漢江上游尚家河段全新世古洪水事件光釋光測年研究①

馬玉改 黃春長 周亞利 龐獎勵 查小春 周 亮 張玉柱 劉建芳

(陜西師范大學旅游與環境學院 西安 710062)

古洪水滯流沉積物(SWD)作為古洪水事件的主要信息載體，在古洪水水文學研究當中受到重視。對于古洪水事件的斷代主要依賴于對古洪水SWD的年代測定。目前，確定古洪水SWD年代的方法主要有地層對比法、考古斷代法、放射性14C測年和光釋光(OSL)測年等［1，2］。雖然放射性14C 測年技術比較成熟，精度也比較高，但是在古洪水SWD及其相關地層剖面很難找到可用于測年的有機質材料。即使利用從土壤和沉積物當中提取的有機質進行14C測年，因其受到植物根系發育等影響，測年結果與樣品的沉積年齡有時相差也會很大［3］。而OSL測年技術已經被用于古洪水SWD及其相關的黃土古土壤地層剖面的測年，獲得了可靠的結果［4，5］。其中單片再生劑量法(SAR)在國內外應用最為廣泛［6］。

我們對漢江上游河谷進行了古洪水沉積學和水文學調查，在第一級階地的黃土—古土壤覆蓋層當中發現了古洪水SWD。通過深入觀察分析，系統地采取了沉積物樣品，進行OSL測年研究，在安康段立石村(LSC)發現了北宋時代后期的古洪水，鄖縣段前坊村(QFC)及遼瓦店(LWD)發現了東漢時期的古洪水，白河段焦家臺(JJTZ)、旬陽段新灘村(XTC)及鄖西段庹家灣(TJW)發現了全新世中期—晚期轉折階段(3 200～2 800 a B.P.)時期的古洪水［7～12］。這些研究成果為漢江上游全新世氣候水文事件的研究提供了可靠的測年數據。

1 研究地點及地層剖面

漢江全長1 577 km，流域面積為15.9×104km，是長江最長支流。漢江發源于陜西省寧強縣潘冢山，東南流經陜西，再注入湖北丹江口水庫，出庫向東南流，最終由武漢市匯入長江。主流丹江口以上為漢江上游，是我國南水北調工程中線的水源區，主流全長約925 km，集水面積為9.52×104km2，地處秦嶺以南的秦巴山地，河道多為蜿蜒曲折的峽谷，是有名的暴雨中心區(圖1)。漢江上游水系發達，為羽毛狀水系，植被覆蓋茂密，河谷階地有風成黃土覆蓋，低階地發育黃褐土類土壤，海拔較高的緩坡為棕壤。漢江上游流域屬于北亞熱帶的北部，處于東亞季風區，氣候溫暖濕潤，多年平均氣溫為14℃～16℃，降水量較豐沛，年平均降水量為800～1 200 mm。夏秋季受東南季風和西南季風影響，降水量年際變化較大，年內分配不均勻，汛期集中于6～10月，夏季會出現歷時短、強度大的暴雨，秋季則會出現全流域長時間的連陰雨，這些短時間高強度暴雨往往能夠引發造成較大的洪水事件［13］。漢江上游丹江口站多年平均流量為1 200 m3/s，年平均徑流總量為37.80×109m3，在1958年6月曾出現洪峰流量為61 000 m3/s的特大洪水，在1983年10月曾出現洪峰流量為34 200 m3/s的特大洪水。

圖1 漢江上游鄖西—鄖縣段水系圖及研究地點(SJH)位置圖Fig.1 Map of Yunxi-Yunxian reach in the upper Hanjiang River and the location of the study SJH site

我們對漢江上游進行詳細調查，在湖北鄖縣尚家河段漢江第一級階地前沿發現具有代表性的全新世黃土—古土壤剖面(圖2)。將地層剖面表層進行清除，露出新鮮原生沉積層位，采集10個沉積學樣品，用于粒度成分的測定。粒度分析采用美國Backman Coulter公司生產的LS系列激光粒度儀進行測定。對剖面(SJH)進行詳細觀察，對其性質特點做了細致的土壤學—沉積學描述(表1)。在該剖面發現在現代表土層(MS)與全新世晚期黃土層之間(L0)夾有一層厚度為20 cm的古洪水沉積物。從宏觀的沉積學特征來看，它具有河流古洪水滯流沉積物(SWD)的典型特征，由灰白色粉砂質細砂構成，質地均勻，松散，在剖面垂直方向上，其結構、構造、顏色和粒度成分發生突變，并且向著坡上方向尖滅。通過粒度成分分析測定，發現它主要由粉砂和細砂構成，沉積學分類確定為細砂質粉砂(圖3)。其粒度成分與漢江上游現代特大洪水 SWD性質完全相同。可以斷定這層沉積物為漢江上游古洪水 SWD［14］。它是漢江特大洪水溢出主河槽，在第一級階地前沿高水位滯流情況之下由懸移質泥沙沉積形成。

此外，在關鍵層位用直徑為5 cm不銹鋼鋼管在現代表土層(MS)下部古洪水SWD之上 、古洪水SWD中部、古洪水SWD之下全新世晚期黃土層(L0)的頂部及L0之下全新世中期古土壤層的頂部(S0上)分別采集了OSL測年樣品。

圖3 漢江上游鄖縣尚家河(SJH)剖面粒度分布頻率對比曲線Fig.3 The comparison of grain-size distribution in the SJH profile in the upper Hanjang River valley

2 OSL測年

2.1 樣品前處理

前處理的目的是獲取適合光釋光測年的石英顆粒。此過程是在暗室安全光源下進行。首先，剝去不銹鋼管兩端2 cm厚的見光部分，用于U、Th和K及含水量的測定，以確定樣品的年劑量;其次，將不銹鋼管中部未曝光的部分用10%HCl及30%H2O2分別浸泡，除去碳酸鹽類物質及有機質，并將樣品洗至中性;再次，用濕篩分法分離出90～125 μm的樣品，并37℃恒溫烘干。然后，將90～125 μm的樣品用37%的 HF溶蝕40 min左右，以除去長石顆粒，并加入10%的HCl除去溶蝕過程中產生的氟化物，以提純石英顆粒，再用清水洗致中性37°C恒溫烘干;最后，用紅外(IR)檢測樣品中長石顆粒的純度，制作樣片(測試樣片直徑大小采用9.8 mm)進行樣品等效劑量值(De)的測量。

表1 漢江上游尚家河(SJH)全新世剖面地層劃分及描述Table 1 Pedo-stratigraphic subdivision and descriptions of the SJH Holocene profile in the upper Hanjiang River valley

2.2 等效劑量(De)的測定

等效劑量(De)測試在陜西師范大學旅游與環境學院TL/OSL實驗室的全自動Ris? TL/OSL-DA-20釋光儀上完成。人工β輻射源為90Sr/90Y源。光釋光信號通過EMI 9235QB PMT進行檢測，濾光片為7.5 mm厚的Hoya U-340濾光片，藍光激發光源波長為470±20 nm，紅外激發光源波長為870±40 nm。

等效劑量(De)的測定采用Murray和Wintle提出的單片再生劑量法(SAR)［15］。此方法的優點在于，石英顆粒的感量變化可通過檢驗劑量的釋光信號進行校正。六個再生劑量包括一個零劑量和兩個重復劑量，其中零劑量用來檢測因頻繁加熱和輻照電子遷移情況，重復劑量用來檢驗感量變化是否校正成功.用校正后的光釋光信號與再生劑量作圖得到釋光信號的生長曲線(圖5)，將校正后的自然光釋光信號強度投影到生長曲線上，內插法得到樣品的De值。

2.3 劑量率(Dose-rate)的測定

劑量率主要與U、Th、K等放射性核素，宇宙射線產生的輻射以及樣品含水量等有關。本文樣品中U、Th、K含量的測定采用中子活化法在中國原子能研究院測定。宇宙射線與地理緯度、海拔高度等有關，主要根據 Prescott和 Hutton［16］提供的公式計算。由于樣品自埋藏之后，隨氣候的變化其含水量不斷變化，很難確定其精確值，需對此進行校正。因此，本文在測量樣品自然含水量的基礎上，參考前人關于土壤含水量的研究結果，進行了校正，其不確定度約為 10%［7，17］。最后利用 Aitken［18］提供的參數計算出劑量率。

3 研究結果

3.1 預熱溫度坪區檢驗和劑量恢復實驗

頻繁的激發和預熱可以使不易曬褪的陷獲電子發生熱轉移，使得OSL信號增強，因此得到的De值偏大。所以要進行預熱溫度坪區檢驗和劑量恢復(Dose-recovery)實驗。本文以古洪水沉積樣品SJH-1-2為代表性樣品，將預熱溫度坪區檢驗和劑量恢復(Dose-recovery)實驗設計為一個測試程序，進行測試條件的選擇。先將樣品徹底曬退，然后對所有測片輻照實驗室劑量9.62 Gy，選擇的預熱溫度(Preheat)范圍在 180℃ ～300℃，間隔 20°C進行預熱溫度坪區的檢驗。結果如圖(4)所示，樣品在180℃～300℃之間出現了良好的坪區，等效劑量在9.01～11.7 Gy之間變化。SJH-1-2的循環比(第五個再生劑量校正后的信號強度與第一個再生劑量校正后的信號強度的比值)在0.91～1.11之間變化，說明樣品的感量變化得到了很好的校正。樣品的回授(校正的0 Gy再生劑量的釋光信號與校正的自然釋光信號的比值)都在5%以下，說明樣品的回授效應對等效劑量測定影響不大，可以忽略不計。劑量恢復(Dose-recovery)實驗表明(圖4b)，在180℃～300℃之間，恢復的樣品等效劑量在9.01～11.7 Gy之間，Given/Measured比值介于0.91～0.99之間。由以上結果，本文選擇等效劑量的測試條件為預熱溫度(Preheat)220℃，檢驗劑量的預熱溫度(Cutheat)180℃。

3.2 等效劑量的測定

信號積分時間的區間選擇，一般是在250個通道中利用前5個通道信號(0～0.8 s)減去最后25個通道信號(36～40 s)的平均值［19］。但初始信號和背景信號的積分區間選擇不可避免的對De值的計算影響重大。基于此，本文中信號積分時間的區間選擇為，在250個通道中利用1～5的通道信號值(0～0.8 s)減去 6～10的通道信號值(0.9～1.6 s)，以便消除中速部分的影響。圖5標明了SJH-1-1、SJH-1-2和SJH-1-4的等效劑量值相對于感量校正后的自然釋光信號的離散圖、釋光衰退曲線及釋光生長曲線分布圖。從圖中可知樣品的等效劑量值離散度很大，這可能與樣品物源的復雜性及樣品埋藏前的曬退程度等有關［20］。樣品的離散度可以用相對標準偏差(RSD)表示，單片的等效劑量、自然光釋光和第一次再生劑量光釋光信號的離散度分別用RSDDe、RSDN-OSL和 RSDR-OSL表示。本文采用 Zhang et al.［21］的方法挑選出曬退較徹底的樣片的等效劑量值。通過對比自然光釋光信號與第一個再生光釋光信號的相對標準偏差大小，選擇出曬退比較徹底的樣片與曬退不徹底的樣片。曬退比較徹底的樣片的等效劑量的平均值則為樣品的等效劑量。SJH-1-1、SJH-1-2和SJH-1-4的等效劑量與感量校正后的自然光釋光信號相關性介于80%～92%之間，說明樣品曬退不徹底，不均一，樣品的年齡選擇虛線左邊(挑選后的曬退比較徹底的樣片)所有單片De值的平均值。此外，釋光衰退曲線的形狀可以用于判斷樣品埋藏之前的曬退情況。從圖5中可以看出，挑選出后的樣片，釋光信號衰退速率很快，快速部分占很大比例，說明沉積物沉積前曬退徹底。這些曬退比較徹底的樣片的平均值是比較接近樣品的真實埋藏劑量。最后，按照Aitken提供的年齡計算公式計算得出樣品的光釋光年齡結果(表2)。

4 討論

4.1 古洪水事件年齡的可靠性分析

漢江上游河谷SJH黃土—古土壤剖面測得的樣品光釋光(OSL)年齡值在 0.94±0.14～3.19±0.10 ka之間，數據不確定度為3%～15%。該剖面樣品的光釋光(OSL)年齡數據與地層順序一致，即下部地層老，上部地層新(圖6)。古洪水SWD上界的光釋光(OSL)斷代年齡為1 030±120 a，SJH-1-3取自于SWD底界，光釋光(OSL)斷代年齡為1 150±110 a，因此可界定SWD年代的下限，并且，古洪水SWD光釋光(OSL)斷代年齡為940±140 a。由此綜合考慮地層關系和OSL年齡值，可以確定古洪水SWD代表的特大古洪水事件，發生在1 000～900 a B.P.(AD 1 010～1 110)之間，相當于我國歷史上北宋/遼時期。另外，SJH剖面古洪水SWD層之下，即全新世晚期黃土層(L0)層位頂部，含有一些屬于唐宋時代的紅色、灰色陶片和瓦片等，也印證了光釋光(OSL)測年結果的可靠性［22］。

4.2 古洪水事件發生的氣候背景

全新世古水文學研究表明，古洪水事件多發生在全球性的氣候轉折期或氣候不穩定期［1，14］。漢江上游SJH剖面記錄的北宋/遼時期特大暴雨洪水事件，氣候發生突變，降水變率大，特大洪水事件與嚴重干旱事件同時發生。并且，漢江上游安康東段峽谷口的立石村(LSC)剖面也記錄了這次古洪水事件［9］。此外，漢江上游流域因受全球氣候變化和季風環流異常的影響，在2010～2011年既有嚴重干旱事件，導致丹江口水庫出現前所未有的極低水位，又有兩次特大洪水事件，洪峰流量分別達到21 700 m3/s、25 500 m3/s。這就更進一步證明了該論斷的正確性。漢江上游南部湖北神農架地區，多個洞穴石筍δ18O記錄AD 1 010～1 110期間季風強度變化大，降水變率大，氣候處于不穩定期，存在旱澇災害頻繁交替現象［23，24］。青藏高原中東部樹木年輪資料記載AD 1 010～1 110期間，氣候逐漸惡化并出現了突變［25］。中國古里雅冰芯序列記錄，11～12世紀期間處于氣候的干冷期［26］。歐洲阿爾卑斯山樹輪重建的夏季溫度在AD 1 030～1 120期間明顯偏低［27］。格陵蘭GISP2冰芯古氣候代用指標δ18O序列記錄AD 1 010～1 110期間，氣候溫暖濕潤但氣候波動強度大，并且AD 1 059前后，出現了大于50 a的強烈降溫階段［28］。西歐各地歷史氣候記錄推斷AD 1 090～1 179期間，氣候的寒冷程度類似小冰期［29］。由此可見漢江上游這次古洪水事件與季風環流強度的異常變化和氣候變率大等因素密切相關。綜合全球各地區及各種信息載體的高分辨率研究結果，我們可知在AD 1 010～1 110期間(北宋/遼時期)的氣候惡化時期，漢江上游河谷發生了特大暴雨洪水事件。通過采用古洪水水文學方法恢復推算出這次古洪水事件的洪峰流量為63 720 m3/s。

表2 漢江上游鄖縣尚家河(SJH)剖面樣品的OSL測年結果Table 2 OSL dating results of the sample from the SJH site in the upper Hanjiang River valley

圖5 等效劑量相對于感量校正后的自然光釋光信號分布圖和釋光衰退曲線(內插圖為釋光生長曲線)Fig.5 The distribution of Devalue versus corrected natural OSL and decay curves of OSL(The insets show the growth curve)

圖6 漢江上游尚家河(SJH)剖面光釋光年齡與深度關系曲線圖Fig.6 Date/depth curve of the SJH Holocene profile in the upper Hanjiang River valley

5 結論

古洪水滯流沉積物(SWD)作為古洪水事件的研究信息載體，有效的記錄了特大暴雨洪水事件。應用光釋光測年(OSL)技術中的單片再生劑量法(SAR)，對漢江上游SJH剖面進行了光釋光測年研究，結果表明古洪水滯流沉積物(SWD)代表的古洪水，發生在1 000～900 a B.P.(AD 1 010～1 110)之間，即北宋/遼時期，其洪峰流量可達63 720 m3/s。這個洪水期對應著全球氣候突變和轉折時期，氣候狀態不穩定、降水變率大，降水量年內分配不均，易發生暴雨洪水和干旱等事件。這個階段的特大古洪水事件與季風環流強度的異常變化和氣候變率大等因素密切相關。這對于深入揭示水文系統對于全球變化的響應規律，以及水資源和水能源開發利用等，都具有十分重要的科學意義。

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