黄河夺泗事件在江苏泗洪的沉积记录

2022-11-29康乘愿曾剑威

合肥工业大学学报（自然科学版） 2022年11期

康乘愿, 蒋仁, 曾剑威, 刘凯, 冯启

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009;2.中国地质调查局南京地质调查中心,江苏南京 210016)

0 引言

根据历史记载，黄河重要改道26次,大改道7次,决口1 000多次,河道变迁范围为25×104km2。1855年后及公元前602年—公元1128年间,黄河迁徙大都在现行河道及以北地区,侵袭海河水系,流入渤海。1128—1855年的700多年间,黄河改道摆动都在现行河道以南地区,夺淮入黄海[1]。近几十年来,关于黄河下游沉积历史和环境变化已有大量的研究报道,研究区主要集中在近代黄河三角洲[2-3],对于废黄河三角洲研究较少;平原区研究多集中在下游下部河道[4-5],关于下游上部流域河道的直接研究很少,更多的是通过地层学记录间接开展,如文献[6-8]研究湖沼区接受黄河决溢沉积历史,文献[9-11]分别对开封、徐州古城泛滥地层进行研究。

泗洪北部的黄泛平原是间接研究黄河夺泗水未入淮期间黄河泛滥沉积物特征的良好载体,为历史记载黄河下游决口、改道提供了地层记录。本文综合黄河下游河道历史变迁文献,以受黄河夺泗入淮影响的泗洪北部金锁镇和朱湖镇附近区域的钻孔资料为研究对象,对比前人相关研究成果,从沉积环境、黄泛沉积物形成时代和淮河水系沉积物对黄泛层粒度和元素影响等方面,分析黄河南流时期下游中段的沉积特征和泛滥历史。

1 地质背景

研究区位于黄河与淮河冲洪积平原东部、淮河中游地区的江苏省宿迁市泗洪县,如图1所示。泗洪是平原地貌,分布着较厚的第四纪堆积物,呈典型的堆积性地貌景观;东临中国五大淡水湖之一的洪泽湖,西接安徽省泗县、五河县;地势自西向东略倾斜,南部和西南部地形为岗地与平原相间排列,北部为黄泛平原。泗洪处于郯庐断裂带上,郯庐断裂宿迁—泗洪段穿城而过,西侧为华北地块,东侧为苏鲁地块,区域内断裂构造发育,基底构造受断裂影响,东西差异显著[12]。泗洪县在地层划分上属于盱胎-泗洪丘陵岗地沉积区,其第四系[13]自上而下分为:

(1) 全新世连云港组。该组为假整合于晚更新世戚咀组之上的一套黄灰、灰色砂、泥质沉积,其成因类型主要有冲积相和湖沼相。

(2) 晚更新世戚咀组。其沉积物以灰黄色、棕黄色含钙质结核亚黏土和中细砂为主,钙质结核富集成层,沉积厚度由东向南逐渐减薄;成因类型以近代冲洪积为主,局部有湖沼积、湖积及冲湖积。

(3) 中更新世泊岗组。其岩性、岩相变化较大,为一套经过湿热化作用的红色地层。

(4) 早更新世豆冲组。其岩性主要为黄灰色黏土质粉细砂,棕黄色中粗砂、中细砂,局部含砾或夹砂砾石层,以河流相沉积为主,与下伏宿迁组假整合接触。

图1 泗洪北部研究区位置

2 材料与方法

在泗洪北部黄泛区内朱湖镇和金锁镇附近6个位置进行钻孔,层位直达上更新统上部。根据沉积物的岩性特征划分钻孔SH1～SH6晚第四纪的地层,钻孔SH1～SH6和相邻钻孔SHJ23剖面黄泛层(hfc)地层对比如图2所示。钻孔SHJ23位于泗洪东部太平镇附近，从该钻孔取样测定地层年龄。

(1) 黄泛层(hfc),以棕黄色粉砂、棕红色淤泥质黏土构成的冲积物为主,平均厚度165 cm。

(2) 全新统连云港组Qhl,由褐色粉砂质黏土,棕褐色、灰褐色黏土构成,平均厚度40.5 cm。

(3) 戚咀组Qp3q,以黑灰色富含碳质和钙质结核的黏土、亚黏土构成的洪积物为主,平均厚度30.83 cm(未见底)。

图2 钻孔SH1～SH6和SHJ23剖面黄泛层(hfc)地层对比

钻孔SH6黄泛层沉积厚度最大达390 cm,以1个褐色粉砂层及3套棕红色淤泥质黏土层和褐色粉砂质黏土层组成的旋回层构成;钻孔SH2黄泛层沉积厚度最小,仅有60 cm;钻孔SH3褐色粉砂层缺失,钻孔SH4、钻孔SH5褐色粉砂质黏土层缺失。6个钻孔的年龄参考相邻钻孔SHJ23样品年龄确定,该钻孔黄泛层仅发育58 cm厚棕红色粉砂质黏土。

从上至下采集不同层位样品置于样品袋中,运回实验室处理。粒度与化学元素测试在合肥工业大学测试中心进行。粒度测量使用Mastersizer 2000型激光粒度仪，在超声波量为1 250单位条件下进行,待遮光度稳定在20%左右后重复测量3～5次,取其平均值作为最后测量结果;仪器测量范围为0.4～2 000 μm,相对误差小于2%。化学元素分析使用PW2403X射线荧光光谱仪,称取并研磨样品4 g,过200目筛,然后在压样机上压片编号,按顺序放入样杯中,测定Si、Al、Fe、Mg、K、Na等常量元素及Sr、Ba、Cr、Rb等微量元素的质量分数。钻孔SHJ23光释光年龄在南京师范大学Risφ TL/OSL-DA-20型全自动化释光仪上进行,14C测年在中国科学院地球环境研究所西安加速器质谱中心14C加速器测年实验室完成。

3 结果

3.1 沉积物粒度

对泗洪县北部6个钻孔第四纪沉积物的27个样品进行激光粒度分析,得到的粒度数据见表1所列。

表1 钻孔SH1～SH6各粒级占比及粒度参数值

续表

从平均粒径看,上部黄泛层(22.03 μm)和连云港组(15.92 μm)在总体上较下部戚咀组(25.69 μm)小。3组沉积物的主要组分均为粉砂(4～63 μm),占比为61.4%～83.8%,平均占比为72.1%;黏土的平均占比在连云港组(16.01%)略高,黄泛层(10.98%)和下部戚咀组(11.46%)相差不大;砂的平均占比,黄泛层(12.93%)和连云港组(10.50%)均低于下部戚咀组(18.25%);粗粉砂的平均占比,黄泛层(51.06%)高于连云港组(40.78%)和下部戚咀组(27.35%);细粉砂的平均占比,黄泛层(25.86%)低于连云港组(36.27%)和下部戚咀组(42.93%)。各钻孔黄泛层的平均粒径从大到小依次为SH6、SH3、SH4、SH1、SH2、SH5;其中钻孔SH1、SH5、SH6黏土的平均占比(10.70%)低于钻孔SH2、SH3、SH4(15.01%),粗粉砂占比则相反,钻孔SH1、SH5、SH6(54.13%)高于钻孔SH2、SH3、SH4(32.30%)。

Folk和Ward的粒度参数[14]中标准偏差(σ)表示沉积物的分选程度。上部黄泛层的σ在1.05～2.67之间,其中钻孔SH1、SH5、SH6的σ小于钻孔SH2、SH3、SH4;连云港组的σ在1.16～2.22之间,下部戚咀组的σ在1.31～1.93之间,样品的分选性总体上较差,但略好于上部黄泛层。从偏度看,黄泛层为-0.06～0.53,连云港组为-0.19～0.37,戚咀组为0.15～0.40,所有样品多为正偏和极正偏,平均值向中位数的较细方向移动,少数为近于对称。从峰态看,黄泛层为0.63～1.64,连云港组为0.67～1.50,戚咀组为0.91～1.21,黄泛层峰态多为平坦和正态,戚咀组峰态多为正态和尖锐。

3.2 沉积物化学元素

钻孔SH1～SH6主量元素质量分数见表2所列,微量元素质量分数见表3所列。

表2 钻孔SH1～SH6主量元素质量分数 %

续表 %

表3 钻孔SH1～SH6微量元素质量分数 10-6

从表2可以看出:

(1) 沉积物样品中质量分数在1.00%以上的氧化物有SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、K2O、MgO。

(2)w(SiO2)最高,在54.77%～75.49%之间,平均为65.04%,w(Al2O3)次之,SiO2与Al2O3总质量分数平均值为80.54%。

(3) 6个钻孔黄泛层、连云港组和戚咀组主量元素总体相差不大,差异较明显的为w(CaO),黄泛层为7.58%～12.28%(平均为9.52%),连云港组为4.16%～11.64%(平均为9.06%),两者相差不大,而戚咀组为1.09%～7.88%(平均为2.40%)。

从表3可以看出:

(1) 微量元素质量分数差异最大的是w(Zr),黄泛层为(263～955)×10-6,平均为527×10-6;连云港组为(318～778)×10-6,平均为451×10-6;戚咀组为(493～868)×10-6,平均为747×10-6。

(2) 差异最小的是w(Ni),黄泛层为(54～96)×10-6,平均为70×10-6;连云港组为(63～90)×10-6,平均为75×10-6;戚咀组为(53～77)×10-6,平均为67×10-6。

(3)w(Ba)在黄泛层中为(0～557)×10-6,平均为275×10-6，连云港组(平均为374×10-6)和戚咀组(平均为395×10-6)中相差不大。

(4) 其他微量元素的质量分数在组内平均相差约为60×10-6；组间的差异，除w(Cr)外，黄泛层和连云港组相差较小，平均为15×10-6，其中w(Rb)的差别在5 ×10-6以下，而黄泛层和戚咀组相差较大，平均为88×10-6。

6个钻孔的黄泛层相比于戚咀组，呈w(P2O5)一致较高,w(TiO2)一致较低。除钻孔SH6以外,其他5个钻孔的黄泛层中CaO、MgO、K2O和Sr的质量分数较戚咀组都高,w(SiO2)则较低。各钻孔之间黄泛层中的主量元素质量分数差异主要体现在钻孔SH1、SH5、SH6的w(SiO2)略高于钻孔SH2、SH3、SH4;而钻孔SH1、SH5、SH6的w(Al2O3)、w(Fe2O3)略低于钻孔SH2、SH3、SH4。从微量元素看,黄泛层中,w(Rb)在钻孔SH1、SH5、SH6 中较低,w(Cr)在钻孔SH2、SH3、SH4中较低;w(Zr)在钻孔SH5、SH6中较高,w(Zn)、w(Ni)在钻孔SH2、SH4中较高。

3.3 沉积物年龄

泗洪东部与6个钻孔相邻的钻孔SHJ23全新世地层有3个年龄数据。黄泛层上覆灰黑色黏土中部样品加速器质谱仪(accelerator mass spectrometry,AMS)14C年龄为距今(160±25) a,相比于1855年黄河改道北流时间至少提前约60 a。黄泛层下伏、距黄泛层底部0.18 m的灰黑-黄褐色黏土样品光释光年龄为距今(2.7±0.2) ka,明显早于公元前322年黄河入泗汇淮的下限时间记录。黄泛层近顶部样品的AMS14C年龄为距今(955±30) a,黄泛层下部沉积物则形成更早。考虑到用于测年的螺壳可能经历了后期的搬运再沉积,黄泛层除顶部外,存在部分为(995±30) a后形成也并非绝无可能。

4 讨论

4.1 沉积环境

6个钻孔黄泛层的粒度频率曲线多为双峰或多峰,双峰峰值多位于1～10 μm和10～100 μm,双峰的出现说明水动力条件发生变化,沉积物以2种物源为主,在原沉积组分中有来自黄泛沉积的加入,两者基本等量混合,表现为河流沉积环境特点;连云港组的粒度频率曲线则以单峰为主,峰值多位于10～100 μm之间,表明沉积物受单一流水作用沉积;戚咀组粒度频率曲线多为单峰偏正型,峰值多位于10～100 μm之间。黄泛层和戚咀组粒度频率曲线均出现细粒端多拐点,表明2组都富含次生黏粒组分[15]。

根据弗里德曼对现代海洋、湖滩和河流样品的粒度分析发现，不同沉积环境的粒度参数分布于不同区域,由此可以推断沉积物的沉积环境[16]。钻孔SH1～SH6粒度参数散点图如图3所示。

图3 钻孔SH1～SH6粒度参数散点图

从图3推断,研究区主体全新世为河流沉积,同时可以较明显地划分出标准偏差小(1.0～1.8)的A区(钻孔SH1、SH5、SH6)和标准偏差较大(大于2.0)的B区(钻孔SH2、SH3、SH4)。

另外,黄河携带的黄土沉积颗粒主要为石英,w(SiO2)在黄土堆积而成的泛滥平原高于距离泛滥物源较远的漫滩洼地,而铝硅酸盐矿物在自然界中分布非常广,经过风化蚀变为黏土矿物,黏土矿物易被冲走,Fe易富集于水动力条件弱、富含黏土矿物的沉积区,因此Al2O3、Fe2O3的质量分数在冲积泛滥平原一般为低值,而在漫滩洼地等滞水环境为高值[17-18]。酸性不相溶元素Rb具有强碱性,有一定的迁移能力,但由于离子半径较大，容易被吸附;Na同样为碱性元素,但是Na+的离子半径远远小于Rb+,因此Na可以进行长距离迁移，而Rb易被吸附[17]。

研究区各钻孔距离虽然较近,但黄泛层中的w(SiO2)明显为A区高于B区,w(Al2O3)和w(Fe2O3)为A区低于B区,w(Na)/w(Rb)值为A区低于B区。与B区钻孔相比,A区钻孔黄泛层的沉积厚度较厚,平均粒径较大,粗粉砂占比较大,黏土占比较小；上述特点说明,钻孔SH1、SH5、SH6黄泛层是在水动力较强的牵引流下形成的，为洪泛水道沉积,水动力强,沉积粒度粗,分选略好,w(SiO2)高,w(Al2O3)、w(Fe2O3)低;其中由北往南水道内部钻孔SH6、SH5、SH1随着与主河道距离变远,越岸沉积物搬运距离增加,沉积厚度变薄,沉积粒度变细,而钻孔SH2、SH3、SH4为水道旁的漫滩沉积,沉积粒度细,沉积厚度薄,水动力弱,w(SiO2)低,w(Al2O3)、w(Fe2O3)高。

4.2 沉积历史

研究区为黄河漫流区沉积环境,这在历史文献中也有记载。较长的记录是从公元1128年黄河夺泗入淮后的700多年,淮河下游逐渐淤垫,现在的泗洪归仁镇以北、朱湖以北、金镇经常成为漫流区。1855年黄河在河南兰阳(今兰考)决口改道而再次北流入渤海后,金镇、朱湖原黄河泛滥区再无水患。另外,黄河下游短暂入泗汇淮的记录在公元1128年前至少有4次[19]:① 公元前322年,黄河人为决堤,南泛侵夺泗水;② 公元前168年黄河在酸枣(今延津县境)决口,河溢通泗;③ 公元前132年黄河在濮阳西南决口,经泗水汇入淮河入黄海,历时23 a后北迁汇入大河;④ 公元1020年,黄河在滑州(今滑县北)决口,东流入泗汇淮共经历14 a。钻孔SHJ23黄泛层近顶部样品的AMS14C年龄(距今(955±30) a)与公元1020年入泗汇淮的历史记载比较匹配。与钻孔SH1～SH6相比,钻孔SHJ23距离主河道更远,为漫滩沉积,参考钻孔SHJ23黄泛层及上覆地层的年龄数据,虽然不能确定金锁镇、朱湖镇结束漫流的时间是否提前,但至少包含公元1020年的泛滥沉积。

黄泛地层沉积旋回能够反演黄河泛滥次数[9]。第四纪松散碎屑沉积物具有成因多样性的特点,对其进行传统地层学的研究存在较多不便,需要更细致的分析方法与详实的基础资料[20]。传统的沉积旋回多是根据粒度曲线变化划分[9],其划分结果和岩性识别的旋回总体相当[21]。钻孔SH1、SH2都由1套褐色粉砂质黏土层、棕红色淤泥质黏土层与1层褐色粉砂层组成,对应1个由粗变细再变粗的旋回。相比于钻孔SH1、SH2,钻孔SH3、SH4分别缺失顶部的褐色粉砂层和底部的褐色粉砂质黏土层,钻孔SH6底部多出1层褐色黏土层,其上部多出2套由褐色粉砂质黏土层和棕红色淤泥质黏土层组成的旋回。因此,通过岩性、粒度初步识别出泗洪北部钻孔SH6经历4次泛滥事件,钻孔SH3经历1次泛滥事件,其他4个钻孔经历2次泛滥事件。钻孔SHJ23的棕红色粉砂质黏土粗略对应1次泛滥事件,以1020年黄河决口入泗汇淮最大行经时间14 a计算,沉积速率为4.14 cm/a,结果偏高,但仍在前人估算的上限范围内(3.9 cm/a[22];6.7～12.2 cm/a[1]),这也间接说明钻孔SHJ23黄泛层上下测年样品可能为来自其他时期沉积。钻孔SH6沉积厚度最大,包含旋回最多,可能在公元前322年,黄河夺泗,泗水主流东移,从泗洪归仁附近南流改走归仁、金镇、朱湖、太平入淮的时期,钻孔SH6距离主河道最近,或正好处于主河道上。钻孔SH1～SH6分布在北北西向宽8～12 km的黄泛区域内,与1570年睢宁决口、1585年崔镇决口位置相近,6个钻孔部分沉积晚于1128年的,可能为这些事件时期形成。但能否将钻孔SH6下部泛滥的时间由钻孔SHJ23指示的公元1020年的数据提早到包含公元前322年,将多个钻孔可能的晚于1128年沉积的部分对应到睢宁、崔镇决口事件,需要今后对每个旋回做精确的年代地层学工作。

4.3 物源河流影响

洪泛平原沉积物的物质来自相应的河流沉积物,其元素质量分数等地球化学特征与物源河流沉积物的化学组成密切相关[23]。除w(CaO)和w(Al2O3)偏高外,泗洪北部6个钻孔黄泛层中其他常量元素与黄河三角洲全新世沉积物[24]都基本相似。除w(Na2O)和w(Ba)以外,研究区6个钻孔黄泛层的常量和微量元素较济南至黄河口的黄河样品[25]都总体偏高。但除w(Fe)和部分w(Cr)外,其他元素(Ca、Mg、Zn、Ni和Sr)与Al的质量分数比值相对黄土化学成分中的数值[25]偏差在40%以内,其中Ca和Sr的相应偏差几乎都小于10%;w(Fe)/w(Al)相对济南至黄河口黄河样品偏差在1%～20%。

w(TiO2)/w(Al2O3)、w(K2O)/w(Al2O3)和w(SiO2)/w(Al2O3)也常用作物源的指示[23],钻孔SH1～SH6沉积物和中国南、北部黄土沉积物的w(TiO2)/w(Al2O3)-w(K2O)/w(Al2O3)、w(TiO2)/w(Al2O3)-w(SiO2)/w(Al2O3)图解如图4所示。

图4 钻孔SH1～SH6沉积物和中国南、北部黄土沉积物的w(TiO2)/w(Al2O3)-w(K2O)/w(Al2O3)、w(TiO2)/w(Al2O3)-w(SiO2)/w(Al2O3)图解

从图4可以看出:泗洪北部黄泛层与北部黄土交叠较大,再次表明研究区黄泛沉积物总体继承了黄土高原中多种元素的组成特征;连云港组与黄泛层重叠较大,说明受到黄泛沉积的影响;而下伏戚咀组由于比值变化范围较大,物源可能更为复杂。

文献[5]将废黄河沉积物中的Ba、Al 和Zn的质量分数高于现代黄河沉积物，归因于淮河沉积物(其Ba、Al 和Zn的质量分数较高)对废黄河的贡献。

泗洪钻孔SH1～SH6中,5个钻孔w(Ba)为 388～468 mg/kg,1个钻孔为481 mg/kg,比淮河(533 mg/kg)、废黄河(480 mg/kg,泥质沉积物;571 mg/kg,砂质沉积物)沉积物w(Ba)低;6个钻孔w(Ba)平均为437 mg/kg,比现代黄河沉积物泥质沉积物(430 mg/kg)稍高、砂质沉积物(500 mg/kg)低。这表明研究区夺泗水但未入淮的黄河泛滥沉积物受到了淮河水系——泗水沉积物的影响,但影响程度较小。

淮河沉积物对研究区黄河泛滥沉积物的影响还体现在粒度方面。空间上,研究区黄泛层黏粒占比高于徐州,而粉粒和砂占比都低于徐州[11],总体上符合上游到下游逐渐变细的规律。然而,在时间上,研究区黄泛层的粒度低于公元前602年—公元11年黄河下游的冲积平原[4],也低于现代黄河河漫滩的粒度[4],并未体现文献 [4]中总结的随着近3 000多年黄土高原水土流失越来越严重,下游平原沉积物年代越新,粒度越粗。文献 [22]将废黄河清口以下比降较现今黄河(0.35×10-4)小得多，归结为与清口以下汇入了大量淮河清水有关。从黄河南流未入淮前沉积物元素、粒度、比降看，可能有影响,但影响较小,可能归因于黄河夺泗但未入淮前，淮河水系清水注入较少,且黄河短暂南流时泗水清水注入时间较短。1128年黄河长期南流以后,徐州下游泗水河道被黄河侵夺,泗水出路被阻,常年终止在徐州以北地区。除1604年前沂河一度成为黄河的1条支流外,入淮前,沂沭泗水系并无其他与黄河共存的记录。

由于缺乏对古泗水沉积物化学特征的相关研究成果,淮河水系对泗洪北部黄泛沉积物的定量贡献尚难分析。