渭河古洪水事件年代研究

渭河古洪水事件年代研究

河流停滞沉积（slack水域，以下简称swd）是河流在洪水过程中输送的悬浮质，在河流两岸达到最高水位后，被水库、支流河口和分支沟尾等罕见地形的保存下来的沉积物。古洪水事件是水文过程对气候极端事件的即时响应(BenitoGetal.,2003)。前人研究表明在5000~3000aB.P.前后,在全球范围内,是一个异常洪水事件多发的时期,在美国发生了异常洪水事件,欧洲的黑海和地中海海水突然上升,淹没了海边的城市(ElyLLetal.,1993;O’ConnorJEetal.,1994;KerrRA,1998,2000;RichardS,1999),在我国的河南、山东、长江中游以及太湖等地,也发现有古洪水事件的记录(夏正楷,2002;殷春敏等,2001;朱诚等,1996,1997;陈中原等,1997;YangDayuanetal.,2000;袁广阔,2003)。这些洪水滞流沉积物记录了古气候及其洪水沉积发生的大致时期、洪水来源、流水动力、最高水位以及最大径流量等洪水要素,指示了气候和环境的变迁,为计算古洪水事件和恢复古洪水水位、流量提供了依据。对古气候记录的研究是为预测未来的环境提供数据,为研究全球气候变化的原因、机制和效应提供可靠的基础,而预测末来气候和环境的演变趋势是全球变化研究的主要目的(夏正楷等,2003)。前人对渭河流域全新世古气候环境的变化研究认为,降水增多变率增大是频繁暴发洪水事件的主要原因(黄春长,1989,2003;查小春等,2005)。以往对古洪水滞流沉积物直接测年的研究比较欠缺,而难以确定古洪水事件发生的准确年代,这对于正确判定古洪水事件发生的气候环境背景、规律以及建立古洪水事件年代序列是一个关键的制约因素。基于古洪水SWD这一记录古气候信息载体,本文对渭河中游河段特大洪水滞流沉积物进行光释光(opticallystimulatedluminescence,简称OSL)测年研究,并着重探讨南寺村剖面沉积物中的铀系元素的迁移富集对光释光年龄的影响,同时讨论了渭河古洪水事件发生与全球气候变化背景的可能联系,建立了渭河全新世古洪水事件的年代序列。1测试剖面位置及资料采集发源于甘肃省渭源县鸟鼠山的渭河是黄河最大的支流,全长818km,总流域面积1.348×105km2。宝鸡林家村以上河段为上游,林家村至咸阳陇海铁路桥为中游,咸阳铁桥至河口为下游。渭河流域属于半干旱和半湿润大陆性季风气候,多年平均降雨量在600~700mm,降水量季节变化大,主要集中在7~10月,占年总量的60%以上。渭河流域水文特征是洪水暴涨暴跌,洪峰高,冲刷和挟沙能力强,含沙量大,中游河床比降小,泥沙淤积较严重。选择NSC剖面作为研究对象(图1),该剖面位于渭河一级阶地上,保存比较完整,海拔394m。野外宏观观察发现古洪水滞流沉积层被现代黄土层覆盖(图2),剖面底部为马兰黄土,未见底。古洪水滞流沉积层位于剖面95~110cm处,其特征为水平状或微波状层理的黏质土,呈浊红棕色粉沙互层,结构紧密,与黄土土壤有较清晰的界限。结合磁化率和粒度成分等气候替代性指标研究,对渭河NSC剖面作详细的描述并由上到下进行地层划分(表1)。将地层剖面清理出新鲜垂直面进行取样,从NSC剖面采集9件光释光样品。同时以每5cm的间距进行高密度的沉积学采样,共采集56件沉积样品,供测量磁化率和粒度。2学习方法2.1样品含量和测年方法在实验室安全红光下对样品进行前处理,削去样品PVC管两头2cm左右可能曝光的部分,用铝盒盛放,称湿重和烘干重,以便计算含水率和测定U、Th和K的含量;将中心未曝光部分用30%的H2O2和10%的HCl分别去除样品中的有机质和碳酸盐类物质,用蒸馏水洗至中性,然后分离出不同粒级的组分。因该剖面沉积物颗粒较粗,选择40~63μm的石英颗粒组分作为测年材料,在37℃烘箱里烘干后,取适量样品用氟硅酸浸蚀7~15天,再用20%的氢氟酸溶液刻蚀40分钟,以去除未溶蚀的长石组分,并用盐酸清洗样品以去掉其中的氟化物。将烘干样品过一次筛,确保所选石英的粒径范围在40~63μm之间。在测量等效剂量前,先通过IR检测提纯的石英颗粒纯度,如果样品中红外信号非常微弱达到本底值可以忽略,即可将样品用硅胶单层均匀粘贴在铝片中间,利用释光仪进行测量。2.2测量样品质量的确定样品的剂量率来源主要是石英、长石等晶体矿物埋藏于地表沉积期间,不断地受到环境中放射性核素U、Th、K、Rb等在衰变过程中放射出的α粒子及β、γ射线的作用,以及地质环境和样品本身的235U,238U,232Th以及它们的子体和40K的衰变,还有部分来自宇宙射线。样品的铀钍钾含量是通过中子活化法得到,宇宙射线对剂量率的贡献根据样品所在地点的经纬度、海拔高度、样品埋藏深度和沉积物的密度,通过辐射剂量之间的转换系数计算(PrescottJRetal.,994),样品的含水量是在实验室对干燥前后的样品称重获得。水成沉积物和黄土含水量是变化的,现在的测量值与当时的真实值肯定存在差异,故本研究的样品含水量人为引入误差值±10%。对40~63μm石英颗粒的a射线辐射效率值参照Lai等取η=0.035(LaiZhongping,2006,2007)。最后,根据样品中放射性元素含量和含水量,以及测量样品的颗粒大小等,按照有关转换参数(AdamiecGetal.,1998)求出样品的剂量率。将每个样品各制备12个样片,按照单片再生剂量法(SingleAliquotRegenertive-doseProtocol,即SAR)(MurrayASetal.,2000;WintleAGetal.,2006)在陕西师范大学旅游与环境学院光释光测年实验室的Risue54fTL/OSLDA-15型全自动释光仪测量所有样品的等效剂量,采用红外后蓝光测量技术(Post-IR),激发光源为蓝光((470±17)nm)和红外发光(830nm),样品的光释光信号由EMI9235QB15光电倍增管测量,探测滤光片为U-340,人工β辐射源为90Sr/90Y。2.3有机质、碳酸钙颗粒的测定样品的粒度采用英国Malvern公司生产的Mastersizer-S型激光粒度仪进行测定。测量前先用10%的H2O2和10%的HCl除去样品中的有机质和碳酸钙,然后上机重复测量3次,取其平均值为最后测量结果。粒径大于0.1mm的颗粒用筛分法测定,并用实体显微镜进行分析鉴定。磁化率采用英国Bartington公司生产的MS-2型磁化率仪测量样品的磁化率值,每个样品测定3次,取其平均值。3osl测试结果分析3.1热转移效应试验及剂量恢复试验对样品进行预热是为了去除热不稳定信号,防止陷获电子热转移而使释光信号增强,影响De值。为此,本研究选取一个SWD样品NSC-05进行从160到300℃之间以20℃间隔,cut-heat160℃,时间10s的预热坪区检验,样品NSC-05在200~260℃之间没有因温度升高而使等效剂量增大,出现一个明显的预热坪区(图3(a)),故在此条件下做热迁移效应及剂量恢复试验。样品NSC-05进行多次预热和激发试验,因热转移生成的等效剂量值在0.091Gy,相当于原始剂量的0.9%,热转移效应对等效剂量影响非常小,在误差范围之内。在剂量恢复试验中,附加给NSC-05的已知剂量为10.87Gy,恢复得到的平均等效剂量为10.33Gy,与已知剂量比较仅相差-4.9%(图3(a)、(c))。同时,图3((b)、(d))也给出了黄土样品NSC-08的预热坪区和剂量恢复分布图,两类样品的恢复系数(Recyclingratio)都介于0.95~1.10之间,表明测试过程对石英颗粒的感量变化得到了很好的校正。因此,本研究选取预热温度260℃,cut-heat为160℃的条件测试该批样品的De值。3.2等效剂量的确定本研究应用SAR法的Post-IROSL技术测量样品的等效剂量。对每个样品的所有测片分别测量自然释光信号(Ln)和再生释光信号(Lx),获得经感量校正后的自然释光强度(Ln/Tn)与再生剂量释光强度(Lx/Tx)建立释光信号生长曲线对比,用内插法得到样片的等效剂量(图3(a)、(b)),最后根据Aitken(AitkenMJ,1998)提供的方法,应用软件AGE·exe(GrünR,2003)计算出全部样品的光释光年龄。样品的等效剂量、剂量率以及光释光测年结果见表2。3.3不同层位的磁化率分布粒度特征是鉴别古洪水沉积物的重要指标,粗粉沙反映干旱和沙尘暴风力的强弱程度。渭河NSC剖面中>0.05mm曲线显示(图2),砂粒平均含量为4.15%,表土TS层受农耕影响砂粒含量仅占1.98%;黄土L0层较高为3.87%,说明该阶段降水较少,风力较强,搬运能力较大;古土壤S0层砂粒含量很少仅为2.09%,指示降水丰富,风沙很弱,成壤较强;古洪水滞流沉积层在古土壤夹层里属较高值为2.99%,原因是洪水流量大,搬运力强,挟带的砂粒较粗所至,表明当时发生的洪水洪峰和沙峰都比较大;过渡性黄土Lt砂粒含量占5.04%为次高值,马兰黄土L1层为最高值占7.88%,指示干旱气候。古洪水SWD>0.05mm砂粒非常少,而粉沙占了58.61%,颗粒较细。黏粒/粉沙比率反映了当地次生成壤强度的变化(刘东生,1985)。NSC剖面不同层位的黏粒/粉沙比值变化明显(图2),黏粒/粉沙比值表土TS为0.64,古土壤S0为0.61,黄土层L0为0.53,Lt层为0.55,L1层为0.46,都明显低于古土壤S0,说明古土壤层成壤强度较大,也暗示了成壤时的气候较为湿润,SWD层为0.66是最高值,但并不代表其成壤强度大,主要是由于洪水的悬移质以粉沙质黏土为主,颗粒较细所致。磁化率值表示沉积物中铁磁性矿物的含量,其值的高低主要是由于沉积物在搬运、沉积过程中磁性矿物含量的再分配引起的(袁胜元等,2006)。磁化率与沉积物形成时的古气候环境直接相关,常作为研究黄土高原地区环境变化的替代指标(刘东生,1985),它能较好地反映降水量和成壤强度的关系。渭河NSC剖面古土壤S0磁化率在90×10-8~169.8×10-8m3kg-1之间变化,平均值为133.62×10-8m3kg-1,在剖面中为峰值;L0层磁化率变化范围在111.3×10-8~123.3×10-8m3kg-1之间,平均值为118.29×10-8m3kg-1,低于S0层;马兰黄土层L1磁化率值最低,变化范围为50.3×10-8~77.7×10-8m3kg-1,平均值为61.72×10-8m3kg-1;古洪水滞流沉积物的磁化率在100.7×10-8~120.0×10-8m3kg-1之间变化,平均值为113.68×10-8m3kg-1,高于马兰黄土L1,而低于古土壤层均值,在磁化率曲线中为一个低谷值(图2),与之下伏古土壤层和上覆现代黄土层明显不同。黄土的磁化率谷值代表干旱少雨,而古洪水滞流沉积物与之稍有不同指示气候突变,暗示在距今3.2~2.8ka期间,气候变化异常,干旱与洪水都有发生,降水量变化异常,可能是洪水悬移质的铁磁性矿物被水浸泡还原或者沉积物未经成壤改造就被掩埋导致磁化率较低(潘凤英等,1996;朱诚等,2005;杨晓燕等,2005)。磁化率和粒度曲线的良好对应,表明该剖面沉积物堆积过程中,发生了显著的气候水文事件。4讨论4.1u、th、k放射性元素含量测量结果分析样品的光释光年龄是用等效剂量除以剂量率得到的,等效剂量和剂量率两个参数的测量误差,都会影响年龄值。影响等效剂量主要是样品在埋藏之前是否晒退彻底,晒退不均一的样品可能导致De值的分布比较分散,从而影响OSL年龄的可靠性。Zhang等认为通过不同测片的De值与灵敏度校正后的自然释光强度之间的相关关系能够判断样品的晒退程度(ZhangJFetal.,2003),也有学者认为相对较小的De值分布比较接近样品最后一次曝光以来的埋藏时间(MurrayASetal.,1995;OlleyJetal.,1998;OlleyJMetal.,1999;LiShenghua,ZhangJiafuetal.,2001;赵华等,2007)。图4表明,实验测片De值基本接近正态分布,相对集中的较小的De值说明晒退良好的样片,而且恢复系数介于0.95~1.10之间。将个别异常的较大的数值舍去(图4(a)、(b)虚线的右侧和(c)、(d)的空心柱),把其余的De值计算加权平均值,得到所有样品的等效剂量值(表2)。最后计算出OSL年龄值,这些年龄结果与地层关系一致,基本反映了样品的沉积年代(图5)。样品中的U、Th、K等放射性元素的含量测量计算精确与否,将直接影响OSL年龄值。图5显示,U系值存在向上迁移富集的趋势,然而我们在光释光测年中,通常假设U、Th、K核素处于放射平衡体系中,样品的剂量率在埋藏期间是恒定的,按此计算得到的年龄可能会出现偏差。张家富等(2007)对福建滨海“老红砂”沉积物的U系测量,也发现有向上富集的类似现象,Aitken(1998)认为在地质时期,沉积物孔隙中的水能够吸收部分本来能够到达矿物颗粒的部分辐射,而使U系等放射性元素值波动不平衡,Chabaux等(2003)研究认为风化作用可引起沉积物的化学成分发生变化,使风化产物中的铀系失去平衡。剂量率除与放射系元素U、Th、K相关外,还与地层的含水率,宇宙射线,a效率系数有关。赵华等(2011)认为河谷阶地上的水成沉积物含水量不稳定,而计算时采用现今含水量也会给环境剂量率带来误差,并且水成沉积物中U、Th、K易产生迁移和富集,对环境剂量率也会有影响。基于NSC剖面的U系不平衡情况,研究发现渭河NSC剖面9个样品的U系值可分为三个区段,分属三个地层,各层位厚度都不大,所处环境条件理论上应该是一致的,放射系元素U、Th、K值和宇宙射线也应该相差不大,然而剖面沉积物中的U、Th、K易产生迁移和富集,尤其是剖面当中的U系随土层风化而向上迁移富集。基于此,我们以各地层段底界的U值来计算该层各点的剂量率,第一区为L0层,包括样品NSC-01、NSC-02和NSC-03,以该层底界NSC-03的U值来计算这3个样品的剂量率值;第二区为S0层,包括样品NSC-04、NSC-05、NSC-06和NSC-07,以NSC-07的U值计算这4个样品的剂量率;第三区为L1层,包括NSC-08和NSC-09两个样品,以底界的NSC-09样品U值来计算。经过对各样品的剂量率进行如此的校正后,应用公式或软件计算,即可获得渭河NSC剖面9个样品的OSL年龄,其值在(1.5±0.1)~(14.0±1.1)ka的范围之间,其年代与地层深度关系对应很好(图5),表明采用该方法计算剂量率对于该剖面比较适合,从而也说明了OSL年龄结果是可信的(图5)。全新世NSC剖面的9个样品基本上控制了该剖面的关键层位,界定了各层的界线,随地层渐老等效剂量逐渐增大,OSL年龄也逐渐增大,呈很好的对应关系(图5)。渭河NSC剖面的年龄介于(1.5±0.1)~(14.0±1.1)ka之间,数据误差在4.5%~9.7%之间,包含了整个全新世地层,以及晚更新世晚冰期的地层。TS层的控制点是样品NSC-01,同时也是L0层的顶界,年龄为1.5±0.1ka,是距今1500年来沉积的物质;L0层的关键点是样品NSC-01和NSC-03,NSC-03位于L0层的中部,年龄是2.2±0.1ka,为SWD的上覆地层,基本确定SWD的年龄不低于2.2ka;控制古土壤(S0)层位的关键点样品是NSC-06和NSC-07,样品NSC-06取自S0顶界,同时也是SWD下伏地层,年龄为3.2±0.2ka,NSC-07取于S0底部,年龄为8.5±0.5ka,这样就基本确定了古土壤层的年代介于8.5~3.1ka之间。而位于剖面95~110cm处深的被地质记录的古洪水滞流沉积SWD层上覆于S0层,样品NSC-06和NSC-03分别控制了古洪水发生年龄的上限和下限,其中NSC-04取于SWD的顶层,年龄为3.0±0.2ka;样品NSC-05处于古洪水滞流沉积层中间,年龄是3.1±0.3ka,综合分析可以确定渭河中游洪水事件发生的年代介于距今3.2~2.8ka之间。这一年龄值应该能够反映样品的真实沉积年代,表明OSL测年方法测定的古洪水事件年龄是可信的。近几年来,黄春长等在渭河流域对全新世黄土-古土壤地层进行深入的研究,通过地层对比和古文物等手段对典型剖面建立了可靠的年代框架(HuangChunchangetal.,2006,2009;万红莲等,2010)。渭河NSC剖面与其上游GCZ剖面、XJN剖面和中游流域ETC剖面进行对比,发现地层结构十分相似(HuangChunchangetal.,2006,2009;万红莲等,2010),它们有很好的对比关系。通过对比可知,全新世古土壤S0与黄土L0的界限为3.1ka,渭河NSC剖面古洪水滞流沉积层就夹在其间,与本研究测量的数据3.2~2.8ka基本吻合,这样就进一步确定了渭河古洪水事件发生在距今3.2~2.8ka之间(图5)。这一期洪水滞流沉积物记录的古洪水是渭河干流全新世以来发生的特大古洪水事件。4.2古洪水滞流沉积层与古土壤层基于渭河流域NSC剖面的OSL年代数据,结合粒度成分和磁化率等气候替代性指标综合研究,分析发现反映成壤强度的磁化率与反映风尘沉积强度的>0.05mm砂粒在剖面的变化对应良好(图2),与黄土有所不同的是古洪水滞流沉积物的磁化率在图中对应一个低谷值,揭示了渭河流域全新世气候异常波动变化,该剖面清楚地记录了发生在流域内的3次古洪水事件及其气候环境变化。在渭河NSC剖面中210cm以下为典型的马兰黄土L1,在11500aB.P.之前形成的晚冰期,记录了干冷的气候类型。磁化率值最低,粒径>0.05mm颗粒含量最高,指示冬季风强势,夏季风微弱,气候寒冷干旱,降水稀少,植被发育较差,风力强劲,尘土飞扬,搬运能力很强,沙源充足,黄土堆积快,该时期发生了以寒冷为特征的“新仙女木”(YoungerDryas)事件。与我们测量该层位样品NSC-09年龄为14.0±1.1ka,L1顶部NSC-08年龄为12.1±1.0ka基本一致,说明测量的年龄可靠。在渭河NSC剖面中210~175cm处对应着全新世初期11500~8500aB.P.之间,气温有所回升,气候逐渐转暖,但仍然比较干冷,气候系统尚不稳定,地表植被恢复,但成壤作用还较弱,形成由马兰黄土向古土壤的过渡性黄土层(HuangChunchangetal.,2006,2007)。8500~3100aB.P.期间为全新世中期,是全球性的“大暖期”,夏季风占主导,冬季风减弱,气候温暖湿润。渭河流域是强烈成壤时期,塬面形成典型的黑垆土,河谷形成褐色土。相当于渭河NSC剖面中175~95cm处的古土壤层S0,古土壤层底界的样品是NSC-07,顶界样品是NSC-06,年龄分别是8.5±0.5ka和3.2±0.2ka。S0磁化率曲线呈峰值,平均值最高,说明成壤作用强烈,指示全新世大暖期,东南夏季风控制下,当时渭河地区气候温暖湿润,降水较丰,植被茂盛覆盖率高,风化成壤强烈,生态环境良好,磁化率、黏粒含量较高。但在6000~5000aB.P.期间出现过一个干旱气候穿插其间的阶段,气候波动变化剧烈,在一些流域内的全新世黄土—古土壤剖面有很好的记录(HuangChunchangetal.,2002a,b,c)。5000~3100aB.P.为全新世大暖期的第二个次暖阶段,由于气候波动变化,洪涝与干旱灾害都有发生,渭河流域的支流漆水河和泾河的古洪水滞流沉积层里也记录了该事件(查小春等,2007;李瑜琴等,2009)。在渭河NSC剖面深110~95cm之间的淤泥层清楚地记录了这一事件,该层磁化率值很低,且砂粒>0.05mm非常少,粉沙居多,颗粒较细,由粉沙、淤泥质黏土和细沙组成,为典型古洪水滞流沉积物。取于该层的样品NSC-04和NSC-05年龄分别是3.0±0.2ka和3.1±0.3ka,表明在距今3.2~2.8ka之间是渭河特大洪水事件多发时期。进一步分析认为该古洪水滞流沉积层的形成机理主要是洪峰沙峰挟带泥沙在最高水位时水动能较强且变化较大而在平缓岸坡形成粗颗粒先沉积,粒度相对较粗,分选较差;洪水回流时,流态比较稳定,水流速度趋近于零状态下形成细颗粒沉积,水动力条件相对较弱条件下的缓慢沉积,粒度相对较细,分选较好,形成上细下粗二元结构的洪水滞流沉积层。表明此时以夏季风占主导,气候湿润多雨,适合人类生产生活。据历史文献分析,此期间为我国商周的寺洼文化时期,当时的渭河中上游,农业畜牧业经济比较发达,居民聚落已具相当规模,人类活动甚为频繁,这也从侧面得到了佐证。万红莲等研究渭河上游GCZ剖面的古洪水滞流沉积层记录时间为3200~3000aB.P.与中游这期古洪水发生的时间完全吻合,对该剖面记录的洪水沉积层的流量恢复显示渭河中上游全新世时期最大古洪水洪峰介于22,560~25,960m3/s之间(万红莲等,2010)。野外进一步考察在其剖面更高处未见类似的古洪水沉积记录,因此我们可以确定渭河NSC剖面古洪水滞流沉积物记录的古洪水事件是渭河全新世以来发生的最大古洪水事件。3100aB.P