李華勇，王 倩，張虎才，張宏亮，楊藝萍，張?chǎng)┣澹钪腔?/p>

(1.安陽(yáng)師范學(xué)院資源環(huán)境與旅游學(xué)院，河南 安陽(yáng)455000；2.云南大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，高原湖泊生態(tài)與污染治理研究院，云南 昆明650500；3.中國(guó)科學(xué)院 南海海洋研究所，廣東 廣州510301)

近年來(lái)，越來(lái)越多古洪水或疑似古洪水沉積（Palaeo-Flood Deposits，PFD）在考古地層中被發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步研究揭示，古洪水可能極大影響了流域內(nèi)文明興衰，甚至帶來(lái)毀滅性打擊[1-2].由于流速流量及所處地貌類型的差異，洪水沉積可分為巨能沉積、滯流沉積、泛濫平原沉積、決口扇沉積等多種類型[3-6].洪水沉積層是記錄古洪水信息的重要地質(zhì)載體，從地層中識(shí)別古洪水沉積，是恢復(fù)古洪水水位及流量的根本前提，對(duì)于進(jìn)一步揭示古洪水發(fā)生規(guī)律，探究河流水文系統(tǒng)對(duì)于氣候變化的響應(yīng)機(jī)制，指導(dǎo)當(dāng)代水利工程建設(shè)和防洪減災(zāi)也具有十分重要的意義[7-9].目前，學(xué)術(shù)界對(duì)PFD的判別主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法，即從古生物學(xué)、地球化學(xué)、考古學(xué)及沉積學(xué)等方面綜合判識(shí)古洪水事件[10-12]，精準(zhǔn)識(shí)別存在難度，甚至帶有一定爭(zhēng)議性[13-15]. 因此，遵循“將今論古”的研究思路，充分認(rèn)識(shí)現(xiàn)代洪水沉積特征，是識(shí)別地層中古洪水層的重要前提和依據(jù)[16-17].當(dāng)前，河流中上游地區(qū)巨能洪水沉積（megafloods sediments）和滯流沉積（Slackwater Deposits，SWD）研究成果相對(duì)豐碩[3,18]，下游泛濫平原洪水沉積物卻鮮見(jiàn)報(bào)道，尤其是該區(qū)域現(xiàn)代洪水沉積過(guò)程及其與下伏地層的對(duì)比，尚未見(jiàn)系統(tǒng)研究成果發(fā)表.

本文以山東省北部丹河流域2018年洪水事件為研究案例，選取洪水沉積層保存較為原始的地點(diǎn)，鉆取新鮮沉積物及下伏現(xiàn)代土壤層巖芯DH1，利用X射線熒光光譜（X-ray fluorescence，XRF）掃描沉積物元素的相對(duì)含量，進(jìn)行相關(guān)分析和聚類分析，揭示不同地層元素信號(hào)特征及差異，探究影響元素信號(hào)強(qiáng)度的因素，驗(yàn)證聚類分析的準(zhǔn)確性并討論其應(yīng)用于古洪水沉積地層識(shí)別的可行性.

1 研究區(qū)域概況

丹河發(fā)源于臨朐縣山旺鎮(zhèn)，向東北匯入彌河，最終注入渤海萊州灣，主要流經(jīng)山前平原和沿海低地區(qū)，河道平均比降為0.4/1 000（圖1b）.該區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)區(qū)大陸性氣候，流域多年平均降水量約為600 mm，集中于5—8月，多年平均徑流深度為156.5 mm，域內(nèi)降水分配不均，多發(fā)旱澇災(zāi)害[19-20].

2018年8月中旬，臺(tái)風(fēng)“摩羯”和“溫比亞”接連影響該區(qū)域，帶來(lái)強(qiáng)降水，河流水位迅速升高，加之上游大量客水涌入，導(dǎo)致彌河下游洪峰流量達(dá)到3000 m3/s左右，彌河、丹河發(fā)生多處漫堤和決堤險(xiǎn)情，從而造成洪澇災(zāi)害[21].

2 樣品采集與實(shí)驗(yàn)方法

2018年10月，筆者考察此次洪水淹沒(méi)區(qū)，于丹河下游選擇洪水新鮮沉積物保存較為原始的地點(diǎn)（圖1b～c），采用塑料巖芯管鉆取沉積物巖芯DH1，采樣點(diǎn)所處位置河槽寬4～6 m，堤壩內(nèi)行洪河道寬約170 m，鉆孔位于河流西側(cè)堤壩內(nèi)側(cè)河漫灘上，長(zhǎng)21 cm，上部為洪水沉積層，下部為河漫灘沉積物基礎(chǔ)上發(fā)育的現(xiàn)代土壤層（圖1d）.

圖1 彌河下游流域及采樣點(diǎn)位置和巖性圖Fig.1 Lcation of thelower reaches of the Mihe River Basin and sampling point and thecore scanning

巖芯運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行XRF元素掃描.由于測(cè)試與采樣間隔6個(gè)月左右，巖芯水分揮發(fā)充分，含水量對(duì)測(cè)試結(jié)果影響較弱.巖芯剖開后，首先進(jìn)行平整處理，覆蓋上Ultralene薄膜（4μm），使用荷蘭Araatech公司生產(chǎn)的Avaatech XRF巖芯掃描儀進(jìn)行元素測(cè)試.掃描面積5 mm（寬度）×10 mm（長(zhǎng)度），掃描時(shí)間為30 s，掃描間隔設(shè)置為5 mm，該實(shí)驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所完成.由于巖芯含水量、粒度、疏松度、裂隙以及切割面平整度等都對(duì)掃描結(jié)果有影響，所以掃描數(shù)據(jù)為各元素含量的半定量結(jié)果[22].為了盡量保證分析的準(zhǔn)確性，本文只選擇Mg、Fe、Ti、Al、Si、Zr、Sr、Zn、Ca、Rb等10種絕大部分點(diǎn)位相對(duì)強(qiáng)度大于300的元素進(jìn)行分析.同時(shí)巖芯兩端在掃描過(guò)程中，由于儀器自身問(wèn)題，測(cè)試結(jié)果易出現(xiàn)較大偏差，本文在討論時(shí)刪去頂部和底部各一組數(shù)據(jù)，共獲得40組數(shù)據(jù).

3 結(jié)果分析與討論

3.1 巖性分析與洪水過(guò)程圖1d中巖芯下段11.5 ～21 cm（Ⅰ段），為河漫灘沉積物基礎(chǔ)上發(fā)育的紅棕色現(xiàn)代土壤層，洪水發(fā)生之前為雜草荒地，顆粒較細(xì)，平均中值粒徑為13.8 μm（圖1d）；上部0～11.5 cm為洪水沉積層（Ⅱ段），其中巖芯頂部0～9 cm（Ⅱ-2段）為顆粒較粗的黃色粉砂，巖性松散，中值粒徑平均值為27.2 μm，砂體積分?jǐn)?shù)達(dá)到14.7 %，為典型洪水粉砂層[4]；9～11.5 cm是2.5 cm厚棕色黏土夾層（Ⅱ-1段），中值粒徑較小但有逐漸變大的趨勢(shì)，從粒度特征上可看出該段具有類河漫灘沉積特征.通過(guò)分析DH1孔粒度概率累積曲線及敏感組分含量變化特征，發(fā)現(xiàn)Ⅱ-2段躍移組分高達(dá)60%，揭示沉積水動(dòng)力較強(qiáng)（另文討論）；Ⅱ-1段11.5 ～10 cm，以黏土和細(xì)粉砂為主，表明洪水初期時(shí)河流水位上升沒(méi)過(guò)鉆孔位置，但流速并未同步提高，水動(dòng)力極弱；10～9 cm，砂含量快速升高，對(duì)應(yīng)洪水初期水動(dòng)力快速增強(qiáng)階段，可能為第1次洪峰過(guò)程[23-24].因此，Ⅱ-1段可以理解為河漫灘沉積與典型洪水粉砂層之間的過(guò)渡層，下段具有河漫灘相沉積特征，上段則過(guò)渡到洪水粉砂沉積.

3.2 XRF元素掃描結(jié)果XRF掃描結(jié)果顯示，DH1鉆孔Fe元素平均信號(hào)強(qiáng)度最高，達(dá)到1.4 7×105s-1，其次為Si、Ca、Mg、Ti、Al、Zr、Sr、Rb、Zn元素（圖2）.10種元素信號(hào)強(qiáng)度絕大多數(shù)在沉積界面處（11.5 cm和9 cm）發(fā)生明顯波動(dòng)，指示沉積相對(duì)元素相對(duì)含量的影響十分顯著[25].具體來(lái)看，Mg、Fe、Ti、Al、Si 等5種元素信號(hào)強(qiáng)度變化特征較為相似，總體呈減弱趨勢(shì)，洪水沉積層信號(hào)強(qiáng)度低于下伏土壤層，Ⅱ-1段元素信號(hào)強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，強(qiáng)度與土壤層持平或略低；元素Sr和Zr信號(hào)強(qiáng)度變化特征一致，先波動(dòng)降低后逐漸升高，在Ⅱ-1段達(dá)到鉆孔最低值；Zn和Ca元素信號(hào)強(qiáng)度變化模式與元素Sr、Zr截然相反，土壤層和Ⅱ-2段洪水粉砂層為信號(hào)強(qiáng)度低值，且波動(dòng)性不大，Ⅱ-1段出現(xiàn)峰值；Rb元素信號(hào)強(qiáng)度與其他9種元素的不同之處在于其表現(xiàn)為獨(dú)特的兩段式變化特征，土壤層為信號(hào)強(qiáng)度低值區(qū)，變化穩(wěn)定，洪水沉積層信號(hào)強(qiáng)度高，且具有微弱的波動(dòng)降低趨勢(shì)（圖2）.

3.3 相關(guān)分析相關(guān)性受控于元素在表生環(huán)境中的地球化學(xué)行為，不同元素間的相關(guān)性通常反映其伴生關(guān)系，相關(guān)性高說(shuō)明元素之間具有一致的賦存條件以及相似的來(lái)源[26-27].

圖2 DH1孔元素信號(hào)強(qiáng)度變化曲線Fig.2 Resultsof XRFcore scanning and median grain size DH1 core

DH1孔元素相關(guān)性分析結(jié)果如表1所示，以0.0 1置信水平上相關(guān)系數(shù)0.7 為劃分標(biāo)準(zhǔn)，可分為5組相關(guān)性較高的元素組合.第1組為Mg、Fe、Ti、Al、Si 等5種元素，其中Al、Si是造巖元素，一般認(rèn)為是外源碎屑元素[26,28-29]，Si元素可用來(lái)反映河流動(dòng)力，Ti元素作為惰性較強(qiáng)的元素，其含量變化主要受物理風(fēng)化作用以及區(qū)域降水量變化的影響[30-31].第2組Zr和Sr元素，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.8 16（0.0 1置信水平）.第3組為Zn元素，與第2組元素負(fù)相關(guān)，與第1組元素具有不同程度的正相關(guān)關(guān)系.第4組元素為Ca元素，同樣與Sr和Zr元素負(fù)相關(guān)，與其他元素正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到0.6 （0.0 1置信水平）.第5組為Rb元素，與其它組元素的相關(guān)性不大.

3.4 元素與粒度相關(guān)性分析XRF巖芯掃描結(jié)果可能受粒度、含水量等多種因素干擾[32]，圖2顯示DH1孔元素信號(hào)強(qiáng)度與沉積相變化具有一致性，同時(shí)揭示其與粒度存在某種關(guān)聯(lián).本文選取6種代表性元素與中值粒徑做散點(diǎn)關(guān)系圖（圖3），并分析其相關(guān)性.

中值粒徑以20μm為界分為2個(gè)群組，第1組包括Ⅰ段和Ⅱ-1段，為細(xì)粒沉積物，第2組為Ⅱ-2段洪水粉砂層（圖1d），相應(yīng)元素信號(hào)強(qiáng)度也分為若干群組.以Fe元素和Ti元素為代表的第1組元素以及Zn元素與中值粒徑負(fù)相關(guān)關(guān)系顯著，洪水粉砂層信號(hào)強(qiáng)度較低，指示該類元素富集于黏土礦物中（圖3（a）～（c））；Rb元素信號(hào)強(qiáng)度與中值粒徑呈正相關(guān)關(guān)系，但在Ⅱ-1段洪水前期黏土沉積層，元素信號(hào)強(qiáng)度為整個(gè)鉆孔峰值（圖2，圖3（d）），后隨著粒度變粗，信號(hào)強(qiáng)度有所降低，但整體仍然高于Ⅰ段土壤層，因此Rb元素信號(hào)強(qiáng)度主要反映沉積相變化；Zr元素和Sr元素信號(hào)強(qiáng)度與粒度相關(guān)關(guān)系不顯著，主要原因在于粒度呈兩段式變化特征，而這2種元素信號(hào)強(qiáng)度具有三段式變化模式，洪水黏土沉積層信號(hào)強(qiáng)度最低，其余兩段強(qiáng)度較高且相差不大（圖2），如果只比較洪水層Zr元素和Sr元素信號(hào)強(qiáng)度與中值粒徑關(guān)系，兩者則為顯著正相關(guān)（圖3（e））；Ca元素幾乎不與中值粒徑存在任何關(guān)系，僅在Ⅱ-1段出現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的信號(hào)強(qiáng)度峰值.

3.5 聚類分析聚類分析可以將地球化學(xué)特征相近、沉積環(huán)境相似的元素歸為一類，并找出聚集比較緊密的元素[26].不同元素的組合，反映了不同沉積地球化學(xué)特征及影響它們形成的地質(zhì)構(gòu)造、氣候、水文條件[33].丹河洪水沉積物DH1孔元素聚類譜系圖（圖4）中，10種元素變量按距離5分為5類.

第1類元素為Mg、Fe、Ti、Al、Si，此類元素屬于外源碎元素在洪水沉積物形成過(guò)程具有相似的富集規(guī)律，多賦存于黏土礦物中，隨細(xì)顆粒沉積物進(jìn)入河流中，沉積物粒徑越小，元素含量越多.第2類元素為Sr和Zr，分析該兩種元素信號(hào)強(qiáng)度在鉆孔中的變化特征以及與粒度相關(guān)性關(guān)系，判斷在洪水沉積層（Ⅱ段）中的相反化學(xué)行為是將其區(qū)分為兩大類的主要因素.Sr元素和Zr元素信號(hào)強(qiáng)度的獨(dú)特之處在于Ⅱ-1段為低值區(qū)，隨后波動(dòng)增強(qiáng)（圖2）.與粒度呈正相關(guān)關(guān)系（圖3（e））的第3類元素為Zn；第4類為Ca元素，這兩種元素信號(hào)強(qiáng)度均在Ⅱ-1段出現(xiàn)峰值，其余層位信號(hào)強(qiáng)度低且穩(wěn)定.第5類元素是Rb，相對(duì)富集于細(xì)顆粒物質(zhì)中[34]，Rb元素信號(hào)強(qiáng)度變化呈現(xiàn)兩段式，表明其與粒度關(guān)系不大，主要反映了沉積環(huán)境的變化.

表1 元素的相關(guān)性分析Tab.1 Correlation analysisof elements

圖3 部分元素與中值粒徑相關(guān)性Fig.3 Correlation between elementsand the median grain size

圖4 丹河DH1孔元素聚類譜系圖Fig.4 The pedigree chart of cluster analysis of hole DH1 in Danhe

Rb元素信號(hào)強(qiáng)度受含水量、粒度等其他因素干擾較小，因此其他元素與Rb的比值可減弱外部因素對(duì)掃描結(jié)果的影響[25].對(duì)元素比值采用聚類分析方法，按距離15將DH1鉆孔分為3段，即1.0 ～8.0 cm，8.5 ～11.0 cm，11.5 ～20.0 cm（圖5），在誤差容許范圍內(nèi)，基本上分別對(duì)應(yīng)巖芯Ⅱ-2、Ⅱ-1、Ⅰ段（圖1），表明每段沉積物具有相似元素組成，對(duì)比DH1孔沉積相變化，驗(yàn)證聚類方法在識(shí)別沉積相方面可靠性較高，在通過(guò)宏觀觀察法不能準(zhǔn)確判斷沉積地層的情況下，該方法可輔助識(shí)別古洪水沉積.

3.6 元素比值的古洪水識(shí)別意義元素比值不僅可以顯示不同元素的比例關(guān)系，而且依托比值變化還可以表明元素相對(duì)富集狀態(tài)以及變化幅度的大小[35].獲取Mg、Fe、Ti、Al、Si等5種元素（即前文所劃分的第1組元素）信號(hào)強(qiáng)度與Rb元素比值（圖6），與對(duì)應(yīng)元素信號(hào)強(qiáng)度曲線三段式變化特征不同（圖2），5種元素比值曲線表現(xiàn)為明顯的兩段式，Ⅰ段土壤層明顯高于Ⅱ段（圖6）.從粒度特征來(lái)看，Ⅰ段和Ⅱ-1段相似，均以細(xì)粒組分為主，砂含量較低（圖1d），但元素比值曲線顯示Ⅱ-1段和Ⅱ-2段特征相似，說(shuō)明兩段沉積物具有相同的物源與沉積環(huán)境[36-37]，因此可將Ⅱ-1定義為洪水前期低水位弱水動(dòng)力沉積.由此，可發(fā)現(xiàn)元素比值在輔助識(shí)別洪水沉積層方面具有一定的參考價(jià)值.

圖5 丹河DH1孔元素沉積階段系統(tǒng)聚類Fig.5 Systematic clustering of sedimentary stages of hole DH1 in Danhe

Rb元素與Sr元素及Zr元素在風(fēng)化搬運(yùn)過(guò)程中的地球化學(xué)行為既穩(wěn)定又存在明顯區(qū)別，ρ（Rb）/ρ（Sr）值、ρ（Zr）/ρ（Rb）值可作為洪水沉積層識(shí)別的有效地球化學(xué)指標(biāo)[37-38]. Zr元素主要賦存于土壤或沉積物中的鋯石中，在風(fēng)化搬運(yùn)過(guò)程中的穩(wěn)定性強(qiáng)，主要在粗顆粒中富集.Sr元素與Zr元素相同，本身主要富集在粗粒礦物中，而Rb元素作為典型的分散元素主要存在于細(xì)粒礦物中，因此ρ（Rb）/ρ（Sr）、ρ（Zr）/ρ（Rb）的比值實(shí)際上反映了粗粒級(jí)礦物與黏土礦物的相對(duì)含量[39].王敏杰等[40]通過(guò)分析長(zhǎng)江三角洲地區(qū)鉆孔巖芯沉積物ρ（Zr）/ρ（Rb）比值的變化，發(fā)現(xiàn)ρ（Zr）/ρ（Rb）比的峰值與洪水期粗粒沉積對(duì)應(yīng)，由此重建了長(zhǎng)江流域600年以來(lái)古洪水事件.張躒穎等[41]分析長(zhǎng)江武漢段4.5～2.5 ka沉積地層，認(rèn)為ρ（Rb）/ρ（Sr）比的谷值可作為洪水沉積層的特征標(biāo)志之一，可識(shí)別出該時(shí)間段內(nèi)9次古洪水頻發(fā)期.

DH1孔ρ（Zr）/ρ（Rb）比值與ρ（Rb）/ρ（Sr）比值變化曲線呈鏡像關(guān)系，Ⅰ段土壤層和Ⅱ-2段洪水粉砂層數(shù)值接近且變化穩(wěn)定，Ⅱ-1段洪水前期細(xì)粒沉積分別出現(xiàn)谷值與峰值（圖6），符合影響其比值大小的機(jī)械組成說(shuō)，尤其是洪水沉積層，ρ（Rb）/ρ（Sr）比和ρ（Zr）/ρ（Rb）比與粒度相關(guān)性顯著.但同時(shí)我們也注意到，洪水粉砂層（0～8.5 cm）ρ（Rb）/ρ（Sr）比和ρ（Zr）/ρ（Rb）比與土壤背景值（11.5～21 cm）接近，僅以此作為識(shí)別洪水沉積的依據(jù)具有很大的局限性，需結(jié)合其他沉積學(xué)特征綜合判斷.該發(fā)現(xiàn)無(wú)疑拓寬了過(guò)去認(rèn)為ρ（Zr）/ρ（Rb）比的峰值或ρ（Rb）/ρ（Sr）比的谷值對(duì)應(yīng)洪水沉積的單一認(rèn)知，其根本原因在于洪水沉積類型多樣，下墊面地球化學(xué)特征各異，地層間元素比值關(guān)系可能存在多種模式.

4 結(jié)論

（1）DH1孔XRF元素掃描結(jié)果顯示，山東北部彌河流域2018年洪水沉積層元素信號(hào)強(qiáng)度與下伏土壤層存在顯著區(qū)別，既受沉積相控制，又受粒度影響強(qiáng)烈.

（2）相關(guān)分析和聚類分析結(jié)果表明，DH1巖芯元素分為5類，第1類元素為Mg、Fe、Ti、Al、Si，洪水沉積層信號(hào)強(qiáng)度低于土壤層；第2類元素為Sr和Zr，在洪水前期黏土沉積層出現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度谷值；第3類元素為Zn，第4類元素為Ca，這兩種元素信號(hào)強(qiáng)度變化特征與第2類元素完全相反，在洪水前期黏土沉積層出現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度峰值；第5類元素為Rb，洪水沉積層信號(hào)強(qiáng)度顯著高于土壤層.

（3）元素信號(hào)強(qiáng)度與粒度相關(guān)性分析結(jié)果揭示，洪水沉積層元素信號(hào)強(qiáng)度與中值粒徑存在顯著相關(guān)關(guān)系，其中Mg、Fe、Ti、Al、Si、Zn、Rb等元素信號(hào)強(qiáng)度在洪水黏土層出現(xiàn)峰值，與中值粒徑負(fù)相關(guān)；Zr和Sr元素信號(hào)強(qiáng)度與中值粒徑顯著正相關(guān)，在洪水黏土層出現(xiàn)谷值，洪水粉砂層信號(hào)強(qiáng)度大幅升高；Ca元素信號(hào)強(qiáng)度與中值粒徑相關(guān)性不顯著.

（4）DH1孔ρ(Zr)/ρ(Rb)比和ρ(Rb)/ρ(Sr)比分別在洪水黏土沉積層出現(xiàn)谷值和峰值，在土壤層和洪水粉砂層數(shù)值則接近.因而，單獨(dú)依靠其比值變化特征認(rèn)定洪水沉積層存在局限性，需結(jié)合其他指標(biāo)綜合研判.

圖6 DH1元素比值曲線圖Fig.6 Results of DH1 element ratio