開封古城黃泛沉積旋回劃分及其洪災(zāi)程度反演.pdf

1、古都開封坐落在黃河下游南岸，其興衰變化除與政治、軍事和地理等因素有關(guān)以外，還與黃河密切相關(guān)。黃河水利是開封古城興盛的重要驅(qū)動(dòng)因素之一，而黃河泛濫卻是城市衰落最重要的原因。自公元前361年魏都大梁城建立至今近3000年城市的演變過(guò)程中，黃河泛濫曾將開封不同朝代的城池淤埋在地下不同深度，形成了“城摞城”奇觀。
　　然而，除少數(shù)幾次進(jìn)城的黃泛洪水有詳細(xì)記載以外，大多數(shù)黃河洪水散見于歷史文獻(xiàn)之中，且語(yǔ)焉不詳，缺乏深入細(xì)致的地層學(xué)研究。沉積

2、旋回是識(shí)別黃泛次數(shù)的地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)，但是城市沖積地層往往受到黃泛之后城市重建等人類活動(dòng)的影響，正常的粒度層序往往被擾動(dòng)，給傳統(tǒng)的粒度旋回劃分帶來(lái)了巨大困難，需要尋找其他代用指標(biāo)來(lái)劃分旋回。黃泛洪水對(duì)開封古城的破壞作用與洪水強(qiáng)度密切相關(guān)，那么如何提取地層中的洪水強(qiáng)度信息，科學(xué)計(jì)算歷次黃河泛濫的洪災(zāi)度，就成了我們反演黃河泛濫與開封古城衰落關(guān)系的重要任務(wù)。
　　本研究在開封城區(qū)布設(shè)3個(gè)鉆孔（ZKsz、ZKyz、ZKml），在郊區(qū)布設(shè)1個(gè)對(duì)照

3、鉆孔（ZKjm），分別獲取25 m巖芯。樣品密度大多為10 cm，少部分為20 cm或30 cm。在實(shí)驗(yàn)室開展樣品粒度分析，測(cè)定黑碳（BC）含量和磁化率，用 AMS14C技術(shù)進(jìn)行沉積物定年。在多指標(biāo)（砂黏比、黑碳和磁化率）沉積旋回綜合劃分的基礎(chǔ)上，提取砂黏比、旋回厚度等4個(gè)指標(biāo)，綜合計(jì)算黃河泛濫洪災(zāi)度（TFRI）。反演了黃河泛濫對(duì)開封古城的衰落的影響。本研究提出的沉積旋回代用指標(biāo)和沖積地層洪災(zāi)度反演方法可豐富相關(guān)學(xué)科研究?jī)?nèi)容，為近300

4、0年來(lái)黃河水患與開封古城興衰關(guān)系研究提供地層學(xué)證據(jù)，也可提高開封古城科技旅游含量，在一定程度上促進(jìn)開封經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。
　　主要研究結(jié)論如下：
　　（1）根據(jù)ZKjm粒度、黑碳和磁化率沉積旋回的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)粒度旋回、黑碳旋回和磁化率旋回的數(shù)目基本一致，分別出現(xiàn)14個(gè)、13個(gè)和14個(gè)旋回，而且彼此界線也基本一致，最大相差在30 cm之內(nèi)，吻合度極高。表明在少受或不受人類活動(dòng)強(qiáng)烈擾動(dòng)的城市郊區(qū)地層中，黑碳和磁化率可以作為劃分沖積地

5、層沉積旋回劃分的代用指標(biāo)，與粒度具有相同的指示意義，為沖積物沉積旋回劃分提供了2個(gè)新的代用指標(biāo)。
　　（2）城區(qū)地層由于受到黃河泛濫間斷期間城市重建和居民掏寶活動(dòng)的影響，正常的粒度層序發(fā)生不同程度的擾動(dòng)，從而出現(xiàn)粒度旋回?cái)?shù)目少，并不能指示黃河泛濫的次數(shù)。相反，盡管沉積間斷期間地層的粒度層序被擾動(dòng)，但是城市人類活動(dòng)所排放的黑碳和金屬元素會(huì)積累在擾動(dòng)地層的上部，因此地層中黑碳含量高低和磁化率大小比粒度更具有沉積間斷的指示意義，尤其適合

6、深受人類活動(dòng)擾動(dòng)影響城市地層沉積旋回的劃分。
　　ZKml位于開封市東北隅的河南大學(xué)明倫校區(qū)內(nèi)，東北距北宋鐵塔400 m，歷史時(shí)期地勢(shì)較高，人類活動(dòng)影響相對(duì)較弱。該巖芯可劃分出11個(gè)粒度旋回、14個(gè)黑碳旋回和11個(gè)磁化率旋回。最后綜合劃分為14個(gè)旋回：旋回1（＞24.3 m），旋回2（22.7～24.3 m），旋回3（20.7～22.7 m），旋回4（18.4～20.7 m），旋回5（15.1～18.4 m），旋回6（11.6～1

7、5.1 m），旋回7（8.6～11.6 m），旋回8（7.6～8.6 m），旋回9（6.7～7.6 m），旋回10（4.9～6.7 m），旋回11（3.3～4.9 m），旋回12（2～3.3 m），旋回13（1.3～2 m），旋回14（0.6～1.3 m）。
　　ZKsz位于開封市中心地帶，垂直穿越了不同朝代的地層，在開封具有典型意義。該巖芯可劃分出10個(gè)粒度旋回、13個(gè)黑碳旋回和12個(gè)磁化率旋回。ZKsz受人類活動(dòng)擾動(dòng)比較強(qiáng)烈，

8、因此僅以粒度旋回作為參考，主要依據(jù)黑碳和磁化率旋回綜合劃分出13個(gè)旋回：旋回1（＞22.8 m），旋回2（20.8～22.8 m），旋回3（19.8～20.8 m），旋回4（17.9～19.8 m），旋回5（16.3～17.9 m），旋回6（13.6～16.3 m），旋回7（10.6～13.6 m），旋回8（8.7～10.6 m），旋回9（7.1～8.7 m），旋回10（6.5～7.1 m），旋回11（3.3～6.5 m），旋回12（2

9、.3～3.3 m），旋回13（1.1～2.3 m）。
　　ZKyz位于開封市中心地帶，且離北宋皇城和明代周王府較近，垂直穿越了不同朝代的地層，具有典型意義。該巖芯可劃分出7個(gè)粒度旋回、11個(gè)黑碳旋回和10個(gè)磁化率旋回。由于該鉆孔受人類活動(dòng)擾動(dòng)比較強(qiáng)烈，地表10 m范圍內(nèi)，地層的粒度旋回并不明顯，主要依據(jù)黑碳和磁化率旋回綜合劃分出13個(gè)沉積旋回：旋回1（＞23.6 m），旋回2（22.2～23.6 m），旋回3（21～22.2 m）

10、，旋回4（17.7～21m），旋回5（15.6～17.7 m），旋回6（14.6～15.6 m），旋回7（12.2～14.6 m），旋回8（10.6～12.2m），旋回9（8.4～10.6 m），旋回10（5.9～8.4 m），旋回11（3.7～5.9 m），旋回12（2.3～3.7 m），旋回13（0.6～2.3 m）。
　?。?）結(jié)合沉積物定年數(shù)據(jù)、考古勘探結(jié)果和歷史文獻(xiàn)記載梳理數(shù)千年來(lái)開封遭受的黃河泛濫次數(shù)。ZKml鉆孔地層

11、旋回7、8、9、10、11、12分別對(duì)應(yīng)公元前225年、1387年、1399年、1461年、1642年和1841年黃泛洪水沉積。ZKsz地層旋回7、8、9、10、11和12分別對(duì)應(yīng)公元前225年、1387年、1399年、1461年、1642年和1841年的黃泛洪水沉積。ZKyz地層旋回7、8、9、10、11和12分別對(duì)應(yīng)公元前225年、1387年、1399年、1461年、1642年和1841年的黃泛洪水沉積。
　　（4）選取各旋回

12、沉積厚度、沙黏比、推移質(zhì)與躍移質(zhì)交切點(diǎn)粒徑、躍移質(zhì)概率累積曲線斜率等洪水強(qiáng)度等4個(gè)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)極差標(biāo)準(zhǔn)化處理和權(quán)重系數(shù)賦值，計(jì)算出各鉆孔歷次洪災(zāi)度評(píng)價(jià)數(shù)值（TFRI），采用“均值±標(biāo)準(zhǔn)差”將洪災(zāi)度劃分為弱（TFRI＜0.29）、中等（0.29≤TFRI＜0.47）、強(qiáng)（0.47≤TFRI＜0.65）和很強(qiáng)（0.65≤TFRI）四個(gè)等級(jí)，定量刻畫黃河泛濫洪災(zāi)程度，進(jìn)而對(duì)歷史洪水對(duì)開封城市的危害程度進(jìn)行對(duì)比分析和反演。
　　各鉆孔歷次洪

13、水洪災(zāi)度如下：
　　ZKml地層所反映的六次大洪水事件的TFRI由大到小依次為：旋回12（Ⅲ級(jí)）＞旋回7（Ⅲ級(jí)）＞旋回8（Ⅱ級(jí)）＞旋回11（Ⅰ級(jí)）＞旋回10（Ⅰ級(jí)）＞旋回9（Ⅰ級(jí)），依次對(duì)應(yīng)1841年（TFRI=0.54）、公元前225年（0.50）、1387年（0.38）、1642年（0.26）、1461年（0.16）、1399年（0.01）的洪水。
　　ZKsz地層所反映的六次大洪水事件的TFRI由大到小依次為：旋回9（

14、Ⅲ級(jí)）＞旋回7（Ⅲ級(jí)）＞旋回11（Ⅲ級(jí)）＞旋回10（Ⅲ級(jí)）＞旋回8（Ⅲ級(jí)）＞旋回12（Ⅱ級(jí)），依次對(duì)應(yīng)1399年（TFRI=0.60）、公元前225年（0.59）、1642年（0.50）、1461年（0.48）、1387年（0.47）、1841年（0.46）的洪水。
　　ZKyz地層所反映的六次大洪水事件的TFRI由大到小依次為：旋回7（Ⅳ級(jí)）＞旋回9（Ⅲ級(jí)）＞旋回11（Ⅱ級(jí)）＞旋回8（Ⅱ級(jí)）＞旋回12（Ⅱ級(jí)）＞旋回10（Ⅰ級(jí)），

15、依次對(duì)應(yīng)公元前225年（TFRI=0.67）、1399年（0.58）、1642年（0.39）、1387年（0.35）、1841年（0.34）、1461年（0.19）的洪水。
　?。?）將古城開封的演變歷史劃分為4個(gè)周期：春秋至戰(zhàn)國(guó)魏大梁城的興起與衰落，秦漢至北宋東京城的興起與衰落，明代開封城的復(fù)興與衰落，清代開封城的復(fù)興與衰落。其中春秋至戰(zhàn)國(guó)、明代和清代三個(gè)周期中，黃河水患是導(dǎo)致開封城市衰落眾多原因中最為重要的原因，借此回答了黃河