黃河蘭州段2018年汛期沉積物的磁學特征研究：對古洪水重建的啟示

劉昌， 徐海偉， 劉成英

蘭州大學地質科學與礦產(chǎn)資源學院， 甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點實驗室， 蘭州 730000

0 引言

中國屬世界上洪災最頻繁的國家之列，洪災是我國主要的自然災害之一(張行南等，2000；黃大鵬等，2007).黃河流域是我國文明的發(fā)源地，自人類出現(xiàn)后，經(jīng)歷了六次較大的改道或遷移；截至1949年，黃河溢決總次數(shù)超過1500次(陳進和王健，2002).近年來，黃河洪水頻發(fā).以2018年為例，黃河共出現(xiàn)三次編號洪水，上游甘肅、寧夏、內蒙古河段持續(xù)出現(xiàn)60多天較大流量(水利部信息中心，2019).因此，研究黃河流域洪水發(fā)生的規(guī)律和機制，預測未來洪水趨勢是關乎國計民生的重要科學問題.

通過洪水標志建立古洪水演化序列，是洪水預報的重要內容之一(Knox，1993；李長安等，2009；Wang et al.，2011；吳紫陽等，2017；Peng et al.，2020； Feinberg et al.，2020).研究洪水標志的載體有多種，如石筍(Feinberg et al.，2020)、水下三角洲沉積(Wang et al.，2011)等，最常見亦最常用的是陸地洪水平流沉積物(楊曉燕等，2005；張玉芬等，2004,2009；李長安等，2009；Huang et al.，2010,2011,2012；Peng et al.，2020).洪水平流沉積通常指洪水溢出主河槽后沿河谷兩側適當?shù)匦危魉袤E減、挾沙能力減弱而形成的沉積物(楊曉燕，2005；Huang et al.，2010).洪水平流沉積物作為大洪水事件的信息載體和沉積物記錄，其成分和性質與上游流域地表物質組成、降雨區(qū)域范圍及洪水來源、洪水含沙量、水位和流量有密切的聯(lián)系，對理解大洪水所攜泥沙的水文特征及其搬運、分選、沉積過程具有重要意義(Haritashya et al.，2010；張玉柱等，2012；李曉剛和黃春長，2014).近年來，研究者利用洪水平流沉積物的沉積特征嘗試重建了黃河流域、長江流域、淮河流域的古洪水歷史(Yang et al.，2000；張玉芬等，2009；Wang et al.，2011；Huang et al.，2012；Zhang et al.，2013；Mao et al.，2016；Wu et al.，2017；Zheng et al.，2019；熊智秋等，2020).如Huang 等(2011)在黃河中游漆水河河谷平流沉積物地層中識別出了距今4000～4300年和3000～3200年前的兩次大洪水期，與氣候變化密切關聯(lián).

目前現(xiàn)代洪水研究多集中于長江流域(李長安等，2009；郭永強等，2014；Niroomandi et al.，2018；周慧等，2020)，對黃河流域的相關研究較為薄弱(李曉剛和黃春長，2015)，缺乏對黃河上游現(xiàn)代洪水沉積物沉積特征的研究.本研究擬通過對黃河上游蘭州段2018年汛期洪水沉積物的系統(tǒng)磁學分析，厘清其磁學特征，建立有效識別洪水事件的磁學指標，以期對古洪水重建提供參考.

1 區(qū)域背景與研究材料

黃河干流河道全長5464 km，是中國的第二長河，流域面積達75.2萬km2，從西到東橫跨青藏高原、內蒙古高原、黃土高原和黃淮平原.黃河源頭至內蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)為黃河上游，河口鎮(zhèn)至河南鄭州桃花峪為中游，以下至入海口為下游.黃河上游大部分位于青藏高原東北側和西北干旱半干旱區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，大陸性氣候明顯，年均溫5.0～9.7 ℃，年降水量370～600 mm，降水主要集中于7—9月，汛期輸水量占全年60%～70 %(胡貴明等，2015).

2018年汛期，黃河流域暴雨過程頻繁，共發(fā)生三次編號洪水(水利部信息中心，2019).7月8日黃河上游唐乃亥水文站(青海興海)流量漲至2500 m3·s-1；洪峰流量為3440 m3·s-1(7月10日)；為一號洪水(水利部信息中心，2019).7月23日受劉家峽—蘭州區(qū)間強降雨影響，蘭州水文站洪峰流量達3610 m3·s-1，超警戒流量(3000 m3·s-1)形成黃河二號洪水(水利部信息中心等，2019；魏軍等，2019；圖9d).受黃河源區(qū)持續(xù)降雨及龍羊峽—蘭州區(qū)間降雨影響，9月20日蘭州水文站流量漲至3200 m3·s-1，超警戒流量形成黃河三號洪水，26日達洪峰流量3590 m3·s-1(水利部信息中心，2019，圖9d).蘭州體育公園處河岸在2018年汛期前是開放的河岸，汛期期間關閉，汛期結束后又重新開放.開放后發(fā)現(xiàn)汛期洪水在體育公園原水平河岸上形成了高約1.1 m的天然堤(圖1).

次年三月對蘭州體育公園該天然堤沉積物進行了系統(tǒng)采樣.蘭州(LZ)剖面沉積物以含泥細粉砂為主，采樣厚度為110 cm(圖1).采樣時先清理水平面，再用磁羅盤在水平面上定出地理北方向，最后用無磁塑料盒(2×2×2 cm3)垂直扣取樣品并標識北向和頂面.從頂?shù)降滓? cm間隔垂直采樣，共采集定向樣品55個以及一套同深度平行散樣用以巖石磁學實驗等.

圖1 采樣剖面的地理位置和實景圖片.采樣剖面位于黃河上游(a)，蘭州段黃河南岸(b).2018年洪水沉積物在該處形成了近東西向的天然堤(c)，附近有蘭鐵泵站黃河水位標志(d)以及采樣剖面實景照片(e)Fig.1 Geographic location of the sample locality relative to Yellow River and profile photos(a，b)Geographic location of the sample locality relative to Yellow River. (c，e)Photos of the sample levee；(d)Lantie pumping station showing the mark of water level

2 實驗方法

磁化率有關的參數(shù)使用捷克AGICO公司生產(chǎn)的多功能卡帕橋(MFK1-FA)磁化率儀測量.其中，典型樣品的磁化率隨溫度曲線(-T)利用MFK1-FA及配套的高溫加熱系統(tǒng)，在氬氣環(huán)境下加熱至700 ℃并冷卻至室溫過程中測量，使用磁場頻率為976 Hz，大小為200 A·m-1. 磁化率各向異性(AMS)測量時的磁場頻率為976 Hz，大小為200 A·m-1. AMS通常用磁化率橢球表示，橢球體的三個主軸即最大軸、中間軸和最小軸分別記為K1、K2和K3，計算磁各向異性度(P=K1/K3；Nagata，1961)、磁線理(L=K1/K2；Balsley and Buddington，1960)、磁面理(F=K2/K3；Stacey et al.，1960)以及形狀因子(T=(2K2-K1-K3)/(K1-K3)；Jelinek，1981)等參數(shù).測量頻率磁化率時，使用的低頻磁場頻率為976 Hz()，高頻磁場為15126 Hz(hf)，大小均為200 A·m-1.計算頻率磁化率的絕對值(fd=-hf)，及相對值(fd%=(-hf)/×100%).

樣品的各種剩磁，包括天然剩磁(NRM)、等溫剩磁(IRM)以及非磁滯剩磁(ARM)，均使用零磁屏蔽空間內的2G-760低溫超導磁力儀測量獲得.測量IRM時，利用脈沖磁力儀依次獲得正向1000 mT、反向100 mT及反向300 mT的IRM后，使用2G760測量獲得三個外場下的等溫剩磁(分別記為SIRM、IRM-100 mT及IRM-300 mT)，并計算出S-ratio(S-ratio=-IRM-300 mT/SIRM；King and Channell，1991)、L-ratio(L-ratio=(SIRM+IRM-300 mT)/(SIRM+IRM-100 mT)；Liu et al.，2007)以及HIRM(HIRM=(SIRM+IRM-300 mT)/2；Thompson and Oldfield，1986).非磁滯剩磁是在最高為100 mT的逐漸衰減的交流場中加0.05 mT的直流場后測量獲得，將ARM用直流場大小及質量歸一化可獲得非磁滯磁化率ARM.

典型樣品的磁滯特征利用美國普林斯頓儀器公司生產(chǎn)的振動樣品磁力儀(MicroMag VSM 3900)測量；包括磁滯回線、IRM獲得曲線、反向場退磁曲線和一階反轉曲線(first order reversal curve，F(xiàn)ORC)．測量磁滯回線時外場變化范圍為-1.0～1.0 T，從磁滯回線上可以獲得矯頑力Bc、飽和磁化強度Ms以及飽和剩余磁化強度Mrs參數(shù)．IRM獲得曲線的最大場為1.5 T，反向場退磁至約-400 mT，獲得剩磁矯頑力Bcr參數(shù)．對IRM獲得曲線進行了矯頑力分析(Kruiver et al.，2001).利用FORCinel軟件處理FORC數(shù)據(jù)并成圖(Harrison and Feinberg，2008).本研究所有磁學實驗均在中國科學院地質與地球物理研究所古地磁與年代學實驗室完成.

圖2 蘭州剖面代表樣品的磁化率隨溫度變化曲線箭頭及黑色實線(灰色)指示加熱(冷卻)過程，0/c表示加熱前/冷卻后樣品的室溫磁化率，單位為10-8m3·kg-1Fig.2 Representative temperature-dependent magnetic susceptibility curves，arrow/black (gray) curve indicates the heating (cooling) runs，0/c represent room-temperature magnetic susceptibility before/after heating-cooling runs in 10-8m3·kg-1

3 實驗結果

3.1 磁化率隨溫度變化(-T)曲線

磁化率能夠反映磁性礦物的類型、粒徑和含量等信息，因此可利用磁化率隨溫度變化的特征識別樣品中磁性礦物的種類和粒度分布(Dunlop and ?zdemir，1997；Deng et al.，2001,2006；Liu et al.，2005).剖面上不同深度的代表性樣品的加熱曲線(圖2)顯示，樣品磁化率約為585 ℃(即磁鐵礦的居里溫度)出現(xiàn)急劇降低(Dunlop and ?zdemir，1997)，指示樣品中均含有磁鐵礦.加熱冷卻后，樣品的磁化率在約580 ℃后明顯增高，冷卻至室溫后的磁化率比加熱前增強了4～11倍，可能由含鐵的黏土礦物或硅酸鹽礦物在加熱過程中生成強磁性礦物(磁鐵礦)的不可逆反應引起(Deng et al.，2001；Liu et al.，2005).

3.2 磁化率各向異性(AMS)結果

磁化率各向異性(AMS)可反映巖石和沉積物中磁性礦物定向排列特征，這些特征與地質過程密切相關(Hrouda，1982；Tarling and Hrouda，1993；潘永信和朱日祥，1998；Zhu et al.，2004；張淑偉等，2017).蘭州2018年洪水沉積物剖面的磁化率各向異性結果顯示兩階段特征.剖面上部(0～64 cm)的磁化率最大軸偏角(K1-Dec)在上半平面隨機分布(358.7°±46.4°)，K1傾角(K1-Inc)的平均值為43.2°±8.1°(圖3a)；磁化率最小軸(K3)的偏角(K3-Dec)和傾角(K3-Inc)方向均比較集中，K3-Inc的統(tǒng)計平均方向為46.8°±6.9°(n=32).剖面下部(66～110 cm)的K1-Dec顯示出優(yōu)選方向，集中在22.8°附近(±10.3°)，K1-Inc的平均值為37.2°±7.0°(圖3b)，K3-Inc方向也相對集中，其統(tǒng)計平均方向為52.2°±5.1°(n=23；圖3b).剖面上部樣品的AMS橢球體的形狀因子T的平均值(0.627)略大于下部(0.427)，磁各向異性度P差別不大(分別為1.058和1.063).所有樣品均落在L=F對角線的下方(圖3c)，0

圖3 蘭州剖面的磁化率各向異性(AMS)結果(a) 剖面上部(0～64 cm)和(b)下部(66～110 cm)磁化率最大軸(K1)和最小軸(K3)的等面積投影圖(下半球投影)及統(tǒng)計平均方向.其中白色正方形(圓圈)及橢圓分別代表K1(K3)的平均方向和95%置信區(qū)間.(c) 磁線理(L)與磁面理(F)關系圖以及(d)形狀因子(T)與各向異性度(P)關系圖Fig.3 Results of anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) measurement from Lanzhou 2018 flood sediments(a，b) Equal-area projections of the maximum (K1) and minimum (K3) principal susceptibility from 0～64 cm (a) and 66～110 cm (b). The white square (circle) and ellipse indicates the statistic mean direction of K1 (K3) and its 95% confidence level. (c) L-F and (d) P-T diagrams.

3.3 環(huán)境磁學參數(shù)隨深度的變化

指示磁性礦物種類的參數(shù)S-ratio在0.67～0.79之間變化，均值為0.74±0.02(圖4f).以低矯頑力礦物(磁鐵礦)主導的沉積物的S-ratio值一般高于0.8(Liu et al.，2012)，因此，蘭州剖面2018年洪水沉積物的S-ratio比值指示沉積物中高、低矯頑力磁性礦物混合的特征(Evans and Heller，2003；Liu et al.，2007,2012).L-ratio的變化區(qū)間為1.25～1.29；在深度上未顯示明顯變化，均值為1.27±0.01(圖4g).

磁學參數(shù)的相關性分析顯示，蘭州剖面2018年洪水沉積物的SIRM、HIRM與呈線性正相關，直線的擬合置信度R2>0.94(圖5a).fd、ARM與(SIRM)在整個剖面上均呈正相關關系，但上部和下部具有不同的規(guī)律(圖5b—d).磁學粒度參數(shù)(ARM/和ARM/SIRM)與在剖面上顯示為復雜的負相關關系，剖面上部和下部的規(guī)律亦不相同(圖5e，f).

圖4 蘭州剖面環(huán)境磁學參數(shù)隨深度變化圖(a) 低頻磁化率()； (b) 飽和等溫剩磁(SIRM)； (c) 非磁滯剩磁(ARM)； (d) 頻率磁化率(fd)； (e) fd%； (f) S-ratio； (g) L-ratio； (h) ARM/SIRM； (i) ARM/和(j)天然剩磁強度(NRM)Fig.4 Magnetic parameters variation of Lanzhou profile(a) Low field magnetic susceptibility (); (b) Saturation isothermal remanent magnetization (SIRM); (c) Anhysteretic remanent magnetization (ARM); (d) Frequency-dependent magnetic susceptibility; (e) fd %; (f) S-ratio; (g) L-ratio; (h) ARM/SIRM; (i) ARM/; (j) Natural remnant magnetization(NRM).

天然剩磁強度(NRM)也顯示出兩階段變化(圖4j).蘭州剖面整體上NRM較弱，變化范圍為(2.2～23.9)×10-6Am2·kg-1.剖面上部(0～64 cm)的NRM強度(均值為(11.5±4.4)×10-6Am2·kg-1)高于下部(64～110 cm；均值為(6.0±2.4)×10-6Am2·kg-1).剖面上部的NRM相對強度(NRM/)亦高于下部，上部均值(0.29±0.09)，下部均值(0.13±0.05).此外，蘭州剖面上部樣品(0～64 cm)的NRM統(tǒng)計平均方向為：磁偏角(D)=0.2°，磁傾角(I)=-12.4°，統(tǒng)計精度k=17.7，α95=6.2°，n=32(圖6a)；下部樣品(64～110 cm)磁偏角(D)=351.5°，磁傾角(I)=-8.4°，統(tǒng)計精度k=4.0，α95=17.4°，n=23(圖6b).與現(xiàn)代地磁場在該地的方向(PEF，D=357.2°，I=59.2°)相比，磁偏角大致相當，但磁傾角相差近70°；說明其不能準確記錄地磁場方向(圖6).

3.4 等溫剩磁(IRM)獲得曲線及矯頑力分析結果

等溫剩磁(IRM)獲得曲線及反向場退磁曲線能夠提供樣品中矯頑力的分布信息，進而有助于判別沉積物中磁性礦物的類型(Kruiver et al.，2001；Deng et al.，2005).蘭州剖面典型樣品等溫剩磁均在100 mT下達到了最大磁化強度(1500 mT外場下的剩磁強度)約65%，在300 mT時獲得了～86%的最大磁化強度(圖7a)；說明樣品中剩磁信號主要來自低矯頑力磁性礦物的貢獻. IRM在1.5 T外場下仍顯示尚未達到飽和，說明樣品中還含有高矯頑力礦物(圖7a).對這些樣品的IRM獲得曲線進行矯頑力譜分析，結果顯示，IRM中存在兩種不同矯頑力磁性組分，其中，低矯頑力組分的中心矯頑力(B1/2)值在45.7～52.5 mT之間，平均值為(49.2±2.5)mT，對IRM的貢獻約為87%；高矯頑力組分的中心矯頑力(B1/2)值一般大于500 mT，平均值為(616.7±52.1)mT，對IRM的貢獻約為13%(表1；圖7b—g).

圖5 蘭州剖面磁學參數(shù)的相關變化圖(a) SIRM-; (b) ARM-; (c) HIRM-; (d) ARM-SIRM; (e) ARM/-; (f) ARM/SIRM-. 黑(灰)色直線(文字)分別為剖面上部、下部樣品磁學參數(shù)的直線擬合結果，R2表示直線對數(shù)據(jù)的擬合程度.Fig.5 The relationship of magnetic parameters(a) SIRM against ; (b) ARM against ; (c) HIRM against ; (d) ARM against SIRM; (e) ARM/ against and (f)ARM/SIRM against . The black (gray) square indicates data from the upper (lower) part of the Lanzhou profile. The R2 indicates the confidence of the linear fitting of the data.

圖6 (a)剖面上部(0～64 cm)和(b)下部(66～110 cm)天然剩磁(NRM)方向的等面積投影圖和統(tǒng)計結果黑色圓點和橢圓分別表示NRM的平均方向及其95%置信區(qū)間，黑色實心方塊指示現(xiàn)代地磁場(PEF)在采樣點處的方向，灰色實心/空心符號代表磁傾角為正/負.Fig.6 Equal-area projections and statistic of natural remanent magnetization (NRM) directions from 0～64 cm (a) and 66～110 cm (b)The black dot and ellipse indicate the statistic mean direction of NRM and its 95% confidence level，present Earth′s magnetic filed (PEF) at sample locality is indicated by black square， gray solid/open symbols represent downward/upward inclinations

3.5 磁滯回線與一階反轉曲線(FORC)

磁滯行為受控于磁性礦物的類型和粒度，因此可利用磁滯回線形態(tài)及其磁滯參數(shù)來判別樣品中磁性礦物的類型(Roberts et al.，1995；Tauxe et al.，1996).典型蘭州剖面樣品的磁滯回線在外場低于0.5 T時基本飽和(圖8a—f)，說明低矯頑力磁鐵礦主導了其磁滯特征.所有磁滯回線形狀均呈細腰狀，這種類型的磁滯回線是不同矯頑力組分的磁性礦物混合的結果(Tauxe et al.，1996).IRM矯頑力譜分析的結果顯示，高矯頑力磁性礦物組分的矯頑力大于500 mT(圖7，表1).磁鐵礦的矯頑力一般小于100 mT，因此，蘭州剖面中的高矯頑力組分最有可能是由反鐵磁性礦物赤鐵礦和針鐵礦攜帶(Dunlop and ?zdemir，1997).進一步對蘭州剖面上部和下部的代表樣品FORC曲線(圖8g，h)分析發(fā)現(xiàn)，剖面上部(圖8g)和下部(圖8h)樣品的等值線沿縱軸均出現(xiàn)大開口特征，說明剖面中均含有多疇(MD)顆粒；矯頑力主要分布范圍均小于60 mT，中心峰值約9 mT；進一步說明其FORC特征由低矯頑力的磁鐵礦主導(Roberts et al.，2000, 2014；秦華峰等，2008).值得注意的是，與剖面下部(圖8h)的樣品相比，剖面上部(圖8g)樣品的等值線更集中地在橫軸上分布，指示其細顆粒(單疇顆粒和假單疇顆粒)磁性礦物的含量更高(Roberts et al.，2000, 2014；秦華峰等，2008).

表1 蘭州2018年洪水沉積物剖面的等溫剩磁獲得曲線矯頑力譜分析結果Table 1 Values of midpoint B1/2 of the IRM components from 2018 Lanzhou flood sediments

4 討論

4.1 黃河上游(蘭州)現(xiàn)代(2018年)洪水沉積物的磁學特征

系統(tǒng)磁學分析揭示，蘭州2018年洪水沉積物剖面的樣品中既含低矯頑力的磁鐵礦，又含有高矯頑力的反鐵磁性礦物(赤鐵礦和針鐵礦).磁鐵礦的信息在磁化率隨溫度變化曲線(圖2)和FORC曲線(圖8g，h)中占主導，主要是由于磁鐵礦的磁化率和飽和磁化強度遠大于赤鐵礦/針鐵礦，分別是赤鐵礦/針鐵礦的上千倍和約200倍(Dunlop and ?zdemir，1997).赤鐵礦/針鐵礦與磁鐵礦共存的信息反映在S-ratio值(圖4f)、IRM獲得曲線(圖7a)、IRM矯頑力譜(圖7b—g)以及細腰形狀的磁滯回線(圖8a—f)中.

圖7 蘭州2018年洪水沉積物剖面代表樣品的等溫剩磁(IRM)獲得及反向場退磁曲線及其矯頑力分布譜(a)IRM獲得及反向場退磁曲線，(b—g)IRM獲得曲線的矯頑力譜分析結果Fig.7 Representative IRM acquisition and back field demagnetization curves (a) and decomposition of IRM components from 2018 Lanzhou flood sediments (b—g)

圖8 典型蘭州剖面2018年洪水沉積物樣品的磁滯回線和一階反轉曲線(FORC)(a—f)磁滯回線，黑色虛線/實線分別表示順磁校正(70%)前/后(g，h)FORC圖，平滑因子為5.Fig.8 Representative hysteresis loops and first order of reversal curve (FORCs)(a—f) Typical hysteresis loops，dashed/solid lines represent loops before/after 70% paramagnetic correction； (g，h) Typical FORC diagrams，smooth factor (SF)=5.

4.2 磁學參數(shù)對2018年洪水事件的響應及機制

蘭州剖面2018年洪水沉積物的磁化率各向異性(AMS)分析顯示出明顯的兩階段特征(圖3a，b)，剖面上部(0～64 cm)樣品的磁化率最大軸(K1)偏角(K1-Dec)在上半平面隨機分布，剖面下部(66～110 cm)樣品的K1偏角集中分布在22.8°附近.此外，剖面上部和下部樣品的K1傾角(K1-Inc)分布區(qū)間為37～42°，磁化率最小軸(K3)傾角(K3-Inc)集中分布在46～52°附近.沉積物的初始AMS特征主要受沉積時水動力和重力作用的控制，即主要受碎屑顆粒的大小、形狀、質量以及介質速度控制(Tarling and Hrouda，1993).地磁場對磁性礦物的作用力相對前兩者而言很弱，只能影響小(<1～2 μm)顆粒(Tarling and Hrouda，1993).水平面上靜水沉積物的AMS特征會顯示為K1傾角接近0°、K1偏角在水平面內隨機分布、K3傾角為90°的特征(Tarling and Hrouda，1993).蘭州剖面的2018年洪水沉積物是在該段黃河流量超過警戒流量，水位上升后在凹岸上滯留形成.蘭州剖面樣品的AMS特征，如K1傾角近40°，K3傾角約50°，反映了受到擾動沉積的特征，洪水溢出河槽漫溢至水平堤岸的沉積過程使K1傾角相對變大，K3傾角相對變小(Tarling and Hrouda，1993；Liu，2012).類似的特征也在江漢平原洪水沉積物(張玉芬等，2004)報道.但是，陽原泥河灣盆地臺兒溝東剖面的AMS研究顯示，水動力較小處的天然堤沉積物的K1、K3傾角分別為16.2°和67.1°，比水動力較大處沉積物(如分支河道、水下支流河道及河口沙壩)的K1傾角值更大，K3傾角值更小(董進等，2015).因此，難以從K1、K3傾角的大小判斷水動力強弱.值得注意的是，蘭州剖面AMS特征顯示，上部(0～64 cm)和下部(66～110 cm)K1偏角分布特征明顯不同(圖9e，f)，主要反映上、下部沉積物沉積時的水動力條件(方向)不同(Tarling and Hrouda，1993；Liu，2012).

2018年黃河共發(fā)生了三次編號洪水，其中，一號洪水(7月8—10日)在蘭州段黃河并未超出警戒流量(圖9d，水利部信息中心，2019)，不能在采樣點(蘭州市體育公園河堤)形成洪積物.二號(7月23日)和三號(9月20日—10月7日)洪水在蘭州段黃河均超過警戒流量(3000 m3·s-1)，同時水位上升(圖9d，水利部信息中心，2019)，在蘭州市體育公園河堤形成了天然堤.因此，蘭州剖面記錄的上部(0～64 cm)和下部(66～110 cm)不同的AMS特征分別對應了三號(9月20日—10月7日)和二號洪水(7月23日).二、三號編號洪水顯著的區(qū)別在于，二號洪水流量及水位呈陡漲陡落的尖峰態(tài)，持續(xù)的時間短(一天)；而三號洪水流量及水位增速相對呈平緩態(tài)，高水位和流量持續(xù)了兩周時間(圖9d；水利部信息中心，2019).這一特征是造成蘭州剖面不同AMS特征的主要原因.二號洪水(7月23日)持續(xù)時間短，相對水位上漲和降落梯度大，洪水溢出主河槽在河岸沉積時間短，沉積時的水動力作用相對較強，方向集中；因此造成蘭州剖面下部樣品的K1偏角集中，其平均方向(22.8°)可能反映了該沉積環(huán)境處水流的方向(Tarling and Hrouda，1993；劉青松，2012).三號洪水(9月20日—10月7日)持續(xù)時間較長，水位下降曲線相對緩，給洪水沉積物更充裕的沉積時間，因此，剖面上部的K1偏角在上半平面近隨機分布，其平均值(盡管誤差較大)大致與剖面下部的K1偏角平均方向相當，可能反映二、三號洪水期間采樣處大致相似的局部沉積環(huán)境水流方向.

此外，蘭州剖面上部的NRM高于下部(圖4j).沉積物中NRM主要受地磁場影響下的磁性顆粒的濃度和定向排列程度影響(Valet，2003). 在弱水動力或靜水沉積條件下，磁性顆粒會在沉降過程中沿當時地磁場方向排列并記錄穩(wěn)定的沉積剩磁(DRM).但是，DRM中廣泛存在磁傾角變淺的難題(Butler，1998).造成蘭州剖面NRM傾角明顯小于真實值的原因難以判斷，可能與沉積時水動力較強、磁性顆粒未能完全定向排列、樣品尚未經(jīng)過壓實、含水量高等因素造成有關(Tauxe，2005；Tauxe et al.，2008；Zhao and Roberts，2010)，有待進一步研究.蘭州剖面上部沉積物樣品NRM強度(相對強度NRM/)顯著高于下部(圖4j，圖9a)，可能與三號洪水持續(xù)時間較長，沉積時間更充裕使得磁性礦物的定向排列相對更充分有關.這一推斷得到了NRM平均方向結果的支持，上部樣品NRM方向平均值(D=0.2°，I=-12.4°，k=17.7，α95=6.2°，n=32)的k值明顯大于下部(D=351.5°，I=-8.4°，k=4.0，α95=17.4°，n=23)，α95小于下部，表明上部樣品的NRM方向相對定向性好于下部.說明洪水沉積物的天然剩磁強度(NRM)或相對強度(NRM/)有潛力成為指示洪水水動力條件(持續(xù)時間)的指標.

圖9 蘭州剖面2018年洪水沉積物的磁學參數(shù)與蘭州水文站2018年汛期水情變化對比(a—c) 磁學參數(shù)NRM/(a)，ARM/(b)以及ARM/SIRM(c)隨深度變化曲線； (d) 蘭州水文站2018年汛期流量(黑色)和水位(灰色)變化曲線(修改自水利部信息中心，2019)；黑色粗虛線指示黃河蘭州段的警戒流量為3000 m3·s-1，II和III指示二、三號編號洪水; (e，f) 剖面上部(e)和下部(f)磁化率各向異性(AMS)結果，其符號同圖3.Fig.9 Comparison of magnetic parameters with hydrological regime variation records during 2018 flood season (a—c) Depth-variations of NRM/ (a)，ARM/ (b) and ARM/SIRM (c); (d) The flow(black)and water level(gray)record from Lanzhou Hydrological Station (revised form Information Center of Ministry of Water Resources，2019). The black dash line indicates the warning flow flux (3000 m3·s-1)； (e，f) Equal-area projections of the AMS from upper (e) and lower (f) part of the profile，symbols as in Fig.3.

4.3 對古洪水重建的啟示

古洪水重建主要有兩類方法，一是利用文獻資料考證(陳進和王健，2002；王光朋等，2018)，存在時間上不連續(xù)、區(qū)域上系統(tǒng)性不足的難點(Wang et al.，2011).此外，還可以通過測定古洪水遺留的地質記錄(洪痕、平流沉積物、邊灘/壩沉積等)的各種指標、在準確定年的基礎上識別古洪水事件、探討與氣候變化、人類活動之間的關系(Zhu et al.，2005，2008；Wang et al.，2011；Huang et al.，2010,2011,2012；Feinberg et al.，2020；Peng et al.，2020).古洪水重建的代用指標大致可以分為三類，一是地層和沉積相分析，如粒度曲線、端元分析、孢粉分析、重砂礦物成分形態(tài)、鋯石微形態(tài)等(袁寶印等，2002；楊曉燕等，2005；Zhu et al.，2005,2008；Huang et al.，2011；Peng et al.，2020).二是測量各種物理參數(shù)，主要是磁學參數(shù)，如磁化率、磁化率各向異性等(楊曉燕等，2005；張玉芬等，2009；Peng et al.，2020).三是利用地球化學指標，如Rb/Sr、Hg和TOC等(Zhu et al.，2005,2008；Huang et al.，2010,2012).利用單一指標一般難以準確識別古洪水事件，經(jīng)常采用多指標相互印證.在這些定量指標中，磁學指標具有測量方便、簡單、快速、測試費用低廉、可重復性強，大部分室溫測試對樣品無破壞性等獨特優(yōu)勢(Evans and Heller，2003；劉青松和鄧成龍，2009).其中，磁化率是磁性礦物的種類、含量、粒徑變化的綜合反映，是應用最為廣泛的磁學指標；在古大洪水期一般表現(xiàn)為磁化率低值(Zhu et al.，2005,2008；Huang et al.，2011).利用磁化率各向異性(AMS)開展古洪水重建的研究相對較少，但顯示出巨大潛力.如張玉芬等(2009)利用由現(xiàn)代洪水沉積所建立的洪泛沉積物磁組構參數(shù)標志對江漢平原全新世以來的古洪水事件進行了初步研究.本文通過對黃河上游(蘭州段)現(xiàn)代(2018年)洪水沉積物的系統(tǒng)磁學研究，進一步證實磁化率各向異性特征，特別是磁化率最大軸的偏角分布特征能夠識別不同水動力條件(持續(xù)時間)的洪水期次.此外，其余磁學參數(shù)，如指示磁性礦物粒徑的指標(ARM/和ARM/SIRM)和天然剩磁強度(相對強度)均能夠指示不同水動力條件(持續(xù)時間)的洪水期次，值得在今后的古洪水重建研究中實踐.

5 結論

通過對蘭州黃河2018年洪水沉積物的系統(tǒng)磁學研究揭示，2018年黃河蘭州段沉積物中主要載磁礦物為磁鐵礦和高矯頑力的赤鐵礦/針鐵礦.通過AMS特征、ARM/和ARM/SIRM比值、以及NRM強度(相對強度NRM/)能夠區(qū)分蘭州剖面2018年洪水沉積物的下部、上部沉積物分別在二號和三號洪水期間形成.二、三號洪水不同的水動力條件和持續(xù)時間造成了蘭州剖面兩階段不同的磁學響應特征，表現(xiàn)為下部沉積物的AMS磁化率最大軸偏角(K1-Dec)集中分布、ARM/和ARM/SIRM比值相對較小、NRM強度(相對強度NRM/)較小；剖面上部沉積物的K1-Dec在上半平面內隨機分布、ARM/和ARM/SIRM比值相對較大、NRM強度(相對強度NRM/)較高的特征.揭示在水位快速升降的洪水(如二號洪水)期間形成的沉積物具有磁性礦物顆粒在水平面上定向排列、磁性礦物粒徑相對較粗、NRM強度(相對強度)較小的特點；在水位升降緩、持續(xù)時間較長的洪水(如三號洪水)期間形成的沉積物具有磁性礦物顆粒在水平面的定向排列差、磁性礦物粒徑相對較小、NRM強度(相對強度)較大的特點.因此，本研究揭示不同水動力條件和持續(xù)時間的洪水期形成的沉積物具有不同的磁學特征，能夠通過其AMS特征、ARM/和ARM/SIRM比值以及NRM強度(相對強度NRM/)等參數(shù)區(qū)分.

致謝匿名評審專家提出了建設性修改意見.鄧成龍研究員對本文提出了寶貴意見.賀陸勝和侯祎斐分別在采樣和實驗中提供了幫助.與鄭妍博士的討論使作者受益良多.在此一并致謝.