独流减河盐沼210Pbexc和137Cs剖面记录的现代洪水事件沉积

杨　彪，王　福，田立柱，陈永胜，姜兴钰，王　宏，胡　克，方　晶，李建芬，商志文

(1.中国地质调查局 天津地质调查中心，天津300170；2.中国地质大学(北京) 海洋学院，北京100083；3.中国地质



独流减河盐沼210Pbexc和137Cs剖面记录的现代洪水事件沉积

杨彪1,2，王福*1,3,4，田立柱1,3，陈永胜1,3，姜兴钰1,3，王宏1,3，胡克2，方晶5，李建芬1,3，商志文1,3

(1.中国地质调查局 天津地质调查中心，天津300170；2.中国地质大学(北京) 海洋学院，北京100083；3.中国地质

调查局 泥质海岸带地质环境重点实验室，天津300170；4.天津地质矿产研究所 年轻沉积物测年实验室，

天津300170；5.天津师范大学 城市与环境科学学院，天津300387)

摘要:在独流减河入海口附近河道之间的盐沼采用人工探坑侧壁连续取样，获得2个站位的沉积物样品。通过210Pb和137Cs定年法建立年代框架，结合粒度分析、有孔虫鉴定和水文数据，探讨了该区的现代洪水事件沉积。结果表明，该区沉积物的210Pbexc比活度-深度剖面中存在2处明显的低值沉积层，分别在3～6 cm和10～14 cm深度，这2个沉积层分别对应137Cs曲线的次峰和主峰。这两层与上下相邻层位相比呈现粒径较粗、分选较差，有孔虫丰度较低、破损百分比较高的特征。210Pb测年结果显示，137Cs曲线下部的主峰对应的年龄为1963年，与全球性的最大峰值形成时间相对应，而上部的次峰对应的并非1986年切尔诺贝利核泄漏事故形成的次峰。区内水文数据显示，在1963和1996年分别发生了2次较大的洪水事件。因此，推断S4和S5站位剖面中2个特殊的沉积层是由洪水事件造成的。本研究说明高分辨率沉积特征的多指标研究可以较为准确地揭示洪水等灾害性事件发生的年代和频率，这有利于系统地揭露海陆过渡带地区地质历史时期灾害和气候事件的频率和强度，为灾害预防和未来规划提供科学依据。

关键词:洪水沉积；210Pb；137Cs；粒度；有孔虫；渤海湾

0引言

洪水是常见的自然灾害，它的发生往往给相关区域带来重大的生命和财产损失[1-4]。随着全球气温的显著升高，水文循环过程也在加快，部分地区降水事件发生的频率和强度有所上升，进而引起突发洪水灾害频繁出现，而且基于模拟结果显示，这种趋势很可能会持续[5-7]。洪水期间，强大的水动力会在相应的区域留下区别于正常沉积特征的沉积物(即洪水沉积)，灾害过后该沉积被后期的正常沉积覆盖，成为地层中灾害事件的记录。因此，通过研究地层沉积物的沉积特征，可以获得并完善灾害事件的相关资料，从而为灾害预防和未来规划提供科学证据。以往研究洪水沉积的方法涉及粒度特征、有机碳含量和微体古生物等多指标[8-10]以及考古地质学[11]，树木年轮[12]，洪水灾害评价和应用[13-15]等多个方面。然而，由于洪水等高动能事件的突发性和再沉积作用，其高分辨率测年一直存在瓶颈。

独流减河是人工泄洪河道，对大清河与天津市的防洪减灾有着重要的作用。位于独流减河近河口处两条河道之间的盐沼由于遭受到的人类活动破坏较少、沉积环境较为稳定、平时出露水面而洪水等高动能事件期间常被淹没等因素，使其在洪水等高动能事件沉积研究方面具有很好的优势。然而，该地区以往的研究主要包括泄洪工程安全及维护[16-18]、河口泥沙运移模拟[19]、河道治理[20-21]等方面，暂无关于洪水事件沉积方面的研究。

本文选取独流减河近河口处的盐沼作为研究区，系统分析该区沉积物210Pbexc和137Cs沉积剖面，并结合沉积物的粒度数据、有孔虫分析数据和水文数据，探讨该区210Pbexc和137Cs剖面中记录的现代洪水事件沉积。

1区域概况

独流减河位于天津市南部，河道流经3个区县至防潮闸(图1)，全长67 km，是大清河和子牙河洪水的主要泄洪河道[21]。独流减河径流受大气降雨及人类活动影响，有着径流量少、年际丰枯悬殊、年内集中于汛期等特点[19]。

图1　采样站位及研究区概况Fig.1　Study area and sampling sites

清代雍正、乾隆年间大水，在静海县独流镇开河泄洪，故称独流河。后来河道日久淤积堵塞而改道。1917年和1939年海河流域大洪水，曾多次计划开挖独流减河，但因人力资金等因素而未能实施或半途而废。直至建国以后，为减轻天津以南地区的泄洪压力，独流减河工程再次动工，并在第六埠附近河道修建进洪闸，于1953年竣工；随后，为满足实际泄洪需求，1966至1970年间对独流减河进行扩建，于河道入海口处修建防潮闸，该闸常年处于闭闸状态[20-22]。1953至1966年之间，独流减河受到河流与海洋水动力的共同作用，其沉积环境类似于盐沼，防潮闸修建之后，成为盐沼残余。1980年以来防潮闸上7 km范围内成为大港电厂的蓄水池，常年存放海水[20]，使独流减河再次受到海水影响，保持盐沼沉积环境。

2研究方法

2.1取样

2013年4月28日和5月7日，在独流减河近河口盐沼上选取2个站位(S4和S5)采样，采样站位的具体情况见图1和表1。人工探坑侧壁取样时采用1 cm厚度连续取样，Eijkelkamp槽型取样钻(59 mm直径)取样时采用4 cm厚度连续取样。取样时对沉积物剖面进行描述，包括沉积物颜色和岩性等。同时，采用医用注射器在侧壁取10 mL的沉积物样品，以获得沉积物的密度数据。本研究选用了2个站位表层0～30 cm深度的沉积物样品。

表1　独流减河地区 S4和S5站位情况一览表

2.2实验分析

选取2个站位0～30 cm深度的沉积物，在实验室对其进行如下分析：

(1)密度测量：分别测量出密度样品的干、湿重量，计算获得干、湿密度数据，用于210Pb测年法CRS模式的计算。

(2)放射性核素210Pb和137Cs比活度测试：将样品烘干研磨，密封3周后，测试。210Pb测年数据采用CIC和CRS两种计年模式进行计算[23-25]。样品测试在中国科学院南京地理与湖泊研究所实验室进行，分析仪器为美国ORTEC公司生产的高纯锗γ谱分析系统。137Cs和226Ra 标准样品由中国原子能研究院提供；210Pb 标准样品由英国利物浦大学做比对标准。

(3)粒度分析：按1 cm厚度连续取样。取一定量样品先用蒸馏水浸泡2～3 d后搅拌，再用超声仪器震荡20～30 min，最后用玻璃棒充分搅拌，待测。粒度结果按照粒径大小归纳为3大类，分别为黏土(<4 μm)、粉砂(4～63 μm)和砂(63～2 000 μm)。样品测试在天津地质矿产研究所粒度实验室进行，所用仪器为Microtrac S3500激光粒度分析仪，测量范围0.02～2 800 μm。

(4)有孔虫鉴定：采集干燥后的沉积物样品20 g，用水浸泡(黏土成分多时可加H2O2使其分解)，充分搅拌使沉积颗粒分散，静置24 h后，用240目(0.063 mm)筛冲洗，去掉0.063 cm以下的泥质部分，筛上部分烘干，于双目显微镜下分析统计有孔虫丰度(即总个数)和破损百分比(破损百分比=破损个数/总个数×100%)。完整有孔虫和破损有孔虫的对比图见附图I。

3结果

3.1岩性及粒度特征

S4和S5采样站位地表均有呈斑块状分布的碱蓬、芦苇等植物生长。两个站位剖面的沉积物均以深黄棕色粉砂为主，站位之间差别不大。两个站位剖面的沉积物岩性和粒度特征(图2)的具体描述如下：

图2　S4(a)和S5(b)站位沉积物粒度分析结果图Fig.2　Results of grain size analysis of S4 (a) and S5 (b) sites

S4站位的沉积物以粉砂为主，黏土、粉砂和砂的平均含量分别为6.09%，82.79%和11.12%，其中粉砂的含量范围为78.73%～85.65%。平均粒径为5.5φ(范围为5.2～5.8φ)，总体分选性极好，粒度曲线呈负偏态和平坦-中等峰度。但在3.5，7.5和11.5 cm深度附近存在平均粒径相对较粗、分选相对较差的沉积层，这几段中的沉积物表现为粒径突然变粗，然后缓慢变细的特征(图2a)。

S5站位的沉积物亦以粉砂为主，黏土、粉砂和砂的平均含量分别为6.41%、82.79%和10.80%，其中粉砂含量范围为79.68%～88.52%。平均粒径为5.5φ(范围为5.2～6.6φ)，总体分选性极好，粒度曲线呈负偏态和平坦-中等峰度。但在5.5，13.5和26.5 cm深度附近存在平均粒径相对较粗、分选相对较差的沉积层，与S4站位一样，这几段的沉积物表现为粒径突然变粗，然后缓慢变细的特征(图2b)。

3.2有孔虫特征

S4和S5站位剖面的沉积物中有孔虫丰度及破损百分比随深度变化的分布特征如图3所示，有孔虫在0～30 cm深度范围内均有发现。

S4站位的有孔虫丰度在60到960个之间，平均值为455个，其破损百分比在43.2%～60.6%之间，平均值为51.0%。该站位存在3处丰度相对较低且破损百分比相对较高的层位，分别在2～4 cm、12～15 cm和21～22 cm深度。

S5站位的有孔虫丰度在272到784个之间，平均值为521个，其破损百分比在23.3%～57.1%之间，平均值为42.8%。该站位亦存在3处丰度相对较低且破损百分比相对较高的层位，分别在4～5 cm、8～10 cm和11～15 cm深度。

图3　S4(a)和S5(b)站位有孔虫丰度及破损百分比随深度变化曲线图Fig.3　Graph of foraminiferal abundance and brokenness percentage changing with the depth of S4(a) and S5(b) sites

3.3210Pbexc和137Cs沉积剖面

S4和S5站位210Pbexc和137Cs比活度随深度变化特征如图4所示。在0～15 cm深度范围内，2个站位210Pbexc比活度-深度剖面曲线均呈指数衰减，并且210Pbexc曲线有2处明显的低值，这2处低值分别对应137Cs曲线的2个特征峰。S4和S5站位的137Cs比活度-深度剖面均有2个明显的蓄积峰。S4站位137Cs曲线的主蓄积峰(4.18 Bq/kg)出现的深度为13.5 cm，次蓄积峰(1.89 Bq/kg)出现的深度为3.5 cm，最大检出深度为19.5 cm；S5站位137Cs曲线的主蓄积峰(10.12 Bq/kg)出现的深度为13.5 cm，次蓄积峰(3.25 Bq/kg)出现的深度为5.5 cm，最大检出深度为18.5 cm。

图4　S4(a)和S5(b)站位剖面的沉积物210Pbexc和137Cs比活度-深度剖面曲线图Fig.4　210Pbexc and 137Cs activity-depth profiles of S4(a) and S5(b) sites

S4站位沉积物的210Pbexc比活度-深度剖面曲线可分为上下两段，上段0～13.5 cm呈指数型衰减，在4.5 cm和9.5～12.5 cm深度附近出现比活度低值；下段13.5～27.5 cm呈近等幅摆动，向下略有衰减。对表层0～14 cm段去除异常数据干扰(通常异常数据是指在比活度-深度曲线中较邻近深度的比活度数据表现为极端低值或者高值的数据)，采用CIC模式计算平均沉积速率，结果显示，该段平均沉积速率为0.29 cm/a(表2和图4a)。13.5 cm深度对应1966年前后。S4站位剖面(0～27.5 cm)沉积物中210Pbexc总蓄积量为4.04 Bq/cm2。

S5站位沉积物的210Pbexc曲线整体呈指数型衰减，在4.5 cm和11.5 cm深度附近出现比活度低值。对表层0～14 cm段去除异常数据干扰，采用CIC模式计算平均沉积速率，结果显示，该段平均沉积速率为0.26 cm/a(表2和图4b)。13.5 cm深度对应1961年前后。S5站位剖面(0～29.5 cm)沉积物中210Pbexc总蓄积量为3.48 Bq/cm2。

S4和S5站位210Pbexc的CIC模式结果显示137Cs最大峰值(主蓄积峰)对应1961-1966年，可以确定该蓄积峰的年代为1963年，与全球性最大峰值一致。

表2　CIC模式获得的S4和S5站位沉积物的平均沉积速率

4讨论

4.1沉积物测年结果

通过210Pb测年法的CIC模式，可以确定137Cs最大峰值(主积蓄峰)检出深度对应1963年时标。以此为基础，通过210Pbexc测年法的CRS模式计算获得“次峰”对应的年龄为1995—1999年(表3)。

表3　137Cs比活度-深度剖面曲线2处峰值检出深度所对应的沉积年代

众多研究统计表明：137Cs 曲线中1963年的特征峰在全球范围内均有发现[26-29]，而1973年峰和1986年峰则存在于局部地区[30-33]。本文中，137Cs曲线的2个特征峰，可以确定第一个特征峰(13.5 cm深度)对应1963年时标，其与全球性峰值相对应。但2个站位3.5 cm/5.5 cm深度的“次峰”对应的沉积年代为1995—1999年前后，并非已知时标年(1973年或1986年前后)，这说明，在137Cs“次峰”的时标使用上需要其它测年方法的验证。

综上，S4和S5站位13.5 cm深度对应的沉积年代在1963年前后，S4站位3.5 cm深度和S5站位5.5 cm深度对应的沉积年代在1995—1999年之间。

4.2洪水沉积记录

研究区内水文数据显示，1953—1965年间，独流减河多年年均径流量较大，其中1963年经历特大洪水，八、九月份总径流量达26.62亿m3(即约513.5 m3/s)；随后，1977年和1979年年均径流量较大，分别为73.7 m3/s和31.0 m3/s；至1996年8月，独流减河经历中度洪水，流量最大达1 500 m3/s[19-20,34]。独流减河口1950—2000年的年入海径流量如图5所示[35]。S4和S5站位中的2个事件沉积层应该为1963年和1996年的2次洪水事件沉积。下面从210Pbexc与137Cs比活度-深度剖面、沉积物粒度和有孔虫3个方面进一步分析。

图5　独流减河口1950—2000年入海径流量[35]Fig.5　Water discharges of the Duliujian River estuary from 1950 to 2000 [35]

首先，S4和S5站位210Pbexc比活度-深度剖面曲线均表现为事件影响型[36]，在0～15 cm深度范围内存在2处明显的210Pbexc比活度低值(S4站位的9.5～12.5 cm、4.5 cm深度和S5站位的11.5 cm、4.5 cm深度)。在正常天气条件下，2个采样站位只接受大气沉降，沉降量相对稳定，沉积界面上210Pbexc的初始比活度基本恒定，使得沉积物的210Pbexc比活度-深度剖面曲线呈较好的指数型衰减。而洪水期间，上游被剥蚀、搬运来的210Pbexc比活度较低的“老”沉积物再沉积于新的地层之中，造成210Pbexc曲线出现一段或是几段210Pbexc比活度较低的沉积层。同时，2个站位的137Cs比活度-深度剖面曲线的次蓄积峰对应的年代在1995—1999年之间，这与已知时标年不符。而洪水期间，高能水动力携带由上游剥蚀而来的含有137Cs的“老”沉积物于S4和S5站位再沉积，形成蓄积峰。因此，推断2个站位剖面的210Pbexc曲线在0～15 cm深度范围内的2处明显的210Pbexc比活度低值层段由高动能洪水事件造成，也就是是由1963和1996年两次洪水事件造成的。

其次，S4和S5站位剖面的沉积物粒度分析结果显示，两个站位剖面1963和1996年对应层位的沉积物相对较粗、分选相对较差。洪水期间，水动力增强，被洪水携带来的沉积物在此快速堆积，粒径较粗的沉积物先沉积形成向上变细的正粒序，同时快速沉积造成了沉积物的分选较差。

再次，S4和S5站位剖面的有孔虫数据分析结果显示，在1963年和1996年对应的层位，有孔虫均表现为丰度较低、破损百分比较高的特征。这是因为在正常天气条件下，该区沉积环境相对稳定，沉积物中有孔虫丰度及破损百分比变化不大；只有在洪水期间，由于不含有孔虫的陆源沉积物加入，造成了有孔虫丰度降低，同时由于水动力增强，造成有孔虫破损百分比增高。

综上所述，可以确定S4和S5站位剖面记录到了1963年和1996年2次洪水事件。可以为在地层中识别洪水事件沉积研究提供参考。

5结论

通过现代沉积物测年、粒度分析及有孔虫鉴定等方法，对独流减河盐沼沉积地层中的洪水事件沉积进行了研究，结果显示：

(1)S4和S5站位剖面的沉积物以深黄棕色粉砂为主，分选性极好。在0～15 cm深度范围内，两站位的210Pbexc比活度-深度剖面中存在2处明显的低值沉积层，分别在3～6 cm和10～14 cm深度，且这2个沉积层分别对应137Cs曲线的次峰和主峰，这2个沉积层相与相邻沉积层对比呈现沉积物粒径较粗、分选较差，有孔虫丰度较低、破损百分比较高的特征。

(2)137Cs曲线下部主峰对应年龄为1963年，与全球性的最大峰值形成时间相对应。而上部次峰对应年龄为1996年，并非1986年切尔诺贝利核泄漏事故形成的次峰。

(3)结合该区水文数据、粒度数据及有孔虫数据，可以确定S4和S5站位记录了2次洪水事件，分别是1963年特大洪水事件和1996年中度洪水事件。

致谢中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与环境国家重点实验室完成了样品的测年工作，天津地质矿产研究所粒度实验室完成了样品的粒度测试工作，在此一并表示感谢！

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附图I　有孔虫照片Fig.I　Photos of foraminifera1～12为完整的有孔虫，13～24为破损的有孔虫1～12 are complete foraminifera,13～24 are broken foraminifera

收稿日期:2016-02-24修回日期:2016-03-27

基金项目:国家自然科学基金项目资助(41206069)；中国地质调查局百名青年地质英才培养计划项目资助

作者简介:杨彪(1990-)，男，河北沧州市人，主要从事现代沉积物测年与海岸带地质环境研究。E-mail:kantian1218@163.com *通讯作者：王福(1979-)，男，副研究员，主要从事现代沉积物测年与海岸带地质环境研究。E-mail:tjwangfu@163.com

中图分类号:P694；P512.2

文献标识码:A

文章编号:1001-909X(2016)02-0025-10

Doi:10.3969/j.issn.1001-909X.2016.02.004

Deposition of modern flooding events indicated by210Pbexcand137Cs records from salt marsh of the Duliujian River, Tianjin

YANG Biao1,2, WANG Fu*1,3,4, TIAN Li-zhu1,3, CHEN Yong-sheng1,3, JIANG Xing-yu1,3,WANG Hong1,3, HU Ke2, FANG Jing5, LI Jian-fen1,3, SHANG Zhi-wen1,3

(1.TianjinCentreofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Tianjin300170,China; 2.SchoolofOceanSciences,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China; 3.KeyLaboratoryofMuddyCoastGeo-environment,ChinaGeologicalSurvey,Tianjin300170,China; 4.YoungSedimentsDatingLaboratory,TianjinInstituteofGeologyandMineralResources,Tianjin300170,China; 5.CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,TianjinNormalUniversity,Tianjin300387,China)

Abstract:Sediment samples were collected from two sites in the artificial channel salt marsh of the Duliujian River, through continuous sampling along the side wall of artificial dig pits. The chronology was developed using210Pb and137Cs dating methods, and grain size, foraminifera and hydrologic data were used to study the deposition of modern flooding events. The results show that210Pbexcactivities are obviously lower in 3～6 cm and 10～14 cm layers, corresponding to the main peak and minor peak of137Cs. In addition, comparing with the adjacent layers, these two layers show coarse-grained, poorly sorted, low foraminiferal abundance and high foraminiferal brokenness percentage. The results of210Pb dating show that the main peaks of137Cs was 1963, corresponding to the global137Cs fallout well; however, the minor peaks was not 1986, so it was not caused by the accident of the Chernobyl Reactor. The hydrological data show that there were two flood events in 1963 and 1996 in this area. Therefore, it can be concluded that these two special layers of S4 and S5 sites were caused by the flood events. It is indicated that multi indexes can help to reconstruct flood deposition, which also can help to find disasters and climate events in geological periods, and to provide scientific data for disaster prevention and future plan.

Key words:flood deposit;210Pb;137Cs; grain size; foraminifera; Bohai Bay

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