李松翰, 张俊娜, 张小虎, 赵海涛, 赵伯伦, 韩子楠. (2024). 洛阳盆地古洪水剖面地球化学指标的古气候指示意义* [J]. 古地理学报, 26(6): 1516-1530.
LI Songhan, ZHANG Junna, ZHANG Xiaohu, ZHAO Haitao, ZHAO Bolun, HAN Zinan. (2024). Significance of palaeoclimate indicators of geochemical indexes of palaeoflood profiles in Luoyang Basin,China[J]. Journal Of Palaeogeography, 26(6): 1516-1530.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2024.06.102
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洛阳盆地古洪水剖面地球化学指标的古气候指示意义*
李松翰1, 张俊娜1, 张小虎2, 赵海涛3, 赵伯伦4, 韩子楠4
1 首都师范大学历史学院,北京 100048
2 河南省文物考古研究院,河南郑州 450000
3 中国社会科学院考古研究所,北京 100101
4 北京联合大学应用文理学院,北京 100191
通讯作者简介 张俊娜,女,1984年生,副教授,研究方向为环境考古和第四纪古环境演变。E-mail: junnazhang84@163.com。

第一作者简介 李松翰,男,2001年生,硕士研究生,研究方向为环境考古。E-mail: 2220202014@cnu.edu.cn。

收稿日期:2024-01-31 修回日期:2024-08-08
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41971114)、 国家社科基金重大项目(编号: 21&ZD223,18ZDA172)和国家社科基金一般项目(编号: 20BKG001)联合资助
摘要

地球化学指标在古气候研究中多用于黄土、湖泊等沉积物的分析,河流沉积物由于沉积水动力变化大,对其化学元素及其古气候指示意义的研究较少。文中对洛阳盆地4~3.8 ka BP龙山晚期古洪水(SQ)剖面地球化学指标的古气候指示意义进行了探讨。分析显示,古洪水剖面的化学元素含量与中值粒径相关性显著。在排除物源、沉积再旋回和成岩钾交代作用对于化学元素的影响后,根据各化学元素与中值粒径的相关系数进行分组,并在同组内按照元素迁移强弱建立化学元素参数指标,其结果与CIA粒度效应校正结果具有一致性,均在距今4 000年前后的古洪水层呈低值,指示相对干凉的气候。结合该剖面孢粉的分析结果,认为洛阳盆地温凉的气候条件是距今4 000年前后古洪水事件发生的重要环境背景。虽然河流沉积过程的复杂性导致本研究具有一定的局限性,但是通过相关系数分组建立比值参数的方法,为探讨河流沉积物化学元素指标的古气候指示意义提供了新的思路。

关键词: 洛阳盆地; 古洪水; 地球化学指标; 相关性分析; 气候事件
中图分类号:P532 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2024)06-1516-15
Significance of palaeoclimate indicators of geochemical indexes of palaeoflood profiles in Luoyang Basin,China
LI Songhan1, ZHANG Junna1, ZHANG Xiaohu2, ZHAO Haitao3, ZHAO Bolun4, HAN Zinan4
1 School of History,Capital Normal University,Beijing 100048,China
2 Henan Provincial Institute of Cultural Heritage and Archaeology,Zhengzhou 450000,China
3 Institute of Archaeology,Chinese Academy of Social Sciences,Beijing 100101,China
4 College of Applied Arts and Science of Beijing Union University,Beijing 100191,China
About the corresponding author ZHANG Junna,born in 1984,an associate professor,is mainly engaged in researches on environmental archaeology and Quaternary palaeoenvironmental evolution. E-mail: junnazhang84@163.com.

About the first author LI Songhan,born in 2001,a postgraduate student,is mainly engaged in research on environmental archaeology. E-mail: 2220202014@cnu.edu.cn.

Fund:Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.41971114),the major project of National Social Science Fund(Nos. 21&ZD223,18ZDA172)and the general projects of the National Social Science Fund(No.20BKG001)
Abstract

In paleoclimate studies,geochemical indexes are predominantly employed in the analysis of loess,lake and other sediment types. However,the role of chemical elements in indicating palaeoclimate conditions in river sediments has been rarely investigated,primarily due to significant variations in sedimentary dynamics. In this paper,the significance of paleoclimate indicators derived from the geochemical index of the late Longshan Paleoflood section(SQ)dating from 4 to 3.8 ka BP in the Luoyang Basin. The analysis reveals a significant correlation between the chemical elements in the SQ profile and the median particle size. After accounting for the influences of provenance,sedimentary recycling and diagenetic potassium metasomatism on the chemical elements,the chemical elements were grouped based on the correlation coefficients with median particle size. Subsequently,we established chemical element parameter indexes according to the migration strength of the elements within the same group. The results are consistent with the CIA particle size effect correction findings,both indicating low values in the paleoflood layer,which suggests a dry and cool climate. Based on the results of palynology in this profile,it is concluded that the relatively mild,warm and cool climate in the Luoyang Basin serves as a significant environmental background for the occurrence of paleoflood events around 4 000 years ago. However,the complexity of the river deposition process presents limitations for this study. The method of grouping parameters offers a valuable approach to exploring the palaeoclimatic significance of chemical element indicators found in river sediments.

Key words: Luoyang Basin; palaeoflood; geochemical indexes; correlation analysis; climate event
1 概述

地球化学元素受古气候变化影响发生迁移和聚集, 因此在第四纪古环境研究中其常作为有效的古气候替代性指标, 并在黄土— 古土壤(刘东生, 1985; 李拓宇等, 2013; Li et al., 2022a; 杨宇哲等, 2023)、湖泊沉积(张虎才等, 2009; 郭志永等, 2011; Sun et al., 2021; 宋德卓等, 2022)等研究中得到了广泛应用。河流作用是塑造地貌最普遍、最活跃的外营力之一, 其通过侵蚀、搬运和堆积形成相应的河流沉积物, 物源具有随机性, 沉积水动力波动频繁。受水动力过程的影响, 河流沉积物的化学元素分布规律通常与黄土不同, 这一现象被称为“ 粒度效应” (赵一阳和喻德科, 1983; Laceby et al., 2017), 造成其结果难以直接用于解释古气候变化。目前, 河流沉积物地球化学指标多用于沉积相判别(蓝先洪等, 1987; 宫钏彰等, 2014; 封志兵等, 2023)和物源示踪(杨守业等, 2007; 韩宗珠等, 2016)等。

在中国环境考古研究中, 古洪水研究一直是一个热点问题(朱诚等, 1997; 杨晓燕等, 2005; 黄春长等, 2011; 张俊娜和夏正楷, 2011; Wu et al., 2016; 董广辉等, 2018), 对古洪水沉积物的化学元素指标分析主要集中于古洪水事件的判定、沉积特征分析和水文特征重建等。如, 对中坝遗址疑似古洪水层的研究认为, 高 Rb/Sr 值反映与洪水有关的高降雨量环境, 洪水层沉积物的TOC含量、有机氮和汞的含量远低于文化层(朱诚等, 2005); 泾河杨官寨剖面(YGZ)化学元素参数被认为可用来识别古洪水滞流沉积层(SWD)(张玉柱等, 2012); 对重庆永川汉东城遗址古洪水的研究表明, CaO、Fe2O3和MgO等指标可指示水体变化, 而CIA和 Rb/Sr 值则可指示降水和温度(李兰等, 2020)。总之, 目前的古洪水沉积物研究缺乏对“ 粒度效应” 下化学元素参数古气候指示意义的讨论(赵一阳和喻德科, 1983; 张玉柱等, 2012; Laceby et al., 2017; 王浩宇等, 2021; Li et al., 2022a)。虽然有学者采用R-聚类分析或R型因子分析的方法对古洪水沉积物化学元素和相关参数进行分类并阐释其环境指示意义(宫钏彰等, 2014), 但对于物源、沉积过程、成岩过程等因素很少考虑(Borges et al., 2008; Jian et al., 2013; 赵占仑等, 2018; 傅寒晶等, 2021)。

大量环境考古工作表明, 距今4000年前后是中国古洪水的频发期, 在黄河流域和长江流域考古遗址中均发现了这一时期古洪水的证据(朱诚, 1997; 夏正楷和杨晓燕, 2003; 杨晓燕等, 2005; 黄春长等, 2011; 张俊娜和夏正楷, 2011; 顾洪亮等, 2012; 徐佳佳, 2017; Zhang et al., 2019)。众多来自黄土(An et al., 2005; 殷志强和秦小光, 2010; 徐新文等, 2020)、风沙沉积(邹晓君等, 2023)、湖相沉积(靳桂云和刘东生, 2001; 邹春辉等, 2020)、石笋(Wang et al., 2005; Hu et al., 2008; Tan et al., 2018; 张振球等, 2023)、冰芯(段克勤等, 2012)的古气候记录均显示这一时期气候发生了显著波动, 但目前对于4 ka BP古洪水事件的气候背景及其与4.2 ka BP气候波动事件的联系仍未有明确认识, 而直接对已确定的古洪水剖面的古环境指标进行分析则是研究这一时期气候背景的重要手段。

SQ剖面位于河南省洛阳盆地, 该剖面记录的龙山晚期古洪水事件被证明与二里头遗址的选址有重大关联(Zhang et al., 2019), 故是黄河流域4 ka BP 古洪水事件的代表性剖面。笔者在前期工作的基础上(张俊娜和夏正楷, 2011, 2012), 对洛阳盆地4~3.8 ka BP的古洪水(SQ)剖面进行化学元素分析, 在排除物源、沉积再旋回和钾交代作用的影响后, 通过对CIA进行粒度效应校正和相关性分组比值参数分析, 结合孢粉变化, 探讨4~3.8 ka BP前后古洪水事件发生的气候背景。

2 研究区概况

洛阳盆地位于河南省西部, 伊、洛两河穿越盆地而过, 至盆地东部汇合为伊洛河, 后沿东北向流出盆地汇入黄河。该地区位于暖温带向北亚热带的过渡带, 为暖温带大陆性季风气候, 年平均气温12~14.7 ℃, 气温年较差和日较差均较大; 年平均降雨量500~650 mm, 降水量年际和季节变化较大, 呈现自南向北递减趋势。洛阳盆地内植被主要为暖温带落叶阔叶林, 包括栓皮栎林、麻栎林和青檀林等; 林下普遍分布灌丛和草丛, 包括荆条、酸枣和白羊草等。

洛阳盆地地貌表现为自盆地外围向内依为低山丘陵、黄土台塬和伊洛河冲积平原。冲积平原可分为河漫滩和三级阶地: T3阶地的形成年代尚不清楚; T2阶地的形成年代约为距今10 000年前后(Storozum et al., 2017; Zhang et al., 2019); T1阶地属于全新世阶地, 大约在距今10 000年前后开始堆积, 至距今7000年前后结束堆积(Zhang et al., 2019)。

水渠剖面(SQ剖面)处于二里头遗址南界一条人工灌渠的北壁, 位于伊洛河二级阶地前缘, 具体坐标为112° 41'15.1″E、 34° 41'19.2″N(图 1)。依据野外沉积特征可将该剖面自上而下划分为5层: ①、②层为近现代和历史时期地层, ③层为灰褐色黏土质粉砂层, ④层为浅黄色细砂层, ⑤层为深褐色粉砂质黏土层。其中, ⑤层属于T2阶地顶部河流相堆积物, ④层和③层下部属于古洪水堆积(图1)(张俊娜和夏正楷, 2011)。

图 1 洛阳盆地位置与SQ剖面示意图Fig.1 Location of Luoyang Basin and SQ profile

3 样品采集与分析

按照4 cm间距在SQ剖面第③~⑤层连续采集沉积物样品31个(SQ1~SQ31), 在③层上部、中部和④层采集光释光测年样品3个(L1~L3)。粒度和孢粉的具体实验分析方法见张俊娜和夏正楷(2011, 2012)等的详细描述。测年结果显示, L1~L3样品的OSL年代分别为2.64 ka BP, 3.80 ka BP和4.04 ka BP(张俊娜和夏正楷, 2011)。

化学元素分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室完成。常量元素测试的实验步骤为: 准确称取0.4 g烘干后的样品, 与4 g烘干后的四硼酸锂、偏硼酸锂、氟化锂混合溶剂一起放入铂金坩埚中搅拌均匀, 加入三四滴饱和溴化铵溶液, 放入高频熔融机中熔样制片, 使用美国赛默飞公司ARL ADVANT XP+型顺序式X射线荧光光谱仪进行测量。常量元素分析误差小于1%。微量元素的实验步骤为: 将粉碎至200目的样品置于烘箱105 ℃烘烤12 h; 称取0.0250± 0.0002 g样品放置在不锈钢消解罐中, 加入2 mL氢氟酸、0.6 mL硝酸和5滴高氯酸后将消解罐放入烘箱185 ℃烘烤72 h; 冷却后将消解罐放置在150 ℃电热板上加热蒸酸, 待溶样近干, 加入1~2 mL硝酸复溶并蒸发近干; 再加入10 mL左右浓度2%的稀硝酸溶液并置于105 ℃电热板加热12 h; 用浓度2%的稀硝酸溶液溶解样品并转移至25 mL的容量瓶中定容摇匀。使用美国安捷伦科技有限公司Agilent ICPMS 7500ce型电感耦合等离子体质谱仪进行测量, 微量元素分析误差小于10%。

4 结果与分析
4.1 SQ剖面元素特征

SQ剖面中值粒径(Md)、常量元素氧化物百分含量和微量元素含量曲线如图 2所示。中值粒径、常量元素氧化物百分含量和微量元素含量的变化趋势在第④、⑤层之间具有明显的分界, 在第③、④层之间具有一定的连续性, 指示③、④层沉积为古洪水沉积。

图 2 洛阳盆地SQ剖面③-⑤层沉积物中值粒径(Md)、常量元素氧化物含量、微量元素含量曲线Fig.2 Curves of medium diameter, major elements oxides and trace elements of sediments in layer ③-⑤ of the SQ profile in Luoyang Basin

在③层和④层沉积物的化学元素中, Zr、SiO2、Sr、CaO和Na2O自下而上含量逐渐降低, Ba、Zn、K2O、Cu、Rb、MgO、TFe2O3和Al2O3自下而上含量逐渐升高。各化学元素与中值粒径的相关系数依次为: 0.7809(Zr)、 0.7554(SiO2)、 0.7440(Sr)、 0.6705(CaO)、 0.6278(Na2O)、 -0.0227(Ba)、 -0.5858(Zn)、 -0.6028(K2O)、 -0.6408(Cu)、 -0.6447(Rb)、 -0.7095(MgO)、 -0.7403(TFe2O3)和-0.7693(Al2O3)。 相关性分析显示, 常用化学元素与中值粒径相关性显著, 元素分布规律受到粒度效应的强烈影响。

4.2 化学蚀变指数(CIA)校正

CIA(化学蚀变指数)可以衡量长石淋溶强度, 是指示化学风化强度的常用指标(Nesbitt and Young, 1982), 计算公式为:

CIA=[Al2O3/(Al2O3+Na2O+CaO* +K2O)]× 100

其中, Al2O3、 Na2O、 K2O、 CaO* 均为分子摩尔数; CaO* 为硅酸盐中CaO的分子摩尔数。

本研究所采集样品未用酸溶方法除去非硅酸盐的含Ca矿物, 故采用McLennan(1993)提出的校正方法来计算CIA, 即当沉积物样品中的CaO/Na2O的摩尔比值大于1时, 以Na2O的含量代替CaO含量计算CIA; 当比值小于1时, 则直接以CaO的含量计算CIA。计算结果表明, SQ剖面各层CIA值均处于65~85之间, 为中等化学风化强度, 指示温暖湿润气候(Nesbitt and Young, 1982)。

CIA指数会受到物源差异(赵占仑等, 2018)、粒度效应(熊尚发等, 2008)、沉积旋回(Borges et al., 2008)、钾交代作用(Jian et al., 2013; 傅寒晶等, 2021)等因素的影响, 使其数值不能真实反映实际风化程度。文中使用lg(SiO2/Al2O3)-lg(Fe2O3/K2O)二元结构图、ICV(成分变异指数)、A-CN-K图和粒度效应校正等方法对可能的影响因素进行检验。

lg(SiO2/Al2O3)-lg(Fe2O3/K2O) 二元结构图(图 3-a)显示, SQ剖面物源⑤层主要以页岩风化物为主, ③层和④层主要为硬砂岩风化物, ③层包含少量的页岩风化物(Gu et al., 2023a)。伊洛河位于洛阳盆地内部, 最大汇水区域较为稳定, ③层和④层沉积物性质相同且均来自于洛阳盆地西南的崤山、熊耳山、嵩山等地区的山间坡地, 物源区稳定。ICV值(成分变异指数)(图 3-b)在③、④和⑤层之间具有显著差异, 其中⑤层沉积物ICV值小于1, 表明沉积物可能经过强烈风化或再沉积, 而③层和④层沉积物ICV值均大于1, 说明沉积物应为首次沉积(冯连君等, 2003; 徐小涛和邵龙义, 2018)。A-CN-K图可用于观测化学风化趋势, 并进一步探究成岩过程中钾交代作用导致的CIA偏差(Jian et al., 2013; 傅寒晶等, 2021; Gu et al., 2023b)。在A-CN-K三角图(图 3-c)中, SQ剖面沉积物呈现出条带状分布, 与A-CN连线和理想风化趋势线(黑色箭头实线)近似平行, 与UCC至PAAS的连线平行, 沉积物风化趋势与典型的初期大陆风化趋势一致(黑色虚箭头虚线), 表明基本未受到成岩过程中钾交代作用的影响(Nesbitt and Young, 1982; Jian et al., 2013; 徐小涛和邵龙义, 2018; 郜学敏等, 2021)。以上分析说明, SQ剖面中的③层和④层古洪水沉积物的CIA值未受到物源、沉积再旋回、钾交代作用的影响。

图 3 洛阳盆地SQ剖面③-⑤层沉积物物源、 沉积旋回、 钾交代作用检验
a— lg(SiO2/Al2O3)-lg(Fe2O3/K2O)二元结构图(修改自Gu et al., 2023a); b— A-CN-K图(修改自Jian et al., 2013), 图中黑色实线箭头表示理想风化趋势, 黑色虚线箭头表示初期大陆风化趋势; c— ICV(成分变异指数)分布图, ICV=[X(Fe2O3)+X(K2O]+X(Na2O)+X(CaO* )+X(MgO)+X(MnO)+X(TiO2)]/X(Al2O3), 其中, X(A) 为A的摩尔分数, CaO* 为硅酸盐中的CaO含量, 本研究样品未用酸溶方法除去非硅酸盐的含Ca矿物, 故采用McLennan(1993)提出的校正方法进行计算, K2O为钾化校正后的含量Fig.3 Provenance, sedimentary cycle and potassium metasomatism test of sediments in layer ③-⑤ of SQ profile in Luoyang Basin

在SQ剖面中, CIA值与中值粒径的相关系数为-0.7157, 表明其受到了粒度效应的显著影响。参考Li 等(2022b)提出的方法对SQ剖面的CIA值进行校正, 具体公式为: CIAcorrected=CIAr-[NS-NN]× S(式中CIAr为CIA原值, NS为样品中值粒径或Al/Si值, NN为中值粒径均值或Al/Si均值, S为中值粒径或Al/Si与原CIA指数线性拟合直线的斜率)。

在使用中值粒径进行校正后, CIA值与中值粒径相关系数为-0.0002, ③层CIA均值(79.46)大于④层(78.42); 在使用Al/Si值校正后, 与中值粒径相关系数为0.0178, ③层CIA均值(79.25)小于④层(79.31)(图4)。虽然与校正前相比, CIA曲线在第④层的极低值被抹平, 但是CIA和校正曲线线性拟合得到的直线斜率均为正值, 说明SQ剖面的CIA值自下而上整体上逐渐增大, 环境逐渐转为暖湿。同时, 使用中值粒径校正后的CIA值与中值粒径相关性更弱, 可以更加准确地指示真实的风化程度。因此, 根据中值粒径校正后的CIA结果, ④层CIA平均值小于③层, 说明④层为相对干凉的阶段, 之后逐渐转暖。但由于③层和④层CIA均值均处于65~85之间, 指示整体气候仍较为温湿(Nesbitt and Young, 1982)。

图 4 洛阳盆地SQ剖面③-⑤层沉积物风化蚀变指数(CIA)曲线和校正曲线Fig.4 Correction curve of chemical element parameters of sediments in layer ③-⑤ of the SQ profile in Luoyang Basin

4.3 相关系数分组比值参数分析

按照元素与中值粒径的相关系数大小将常量元素和微量元素进行分组(表 1), 同组化学元素受粒度效应影响程度相近, 其比值可以校正粒度效应对化学元素参数的影响。

表 1 洛阳盆地SQ剖面③-⑤层沉积物常量元素氧化物、微量元素与中值粒径的相关系数和分组 Table 1 Correlation coefficient between major element oxides, trace elements and medium diameter and its classification of sediments in layer ③-⑤ of SQ profile of Luoyang Basin

依据分组后的同组内元素比值和化学元素迁移顺序的原则, 计算化学元素比值参数(A), 具体计算公式为: A=迁移能力较弱的元素/迁移能力较强的元素。其中作为分子的化学元素迁移能力较弱, 作为分母的化学元素迁移能力较强。因此, 当气候偏暖湿时, 风化作用较强, A值为高值; 当气候偏冷干时, 风化作用较弱, A值为低值。常量元素中, 各个化学元素的迁移能力顺序为:K2O> Na2O> CaO> MgO> SiO2> Fe2O3> Al2O3(靳鹤龄等, 2005), 即Si元素相对稳定, 在冷干气候条件下易富集; Al和Fe较为稳定, 在暖湿的气候条件下易富集; Ca、Mg为碱土金属, 在过渡型气候条件下易淋溶迁移; K和Na多储存于长石中, 在暖湿条件下易被淋溶迁移。在微量元素中, Cu在湿润的酸性淋溶环境中较为活跃(刁桂仪等, 1996); Rb原子半径较大, 易被带负电的黏土矿物吸附而留在原地产生富集或因易溶物质的迁移而相对富集(陈骏等, 1996); Zr的化学风化过程十分稳定, 通常被作为稳定元素衡量其他元素的迁移情况(Hutton, 1977); Sr属于分散元素, 在湿润的酸性淋溶条件下以Sr2+的形式随土壤溶液发生迁移(陈骏等, 1996)。依据分组结果, 结合化学元素迁移性质, 在SQ剖面中选取的化学元素参数A包括: MgO/K2O、 Al2O3/MgO、 Al2O3/K2O、 SiO2/Na2O、 TFe2O3/MgO、 SiO2/CaO、 Fe2O3/K2O、 CaO/Na2O、 Al2O3/TFe2O3、 Rb/Cu和Zr/Sr(以TFe2O3代替Fe2O3进行计算)。各化学元素参数在SQ剖面中的分布如图 5所示。

图 5 洛阳盆地SQ剖面③-⑤层沉积物化学元素比值参数曲线Fig.5 Curve of chemical element parameters of sediments in layer ③-⑤ of SQ profile in Luoyang Basin

在③层和④层中, MgO/K2O、 Al2O3/MgO、 Al2O3/K2O、 SiO2/Na2O、 TFe2O3/MgO、 SiO2/CaO、 Fe2O3/K2O平均值均在③层最高(依次为0.9708、 6.5791、 6.3823、 178.3314、 1.8368、 30.1746、 1.7793), 在④层最低(依次为0.9473、 6.5723、 6.2100、 152.4867、 1.6508、 22.4815、 1.5569)。CaO/Na2O、 Al2O3/TFe2O3、 Rb/Cu和Zr/Sr 平均值在④层最高(依次为6.8109、 3.9927、 6.24115、 1.5513), 在③层最低(依次为6.0304、 3.5883、 5.4625、 1.4274)。

为进一步选取能够反演沉积环境与气候的参数, 需要计算并比较所有组合与中值粒径的相关系数以进行二次检验。在所有组合中, 与中值粒径相关系数绝对值小于0.3的组合有MgO/K2O(-0.1140)、 Al2O3/MgO(-0.1747)和Al2O3/K2O(-0.2756), 受粒度效应的影响较弱; 在0.3~0.6之间的组合有CaO/Na2O(0.3567)、 Rb/Cu(0.3583)、 SiO2/Na2O(-0.5368)、 TFe2O3/MgO(-0.5424)、 SiO2/CaO(-0.5715)和Zr/Sr(0.5717), 受粒度效应的影响适中; 大于0.6的组合有Al2O3/TFe2O3(0.6258)和Fe2O3/K2O(-0.7747), 受到粒度效应的影响较为强烈。对于化学元素参数与中值粒径相关系数绝对值大于0.3的组合, 在进行古气候的分析时予以舍弃, 而以受粒度效应影响较弱的MgO/K2O值、 Al2O3/MgO值和Al2O3/K2O值作为主要判断依据。

MgO/K2O值、 Al2O3/MgO值和Al2O3/K2O值随时间变化的3条曲线均显示, 第④层平均值均小于③层, 表明④层沉积物风化作用较弱, 环境相对干凉。但是, 3条曲线的均值在③和④层的差异较小, 说明气候变化较为温和, 为渐变式过渡。

5 讨论
5.1 SQ剖面化学元素参数特征及古气候意义

对SQ剖面沉积物lg(SiO2/Al2O3)-lg(Fe2O3/K2O)二元结构图、ICV(成分变异指数)、A-CN-K图(图 3)的分析表明, 剖面中③层和④层古洪水沉积物未受到物源、沉积再旋回和成岩钾交代作用的影响。CIA粒度效应校正的结果表明古洪水层沉积环境温暖湿润, ④层为相对冷干的阶段。按照化学元素与中值粒径的相关系数进行分组后, 对同组内的元素按照迁移强弱顺序进行比值计算建立古气候参数, 通过古气候参数与中值粒径相关性检验, 选取受粒度效应影响较弱的参数进行古气候的反演, 结果显示, 在SQ剖面③层和④层中, 化学元素比值参数在④层呈现低值, 化学风化程度较低, 环境相对冷干。这一分析方法的结果与CIA粒度效应校正后的结果一致, 多数参数曲线分布特征具有一致性, 参数与中值粒径相关系数显著降低, 表明该方法具有可行性。

SQ剖面的孢粉组合的结果(张俊娜和夏正楷, 2011)显示(图 6), 第4孢粉带(第⑤层)中铁杉属、冷杉属较多, 阔叶树以桦属为主, 草本植物主要为蒿和藜, 蕨类以卷柏为主, 存在一定量的指纹藻, 指示了针阔混交森林草原环境。在第3孢粉带(第④层)中, 木本/非木本(AP/NAP)值较大, 木本植物以落叶阔叶树为主, 铁杉属含量较低, 不见冷杉属, 草本植物以蒿属、藜科和蓼科为主, 蕨类仅有少量卷柏属, 湿生指纹藻和双星藻数量较多, 指示了针阔混合的森林环境。第2孢粉带(第③层下部)AP/NAP值减小, 木本植物含量有所降低, 铁杉属、冷杉属含量增多, 草本植物含量增多, 包括蒿属、藜科、毛莨科、蓼科、芸香科等, 蕨类中卷柏属含量增多, 湿生指纹藻和双星藻数量下降, 指示针阔混交森林草原环境。

图 6 洛阳盆地SQ剖面③-⑤层沉积物孢粉图(据张俊娜和夏正楷, 2011)Fig.6 Pollen diagram of sediments in layer ③-⑤ of the SQ profile in Luoyang Basin(after Zhang and Xia, 2011)

4.04~3.8 ka BP的洪水层(④-③层)对应剖面孢粉带中第3至第2孢粉带。这一时期AP/NAP值变小; 第④层松属孢粉含量明显增加, 第③层铁杉属和冷杉属孢粉含量增加, 都指示了气候干凉的趋势(赵辰辰等, 2019; 杨坤美等, 2022)。③层中所含的桦属、栎属、榆属等阔叶树孢粉可能与高能洪水所携带的上游山区林地孢粉有关(许清海等, 2001); 湿生指纹藻和双星藻等湿生植物含量的增高, 可能与洪水期河漫湿地的形成有关(毛礼米等, 2011)。从SQ剖面第3孢粉带和第2孢粉带中孢粉组合可见, 4.04~3.8 ka BP期间气候环境有一定的干凉化趋势。

综合化学元素和孢粉的分析结果, SQ剖面中, 4.04~3.8 ka BP古洪水期间的气候应处于相对干凉阶段。但是需要注意, 孢粉分析指示的洪水期生态环境仍然较为优良, 附近山区为针阔混交林, 河流流域内生长各种陆生草本植物, 河漫湿地生长着藻类等湿生植物, 推测当时属于较为温凉的气候环境。

5.2 4 ka 古洪水事件发生的气候背景

SQ剖面粒度与磁化率的分析表明, 在4 ka BP前后, 洛阳盆地发生了一次漫上河流阶地的异常洪水事件, 剖面中③层和④层为该次洪水事件的沉积(张俊娜和夏正楷, 2012)。使用已有的年代数据, 通过线性内插推断SQ剖面④层底部的年代为4068 a BP, 即洪水事件发生的年代上限为4068 a BP。贵州董哥洞DA石笋(Wang et al., 2005)和洛阳盆地灰嘴剖面(陈亮等, 2023)的研究表明, 4.2 ka 气候事件的时间分别为4400~3950 a BP和4155~3995 cal a BP。虽然不同地区4.2 ka 气候事件的发生时间存在差异, 但洛阳盆地4 ka古洪水事件的时间上限已经进入此次气候事件的时间范围。

4.2 ka 气候事件被认为是一次全球范围内的降温事件, 但对应的降水量和湿度在不同区域具明显差异(Bond et al., 1997; de Menocal, 2001)。如, Wu和Liu(2004)认为4 ka BP前后中国东亚季风区呈现出北方干旱、南方洪涝的降水格局; 而Sun等(2019)的研究认为这一时期普遍出现寒冷干燥的气候, 而且在黄河中下游和长江流域伴随着极端的干旱。董哥洞DA石笋的记录(Wang et al., 2005)在4500~4000 a BP之间出现了剧烈的季风减弱事件, 降雨量整体较低(图 7-a)。渤海湾西海岸NDG钻孔(You et al., 2024)在4450~4070 a BP 之间孢粉数量明显降低, 出现了明显的干旱, 之后逐渐变得湿润。鸭子海(Wang et al., 2022)的孢粉记录显示在4150~3880 a BP期间, 夏季风明显减弱, 降水量急剧减少。距SQ剖面较近的九仙洞C996-1石笋(Cai et al., 2010)的 δ 18O 记录显示3900~4200 a BP出现了EASM(东亚夏季风)剧烈减弱的现象(图 7-b)。黄土高原南缘乌鸦洞WY12石笋(Tan et al., 2018)的 δ 18O 记录显示在4 ka BP前后降水量变化剧烈(图 7-c), 但对应的洪水发生初期, δ 18O为持续的高值, 表明该阶段相对干旱。寺河南剖面(孙雄伟和夏正楷, 2005)、柿园剖面(许俊杰等, 2013)和大河村岩心(Ren et al., 2021)的研究均显示在4 ka BP前后洛阳盆地及周边地区出现了气候干凉化的趋势。位于洛阳盆地的灰嘴遗址HZ-1剖面(陈亮等, 2023)记录了在4155~3995 cal a BP期间发生的干旱事件。以上分析说明, 在不同地区的4.2 ka气候事件记录中, 虽然存在起止时间、降雨量和湿度的时空差异, 但在4 ka BP前后均出现不同程度的夏季风减弱事件。从SQ剖面来看, CIA校正值在④层呈低值, 化学元素比值参数在该层也为低值, 说明在古洪水发生时期化学风化作用较弱, 气候相对干凉。洛阳盆地位于秦岭淮河以北, 属于东亚季风区, 盆地内部沉积物的化学风化作用主要受到气温和降水等气候因素的控制, 因此推测古洪水发生时为相对干凉的气候环境。SQ剖面的孢粉分析结果也证实了这一结论。

图 7 洛阳盆地SQ剖面③-⑤层沉积物学元素比值参数与其他全新世环境变化曲线对比图
a— 董哥洞DA石笋 δ 18O 记录(Wang et al., 2005); b— 九仙洞C996-δ 18O记录(Cai et al., 2010); c— 乌鸦洞WY12δ 18O记录(Tan et al., 2020); d— SQ剖面MgO/K2O值变化曲线; e— SQ剖面Al2O3/MgO值变化曲线; f— SQ剖面Al2O3/K2O值变化曲线; g— SQ剖面CIA值(中值粒径校正)变化曲线。黄色条带代表季风减弱/降雨量减少或冷干的时段, 黑色箭头代表异常降水的时段Fig.7 Comparison of chemical element ratio parameters of sediments in layer ③-⑤ of the SQ profile in Luoyang Basin with other Holocene environmental change curves

第四纪古气候研究表明, 当古气候处于过渡期(Zhao et al., 2017)或处于季风状态异常时期, 古洪水事件极易发生(Huang et al., 2010; 黄春长等, 2011; Guo et al., 2015)。董哥洞DA石笋、九仙洞C996-1石笋和乌鸦洞WY12石笋均记录了4 ka BP 前后出现的异常降雨事件。在4.2 ka 事件中, SQ剖面中木本、草本植物含量降低, 可能指示了气候冷干和人类活动共同所致的植被退化和森林覆盖率的降低, 这可能导致流域内拦蓄降雨径流的能力下降, 增大了极端降雨事件(Tan et al., 2018)中洪水发生的概率(赵宏飞, 2018)。

综合多个4.2 ka 气候事件的研究结果, 认为在4.2 ka 气候事件中, 各地起止时间、降水湿度的时空分布存在较大差异, 但均在4 ka BP 前后出现了夏季风减弱、降雨量减少的相对干凉阶段。这一结果与SQ剖面化学元素和孢粉的分析结果一致。因此, 认为SQ剖面记录的古洪水事件是在4 ka BP 前后气候相对干凉化的背景下发生的异常洪水事件。

6 结论

1)洛阳盆地SQ剖面中③-⑤层沉积物的化学元素分析结果表明, 化学元素的分布特征与粒度相关性显著, 受到“ 粒度效应” 的影响。

2)通过计算SQ剖面样品的Lg(SiO2/Al2O3)-Lg(Fe2O3/K2O)参数、ICV(成分变异指数)、A-CN-K参数等对影响化学蚀变指数(CIA)的因素进行检验, 结果显示SQ剖面CIA值未受到物源、沉积再旋回、钾交代作用的影响。在此基础上, 对CIA值进行“ 粒度效应” 的校正, 结果显示, ④层CIA均值低于③层, 说明④层为相对干凉, 但③层和④层CIA均值均处于65~85之间, 表明洪水发生期间, 气候整体处于温暖湿润阶段。

3)按照相关系数对化学元素进行分组, 在组内依据化学元素迁移规律建立比值参数。SQ剖面化学元素的相关系数分组比值参数分析结果显示, 受“ 粒度效应” 影响较小的参数在④层呈现低值, 但③层和④层差别较小, 说明气候相对干凉, 但整体变化较小。这一结果与4.2ka气候事件中4 ka BP 前后的气候记录一致。结合SQ剖面孢粉的分析结果, 洛阳盆地4 ka BP 前后古洪水事件发生在较为温凉的气候背景下。

需要注意的是, 文中对化学元素进行的相关系数分组比值参数分析仅是研究古气候过程的一种简化模型。由于实际情况中成岩和风化过程以及河流沉积过程、成土过程的复杂性, 河流沉积物的化学元素的来源和成因也非常复杂, 未来需要更多的研究来探讨河流沉积物化学元素指标的地球化学原理及其所反映的沉积环境和古气候信息等问题。

致谢 感谢中国社会科学院考古研究所二里头工作队许宏、王宏章等老师对SQ剖面田野取样工作的支持!

(责任编辑 张西娟; 英文审校 刘贺娟)

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