林悅敏，歐陽(yáng)婷萍，李明坤，賀辰戔,2，張麗容，李 桑

（1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，廣州 510631；2.中國(guó)科學(xué)廣州地球化學(xué)研究所 有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640）

全球變化背景下災(zāi)害性天氣事件頻發(fā)已引起世界范圍內(nèi)各界的廣泛關(guān)注，臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)降雨等導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害嚴(yán)重影響著區(qū)域可持續(xù)發(fā)展以及人類的安全（Katz et al., 1992; Skakun et al., 2014; Liu et al.,2015）。因此，洪水爆發(fā)的規(guī)律、形成過(guò)程及其與氣候變化之間的聯(lián)系等的研究可為工程建設(shè)、防洪救災(zāi)提供依據(jù)，具有重大實(shí)踐意義。

洪水沉積物是記錄洪水事件和水文特性的主要載體，通過(guò)對(duì)洪水沉積物的研究建立洪水時(shí)間識(shí)別標(biāo)志是古洪水研究的基礎(chǔ)（李長(zhǎng)安 等，2009；Huang et al., 2013）。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者通過(guò)研究洪水沉積物重建了長(zhǎng)江流域和黃河流域的古洪水事件序列（朱誠(chéng) 等，2005；Zhang et al., 2013；胡貴明等，2015；Yu et al., 2020）。目前洪水識(shí)別研究最常用的方法是粒度分析，通過(guò)單個(gè)粒度指標(biāo)及組合參數(shù)判斷水動(dòng)力條件、物質(zhì)來(lái)源以區(qū)分洪水事件。謝遠(yuǎn)云等（2007）通過(guò)漢江平原漫灘沉積物的沉積特征與砂含量識(shí)別出近3 000 年來(lái)的18 次洪水事件；羅淑元等（2021）通過(guò)研究揚(yáng)子江剖面沉積物粒度頻數(shù)分布曲線類型區(qū)分洪水事件強(qiáng)度，且平均粒徑、砂、（粗粉砂+砂）/（細(xì)粉砂+黏土）、中值粒徑和粒度頻數(shù)分維值D這5個(gè)指標(biāo)可以用于特大洪水的判別。由于河流沉積過(guò)程復(fù)雜多變，相同流域不同位置的洪水識(shí)別指標(biāo)也會(huì)存在差異（楊勁松 等，2022）。因此，需要結(jié)合多種指標(biāo)的指示意義，選擇區(qū)域最適宜的指標(biāo)識(shí)別洪水事件（Peng et al.,2019）。其他相互印證的指標(biāo)包括沉積物的元素組成、孢粉等，然而到目前為止，尚未有統(tǒng)一的相應(yīng)的洪水事件識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)。

近年來(lái)，具有經(jīng)濟(jì)、快速、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)的環(huán)境磁學(xué)方法通過(guò)測(cè)量獲得沉積物的磁信息，研究沉積物磁性特征（磁性礦物的含量、類型、晶粒特征等）在物源不同、搬運(yùn)過(guò)程中的風(fēng)化作用、次生變化等情況下會(huì)發(fā)生顯著的變化，可以用于指示物源、沉積動(dòng)力特征，被廣泛應(yīng)用于洪積物的沉積學(xué)研究中（Verosub et al., 1995；張衛(wèi)國(guó) 等，1995；Foster et al., 1998; Zhang et al., 2007; Franke et al.,2020）。已有研究表明，大洪水期輸入的物質(zhì)由于物源的差異表現(xiàn)出不同的磁性特征（Hanson et al.,2015; Rowntree et al., 2017; Franke et al., 2020），例如外源輸入較粗的碎屑物質(zhì)磁化率值相對(duì)較高，磁化率可用于反映水動(dòng)力的強(qiáng)弱（Storen et al., 2010）；Rowntree 等（2017）發(fā)現(xiàn)Mzimbubu 河洪水期和平水期沉積物的來(lái)源和磁化率都存在顯著差異；Ota等（2017）的研究表明，可以綜合運(yùn)用高磁化率和飽和等溫剩磁值、低非磁滯剩磁值指示洪水事件。另外，在沉積物物源一致的前提下，由于水動(dòng)力條件的分選作用，反映磁性礦物粒徑的參數(shù)常用于指示水動(dòng)力的強(qiáng)弱（張衛(wèi)國(guó) 等，2002；Dong et al.，2014），如非磁滯剩磁磁化率與磁化率的比值（χARM/χ）與非磁滯剩磁磁化率與飽和等溫剩磁的比值（χARM/SIRM），通常χARM/χ、χARM/SIRM 較小表示磁性礦物顆粒較粗，反映水動(dòng)力較強(qiáng)，反之亦然。然而，單一磁學(xué)指標(biāo)常受多種因素影響，如磁化率與水動(dòng)力的關(guān)系復(fù)雜；χARM/χ受懸浮沉積的影響容易造成細(xì)顆粒磁性礦物的沉積；因此，難以用單一磁學(xué)指標(biāo)有效識(shí)別洪水事件，有必要結(jié)合多種磁學(xué)參數(shù)以有效識(shí)別洪水事件（周開(kāi)勝 等，2008）。

華南地區(qū)河網(wǎng)密集且降水變率大，暴雨洪澇災(zāi)害發(fā)生較頻繁（馮強(qiáng) 等，1998；伍紅雨 等，2011），是受洪水嚴(yán)重影響的地區(qū)之一，也是洪水相關(guān)研究的理想?yún)^(qū)域。因此，本研究選取韶關(guān)市橫石水河下游的河漫灘沉積物秀豐斷面為對(duì)象，詳細(xì)分析其粒度和磁學(xué)特征，在利用粒度特征識(shí)別沉積記錄的洪水事件的基礎(chǔ)上，深入分析洪水期沉積層和平水期沉積層沉積物磁性特征的差異，試圖建立識(shí)別洪水事件的磁學(xué)指標(biāo)，為古洪水識(shí)別提供參考。

1 材料與方法

本研究所用“秀豐斷面”沉積物采自廣東省韶關(guān)市翁源縣橫石水河下游翁城鎮(zhèn)秀豐村段的一處河漫灘上（圖1-a）。翁源縣基巖主要為泥盆系—中三疊統(tǒng)碳酸鹽巖及碎屑巖（陳琿 等，2022）。地勢(shì)總體為北高南低，北部是海拔800～1 200 m 的山區(qū)，南部為低矮山地和沖積平原（蔡錦輝 等，2005）。地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫為21℃，年均降雨量為1 700 mm，農(nóng)作物主要有水稻、紅薯、玉米，經(jīng)濟(jì)作物為花生、柑桔等，土壤類型為黃壤和水稻土。橫石水河發(fā)源于大寶山礦區(qū)，河長(zhǎng)40.9 km，采樣點(diǎn)距離源頭22.8 km，河寬約為110 m。采樣點(diǎn)位于一處裸露的河漫灘，河漫灘層面上發(fā)育龜裂構(gòu)造沉積物，從河漫灘頂部向水邊方向采樣的斷面長(zhǎng)度為300 cm，顏色由土黃色（0～80 cm）、深灰色（80～170 cm）到青灰色（170～300 cm）逐次變化，沉積物粒度較均一，總體上為黏土和粉砂。沿秀豐斷面從河漫灘頂部至底部部位以10 cm 間隔依次取上覆在沙灘上的厚度約3 cm的沉積物（圖1-b），共獲取30個(gè)沉積物樣品用于粒度分析和磁學(xué)測(cè)試。其中，以170 cm 為界限，0～170 cm 的17 個(gè)樣品為洪水期沉積的A 段，170～200 cm 的13 個(gè)樣品為平水期沉積的B段。

圖1 研究區(qū)地理位置（a）及采樣斷面（b、c）Fig.1 Geographical location of the study area (a), and sampling profile (b, c)

粒度分析：取約1 g 樣品加入50 mL 的燒杯，與去離子水充分混合后置于80℃的水浴鍋中以加快反應(yīng)，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的雙氧水以去除有機(jī)質(zhì)，反應(yīng)至無(wú)氣泡后加入1 mol/L 的稀鹽酸以去除碳酸鹽，反應(yīng)至無(wú)氣泡后接著加入50 mL的去離子水。靜置24 h后倒去上層清液，然后加入50 mL去離子水并靜置24 h后倒去上層清液，并重復(fù)多次至pH試紙測(cè)試結(jié)果為7。使用英國(guó)馬爾文公司生產(chǎn)的Mastersizer 3000型激光粒度儀進(jìn)行粒度分析，粒徑測(cè)量范圍是0.02～2 000 μm，重復(fù)誤差＜2%。粒度參數(shù)的計(jì)算主要在GRADISTAT 平臺(tái)上（Blott et al., 2001），采用Folk&Ward的計(jì)算方法，計(jì)算樣品的平均粒徑（Mz），公式為Mz=（Φ16+Φ50+Φ84）/3，其中，Φ16、Φ50、Φ84為累積百分含量特征粒度值（Folk et al., 1957）。根據(jù)Krumbein（1934）的算法對(duì)所測(cè)粒度值進(jìn)行換算，公式為Φ=-log2D（D為沉積物以mm為單位的粒度值）。采用Grainsize Analysis繪制概率累積曲線圖及計(jì)算圖中2個(gè)次總體直線交點(diǎn)的橫坐標(biāo)（交截點(diǎn)）的值（Xu et al., 2020）。

環(huán)境磁學(xué)：所有樣品置于50℃的烘干箱中烘干，稍加研碎并準(zhǔn)確稱重后裝入8 cm3無(wú)磁立方盒并以透明膠帶密封待進(jìn)行系列環(huán)境磁學(xué)指標(biāo)測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)包括：1）使用卡帕橋多頻各向異性磁化率儀（MFK2-FA）依次進(jìn)行低頻（976 Hz）和高頻（15 616 Hz）磁化率測(cè)試，進(jìn)行質(zhì)量歸一化后分別得到低頻和高頻磁化率（χlf、χhf），分別利用公式χfd=χlf-χhf和χfd（%）=（χlf-χhf）/χlf×100計(jì)算得到頻率磁化率和頻率磁化率系數(shù)；2）使用交變退磁儀（LDA5）在峰值為100 mT 的交變場(chǎng)同時(shí)疊加0.05 mT 直流場(chǎng)（DC）獲得非磁滯剩磁（ARM），然后用JR6雙速旋轉(zhuǎn)磁力儀測(cè)量，由公式χARM=ARM/HDC計(jì)算得到非磁滯剩磁磁化率（χARM）；3）用脈沖磁化儀（DPMI）依次對(duì)樣品施加20 mT、2000 mT、反向300 mT 磁場(chǎng)，使其獲得相應(yīng)的等溫剩磁（IRM），再使用JR6 雙速旋轉(zhuǎn)磁力儀進(jìn)行測(cè)試得到IRM2000mT和IRM-300mT，其中IRM2000mT作為飽和等溫剩磁（SIRM）。再分別利用公式SOFT （%）=IRM20mT/SIRM×100 和HIRM= （SIRM+IRM-300mT）/2計(jì)算反映亞鐵磁性礦物相對(duì)含量的軟剩磁系數(shù)（SOFT%）和反映高矯頑力礦物含量的硬剩磁（HIRM）（Liu et al., 2007）。

巖石磁學(xué)測(cè)試：κ-T曲線（磁化率-溫度曲線）、磁滯回線、IRM獲得曲線及其反向退磁曲線均可用于判別磁性礦物的類型（Thompson et al., 1986;Roberts et al., 1995; Tauxe at al., 2002; Evans et al.,2003），利用卡帕橋的高溫組件（CS4）對(duì)7件代表性樣品在室溫至700℃之間進(jìn)行熱磁曲線（κ-T曲線）測(cè)試；利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（LakeShore 8604）對(duì)所有樣品進(jìn)行磁滯回線（測(cè)試范圍從-1 000～1 000 mT）、IRM 獲得曲線（測(cè)試范圍從0～1 600 mT）、反向退磁曲線（測(cè)試范圍從0～600 mT）測(cè)試，再?gòu)暮樗诔练e的A段和平水期沉積的B段中各選取2件代表性樣品在1 000 mT的最大外場(chǎng)下測(cè)試一階反轉(zhuǎn)曲線（FORC 曲線），利用軟件FORCinel 3.0 選取平滑因子（SF）為3 繪制得到FORC 圖（Harrison et al., 2008）。已有研究表明，IRM獲得曲線的累積對(duì)數(shù)高斯（CLG）分析是樣品中磁性組分分離的有效方法（Kruiver et al., 2001; Heslop et al.,2002），利用軟件IRMUNMIX2_2 和IRM_CLGl 對(duì)IRM獲得曲線進(jìn)行對(duì)數(shù)累積高斯模型分析，以定量分析沉積物中各磁性組分的貢獻(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 河漫灘沉積物粒度特征

采用Wentworth（1922）的粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)得到的粒度分析結(jié)果為：Mz變化范圍為7.91～13.88 μm（均值10.14 μm），以粉砂（4～63 μm）為主，粉砂的體積分?jǐn)?shù)為74.95%～80.65%（均值78.42%）；黏土（<4 μm）其次，變化范圍為15.13%～22.71%（均值19.68%）；砂（>63 μm）含量最少，變化范圍為0～9.25%（均值1.9%）。

頻率曲線和概率累積曲線可以反映沉積物的沉積環(huán)境與水動(dòng)力特征。如圖2 所示，A、B 段沉積物樣品的頻率曲線和概率累積曲線存在顯著差異。頻率曲線受動(dòng)力和多源性的影響，呈現(xiàn)不同的峰型。現(xiàn)實(shí)中河流沉積物成因復(fù)雜，一般呈單峰或者多峰型（肖舜 等，2007）。由圖2-a可知，所有樣品的頻率曲線總體上都呈單峰型，峰值集中在Φ5～8之間，說(shuō)明該河漫灘沉積物搬運(yùn)方式比較單一，表現(xiàn)為流水搬運(yùn)（Sun et al., 2002）。沉積物以粉砂為主，A 段沉積物的粒徑分布明顯寬于B 段，表明河流運(yùn)輸了較粗顆粒物質(zhì)沉積在A 段，反映水動(dòng)力較大。

圖2 粒度分布頻率曲線（a）和A、B段典型樣品的概率累積曲線（b）Fig.2 Frequency accumulation curve(a), probability accumulation curve for the representative sample in sections A and B(b)

概率累積曲線可以很好地區(qū)分滾動(dòng)組分、跳躍組分、懸浮組分。由圖2-b 可知，概率累積曲線表現(xiàn)為以懸浮為主的兩段式，其含量約為95%，由兩段懸浮次總體組成；跳躍總體含量約為5%。A段沉積物跳躍總體和懸浮總體的交截點(diǎn)介于Φ2.2～4.5之間，而B(niǎo) 段沉積物交截點(diǎn)位于Φ5 左右，表示A段能懸浮的最大顆粒的粒徑大于B段，進(jìn)一步證明A段水動(dòng)力更強(qiáng)。

2.2 沉積物磁性礦物學(xué)特征

秀豐斷面代表性樣品的磁性礦物學(xué)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。κ-T曲線顯示沉積物樣品在加熱過(guò)程中磁化率出現(xiàn)增強(qiáng)（雙峰）現(xiàn)象（圖3-a），第一個(gè)峰值在300℃左右，可能是鐵的氫氧化物轉(zhuǎn)化成磁赤鐵礦后轉(zhuǎn)變?yōu)槌噼F礦；第二個(gè)峰在520℃左右，這可能是含鐵硅酸鹽礦物或赤鐵礦和黏土礦物在高溫下轉(zhuǎn)化成磁鐵礦等強(qiáng)磁性礦物所造成的（Deng et al.,2001; Liu et al., 2005; Zhang et al., 2012）。磁化率值在600℃以上的明顯降低表明樣品中存在赤鐵礦。樣品冷卻至室溫時(shí)，磁化率遠(yuǎn)高于初始磁化率，再次說(shuō)明加熱過(guò)程中生成了大量強(qiáng)磁性礦物。

圖3 代表性樣品磁性礦物學(xué)結(jié)果 [a.κ-T曲線；b.磁滯回線；c.IRM獲得曲線及反向退磁曲線；d.梯度獲得曲線圖（GAP）]Fig.3 Magnetic mineralogy results for representative samples [a.κ-T curve; b.Hysteresis loop;c.IRM acquisition curve and backfield demagnetization curve; d.Gradient acquisition curve (GAP)]

磁滯回線呈現(xiàn)不太明顯的“蜂腰型”（圖3-b），說(shuō)明主導(dǎo)樣品磁學(xué)性質(zhì)的可能是不同矯頑力磁性礦物的混合物，也可能是不同粒徑的同一磁性礦物的混合物（如單疇顆粒與多疇顆?；旌希═auxe et al., 1996; 2002）。IRM 獲得曲線表明沉積物樣品在300 mT時(shí)達(dá)到飽和等溫剩磁的80%～85%（圖3-c），磁場(chǎng)＞300 mT 后IRM 繼續(xù)增加的原因是因?yàn)榇嬖谟泊判缘拇判缘V物（盧升高 等，2008）。圖3-c所示的反向退磁曲線顯示樣品的剩磁矯頑力為54 mT（均值61 mT），磁鐵礦的剩磁矯頑力一般＜50 mT，表明存在硬磁性的磁性礦物。

如圖3-d 所示，所有樣品都可分離出3 個(gè)不同矯頑力的磁性組分，矯頑力均值分別為8.7 mT（較細(xì)的磁鐵礦，C1）、60.4 mT（較粗的磁鐵礦，C2）和528.1 mT（赤鐵礦，C3）（Kruiver et al., 2001;Yamazaki et al., 2011），各組分對(duì)SIRM 的貢獻(xiàn)率的平均值分別為3.9%、79.1%和17.0%，進(jìn)一步證明沉積物樣品中以低矯頑力磁性礦物占主導(dǎo)，同時(shí)含有少量赤鐵礦等高矯頑力礦物。

一階反轉(zhuǎn)曲線（FORC）可以反映樣品中磁性顆粒的矯頑力分布和顆粒間的相互作用信息（Pike et al., 1999; Roberts et al., 2000, 2006）。從圖4-a 看出，沉積物的等值線沿縱軸幾乎對(duì)稱分布，且超過(guò)30 mT，表明沉積物中主要為多疇（MD）顆粒，等值線沿著橫軸延伸至200 mT，說(shuō)明存在赤鐵礦。

圖4 代表性樣品的FORC圖（a）、所有樣品的King圖（b）與Day圖（c）Fig.4 FORC plot of representative samples (a), King plot(b), and Day plot(c) of all samples

King 圖和Day 圖主要用于判斷磁性顆粒的大小。如圖4-b、c所示，King圖可以看出磁性礦物顆粒較粗，介于0.2～1 μm；所有樣品在Day圖（Dunlop, 2002）中的位置表明，所有沉積物樣品中的磁性顆粒均為單疇（SD）顆粒和MD顆粒的混合。

2.3 粒度與磁學(xué)性質(zhì)斷面變化特征

秀豐斷面沉積物粒度與磁學(xué)性質(zhì)的斷面變化特征如圖5所示。根據(jù)圖中的粒度參數(shù)的變化（圖5-a～d），以170 cm為分界，A段黏土、粉砂與砂的體積分?jǐn)?shù)分別穩(wěn)定在18.52%、78.30%、3.17%，Mz平均值為10.86 μm；而170 cm以下的B段沉積物黏土與粉砂的體積分?jǐn)?shù)分別穩(wěn)定在21.17%、78.87%，砂的體積分?jǐn)?shù)幾乎為0，Mz平均值為9.19 μm，A段砂的體積分?jǐn)?shù)和Mz明顯高于B 段，反映從河漫灘頂部到水岸交界處沉積物顆粒有變細(xì)的趨勢(shì)。

圖5 沉積物粒度參數(shù)（a～d）與磁學(xué)性質(zhì)的縱斷面變化（e～r）Fig.5 Vertical variation of sediment grain size parameters(a～d) and magnetic properties(e～r)

SIRM/χ反映磁性礦物的類型，若比值約為1.5～50 kA/m時(shí)，表明亞鐵磁性礦物中的磁鐵礦占主導(dǎo)。其在秀豐斷面的變化范圍為10.28～13.98 kA/m（均值11.84 kA/m），說(shuō)明亞鐵磁性礦物以磁鐵礦為主（Peters et al., 2003；敖紅 等，2007），磁性礦物組成基本一致。χ和SIRM 常被指示亞鐵磁性礦物含量，區(qū)別在于粒徑的影響上，超細(xì)的超順磁（SP）顆粒對(duì)χ貢獻(xiàn)大，而對(duì)SIRM 無(wú)貢獻(xiàn)，SOFT%反映低矯頑力磁性礦物對(duì)SIRM 的貢獻(xiàn)，HIRM 反映硬磁性礦物的含量（劉青松 等，2009；Liu et al.,2012）。χ的變化范圍為27.84×10-8～35.77×10-8m3/kg（均值31.89×10-8m3/kg）。SIRM 的變化范圍為30.26×10-4～45.12×10-4Am2/kg（均值37.77×10-4Am2/kg）。從圖5-e～g 可以看出，χ、SIRM、HIRM 變化趨勢(shì)相似，從河漫灘頂部到水岸交界處呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，表明沉積物中磁性礦物含量從河漫灘頂部到水岸交界處增加；而SOFT%的變化相反（圖5-h），從河漫灘頂部到水岸交界處呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，反映磁鐵礦從河漫灘頂部到水岸交界處減少。χARM也是反映磁性礦物含量的指標(biāo)，但其對(duì)SD 顆粒較為敏感，說(shuō)明SD 顆粒含量從河漫灘頂部到水岸交界處有增加的趨勢(shì)（圖5-k）。

χfd和χfd%分別代表SP/SD 邊界附近的亞鐵磁性礦物的含量及其對(duì)磁化率的貢獻(xiàn)（Maher, 1988），在秀豐斷面的范圍分別為1.18×10-8～1.69×10-8m3/kg（均值1.69×10-8m3/kg）、3.62%～4.96% （均值4.32%），從圖5-i～j看出，χfd和χfd%的值在A段先減少、B 段增加，A 段明顯高于B 段，反映超細(xì)顆粒磁鐵礦的含量從河漫灘頂部到水岸交界處減少，與SOFT%的變化一致。比值參數(shù)χARM/χ與χARM/SIRM可以反映亞鐵磁性礦物顆粒的大?。˙anerjee et al.,1981; King et al., 1982），相對(duì)于χARM/χ，χARM/SIRM不受SP顆粒的影響，較低的比值反映較粗的MD晶粒。χARM/χ范圍為3.66～4.3（均值3.85），χARM/SIRM范圍為27.46×10-5～38.02×10-5m/A（均值32.68×10-5m/A），χARM/χ的變化范圍小，且沉積物中SP顆粒貢獻(xiàn)低，因此，本研究χARM/SIRM 更適合反映沉積物中磁性顆粒的大小變化。χARM/SIRM 在整段呈現(xiàn)在A段先減少、B段增加的趨勢(shì)（圖5-l），且A段值整體上高于B段，指示沉積物中的磁性礦物的粒徑從河漫灘頂部到水岸交界處變粗，這可能是A段持續(xù)處于高水位利于沉積物的分選所致。

3 討論

3.1 河漫灘沉積物粒度特征反映的洪水事件

河漫灘由河流的橫向遷移和洪水高水位時(shí)期的沉積作用形成，是流域系統(tǒng)的重要組成部分（Knox, 2006）。河漫灘沉積具有粗細(xì)顆粒交替的特點(diǎn)，洪水動(dòng)力強(qiáng)時(shí)，洪水?dāng)y帶至河漫灘上沉積物的顆粒越粗，而洪水動(dòng)力較弱時(shí)，攜帶的沉積物顆粒越細(xì)。根據(jù)已有研究，粗顆粒沉積物可以指示河漫灘洪水的存在（趙景波 等，2009；Vis et al., 2010；顧靜 等，2011；羅淑元 等，2021）。而粒度特征能直觀地反映沉積物的顆粒大小，是最重要的沉積學(xué)指標(biāo)之一（Chen et al., 2004; Flemming, 2007）。本研究河漫灘不同段落的沉積物粒度特征也有所不同。A段沉積物含砂量和Mz相對(duì)較高，結(jié)合頻率曲線、概率累積曲線（圖2）結(jié)果也反映了A 段的水動(dòng)力更強(qiáng)，因此以A 段作為斷面的洪水期沉積層，而B(niǎo)段為平水期沉積層。從圖5-c、d可以看出，A1（0～40 cm）、A2（70～120 cm）、A3（150～170 cm）三層沉積物中砂的體積分?jǐn)?shù)和Mz均呈現(xiàn)較高的峰值，可能是較大水動(dòng)力條件（洪水）下形成的。

粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差法常用于將提取出來(lái)的沉積物中的環(huán)境敏感粒度組分，通過(guò)粒級(jí)所對(duì)應(yīng)含量的標(biāo)準(zhǔn)差變化而獲得粒度組分的個(gè)數(shù)和分布范圍，而這些粒度組分與沉積動(dòng)力環(huán)境密切相關(guān)（Prins et al.,2000；向榮 等，2006）。圖6顯示由粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差法獲得沉積物的4個(gè)粒度組分，較高標(biāo)準(zhǔn)偏差所對(duì)應(yīng)的粒級(jí)是對(duì)沉積環(huán)境敏感的粒度眾數(shù)。4 個(gè)明顯的標(biāo)準(zhǔn)偏差峰值分別出現(xiàn)在1.0、5.8、58.2 和185 μm，所對(duì)應(yīng)的粒度組分范圍分別是<1.7 μm（組分1）、1.7～15.1 μm（組分2）、15.1～138 μm（組分3）和>138 μm（組分4）。由于組分4 的平均體積分?jǐn)?shù)不足1%，所以組分4不予以考慮。圖7顯示了根據(jù)各組分的分布范圍計(jì)算了3個(gè)粒度組分的粒級(jí)體積分?jǐn)?shù)，組分1和組分2是細(xì)顆粒，對(duì)應(yīng)圖2-b概率累積曲線的懸浮組分，二者體積分?jǐn)?shù)的變化都是從河漫灘頂部到水岸交界處呈增加的趨勢(shì)，一般來(lái)自于水層中、上部懸浮物的沉降，能指示環(huán)境變化的穩(wěn)定性（孫有斌 等，2003）；組分3 是粗顆粒，屬于跳躍-懸浮組分，變化趨勢(shì)與砂的體積分?jǐn)?shù)、Mz相似（圖5-c、d），其體積分?jǐn)?shù)從河漫灘頂部到水岸交界處呈減少的趨勢(shì)，其是對(duì)環(huán)境變化較為敏感的粒度組分，因此可以反映水動(dòng)力的變化，揭示洪水事件。其中，圖7-c中組分3的3個(gè)峰值與圖5-c、d的砂體積分?jǐn)?shù)中A1、A2、A3 三層沉積物相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步說(shuō)明A1、A2、A3三層沉積物是多次小洪水沉積累加的結(jié)果。

圖6 粒級(jí)-標(biāo)準(zhǔn)偏差變化曲線Fig.6 Standard deviation curve

圖7 三個(gè)粒級(jí)組分體積分?jǐn)?shù)從河漫灘頂部到水岸交界處的變化Fig.7 Variation of the volume fraction of the three granular fractions from the top of the floodplain to the waterfront junction

3.2 沉積物中磁性顆粒的成因與來(lái)源

如前所述，秀豐斷面沉積物中的磁性礦物以單疇和多疇混合的磁鐵礦為主，存在部分赤鐵礦。Oldfield（1994）提出的χARM/χ和χARM/χfd的散點(diǎn)圖可用于區(qū)分碎屑和自生生物成因的磁性礦物，碎屑成因磁性礦物的χARM/χ和χARM/χfd值分別為3～30 和30～800，而自生生物成因磁性礦物的χARM/χ和χARM/χfd值分別為35～80和800～7 000。本研究所測(cè)試沉積物的χARM/χ范圍為3.66～4.3，均值3.85，χARM/χfd范圍為79.40～101.31，均值89.52（圖8-a），說(shuō)明沉積物中的磁性礦物主要是碎屑成因。

圖8 磁性礦物成因判別圖（Oldfield, 1994）（a），χ與SIRM（b）、HIRM（c）、χARM（d）、SOFT%（e）、χARM/SIRM（f）、Contri_C1（g）、Contri_C2（h）、Contri_C3（i）的散點(diǎn)圖Fig.8 Distinguishing plot of the origin of magnetic minerals (Oldfield, 1994) (a), scatterplot between χ and SIRM (b),HIRM(c), χARM(d), SOFT%(e), χARM/SIRM(f), Contri_C1(g), Contri_C2(h), Contri_C3(i)

已有研究表明，河流沉積物中碎屑成因磁性顆粒的主要來(lái)源包括大氣降塵和徑流（張衛(wèi)國(guó) 等，1995），而大氣降塵和徑流的χARM/SIRM 值分別為（8～30）×10-5m/A 和（30～200）×10-5m/A （Egli,2004），本研究所分析沉積物的χARM/SIRM 值為（27～38）×10-5m/A（見(jiàn)圖5-l），表明河流運(yùn)輸是沉積物的主要來(lái)源。流域內(nèi)以古生代沉積巖系（碎屑巖與碳酸鹽巖）為主（蔡錦輝 等，2005），在這類沉積巖上發(fā)育的次生礦物主要是為亞鐵磁性礦物，反鐵磁性礦物的貢獻(xiàn)較?。℉uang et al., 2015; Cho et al., 2017），因此研究區(qū)域的亞鐵磁性礦物主要來(lái)源于流域內(nèi)母質(zhì)的自然分化產(chǎn)物。另外，已有研究表明，大寶山尾礦庫(kù)的粗顆粒磁性礦物主要是針鐵礦和赤鐵礦（Yin et al., 2016; Liu et al., 2020），而秀豐斷面位于大寶山鐵龍尾礦庫(kù)下游22 km 處，這些反鐵磁性礦物應(yīng)該也是所分析沉積樣品中磁性礦物的來(lái)源之一。特別是暴雨洪水時(shí)期，反鐵磁性礦物隨著水流在采樣點(diǎn)沉積，使其對(duì)剩磁的貢獻(xiàn)增加（圖5-r）。

綜上可知，秀豐斷面沉積物的來(lái)源有流域內(nèi)母質(zhì)的分化產(chǎn)物和尾礦輸入，其磁學(xué)性質(zhì)散點(diǎn)圖能進(jìn)一步反映洪水事件沉積物與平水期沉積物的來(lái)源的貢獻(xiàn)差異（圖8-b、e、f）。所有沉積物樣品的χ與SIRM 和HIRM 之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系（圖8-b、c），表明磁化率由磁鐵礦和赤鐵礦所貢獻(xiàn)。χ與其他環(huán)境磁學(xué)指標(biāo)之間的類似相關(guān)關(guān)系（圖8-b、e、f）意味著不同層沉積物中磁性顆粒的來(lái)源基本一致，但洪水事件沉積物和平水期沉積層沉積物的磁性礦物含量和粒徑存在明顯差異。洪水事件沉積物中的SOFT%（圖8-e）與χfd、χfd%（圖5-i、j）的值高于平水期沉積層，反映洪水帶來(lái)較多上游正在風(fēng)化的細(xì)粒磁鐵礦。平水期沉積層沉積物的磁鐵礦和赤鐵礦的含量比洪水事件沉積物多（圖8-b、c），且磁性礦物的粒徑偏粗（圖8-f），其磁性礦物含量高主要是平水期磁性礦物長(zhǎng)期積累的原因。磁性礦物斷面變化如圖5-m～r所示，洪水事件沉積物細(xì)粒磁鐵礦（IRM_C1）和赤鐵礦（IRM_C3）增加、粗粒磁鐵礦（IRM_C2）減少，以及結(jié)合圖8-g、h、i顯示的洪水事件沉積物中細(xì)粒磁鐵礦（Contri_C1）和赤鐵礦對(duì)剩磁的貢獻(xiàn)（Contri_C3）高，而平水期沉積層的沉積物中磁鐵礦對(duì)剩磁的貢獻(xiàn)（Contri_C2）低，也進(jìn)一步說(shuō)明洪水期沉積了較多的細(xì)顆粒磁鐵礦和赤鐵礦。

3.3 沉積記錄洪水事件的磁學(xué)識(shí)別特征

沉積物的磁性特征主要由磁性礦物的種類、含量和磁性晶粒大小3個(gè)因素控制，而這些又容易受沉積物來(lái)源、搬運(yùn)過(guò)程的水動(dòng)力條件影響（張衛(wèi)國(guó)等，1995）。前述識(shí)別出的A3、A2 到A1 三段洪水事件，水動(dòng)力依次增強(qiáng)，3 個(gè)洪水事件沉積物的磁性特征也呈現(xiàn)相應(yīng)的變化。從圖5 可以看出，從A3、A2 到 A1 段χ、χARM、SIRM、HIRM、IRM_C1、IRM_C2、IRM_C3 的依次增加，說(shuō)明洪水事件沉積物從河漫灘中部到頂部方向磁性礦物的含量增加；Contri_C1 和Contri_C3 依次增加、SOFT%和Contri_C2 依次減少，說(shuō)明洪水事件沉積物中細(xì)顆粒磁鐵礦和赤鐵礦的貢獻(xiàn)從河漫灘中部到頂部方向增加，而粗顆粒磁鐵礦的貢獻(xiàn)減少；總體上，反映磁性顆粒粒徑χARM/SIRM 依次降低，說(shuō)明洪水事件沉積物中磁性礦物的粒徑從河漫灘中部到頂部方向變粗。因此，隨著水動(dòng)力的增強(qiáng)，從A3、A2到A1磁性礦物含量增加，粒徑變粗。

沉積物的磁學(xué)特性與粒度組成特征有很密切的關(guān)系，通過(guò)研究二者的變化可以反演沉積動(dòng)力環(huán)境信息（Frank, 1991）。對(duì)比沉積物粒徑和磁性參數(shù)斷面特征（見(jiàn)圖5）可以發(fā)現(xiàn)，沉積物粒度與磁性特征具有一定的相關(guān)性，為了定量分析兩者的關(guān)系，對(duì)不同粒級(jí)組分含量與各磁學(xué)指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)分析，得到Pearson相關(guān)系數(shù)（表1）。

表1 磁性參數(shù)與粒級(jí)組成Pearson相關(guān)系數(shù)Table 1 Pearson correlation coefficients between magnetic parameters and particle size composition

由表1中磁性參數(shù)與粒級(jí)組成之間的Pearson相關(guān)系數(shù)可知，SIRM、HIRM與<8 μm粒級(jí)組分呈顯著的正相關(guān)，與8～16 μm 粒級(jí)組分呈正相關(guān)，與>16～32 μm 粒級(jí)組分呈負(fù)相關(guān)或顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明亞鐵磁性礦物和反鐵磁性礦物主要富集于<16 μm的顆粒中。SOFT%與砂的體積分?jǐn)?shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，以及砂的體積分?jǐn)?shù)與Contri_C1和Contri_C3呈正相關(guān)，與Contri_C2呈顯著負(fù)相關(guān)，反映水動(dòng)力強(qiáng)時(shí)，帶來(lái)的細(xì)顆粒磁鐵礦與赤鐵礦更多，而平水期沉積層的粗顆粒磁鐵礦多，這與圖5-h、p、q、r中磁性礦物斷面變化情況一致。

χARM/χ、χARM/SIRM 通常作為判斷動(dòng)力強(qiáng)弱的代用指標(biāo)，χARM/χ、χARM/SIRM 較小表示磁性礦物顆粒較粗，反映水動(dòng)力較強(qiáng)，而χARM/χ、χARM/SIRM 較大時(shí)反之（張衛(wèi)國(guó) 等，2002；Dong et al., 2014）。而本研究表磁性顆粒粒徑的指標(biāo)χARM/SIRM 呈現(xiàn)不同的特征（見(jiàn)圖5-l），由于判斷此區(qū)域沉積物主要是以懸浮方式搬運(yùn)，且前汛期持續(xù)的長(zhǎng)期高水位的影響有利于沉積物分選及細(xì)顆粒磁性礦物的沉積，造成高水位的A 段沉積物χARM/SIRM 較大，磁性礦物粒徑細(xì)。而A 段中從河漫灘中部到頂部方向的A3、A2、A1 三層洪水事件沉積物隨水動(dòng)力依次增大，磁性礦物顆粒變粗。因此，χARM/SIRM 與水動(dòng)力的關(guān)系復(fù)雜，不能很好地判斷該區(qū)域現(xiàn)代河漫灘的沉積物的水動(dòng)力強(qiáng)弱。

磁化率也可作為水動(dòng)力強(qiáng)弱的判斷指標(biāo)，如降雨量較大時(shí)，水動(dòng)力較強(qiáng)，河流侵蝕搬運(yùn)作用增強(qiáng)，輸入較多的粗碎屑物質(zhì)，而粗碎屑物質(zhì)比細(xì)粒物質(zhì)蘊(yùn)含更豐富的磁性礦物，因此磁化率值較高（Vis et al., 2010；李波 等，2015）。本區(qū)域沉積特征不同，粗粒磁鐵礦的貢獻(xiàn)均值為79%，且平水期沉積層沉積物磁性礦物由于長(zhǎng)期積累，磁性礦物含量（主要為粗顆粒磁鐵礦）增加，而洪水時(shí)期帶來(lái)更多的細(xì)顆粒磁鐵礦與赤鐵礦，因此，χ、SIRM、HIRM 指標(biāo)不能指示研究區(qū)的動(dòng)力沉積特征，而通過(guò)分析磁性礦物細(xì)顆粒磁鐵礦與赤鐵礦的貢獻(xiàn)參數(shù)（Contri_C1、Contri_C3 高值與Contri_C2 低值）能更準(zhǔn)確地指示洪水事件。

本區(qū)域暴雨洪水期（前汛期）持續(xù)的長(zhǎng)期高水位的影響促進(jìn)A段沉積物分選及細(xì)顆粒磁性礦物的沉積，以及磁性礦物的成分受到物源的影響，造成洪水事件沉積物偏細(xì)，細(xì)粒磁鐵礦和赤鐵礦貢獻(xiàn)相對(duì)較高，平水期沉積層粗顆粒磁鐵礦貢獻(xiàn)相對(duì)較高。且隨著水動(dòng)力的增強(qiáng)，從A3、A2到A1（從河漫灘中部向頂部方向）段細(xì)粒磁鐵礦和赤鐵礦依次增加及磁性礦物粒徑變粗，因此，細(xì)顆粒磁鐵礦（Contri_C1）和赤鐵礦貢獻(xiàn)高（Contri_C3）、粗顆粒磁鐵礦貢獻(xiàn)低（Contri_C2）的磁學(xué)特征可識(shí)別為本區(qū)域洪水事件及反映洪水動(dòng)力強(qiáng)，這說(shuō)明結(jié)合磁性參數(shù)與對(duì)磁性礦物組分的分析能更準(zhǔn)確地識(shí)別洪水事件。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)廣東省韶關(guān)市“秀豐斷面”沉積物的粒度與磁學(xué)參數(shù)的綜合分析，得到的主要結(jié)論為：

1）河漫灘沉積物粒度組成以粉砂為主，從河漫灘頂部到水岸交界處平均粒徑減小。洪水期沉積的A 段含砂量和Mz高，水動(dòng)力強(qiáng)，而平水期沉積的B 段含砂量幾乎為0，粒徑偏細(xì)。洪水期沉積的A 段中識(shí)別出3 個(gè)多次小洪水沉積的洪水事件，砂的體積分?jǐn)?shù)和Mz呈現(xiàn)出三段較高的峰值，且從河漫灘頂部到水岸交界處峰度依次減少，水動(dòng)力減弱。

2）秀豐斷面沉積物磁性礦物的組成和來(lái)源基本相同，同時(shí)存在磁鐵礦和赤鐵礦。沉積物主要是懸浮沉積，且前汛期持續(xù)的長(zhǎng)期高水位的影響有利于其分選和沉積，造成洪水期沉積的A段沉積物中磁性礦物偏細(xì)，細(xì)粒磁鐵礦和赤鐵礦貢獻(xiàn)相對(duì)較高，平水期沉積層B段沉積物中粗粒磁鐵礦貢獻(xiàn)相對(duì)較高。隨著洪水事件發(fā)生時(shí)水動(dòng)力的增強(qiáng)，洪水事件沉積物從A3、A2到A1（從河漫灘中部向頂部方向）細(xì)粒磁鐵礦和赤鐵礦依次增加，同時(shí)磁性礦物粒徑變粗。因此，細(xì)粒磁鐵礦（Contri_C1高值）和赤鐵礦（Contri_C3 高值）貢獻(xiàn)高、粗粒磁鐵礦貢獻(xiàn)低（Contri_C2 低值）的磁學(xué)特征可識(shí)別出本區(qū)域洪水事件及反映洪水動(dòng)力強(qiáng)。

本文探討了小流域河漫灘的洪水期沉積層和平水期沉積層沉積物的磁學(xué)特征差異，建立了識(shí)別洪水事件的磁學(xué)指標(biāo)，可為古洪水識(shí)別提供參考。與已有研究（Vis et al., 2010；熊智秋 等，2020）不同的是，除了分析沉積物磁性礦物含量、類型、粒徑的變化，還深入分析了磁性礦物組分含量和貢獻(xiàn)的變化，并通過(guò)對(duì)物源和沉積特征的分析，發(fā)現(xiàn)洪水期沉積了更多的細(xì)粒磁鐵礦和磁鐵礦。因此，結(jié)合磁性參數(shù)及磁性礦物組分的分析能更準(zhǔn)確地識(shí)別洪水事件。但本研究仍存在以下不足：如研究對(duì)象采自一處小河漫灘，河漫灘發(fā)育初期幾乎每年都可能發(fā)生洪水沉積，其優(yōu)勢(shì)在于易于觀察和采樣，且沉積物顆粒粒徑及組成對(duì)洪水的響應(yīng)敏感，但也極容易受到外界人為因素的干擾。因此，未來(lái)可在研究區(qū)開(kāi)展成熟河漫灘沉積物的洪水事件研究，以進(jìn)一步驗(yàn)證并完善結(jié)論。