鲁北丹河现代洪水沉积物地球化学特征及古洪水识别意义

李华勇，王 倩，张虎才，张宏亮，杨艺萍，张雯清，李智慧

(1.安阳师范学院资源环境与旅游学院，河南 安阳455000；2.云南大学 生态与环境科学学院，高原湖泊生态与污染治理研究院，云南 昆明650500；3.中国科学院 南海海洋研究所，广东 广州510301)

近年来，越来越多古洪水或疑似古洪水沉积（Palaeo-Flood Deposits，PFD）在考古地层中被发现，进一步研究揭示，古洪水可能极大影响了流域内文明兴衰，甚至带来毁灭性打击[1-2].由于流速流量及所处地貌类型的差异，洪水沉积可分为巨能沉积、滞流沉积、泛滥平原沉积、决口扇沉积等多种类型[3-6].洪水沉积层是记录古洪水信息的重要地质载体，从地层中识别古洪水沉积，是恢复古洪水水位及流量的根本前提，对于进一步揭示古洪水发生规律，探究河流水文系统对于气候变化的响应机制，指导当代水利工程建设和防洪减灾也具有十分重要的意义[7-9].目前，学术界对PFD的判别主要依据经验法，即从古生物学、地球化学、考古学及沉积学等方面综合判识古洪水事件[10-12]，精准识别存在难度，甚至带有一定争议性[13-15]. 因此，遵循“将今论古”的研究思路，充分认识现代洪水沉积特征，是识别地层中古洪水层的重要前提和依据[16-17].当前，河流中上游地区巨能洪水沉积（megafloods sediments）和滞流沉积（Slackwater Deposits，SWD）研究成果相对丰硕[3,18]，下游泛滥平原洪水沉积物却鲜见报道，尤其是该区域现代洪水沉积过程及其与下伏地层的对比，尚未见系统研究成果发表.

本文以山东省北部丹河流域2018年洪水事件为研究案例，选取洪水沉积层保存较为原始的地点，钻取新鲜沉积物及下伏现代土壤层岩芯DH1，利用X射线荧光光谱（X-ray fluorescence，XRF）扫描沉积物元素的相对含量，进行相关分析和聚类分析，揭示不同地层元素信号特征及差异，探究影响元素信号强度的因素，验证聚类分析的准确性并讨论其应用于古洪水沉积地层识别的可行性.

1 研究区域概况

丹河发源于临朐县山旺镇，向东北汇入弥河，最终注入渤海莱州湾，主要流经山前平原和沿海低地区，河道平均比降为0.4/1 000（图1b）.该区属于暖温带季风区大陆性气候，流域多年平均降水量约为600 mm，集中于5—8月，多年平均径流深度为156.5 mm，域内降水分配不均，多发旱涝灾害[19-20].

2018年8月中旬，台风“摩羯”和“温比亚”接连影响该区域，带来强降水，河流水位迅速升高，加之上游大量客水涌入，导致弥河下游洪峰流量达到3000 m3/s左右，弥河、丹河发生多处漫堤和决堤险情，从而造成洪涝灾害[21].

2 样品采集与实验方法

2018年10月，笔者考察此次洪水淹没区，于丹河下游选择洪水新鲜沉积物保存较为原始的地点（图1b～c），采用塑料岩芯管钻取沉积物岩芯DH1，采样点所处位置河槽宽4～6 m，堤坝内行洪河道宽约170 m，钻孔位于河流西侧堤坝内侧河漫滩上，长21 cm，上部为洪水沉积层，下部为河漫滩沉积物基础上发育的现代土壤层（图1d）.

图1 弥河下游流域及采样点位置和岩性图Fig.1 Lcation of thelower reaches of the Mihe River Basin and sampling point and thecore scanning

岩芯运回实验室进行XRF元素扫描.由于测试与采样间隔6个月左右，岩芯水分挥发充分，含水量对测试结果影响较弱.岩芯剖开后，首先进行平整处理，覆盖上Ultralene薄膜（4μm），使用荷兰Araatech公司生产的Avaatech XRF岩芯扫描仪进行元素测试.扫描面积5 mm（宽度）×10 mm（长度），扫描时间为30 s，扫描间隔设置为5 mm，该实验在中国科学院南海海洋研究所完成.由于岩芯含水量、粒度、疏松度、裂隙以及切割面平整度等都对扫描结果有影响，所以扫描数据为各元素含量的半定量结果[22].为了尽量保证分析的准确性，本文只选择Mg、Fe、Ti、Al、Si、Zr、Sr、Zn、Ca、Rb等10种绝大部分点位相对强度大于300的元素进行分析.同时岩芯两端在扫描过程中，由于仪器自身问题，测试结果易出现较大偏差，本文在讨论时删去顶部和底部各一组数据，共获得40组数据.

3 结果分析与讨论

3.1 岩性分析与洪水过程图1d中岩芯下段11.5 ～21 cm（Ⅰ段），为河漫滩沉积物基础上发育的红棕色现代土壤层，洪水发生之前为杂草荒地，颗粒较细，平均中值粒径为13.8 μm（图1d）；上部0～11.5 cm为洪水沉积层（Ⅱ段），其中岩芯顶部0～9 cm（Ⅱ-2段）为颗粒较粗的黄色粉砂，岩性松散，中值粒径平均值为27.2 μm，砂体积分数达到14.7 %，为典型洪水粉砂层[4]；9～11.5 cm是2.5 cm厚棕色黏土夹层（Ⅱ-1段），中值粒径较小但有逐渐变大的趋势，从粒度特征上可看出该段具有类河漫滩沉积特征.通过分析DH1孔粒度概率累积曲线及敏感组分含量变化特征，发现Ⅱ-2段跃移组分高达60%，揭示沉积水动力较强（另文讨论）；Ⅱ-1段11.5 ～10 cm，以黏土和细粉砂为主，表明洪水初期时河流水位上升没过钻孔位置，但流速并未同步提高，水动力极弱；10～9 cm，砂含量快速升高，对应洪水初期水动力快速增强阶段，可能为第1次洪峰过程[23-24].因此，Ⅱ-1段可以理解为河漫滩沉积与典型洪水粉砂层之间的过渡层，下段具有河漫滩相沉积特征，上段则过渡到洪水粉砂沉积.

3.2 XRF元素扫描结果XRF扫描结果显示，DH1钻孔Fe元素平均信号强度最高，达到1.4 7×105s-1，其次为Si、Ca、Mg、Ti、Al、Zr、Sr、Rb、Zn元素（图2）.10种元素信号强度绝大多数在沉积界面处（11.5 cm和9 cm）发生明显波动，指示沉积相对元素相对含量的影响十分显著[25].具体来看，Mg、Fe、Ti、Al、Si 等5种元素信号强度变化特征较为相似，总体呈减弱趋势，洪水沉积层信号强度低于下伏土壤层，Ⅱ-1段元素信号强度出现峰值，强度与土壤层持平或略低；元素Sr和Zr信号强度变化特征一致，先波动降低后逐渐升高，在Ⅱ-1段达到钻孔最低值；Zn和Ca元素信号强度变化模式与元素Sr、Zr截然相反，土壤层和Ⅱ-2段洪水粉砂层为信号强度低值，且波动性不大，Ⅱ-1段出现峰值；Rb元素信号强度与其他9种元素的不同之处在于其表现为独特的两段式变化特征，土壤层为信号强度低值区，变化稳定，洪水沉积层信号强度高，且具有微弱的波动降低趋势（图2）.

3.3 相关分析相关性受控于元素在表生环境中的地球化学行为，不同元素间的相关性通常反映其伴生关系，相关性高说明元素之间具有一致的赋存条件以及相似的来源[26-27].

图2 DH1孔元素信号强度变化曲线Fig.2 Resultsof XRFcore scanning and median grain size DH1 core

DH1孔元素相关性分析结果如表1所示，以0.0 1置信水平上相关系数0.7 为划分标准，可分为5组相关性较高的元素组合.第1组为Mg、Fe、Ti、Al、Si 等5种元素，其中Al、Si是造岩元素，一般认为是外源碎屑元素[26,28-29]，Si元素可用来反映河流动力，Ti元素作为惰性较强的元素，其含量变化主要受物理风化作用以及区域降水量变化的影响[30-31].第2组Zr和Sr元素，相关系数达到0.8 16（0.0 1置信水平）.第3组为Zn元素，与第2组元素负相关，与第1组元素具有不同程度的正相关关系.第4组元素为Ca元素，同样与Sr和Zr元素负相关，与其他元素正相关，但相关系数均未达到0.6 （0.0 1置信水平）.第5组为Rb元素，与其它组元素的相关性不大.

3.4 元素与粒度相关性分析XRF岩芯扫描结果可能受粒度、含水量等多种因素干扰[32]，图2显示DH1孔元素信号强度与沉积相变化具有一致性，同时揭示其与粒度存在某种关联.本文选取6种代表性元素与中值粒径做散点关系图（图3），并分析其相关性.

中值粒径以20μm为界分为2个群组，第1组包括Ⅰ段和Ⅱ-1段，为细粒沉积物，第2组为Ⅱ-2段洪水粉砂层（图1d），相应元素信号强度也分为若干群组.以Fe元素和Ti元素为代表的第1组元素以及Zn元素与中值粒径负相关关系显著，洪水粉砂层信号强度较低，指示该类元素富集于黏土矿物中（图3（a）～（c））；Rb元素信号强度与中值粒径呈正相关关系，但在Ⅱ-1段洪水前期黏土沉积层，元素信号强度为整个钻孔峰值（图2，图3（d）），后随着粒度变粗，信号强度有所降低，但整体仍然高于Ⅰ段土壤层，因此Rb元素信号强度主要反映沉积相变化；Zr元素和Sr元素信号强度与粒度相关关系不显著，主要原因在于粒度呈两段式变化特征，而这2种元素信号强度具有三段式变化模式，洪水黏土沉积层信号强度最低，其余两段强度较高且相差不大（图2），如果只比较洪水层Zr元素和Sr元素信号强度与中值粒径关系，两者则为显著正相关（图3（e））；Ca元素几乎不与中值粒径存在任何关系，仅在Ⅱ-1段出现相对独立的信号强度峰值.

3.5 聚类分析聚类分析可以将地球化学特征相近、沉积环境相似的元素归为一类，并找出聚集比较紧密的元素[26].不同元素的组合，反映了不同沉积地球化学特征及影响它们形成的地质构造、气候、水文条件[33].丹河洪水沉积物DH1孔元素聚类谱系图（图4）中，10种元素变量按距离5分为5类.

第1类元素为Mg、Fe、Ti、Al、Si，此类元素属于外源碎元素在洪水沉积物形成过程具有相似的富集规律，多赋存于黏土矿物中，随细颗粒沉积物进入河流中，沉积物粒径越小，元素含量越多.第2类元素为Sr和Zr，分析该两种元素信号强度在钻孔中的变化特征以及与粒度相关性关系，判断在洪水沉积层（Ⅱ段）中的相反化学行为是将其区分为两大类的主要因素.Sr元素和Zr元素信号强度的独特之处在于Ⅱ-1段为低值区，随后波动增强（图2）.与粒度呈正相关关系（图3（e））的第3类元素为Zn；第4类为Ca元素，这两种元素信号强度均在Ⅱ-1段出现峰值，其余层位信号强度低且稳定.第5类元素是Rb，相对富集于细颗粒物质中[34]，Rb元素信号强度变化呈现两段式，表明其与粒度关系不大，主要反映了沉积环境的变化.

表1 元素的相关性分析Tab.1 Correlation analysisof elements

图3 部分元素与中值粒径相关性Fig.3 Correlation between elementsand the median grain size

图4 丹河DH1孔元素聚类谱系图Fig.4 The pedigree chart of cluster analysis of hole DH1 in Danhe

Rb元素信号强度受含水量、粒度等其他因素干扰较小，因此其他元素与Rb的比值可减弱外部因素对扫描结果的影响[25].对元素比值采用聚类分析方法，按距离15将DH1钻孔分为3段，即1.0 ～8.0 cm，8.5 ～11.0 cm，11.5 ～20.0 cm（图5），在误差容许范围内，基本上分别对应岩芯Ⅱ-2、Ⅱ-1、Ⅰ段（图1），表明每段沉积物具有相似元素组成，对比DH1孔沉积相变化，验证聚类方法在识别沉积相方面可靠性较高，在通过宏观观察法不能准确判断沉积地层的情况下，该方法可辅助识别古洪水沉积.

3.6 元素比值的古洪水识别意义元素比值不仅可以显示不同元素的比例关系，而且依托比值变化还可以表明元素相对富集状态以及变化幅度的大小[35].获取Mg、Fe、Ti、Al、Si等5种元素（即前文所划分的第1组元素）信号强度与Rb元素比值（图6），与对应元素信号强度曲线三段式变化特征不同（图2），5种元素比值曲线表现为明显的两段式，Ⅰ段土壤层明显高于Ⅱ段（图6）.从粒度特征来看，Ⅰ段和Ⅱ-1段相似，均以细粒组分为主，砂含量较低（图1d），但元素比值曲线显示Ⅱ-1段和Ⅱ-2段特征相似，说明两段沉积物具有相同的物源与沉积环境[36-37]，因此可将Ⅱ-1定义为洪水前期低水位弱水动力沉积.由此，可发现元素比值在辅助识别洪水沉积层方面具有一定的参考价值.

图5 丹河DH1孔元素沉积阶段系统聚类Fig.5 Systematic clustering of sedimentary stages of hole DH1 in Danhe

Rb元素与Sr元素及Zr元素在风化搬运过程中的地球化学行为既稳定又存在明显区别，ρ（Rb）/ρ（Sr）值、ρ（Zr）/ρ（Rb）值可作为洪水沉积层识别的有效地球化学指标[37-38]. Zr元素主要赋存于土壤或沉积物中的锆石中，在风化搬运过程中的稳定性强，主要在粗颗粒中富集.Sr元素与Zr元素相同，本身主要富集在粗粒矿物中，而Rb元素作为典型的分散元素主要存在于细粒矿物中，因此ρ（Rb）/ρ（Sr）、ρ（Zr）/ρ（Rb）的比值实际上反映了粗粒级矿物与黏土矿物的相对含量[39].王敏杰等[40]通过分析长江三角洲地区钻孔岩芯沉积物ρ（Zr）/ρ（Rb）比值的变化，发现ρ（Zr）/ρ（Rb）比的峰值与洪水期粗粒沉积对应，由此重建了长江流域600年以来古洪水事件.张跞颖等[41]分析长江武汉段4.5～2.5 ka沉积地层，认为ρ（Rb）/ρ（Sr）比的谷值可作为洪水沉积层的特征标志之一，可识别出该时间段内9次古洪水频发期.

DH1孔ρ（Zr）/ρ（Rb）比值与ρ（Rb）/ρ（Sr）比值变化曲线呈镜像关系，Ⅰ段土壤层和Ⅱ-2段洪水粉砂层数值接近且变化稳定，Ⅱ-1段洪水前期细粒沉积分别出现谷值与峰值（图6），符合影响其比值大小的机械组成说，尤其是洪水沉积层，ρ（Rb）/ρ（Sr）比和ρ（Zr）/ρ（Rb）比与粒度相关性显著.但同时我们也注意到，洪水粉砂层（0～8.5 cm）ρ（Rb）/ρ（Sr）比和ρ（Zr）/ρ（Rb）比与土壤背景值（11.5～21 cm）接近，仅以此作为识别洪水沉积的依据具有很大的局限性，需结合其他沉积学特征综合判断.该发现无疑拓宽了过去认为ρ（Zr）/ρ（Rb）比的峰值或ρ（Rb）/ρ（Sr）比的谷值对应洪水沉积的单一认知，其根本原因在于洪水沉积类型多样，下垫面地球化学特征各异，地层间元素比值关系可能存在多种模式.

4 结论

（1）DH1孔XRF元素扫描结果显示，山东北部弥河流域2018年洪水沉积层元素信号强度与下伏土壤层存在显著区别，既受沉积相控制，又受粒度影响强烈.

（2）相关分析和聚类分析结果表明，DH1岩芯元素分为5类，第1类元素为Mg、Fe、Ti、Al、Si，洪水沉积层信号强度低于土壤层；第2类元素为Sr和Zr，在洪水前期黏土沉积层出现信号强度谷值；第3类元素为Zn，第4类元素为Ca，这两种元素信号强度变化特征与第2类元素完全相反，在洪水前期黏土沉积层出现信号强度峰值；第5类元素为Rb，洪水沉积层信号强度显著高于土壤层.

（3）元素信号强度与粒度相关性分析结果揭示，洪水沉积层元素信号强度与中值粒径存在显著相关关系，其中Mg、Fe、Ti、Al、Si、Zn、Rb等元素信号强度在洪水黏土层出现峰值，与中值粒径负相关；Zr和Sr元素信号强度与中值粒径显著正相关，在洪水黏土层出现谷值，洪水粉砂层信号强度大幅升高；Ca元素信号强度与中值粒径相关性不显著.

（4）DH1孔ρ(Zr)/ρ(Rb)比和ρ(Rb)/ρ(Sr)比分别在洪水黏土沉积层出现谷值和峰值，在土壤层和洪水粉砂层数值则接近.因而，单独依靠其比值变化特征认定洪水沉积层存在局限性，需结合其他指标综合研判.

图6 DH1元素比值曲线图Fig.6 Results of DH1 element ratio