黄河兰州段2018年汛期沉积物的磁学特征研究：对古洪水重建的启示

刘昌， 徐海伟， 刘成英

兰州大学地质科学与矿产资源学院， 甘肃省西部矿产资源重点实验室， 兰州 730000

0 引言

中国属世界上洪灾最频繁的国家之列，洪灾是我国主要的自然灾害之一(张行南等，2000；黄大鹏等，2007).黄河流域是我国文明的发源地，自人类出现后，经历了六次较大的改道或迁移；截至1949年，黄河溢决总次数超过1500次(陈进和王健，2002).近年来，黄河洪水频发.以2018年为例，黄河共出现三次编号洪水，上游甘肃、宁夏、内蒙古河段持续出现60多天较大流量(水利部信息中心，2019).因此，研究黄河流域洪水发生的规律和机制，预测未来洪水趋势是关乎国计民生的重要科学问题.

通过洪水标志建立古洪水演化序列，是洪水预报的重要内容之一(Knox，1993；李长安等，2009；Wang et al.，2011；吴紫阳等，2017；Peng et al.，2020； Feinberg et al.，2020).研究洪水标志的载体有多种，如石笋(Feinberg et al.，2020)、水下三角洲沉积(Wang et al.，2011)等，最常见亦最常用的是陆地洪水平流沉积物(杨晓燕等，2005；张玉芬等，2004,2009；李长安等，2009；Huang et al.，2010,2011,2012；Peng et al.，2020).洪水平流沉积通常指洪水溢出主河槽后沿河谷两侧适当地形，流速骤减、挟沙能力减弱而形成的沉积物(杨晓燕，2005；Huang et al.，2010).洪水平流沉积物作为大洪水事件的信息载体和沉积物记录，其成分和性质与上游流域地表物质组成、降雨区域范围及洪水来源、洪水含沙量、水位和流量有密切的联系，对理解大洪水所携泥沙的水文特征及其搬运、分选、沉积过程具有重要意义(Haritashya et al.，2010；张玉柱等，2012；李晓刚和黄春长，2014).近年来，研究者利用洪水平流沉积物的沉积特征尝试重建了黄河流域、长江流域、淮河流域的古洪水历史(Yang et al.，2000；张玉芬等，2009；Wang et al.，2011；Huang et al.，2012；Zhang et al.，2013；Mao et al.，2016；Wu et al.，2017；Zheng et al.，2019；熊智秋等，2020).如Huang 等(2011)在黄河中游漆水河河谷平流沉积物地层中识别出了距今4000～4300年和3000～3200年前的两次大洪水期，与气候变化密切关联.

目前现代洪水研究多集中于长江流域(李长安等，2009；郭永强等，2014；Niroomandi et al.，2018；周慧等，2020)，对黄河流域的相关研究较为薄弱(李晓刚和黄春长，2015)，缺乏对黄河上游现代洪水沉积物沉积特征的研究.本研究拟通过对黄河上游兰州段2018年汛期洪水沉积物的系统磁学分析，厘清其磁学特征，建立有效识别洪水事件的磁学指标，以期对古洪水重建提供参考.

1 区域背景与研究材料

黄河干流河道全长5464 km，是中国的第二长河，流域面积达75.2万km2，从西到东横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和黄淮平原.黄河源头至内蒙古托克托县河口镇为黄河上游，河口镇至河南郑州桃花峪为中游，以下至入海口为下游.黄河上游大部分位于青藏高原东北侧和西北干旱半干旱区，生态环境脆弱，大陆性气候明显，年均温5.0～9.7 ℃，年降水量370～600 mm，降水主要集中于7—9月，汛期输水量占全年60%～70 %(胡贵明等，2015).

2018年汛期，黄河流域暴雨过程频繁，共发生三次编号洪水(水利部信息中心，2019).7月8日黄河上游唐乃亥水文站(青海兴海)流量涨至2500 m3·s-1；洪峰流量为3440 m3·s-1(7月10日)；为一号洪水(水利部信息中心，2019).7月23日受刘家峡—兰州区间强降雨影响，兰州水文站洪峰流量达3610 m3·s-1，超警戒流量(3000 m3·s-1)形成黄河二号洪水(水利部信息中心等，2019；魏军等，2019；图9d).受黄河源区持续降雨及龙羊峡—兰州区间降雨影响，9月20日兰州水文站流量涨至3200 m3·s-1，超警戒流量形成黄河三号洪水，26日达洪峰流量3590 m3·s-1(水利部信息中心，2019，图9d).兰州体育公园处河岸在2018年汛期前是开放的河岸，汛期期间关闭，汛期结束后又重新开放.开放后发现汛期洪水在体育公园原水平河岸上形成了高约1.1 m的天然堤(图1).

次年三月对兰州体育公园该天然堤沉积物进行了系统采样.兰州(LZ)剖面沉积物以含泥细粉砂为主，采样厚度为110 cm(图1).采样时先清理水平面，再用磁罗盘在水平面上定出地理北方向，最后用无磁塑料盒(2×2×2 cm3)垂直扣取样品并标识北向和顶面.从顶到底以2 cm间隔垂直采样，共采集定向样品55个以及一套同深度平行散样用以岩石磁学实验等.

图1 采样剖面的地理位置和实景图片.采样剖面位于黄河上游(a)，兰州段黄河南岸(b).2018年洪水沉积物在该处形成了近东西向的天然堤(c)，附近有兰铁泵站黄河水位标志(d)以及采样剖面实景照片(e)Fig.1 Geographic location of the sample locality relative to Yellow River and profile photos(a，b)Geographic location of the sample locality relative to Yellow River. (c，e)Photos of the sample levee；(d)Lantie pumping station showing the mark of water level

2 实验方法

磁化率有关的参数使用捷克AGICO公司生产的多功能卡帕桥(MFK1-FA)磁化率仪测量.其中，典型样品的磁化率随温度曲线(-T)利用MFK1-FA及配套的高温加热系统，在氩气环境下加热至700 ℃并冷却至室温过程中测量，使用磁场频率为976 Hz，大小为200 A·m-1. 磁化率各向异性(AMS)测量时的磁场频率为976 Hz，大小为200 A·m-1. AMS通常用磁化率椭球表示，椭球体的三个主轴即最大轴、中间轴和最小轴分别记为K1、K2和K3，计算磁各向异性度(P=K1/K3；Nagata，1961)、磁线理(L=K1/K2；Balsley and Buddington，1960)、磁面理(F=K2/K3；Stacey et al.，1960)以及形状因子(T=(2K2-K1-K3)/(K1-K3)；Jelinek，1981)等参数.测量频率磁化率时，使用的低频磁场频率为976 Hz()，高频磁场为15126 Hz(hf)，大小均为200 A·m-1.计算频率磁化率的绝对值(fd=-hf)，及相对值(fd%=(-hf)/×100%).

样品的各种剩磁，包括天然剩磁(NRM)、等温剩磁(IRM)以及非磁滞剩磁(ARM)，均使用零磁屏蔽空间内的2G-760低温超导磁力仪测量获得.测量IRM时，利用脉冲磁力仪依次获得正向1000 mT、反向100 mT及反向300 mT的IRM后，使用2G760测量获得三个外场下的等温剩磁(分别记为SIRM、IRM-100 mT及IRM-300 mT)，并计算出S-ratio(S-ratio=-IRM-300 mT/SIRM；King and Channell，1991)、L-ratio(L-ratio=(SIRM+IRM-300 mT)/(SIRM+IRM-100 mT)；Liu et al.，2007)以及HIRM(HIRM=(SIRM+IRM-300 mT)/2；Thompson and Oldfield，1986).非磁滞剩磁是在最高为100 mT的逐渐衰减的交流场中加0.05 mT的直流场后测量获得，将ARM用直流场大小及质量归一化可获得非磁滞磁化率ARM.

典型样品的磁滞特征利用美国普林斯顿仪器公司生产的振动样品磁力仪(MicroMag VSM 3900)测量；包括磁滞回线、IRM获得曲线、反向场退磁曲线和一阶反转曲线(first order reversal curve，FORC)．测量磁滞回线时外场变化范围为-1.0～1.0 T，从磁滞回线上可以获得矫顽力Bc、饱和磁化强度Ms以及饱和剩余磁化强度Mrs参数．IRM获得曲线的最大场为1.5 T，反向场退磁至约-400 mT，获得剩磁矫顽力Bcr参数．对IRM获得曲线进行了矫顽力分析(Kruiver et al.，2001).利用FORCinel软件处理FORC数据并成图(Harrison and Feinberg，2008).本研究所有磁学实验均在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室完成.

图2 兰州剖面代表样品的磁化率随温度变化曲线箭头及黑色实线(灰色)指示加热(冷却)过程，0/c表示加热前/冷却后样品的室温磁化率，单位为10-8m3·kg-1Fig.2 Representative temperature-dependent magnetic susceptibility curves，arrow/black (gray) curve indicates the heating (cooling) runs，0/c represent room-temperature magnetic susceptibility before/after heating-cooling runs in 10-8m3·kg-1

3 实验结果

3.1 磁化率随温度变化(-T)曲线

磁化率能够反映磁性矿物的类型、粒径和含量等信息，因此可利用磁化率随温度变化的特征识别样品中磁性矿物的种类和粒度分布(Dunlop and Özdemir，1997；Deng et al.，2001,2006；Liu et al.，2005).剖面上不同深度的代表性样品的加热曲线(图2)显示，样品磁化率约为585 ℃(即磁铁矿的居里温度)出现急剧降低(Dunlop and Özdemir，1997)，指示样品中均含有磁铁矿.加热冷却后，样品的磁化率在约580 ℃后明显增高，冷却至室温后的磁化率比加热前增强了4～11倍，可能由含铁的黏土矿物或硅酸盐矿物在加热过程中生成强磁性矿物(磁铁矿)的不可逆反应引起(Deng et al.，2001；Liu et al.，2005).

3.2 磁化率各向异性(AMS)结果

磁化率各向异性(AMS)可反映岩石和沉积物中磁性矿物定向排列特征，这些特征与地质过程密切相关(Hrouda，1982；Tarling and Hrouda，1993；潘永信和朱日祥，1998；Zhu et al.，2004；张淑伟等，2017).兰州2018年洪水沉积物剖面的磁化率各向异性结果显示两阶段特征.剖面上部(0～64 cm)的磁化率最大轴偏角(K1-Dec)在上半平面随机分布(358.7°±46.4°)，K1倾角(K1-Inc)的平均值为43.2°±8.1°(图3a)；磁化率最小轴(K3)的偏角(K3-Dec)和倾角(K3-Inc)方向均比较集中，K3-Inc的统计平均方向为46.8°±6.9°(n=32).剖面下部(66～110 cm)的K1-Dec显示出优选方向，集中在22.8°附近(±10.3°)，K1-Inc的平均值为37.2°±7.0°(图3b)，K3-Inc方向也相对集中，其统计平均方向为52.2°±5.1°(n=23；图3b).剖面上部样品的AMS椭球体的形状因子T的平均值(0.627)略大于下部(0.427)，磁各向异性度P差别不大(分别为1.058和1.063).所有样品均落在L=F对角线的下方(图3c)，0

图3 兰州剖面的磁化率各向异性(AMS)结果(a) 剖面上部(0～64 cm)和(b)下部(66～110 cm)磁化率最大轴(K1)和最小轴(K3)的等面积投影图(下半球投影)及统计平均方向.其中白色正方形(圆圈)及椭圆分别代表K1(K3)的平均方向和95%置信区间.(c) 磁线理(L)与磁面理(F)关系图以及(d)形状因子(T)与各向异性度(P)关系图Fig.3 Results of anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) measurement from Lanzhou 2018 flood sediments(a，b) Equal-area projections of the maximum (K1) and minimum (K3) principal susceptibility from 0～64 cm (a) and 66～110 cm (b). The white square (circle) and ellipse indicates the statistic mean direction of K1 (K3) and its 95% confidence level. (c) L-F and (d) P-T diagrams.

3.3 环境磁学参数随深度的变化

指示磁性矿物种类的参数S-ratio在0.67～0.79之间变化，均值为0.74±0.02(图4f).以低矫顽力矿物(磁铁矿)主导的沉积物的S-ratio值一般高于0.8(Liu et al.，2012)，因此，兰州剖面2018年洪水沉积物的S-ratio比值指示沉积物中高、低矫顽力磁性矿物混合的特征(Evans and Heller，2003；Liu et al.，2007,2012).L-ratio的变化区间为1.25～1.29；在深度上未显示明显变化，均值为1.27±0.01(图4g).

磁学参数的相关性分析显示，兰州剖面2018年洪水沉积物的SIRM、HIRM与呈线性正相关，直线的拟合置信度R2>0.94(图5a).fd、ARM与(SIRM)在整个剖面上均呈正相关关系，但上部和下部具有不同的规律(图5b—d).磁学粒度参数(ARM/和ARM/SIRM)与在剖面上显示为复杂的负相关关系，剖面上部和下部的规律亦不相同(图5e，f).

图4 兰州剖面环境磁学参数随深度变化图(a) 低频磁化率()； (b) 饱和等温剩磁(SIRM)； (c) 非磁滞剩磁(ARM)； (d) 频率磁化率(fd)； (e) fd%； (f) S-ratio； (g) L-ratio； (h) ARM/SIRM； (i) ARM/和(j)天然剩磁强度(NRM)Fig.4 Magnetic parameters variation of Lanzhou profile(a) Low field magnetic susceptibility (); (b) Saturation isothermal remanent magnetization (SIRM); (c) Anhysteretic remanent magnetization (ARM); (d) Frequency-dependent magnetic susceptibility; (e) fd %; (f) S-ratio; (g) L-ratio; (h) ARM/SIRM; (i) ARM/; (j) Natural remnant magnetization(NRM).

天然剩磁强度(NRM)也显示出两阶段变化(图4j).兰州剖面整体上NRM较弱，变化范围为(2.2～23.9)×10-6Am2·kg-1.剖面上部(0～64 cm)的NRM强度(均值为(11.5±4.4)×10-6Am2·kg-1)高于下部(64～110 cm；均值为(6.0±2.4)×10-6Am2·kg-1).剖面上部的NRM相对强度(NRM/)亦高于下部，上部均值(0.29±0.09)，下部均值(0.13±0.05).此外，兰州剖面上部样品(0～64 cm)的NRM统计平均方向为：磁偏角(D)=0.2°，磁倾角(I)=-12.4°，统计精度k=17.7，α95=6.2°，n=32(图6a)；下部样品(64～110 cm)磁偏角(D)=351.5°，磁倾角(I)=-8.4°，统计精度k=4.0，α95=17.4°，n=23(图6b).与现代地磁场在该地的方向(PEF，D=357.2°，I=59.2°)相比，磁偏角大致相当，但磁倾角相差近70°；说明其不能准确记录地磁场方向(图6).

3.4 等温剩磁(IRM)获得曲线及矫顽力分析结果

等温剩磁(IRM)获得曲线及反向场退磁曲线能够提供样品中矫顽力的分布信息，进而有助于判别沉积物中磁性矿物的类型(Kruiver et al.，2001；Deng et al.，2005).兰州剖面典型样品等温剩磁均在100 mT下达到了最大磁化强度(1500 mT外场下的剩磁强度)约65%，在300 mT时获得了～86%的最大磁化强度(图7a)；说明样品中剩磁信号主要来自低矫顽力磁性矿物的贡献. IRM在1.5 T外场下仍显示尚未达到饱和，说明样品中还含有高矫顽力矿物(图7a).对这些样品的IRM获得曲线进行矫顽力谱分析，结果显示，IRM中存在两种不同矫顽力磁性组分，其中，低矫顽力组分的中心矫顽力(B1/2)值在45.7～52.5 mT之间，平均值为(49.2±2.5)mT，对IRM的贡献约为87%；高矫顽力组分的中心矫顽力(B1/2)值一般大于500 mT，平均值为(616.7±52.1)mT，对IRM的贡献约为13%(表1；图7b—g).

图5 兰州剖面磁学参数的相关变化图(a) SIRM-; (b) ARM-; (c) HIRM-; (d) ARM-SIRM; (e) ARM/-; (f) ARM/SIRM-. 黑(灰)色直线(文字)分别为剖面上部、下部样品磁学参数的直线拟合结果，R2表示直线对数据的拟合程度.Fig.5 The relationship of magnetic parameters(a) SIRM against ; (b) ARM against ; (c) HIRM against ; (d) ARM against SIRM; (e) ARM/ against and (f)ARM/SIRM against . The black (gray) square indicates data from the upper (lower) part of the Lanzhou profile. The R2 indicates the confidence of the linear fitting of the data.

图6 (a)剖面上部(0～64 cm)和(b)下部(66～110 cm)天然剩磁(NRM)方向的等面积投影图和统计结果黑色圆点和椭圆分别表示NRM的平均方向及其95%置信区间，黑色实心方块指示现代地磁场(PEF)在采样点处的方向，灰色实心/空心符号代表磁倾角为正/负.Fig.6 Equal-area projections and statistic of natural remanent magnetization (NRM) directions from 0～64 cm (a) and 66～110 cm (b)The black dot and ellipse indicate the statistic mean direction of NRM and its 95% confidence level，present Earth′s magnetic filed (PEF) at sample locality is indicated by black square， gray solid/open symbols represent downward/upward inclinations

3.5 磁滞回线与一阶反转曲线(FORC)

磁滞行为受控于磁性矿物的类型和粒度，因此可利用磁滞回线形态及其磁滞参数来判别样品中磁性矿物的类型(Roberts et al.，1995；Tauxe et al.，1996).典型兰州剖面样品的磁滞回线在外场低于0.5 T时基本饱和(图8a—f)，说明低矫顽力磁铁矿主导了其磁滞特征.所有磁滞回线形状均呈细腰状，这种类型的磁滞回线是不同矫顽力组分的磁性矿物混合的结果(Tauxe et al.，1996).IRM矫顽力谱分析的结果显示，高矫顽力磁性矿物组分的矫顽力大于500 mT(图7，表1).磁铁矿的矫顽力一般小于100 mT，因此，兰州剖面中的高矫顽力组分最有可能是由反铁磁性矿物赤铁矿和针铁矿携带(Dunlop and Özdemir，1997).进一步对兰州剖面上部和下部的代表样品FORC曲线(图8g，h)分析发现，剖面上部(图8g)和下部(图8h)样品的等值线沿纵轴均出现大开口特征，说明剖面中均含有多畴(MD)颗粒；矫顽力主要分布范围均小于60 mT，中心峰值约9 mT；进一步说明其FORC特征由低矫顽力的磁铁矿主导(Roberts et al.，2000, 2014；秦华峰等，2008).值得注意的是，与剖面下部(图8h)的样品相比，剖面上部(图8g)样品的等值线更集中地在横轴上分布，指示其细颗粒(单畴颗粒和假单畴颗粒)磁性矿物的含量更高(Roberts et al.，2000, 2014；秦华峰等，2008).

表1 兰州2018年洪水沉积物剖面的等温剩磁获得曲线矫顽力谱分析结果Table 1 Values of midpoint B1/2 of the IRM components from 2018 Lanzhou flood sediments

4 讨论

4.1 黄河上游(兰州)现代(2018年)洪水沉积物的磁学特征

系统磁学分析揭示，兰州2018年洪水沉积物剖面的样品中既含低矫顽力的磁铁矿，又含有高矫顽力的反铁磁性矿物(赤铁矿和针铁矿).磁铁矿的信息在磁化率随温度变化曲线(图2)和FORC曲线(图8g，h)中占主导，主要是由于磁铁矿的磁化率和饱和磁化强度远大于赤铁矿/针铁矿，分别是赤铁矿/针铁矿的上千倍和约200倍(Dunlop and Özdemir，1997).赤铁矿/针铁矿与磁铁矿共存的信息反映在S-ratio值(图4f)、IRM获得曲线(图7a)、IRM矫顽力谱(图7b—g)以及细腰形状的磁滞回线(图8a—f)中.

图7 兰州2018年洪水沉积物剖面代表样品的等温剩磁(IRM)获得及反向场退磁曲线及其矫顽力分布谱(a)IRM获得及反向场退磁曲线，(b—g)IRM获得曲线的矫顽力谱分析结果Fig.7 Representative IRM acquisition and back field demagnetization curves (a) and decomposition of IRM components from 2018 Lanzhou flood sediments (b—g)

图8 典型兰州剖面2018年洪水沉积物样品的磁滞回线和一阶反转曲线(FORC)(a—f)磁滞回线，黑色虚线/实线分别表示顺磁校正(70%)前/后(g，h)FORC图，平滑因子为5.Fig.8 Representative hysteresis loops and first order of reversal curve (FORCs)(a—f) Typical hysteresis loops，dashed/solid lines represent loops before/after 70% paramagnetic correction； (g，h) Typical FORC diagrams，smooth factor (SF)=5.

4.2 磁学参数对2018年洪水事件的响应及机制

兰州剖面2018年洪水沉积物的磁化率各向异性(AMS)分析显示出明显的两阶段特征(图3a，b)，剖面上部(0～64 cm)样品的磁化率最大轴(K1)偏角(K1-Dec)在上半平面随机分布，剖面下部(66～110 cm)样品的K1偏角集中分布在22.8°附近.此外，剖面上部和下部样品的K1倾角(K1-Inc)分布区间为37～42°，磁化率最小轴(K3)倾角(K3-Inc)集中分布在46～52°附近.沉积物的初始AMS特征主要受沉积时水动力和重力作用的控制，即主要受碎屑颗粒的大小、形状、质量以及介质速度控制(Tarling and Hrouda，1993).地磁场对磁性矿物的作用力相对前两者而言很弱，只能影响小(<1～2 μm)颗粒(Tarling and Hrouda，1993).水平面上静水沉积物的AMS特征会显示为K1倾角接近0°、K1偏角在水平面内随机分布、K3倾角为90°的特征(Tarling and Hrouda，1993).兰州剖面的2018年洪水沉积物是在该段黄河流量超过警戒流量，水位上升后在凹岸上滞留形成.兰州剖面样品的AMS特征，如K1倾角近40°，K3倾角约50°，反映了受到扰动沉积的特征，洪水溢出河槽漫溢至水平堤岸的沉积过程使K1倾角相对变大，K3倾角相对变小(Tarling and Hrouda，1993；Liu，2012).类似的特征也在江汉平原洪水沉积物(张玉芬等，2004)报道.但是，阳原泥河湾盆地台儿沟东剖面的AMS研究显示，水动力较小处的天然堤沉积物的K1、K3倾角分别为16.2°和67.1°，比水动力较大处沉积物(如分支河道、水下支流河道及河口沙坝)的K1倾角值更大，K3倾角值更小(董进等，2015).因此，难以从K1、K3倾角的大小判断水动力强弱.值得注意的是，兰州剖面AMS特征显示，上部(0～64 cm)和下部(66～110 cm)K1偏角分布特征明显不同(图9e，f)，主要反映上、下部沉积物沉积时的水动力条件(方向)不同(Tarling and Hrouda，1993；Liu，2012).

2018年黄河共发生了三次编号洪水，其中，一号洪水(7月8—10日)在兰州段黄河并未超出警戒流量(图9d，水利部信息中心，2019)，不能在采样点(兰州市体育公园河堤)形成洪积物.二号(7月23日)和三号(9月20日—10月7日)洪水在兰州段黄河均超过警戒流量(3000 m3·s-1)，同时水位上升(图9d，水利部信息中心，2019)，在兰州市体育公园河堤形成了天然堤.因此，兰州剖面记录的上部(0～64 cm)和下部(66～110 cm)不同的AMS特征分别对应了三号(9月20日—10月7日)和二号洪水(7月23日).二、三号编号洪水显著的区别在于，二号洪水流量及水位呈陡涨陡落的尖峰态，持续的时间短(一天)；而三号洪水流量及水位增速相对呈平缓态，高水位和流量持续了两周时间(图9d；水利部信息中心，2019).这一特征是造成兰州剖面不同AMS特征的主要原因.二号洪水(7月23日)持续时间短，相对水位上涨和降落梯度大，洪水溢出主河槽在河岸沉积时间短，沉积时的水动力作用相对较强，方向集中；因此造成兰州剖面下部样品的K1偏角集中，其平均方向(22.8°)可能反映了该沉积环境处水流的方向(Tarling and Hrouda，1993；刘青松，2012).三号洪水(9月20日—10月7日)持续时间较长，水位下降曲线相对缓，给洪水沉积物更充裕的沉积时间，因此，剖面上部的K1偏角在上半平面近随机分布，其平均值(尽管误差较大)大致与剖面下部的K1偏角平均方向相当，可能反映二、三号洪水期间采样处大致相似的局部沉积环境水流方向.

此外，兰州剖面上部的NRM高于下部(图4j).沉积物中NRM主要受地磁场影响下的磁性颗粒的浓度和定向排列程度影响(Valet，2003). 在弱水动力或静水沉积条件下，磁性颗粒会在沉降过程中沿当时地磁场方向排列并记录稳定的沉积剩磁(DRM).但是，DRM中广泛存在磁倾角变浅的难题(Butler，1998).造成兰州剖面NRM倾角明显小于真实值的原因难以判断，可能与沉积时水动力较强、磁性颗粒未能完全定向排列、样品尚未经过压实、含水量高等因素造成有关(Tauxe，2005；Tauxe et al.，2008；Zhao and Roberts，2010)，有待进一步研究.兰州剖面上部沉积物样品NRM强度(相对强度NRM/)显著高于下部(图4j，图9a)，可能与三号洪水持续时间较长，沉积时间更充裕使得磁性矿物的定向排列相对更充分有关.这一推断得到了NRM平均方向结果的支持，上部样品NRM方向平均值(D=0.2°，I=-12.4°，k=17.7，α95=6.2°，n=32)的k值明显大于下部(D=351.5°，I=-8.4°，k=4.0，α95=17.4°，n=23)，α95小于下部，表明上部样品的NRM方向相对定向性好于下部.说明洪水沉积物的天然剩磁强度(NRM)或相对强度(NRM/)有潜力成为指示洪水水动力条件(持续时间)的指标.

图9 兰州剖面2018年洪水沉积物的磁学参数与兰州水文站2018年汛期水情变化对比(a—c) 磁学参数NRM/(a)，ARM/(b)以及ARM/SIRM(c)随深度变化曲线； (d) 兰州水文站2018年汛期流量(黑色)和水位(灰色)变化曲线(修改自水利部信息中心，2019)；黑色粗虚线指示黄河兰州段的警戒流量为3000 m3·s-1，II和III指示二、三号编号洪水; (e，f) 剖面上部(e)和下部(f)磁化率各向异性(AMS)结果，其符号同图3.Fig.9 Comparison of magnetic parameters with hydrological regime variation records during 2018 flood season (a—c) Depth-variations of NRM/ (a)，ARM/ (b) and ARM/SIRM (c); (d) The flow(black)and water level(gray)record from Lanzhou Hydrological Station (revised form Information Center of Ministry of Water Resources，2019). The black dash line indicates the warning flow flux (3000 m3·s-1)； (e，f) Equal-area projections of the AMS from upper (e) and lower (f) part of the profile，symbols as in Fig.3.

4.3 对古洪水重建的启示

古洪水重建主要有两类方法，一是利用文献资料考证(陈进和王健，2002；王光朋等，2018)，存在时间上不连续、区域上系统性不足的难点(Wang et al.，2011).此外，还可以通过测定古洪水遗留的地质记录(洪痕、平流沉积物、边滩/坝沉积等)的各种指标、在准确定年的基础上识别古洪水事件、探讨与气候变化、人类活动之间的关系(Zhu et al.，2005，2008；Wang et al.，2011；Huang et al.，2010,2011,2012；Feinberg et al.，2020；Peng et al.，2020).古洪水重建的代用指标大致可以分为三类，一是地层和沉积相分析，如粒度曲线、端元分析、孢粉分析、重砂矿物成分形态、锆石微形态等(袁宝印等，2002；杨晓燕等，2005；Zhu et al.，2005,2008；Huang et al.，2011；Peng et al.，2020).二是测量各种物理参数，主要是磁学参数，如磁化率、磁化率各向异性等(杨晓燕等，2005；张玉芬等，2009；Peng et al.，2020).三是利用地球化学指标，如Rb/Sr、Hg和TOC等(Zhu et al.，2005,2008；Huang et al.，2010,2012).利用单一指标一般难以准确识别古洪水事件，经常采用多指标相互印证.在这些定量指标中，磁学指标具有测量方便、简单、快速、测试费用低廉、可重复性强，大部分室温测试对样品无破坏性等独特优势(Evans and Heller，2003；刘青松和邓成龙，2009).其中，磁化率是磁性矿物的种类、含量、粒径变化的综合反映，是应用最为广泛的磁学指标；在古大洪水期一般表现为磁化率低值(Zhu et al.，2005,2008；Huang et al.，2011).利用磁化率各向异性(AMS)开展古洪水重建的研究相对较少，但显示出巨大潜力.如张玉芬等(2009)利用由现代洪水沉积所建立的洪泛沉积物磁组构参数标志对江汉平原全新世以来的古洪水事件进行了初步研究.本文通过对黄河上游(兰州段)现代(2018年)洪水沉积物的系统磁学研究，进一步证实磁化率各向异性特征，特别是磁化率最大轴的偏角分布特征能够识别不同水动力条件(持续时间)的洪水期次.此外，其余磁学参数，如指示磁性矿物粒径的指标(ARM/和ARM/SIRM)和天然剩磁强度(相对强度)均能够指示不同水动力条件(持续时间)的洪水期次，值得在今后的古洪水重建研究中实践.

5 结论

通过对兰州黄河2018年洪水沉积物的系统磁学研究揭示，2018年黄河兰州段沉积物中主要载磁矿物为磁铁矿和高矫顽力的赤铁矿/针铁矿.通过AMS特征、ARM/和ARM/SIRM比值、以及NRM强度(相对强度NRM/)能够区分兰州剖面2018年洪水沉积物的下部、上部沉积物分别在二号和三号洪水期间形成.二、三号洪水不同的水动力条件和持续时间造成了兰州剖面两阶段不同的磁学响应特征，表现为下部沉积物的AMS磁化率最大轴偏角(K1-Dec)集中分布、ARM/和ARM/SIRM比值相对较小、NRM强度(相对强度NRM/)较小；剖面上部沉积物的K1-Dec在上半平面内随机分布、ARM/和ARM/SIRM比值相对较大、NRM强度(相对强度NRM/)较高的特征.揭示在水位快速升降的洪水(如二号洪水)期间形成的沉积物具有磁性矿物颗粒在水平面上定向排列、磁性矿物粒径相对较粗、NRM强度(相对强度)较小的特点；在水位升降缓、持续时间较长的洪水(如三号洪水)期间形成的沉积物具有磁性矿物颗粒在水平面的定向排列差、磁性矿物粒径相对较小、NRM强度(相对强度)较大的特点.因此，本研究揭示不同水动力条件和持续时间的洪水期形成的沉积物具有不同的磁学特征，能够通过其AMS特征、ARM/和ARM/SIRM比值以及NRM强度(相对强度NRM/)等参数区分.

致谢匿名评审专家提出了建设性修改意见.邓成龙研究员对本文提出了宝贵意见.贺陆胜和侯祎斐分别在采样和实验中提供了帮助.与郑妍博士的讨论使作者受益良多.在此一并致谢.