肖愛(ài)芳 吳資龍 黎敦朋

(1.福州大學(xué)紫金地質(zhì)與礦業(yè)學(xué)院，福州，350108；2.福建省地質(zhì)測(cè)繪院，福州，350011)

堰塞湖是山崩、泥石流或熔巖堵塞河谷或洼地儲(chǔ)水形成的湖泊，通常是災(zāi)變的產(chǎn)物，堰塞湖潰壩對(duì)下游常產(chǎn)生嚴(yán)重破壞，堰塞湖形成與消亡的研究對(duì)防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義。福建政和蛙巖巖崩遺跡是華東地區(qū)規(guī)模較大的巖崩[1-2]，被譽(yù)為“華東地區(qū)第一塌”，其崩積物堵塞七星溪河谷形成的古堰塞湖遺跡長(zhǎng)度超過(guò)了10.5 km，是我國(guó)東部地區(qū)罕見(jiàn)的古堰塞湖遺址，潰壩后出露的堰塞湖沉積形成了外屯—湖屯一帶沿七星溪河谷的萬(wàn)畝良田，為土地資源稀缺的山區(qū)提供了肥沃的良田。政和蛙巖巖崩-堰塞湖遺址是福建政和佛子山國(guó)家地質(zhì)公園的一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害遺跡，前人對(duì)蛙巖巖崩-堰塞湖景觀遺跡開(kāi)展了初步的研究[3-4]，然而對(duì)巖崩的成因、形成時(shí)代、古堰塞湖是否發(fā)生過(guò)潰壩及潰壩時(shí)代尚未開(kāi)展過(guò)研究。筆者通過(guò)對(duì)蛙巖堰塞壩、古堰塞湖遺址的野外調(diào)查、淺鉆施工和AMS14C測(cè)年，初步約束了蛙巖古堰塞湖形成與消亡的時(shí)限，為古堰塞湖形成與消亡演化的研究提供了實(shí)例，也為福建政和佛子山國(guó)家地質(zhì)公園建設(shè)提供基礎(chǔ)地質(zhì)支撐。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

福建政和蛙巖巖崩-堰塞湖遺跡位于政和城東約11 km的武夷山東南麓的鷲峰山北段。蛙巖巖崩發(fā)育于閩江上游松溪一級(jí)支流中的次級(jí)支流七星溪中段，巖崩區(qū)呈長(zhǎng)約300 m的上窄下寬的巖崩凹地，崩塌巖塊堵塞七星溪河流，形成長(zhǎng)約200 m、寬為100～150 m、高為50～65 m的堰塞壩，靠近堰塞壩北部在后期形成了一個(gè)寬為20～30 m、深為6～10 m、長(zhǎng)為150 m的潰堤河道(圖1)。在潰堤河道上段和中段滯留巨大崩塌巖塊，其中部滯留的一塊巨大巖塊形似“青蛙”而得名“蛙巖”(圖2)。20世紀(jì)60、70年代沿潰堤河道西南側(cè)引水修建了一個(gè)小型水電站。根據(jù)手持式GPS測(cè)量蛙巖堰塞壩頂最高海拔為(415±5)m，堰塞壩底部七星溪河面海拔為(350±5)m，已潰壩的堰塞湖泥沙淤積海拔為(390±5)m，現(xiàn)今河床下切堰塞湖淤積頂面1～2 m深。

圖1 蛙巖崩塌-堰塞湖地區(qū)地質(zhì)圖(a)及地貌影像圖(b)Fig.1 Geological map (a) and geomorphic image map (b) of the frog rock collapse-barrier lake area

圖2 蛙巖堰塞壩及潰堤河道影像圖Fig.2 Image map of the frog rock barrier dam and embankment river

蛙巖巖崩發(fā)育于白堊世黃坑組上段流紋質(zhì)火山角礫巖中[5-6]，屬于基巖崩塌，崩塌總體積約為20×104m3[3-4]，崩塌規(guī)模達(dá)到大型。崩塌巖塊直徑一般為1～2 m，最大巖塊長(zhǎng)軸為20～25 m。堰塞湖長(zhǎng)度超過(guò)10.5 km，推測(cè)堰塞湖最厚的淤積厚度為(40±5)m。

2 研究方法

在室內(nèi)通過(guò)Google Earth圖像的分析和特征參數(shù)測(cè)量，獲取巖崩和堰塞湖規(guī)?；緟?shù)。然后開(kāi)展野外現(xiàn)場(chǎng)的地貌調(diào)查，再選擇合適部位對(duì)堰塞湖沉積進(jìn)行淺部鉆探施工，并采集AMS14C測(cè)年樣品約束古堰塞湖的時(shí)代。

將樣品送美國(guó)阿邁密BETA實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行預(yù)處理和AMS14C測(cè)試。首先對(duì)有機(jī)質(zhì)進(jìn)行“酸-堿-酸”處理，然后將樣品浸入去離子水中進(jìn)行輕柔研磨，用熱鹽酸溶液浸洗去除碳酸鹽，再用氫氧化鈉溶液浸洗去除次生有機(jī)酸，然后用鹽酸進(jìn)行二次浸洗以中和上一步加入的堿，最后干燥制成預(yù)處理樣品。預(yù)處理樣品在800°C以上，100%氧氣環(huán)境下燃燒釋放CO2，釋放出的CO2先用甲醇/干冰干燥，然后用液氮收集起來(lái)使用鈷催化劑進(jìn)行氫還原，制成石墨靶后放入AMS加速質(zhì)譜儀和Thermo同位素比值質(zhì)譜儀(IRMS)中進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果均通過(guò)δ13C值進(jìn)行總分餾校正成為慣用年齡，并進(jìn)行了樹(shù)輪校正轉(zhuǎn)換成日歷年齡[7-8]，半衰期以5 568 a計(jì)算，BP(before present)以A.D.1950計(jì)算。

3 研究結(jié)果

3.1 堰塞湖淺部鉆探結(jié)果

在海拔(390±5)m處施工一口鉆孔(ZK01)，鉆孔位置距離堰塞壩上游約100 m的農(nóng)田中，用紹爾背負(fù)式小型鉆機(jī)施工了一口深度8.5 m的淺鉆，揭露了堰塞湖淺部沉積物組成，鉆孔巖芯直徑(d)為36 mm，鉆孔巖芯由上至下描述如下。

1.0～30 cm：巖性灰黑色塊狀耕作土，根系發(fā)育。

2.30～80 cm：巖性淺黃色含有機(jī)質(zhì)亞砂土，含褐黑色斑狀有機(jī)質(zhì)。

3.80～200cm：巖性灰色、灰黃色亞黏土，夾亞砂土，在138～140 cm處采集樣品(ZH04)。

4.200～300 cm：巖性淺黃色亞砂土，見(jiàn)褐紅色斑點(diǎn)狀有機(jī)質(zhì)小團(tuán)塊，在238～240 cm處采集樣品(ZH05)。

5.300～350 cm：巖性灰綠色粉砂質(zhì)黏土，在338～340 cm處采集樣品(ZH06)。

6.350～370 cm：巖性灰黃色泥質(zhì)粉砂。

7.370～400 cm：巖性灰綠色粉砂質(zhì)亞砂土，在390 cm處見(jiàn)2×5 mm碳屑采集樣品(ZH07)。

8.400～415 cm：巖性灰黃色泥質(zhì)粉砂。

9.415～580 cm：巖性灰綠色粉砂質(zhì)亞砂土，中部夾灰黑色有機(jī)質(zhì)細(xì)團(tuán)塊，在深度487～490 cm處采集樣品(ZH08)。

10.580～610 cm：巖性灰綠色粉砂、細(xì)沙，在606～610 cm處采集樣品(ZH09)。

11.610～720 cm：巖性灰黃色細(xì)沙，在715～720 cm處采集樣品(ZH10)。

12.720～850 cm：巖性灰綠色粉砂質(zhì)泥，在845～850 cm處采集樣品(ZH11)。

根據(jù)現(xiàn)有的8.5 m深的堰塞湖淺部鉆探揭露：堰塞湖沉積顏色主體以灰黃色、灰色和灰綠色為主；沉積物以亞砂土、細(xì)沙和粉砂為主，鉆孔中未見(jiàn)礫石，顯示離物源區(qū)有一定的距離，堰塞湖沉積物特征與大渡河加郡、石廣東古堰塞湖沉積特征相似[9-10]，而與岷江、雅魯藏布江古堰塞湖沉積較發(fā)育扇礫石顯著不同[11-13]，可能是鉆孔位于堰塞湖下游，距離物源距離較遠(yuǎn)的原因造成的。在深度0～2.0 m巖芯干燥，從深度2.0 m開(kāi)始巖芯含水量顯著增大，顯示地下水潛水面深度約為2.0 m，與現(xiàn)今河流水面高程基本一致。

3.2 AMS14C測(cè)年結(jié)果

對(duì)堰塞湖鉆孔巖芯沿深度采集了8件AMS14C測(cè)年樣品，其中ZH07樣品測(cè)年材料為棱角狀碳屑，其余樣品測(cè)年材料均為原始有機(jī)質(zhì)沉積物。根據(jù)測(cè)年結(jié)果(表1)，14C年齡經(jīng)樹(shù)輪校正后從930～795 Cal BP至1 528～1 376 Cal BP，其中深度2.4～3.4 m的樣品(ZH05、ZH06)14C年齡出現(xiàn)了明顯的年齡倒置現(xiàn)象[14]，其余14C年齡總體上與深度呈正相關(guān)(圖3)。ZH05、ZH06樣品14C年齡出現(xiàn)倒置現(xiàn)象的原因可能是其位于現(xiàn)今地下水潛水面附近，存在地下水與下伏更老沉積物的碳交換。

表1 蛙巖堰塞湖沉積AMS14C測(cè)年結(jié)果

圖3 蛙巖堰塞湖ZK01鉆孔柱狀圖及AMS14C年齡-深度圖Fig.3 ZK01 drilling bar chart and AMS14C age-depth map of frog rock barrier lake

4 討論

4.1 對(duì)古堰塞湖潰壩時(shí)代的討論

由于堰塞湖沉積頂部為耕作層，未采集14C測(cè)年樣品，在堰塞湖深度為138～140 cm處采集的ZH04獲得14C年齡為930～795 Cal BP，在深度為390 cm處采集的ZH07樣品獲得沉積物中碳屑的14C年齡為934～796 Cal BP，這2個(gè)樣品年齡誤差范圍十分接近。ZH07樣品測(cè)年材料為獨(dú)立的一顆2 mm×5 mm的棱角狀碳屑，其與原始有機(jī)質(zhì)沉積物不同，不存在老碳的混合，也不存在“碳庫(kù)效應(yīng)”[14]，其年齡值應(yīng)代表該深度木屑碳化后沉積物的年齡，而即可以代表該深度堰塞湖沉積的實(shí)際年代。而深度為238～240 cm處采集的ZH05樣品的14C年齡為1 360～1 284 Cal BP，深度為338～340 cm處采集的ZH06樣品的14C年齡為1 528～1 376 Cal BP，其年齡值大于其下部50 cm處采集的ZH07樣品的14C年齡為934～796 Cal BP，表明ZH05和ZH06樣品存在年齡倒置現(xiàn)象，存在顯著的“碳庫(kù)效應(yīng)”，可能其中混合了年齡更老的“老碳”或受潛水面以下地下水循環(huán)作用的影響帶入了下伏地層年齡更老的碳，由于ZH05和ZH06 2個(gè)樣品年齡偏離上、下地層較為可靠的年齡值較大，顯然不是分析誤差引起的，因此對(duì)ZH05和ZH06 2個(gè)樣品年齡不納入此次沉積速率估算。

另外的4件樣品AMS14C測(cè)年結(jié)果總體上與深度呈正相關(guān)，該深度-年齡直線的上交點(diǎn)年齡～0.8 ka BP，堰塞湖最頂部的沉積是潰壩后保留的最新堆積物，其可以代表堰塞湖潰壩的時(shí)代，考慮到測(cè)年的2σ誤差，即蛙巖古堰塞湖潰壩時(shí)代(～0.8±0.1)ka BP，對(duì)堰塞壩潰決的原因還有待收集更豐富的資料作進(jìn)一步研究。

4.2 對(duì)巖崩-堰塞湖形成時(shí)代的討論

由前述討論可知ZH04、ZH07、ZH08、ZH09、ZH10、ZH11樣品的深度-年齡總體呈正相關(guān)，該深度-年齡直線在深度40 m下交點(diǎn)年齡～2.8 ka BP，考慮到測(cè)年的2σ誤差，即蛙巖巖崩-堰塞湖形成時(shí)代不早于(2.8±0.1)ka BP。

由于堰塞湖形成之前河谷的形態(tài)呈“V”型，庫(kù)容沿深度變化較為顯著，故(2.8±0.1)ka BP僅代表蛙巖古堰塞湖形成的時(shí)代下限，暗示蛙巖古堰塞湖從形成至潰決可能存在了1～2 ka，這與金沙江寨子村、黃河上游積石峽、岷江上游疊溪等堰塞湖持續(xù)時(shí)間相近[15-18]。前人研究表明一般堰塞湖最終都將發(fā)生潰決[19]，90%的堰塞湖在形成后1 a內(nèi)潰決[20]，而蛙巖堰塞湖的壽命較長(zhǎng)的原因可能與堰塞壩堆積物為流紋質(zhì)火山角礫巖抗風(fēng)化能力強(qiáng)和壩體厚度較大有關(guān)。

5 結(jié)論

蛙巖古堰塞湖沉積從地表至8.5 m深沉積物的AMS14C測(cè)年年齡范圍為930～795 Cal BP至1 528～1 376 Cal BP，根據(jù)沉積速率初步約束蛙巖巖崩-堰塞湖形成時(shí)代不早于(2.8±0.1)ka BP、古堰塞湖潰壩時(shí)代(～0.8±0.1)ka BP，估算蛙巖古堰塞湖形成至消亡的周期為1～2 ka。