黄河平渡关段全新世古洪水滞流沉积物研究

刘 涛，黄春长，庞奖励，查小春，史兴民，张玉柱，李晓刚，范龙江

（陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安 710062）

古洪水水文学是全球变化科学领域一门新兴交叉学科，它主要是通过对于古洪水滞流沉积物（slackwater deposits，SWD）的鉴别，利用光释光（optical stimulated luminescence，OSL）和14C测年、地层学和考古学等方法断代，利用多种方法恢复古洪水的洪峰水位，采用水力学模型推求全新世古洪水的洪峰流量，延长洪水水文学数据序列到万年尺度［1－5］。国际国内，许多家学者都已经在古洪水研究方面取得了显著成果，并得出相应的古洪水水文学数据资料［4－17］。本项目组在黄河中游对干支流开展了一系列的古洪水水文学研究，并取得了一些新的进展［18－26］。

黄河流域洪水灾害十分严重，特别是在全新世中期大暖期结束，全新世晚期干旱期开始的气候转折阶段，由于气候恶化，洪水频繁发生［9］。在全球变化的影响下，流域内水资源短缺、生态环境恶化等重大问题也日益凸显。因此，在黄河中游晋陕峡谷段开展全新世古洪水研究显得尤为重要。古洪水滞流沉积物（SWD）是古洪水信息的主要载体。在河流中下游峡谷河段勘察和鉴定全新世古洪水滞流沉积物，研究其沉积学特征是进行古洪水研究的第一步。本研究结合野外宏观沉积学特征和室内试验分析结果，论证了黄河中游平渡关段全新世古洪水滞流沉积物的沉积学特征，为该区段古洪水水文学研究提供了基础。

1 研究区环境与研究河段概况

黄河晋陕峡谷段指黄河中游河口镇至龙门区间，干流长723km，流域集水面积1.11×105km2，占黄河流域面积的14.8%，谷坡陡峻，谷道狭窄，除河曲、府谷河谷段河槽较宽外，其余河段河槽宽度多在400～600m，干流落差为607m，河道平均比降0.84‰。河槽深切入黄土高原的基岩之中，大部分河段由二叠纪和三叠纪沙页岩组成。晋陕峡谷区域大部分属于黄土高原地区，属温带大陆性季风气候，该区年平均降水量在300～550mm，从东南向西北递减。全年的降水量高度集中在7—9月，占年降水量的61.6%，故暴雨强度大，历时短，雨区呈带状分布，常形成暴涨暴落，峰形尖瘦，历时短，含沙量大的突发性大洪水［27－29］。例如2012年7月26—28日陕西北部接连3次出现历时短，强度高，量级大的暴雨过程，暴雨中心区陕西佳县和山西临县24h降雨量超过200mm，黄河吴堡站形成10600 m3／s的大洪水。

该区域地处黄土高原，其土层深厚，土质疏松，地形破碎，植被覆盖差，暴雨集中且雨量大，为输送大量泥沙提供了有利条件。同时该区域土地开发历史悠久，人类活动频繁，影响深远，森林植被覆盖率不断降低，水土流失严重，增加了该区域对黄河泥沙的贡献率。黄河晋陕峡谷段汇入较大支流30条，呈树枝状水系网。由于支流大量泥沙特别是粗泥沙的加入，使得黄河泥沙颗粒组成在该区间发生了较大变化。该区间既是黄河洪水的三大来源区之一，也是黄河泥沙特别是粗泥沙最主要的来源区，区间汇入的水量占黄河水量的42.5%，增加沙量占整个黄河沙量的92%［28－29］。

2 研究剖面与研究方法

2.1 研究剖面

通过对黄河中游吴堡—龙门峡谷段野外考察，发现了多个含有全新世古洪水滞流沉积层的沿河地点。这些古洪水滞流沉积层多形成在支流沟口的回水湾内部，岩豁内的岩棚之下，夹在坡积石渣土或者土壤层之中。本研究选择平渡关（PDG）开展古洪水沉积学研究。该地点位于黄河东岸山西省大宁县平渡关村下游3km处一无名沟口的岩棚之下，全新世古洪水滞流沉积物剖面出露完整，未经人类扰动。其顶层由现代表土覆盖，各古洪水滞流沉积层之间均被薄层坡积石渣土层分隔开来。由于受到微地貌的影响，呈现出清晰的平行状层理，沿坡向上逐渐尖灭。依据古洪水滞流沉积物判别标准［29］，即沉积物的质地、颜色、结构和构造，与其它沉积物的关系等，从剖面中准确鉴别出4层古洪水滞流沉积物（SWD1—4）。它们由古洪水在沟口内回水滞流情况之下沉积，每个单层厚度介于10～90cm，为浊黄橙色，致密块状构造，下部含有较多细沙，清晰地显示出沉积过程当中的分选特征，故而各层之间沿层界横向裂开，且在各层界均有厚度约10～20cm的坡积石渣土夹层，向坡下方向尖灭。这充分表明两个洪水事件之间有一定的时间间隔，整个剖面记录了4次古洪水事件。剖面顶部海拔高程498.5m，高于河流平水位14.5m。通过野外宏观形态特征的观察，结合土壤学、地层学和沉积学方法，对该剖面进行了地层划分和描述（表1），并且自下而上在各古洪水滞流沉积层采取样品以备沉积学分析。为了更好地说明黄河平渡关段全新世古洪水滞流沉积物的沉积学特征，选择陕西省白水县尧和村典型全新世黄土—古土壤剖面［25］进行对比研究。

表1 黄河晋陕峡谷大宁县平渡关全新世古洪水滞流沉积物剖面地层划分及描述

2.2 研究方法

为了确保试验结果能够真实反映每次洪水滞流沉积物所代表的水文泥沙特征，对于采集的洪水滞流沉积物样品，在实验室内首先刮去表层，在块体内部均匀取样分析测试。分别进行了磁化率、粒度、烧失量和碳酸钙等指标的测定。磁化率采用英国Bartington公司生产的MS－2型磁化率仪测定，测量精度为0.1。沉积物粒度测定流程为先用10%的H2O2和10%HCl去除有机质和次生碳酸盐，然后采用美国Beckman Coulter公司生产的LS系列激光粒度仪测量。烧失量测定采用燃烧失重法，将研磨后粒径＜0.074mm的干燥样品置于马弗炉中，在550℃灼烧4h，冷却称量，计算求得土样损失率。CaCO3含量采用荷兰Eijkelkamp公司生产的08.53型碳酸钙测定仪测定。

3 结果分析

3.1 磁化率、烧失量和CaCO3含量分析

磁化率、烧失量和CaCO3含量这3种指标是研究黄土高原地区成壤和环境变化的重要代用指标［29－30］。由表2可知，黄河 PDG 剖面4层古洪水SWD的磁化率介于3.85×10－7～5.47×10－7m3／kg，均值为4.46×10－7m3／kg；而白水黄土台塬全新世古土壤与黄土的磁化率值显著高于古洪水SWD，其中古土壤磁化率值高达1.60×10－6m3／kg。这说明古洪水SWD中铁磁性矿物含量明显低于黄土和古土壤，而与黄土高原典型黄土剖面中的全新世马兰黄土L1较为接近。显然，这是河流作用后的新鲜沉积物。尤其是它们作为悬移质泥沙，在洪水水流当中，经侵蚀、搬运、分选后，其中的矿物成分得到充分混合。古洪水SWD烧失量介于1.03%～2.22%，平均值为1.71%，但仍低于古土壤和黄土，这同样说明沉积物形成后很少受风化成壤作用改造。PDG剖面4层古洪水SWD的CaCO3含量介于7.32%～10.54%，平均值为8.8%；古土壤和黄土的CaCO3含量分别为4.06%和14.23%；可见古洪水SWD的CaCO3含量介于古土壤和黄土之间。这可能是由于白水县黄土台塬剖面地处黄土高原东南部的关中盆地，其全新世沙尘暴堆积物受到次生风化成壤影响深刻，古土壤中碳酸钙淋溶强烈，使得古土壤中碳酸钙含量较低。

3.2 粒度成分分析

粒度成分是反映沉积物性质、来源、搬运动力和沉积环境最有效的手段之一［31］。由表3可知，黄河PDG剖面4层古洪水SWD粒度成分有所不同，其中SWD1—2颗粒以粉沙（2～63μm）为主，其含量分别为53.92%和63.63%；其次为细沙粒（63～125μm），其含量分别为26.91%和20.75%；黏粒（＜2μm）含量最少，分别为3.68%和4.53%；SWD3和SWD4则分别以细沙（63～125μm）和中沙（125～1000 μm）为主，其值分别为44.08%和70.18%，其次为粉沙，其含量分别为34.22%和16.88%。据土壤学分级标准作出粒度成分三角图，是以沉积物黏土（＜5μm）、粉沙（5～50μm）、沙（＞50μm）含量为指标绘制的图形，常用于对沉积物粒度成分的命名，或对不同沉积物的粒度成分进行比较（图1），在黄河PDG剖面中，古洪水SWD1—2为细沙质粉沙，古洪水SWD3为细沙，古洪水SWD4为中沙。这与黄河晋陕峡谷马头关段佛堂村沟（FTC）地点、壶口段马粪滩（MFT）和冯家集（FJJ）地点、禹门口段乡韩桥（XHQ）地点［15，23－25］类似，其全新世古洪水滞流沉积物是以细沙质粉沙和粉沙质细沙为主。这是因为发生在晋陕峡谷的大洪水，主要是由发生在晋陕蒙三角地带的暴雨形成，而这里也正是黄河粗泥沙的主要来源地［27－28］。而北洛河、湋水河、泾河、渭河、漆水河全新世古洪水SWD则相对较细，以粉沙、黏土质粉和粉沙质亚黏土为主［10－14，18－22］。因为这些河流流域内大面积被黄土覆盖，河流悬移质泥沙主要是黄土地区水土流失的产物。

表2 黄河中游平渡关全新世古洪水滞流沉积物磁化率、碳酸钙和烧失量及其与黄土古土壤的对比

图1 平渡关全新世古洪水滞流沉积物粒度成分图式

表3 黄河中游平渡关全新世古洪水滞流沉积物与白水县黄土台塬黄土－古土壤粒度特征值对比

3.3 粒度自然分布频率分析

沉积物粒度自然分布频率曲线可以直观地反映沉积物样品的性质、成因和物源等。由图2所示，PDG剖面4层古洪水SWD曲线都呈单峰且很尖锐。其中古洪水SWD1—2曲线的主峰出现在粗粉沙段（16～63μm），峰值分别为43.70和57.77μm，SWD3曲线的主峰出现在细沙段（63～125μm），峰值为76.42 μm，而SWD4曲线的主峰则出现在中沙段（125～1000 μm），峰值为373.14μm。

图2 黄河晋陕峡谷平渡关全新世古洪水滞流沉积物粒度分布频率曲线

粒度参数可以进一步解释上述曲线特征。由表3可以看出，PDG剖面古洪水SWD1—2的中值粒径（Md）和平均粒径（Mz）都在46～64μm之间变化，主要是粉沙，SWD1—2的中值粒径（Md）和平均粒径（Mz）都较大，主要是细沙和中沙；黄土和古土壤的中值粒径（Md）和平均粒径（Mz）均很小，属于细粉沙。可见古洪水SWD的颗粒总体上比黄土和古土壤粗。平渡关（PDG）剖面古洪水滞流沉积物的标准偏差在1.21～1.78，分选系数在0.58～1.12，表明其分选较好。总体来看，黄土和古土壤的分选性要比古洪水SWD差。偏度（SK）表示沉积物粗细分布的对称程度，古洪水滞流层的偏度（SK）分别为0.52（SWD4）和0.31（SWD3），偏态表现为极正偏，0.28（SWD2）和0.29（SWD1），同古土壤和黄土一样，偏态表现为正偏。峰态是衡量频率曲线尖峰凸起程度的参数，SWD1和SWD4的峰度分别为1.50和1.16，为尖锐，SWD2和SWD3的峰度分别为1.73和1.75，为很尖锐，古土壤和黄土的峰态为中等。古洪水滞流沉积物与黄土堆积物在粒度成分上的明显差异是其搬运介质和搬运动力的不同造成的。古洪水滞流沉积物是洪水水流当中的悬移质和跃移质沉积形成，黄土是沙尘暴过程当中的悬移质沉积形成。晋陕峡谷黄河特大洪水的搬运动力远大于沙尘暴，因而，黄土的性质为粉沙，而黄河晋陕峡谷洪水SWD的性质为细沙质粉沙、细沙甚至中沙。粒度参数与粒度分布频率曲线特征一致，表明黄河平渡关（PDG）剖面中的古洪水滞流沉积物形成在高水位回水湾内，水流流速缓慢，所以悬移质泥沙和跃移质逐渐沉积，故分选性很好，粒度分布曲线上主峰高而且狭窄。

3.4 粒度成分概率累积分析与CM图式

粒度成分概率累积曲线能够有效地区分流水沉积物当中的推移质、跃移质和悬移质组分［31］。图3为黄河晋陕峡谷PDG地点大洪水滞流沉积物粒度概率累积曲线图。如图3所示，4层古洪水SWD概率累积曲线都呈现明显的两段式，截点在2～5φ附近，下段斜率大，上段斜率小，表明其主要由跃移质和悬移质成分组成。跃移质粒级分布在1～5φ范围内，含量为约50%，由中沙和细沙组成，线段斜率大，分选较好；悬移质粒级范围为3～9φ，由粉沙和黏土组成，含量占40%～50%。可以看出，主要来源于黄河中游黄土地区和晋陕蒙三角地区风沙带的黄河洪水，其携带的跃移质和悬移质泥沙，是流域内黄土区和风沙区水土流失物质的混合物。

CM图式反映了沉积物粒度分布总体特征，间接地指示了沉积环境。图4为黄河中游PDG剖面全新世古洪水滞流沉积物CM图，根据Passega等［32］的研究成果，即将CM图分为9个区，每个区代表不同的沉积环境。从图4可知，黄河PDG古洪水滞流沉积物投影在CM 图的Ⅰ区（SWD4）和Ⅵ（SWD1—3）区，即除SWD1—3为悬浮沉积环境。SWD4为滚动颗粒，缺乏悬浮沉积物，与其它层不同。这一方面与CM图的9区划分为统计界线划分有关，另一方面说明4次古洪水的含沙量及水动力是有差异的，体现了古洪水SWD沉积环境的多样性和复杂性。

图3 黄河中游平渡关全新世古洪水滞流沉积物粒度概率累积分布曲线

图4 黄河中游平渡关全新世古洪水滞流沉积物CM图式

4 结论

全新世古洪水SWD是河流洪水泥沙及其搬运动力状况演变的地质记录。通过野外实地考察，根据古洪水SWD的野外宏观沉积学特征，在黄河晋陕峡谷大宁县平渡关地点一无名沟口岩棚之下发现了4层古洪水SWD，它们呈浊黄橙色，质地均匀，块状构造，平行状层理，各层之间均被薄层坡积石渣土所分隔开来，表明每一层古洪水滞流沉积物记录了一次特大洪水事件。

从磁化率、烧失量、CaCO3含量指标分析来看，这些古洪水滞流沉积物与古土壤和黄土有着显著的差异，古洪水所携带跃移质和悬移质泥沙为黄土高原北部沙质黄土地区和晋陕蒙三角风沙区水土流失物质的混合物。从粒度分析来看，平渡关（PDG）剖面四层古洪水滞流沉积物为别为细沙质粉沙、细沙和中沙。与渭河流域古洪水SWD相比，其中沙和细沙颗粒含量较多，但其粒级分布集中，分选较好，是典型的古洪水悬移质沉积物。粒度概率累积分布曲线和CM图式表明PDG剖面4层古洪水滞流沉积物中不仅含有悬移组分，同时存在有跃移组分，其沉积环境主要为均匀悬浮出现的滞流环境，说明4次古洪水的含沙量及水动力状况是有一定差异的。总体上说，黄河晋陕峡谷平渡关地点古洪水滞流沉积物是流域内黄土区和风沙区水土流失物质的混合物，在高水位滞流环境下沉积的产物，记录了黄河晋陕峡谷段发生在全新世时期的4次特大古洪水事件。

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