AMS14C測年對福建政和蛙巖古堰塞湖形成與潰壩時代的約束

肖愛芳 吳資龍 黎敦朋

(1.福州大學紫金地質與礦業(yè)學院，福州，350108；2.福建省地質測繪院，福州，350011)

堰塞湖是山崩、泥石流或熔巖堵塞河谷或洼地儲水形成的湖泊，通常是災變的產物，堰塞湖潰壩對下游常產生嚴重破壞，堰塞湖形成與消亡的研究對防災減災具有重要的意義。福建政和蛙巖巖崩遺跡是華東地區(qū)規(guī)模較大的巖崩[1-2]，被譽為“華東地區(qū)第一塌”，其崩積物堵塞七星溪河谷形成的古堰塞湖遺跡長度超過了10.5 km，是我國東部地區(qū)罕見的古堰塞湖遺址，潰壩后出露的堰塞湖沉積形成了外屯—湖屯一帶沿七星溪河谷的萬畝良田，為土地資源稀缺的山區(qū)提供了肥沃的良田。政和蛙巖巖崩-堰塞湖遺址是福建政和佛子山國家地質公園的一個地質災害遺跡，前人對蛙巖巖崩-堰塞湖景觀遺跡開展了初步的研究[3-4]，然而對巖崩的成因、形成時代、古堰塞湖是否發(fā)生過潰壩及潰壩時代尚未開展過研究。筆者通過對蛙巖堰塞壩、古堰塞湖遺址的野外調查、淺鉆施工和AMS14C測年，初步約束了蛙巖古堰塞湖形成與消亡的時限，為古堰塞湖形成與消亡演化的研究提供了實例，也為福建政和佛子山國家地質公園建設提供基礎地質支撐。

1 研究區(qū)地質概況

福建政和蛙巖巖崩-堰塞湖遺跡位于政和城東約11 km的武夷山東南麓的鷲峰山北段。蛙巖巖崩發(fā)育于閩江上游松溪一級支流中的次級支流七星溪中段，巖崩區(qū)呈長約300 m的上窄下寬的巖崩凹地，崩塌巖塊堵塞七星溪河流，形成長約200 m、寬為100～150 m、高為50～65 m的堰塞壩，靠近堰塞壩北部在后期形成了一個寬為20～30 m、深為6～10 m、長為150 m的潰堤河道(圖1)。在潰堤河道上段和中段滯留巨大崩塌巖塊，其中部滯留的一塊巨大巖塊形似“青蛙”而得名“蛙巖”(圖2)。20世紀60、70年代沿潰堤河道西南側引水修建了一個小型水電站。根據(jù)手持式GPS測量蛙巖堰塞壩頂最高海拔為(415±5)m，堰塞壩底部七星溪河面海拔為(350±5)m，已潰壩的堰塞湖泥沙淤積海拔為(390±5)m，現(xiàn)今河床下切堰塞湖淤積頂面1～2 m深。

圖1 蛙巖崩塌-堰塞湖地區(qū)地質圖(a)及地貌影像圖(b)Fig.1 Geological map (a) and geomorphic image map (b) of the frog rock collapse-barrier lake area

圖2 蛙巖堰塞壩及潰堤河道影像圖Fig.2 Image map of the frog rock barrier dam and embankment river

蛙巖巖崩發(fā)育于白堊世黃坑組上段流紋質火山角礫巖中[5-6]，屬于基巖崩塌，崩塌總體積約為20×104m3[3-4]，崩塌規(guī)模達到大型。崩塌巖塊直徑一般為1～2 m，最大巖塊長軸為20～25 m。堰塞湖長度超過10.5 km，推測堰塞湖最厚的淤積厚度為(40±5)m。

2 研究方法

在室內通過Google Earth圖像的分析和特征參數(shù)測量，獲取巖崩和堰塞湖規(guī)?；緟?shù)。然后開展野外現(xiàn)場的地貌調查，再選擇合適部位對堰塞湖沉積進行淺部鉆探施工，并采集AMS14C測年樣品約束古堰塞湖的時代。

將樣品送美國阿邁密BETA實驗室進行預處理和AMS14C測試。首先對有機質進行“酸-堿-酸”處理，然后將樣品浸入去離子水中進行輕柔研磨，用熱鹽酸溶液浸洗去除碳酸鹽，再用氫氧化鈉溶液浸洗去除次生有機酸，然后用鹽酸進行二次浸洗以中和上一步加入的堿，最后干燥制成預處理樣品。預處理樣品在800°C以上，100%氧氣環(huán)境下燃燒釋放CO2，釋放出的CO2先用甲醇/干冰干燥，然后用液氮收集起來使用鈷催化劑進行氫還原，制成石墨靶后放入AMS加速質譜儀和Thermo同位素比值質譜儀(IRMS)中進行測試。測試結果均通過δ13C值進行總分餾校正成為慣用年齡，并進行了樹輪校正轉換成日歷年齡[7-8]，半衰期以5 568 a計算，BP(before present)以A.D.1950計算。

3 研究結果

3.1 堰塞湖淺部鉆探結果

在海拔(390±5)m處施工一口鉆孔(ZK01)，鉆孔位置距離堰塞壩上游約100 m的農田中，用紹爾背負式小型鉆機施工了一口深度8.5 m的淺鉆，揭露了堰塞湖淺部沉積物組成，鉆孔巖芯直徑(d)為36 mm，鉆孔巖芯由上至下描述如下。

1.0～30 cm：巖性灰黑色塊狀耕作土，根系發(fā)育。

2.30～80 cm：巖性淺黃色含有機質亞砂土，含褐黑色斑狀有機質。

3.80～200cm：巖性灰色、灰黃色亞黏土，夾亞砂土，在138～140 cm處采集樣品(ZH04)。

4.200～300 cm：巖性淺黃色亞砂土，見褐紅色斑點狀有機質小團塊，在238～240 cm處采集樣品(ZH05)。

5.300～350 cm：巖性灰綠色粉砂質黏土，在338～340 cm處采集樣品(ZH06)。

6.350～370 cm：巖性灰黃色泥質粉砂。

7.370～400 cm：巖性灰綠色粉砂質亞砂土，在390 cm處見2×5 mm碳屑采集樣品(ZH07)。

8.400～415 cm：巖性灰黃色泥質粉砂。

9.415～580 cm：巖性灰綠色粉砂質亞砂土，中部夾灰黑色有機質細團塊，在深度487～490 cm處采集樣品(ZH08)。

10.580～610 cm：巖性灰綠色粉砂、細沙，在606～610 cm處采集樣品(ZH09)。

11.610～720 cm：巖性灰黃色細沙，在715～720 cm處采集樣品(ZH10)。

12.720～850 cm：巖性灰綠色粉砂質泥，在845～850 cm處采集樣品(ZH11)。

根據(jù)現(xiàn)有的8.5 m深的堰塞湖淺部鉆探揭露：堰塞湖沉積顏色主體以灰黃色、灰色和灰綠色為主；沉積物以亞砂土、細沙和粉砂為主，鉆孔中未見礫石，顯示離物源區(qū)有一定的距離，堰塞湖沉積物特征與大渡河加郡、石廣東古堰塞湖沉積特征相似[9-10]，而與岷江、雅魯藏布江古堰塞湖沉積較發(fā)育扇礫石顯著不同[11-13]，可能是鉆孔位于堰塞湖下游，距離物源距離較遠的原因造成的。在深度0～2.0 m巖芯干燥，從深度2.0 m開始巖芯含水量顯著增大，顯示地下水潛水面深度約為2.0 m，與現(xiàn)今河流水面高程基本一致。

3.2 AMS14C測年結果

對堰塞湖鉆孔巖芯沿深度采集了8件AMS14C測年樣品，其中ZH07樣品測年材料為棱角狀碳屑，其余樣品測年材料均為原始有機質沉積物。根據(jù)測年結果(表1)，14C年齡經樹輪校正后從930～795 Cal BP至1 528～1 376 Cal BP，其中深度2.4～3.4 m的樣品(ZH05、ZH06)14C年齡出現(xiàn)了明顯的年齡倒置現(xiàn)象[14]，其余14C年齡總體上與深度呈正相關(圖3)。ZH05、ZH06樣品14C年齡出現(xiàn)倒置現(xiàn)象的原因可能是其位于現(xiàn)今地下水潛水面附近，存在地下水與下伏更老沉積物的碳交換。

表1 蛙巖堰塞湖沉積AMS14C測年結果

圖3 蛙巖堰塞湖ZK01鉆孔柱狀圖及AMS14C年齡-深度圖Fig.3 ZK01 drilling bar chart and AMS14C age-depth map of frog rock barrier lake

4 討論

4.1 對古堰塞湖潰壩時代的討論

由于堰塞湖沉積頂部為耕作層，未采集14C測年樣品，在堰塞湖深度為138～140 cm處采集的ZH04獲得14C年齡為930～795 Cal BP，在深度為390 cm處采集的ZH07樣品獲得沉積物中碳屑的14C年齡為934～796 Cal BP，這2個樣品年齡誤差范圍十分接近。ZH07樣品測年材料為獨立的一顆2 mm×5 mm的棱角狀碳屑，其與原始有機質沉積物不同，不存在老碳的混合，也不存在“碳庫效應”[14]，其年齡值應代表該深度木屑碳化后沉積物的年齡，而即可以代表該深度堰塞湖沉積的實際年代。而深度為238～240 cm處采集的ZH05樣品的14C年齡為1 360～1 284 Cal BP，深度為338～340 cm處采集的ZH06樣品的14C年齡為1 528～1 376 Cal BP，其年齡值大于其下部50 cm處采集的ZH07樣品的14C年齡為934～796 Cal BP，表明ZH05和ZH06樣品存在年齡倒置現(xiàn)象，存在顯著的“碳庫效應”，可能其中混合了年齡更老的“老碳”或受潛水面以下地下水循環(huán)作用的影響帶入了下伏地層年齡更老的碳，由于ZH05和ZH06 2個樣品年齡偏離上、下地層較為可靠的年齡值較大，顯然不是分析誤差引起的，因此對ZH05和ZH06 2個樣品年齡不納入此次沉積速率估算。

另外的4件樣品AMS14C測年結果總體上與深度呈正相關，該深度-年齡直線的上交點年齡～0.8 ka BP，堰塞湖最頂部的沉積是潰壩后保留的最新堆積物，其可以代表堰塞湖潰壩的時代，考慮到測年的2σ誤差，即蛙巖古堰塞湖潰壩時代(～0.8±0.1)ka BP，對堰塞壩潰決的原因還有待收集更豐富的資料作進一步研究。

4.2 對巖崩-堰塞湖形成時代的討論

由前述討論可知ZH04、ZH07、ZH08、ZH09、ZH10、ZH11樣品的深度-年齡總體呈正相關，該深度-年齡直線在深度40 m下交點年齡～2.8 ka BP，考慮到測年的2σ誤差，即蛙巖巖崩-堰塞湖形成時代不早于(2.8±0.1)ka BP。

由于堰塞湖形成之前河谷的形態(tài)呈“V”型，庫容沿深度變化較為顯著，故(2.8±0.1)ka BP僅代表蛙巖古堰塞湖形成的時代下限，暗示蛙巖古堰塞湖從形成至潰決可能存在了1～2 ka，這與金沙江寨子村、黃河上游積石峽、岷江上游疊溪等堰塞湖持續(xù)時間相近[15-18]。前人研究表明一般堰塞湖最終都將發(fā)生潰決[19]，90%的堰塞湖在形成后1 a內潰決[20]，而蛙巖堰塞湖的壽命較長的原因可能與堰塞壩堆積物為流紋質火山角礫巖抗風化能力強和壩體厚度較大有關。

5 結論

蛙巖古堰塞湖沉積從地表至8.5 m深沉積物的AMS14C測年年齡范圍為930～795 Cal BP至1 528～1 376 Cal BP，根據(jù)沉積速率初步約束蛙巖巖崩-堰塞湖形成時代不早于(2.8±0.1)ka BP、古堰塞湖潰壩時代(～0.8±0.1)ka BP，估算蛙巖古堰塞湖形成至消亡的周期為1～2 ka。