田鈺琛，殷志強(qiáng)，張緒教，邵海，谷明旭，任偉，彭超

1) 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京，100083；2) 中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京，100081；3) 河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，石家莊，050021；4) 河北省地礦局第四地質(zhì)大隊，河北承德，067000

內(nèi)容提要: 河流沉積物蘊(yùn)藏著其形成之時水動力條件及古氣候變化等重要信息，因此研究河流相沉積物不僅可指示其沉積之時的水動力條件，還可對其反演的古氣候進(jìn)行一定的探索。伊遜河地處燕山東段，開展其下游河流相沉積物粒度、磁化率及形成年代的探討，可為燕山山地河流相沉積物蘊(yùn)藏的古環(huán)境意義研究提供參考。筆者等通過野外實地調(diào)查、光釋光測年、粒度分析及磁化率實驗對伊遜河下游三級階地(T3)前緣剖面展開研究，初步確立了伊遜河下游T3的形成時間，大致為晚更新世晚期至全新世早期(13.14±0.76 ka BP至9.55±0.58 ka BP)，結(jié)合野外實測及實驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)此剖面可劃分為11層，探討了伊遜河在晚更新世晚期至全新世早期水動力條件的變化，厘定了伊遜河下游9次較為明顯的水文事件，并提出新仙女木事件始末及全新世初期此剖面沉積物記錄與多種氣候變化指標(biāo)和區(qū)域氣候變化有較高的一致性，揭示了伊遜河下游河流階地沉積物對氣候變化的響應(yīng)較為明顯，研究結(jié)果為該地區(qū)古環(huán)境研究提供了基礎(chǔ)地質(zhì)依據(jù)。

河流階地是河流地貌的重要組成部分，歷來被許多學(xué)者重視，是記錄古水文信息及古氣候變化的重要載體(Erkens et al., 2009; Stokes et al., 2012; Gong Zhijun et al., 2014; 溫振玲等, 2015)。伊遜河地處燕山東段，整體位于河北承德地區(qū)，處于內(nèi)蒙古高原與華北平原的過渡帶(殷志強(qiáng)等, 2020)。通過地殼穩(wěn)定性評價認(rèn)為，伊遜河流域晚更新世以來地殼穩(wěn)定，活動構(gòu)造不發(fā)育，因此伊遜河下游河流相沉積物是研究流域內(nèi)第四紀(jì)古氣候變化的重要材料，但對其下游地區(qū)晚更新世晚期以來河流階地沉積物與古環(huán)境變化的耦合關(guān)系研究未見報道。對河北北部山區(qū)的研究多以孢粉、植硅體等方法，僅指出10 ka BP以來發(fā)生有多次冷暖波動事件(孫建中等, 2000; 劉林敬等, 2018)，對臨近地區(qū)華北平原的研究多以樹木年輪、冰芯、石筍等為切入對古氣候變化展開探索，對河流相沉積物研究較少(Yang Guifang et al., 2010; Li Qiang et al., 2020)。綜上，前人對此區(qū)域河流相沉積物及其對古環(huán)境變化響應(yīng)關(guān)系的研究尚未開展詳細(xì)工作，故有必要對伊遜河河流相沉積物特征及其蘊(yùn)藏的古環(huán)境信息展開進(jìn)一步探索。在實地調(diào)查過程中，筆者等發(fā)現(xiàn)伊遜河下游發(fā)育有級序完整且保存完好的河流階地，通過OSL(Optically Stimulated Luminescence)測年、粒度及磁化率實驗等方法，查明了伊遜河下游T3前緣剖面沉積物特征，并以各分層特征及沉積物粒徑探討了晚更新世晚期至全新世早期伊遜河水動力條件，重點對此剖面記錄的新仙女木(YD)事件與剖面上沉積物的耦合關(guān)系以及伊遜河下游河流相沉積物磁化率分析方法的適用性展開探討，以期為燕山山地區(qū)域內(nèi)河流相沉積物的沉積環(huán)境及其與古氣候變化響應(yīng)關(guān)系的研究提供借鑒與參考。

1 研究區(qū)概況

伊遜河源頭位于河北省圍場縣哈里哈鄉(xiāng)，總長達(dá)214 km，流域面積為6689.3 km2，流經(jīng)隆化縣下河南村后與蟻螞吐河相匯，并在灤河鎮(zhèn)與灤河交匯。伊遜河流域?qū)儆诘湫偷陌敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)，流域內(nèi)年均溫較低，多為4.7～7.0℃，所測年均降雨量為452.8 mm。

太古宙至中生代巖石構(gòu)成本研究區(qū)基巖，以侏羅系花崗巖分布較廣，此區(qū)域第四系沉積物主要沿河谷分布。應(yīng)用高精度數(shù)字高程模型繪制高程數(shù)據(jù)圖(圖1)，重點研究剖面位于伊遜河與灤河交匯處東北部4 km處。此河流階地剖面發(fā)育有3級階地，河漫灘處主要為黑褐色中砂夾雜黑褐色粘土質(zhì)粉砂，T1上覆為灰黃色粉砂，植被根系較為發(fā)育，可見大量卵礫石。T2寬度較大，上覆多種植有農(nóng)作物。T3前緣出露一高7.5 m，保存完好，分層明顯的剖面(圖2)。因T1、T2受人為改造明顯，未發(fā)現(xiàn)出露良好的剖面，再者因T3前緣剖面在風(fēng)化層去除后，各分層凸顯，故選T3前緣剖面展開進(jìn)一步研究。

圖1 燕山伊遜河地區(qū)區(qū)域位置(a)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)圖(b)Fig. 1 Regional position(a) and digital elevation model (b) of the Yixun River area, Yanshan Mountains圖(a)為研究區(qū)區(qū)域位置遙感影像圖，紅色圓點為剖面所在位置Figure (a) is a remote sensing image of the regional location of the study area, with red circle as the location of the section

T3階面上發(fā)育少量植被，整體起伏較小，剖面上沉積物多由中、細(xì)砂等組成，依據(jù)實地調(diào)查結(jié)果及所測數(shù)據(jù)可將此剖面沉積物劃分為11層(圖2)，剖面上沉積物多呈現(xiàn)為平行層理，各分層如下所述：

FC1：灰黃色細(xì)砂(7.5～6.6 m)風(fēng)化面較薄，新鮮面呈灰黃色，整體較為松散，可見流水沖刷痕跡，在7.5 m處取年代樣OSL-01。

FC2：黃棕色中砂(6.6～6.45 m)此層沉積物新鮮面為黃棕色，風(fēng)化程度與FC1相似，出露些許細(xì)小卵礫石，與FC1及FC3分界面明顯。

FC3：灰白色細(xì)砂(6.45～5.6 m)新鮮面為灰白色，未見明顯流水沖刷痕跡及礫石。

FC4：黃棕色中砂(5.6～4.25 m)此層沉積物厚度較大，整體較為松散，風(fēng)化面較薄，可見磨圓度高，分選性好的礫石，成層性較好，礫石巖性較為復(fù)雜，多為輝綠巖、花崗巖、火山角礫巖、脈石英等。

FC5：灰白色細(xì)砂(4.25～4.1 m)此層沉積物較薄，向內(nèi)開挖新鮮面仍為灰白色。

FC6：黃棕色中砂(4.1～3.75 m)此層可見少量細(xì)小的礫石，礫石粒徑多為0.5～3 cm，較之FC4量少，磨圓、分選與之相當(dāng)，多呈層狀排列。

FC7：灰黃色細(xì)砂(3.75～3.05 m)此層厚度較大，風(fēng)化面較薄，未見礫石分布，可見流水沖刷痕跡。

FC8：黃棕色中砂(3.05～2.0 m)此層沉積物質(zhì)地較為疏松，黃棕色中砂夾雜大量礫石，礫石多呈層狀排列，粒徑在0.5～3 cm，礫石磨圓度較高，分選好，礫石巖性與FC4及FC6相似。

FC9：灰黃色細(xì)砂(2.0～1.25 m)此層沉積物整體較為松散，風(fēng)化面較薄，未見明顯礫石。

FC10：黃棕色中砂(1.25～0 m)此層厚度大，下部可見較為明顯的礫石，分選及磨圓較好，礫石巖性與FC4、FC6、FC8相似，成層性好，可見流水沖刷痕跡及些許植物根系，在此層頂部取年代樣OSL-02。

FC11：耕植土(地表)多成深褐色，有機(jī)質(zhì)含量較多，較為濕潤，植物根系十分發(fā)育。

2 研究方法

2.1 樣品采集

在此剖面共取粒度及磁化率樣品150件，取樣方法為用鐵鏟向內(nèi)部開挖約0.5 m，去除風(fēng)化層，間隔5 cm取樣，在每次取樣后將取樣工具上的殘留土樣擦拭干凈并用專用塑封袋包裝樣品，以防止樣品被污染。

在去除風(fēng)化層后，用長度為20 cm，內(nèi)徑為6 cm的鋼管在剖面頂部及底部各取一個年代樣。取樣遵循標(biāo)準(zhǔn)OSL樣品取樣流程，保證良好的避光性，并用不透水的塑封袋密封樣品，盡快移交實驗室，以保證其含水率不會發(fā)生改變。

表1 冀北伊遜河下游T3剖面各分層粒度參數(shù)及水動力條件對照表

2.2 粒度及磁化率測試

粒度是研究沉積物對古環(huán)境響應(yīng)關(guān)系的重要指標(biāo)，主要受水動力條件及古氣候變化等影響，以河流相沉積物粒度參數(shù)為指引可對沉積物形成時水動力條件進(jìn)行定量研究，還可為其與古環(huán)境耦合關(guān)系的研究提供一定的參考(殷志強(qiáng)等, 2008; 王有鵬等, 2019)。經(jīng)過前處理后，用純水洗滌樣品至中性，并加入六偏磷酸鈉溶液以此來分散試樣。經(jīng)過超聲波儀器處理后，用Mastersizer 3000激光粒度分析儀完成測試。

磁化率是研究古氣候變化的重要指標(biāo)，測試流程為將樣品放置在8 cm3的實驗容器內(nèi)，記錄下樣品質(zhì)量，應(yīng)用Bartington MS3磁化率測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。

2.3 年代學(xué)測試

根據(jù)前人資料及伊遜河河流階地上沉積物風(fēng)化程度，初步判定伊遜河下游T3形成時間大致為晚更新世晚期。因OSL測年精度較高且測年范圍廣(Junior et al., 2011; Briant et al., 2012; 趙秋月等, 2014)，故選取OSL作為測年方法。樣品在前處理后，先將部分樣品進(jìn)行稱重及烘干等操作，以測試其含水率，隨后將樣品制成硅油測片，信號測量與光釋光輻照等操作在Risoe DA-20-C/D型熱/光釋光自動測量系統(tǒng)上展開，用等離子體質(zhì)譜儀(型號為NexION300D)及石墨爐原子吸收分析儀(型號為Z-2000)測定U、Th、K三者含量。

3 結(jié)果

3.1 剖面粒度特征分析

剖面上沉積物頻率分布多以單峰為主，大多呈現(xiàn)為正態(tài)分布。依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)及地層柱狀圖、各粒度參數(shù)變化曲線(圖2、圖3)，可知沉積物粒度參數(shù)發(fā)生了多次較為明顯的波動。沉積物平均粒徑變化區(qū)間為0.09～0.42 mm，中值粒徑變化區(qū)間為0.08～0.35 mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差變化區(qū)間為0.05～2.2，峰度變化區(qū)間為0.79～2.25，偏度變化區(qū)間為-0.51～0.09。綜上，剖面上沉積物多為中、細(xì)砂，由粒度參數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)(傅開道等, 2015)，可知此剖面沉積物除少數(shù)層分選差，其余各層均為好至中等，峰度則多呈現(xiàn)為尖銳，少部分為中等尖銳，偏度數(shù)據(jù)則多為負(fù)偏或近對稱，可得出其整體粒度分布相對集中，以粒度數(shù)據(jù)推演沉積物形成時水動力條件更為可靠。

3.2 剖面磁化率特征分析

應(yīng)用磁化率對沉積物進(jìn)行研究的作用機(jī)理為: 在氣溫較為暖濕時，沉積物在成壤的過程中磁性礦物會有所增加，因此磁化率值高多能反映溫暖的環(huán)境，磁化率值低則相反(董進(jìn)等, 2015)。筆者等應(yīng)用質(zhì)量磁化率χ，展開進(jìn)一步探討。在FC2磁化率數(shù)值較大，F(xiàn)C4、FC8、FC9磁化率數(shù)值出現(xiàn)較為明顯的波動，而FC1、FC3、FC5、FC6、FC7、FC10磁化率數(shù)值較小(圖3)。FC1～FC4此部分磁化率變化趨勢與沉積物平均粒徑呈現(xiàn)出較高的一致性，而FC5～FC10此部分磁化率數(shù)值與沉積物平均粒徑變化趨勢呈現(xiàn)的相關(guān)性較低。

4 討論

4.1 伊遜河下游T3形成年代

依據(jù)樣品OSL-01及OSL-02的光釋光信號衰減曲線，可得知樣品光釋光信號均較強(qiáng)，皆呈現(xiàn)為快速衰減的特征，此為典型的石英信號，可知經(jīng)過前處理后長石已去除干凈，所測礦物為純石英，其發(fā)出的石英信號多以快組分為主，符合光釋光測年要求。依據(jù)二者的等效劑量分布直方圖，可知其等效劑量分布相對集中，樣品曬褪較好，在埋藏之前得到了充分曝光，年齡數(shù)據(jù)可信(圖4)。

年代樣品數(shù)據(jù)符合地層層序率，各參數(shù)均為正常值(表2)，依據(jù)測年結(jié)果可知伊遜河下游T3形成時間為13.14±0.76～9.55±0.58 ka BP，大致為晚更新世晚期至全新世早期，測年結(jié)果與預(yù)估值相符。因此，此剖面沉積物會受到Y(jié)D事件的影響。

圖4 冀北伊遜河下游T3剖面沉積物OSL信號衰減曲線和等效劑量分布直方圖Fig. 4 OSL signal attenuation curve and square distribution of equivalent dose in the sediments from the T3 section in the lower reaches of Yixun River， northern Hebei

4.2 剖面上沉積物磁化率參數(shù)適用性

沉積物粒徑大小往往對應(yīng)其形成時的氣候條件，其可對氣候變化產(chǎn)生良好的響應(yīng)，在氣候較為溫暖或由冷轉(zhuǎn)暖時，沉積物粒徑多較粗，以中砂居多，多表現(xiàn)為黃棕色，可見礫石出現(xiàn)，而在氣候較為寒冷或降溫時期，沉積物粒徑則較細(xì)，多為灰白色(Helmke et al., 2002; 王熠哲等, 2019)。前人對河流相沉積物磁化率數(shù)值與氣候變化響應(yīng)關(guān)系的研究存在分歧，有學(xué)者提出在氣候較為暖濕或升溫時期，河流相沉積物磁化率數(shù)值偏高，而在氣候轉(zhuǎn)冷時，河流相沉積物磁化率數(shù)值則降低，認(rèn)為其可作為研究氣候變化的重要指標(biāo)(Nádor et al., 2003; 李建剛等, 2020)。但有學(xué)者所得結(jié)論與上述見解相悖，即在氣候暖濕時，磁化率數(shù)值低，在氣候轉(zhuǎn)冷時，磁化率數(shù)值高，同時提出磁化率參數(shù)與河流相沉積物粒徑大小有較強(qiáng)的相關(guān)性，對氣候變化的指示作用不強(qiáng)(周曉紅等, 2007)。

河流對河岸及河床底部基巖侵蝕所產(chǎn)生的顆粒、河流對流域內(nèi)地表土剝蝕的產(chǎn)物、大氣降塵及降水所攜帶的磁性礦物，是河流相沉積物中磁性礦物的3種主要來源。其次河流相沉積物磁化率數(shù)值受沉積物本身粒度組合及水動力大小影響十分明顯(吉云平等, 2007)。即由于不同區(qū)域沉積環(huán)境，物源及磁性礦物在不同粒級組分中富集程度有所區(qū)別，致使以河流相沉積物為研究對象時，磁化率測試對氣候變化的指示存在一定的局限性。正如上文提到的此剖面沉積物磁化率數(shù)值與粒徑存在一定的弱相關(guān)關(guān)系，在一些分層呈現(xiàn)出與沉積物粒徑較高的一致性，但在FC6、FC9、FC10磁化率參數(shù)與沉積物粒徑及新鮮面特征的對應(yīng)出現(xiàn)明顯反差。

表2 冀北伊遜河下游T3剖面沉積物OSL年代測試數(shù)據(jù)表Table 2 OSL test data of sediment samples from T3 section in the lower reaches of Yixun River， northern Hebei

綜上，河流相沉積物磁化率參數(shù)影響因素繁多，且此剖面沉積物磁化率數(shù)值與預(yù)估值偏差較大，與剖面上沉積物粒徑存在關(guān)聯(lián)性，據(jù)此推斷研究區(qū)內(nèi)河流相沉積物的磁化率參數(shù)與古氣候變化的關(guān)聯(lián)性不高，對其蘊(yùn)藏的古環(huán)境信息探索存在局限性。

4.3 沉積物對古環(huán)境變化的響應(yīng)及耦合

4.3.1 剖面沉積物形成時水動力條件對古環(huán)境變化的響應(yīng)

河流沉積物粒徑可很好地指示其沉積時的水動力條件，此剖面沉積物粒徑變化明顯，根據(jù)各層沉積物的平均粒徑，中值粒徑并結(jié)合剖面上沉積物特征，可對伊遜河在13.14±0.76 ka BP至9.55±0.58 ka BP期間的水動力條件作出推斷。其中FC3、FC5、FC9此3層沉積物未見明顯礫石，粒徑整體較細(xì)，細(xì)粒組分占比大，特別是FC3平均粒徑從0.42 mm降至0.16 mm，降幅明顯，可推斷沉積物形成時水動能較低。FC1、FC7此兩層沉積物粒徑波動較為明顯，較之上述3層粗粒組分占比提升，平均粒徑可達(dá)0.3 mm左右，但未見河流相礫石，認(rèn)為其沉積時水動力條件較之上述3層略微增強(qiáng)。FC2、FC4、FC6、FC8、FC10此5層均出露有河流相卵礫石，粒徑較之上述分層均增大，可達(dá)0.3～0.4 mm，粗粒組分占比明顯提升，據(jù)此判斷此部分沉積物形成時水動能均為高能。即此剖面沉積物共記錄了伊遜河下游9次較為明顯的水文事件(表1)。

4.3.2剖面沉積物與古氣候變化的耦合關(guān)系

YD事件是一次全球性的氣候變化事件，因其記錄載體、地區(qū)、測年方法及是否進(jìn)行參數(shù)校正等因素的差異，致使其發(fā)生時間仍未有定論，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為其發(fā)生時間在13.0～11.0 ka BP前后(沈永平等, 1996; Lowell et al., 2008; Cheng Hai et al., 2020)。因此，此剖面沉積物會受到Y(jié)D事件的影響。筆者等應(yīng)用洞穴石筍氧同位素、以孢粉重建的山西省寧武縣公海湖年總降水量、古里雅冰芯氧同位素及格陵蘭冰芯甲烷記錄展開探討。

洞穴石筍氧同位素因樣品時間分辨率高，測年精準(zhǔn)使得其在不同區(qū)域的記錄表現(xiàn)出了較高的一致性(Kelly et al., 2005)。石筍氧同位素記錄可對古氣候變化產(chǎn)生明顯的響應(yīng)，江蘇省江寧區(qū)葫蘆洞、貴州省荔波縣董歌洞、湖北省神農(nóng)架自然保護(hù)區(qū)三寶洞洞穴石筍氧同位素記錄的YD事件范圍大致為12.5～11.0 ka BP，三條氧同位素曲線波動明顯，耦合程度高，在YD事件此段時間內(nèi)氧同位素數(shù)值雖存在反復(fù)，但皆呈現(xiàn)為波段性降低(圖3)。

基于山西省寧武縣公海湖孢粉數(shù)據(jù)重建的氣候變量年總降水量所記錄的YD事件發(fā)生時間大致為13.0～11.5 ka BP。在YD事件期間公海湖年總降水量值存在較為明顯的3次波動，最小年總降水量僅為350 mm，在YD事件結(jié)束后，年總降水量數(shù)值增勢明顯。

古里雅冰芯記錄的YD事件發(fā)生時間為12.5～11.0 ka BP大致可分為3個波段(楊志紅等, 1997)，各波段氧同位素記錄亦存在些許反復(fù)。格陵蘭冰芯甲烷數(shù)值所記錄的YD事件時間為13.0～11.5 ka BP，甲烷數(shù)值在YD事件期間出現(xiàn)降低，降幅較大，存在較為明顯的兩個波段，YD事件結(jié)束后，其亦出現(xiàn)陡增。

YD事件期間氣候呈現(xiàn)為冷暖波動狀態(tài)，致使上述記錄多存在反復(fù)，但整體趨勢均為逐漸降低，呈現(xiàn)為波段性降溫。因溫度驟降使得降水大幅減少，河水補(bǔ)給變?nèi)?，動能降低，搬運(yùn)能力變差，致使河流相沉積物粒徑變小(李建剛等, 2020)。通過比對測年數(shù)據(jù)、沉積物平均粒徑、各分層特征及物質(zhì)組成與多種氣候變化指標(biāo)的耦合關(guān)系，得知此剖面沉積物粒度參數(shù)對YD事件響應(yīng)明顯，即正如上文提到的FC3平均粒徑降幅極大，最小僅為0.1 mm左右，且此層沉積物粒徑參數(shù)亦存在些許波動，整體呈現(xiàn)為波段性降低(圖3)。YD事件之后的百年內(nèi)氣溫迅速上升(Yao Tandong, 1999)，多種氣候變化指標(biāo)數(shù)值增大，F(xiàn)C3沉積物亦很好的記錄了此次快速升溫過程(圖3)。

YD事件在我國多表現(xiàn)為干冷或濕冷狀態(tài)(李森等, 2004)，此剖面沉積物在YD時期整體呈現(xiàn)為粒徑逐漸減小的趨勢，即水動能降低，故所記錄的YD事件呈現(xiàn)為干冷狀態(tài)，這得到了前人在河北平原所做研究及基于孢粉重建的山西省寧武縣公海湖年總降水量的證實(廣新菊等, 2000; Chen Fahu et al., 2015)。由此可知在晚更新世晚期至全新世早期此期間內(nèi)，氣候變化對伊遜河下游水動力條件造成重要影響，區(qū)域內(nèi)河流相沉積物對氣候變化的響應(yīng)較為明顯。

對鄰近地區(qū)的研究指出晚更新世晚期至全新世早期氣候波動明顯，對張家口安固里淖孢粉記錄的研究指出14.3～11.0 ka BP期間氣候多偏干冷，對承德壩上地區(qū)的研究指出10.0～8.2 ka BP期間氣候較為暖濕，湖泊形成高水位(孫建中等, 2000; 齊惠慧等, 2018)。如上文提到的，在晚更新世晚期YD事件被此剖面沉積物所記錄，與前人提出的干冷環(huán)境相對應(yīng)，其次FC10記錄的全新世初期高水動力條件與承德壩上地區(qū)的研究所得結(jié)論相吻合。

5 結(jié)論

筆者等通過野外實地調(diào)查、OSL測年、粒度及磁化率分析等方法對伊遜河下游三級階地(T3)前緣剖面沉積物展開研究，得到如下結(jié)論：

(1)伊遜河下游T3形成時間大致為晚更新世晚期至全新世早期，即13.14±0.76 ka BP至9.55±0.58 ka BP，其上河流相沉積物對氣候變化的響應(yīng)較為明顯，但伊遜河下游河流相沉積物的磁化率參數(shù)與古氣候變化的關(guān)聯(lián)性不高。

(2)新仙女木(YD)事件始末及全新世初期此剖面沉積物粒徑變化(FC3、FC10)與多種氣候變化指標(biāo)及區(qū)域氣候變化有較高的一致性，伊遜河流域在YD事件此時段內(nèi)多表現(xiàn)為干冷狀態(tài)。

(3)伊遜河下游水動力條件對氣候變化的響應(yīng)較為明顯，在13.14±0.76 ka BP至9.55±0.58 ka BP期間內(nèi)，此剖面共記錄了9次較為明顯的水文事件。

致謝：感謝各位編輯及審稿專家寶貴的修改意見！