潁河下游洪泛沉積物磁組構(gòu)特征與古水流研究

鄒 寧，羅 俊，郭懷軍，張 雷

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

潁河下游洪泛沉積物磁組構(gòu)特征與古水流研究

鄒 寧，羅 俊，郭懷軍，張 雷

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069)

通過(guò)對(duì)潁河下游6個(gè)采樣點(diǎn)的磁組構(gòu)研究，初步推斷了該地區(qū)洪泛沉積物的古環(huán)境及其意義。洪泛沉積物的形成受控于沉積作用且與潁河的沉積動(dòng)力有關(guān)，而磁組構(gòu)特征通常記錄了沉積物沉積動(dòng)力的古環(huán)境、古氣候信息，洪泛沉積物磁組構(gòu)的橢球體三大主軸方向及相關(guān)參數(shù)與沉積物磁性顆粒的空間排列分布方式相關(guān)。對(duì)潁河下游2個(gè)洪泛沉積物樣品的光釋光測(cè)年結(jié)果得出沉積年齡為3500年左右，與華北平原最近的一次古洪水年齡較為一致。在得到該套洪泛沉積物的沉積年齡基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)潁河下游6個(gè)磁組構(gòu)采樣點(diǎn)的研究發(fā)現(xiàn)沉積時(shí)期的水動(dòng)力方向，并與現(xiàn)代潁河水流方向進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，洪泛沉積時(shí)期的水動(dòng)力方向與現(xiàn)代河流方向存在一定范圍的角度偏轉(zhuǎn)，但總體差別不大，角度偏差不超過(guò)37°，并通過(guò)測(cè)得的角度偏差對(duì)比模擬了古沉積時(shí)期的古水流路徑。

潁河下游；洪泛沉積物；磁組構(gòu)；光釋光；古水流

沉積巖的磁組構(gòu)(AMS)特征記錄了沉積時(shí)期動(dòng)力方向的相關(guān)信息，在恢復(fù)古流向的應(yīng)用中取得重大進(jìn)展[1～3]。磁組構(gòu)反映了巖石中磁性礦物顆粒的磁化率在各個(gè)方向上的差異，可以用一個(gè)三維二階的張量橢球體來(lái)進(jìn)行表征[4]，并用Kmax、Kint、Kmin分別表示磁化率的最長(zhǎng)軸、中間軸與最小軸，作為描述巖石磁組構(gòu)的基本要素。磁組構(gòu)的本質(zhì)是巖石內(nèi)部的磁性礦物顆粒在外力(如重力、擠壓應(yīng)力、水流等)作用下發(fā)生的重結(jié)晶、變形或定向排列，可以反映磁性顆粒的演化、宏觀受力狀況等地質(zhì)過(guò)程[4，5]。描述磁組構(gòu)的基本要素是磁化率各項(xiàng)異性橢球體的長(zhǎng)軸(k1)、中間軸(k2)和短軸(k3)的磁化率大小[6,7]，此外常用的參數(shù)還有磁線理(L)、磁面理(F)以及各項(xiàng)異度(P)等。Graham[77]第一次運(yùn)用AMS方法確定古沉積動(dòng)力方向；Rees等[1]討論了不同水動(dòng)力條件下的磁組構(gòu)表現(xiàn)形式；Lagroix等[8]對(duì)磁化率橢球體張量的研究中指出磁性礦物顆粒在沉積過(guò)程中會(huì)隨著古水流的方向而進(jìn)行調(diào)整，而在成巖過(guò)程中磁顆粒會(huì)在磁組構(gòu)中記錄下受力的方向。在一般情況下，河流沉積物的磁化率最大軸(Kmax)方向被認(rèn)為平行于古風(fēng)向和弱動(dòng)力作用下的古水流向[9,10]。同時(shí)，磁化率最小軸(Kmin)也可以較穩(wěn)定的指示動(dòng)力的行進(jìn)方向，Kmin的傾角通常反映沉積動(dòng)力的強(qiáng)弱和穩(wěn)定情況，Kmin的異常值往往指示受到生物擾動(dòng)作用或者水流紊亂引起的顆粒無(wú)規(guī)則分布所致。因此，磁組構(gòu)方法不僅可以確定沉積動(dòng)力方向、判定物源方向，而且在指示沉積環(huán)境演變以及揭示古河流向與古水流路徑恢復(fù)等方面有著重要的意義。

1 采樣與測(cè)試

潁河位于安徽省西北部，潁河河道全長(zhǎng)約620 km，流域面積3 661 km2，為淮河第一大支流[11]。潁河發(fā)源于河南嵩縣伏牛山脈東麓，流經(jīng)周口、漯河、平頂山等縣市，在界首進(jìn)入安徽境內(nèi)，最終在潁上縣沫河河口處匯入淮河。潁河以周口和阜陽(yáng)市為界，將潁河分為上游、中游和下游。潁河流域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)性氣候，年平均氣溫為14.5℃，年平均降雨量為910.5 mm。

研究區(qū)位于潁河下游楊湖鎮(zhèn)(圖1)，采樣點(diǎn)所在潁河河流一級(jí)階地上，高出潁河河床4～6m。根據(jù)潁河的野外踏勘在下游地區(qū)選取了6個(gè)采樣點(diǎn)(分別以A、B、C、D、E、F表示)，各個(gè)采樣點(diǎn)保存比較完好，采樣點(diǎn)上部為約50 cm的擾動(dòng)土，下部為厚約40 cm的洪泛沉積物。采樣層近水平延伸，地層出露清晰，特征明顯。首先將采樣點(diǎn)上部約50 cm厚的擾動(dòng)層剝?nèi)?，用羅盤在樣品水平面上標(biāo)記出指北方位，然后在原地采集成20 cm長(zhǎng)、10 cm寬、40 cm高的長(zhǎng)方體標(biāo)本，對(duì)每個(gè)樣品都經(jīng)過(guò)地磁方位角校正。為防止樣品在搬運(yùn)過(guò)程中破碎，用紙包裝后放入樣品箱中。最后在實(shí)驗(yàn)室中將采集到的樣品進(jìn)行加工成2 cm×2 cm×2 cm的立方體樣品，并按照野外記錄的深度編號(hào)測(cè)樣，六個(gè)采樣點(diǎn)一共加工得到117個(gè)樣品。利用卡帕喬KLY-4S磁化率儀(捷克AGICO公司)測(cè)試每個(gè)樣品的AMS參數(shù)。

圖1 潁河下游地理位置圖

為了確定該洪泛沉積物的年齡，對(duì)B和E兩個(gè)采樣點(diǎn)的樣品進(jìn)行光釋光法(OSL)測(cè)年。采集OSL樣品時(shí)，在新開挖的采樣點(diǎn)上將一端密封的不銹鋼采樣管沿水平方向打入，取出采樣管后迅速密封鋼管兩端，以避免樣品曝光以及水分散失。通常情況下，由于石英相對(duì)長(zhǎng)石信號(hào)更容易曬退而且不存在長(zhǎng)石測(cè)試中的異常衰減等優(yōu)點(diǎn)[12]，本文采用石英組分來(lái)測(cè)量OSL信號(hào)。用單片再生劑量法(SAR)[13]測(cè)試樣品的等效劑量(De)，實(shí)驗(yàn)儀器采用丹麥生產(chǎn)的Risφ TL/OSL-DA-20熱釋光/光釋光測(cè)量?jī)x。由于De值的可靠性與預(yù)熱溫度關(guān)系密切[14,15]，對(duì)每個(gè)樣品經(jīng)過(guò)預(yù)熱坪實(shí)驗(yàn)，最終選取260℃為預(yù)熱溫度。每個(gè)樣品的等效劑量測(cè)試樣片為26～28片，對(duì)于每個(gè)測(cè)試結(jié)果要同時(shí)滿足以下三個(gè)條件[16,17]：(1)與OSL信號(hào)強(qiáng)度相比，IRSL信號(hào)非常微弱；(2)再循環(huán)比率(Recycling ratio)介于0.9～1.1；(3)熱轉(zhuǎn)移的光釋光強(qiáng)度小于自然信號(hào)強(qiáng)度的5%。樣品中的U、Th、K含量采用激光等離子質(zhì)譜儀測(cè)試。根據(jù)這些元素含量與劑量率之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系[12]和宇宙射線對(duì)劑量率的貢獻(xiàn)[18]以及樣品在埋藏期間的平均含水量最后得出樣品的總年劑量率。

2 結(jié)果與分析

光釋光實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到B、E采樣點(diǎn)洪泛沉積樣品的沉積年齡，見表1。B和E兩個(gè)采樣點(diǎn)的洪泛沉積物年齡分別為3 460±110和3510±130。殷敏春等[19]通過(guò)對(duì)華北地區(qū)全新世洪水事件研究認(rèn)為，華北地區(qū)最后一次洪水事件發(fā)生于3 500 a左右，與本文研究結(jié)果較為一致。因此，可以認(rèn)為本文中的洪泛沉積物有可能與這次大范圍洪水事件有關(guān)。

表1 潁河下游B和E采樣點(diǎn)樣品的OSL年齡

對(duì)6個(gè)采樣點(diǎn)(A、B、C、D、E、F)共117塊樣品進(jìn)行AMS測(cè)試，測(cè)得的Kmax偏角和傾角在STERO和ANISOFT軟件下建立等面積赤平投影圖和等勢(shì)線圖(圖2)。等面積赤平投影圖和等勢(shì)線圖在一個(gè)同心圓內(nèi)表示，小圓(內(nèi)圓)表示等面積赤平投影圖，大圓(外圓)表示等勢(shì)線圖。在等面積赤平投影圖中，圓內(nèi)的紅點(diǎn)記錄了AMS的Kmax偏角和傾角信息，紅點(diǎn)越靠近小圓的邊緣，代表Kmax的傾角度數(shù)越小，反映沉積環(huán)境越趨于穩(wěn)定，并未受到后期水流改造、生物擾動(dòng)的影響或影響較小。紅點(diǎn)的方位代表每個(gè)樣品的載磁顆粒的AMS橢球體最大軸的方向，并與沉積動(dòng)力方向一致。等勢(shì)線圖是對(duì)每個(gè)樣品數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，集中區(qū)域能夠反映整體樣品的沉積動(dòng)力主要方向。

圖2 六個(gè)采樣點(diǎn)的等面積赤平投影圖和等勢(shì)線圖

根據(jù)等面積赤平投影圖和等勢(shì)線圖統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出，A采樣點(diǎn)一共測(cè)得樣品19塊，Kmax的偏角主要方向?yàn)?28°，現(xiàn)代潁河在A點(diǎn)的水流方向?yàn)?52°，水流方向發(fā)生了24°的偏轉(zhuǎn)；B采樣點(diǎn)樣品18塊，Kmax偏角主要方向?yàn)?62°，現(xiàn)代水流方向?yàn)?34°，水流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)28°；C采樣點(diǎn)樣品20塊，Kmax偏角主要方向?yàn)?46°，現(xiàn)代水流方向?yàn)?°，水流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)19°；D采樣點(diǎn)樣品19塊，Kmax偏角主要方向?yàn)?52°，現(xiàn)代水流方向?yàn)?46°，水流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)6°；E采樣點(diǎn)樣品22塊，Kmax偏角主要方向?yàn)?13°，現(xiàn)代水流方向?yàn)?50°，水流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)37°；F采樣點(diǎn)樣品19塊，Kmax偏角主要方向?yàn)?56°，現(xiàn)代水流方向?yàn)?57°，水流方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)1°。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)表明，沉積時(shí)期的古水流與現(xiàn)代的潁河的水流方向有所差異，但總體水動(dòng)力方向偏差不大，最大值在E點(diǎn)為37°，在F點(diǎn)與現(xiàn)在水流方向基本相同。根據(jù)等面積赤平投影圖和等勢(shì)線圖得到的Kmax偏角的主要方位建立虛擬的古水流路徑模式(圖3)。通過(guò)古水流路徑模式與現(xiàn)代潁河路徑對(duì)比可以明顯發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代潁河的曲流河形態(tài)更為發(fā)育，在近3千多年里彎曲變化較大。

圖3 洪泛沉積時(shí)期的水流路徑

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)潁河下游的6個(gè)采樣點(diǎn)的洪泛沉積物的磁組構(gòu)特征分析，大致判斷了潁河下游地區(qū)的沉積環(huán)境以及沉積物沉積時(shí)期的動(dòng)力來(lái)源方向。經(jīng)過(guò)光釋光法測(cè)年得到洪泛沉積物的沉積年齡約為3 500 a，結(jié)合磁組構(gòu)特征研究了該沉積事件，并模擬了當(dāng)時(shí)潁河的大致古水流路徑。AMS參數(shù)建立的等面積赤平投影圖和等勢(shì)線圖直觀地反映了6個(gè)采樣點(diǎn)沉積物的沉積優(yōu)勢(shì)方向，與野外勘測(cè)的現(xiàn)代水流方向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)古水流向有所差異，但最大偏差不超過(guò)37°。沉積時(shí)期的水流方向與現(xiàn)代潁河匯入淮河的趨勢(shì)大致相同，只是現(xiàn)代潁河的“彎曲”程度更為明顯，是現(xiàn)今曲流河發(fā)育的典型代表。

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2017-03-13

鄒寧(1990-)，男，河南新蔡人，在讀碩士研究生，主攻方向：第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)。

P588.2

A

1004-1184(2017)04-0226-02