王恒松, 黃春長(zhǎng), 周亞利, 龐獎(jiǎng)勵(lì), 查小春, 顧洪亮

1)陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西西安 710062;

2)黔東南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴州凱里 556000

全新世古洪水事件光釋光測(cè)年研究
——以渭河下游臨潼段為例

王恒松1,2), 黃春長(zhǎng)1)*, 周亞利1), 龐獎(jiǎng)勵(lì)1), 查小春1), 顧洪亮1)

1)陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院, 陜西西安 710062;

2)黔東南民族職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 貴州凱里 556000

通過(guò)對(duì)渭河下游河谷進(jìn)行深入的考察, 在臨潼段發(fā)現(xiàn)全新世黃土-古土壤層里夾有古洪水滯流沉積層。在剖面系統(tǒng)采樣并進(jìn)行磁化率和粒度成分分析, 從沉積學(xué)角度證明該地層記錄了全新世以來(lái)古洪水事件的信息。同時(shí), 在剖面采集OSL測(cè)年樣品, 應(yīng)用單片再生劑量法(SAR)進(jìn)行紅外后藍(lán)光(Post-IR OSL)釋光測(cè)量, 獲得了7個(gè)OSL絕對(duì)年齡值, 建立了全新世剖面年代深度關(guān)系曲線, 確定渭河在3200～3000 a B.P.之間發(fā)生特大洪水事件。綜合地層學(xué)對(duì)比以及剖面磁化率和粒度等氣候替代性指標(biāo)分析, 揭示了全新世中期向晚期轉(zhuǎn)折過(guò)渡時(shí)期, 氣候向干旱化轉(zhuǎn)折, 氣候不穩(wěn)定, 頻繁波動(dòng), 降水變率大, 是造成渭河流域特大洪水事件發(fā)生的主要原因。

OSL測(cè)年; 古洪水事件; 全新世; 渭河

全球氣候變化是當(dāng)今人類社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題之一, 由于歷史資料記錄的有限, 人們迫切需要從各種地質(zhì)記錄中尋找長(zhǎng)時(shí)間的古氣候記錄。特大古洪水是指在史前發(fā)生的由暴雨等自然因素引起的江河湖海水量迅速增加或水位迅猛上漲的為沉積物記錄到的洪水事件。沒(méi)有受到人為擾動(dòng)的古洪水滯流沉積物(slack water deposits, 簡(jiǎn)稱SWD)是高分辨率記錄了古氣候信息的理想載體,古氣候信息的解譯, 需要依賴沉積物年代的精確測(cè)定, 獲得高精度絕對(duì)年齡一直是古氣候研究的瓶頸問(wèn)題。黃春長(zhǎng)等學(xué)者在渭河流域進(jìn)行了大量的全新世地層與環(huán)境變遷研究, 并在一些典型剖面建立了可靠的年代框架(Huang et al., 2006, 2009; 萬(wàn)紅蓮等, 2010)。以往學(xué)者們對(duì)水成沉積物的斷代一般是依據(jù)14C方法、考古文物年代和地層對(duì)比方法得到的(魏樂(lè)軍等, 2004; 王華等, 2005; 張強(qiáng)等, 2004; 楊曉燕等, 2005; 查小春等, 2007; 姚平等, 2008)。近20年來(lái), 光釋光(optical stimulated luminescence, 簡(jiǎn)稱OSL)測(cè)年技術(shù)得到快速的發(fā)展, 可以對(duì)河流沉積物直接斷代獲得古洪水事件發(fā)生的年齡, 同時(shí)在河流階地、湖泊、濱海等水成沉積物測(cè)年中也獲得了成功的應(yīng)用(Lang et al., 1999; Murray et al., 2002; Wallinga, 2002a; Rittenour et al., 2003; Thomas et al., 2005; 王昌盛等, 2005; 范育新等, 2007; 張家富等, 2007a, b)。深入研究古洪水水文學(xué), 需要更多可靠的絕對(duì)年齡數(shù)據(jù)的支持, 通過(guò)對(duì) SWD地層系統(tǒng)的光釋光測(cè)年, 為準(zhǔn)確的斷代提供可能, 將有助于恢復(fù)古氣候和古環(huán)境變化的歷史, 建立剖面年代深度關(guān)系曲線, 分析洪水事件發(fā)生的時(shí)間性規(guī)律, 為預(yù)測(cè)氣候和水文變化提供佐證?；诖? 本文在對(duì)渭河流域深入考察基礎(chǔ)上, 選擇其下游臨潼段具有代表性的陳東村(CDC)含有古洪水滯流沉積層的全新世黃土-古土壤剖面為研究對(duì)象, 應(yīng)用光釋光測(cè)年方法,結(jié)合沉積學(xué)、第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)、地層學(xué)和土壤學(xué)研究該剖面地層年齡及結(jié)構(gòu), 建立了渭河全新世特大古洪水事件年代。

1 研究流域概況及沉積剖面特征

渭河是黃河最大的支流, 全長(zhǎng) 818 km, 流域面積13.48×104km2。河源至寶雞峽出口林家村為上游,平均比降為 3.85‰。寶雞峽至咸陽(yáng)鐵橋?yàn)橹杏? 比降由 2‰逐漸變緩為 0.6‰。咸陽(yáng)至黃河口為下游,該段比降較小, 水流較緩慢, 河道泥沙淤積, 一遇暴雨極易造成洪災(zāi)。

渭河臨潼段屬于渭河下游, 當(dāng)?shù)噩F(xiàn)代年平均氣溫和降水量分別為13.1℃和555 mm(西安地圖出版社, 2008), 無(wú)霜期219天, 汛期為6—10月, 徑流量年際變化較大。根據(jù)臨潼站1961—2009年的水文系列資料, 多年平均徑流量為 64.9×108 m3, 年平均流量為205.8 m3/s。歷史上渭河曾經(jīng)發(fā)生過(guò)多次大洪水, 有記載的特大洪水是在 1898年, 當(dāng)時(shí)中游咸陽(yáng)、下游華縣洪峰流量分別達(dá)到 11600 m3/s、11500 m3/s。大洪水給渭河流域帶來(lái)了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)社會(huì)影響。通過(guò)研究渭河古洪水滯流沉積物所記錄的地質(zhì)信息, 分析古洪水發(fā)生時(shí)間和規(guī)律, 對(duì)于揭示渭河下游平原近幾千年來(lái)的自然環(huán)境變化, 以及防洪減災(zāi)具有十分重要的意義。

本研究地點(diǎn)位于西安市臨潼區(qū)陳東村附近(圖 1), 該村所在處為渭河一級(jí)階地, 階地黃土覆蓋地面海拔高度為 355 m, 大約高出渭河河床 12～15 m。CDC剖面保存比較完整, 而且十分典型, 沒(méi)有受人為擾動(dòng), 古洪水滯流層近乎水平延伸, 并且向階地后緣方向逐漸尖滅。該剖面沉積學(xué)、土壤學(xué)和地層學(xué)特征十分明顯, 古洪水滯流沉積層位十分清楚。根據(jù)野外觀察, 結(jié)合地層學(xué)和沉積學(xué)特征分析, 對(duì)該剖面劃分如下: (1) 30～0 cm 表土層(MS),濁棕色, 粉沙質(zhì)地, 團(tuán)粒結(jié)構(gòu)極其發(fā)育, 疏松, 多大孔隙和植物根系。(2) 55～30 cm黃土層(L0), 濁橙色黃土, 粉沙質(zhì)地, 塊狀-團(tuán)塊結(jié)構(gòu), 成壤改造微弱。(3) 90～55 cm古洪水滯流沉積層(SWD), 濁橙色和濁棕色, 粘土質(zhì)地, 致密堅(jiān)硬, 具有水平或者波狀層理,碎塊具有貝殼狀狀斷口, 為 3次古洪水的懸移質(zhì)泥沙沉積形成。(4) 170～90 cm古土壤層(S0), 濁棕色,粘土質(zhì)粉沙質(zhì)地, 柱狀-團(tuán)塊結(jié)構(gòu), 含有大量豎直狀的蚯蚓孔和蚯蚓糞團(tuán)粒, 含有少量的鈣質(zhì)假菌絲體,成壤強(qiáng)度大。(5) 210～170 cm過(guò)渡層(Lt), 濁黃橙色,粉沙質(zhì)地, 團(tuán)塊－塊狀結(jié)構(gòu), 成壤微弱, 一些蚯蚓孔洞被來(lái)自上部的土壤物質(zhì)充填。(6) ?～210 cm以下馬蘭黃土(L1), 濁黃橙色, 粉沙質(zhì)地, 均質(zhì)塊狀結(jié)構(gòu),疏松多細(xì)小孔隙, 未見(jiàn)底(圖2)。

將地層剖面清理出新鮮的垂直面, 用不銹鋼管水平打入新鮮的剖面內(nèi)注滿樣品, 取出后將兩端用鋁箔紙和黑色塑料帶密封, 采樣深度如圖 2小方點(diǎn)所示, 從該剖面共采集了 7件光釋光樣品。同時(shí)以5 cm間距自上而下連續(xù)采集50件沉積學(xué)樣品供粒度和磁化率測(cè)試。樣品經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干后, 采用英國(guó)Bartington公司生產(chǎn)的MS-2B型磁化率儀測(cè)量樣品的磁化率, 稱取研磨后粒徑＜2 mm 的風(fēng)干土樣10 g裝入無(wú)磁性塑料盒進(jìn)行測(cè)量, 每個(gè)樣品測(cè)定3次, 取其平均值。粒度用英國(guó)Malvern公司生產(chǎn)的Mastersizer-S型激光粒度儀進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于樣品中＞0.1 mm顆粒采用篩分法測(cè)量, 并用實(shí)體顯微鏡進(jìn)行分析鑒定。

圖1 渭河下游水系與臨潼CDC地點(diǎn)位置圖Fig.1 The river system in the lower reaches of the Weihe River and location of CDC site

圖2 渭河下游CDC剖面地層劃分、磁化率、粒度成分曲線圖Fig.2 S tratigraphic division, magnetic susceptibility and grain sizes in the CDC profile

2 研究方法

2.1 環(huán)境劑量測(cè)定

樣品中的環(huán)境劑量率貢獻(xiàn)主要是石英、長(zhǎng)石等礦物在埋藏期間吸收的輻射能量, 它取決于 U、Th和 K的衰變及沉積礦物本身的含量。此外, 還有部分來(lái)自宇宙射線。在本文中, 樣品的鈾、釷和鉀含量是在中國(guó)原子能研究院通過(guò)中子活化法得到。宇宙射線對(duì)環(huán)境劑量率的貢獻(xiàn)是依據(jù)樣品所在地點(diǎn)的經(jīng)緯度、海拔高度、樣品埋藏深度和沉積物的密度,通過(guò)輻射劑量之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)計(jì)算(Prescott et al., 1994)獲得。由于在地質(zhì)時(shí)期, 沉積物樣品的含水量是變化的, 現(xiàn)在的測(cè)量值并未能代表當(dāng)時(shí)的真實(shí)值,故本研究中樣品的含水量是在實(shí)驗(yàn)室對(duì)干燥前后的樣品稱重及按照黃土±15%、古土壤(包括古洪水滯流沉積物)±20%的誤差校正獲得的(黃明斌等, 2001;杜娟等, 2007; Lai, 2010)。由于40～63 μm石英顆粒表層受α粒子照射的部分, 經(jīng)溶蝕處理后仍有貢獻(xiàn),所以α射線對(duì) 40～63 μm石英顆粒的輻射效率系數(shù)值取η=0.035(Adamiec et al., 1998; Lai et al., 2007)。最后, 根據(jù)相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)(Mejdahl, 1979; Adamiec et al., 1998)求出樣品的環(huán)境劑量率(表1)。

2.2 等效劑量測(cè)量

在實(shí)驗(yàn)室安全紅光下對(duì)樣品進(jìn)行前處理, 將樣品不銹鋼管兩頭曝光的部分削去2 cm左右, 用鋁盒盛放, 稱濕重和烘干重, 計(jì)算含水量和測(cè)定 U、Th和K的含量; 余下未曝光部分用30%的H2O2和10%的 HCL分別除去樣品中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽類物質(zhì),待充分反應(yīng)停止后, 用蒸餾水沖洗至中性, 然后用濕篩法分離出40～63 μm的顆粒組分作為測(cè)年材料,用 30%的氟硅酸腐蝕長(zhǎng)石礦物 7～15天(陳杰等，1997), 再用20%的HF溶液刻蝕40 min, 溶蝕石英表面的長(zhǎng)石等雜質(zhì)。然后加入稀鹽酸去除 HF溶蝕過(guò)程中形成的氟化物, 提純出石英顆粒。用IRSL檢測(cè)樣品中紅外信號(hào)已經(jīng)非常微弱接近儀器的本底值, IR測(cè)試中再生釋光信號(hào)與實(shí)驗(yàn)劑量所誘發(fā)的釋光信號(hào)的比值小于 10%, 表明樣品中的長(zhǎng)石礦物對(duì)測(cè)量等效劑量的貢獻(xiàn)率影響微弱, 可以忽略。然后將樣品過(guò)一次篩, 確保所選石英的粒徑范圍在40～63 μm之間。最后把提純的石英顆粒用硅膠單層粘貼在直徑為9.8 mm的鋁片供儀器測(cè)量。

將每個(gè)樣品各制備18個(gè)樣片, 所有樣品等效劑量的測(cè)量步驟按照單片再生劑量法(SAR)(Murray et al., 2000; Wintle et al., 2006), 在陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院TL/OSL實(shí)驗(yàn)室的熱釋光/光釋光自動(dòng)化測(cè)量?jī)x(Ris? TL/OSL DA-15型)上進(jìn)行。由于紅外后藍(lán)光測(cè)年技術(shù)可消除石英礦物中的長(zhǎng)石包裹體對(duì)De值的影響, 提高測(cè)量精度, 并在光釋光測(cè)年中獲得了成功的應(yīng)用(Murray et al., 2000; Roberts et al., 2001; Wintle et al., 2006; 范育新等, 2009)。故本文采用紅外后藍(lán)光技術(shù)測(cè)量De值, 激發(fā)光源分別為紅外發(fā)光(830 nm)和藍(lán)光(470±17 nm)。樣品的光釋光信號(hào)由 EMI9235QB15光電倍增管測(cè)量, 探測(cè)濾光片為 U-340, β 輻射源為90Sr/90Y, 輻照劑量率為0.10475 Gy/s。

在樣品進(jìn)行等效劑量測(cè)定之前, 必須通過(guò)試驗(yàn)找到適合本樣品的測(cè)量條件。本文選擇 SWD樣品CDC-02分別從160℃到300℃以20℃間距對(duì)單片預(yù)熱10 s的實(shí)驗(yàn), 在200～260℃之間等效劑量沒(méi)有隨溫度升高而增大, 獲得了樣品的預(yù)熱坪區(qū)(圖3(b))。因此樣品CDC-02采用預(yù)熱溫度260℃, cut heat取220℃做熱遷移效應(yīng)及劑量恢復(fù)試驗(yàn)。在對(duì)樣品進(jìn)行多次預(yù)熱和激發(fā)試驗(yàn)過(guò)程中, 熱轉(zhuǎn)移生成的等效劑量值非常小, 介于 0.06～0.18 Gy之間, 相當(dāng)于原始劑量的1.27%左右。在 160～260℃之間, 熱轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的劑量在 0.06～0.11 Gy之間, 當(dāng)溫度上升到 280～300℃時(shí), 劑量達(dá)到 0.14～0.18 Gy, 表明 280℃以上熱轉(zhuǎn)移效應(yīng)明顯, 而在 260℃熱轉(zhuǎn)移生成的劑量最小僅為0.06 Gy(圖3(a))。對(duì)CDC-02進(jìn)行等效劑量的恢復(fù)試驗(yàn)過(guò)程是取一組12個(gè)樣片, 在中午強(qiáng)烈的太陽(yáng)光下暴曬30 min, 使其自然釋光信號(hào)完全曬褪,然后用 β源輻照一個(gè)人工劑量, 該劑量相當(dāng)于樣品的埋藏古劑量, 相應(yīng)的釋光信號(hào)相當(dāng)于自然釋光信號(hào), 然后按照上述的單片再生劑量法測(cè)量其等效劑量。在劑量恢復(fù)試驗(yàn)中, 附加的已知?jiǎng)┝繛?4.14 Gy,恢復(fù)得到的平均等效劑量為 14.32 Gy, 與已知?jiǎng)┝勘容^僅相差 1.25%(圖 4), 均在誤差范圍之內(nèi)。循環(huán)比率變化范圍在 0.9 0～1.1 0 之間, 表明樣品在測(cè)試過(guò)程中感量變化得到了很好的校正(Murray et al., 2000)。因此, 本實(shí)驗(yàn)在此條件下進(jìn)行測(cè)試。

圖3 樣品CDC-02預(yù)熱溫度對(duì)等效劑量的坪區(qū)及熱轉(zhuǎn)移實(shí)驗(yàn)Fig.3 Plot of equivalent dose versus preheat temperature and thermal transfer of sample CDC-02

圖4 樣品劑量恢復(fù)試驗(yàn)Fig.4 Results of dose recovery tests for the sample

樣品的釋光信號(hào)采用前0.8 s減去后0.8 s內(nèi)自然釋光信號(hào)快速衰退到本底值 (圖 5), 說(shuō)明光釋光信號(hào)以快速組分為主(Steffen et al., 2009; Ou et al., 2010), 經(jīng)過(guò)靈敏度校正后的自然光釋光信號(hào)與再生劑量及其釋光強(qiáng)度對(duì)比建立生長(zhǎng)曲線, 釋光生長(zhǎng)曲線未達(dá)到飽和, 基本經(jīng)過(guò)原點(diǎn), 擬合較好, 將校正后的自然光釋光信號(hào)投影到生長(zhǎng)曲線上, 用內(nèi)插法得到測(cè)量單片的等效劑量(圖5內(nèi)插圖)。

代表古洪水滯流沉積物SWD的樣品CDC-02的De值頻率分布圖(圖6), 分析可知, 樣品的De值分布相對(duì)比較集中, 變化范圍較小, 成較好的正態(tài)分布, 說(shuō)明所測(cè)樣品在埋藏前曬退較好(Wallinga, 2002b)。偏離較大的樣片很少, 把明顯異常的個(gè)別單片的De值舍去, 然后計(jì)算算術(shù)平均值, 獲得了所有樣品的等效劑量值。最后根據(jù)Aitken(1998)提供的方法和軟件AGE.exe(Grün, 2003)計(jì)算得出樣品的光釋光年齡值(表1)。

3 結(jié)果與解釋

圖5 樣品CDC-02自然光釋光信號(hào)衰減曲線(內(nèi)插圖是光釋光生長(zhǎng)曲線)Fig.5 O SL decay curve for sample CDC-02 (the insert shows the growth curves of post-IR OSL signals)

渭河下游 CDC剖面樣品的光釋光年齡是用等效劑量除以環(huán)境劑量率得到的。該剖面地層自下而上, 等效劑量逐漸減小, OSL年齡值不斷遞減。整個(gè)剖面由5個(gè)點(diǎn)來(lái)控制(圖2), 即是CDC-01、CDC-02、CDC-03、CDC-05和CDC-06。CDC-01采于剖面深45～50 cm處的L0層下界, 該點(diǎn)控制了古土壤S0與現(xiàn)代黃土L0的分界線, OSL年齡為(3.0±0.2) ka, 同時(shí)也界定了古洪水滯流沉積層年代的下限; CDC-02位于剖面深75～80 cm的古洪水滯流沉積層的中部, 年代為(3.1±0.2) ka; CDC-03處在100～105 cm S0的頂部, 年齡為(3.3±0.2) ka, 界定了古洪水事件發(fā)生年代的上限; CDC-05采自深170～175 cm的Lt頂界, 控制了全新世CDC剖面古土壤形成的最初時(shí)間, 年代為(9.0±0.5) ka; CDC-06位于深200～205 cm處馬蘭黃土過(guò)渡的Lt層底部, 年齡為(11.4±0.8) ka, 基本上控制了全新世年齡的底界。其他兩點(diǎn)分別位于古土壤中部 130～135 cm深處的樣品 CDC-04和剖面深230～235 cm處的馬蘭黃土樣品 CDC-07, 年齡分別為(5.0±0.3) ka和(11.8±0.7) ka。年齡數(shù)據(jù)誤差在5.1%～7.2%之間。據(jù)此可以確定渭河流域全新世古洪水事件發(fā)生的年代介于3.2～3.0 ka B.P.之間。

根據(jù) CDC剖面樣品的年齡值和對(duì)應(yīng)深度作出了年齡與地層深度關(guān)系曲線圖(圖7)。曲線顯示出它們對(duì)應(yīng)較好, 符合地層沉積新老關(guān)系。從土壤發(fā)生學(xué)和沉積學(xué)來(lái)看, Lt和 L1的黃土堆積速度約為0.22 mm/a, 古土壤S0的堆積速度約為0.14 mm/a, L0和MS層的堆積速度約為0.17 mm/a, 前者明顯較后兩者為大, 指示風(fēng)成黃土形成時(shí)期氣候較干旱, 降雨少; 古土壤層厚度在80 cm左右, 堆積速度最小。在古土壤成壤時(shí)期, 由于氣候相對(duì)濕潤(rùn), 降雨量大,成壤較強(qiáng), 指示溫暖濕潤(rùn)的氣候環(huán)境。其上覆地層為古洪水滯流沉積層, 記錄了突發(fā)性特大古洪水事件。根據(jù)古洪水沉積層的宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征, 顯示出它是有三次洪水事件快速沉積形成, 其后被全新世晚期風(fēng)成黃土覆蓋而保存下來(lái)。

表1 渭河下游臨潼CDC剖面沉積物光釋光測(cè)年結(jié)果Table 1 OSL dating results from the CDC profile in the lower reaches of the Weihe River

圖6 等效劑量相對(duì)于感量校正后的自然信號(hào)離散圖及等效劑量頻率分布圖Fig.6 Equivalent dose relative to scattergrams of natural luminescence signal after correction of the sense and frequency distribution of equivalent dose

表1中CDC-01、02、03三個(gè)樣品的環(huán)境劑量率比之下部的樣品明顯偏大。這可能是因?yàn)橥寥览锏腃a, Sr等可溶性化學(xué)元素隨雨水向下淋溶遷移流失，使得U和Th相對(duì)富集, 致使環(huán)境劑量率比下部偏大。張家富等(2007a)對(duì)南方第四紀(jì)沉積物的OSL測(cè)年研究當(dāng)中也發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象。

圖7 渭河下游臨潼CDC剖面OSL年齡與深度關(guān)系圖Fig.7 The relationship between OSL age and the depth in the CDC profile in the lower reaches of the Weihe River

4 討論與結(jié)論

本文結(jié)合近年來(lái)關(guān)于渭河流域全新世黃土-古土壤地層的研究成果, 及其基本年代框架(Huang et al., 2006, 2009; 萬(wàn)紅蓮等, 2010), 來(lái)探討OSL測(cè)年方法對(duì)古洪水滯流沉積物測(cè)量的可靠性。渭河下游CDC剖面與其上游河谷GCZ剖面、黃土原面XJN剖面ETC剖面有很好的對(duì)比關(guān)系, 地層結(jié)構(gòu)完全相同。

渭河下游階地面平坦寬廣,其頂部風(fēng)成沉積覆蓋層連續(xù)性較好。在CDC剖面地層幾乎沒(méi)有受到明顯的侵蝕, 各個(gè)層次保存較為完好, 記錄了豐富的環(huán)境演變信息。磁化率和粒度成分等氣候替代指標(biāo)曲線圖顯示(圖 2), 剖面頂部 L1層屬于典型的馬蘭黃土, 對(duì)應(yīng)的年代在11 500 a B.P.之前, 磁化率為最低值, 粗粉沙含量最高。這反映氣候干旱，沙塵暴強(qiáng)度大。 在強(qiáng)大的西北季風(fēng)環(huán)流的控制下, 降水稀少, 沙塵暴堆積旺盛, 黃土堆積速率高,地表黃土疏松成壤構(gòu)造微弱。全新世早期11 500 ～ 8500 a B.P.之間, 是全新世氣候開(kāi)始升溫的過(guò)渡時(shí)期, 其磁化率逐漸增大, 表明有一定的風(fēng)化成壤改造過(guò)程, 地表植被有所恢復(fù), 但仍較寒冷干燥。這一時(shí)期形成了由馬蘭黃土向古土壤的過(guò)渡 Lt層。在 8500～3100 a B.P.之間是全新世最適宜期, 在剖面上表現(xiàn)為 170～90 cm 的古土壤 S0層。磁化率在古土壤S0層 達(dá) 到 峰 值 , 變 化 范 圍 在 78.3× 10?8～105.3×10?8m3·kg?1。反映降水量變化與次生風(fēng)化成壤強(qiáng)度指標(biāo)的粘粒/粉沙比率含量為剖面最高值, 在0.11～0.18之間變化。這個(gè)階段粗粉沙含量最低, 揭示了該期間在東南季風(fēng)主導(dǎo)之下, 氣候溫暖濕潤(rùn),降水量較多, 植物生長(zhǎng)茂盛, 生物風(fēng)化強(qiáng), 土壤淋溶作用和粘化作用都較強(qiáng), 形成典型的濁棕色褐色土類古土壤。 從3100 a B.P.開(kāi)始, 沙塵暴堆積增強(qiáng),形成了現(xiàn)代黃土 L0層，其磁化率和粘粒含量減小,粗粉沙值迅速增加。在黃土 L0層的粗粉沙峰值在48%～53%, 表明東南季風(fēng)減弱而西北季風(fēng)加強(qiáng), 降水量減少, 沙塵暴強(qiáng)度加大, 植被退化, 成壤強(qiáng)度降低, 土壤顆粒變粗。表土層(MS) 則是1500 a B.P.以來(lái)形成的。 由于關(guān)中盆地開(kāi)墾歷史悠久, 受人類耕作影響較大, 在L0層的頂部迭加形成的一層發(fā)育較好的耕作土壤, 其表層磁化率值增高。

通過(guò)與渭河流域各個(gè)典型剖面對(duì)比可知, 全新世古土壤S0與黃土L0的界限為3100 a B.P., 渭河下游河谷 CDC剖面的古洪水滯流沉積層恰好夾在這個(gè)界面, 査小春等對(duì)漆水河古洪水研究結(jié)果顯示在3100～3000 a B.P.之間發(fā)生了古洪水事件(查小春等, 2007)。萬(wàn)紅蓮等在渭河上游寶雞峽的研究表明渭河在 3200～3000 a B.P.之間發(fā)生了特大古洪水事件(萬(wàn)紅蓮等, 2010)。這在年代上與本文當(dāng)中確定的古洪水發(fā)生年代3200～3000 a B.P.完全吻合。這也印證了我們關(guān)于渭河下游CDC剖面OSL測(cè)年結(jié)果是可信的。

結(jié)合古洪水沉積物上覆和下伏地層層位和SWD沉積物的 OSL年齡測(cè)定, 確定渭河流域古洪水事件發(fā)生時(shí)間在3200～3000 a B.P.之間。沿渭河干流深入廣泛考察, 在渭河一級(jí)階地風(fēng)成沉積覆蓋層剖面更高處再未發(fā)現(xiàn)古洪水滯流沉積層記錄, 故可以斷定渭河 3200～3000 a B.P.之間發(fā)生的古洪水是全新世以來(lái)最大的洪水事件。

在半干旱半濕潤(rùn)地區(qū)的河流, 特大洪水事件一般發(fā)生在氣候不穩(wěn)定或劇烈波動(dòng)的時(shí)期。全新世中期氣候相對(duì)穩(wěn)定, 特大洪水發(fā)生機(jī)率小。在3100 a B.P.前后, 東亞季風(fēng)格局突變, 西北季風(fēng)勢(shì)力增強(qiáng), 季風(fēng)氣候向干旱化發(fā)展, 氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定,變化異常, 造成渭河流域的洪水和干旱事件, 導(dǎo)致環(huán)境惡化, 使水土生物資源退化(黃春長(zhǎng), 2001)。渭河流域發(fā)生在 3200～3000 a B.P.之間的特大古洪水事件, 正是發(fā)生在這樣一個(gè)氣候轉(zhuǎn)折的時(shí)期。除了渭河流域, 在我國(guó)南部的漢江流域也發(fā)現(xiàn)了3000 a B.P.古洪水事件的沉積記錄(謝遠(yuǎn)云等, 2007)。該時(shí)期在在全球范圍也是一個(gè)氣候波動(dòng)轉(zhuǎn)折期, 在格陵蘭Summit地點(diǎn)冰芯GISP2的年代系列也記錄了這個(gè)時(shí)期氣候的惡化轉(zhuǎn)折(O’Brien et al., 1995)。通過(guò)與全球氣候變化和洪水干旱事件的對(duì)比分析, 可以確定氣候系統(tǒng)不穩(wěn)定, 頻繁波動(dòng), 降水變率大, 是導(dǎo)致特大洪水發(fā)生的主要原因。

光釋光測(cè)年技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為比較成熟的測(cè)年方法。對(duì)于黃土-古土壤樣品來(lái)說(shuō), 精度可以達(dá)到百年尺度。而對(duì)于古洪水滯流沉積物來(lái)說(shuō), 假如在被埋藏前, 釋光信號(hào)曬退比較好, OSL測(cè)年技術(shù)是最直接的一種方法, 能夠獲高分辨率的絕對(duì)年齡。從而比較準(zhǔn)確地?cái)喽ü藕樗录l(fā)生的年齡, 并建立剖面的年代框架。

致謝: 王娟同學(xué)在野外采樣和實(shí)驗(yàn)測(cè)試中給予熱情幫助, 以及兩位匿名審稿專家和編輯部對(duì)本文的完善提出的有益建議, 在此深表謝忱。

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OSL Dating of the Holocene Paleoflood Events: A Case Study of the Lintong Segment in the Lower Weihe River Valley

WANG Heng-song1,2), HUANG Chun-chang1), ZHOU Ya-li1), PANG Jiang-li1), ZHA Xiao-chun1), GU Hong-liang1)
1) College of Tourism and Environmental Sciences, Shaanxi Normal University, Xi'an, Shaanxi 710062;
2) Southeast Guizhou College of National Minority Professional Technology, Kaili, Guizhou 556000

Field investigation was carried out in the lower Weihe River valley and, as a result, a Holocene loess-soil profile interbedded with flood slackwater deposits (SWD) was found in Lintong segment.The analytical results of grain-size distribution and magnetic susceptibility indicate that this profile has recorded the information of palaeoflood events that occurred during the Holocene.OSL dating of the samples from the profiles using the post-IR technique with the SAR protocol shows a linear relationship between the age and the depth.The extraordinary palaeofloods on the Weihe River were therefore dated at 3200-3000 a B.P.In combination with the stratigraphic correlation and climate proxy of grain-size distribution and magnetic susceptibility, the authors hold that extraordinary palaeofloods occurred just at the turning point from the middle Holocene climatic optimum to late Holocene dry conditions at about 3100 a B.P.The palaeofloods occurred because of the frequent climatic variation and the unstable atmospheric system in relation to the global climatic change.The catastrophic climate has resulted in both the extreme aridity and great palaeofloods.

OSL dating; palaeoflood; Holocene; Weihe River

P597; P331.1

A

10.3975/cagsb.2012.02.11

本文由國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(編號(hào): 41030637)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金(編號(hào): GK200901007; GK200902020)聯(lián)合資助。

2011-09-16; 改回日期: 2012-02-02。責(zé)任編輯: 閆立娟。

王恒松, 男, 1967年生。博士研究生, 副教授。主要從事資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境變化研究, 近年來(lái)重點(diǎn)研究渭河及漢江的古洪水?dāng)啻-mail: wanghengsong796@163.com。

*通訊作者: 黃春長(zhǎng), 男, 1954年生。教授, 博士生導(dǎo)師。從事資源開(kāi)發(fā)與環(huán)境演變研究, 近年來(lái)重點(diǎn)研究渭河及漢江的古洪水。E-mail: cchuang@sunn.edu.cn。