇端曾遭受河流的侧向强烈侵蚀（即扇缘切蚀），侧向河流会带来大量具高孔隙率与高渗透性的优质河流沉积物，与原有的扇体地层交互重叠，使其作为储层的潜力进一步提升。