沖積扇

沖積扇（Alluvial fan）是山地河流流出谷口時，因坡度驟降、水道趨於開闊，導致水流速度減慢、搬運能力降低，挾帶的泥沙礫石在谷口大量堆積而成的扇狀地貌。這類地形廣泛分布於乾旱、半乾旱或部分濕潤與現代冰河地區的山麓地帶。其面積因地而異，小至不足1平方公里，大可達20,000平方公里。

沖積扇的形成動力主要來自土石流或間歇性、常流性的溪流；河流向下游進入平原後，亦可能進一步塑造出廣闊的沖積平原。

除了地球，科學家也在火星與土衛六（泰坦）上發現明顯的沖積扇地貌，證實了這些外星天體過去或現在存在流體沖刷地表的作用。在陸域現代沖積扇中，位於中國新疆的塔里木盆地沙漠沖積扇為全球規模最大的扇體。由於沖積扇上的河道極易頻繁改道（節點改道），一旦發生洪水，往往容易造成嚴重的災害，例如2008年印度的戈西河洪災便是典型案例。

## 描述

沖積扇的地貌形態是由沉積中心（如斷崖延伸出的狹窄峽谷口）向外呈放射狀或扇狀鋪展開來的沉積物堆積，外觀呈淺圓錐體的局部，頂點位於沉積物的發源處。其規模差異極大，底部寬度從數公尺到150公里不等，坡度則介於1.5至25度之間。某些大型沖積扇的面積可達20000km2。

自頂點向下的扇面坡度通常呈凹狀，靠近頂點的區域（近端扇或扇頂）最為陡峭，向外逐漸平緩（中端扇），並在邊緣處最為低平（遠端扇或外扇）。近端扇常出現篩分沉積，由粗礫石組成。整體而言，沖積扇中的沉積物顆粒較粗且淘選度較差，顆粒最粗大者多集中在近端扇。

若沖積平原空間充裕，能讓沉積物自由鋪展而不受兩側谷壁或河流阻截，會形成不受限的沖積扇，其形狀主要由水動力決定。反之，若平原腹地狹小，導致扇體受到地形阻礙，則會形成受限扇。

此外，受到扇緣波浪或河道侵蝕的影響，有時會形成邊緣帶有小斷崖的扇緣切蝕扇。這類扇體通常記錄了氣候變遷或地質構造活動的歷史，且側蝕作用可能提升扇體作為含水層或油藏的潛力。火星上發現的扇緣切蝕扇，即為其過去曾擁有河流系統的有力證據。

當多條溪流同時在山麓前緣發育時，各自形成的沖積扇便可能連綿相接，形成大範圍的堆積覆蓋層，在地形學上稱為山麓沖積平原。

## 形成

沖積扇通常形成於受到地形制約的補給河道流出山前或冰河邊緣之處。當急流脫離河道束縛沖向扇面，水流得以在開闊的河網中分散，或迅速滲入地下。此時流速與搬運能力會急劇衰退，導致泥沙大量沉積。

在坡度最陡峭的扇頂處，水流多半局限在單一河道（即扇頂溝槽），其深度有時可達30meters。這條主河道極易被日益增加的沉積物或土石流填塞，迫使水流定期改道（即節點改道），轉向扇面上坡度更陡的區域重新沉積。

因此，在特定的時間點上，通常只有局部扇面處於活躍狀態，而暫時處於非活躍的區域則會經歷土壤演化或風化侵蝕。沖積扇依據主導的沉積力量，可劃分為土石流主導的土石流扇以及河流徑流主導的河流扇，取決於當地的氣候條件、地質構造以及上游物源區的基岩性質。

### 土石流

土石流扇的物質主要仰賴土石流搬運堆積。土石流是由水與粗細不一的固體顆粒（從小如黏土到巨石）混雜而成的泥漿狀高密度流體。它具有屈服強度，在低流速時極其黏稠，但隨著流速攀升，黏滯性會顯著下降。因此，即使土石流位於具一定坡度的地面上，仍可能停止流動，並在自身重力作用下固結沉積。

這類扇體廣泛分布於各類氣候區，但若源頭岩層屬於易碎的泥岩而非粗顆粒且具滲透性的風化層，分布往往最為密集。源源不斷的細粒沉積物極易誘發山坡坍塌，並促成後續土石形成具備凝聚力的整體流動。當局部短暫而強烈的雷陣雨降臨，富含黏土的崩積層達到飽和，引發邊坡失穩；土石流便會順著補給河道滾滾而下，傾瀉在沖積扇表面。

在土石流扇的扇頂，通常錯落著大批已不再活躍的分流河道，並向下與中下部的扇葉交接。這些古老河道往往會被後續的土石流填滿。通常同一時間僅有一個扇葉處於活躍狀態，而被廢棄的扇葉則在漫長的歲月中，因風成粉塵的經年堆積而孕育出沙漠漆或成熟的土壤剖面。

由於黏稠度極高，即便是以此類作用為核心的沖積扇，土石流主要也被局限在扇頂（近端）與扇中（中段），至於扇端（遠端）則主要由溪流洪水所主導。然而在極端乾旱的環境下，某些土石流扇幾乎全由黏稠的土石沉積物與經風篩作用後留下的殘餘礫石組成。這類沖積扇通常地勢陡峭，且地表植被十分稀疏。

### 河流

相較之下，河流扇的主要推手是長期的溪流沖刷與沉積，而非突發性的土石流；因此，它們與一般河流沉積物的界線相對較為模糊。

河流扇多誕生於擁有常流性、季節性或間歇性溪流的區域，這些水源交織成網，在扇面上形成分流系統。在乾旱或半乾旱氣候區，沉積作用往往由罕見的暴雨所主導，極易在補給河道中引發山洪。洪水裹挾著大量泥沙衝破河道束縛，往四周擴散形成廣闊的片流。這些水流可能包含20%至45%固體顆粒的高含沙水流，介於清澈的普通片流與黏稠的土石流之間。

當洪水退去，往往會在扇面上留下縱橫交錯的辮狀河流網路與粗糙的礫石殘留層。假若水源供應較為穩定（例如春季融雪），高度約1-4meters的下切河道便會在辮狀河網中自成一格。

這類河流扇的坡度通常十分平緩，但蔓延範圍卻往往非常廣闊。坐落於印度恆河平原喜馬拉雅山前的戈西河沖積扇，便是此類溪流主導型巨型沖積扇的典型代表，在過去一千萬年來主邊界斷層的持續造山運動，將長達750km的山前地帶排水系統，壓縮並集中至三個大型沖積扇中。

## 地質紀錄

沖積扇在地質演化史上相當常見，在古生代中期陸生植物尚未出現、地表缺乏植被保護的時代，沖積扇發育規模與重要性更為顯著。它們是斷層邊界盆地的重要特徵，在盆地劇烈構造下陷與山體快速抬升的共同作用下，堆積厚度有時能突破5000meters。

由於地處淺層氧化環境，岩層中富含鐵質的礦物經由成岩作用轉變為赤鐵礦，使其外觀多呈現紅褐色。歷史悠久的古沖積扇範例相當豐富：如北美東部的三疊紀盆地、英國德文郡南部的新赤色砂岩、挪威的泥盆紀霍內倫盆地，以及加拿大加斯佩半島橫跨泥盆紀至石炭紀的地層。這類扇狀沉積構造，傳統上往往會封存地質紀錄中規模最為宏大的礫石堆積。

### 沉積相

歷經不同的流水與地質作用，沖積扇內部會發育出數種不同的沉積相。顆粒粗大是沖積扇沉積的顯著標誌，且顆粒大小通常隨其遠離扇頂而呈規律性遞減。內部的礫石常展示出整齊的疊瓦結構，其扁平卵石紛紛向扇頂方向傾斜。

在單一沉積床或流動單元內部，有時可觀察到反向粒級層（即下細上粗）；而隨著扇體向外持續推進，在區域大尺度地層剖面上，則常呈現向上變粗的前積層序：早期較細的沉積物位於底部，後期更為粗重的沙礫則覆蓋其上。反之，若呈現正向粒級（下粗上細），通常意味著該沖積扇的活動已日漸衰退。

地質學家通常能根據土石流、片狀洪水、高流態河流洪水、篩分沉積以及辮狀河等不同作用留下的痕跡，來精準識別其特定的沉積相。

土石流沉積物在沖積扇的近端與中段非常常見。這些物質除了在基部偶見反向粒級層外，內部幾乎沒有層理構造，且淘選度極差，泥沙與巨石混雜。扇體近端有時會夾雜一些礫石瓣，常被解讀為地表逕流瞬間下滲後僅剩粗大物質的篩分沉積，但也有不少學者將其歸類為土石流的產物。這類孕育自沖積扇土石流的礫岩，在地質學中被稱為扇礫岩。

相比之下，河流沉積多呈層狀廣泛鋪展，其淘選度明顯優於雜亂的土石流沉積，且內部通常能見到發育良好的交錯層理等沉積構造。這些現象在沖積扇的中段與遠端尤為盛行。在河道極淺且密集的扇形邊緣，河流沉積主要由砂質互層組成，並發育平面狀和槽狀斜層理。

值得注意的是，河流主導型沖積扇的中段沉積特徵與一般普通的河流環境非常相似，因此地質學家要辨識古老沖積扇，必須仰賴山麓地帶所呈現出的放射狀古地貌才能判定。

## 分佈

雖然沖積扇普遍被視為乾燥至半乾燥氣候區山麓地形的標誌，但在降雨充沛的濕潤環境，乃至於現代冰河活動的寒冷地帶也相當常見。此外，科學家在太陽系的其他天體上也發現了沖積扇的地貌特徵。

### 陸域

陸地上的沖積扇多是為了因應構造抬升與隨之而來的侵蝕而誕生。隨著高地源頭的不斷侵蝕，地層多呈現向上變粗的典型趨勢，記錄著高山崛起的歷史週期。然而，氣候變遷與基準面的波動，其影響力與構造抬升相比也相當顯著。

以喜馬拉雅山脈的沖積扇為例，古老的扇體往往受到後期河流下切破壞，進而被較年輕的扇體覆蓋，而這些新生的扇體隨後又被峽谷切斷，形成了兩級河流階地。科學家透過光釋光定年技術發現，新舊扇體之間存在著長達70,000至80,000年的沉積間斷，並有證據表明45,000年前發生過構造傾斜，而整個扇體的沉積活動大約在20,000年前結束。這段長時間的沉積停滯與最終的結束，皆被認為與當時西南季風降水大增的氣候息息相關。

氣候變遷也主導了美國加利福尼亞州死亡谷的扇體發育。當地的地層定年數據顯示，過去25,000年來的沉積顛峰，恰好都落在氣候劇烈動盪（如由濕潤驟轉乾燥，或由乾燥猝變濕潤）的關鍵轉折點上。

沖積扇在沙漠地區最為活躍，這些地區極易受到鄰近山區雷雨所引發的山洪突襲。在乾燥氣候下，典型的水道在頂部擁有一個巨大的漏斗狀集水盆地，向下收窄銜接狹窄的隘口，最終在山腳下展開，鋪展成沖積扇，洪水降臨時通常會有數條活躍的辮狀河流網路在扇面上縱橫奔流。

在乾旱扇緣向外輻射的區域中，科學家常能尋獲深根植物（擁有發育極長、能直達地底深處汲取地下水之主根的植物）的蹤影。這些扇緣深根植物帶，正是粗顆粒沉積物所掩埋的地下古河道，它們與不透水的內流盆地沉積層相互交織，成為荒漠中的水源線。

此外，在地形高低懸殊、高山與平原交接的濕潤氣候區，沖積扇同樣能蓬勃發展。譬如在尼泊爾，奔騰的戈西河在衝出喜馬拉雅山麓、踏入一望無際的平原交界處，孕育出一座面積高達15000km2的巨型沖積扇，隨後注入印度並匯入恆河。

在戈西河上游的各條支流沿線，強大的地質構造力量推動喜馬拉雅山脈每年抬升數公釐。這種高度的抬升量與劇烈的侵蝕量大體達成平衡，使得該河流在流出山區時，每年攜帶100e6m3的泥沙。數百萬年來日積月累的持續堆積，成就了這座規模宏大的巨型沖積扇。

在北美洲，流入加州中央谷地的許多河川也孕育了規模不容小覷的廣闊沖積扇，如橫穿內華達山脈的金河沖積扇。與喜馬拉雅山麓的巨型扇體相同，這些皆屬於典型的河流流量主導型沖積扇。

### 地外天體

#### 火星

科學家在火星地表也觀測到了沖積扇。然而與地球上的同類不同，火星上的沖積扇極少與板塊構造活動掛鉤，反而更常密集分布在隕石撞擊坑的邊緣。這些撞擊坑扇主要由廣泛的片流所形成，而非高密度的土石流。

科學家在佐伯隕擊坑內觀察三個沖積扇，這些遺跡證實這顆行星過去曾擁有活躍的河流作用，進一步為液態水曾在火星表面流淌的理論提供支持。

此外，由軌道衛星在蓋爾撞擊坑內觀測到的巨大沖積扇，如今已被好奇號火星車在地面實地採集到的河流沉積物證實。霍頓撞擊坑內部的沖積扇則展現出顯著的扇緣切蝕剖面，科學家推測這同樣是遠古時期河流侵蝕所留下的歷史痕跡。

少數與地質構造息息相關的火星沖積扇，則坐落於科普拉特斯峽谷和尤文圖斯峽谷，它們皆屬於龐大的水手號谷峽谷系統，為科學家剖析火星該區斷層活動的性質與演變提供許多線索。

#### 土衛六

卡西尼-惠更斯號探測任務利用卡西尼號軌道器上的合成孔徑雷達儀器，在土衛六上發現沖積扇。這些扇體在中緯度較為乾燥的區域更為密集，皆位於液態甲烷或乙烷河流的末端。

有研究認為，這些地區因降水而頻繁發生乾濕交替，與地球上的乾旱沖積扇特徵相似。雷達影像進一步顯示，這些沖積扇的堆積物質可能由直徑約2公分的圓形水冰顆粒或固態有機化合物所組成。

## 對人類的影響

在許多地區，沖積扇扮演著極為關鍵的儲水層角色。許多城市、工業區與農業核心區皆發展於沖積扇之上，如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。然而，沖積扇特有的洪澇災害，也為人類的防災與減災工作帶來嚴峻考驗。

### 含水層

沖積扇內部交織的粗顆粒沉積層，天生是良好的含水層，成為許多地區仰賴的地下水資源。無論是長年乾旱的區域（如埃及或伊拉克），還是雨水豐沛的濕潤地帶（如中歐或台灣），沖積扇的地下水資源皆發揮著舉足輕重的作用。

### 洪災危害

沖積扇容易受到突發性且破壞力強的洪水襲擊，其不確定特性與一般的傳統河岸洪澇截然不同。這些危險特徵包括洪水路徑難以預測、挾帶的大量沉積物可能在瞬間發生劇烈堆積與嚴重侵蝕，加上扇面陡峭坡度的助長，構成重大的安全隱患。

這類獨特的地理危害，通常無法單靠簡單的建築填土墊高來化解。人類必須修築結構性的防洪工程才能降低風險，在某些情況下，甚至必須限制扇面上的土地開發。然而，此類限制措施常引發爭議，特別是因為這類山洪危害對於普通大眾而言通常並不顯而易見。在美國，沖積扇洪災高風險區在官方洪水保險費率圖上被標記為AO區域。

沖積扇洪水通常以迅猛之勢驟然降臨，持續時間雖短（通常僅數小時），但破壞力大，且爆發前幾乎沒有徵兆。它們通常由長時間的暴雨所催生，流速極快且挾沙能力極強。根據流體中固體沉積物的比例，流動形態涵蓋普通山洪、高含沙水流乃至土石流。由於洪水夾帶的泥沙量極大，現有河道往往在短時間內堵死，使得水流隨機變更流向，進一步提升危險性。

歷史上，義大利亞平寧山脈的沖積扇山洪便曾多次引發嚴重災害。1581年10月1日爆發於佩迪蒙特馬泰塞的洪災造成400多人死亡，類似的傷亡一直延續到19世紀。時至今日，沖積扇洪水的防範依然是義大利國土治理的焦點。

1934年元旦，美國加利福尼亞州聖蓋博山脈一處剛遭森林大火肆虐、失去植被保護的林地，突遭暴雨侵襲，導致山腳下的沖積扇爆發了嚴重的洪災。而當時蒙特羅斯與格倫代爾等城鎮恰好坐落於該沖積扇上，這場突如其來的災難造成了大量的人員傷亡與財產損失。

前文提及的印度戈西河，在衝出喜馬拉雅山脈、進入恆河平原處所發育的巨型沖積扇，更是歷史上的重大災區。由於該河河道變動極為頻繁，歷來被冠以「比哈爾之愁」的稱號，所造成的洪災死亡人數在南亞地區居高不下。

在過去數百年間，該河在扇面上總體呈現由東向西的偏移，到了2008年初，主河道已偏向這座巨型沖積扇的最西端。然而在2008年8月，強烈的季風暴雨讓戈西河水位暴漲並沖垮堤防，大股水流改道並湧入一條遠古荒廢的老河道，淹沒巨型沖積扇人口極為稠密的地帶。這場災難最終導致超過百萬人流離失所、數百人不幸罹難，數千公頃的良田化為烏有。

### 石油儲層

在地質歲月中，古老的沖積扇常存在於石油盆地的邊緣。雖然由土石流組成的扇體作為油氣儲集層的品質較差，但河流主導型的扇體卻往往是極具開發潛力的優質儲層。

儘管河流型扇體因內部結構錯綜複雜而增加了開採難度，但其儲層品質往往優於盆地中央的普通沉積層；特別是扇面上因偶發洪水而發育的古河道砂體，更是石油探勘中的重要目標。

若沖積扇的扇端曾遭受河流的側向強烈侵蝕（即扇緣切蝕），側向河流會帶來大量具高孔隙率與高滲透性的優質河流沉積物，與原有的扇體地層交互重疊，使其作為儲層的潛力進一步提升。