涇河下游全新世古洪水沉積磁組構(gòu)特征研究

吳鴻天

(西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

涇河下游全新世古洪水沉積磁組構(gòu)特征研究

吳鴻天

(西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室/西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

[摘要]涇河是黃河流域的重要支流，也是渭河以及黃河中下游洪水的重要來源之一。通過對涇河一級階地采集涇河洪水沉積的古地磁樣品，進(jìn)行了磁組構(gòu)各項異度、磁面理、磁線理、磁基質(zhì)顆粒度以及形狀因子等參數(shù)的測定，并與風(fēng)成黃土—古土壤沉積進(jìn)行對比，得出涇河洪水沉積微觀組構(gòu)各項異度高、面理較發(fā)育、磨圓度與分選性差的特征，并通過赤平投影恢復(fù)了古洪水流向，并得出近3 000年來大洪水周期縮短至200～300 a的結(jié)論，對于涇河的防洪減災(zāi)、水資源開發(fā)利用具有重要的科學(xué)意義。

[關(guān)鍵詞]涇河；磁組構(gòu)；古洪水；洪水周期

隨著人類的發(fā)展，全球環(huán)境變化逐漸成為各個學(xué)科的研究熱點。古洪水與其他環(huán)境事件如極端干旱、頻繁沙塵暴、雪災(zāi)等，都與全球氣候變化有著密切的聯(lián)系。古洪水是指在人類有歷史記錄之前的但是被沉積物記錄到的洪水事件。對古洪水的研究是了解流域暴雨洪水造成的土壤侵蝕、泥沙的搬運(yùn)極其沉積規(guī)律的重要途徑[1]，同時也是研究河道變遷、環(huán)境演變以及當(dāng)?shù)貧夂虻囊?guī)律與趨勢等的重要手段。

目前基于沉積物的古洪水研究主要是結(jié)合古河道切割、堆積充填物標(biāo)志(Partriage and Baker，1987；李長安等，2002)和洪水沉積構(gòu)造(洪水楔、洪水沖痕等)標(biāo)志(Burrin，1985；李長安等，2004)，但是這些沉積構(gòu)造標(biāo)志在開闊的洪泛平原上并不發(fā)育[2]，且少有對洪水沉積物微觀顆粒特征以及古洪水流向定向分析的研究。本文在實地野外踏勘和采樣的基礎(chǔ)上，在河流下游洪泛平原運(yùn)用磁組構(gòu)的方法對涇河全新世古洪水沉積進(jìn)行了揭示，并與剖面黃土—古土壤序列的磁組構(gòu)進(jìn)行了對比，分析了洪水發(fā)生的變化規(guī)律。

1剖面位置及地層描述

涇河是黃河的二級支流，流域位于東亞季風(fēng)邊緣地區(qū)，年降水量極不穩(wěn)定，且集中在夏季，容易形成洪水。研究地點位于涇河下游高陵縣楊官寨一級河流階地，剖面頂部與底部以黃土地層為主，中部發(fā)育古土壤層以及洪水滯留沉積地層(圖1)。根據(jù)剖面地層的顏色、粒度、結(jié)構(gòu)等，將地層劃分如下：

(1) 表土耕作層(MS)，以棕黑色為主，含有大量植物根系與蟲孔，呈團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，屬于典型的耕作土壤，厚45 cm；

(2) 頂層黃土(L0)，橙黃色，粒度較耕作層略粗，厚35 cm；

(3) 第二期洪水沉積(SWD2)，淺黃色，粒度很細(xì)，可細(xì)分為2～3層，厚22 cm；

(4) 黑壚土上部(S0上)，顏色較深，以棕色為主，團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)，厚18 cm；

(5) 第一期洪水沉積(SWD1)，淺橙色，粒度很細(xì)，可細(xì)分為5層以上，部分層位有成壤改造現(xiàn)象，是剖面粒度最細(xì)的層位，發(fā)育小型水平層理，厚約90 cm；

(6) 黑壚土下部(S0下)，團(tuán)塊—團(tuán)粒狀結(jié)構(gòu)，層位相當(dāng)于楊官寨仰韶文化，可見少量碎陶片，厚70 cm；

(7) 馬蘭黃土(L1)，未見底。

圖1　楊官寨涇河一級階地剖面圖[3]

2實驗結(jié)果與討論

磁組構(gòu)的本質(zhì)是巖石內(nèi)部的磁性礦物顆粒在外力(如重力、擠壓應(yīng)力、水流等)作用下發(fā)生的重結(jié)晶、變形或定向排列，可以反映磁性顆粒的演化、宏觀受力狀況等地質(zhì)過程[4-7](Hrouda, 1982；Rochette et al., 1992；Tarling and Hrouda, 1993；Borradaile and Henry, 1997)。描述磁組構(gòu)的基本要素是磁化率各項異性橢球體的長軸(k1)、中間軸(k2)和短軸(k3)的磁化率大小(Graham，1954；Hrouda, 1982)，此外常用的參數(shù)還有磁線理(L)、磁面理(F)以及各項異度(P)、磁基質(zhì)顆粒度(q)等[8]。磁面理反映沉積顆粒呈面狀分布的程度，磁線理反映沉積顆粒呈線狀排列的程度。P、F均是水動力條件強(qiáng)弱和沉積環(huán)境穩(wěn)定性的反映,P、F相對較大，表示沉積物沉積時的水動力條件較強(qiáng)。

野外踏勘時，對剖面由上至下每個層位均進(jìn)行了手標(biāo)本采樣，在實驗室內(nèi)加工成2×2×2 cm的定向測試樣品共277塊。全部樣品的AMS測試均在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室運(yùn)用捷克AGICO公司生產(chǎn)的Kappabridge磁化率儀( KLY-4S，工作頻率875 Hz，測試精度2×10-8SI)進(jìn)行測試。

表1　楊官寨剖面不同層位磁組構(gòu)參數(shù)分析結(jié)果

通過測得的磁組構(gòu)各個參數(shù)可知，洪水沉積的各項異度(P)、面理(F)度普遍較大，說明了洪水期水流速較快，水動力較強(qiáng)的特征，意味著洪水的沉積動力比風(fēng)成黃土高很多，洪水沉積物的細(xì)微層理同樣較風(fēng)成黃土發(fā)育。而磁基質(zhì)粒度(q)與形狀因子(T)可以更好的說明沉積物顆粒粒度的分選狀況與磨圓度，即q值與T值越高，越能表示顆粒在非正常重力分異條件下的快速堆積，越有可能代表著一次洪水事件。通過表1可見，相對于黃土—古土壤序列，全新世每一期的洪水q值于T值均明顯偏高。也就是說，在洪水沉積的微觀尺度上，相比于一般的風(fēng)成和水成沉積而言，有著各項異度高，面理較發(fā)育，小顆粒分選與磨圓程度低的特點。

圖2　涇河洪泛沉積持平投影及等勢線圖

通常情況下，沉積巖磁化率最大軸(kmax)方向被認(rèn)為平行于古風(fēng)向和古水流向，而在理想狀態(tài)下kmin軸的方向也可以指示古流向(Rees, 1965；Tarling and Hrouda，1993；Piper et al., 1996)。以q值和T值最高的SWD1-2期洪水的赤平投影圖和等勢線圖(圖2)為例，其磁化率主軸投影集中在南北方向，且最小軸也有向北西方向投影的趨勢，說明當(dāng)時洪水流向可能是北北西向的，這與現(xiàn)代涇河河道近乎垂直。原因可能是此處的洪水滯留沉積記錄了洪水泛濫漫溢天然堤而形成的洪泛亞相沉積，其粒度較細(xì)，并且發(fā)育不明顯的水平層理也支持了這一觀點。因此，磁組構(gòu)可以很好的指示古洪水的流向，相對于沉積構(gòu)造指示標(biāo)志而言更精確，信息量更豐富。

進(jìn)入第四紀(jì)以來，地球氣候波動越來越強(qiáng)烈。每一次的洪水期與干旱期都忠誠的記錄了氣候的波動情況。張玉芬等(2009)認(rèn)為全新世以來洪水周期以千年及600 a為主，而3000以來周期縮短至200～300 a[9]，說明了洪水爆發(fā)的周期有縮短的趨勢，一方面與全球氣候變化有關(guān)，另一方面，可能與人類開始頻繁活動有密切的聯(lián)系。

3結(jié)語

(1) 在楊官寨一級河流階地識別出2期洪水滯留沉積，并對剖面地層進(jìn)行了劃分，明確了涇河下游河流階地是由風(fēng)成沉積與水成沉積互層形成的。并深入揭示了剖面所記錄的古洪水事件，這對于完善古洪水沉積學(xué)和水文學(xué)的方法和理論具有重要的科學(xué)價值[10]。

(2) 對階地剖面進(jìn)行古地磁采樣和測試，表明在微觀尺度上洪水沉積面理更發(fā)育，各項異度更高，沉積顆粒的磨圓度與分選情況不好，沉積動力條件較強(qiáng)。

(3) 對涇河洪水周期研究發(fā)現(xiàn)其周期有縮短的趨勢，一方面與氣候變化相關(guān)，另一方面與人類活動有密切關(guān)聯(lián)。

參考文獻(xiàn)

[1]史興民,師靜,萬正耀. 涇河近代洪水沉積物粒度特征分析[J]. 中國沙漠. 2009,29(3)：360-364.

[2]張玉芬,李長安,陳亮,等. 長江中游水成沉積與風(fēng)成沉積磁組構(gòu)特征[J]. 地質(zhì)學(xué)報. 2008,82(6)：857-863.

[3]張玉柱,黃春長,龐獎勵,等. 涇河下游古洪水滯流沉積物地球化學(xué)特征研究[J]. 沉積學(xué)報. 2012,30(5)：900-908.

[4]Hrouda F. Magnetic anisotropy of rocks and its application in geology and geophysics. Geophysical Surveys, 1982,5(1)：37-82.

[5]Rochette P, Jackson M and Aubourg C. Rock magnetism and the interpretation of anisotropy of magnetic susceptibility. Review Geophysics, 1992,30(3)：209-226.

[6]Tarling DH and Hrouda F. The Magnetic Anisotropy of Rocks. London, Chapman and Hall, 1993,1-189.

[7]Borradaile GJ and Henry B. Tectonic applications of magnetic susceptibility and its anisotropy. Earth-Science Reviews, 1997,42(1)：49-93.

[8]Graham JW. Magntic anisotropy, an unexploited petrofabric elements.Geological Society of American Bulletin, 1954,65(1)：1257-1258.

[9]張玉芬,李長安,陳亮,等. 基于磁組構(gòu)特征的江漢平原全新世古洪水事件[J]. 中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報. 2009,34(6)：985-992.

[10]張玉柱,黃春長,龐獎勵,等. 涇河下游全新世古洪水滯流沉積物研究[J]. 土壤通報. 2012,47(3)：521-528.

[收稿日期]2016-01-01

[作者簡介]吳鴻天(1990-)，男，遼寧本溪人，在讀碩士研究生，主攻方向：巖石磁學(xué)、環(huán)境磁學(xué)。

[中圖分類號]P512.31

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1004-1184(2016)03-0228-02