泾河下游全新世古洪水沉积磁组构特征研究

吴鸿天

(西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西 西安 710069)

泾河下游全新世古洪水沉积磁组构特征研究

吴鸿天

(西北大学大陆动力学国家重点实验室/西北大学地质学系，陕西 西安 710069)

[摘要]泾河是黄河流域的重要支流，也是渭河以及黄河中下游洪水的重要来源之一。通过对泾河一级阶地采集泾河洪水沉积的古地磁样品，进行了磁组构各项异度、磁面理、磁线理、磁基质颗粒度以及形状因子等参数的测定，并与风成黄土—古土壤沉积进行对比，得出泾河洪水沉积微观组构各项异度高、面理较发育、磨圆度与分选性差的特征，并通过赤平投影恢复了古洪水流向，并得出近3 000年来大洪水周期缩短至200～300 a的结论，对于泾河的防洪减灾、水资源开发利用具有重要的科学意义。

[关键词]泾河；磁组构；古洪水；洪水周期

随着人类的发展，全球环境变化逐渐成为各个学科的研究热点。古洪水与其他环境事件如极端干旱、频繁沙尘暴、雪灾等，都与全球气候变化有着密切的联系。古洪水是指在人类有历史记录之前的但是被沉积物记录到的洪水事件。对古洪水的研究是了解流域暴雨洪水造成的土壤侵蚀、泥沙的搬运极其沉积规律的重要途径[1]，同时也是研究河道变迁、环境演变以及当地气候的规律与趋势等的重要手段。

目前基于沉积物的古洪水研究主要是结合古河道切割、堆积充填物标志(Partriage and Baker，1987；李长安等，2002)和洪水沉积构造(洪水楔、洪水冲痕等)标志(Burrin，1985；李长安等，2004)，但是这些沉积构造标志在开阔的洪泛平原上并不发育[2]，且少有对洪水沉积物微观颗粒特征以及古洪水流向定向分析的研究。本文在实地野外踏勘和采样的基础上，在河流下游洪泛平原运用磁组构的方法对泾河全新世古洪水沉积进行了揭示，并与剖面黄土—古土壤序列的磁组构进行了对比，分析了洪水发生的变化规律。

1剖面位置及地层描述

泾河是黄河的二级支流，流域位于东亚季风边缘地区，年降水量极不稳定，且集中在夏季，容易形成洪水。研究地点位于泾河下游高陵县杨官寨一级河流阶地，剖面顶部与底部以黄土地层为主，中部发育古土壤层以及洪水滞留沉积地层(图1)。根据剖面地层的颜色、粒度、结构等，将地层划分如下：

(1) 表土耕作层(MS)，以棕黑色为主，含有大量植物根系与虫孔，呈团粒结构，属于典型的耕作土壤，厚45 cm；

(2) 顶层黄土(L0)，橙黄色，粒度较耕作层略粗，厚35 cm；

(3) 第二期洪水沉积(SWD2)，浅黄色，粒度很细，可细分为2～3层，厚22 cm；

(4) 黑垆土上部(S0上)，颜色较深，以棕色为主，团粒状结构，厚18 cm；

(5) 第一期洪水沉积(SWD1)，浅橙色，粒度很细，可细分为5层以上，部分层位有成壤改造现象，是剖面粒度最细的层位，发育小型水平层理，厚约90 cm；

(6) 黑垆土下部(S0下)，团块—团粒状结构，层位相当于杨官寨仰韶文化，可见少量碎陶片，厚70 cm；

(7) 马兰黄土(L1)，未见底。

图1　杨官寨泾河一级阶地剖面图[3]

2实验结果与讨论

磁组构的本质是岩石内部的磁性矿物颗粒在外力(如重力、挤压应力、水流等)作用下发生的重结晶、变形或定向排列，可以反映磁性颗粒的演化、宏观受力状况等地质过程[4-7](Hrouda, 1982；Rochette et al., 1992；Tarling and Hrouda, 1993；Borradaile and Henry, 1997)。描述磁组构的基本要素是磁化率各项异性椭球体的长轴(k1)、中间轴(k2)和短轴(k3)的磁化率大小(Graham，1954；Hrouda, 1982)，此外常用的参数还有磁线理(L)、磁面理(F)以及各项异度(P)、磁基质颗粒度(q)等[8]。磁面理反映沉积颗粒呈面状分布的程度，磁线理反映沉积颗粒呈线状排列的程度。P、F均是水动力条件强弱和沉积环境稳定性的反映,P、F相对较大，表示沉积物沉积时的水动力条件较强。

野外踏勘时，对剖面由上至下每个层位均进行了手标本采样，在实验室内加工成2×2×2 cm的定向测试样品共277块。全部样品的AMS测试均在西北大学大陆动力学国家重点实验室运用捷克AGICO公司生产的Kappabridge磁化率仪( KLY-4S，工作频率875 Hz，测试精度2×10-8SI)进行测试。

表1　杨官寨剖面不同层位磁组构参数分析结果

通过测得的磁组构各个参数可知，洪水沉积的各项异度(P)、面理(F)度普遍较大，说明了洪水期水流速较快，水动力较强的特征，意味着洪水的沉积动力比风成黄土高很多，洪水沉积物的细微层理同样较风成黄土发育。而磁基质粒度(q)与形状因子(T)可以更好的说明沉积物颗粒粒度的分选状况与磨圆度，即q值与T值越高，越能表示颗粒在非正常重力分异条件下的快速堆积，越有可能代表着一次洪水事件。通过表1可见，相对于黄土—古土壤序列，全新世每一期的洪水q值于T值均明显偏高。也就是说，在洪水沉积的微观尺度上，相比于一般的风成和水成沉积而言，有着各项异度高，面理较发育，小颗粒分选与磨圆程度低的特点。

图2　泾河洪泛沉积持平投影及等势线图

通常情况下，沉积岩磁化率最大轴(kmax)方向被认为平行于古风向和古水流向，而在理想状态下kmin轴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期洪水的赤平投影图和等势线图(图2)为例，其磁化率主轴投影集中在南北方向，且最小轴也有向北西方向投影的趋势，说明当时洪水流向可能是北北西向的，这与现代泾河河道近乎垂直。原因可能是此处的洪水滞留沉积记录了洪水泛滥漫溢天然堤而形成的洪泛亚相沉积，其粒度较细，并且发育不明显的水平层理也支持了这一观点。因此，磁组构可以很好的指示古洪水的流向，相对于沉积构造指示标志而言更精确，信息量更丰富。

进入第四纪以来，地球气候波动越来越强烈。每一次的洪水期与干旱期都忠诚的记录了气候的波动情况。张玉芬等(2009)认为全新世以来洪水周期以千年及600 a为主，而3000以来周期缩短至200～300 a[9]，说明了洪水爆发的周期有缩短的趋势，一方面与全球气候变化有关，另一方面，可能与人类开始频繁活动有密切的联系。

3结语

(1) 在杨官寨一级河流阶地识别出2期洪水滞留沉积，并对剖面地层进行了划分，明确了泾河下游河流阶地是由风成沉积与水成沉积互层形成的。并深入揭示了剖面所记录的古洪水事件，这对于完善古洪水沉积学和水文学的方法和理论具有重要的科学价值[10]。

(2) 对阶地剖面进行古地磁采样和测试，表明在微观尺度上洪水沉积面理更发育，各项异度更高，沉积颗粒的磨圆度与分选情况不好，沉积动力条件较强。

(3) 对泾河洪水周期研究发现其周期有缩短的趋势，一方面与气候变化相关，另一方面与人类活动有密切关联。

参考文献

[1]史兴民,师静,万正耀. 泾河近代洪水沉积物粒度特征分析[J]. 中国沙漠. 2009,29(3)：360-364.

[2]张玉芬,李长安,陈亮,等. 长江中游水成沉积与风成沉积磁组构特征[J]. 地质学报. 2008,82(6)：857-863.

[3]张玉柱,黄春长,庞奖励,等. 泾河下游古洪水滞流沉积物地球化学特征研究[J]. 沉积学报. 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]张玉芬,李长安,陈亮,等. 基于磁组构特征的江汉平原全新世古洪水事件[J]. 中国地质大学学报. 2009,34(6)：985-992.

[10]张玉柱,黄春长,庞奖励,等. 泾河下游全新世古洪水滞流沉积物研究[J]. 土壤通报. 2012,47(3)：521-528.

[收稿日期]2016-01-01

[作者简介]吴鸿天(1990-)，男，辽宁本溪人，在读硕士研究生，主攻方向：岩石磁学、环境磁学。

[中图分类号]P512.31

[文献标识码]A

[文章编号]1004-1184(2016)03-0228-02