黃河平渡關段全新世古洪水滯流沉積物研究

劉 濤，黃春長，龐獎勵，查小春，史興民，張玉柱，李曉剛，范龍江

（陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062）

古洪水水文學是全球變化科學領域一門新興交叉學科，它主要是通過對于古洪水滯流沉積物（slackwater deposits，SWD）的鑒別，利用光釋光（optical stimulated luminescence，OSL）和14C測年、地層學和考古學等方法斷代，利用多種方法恢復古洪水的洪峰水位，采用水力學模型推求全新世古洪水的洪峰流量，延長洪水水文學數據序列到萬年尺度［1－5］。國際國內，許多家學者都已經在古洪水研究方面取得了顯著成果，并得出相應的古洪水水文學數據資料［4－17］。本項目組在黃河中游對干支流開展了一系列的古洪水水文學研究，并取得了一些新的進展［18－26］。

黃河流域洪水災害十分嚴重，特別是在全新世中期大暖期結束，全新世晚期干旱期開始的氣候轉折階段，由于氣候惡化，洪水頻繁發生［9］。在全球變化的影響下，流域內水資源短缺、生態環境惡化等重大問題也日益凸顯。因此，在黃河中游晉陜峽谷段開展全新世古洪水研究顯得尤為重要。古洪水滯流沉積物（SWD）是古洪水信息的主要載體。在河流中下游峽谷河段勘察和鑒定全新世古洪水滯流沉積物，研究其沉積學特征是進行古洪水研究的第一步。本研究結合野外宏觀沉積學特征和室內試驗分析結果，論證了黃河中游平渡關段全新世古洪水滯流沉積物的沉積學特征，為該區段古洪水水文學研究提供了基礎。

1 研究區環境與研究河段概況

黃河晉陜峽谷段指黃河中游河口鎮至龍門區間，干流長723km，流域集水面積1.11×105km2，占黃河流域面積的14.8%，谷坡陡峻，谷道狹窄，除河曲、府谷河谷段河槽較寬外，其余河段河槽寬度多在400～600m，干流落差為607m，河道平均比降0.84‰。河槽深切入黃土高原的基巖之中，大部分河段由二疊紀和三疊紀沙頁巖組成。晉陜峽谷區域大部分屬于黃土高原地區，屬溫帶大陸性季風氣候，該區年平均降水量在300～550mm，從東南向西北遞減。全年的降水量高度集中在7—9月，占年降水量的61.6%，故暴雨強度大，歷時短，雨區呈帶狀分布，常形成暴漲暴落，峰形尖瘦，歷時短，含沙量大的突發性大洪水［27－29］。例如2012年7月26—28日陜西北部接連3次出現歷時短，強度高，量級大的暴雨過程，暴雨中心區陜西佳縣和山西臨縣24h降雨量超過200mm，黃河吳堡站形成10600 m3／s的大洪水。

該區域地處黃土高原，其土層深厚，土質疏松，地形破碎，植被覆蓋差，暴雨集中且雨量大，為輸送大量泥沙提供了有利條件。同時該區域土地開發歷史悠久，人類活動頻繁，影響深遠，森林植被覆蓋率不斷降低，水土流失嚴重，增加了該區域對黃河泥沙的貢獻率。黃河晉陜峽谷段匯入較大支流30條，呈樹枝狀水系網。由于支流大量泥沙特別是粗泥沙的加入，使得黃河泥沙顆粒組成在該區間發生了較大變化。該區間既是黃河洪水的三大來源區之一，也是黃河泥沙特別是粗泥沙最主要的來源區，區間匯入的水量占黃河水量的42.5%，增加沙量占整個黃河沙量的92%［28－29］。

2 研究剖面與研究方法

2.1 研究剖面

通過對黃河中游吳堡—龍門峽谷段野外考察，發現了多個含有全新世古洪水滯流沉積層的沿河地點。這些古洪水滯流沉積層多形成在支流溝口的回水灣內部，巖豁內的巖棚之下，夾在坡積石渣土或者土壤層之中。本研究選擇平渡關（PDG）開展古洪水沉積學研究。該地點位于黃河東岸山西省大寧縣平渡關村下游3km處一無名溝口的巖棚之下，全新世古洪水滯流沉積物剖面出露完整，未經人類擾動。其頂層由現代表土覆蓋，各古洪水滯流沉積層之間均被薄層坡積石渣土層分隔開來。由于受到微地貌的影響，呈現出清晰的平行狀層理，沿坡向上逐漸尖滅。依據古洪水滯流沉積物判別標準［29］，即沉積物的質地、顏色、結構和構造，與其它沉積物的關系等，從剖面中準確鑒別出4層古洪水滯流沉積物（SWD1—4）。它們由古洪水在溝口內回水滯流情況之下沉積，每個單層厚度介于10～90cm，為濁黃橙色，致密塊狀構造，下部含有較多細沙，清晰地顯示出沉積過程當中的分選特征，故而各層之間沿層界橫向裂開，且在各層界均有厚度約10～20cm的坡積石渣土夾層，向坡下方向尖滅。這充分表明兩個洪水事件之間有一定的時間間隔，整個剖面記錄了4次古洪水事件。剖面頂部海拔高程498.5m，高于河流平水位14.5m。通過野外宏觀形態特征的觀察，結合土壤學、地層學和沉積學方法，對該剖面進行了地層劃分和描述（表1），并且自下而上在各古洪水滯流沉積層采取樣品以備沉積學分析。為了更好地說明黃河平渡關段全新世古洪水滯流沉積物的沉積學特征，選擇陜西省白水縣堯和村典型全新世黃土—古土壤剖面［25］進行對比研究。

表1 黃河晉陜峽谷大寧縣平渡關全新世古洪水滯流沉積物剖面地層劃分及描述

2.2 研究方法

為了確保試驗結果能夠真實反映每次洪水滯流沉積物所代表的水文泥沙特征，對于采集的洪水滯流沉積物樣品，在實驗室內首先刮去表層，在塊體內部均勻取樣分析測試。分別進行了磁化率、粒度、燒失量和碳酸鈣等指標的測定。磁化率采用英國Bartington公司生產的MS－2型磁化率儀測定，測量精度為0.1。沉積物粒度測定流程為先用10%的H2O2和10%HCl去除有機質和次生碳酸鹽，然后采用美國Beckman Coulter公司生產的LS系列激光粒度儀測量。燒失量測定采用燃燒失重法，將研磨后粒徑＜0.074mm的干燥樣品置于馬弗爐中，在550℃灼燒4h，冷卻稱量，計算求得土樣損失率。CaCO3含量采用荷蘭Eijkelkamp公司生產的08.53型碳酸鈣測定儀測定。

3 結果分析

3.1 磁化率、燒失量和CaCO3含量分析

磁化率、燒失量和CaCO3含量這3種指標是研究黃土高原地區成壤和環境變化的重要代用指標［29－30］。由表2可知，黃河 PDG 剖面4層古洪水SWD的磁化率介于3.85×10－7～5.47×10－7m3／kg，均值為4.46×10－7m3／kg；而白水黃土臺塬全新世古土壤與黃土的磁化率值顯著高于古洪水SWD，其中古土壤磁化率值高達1.60×10－6m3／kg。這說明古洪水SWD中鐵磁性礦物含量明顯低于黃土和古土壤，而與黃土高原典型黃土剖面中的全新世馬蘭黃土L1較為接近。顯然，這是河流作用后的新鮮沉積物。尤其是它們作為懸移質泥沙，在洪水水流當中，經侵蝕、搬運、分選后，其中的礦物成分得到充分混合。古洪水SWD燒失量介于1.03%～2.22%，平均值為1.71%，但仍低于古土壤和黃土，這同樣說明沉積物形成后很少受風化成壤作用改造。PDG剖面4層古洪水SWD的CaCO3含量介于7.32%～10.54%，平均值為8.8%；古土壤和黃土的CaCO3含量分別為4.06%和14.23%；可見古洪水SWD的CaCO3含量介于古土壤和黃土之間。這可能是由于白水縣黃土臺塬剖面地處黃土高原東南部的關中盆地，其全新世沙塵暴堆積物受到次生風化成壤影響深刻，古土壤中碳酸鈣淋溶強烈，使得古土壤中碳酸鈣含量較低。

3.2 粒度成分分析

粒度成分是反映沉積物性質、來源、搬運動力和沉積環境最有效的手段之一［31］。由表3可知，黃河PDG剖面4層古洪水SWD粒度成分有所不同，其中SWD1—2顆粒以粉沙（2～63μm）為主，其含量分別為53.92%和63.63%；其次為細沙粒（63～125μm），其含量分別為26.91%和20.75%；黏粒（＜2μm）含量最少，分別為3.68%和4.53%；SWD3和SWD4則分別以細沙（63～125μm）和中沙（125～1000 μm）為主，其值分別為44.08%和70.18%，其次為粉沙，其含量分別為34.22%和16.88%。據土壤學分級標準作出粒度成分三角圖，是以沉積物黏土（＜5μm）、粉沙（5～50μm）、沙（＞50μm）含量為指標繪制的圖形，常用于對沉積物粒度成分的命名，或對不同沉積物的粒度成分進行比較（圖1），在黃河PDG剖面中，古洪水SWD1—2為細沙質粉沙，古洪水SWD3為細沙，古洪水SWD4為中沙。這與黃河晉陜峽谷馬頭關段佛堂村溝（FTC）地點、壺口段馬糞灘（MFT）和馮家集（FJJ）地點、禹門口段鄉韓橋（XHQ）地點［15，23－25］類似，其全新世古洪水滯流沉積物是以細沙質粉沙和粉沙質細沙為主。這是因為發生在晉陜峽谷的大洪水，主要是由發生在晉陜蒙三角地帶的暴雨形成，而這里也正是黃河粗泥沙的主要來源地［27－28］。而北洛河、湋水河、涇河、渭河、漆水河全新世古洪水SWD則相對較細，以粉沙、黏土質粉和粉沙質亞黏土為主［10－14，18－22］。因為這些河流流域內大面積被黃土覆蓋，河流懸移質泥沙主要是黃土地區水土流失的產物。

表2 黃河中游平渡關全新世古洪水滯流沉積物磁化率、碳酸鈣和燒失量及其與黃土古土壤的對比

圖1 平渡關全新世古洪水滯流沉積物粒度成分圖式

表3 黃河中游平渡關全新世古洪水滯流沉積物與白水縣黃土臺塬黃土－古土壤粒度特征值對比

3.3 粒度自然分布頻率分析

沉積物粒度自然分布頻率曲線可以直觀地反映沉積物樣品的性質、成因和物源等。由圖2所示，PDG剖面4層古洪水SWD曲線都呈單峰且很尖銳。其中古洪水SWD1—2曲線的主峰出現在粗粉沙段（16～63μm），峰值分別為43.70和57.77μm，SWD3曲線的主峰出現在細沙段（63～125μm），峰值為76.42 μm，而SWD4曲線的主峰則出現在中沙段（125～1000 μm），峰值為373.14μm。

圖2 黃河晉陜峽谷平渡關全新世古洪水滯流沉積物粒度分布頻率曲線

粒度參數可以進一步解釋上述曲線特征。由表3可以看出，PDG剖面古洪水SWD1—2的中值粒徑（Md）和平均粒徑（Mz）都在46～64μm之間變化，主要是粉沙，SWD1—2的中值粒徑（Md）和平均粒徑（Mz）都較大，主要是細沙和中沙；黃土和古土壤的中值粒徑（Md）和平均粒徑（Mz）均很小，屬于細粉沙。可見古洪水SWD的顆粒總體上比黃土和古土壤粗。平渡關（PDG）剖面古洪水滯流沉積物的標準偏差在1.21～1.78，分選系數在0.58～1.12，表明其分選較好。總體來看，黃土和古土壤的分選性要比古洪水SWD差。偏度（SK）表示沉積物粗細分布的對稱程度，古洪水滯流層的偏度（SK）分別為0.52（SWD4）和0.31（SWD3），偏態表現為極正偏，0.28（SWD2）和0.29（SWD1），同古土壤和黃土一樣，偏態表現為正偏。峰態是衡量頻率曲線尖峰凸起程度的參數，SWD1和SWD4的峰度分別為1.50和1.16，為尖銳，SWD2和SWD3的峰度分別為1.73和1.75，為很尖銳，古土壤和黃土的峰態為中等。古洪水滯流沉積物與黃土堆積物在粒度成分上的明顯差異是其搬運介質和搬運動力的不同造成的。古洪水滯流沉積物是洪水水流當中的懸移質和躍移質沉積形成，黃土是沙塵暴過程當中的懸移質沉積形成。晉陜峽谷黃河特大洪水的搬運動力遠大于沙塵暴，因而，黃土的性質為粉沙，而黃河晉陜峽谷洪水SWD的性質為細沙質粉沙、細沙甚至中沙。粒度參數與粒度分布頻率曲線特征一致，表明黃河平渡關（PDG）剖面中的古洪水滯流沉積物形成在高水位回水灣內，水流流速緩慢，所以懸移質泥沙和躍移質逐漸沉積，故分選性很好，粒度分布曲線上主峰高而且狹窄。

3.4 粒度成分概率累積分析與CM圖式

粒度成分概率累積曲線能夠有效地區分流水沉積物當中的推移質、躍移質和懸移質組分［31］。圖3為黃河晉陜峽谷PDG地點大洪水滯流沉積物粒度概率累積曲線圖。如圖3所示，4層古洪水SWD概率累積曲線都呈現明顯的兩段式，截點在2～5φ附近，下段斜率大，上段斜率小，表明其主要由躍移質和懸移質成分組成。躍移質粒級分布在1～5φ范圍內，含量為約50%，由中沙和細沙組成，線段斜率大，分選較好；懸移質粒級范圍為3～9φ，由粉沙和黏土組成，含量占40%～50%。可以看出，主要來源于黃河中游黃土地區和晉陜蒙三角地區風沙帶的黃河洪水，其攜帶的躍移質和懸移質泥沙，是流域內黃土區和風沙區水土流失物質的混合物。

CM圖式反映了沉積物粒度分布總體特征，間接地指示了沉積環境。圖4為黃河中游PDG剖面全新世古洪水滯流沉積物CM圖，根據Passega等［32］的研究成果，即將CM圖分為9個區，每個區代表不同的沉積環境。從圖4可知，黃河PDG古洪水滯流沉積物投影在CM 圖的Ⅰ區（SWD4）和Ⅵ（SWD1—3）區，即除SWD1—3為懸浮沉積環境。SWD4為滾動顆粒，缺乏懸浮沉積物，與其它層不同。這一方面與CM圖的9區劃分為統計界線劃分有關，另一方面說明4次古洪水的含沙量及水動力是有差異的，體現了古洪水SWD沉積環境的多樣性和復雜性。

圖3 黃河中游平渡關全新世古洪水滯流沉積物粒度概率累積分布曲線

圖4 黃河中游平渡關全新世古洪水滯流沉積物CM圖式

4 結論

全新世古洪水SWD是河流洪水泥沙及其搬運動力狀況演變的地質記錄。通過野外實地考察，根據古洪水SWD的野外宏觀沉積學特征，在黃河晉陜峽谷大寧縣平渡關地點一無名溝口巖棚之下發現了4層古洪水SWD，它們呈濁黃橙色，質地均勻，塊狀構造，平行狀層理，各層之間均被薄層坡積石渣土所分隔開來，表明每一層古洪水滯流沉積物記錄了一次特大洪水事件。

從磁化率、燒失量、CaCO3含量指標分析來看，這些古洪水滯流沉積物與古土壤和黃土有著顯著的差異，古洪水所攜帶躍移質和懸移質泥沙為黃土高原北部沙質黃土地區和晉陜蒙三角風沙區水土流失物質的混合物。從粒度分析來看，平渡關（PDG）剖面四層古洪水滯流沉積物為別為細沙質粉沙、細沙和中沙。與渭河流域古洪水SWD相比，其中沙和細沙顆粒含量較多，但其粒級分布集中，分選較好，是典型的古洪水懸移質沉積物。粒度概率累積分布曲線和CM圖式表明PDG剖面4層古洪水滯流沉積物中不僅含有懸移組分，同時存在有躍移組分，其沉積環境主要為均勻懸浮出現的滯流環境，說明4次古洪水的含沙量及水動力狀況是有一定差異的。總體上說，黃河晉陜峽谷平渡關地點古洪水滯流沉積物是流域內黃土區和風沙區水土流失物質的混合物，在高水位滯流環境下沉積的產物，記錄了黃河晉陜峽谷段發生在全新世時期的4次特大古洪水事件。

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