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(xué)旅游與環(huán)境學(xué)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(xué)研究當(dāng)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(shù)比較成熟，精度也比較高，但是在古洪水SWD及其相關(guān)地層剖面很難找到可用于測年的有機質(zhì)材料。即使利用從土壤和沉積物當(dāng)中提取的有機質(zhì)進(jìn)行14C測年，因其受到植物根系發(fā)育等影響，測年結(jié)果與樣品的沉積年齡有時相差也會很大［3］。而OSL測年技術(shù)已經(jīng)被用于古洪水SWD及其相關(guān)的黃土古土壤地層剖面的測年，獲得了可靠的結(jié)果［4，5］。其中單片再生劑量法(SAR)在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛［6］。

我們對漢江上游河谷進(jìn)行了古洪水沉積學(xué)和水文學(xué)調(diào)查，在第一級階地的黃土—古土壤覆蓋層當(dāng)中發(fā)現(xiàn)了古洪水SWD。通過深入觀察分析，系統(tǒng)地采取了沉積物樣品，進(jìn)行OSL測年研究，在安康段立石村(LSC)發(fā)現(xiàn)了北宋時代后期的古洪水，鄖縣段前坊村(QFC)及遼瓦店(LWD)發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)了全新世中期—晚期轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。

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(fā)源于陜西省寧強縣潘冢山，東南流經(jīng)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(diào)工程中線的水源區(qū)，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(qū)(圖1)。漢江上游水系發(fā)達(dá)，為羽毛狀水系，植被覆蓋茂密，河谷階地有風(fēng)成黃土覆蓋，低階地發(fā)育黃褐土類土壤，海拔較高的緩坡為棕壤。漢江上游流域?qū)儆诒眮啛釒У谋辈浚幱跂|亞季風(fēng)區(qū)，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(fēng)和西南季風(fēng)影響，降水量年際變化較大，年內(nèi)分配不均勻，汛期集中于6～10月，夏季會出現(xiàn)歷時短、強度大的暴雨，秋季則會出現(xiàn)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(fā)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(xiàn)洪峰流量為61 000 m3/s的特大洪水，在1983年10月曾出現(xiàn)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(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，在湖北鄖縣尚家河段漢江第一級階地前沿發(fā)現(xiàn)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(jìn)行清除，露出新鮮原生沉積層位，采集10個沉積學(xué)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(chǎn)的LS系列激光粒度儀進(jìn)行測定。對剖面(SJH)進(jìn)行詳細(xì)觀察，對其性質(zhì)特點做了細(xì)致的土壤學(xué)—沉積學(xué)描述(表1)。在該剖面發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)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(xué)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(zhì)細(xì)砂構(gòu)成，質(zhì)地均勻，松散，在剖面垂直方向上，其結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、顏色和粒度成分發(fā)生突變，并且向著坡上方向尖滅。通過粒度成分分析測定，發(fā)現(xiàn)它主要由粉砂和細(xì)砂構(gòu)成，沉積學(xué)分類確定為細(xì)砂質(zhì)粉砂(圖3)。其粒度成分與漢江上游現(xiàn)代特大洪水 SWD性質(zhì)完全相同?？梢詳喽ㄟ@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(zhì)泥沙沉積形成。

此外，在關(guān)鍵層位用直徑為5 cm不銹鋼鋼管在現(xiàn)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(jìn)行。首先，剝?nèi)ゲ讳P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(zhì)及有機質(zhì)，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(chǎn)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(jìn)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(xué)旅游與環(huán)境學(xué)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(jìn)行檢測，濾光片為7.5 mm厚的Hoya U-340濾光片，藍(lán)光激發(fā)光源波長為470±20 nm，紅外激發(fā)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(yōu)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(jìn)行校正。六個再生劑量包括一個零劑量和兩個重復(fù)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(fù)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(nèi)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(chǎn)生的輻射以及樣品含水量等有關(guān)。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(guān)，主要根據(jù) 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(jìn)行校正。因此，本文在測量樣品自然含水量的基礎(chǔ)上，參考前人關(guān)于土壤含水量的研究結(jié)果，進(jìn)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(shù)計算出劑量率。

3 研究結(jié)果

3.1 預(yù)熱溫度坪區(qū)檢驗和劑量恢復(fù)實驗

頻繁的激發(fā)和預(yù)熱可以使不易曬褪的陷獲電子發(fā)生熱轉(zhuǎn)移，使得OSL信號增強，因此得到的De值偏大。所以要進(jìn)行預(yù)熱溫度坪區(qū)檢驗和劑量恢復(fù)(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(yù)熱溫度坪區(qū)檢驗和劑量恢復(fù)(Dose-recovery)實驗設(shè)計為一個測試程序，進(jìn)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(yù)熱溫度(Preheat)范圍在 180℃ ～300℃，間隔 20°C進(jìn)行預(yù)熱溫度坪區(qū)的檢驗。結(jié)果如圖(4)所示，樣品在180℃～300℃之間出現(xiàn)了良好的坪區(qū)，等效劑量在9.01～11.7 Gy之間變化。SJH-1-2的循環(huán)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(yīng)對等效劑量測定影響不大，可以忽略不計。劑量恢復(fù)(Dose-recovery)實驗表明(圖4b)，在180℃～300℃之間，恢復(fù)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(jié)果，本文選擇等效劑量的測試條件為預(yù)熱溫度(Preheat)220℃，檢驗劑量的預(yù)熱溫度(Cutheat)180℃。

3.2 等效劑量的測定

信號積分時間的區(qū)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(qū)間選擇不可避免的對De值的計算影響重大?；诖耍疚闹行盘柗e分時間的區(qū)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(biāo)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(fù)雜性及樣品埋藏前的曬退程度等有關(guān)［20］。樣品的離散度可以用相對標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)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(jié)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(shù)據(jù)不確定度為3%～15%。該剖面樣品的光釋光(OSL)年齡數(shù)據(jù)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(guān)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(fā)生在1 000～900 a B.P.(AD 1 010～1 110)之間，相當(dāng)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(jié)果的可靠性［22］。

4.2 古洪水事件發(fā)生的氣候背景

全新世古水文學(xué)研究表明，古洪水事件多發(fā)生在全球性的氣候轉(zhuǎn)折期或氣候不穩(wěn)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(fā)生突變，降水變率大，特大洪水事件與嚴(yán)重干旱事件同時發(fā)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(fēng)環(huán)流異常的影響，在2010～2011年既有嚴(yán)重干旱事件，導(dǎo)致丹江口水庫出現(xiàn)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(dá)到21 700 m3/s、25 500 m3/s。這就更進(jìn)一步證明了該論斷的正確性。漢江上游南部湖北神農(nóng)架地區(qū)，多個洞穴石筍δ18O記錄AD 1 010～1 110期間季風(fēng)強度變化大，降水變率大，氣候處于不穩(wěn)定期，存在旱澇災(zāi)害頻繁交替現(xiàn)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(xiàn)了突變［25］。中國古里雅冰芯序列記錄，11～12世紀(jì)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(biāo)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(xiàn)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(fēng)環(huán)流強度的異常變化和氣候變率大等因素密切相關(guān)。綜合全球各地區(qū)及各種信息載體的高分辨率研究結(jié)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(fā)生了特大暴雨洪水事件。通過采用古洪水水文學(xué)方法恢復(fù)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(jié)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(nèi)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(guān)系曲線圖Fig.6 Date/depth curve of the SJH Holocene profile in the upper Hanjiang River valley

5 結(jié)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(yīng)用光釋光測年(OSL)技術(shù)中的單片再生劑量法(SAR)，對漢江上游SJH剖面進(jìn)行了光釋光測年研究，結(jié)果表明古洪水滯流沉積物(SWD)代表的古洪水，發(fā)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(dá)63 720 m3/s。這個洪水期對應(yīng)著全球氣候突變和轉(zhuǎn)折時期，氣候狀態(tài)不穩(wěn)定、降水變率大，降水量年內(nèi)分配不均，易發(fā)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(fēng)環(huán)流強度的異常變化和氣候變率大等因素密切相關(guān)。這對于深入揭示水文系統(tǒng)對于全球變化的響應(yīng)規(guī)律，以及水資源和水能源開發(fā)利用等，都具有十分重要的科學(xué)意義。

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