武汉地区末次冰盛期以来古洪水与古气候关系研究大学学位论文.docx

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武汉地区末次冰盛期以来古洪水与古气候关系研究大学学位论文

本科毕业论文（设计）

题目：

武汉地区末次冰盛期以来古洪水与古气候关系研究

姓名：

夏波学号：

20111003726

院（系）：

地球物理与空间信息学院专业：

地球物理学

指导教师：

张玉芬职称：

教授

2015年5月

摘要

广泛发育的河湖相沉积是古洪水研究的良好载体，也是古气候研究难得的材料，所以开展古洪水与气候的关系研究，对未来气候变化背景下的洪水发展趋势预测也具有重要的实际意义。

而沉积物就是研究古洪水的载体，其中磁化率和粒度参数更是反映沉积物重要标志。

磁化率是物质被磁化难易程度的一种度量。

根据实测数据,对磁化率与粒度、矿物之间的关系进行了探讨。

结果表明,沉积物粒度与磁化率的关系,与物源及沉积动力密切相关。

因此,在一定条件下,可利用两者关系来反映物源或沉积动力，进而来判断古洪水发生的特征。

本研究拟通过对武汉后湖和船厂湖末次冰盛期的sk10孔沉积物磁学特征的分析研究，结合钻孔资料，并对体积磁化率和频率磁化率系数特征、粒度参数特征与岩性特征的相关性进行比较，建立气候演化和洪水过程的耦合机理。

最后得到长江中游大洪水与区域及全球气候变化的响应，为未来全球变化背景下，长江武汉段大洪水的趋势预测提供参考。

同时为武汉市湖相软土层地质灾害的治理提供地学资料。

关键词：

武汉后湖和船厂湖磁化率粒度古洪水古气候

（摘要偏短）可将得到的研究认识与结论在摘要中体现

Abstract

Extensivedevelopmentoflacustrinedepositionisagoodindicatoroftheancientfloodresearch,isarareancientclimateresearchmaterial,sotheresearchontheancientfloodandtherelationshipbetweenclimate,underthebackgroundofclimatechangeinthefuturedevelopmenttrendoffloodforecastalsohasimportantpracticalsignificance.Andsedimentisthecarrieroftheancientflood,includingmagneticsusceptibilityandgrainsizeparameters.theyalsoreflectthesedimentimportantsymbol.

Magneticsusceptibilitywhichistheeaseofmagnetizationofthematerialisakindofmeasurement.Accordingtothemeasureddata,therelationshipbetweenmagneticsusceptibilityandgrainsize,mineral,willbediscussedinthispaper.Theresultsshowthatthesedimentgrainsizeandtherelationshipbetweenmagneticsusceptibility,iscloselyrelatedtothecontentsourceandsedimentarydynamic.Undercertainconditions,therefore,itisavailabletoreflectthesedimentarydynamicsourceortherelationship,andthentodeterminethecharacteristicsoftheancientfloods.

Studiedinthispaperthroughthelakeandshipyardafterwuhanlakesk10holeduringthelastglacialdepositsattheendoftheanalysisandstudyofmagnetismcharacteristic,combiningwithdrillingdata,andthevolumeofmagneticsusceptibilityandfrequencymagneticsusceptibilitycoefficientfeatures,grainsizeparametersandcomparingtherelevanceofthelithologicalcharacteristics,climateevolutionandcouplingmechanismofthefloodprocessisestablished.FinallygettingthefloodinthemiddlereachofYangtzeriverandtheresponseoftheregionalandglobalclimatechange,underthebackgroundofglobalchange,forthefutureperiodofthefloodofYangtzeriverwuhantrendpredictiontoprovidethereference.Atthesametimeforwuhanlacustrinefaciessoftsoilgeologicaldisastergovernancetoprovidegeologicalinformation.

Keywords:

LakeHouhuandshipyardlake（Wuhan,China）magneticsusceptibilityParticlesizeancientfloodpaleenvironment

1.绪论4

1.1.选题背景与研究意义4

1.2.国内外的研究现状4

1.3.研究技术与思路4

2.概念与方法5

2.1.物质的磁性5

2.2.磁化率的方法5

2.3.沉积物粒度6

3.研究区域概况与样品测试7

3.1.研究区域概况7

3.2.样品测试8

3.2.1.体积磁化率测定8

3.2.2.频率磁化率8

3.3.数据处理8

3.4.磁化率总体特征及阶段性划分11

4.研究内容12

4.1.武汉地区末次冰盛期以来磁化率与气候耦合关系12

4.2.武汉地区末次冰盛期以来粒度参数与洪水事件的关系13

4.2.1.粒度参数13

4.2.2.粒度参数的判别应用14

4.2.3.概率累计曲线14

4.2.4.粒度参数的分析15

4.3.根据年代学研究气候演化和洪水过程的耦合机理16

4.4.长江中游大洪水与区域及全球气候变化的响应17

5.结论与建议17

5.1.主要结论17

5.2.存在的问题与建议17

1.绪论

1.1.选题背景与研究意义

洪水作为一种自然灾害，它已经严重威胁到了人们的生命安全以及财产安全。

但是它又是不可避免、突然的和范围广的，所以研究它是非常有意义的。

在我国就发生许多洪水事件例如：

1954年我国长江流域就发生特大洪水灾害，河南驻马店在1975年爆发过洪水，2005年的黑龙江宁安市沙兰镇105个祖国的花朵就这样离我们而去。

国外也多次发生洪水像美国在1993年的密西西比河爆发过直接经济损失超过百亿的洪水事件。

因此，我们必须在洪水发生之前，向人民预报洪水即将发生的可能性和严重性。

但是要预报洪水就必须先了解它。

环境磁学就这样被用来研究古洪水了，环境磁学作为一门将环境科学与磁学联系在一起的学科，它用各种磁学参数来研究环境科学，具有“便宜、简便、快捷、对样品无破坏”等优点。

利用环境变迁过程中各种磁性矿物组合的变迁，研究沉积环境变化过程，研究导致这些变化的物理化学原因，然后为重建古环境和古气候提供理论依据。

因此本文通过武汉后湖和船厂湖末次冰盛期的sk10孔沉积物磁学特征的分析研究来得到末次冰盛期以来古洪水爆发的特点。

1.2.国内外的研究现状

在国内，我们已经明白要研究古洪水我们必须了解古洪水平流沉积的基本特征，从中剖析出这些沉积所要表达的信息。

杨达源[1]他们在长江与黄河的古洪水研究中,明确了“古洪水平流沉积”的概念及其特定的古水文指示意义。

指出古洪水平流沉积的标志是:

在沉积构造方面为发育微薄层理,末端翘起并尖灭,具有特定的粒度结构以及多种重矿物的百分含量方面的特征等。

葛兆帅等[2]研究发现长江上游三峡河段古洪水记录主要有深槽的蚀积变化、阶地粗粒沉积、泛滥沉积和古洪水平流沉积。

通过对这些记录的研究表明,全新世以来,7810±445aBP大洪水是目前重建的本区最早的古洪水记录,4840～3983aBP为长江上游的大洪水时期,先后发生了四次特大洪水事件。

詹道江等[2]阐述了利用河流洪水平流（憩流）沉积物和放射性同位素技术进行古洪水研究的原理、方法、误差评估以及我国四大河流应用这种研究的经验与成果。

在国外从上世纪50年代就开始了古水文研究。

SchummS.A.在上世纪60年代提出根据河道形状参数来推算古洪水的流量,后来有人根据泥沙等粗颗粒沉积物的分析来研究古洪水的流量[3],人们对古洪水的研究越来越广泛,并总结了洪水平流沉积物对研究古洪水的作用[4],但其迅速发展并成为研究热点只有十几年的时间。

近年来在美国西南部、黑海、西班牙、印度等地均发现有古洪水的记录,并结合水力学模型和释光测年等技术确定了古洪水的洪峰流量和重现期等[5-6]。

1.3.研究技术与思路

磁化率是物质被磁化难易程度的一种量度。

目前,在古环境研究中磁化率作为一项重要的古气候代用指标得到了广泛应用,并取得了一系列研究成果。

磁化率在很大程度上反映了物源、沉积动力条件、土壤发育和沉积作用改变的影响。

在沉积物中的磁性矿物有两种来源:

外源主要来自于流水和大气搬运作用等外界方式获得；内源主要由原生铁通过物理化学变化形成的次生磁性矿物。

所以，研究外源组分就能够等到当时环境以及变迁过程。

磁性矿物在环境中的变化可分为物理变化和生物化学变化。

物理过程虽然不能改变磁性矿物的性质,但是通过影响磁性矿物在环境物质中的赋存方式,却对环境物质的磁性产生重要的影响。

搬运和沉积分异过程也会引起物质磁性特征的差异,原生的磁性矿物往往富集在粗粒级之中,而次生磁性矿物则主要集中在细粒级中,不同动力条件下所沉积的物质,其粒级组成是不一样的,反映在磁性特征上也是不同的,粒级分离基础上的磁性测试很好地说明了这一点[7]。

粒度分析在区分沉积环境、判定物质输运方式、判别水动力条件和分析粒径趋势等方面具有重要作用。

沉积物的粒度分布主要受搬运介质、搬运方式、沉积环境等因素的控制，因此，通过对沉积物粒度分布研究可了解沉积物所处的沉积环境。

其研究是基于这样的假设：

相同粒径的沉积物分布指示的沉积环境是相对等的。

沉积物粒度分布是物质来源、沉积区水动力环境、输移能力和输移路线的综合反映。

由碎屑源区进入海岸带的碎屑物往往粗细不一,在波浪潮流联合作用下,细粒较粗粒移动速度更快,加上碎屑物在输移过程中破碎磨蚀,使物质离源越远,粒径越小;在水动力较强的地方沉积物较粗;反之,在水动力条件较弱的地方沉积物较细。

根据粒度分析资料对沉积物类型进行分类及命名,得出的沉积物类型分布规律,对于判别沉积环境的水动力条件有很好的作用。

2.基本概念与方法

2.1.物质的磁性

位于地壳中的岩石与矿物处于地球磁场中，从它们形成时起就受到地球磁场的磁化而具有不同程度的磁性，其磁性差异在地表引起磁异常。

研究岩石磁性，其目的在于掌握岩石与矿物受磁化的原理，了解岩石与矿物的磁性特征及其影响因素。

同时在不同的环境下，沉积物颗粒的排列方向也与水流作用的方向下有关。

有关沉积物的磁性和磁性颗粒的排列方向也可以用于进行古环境古气候的研究。

2.2.磁化率的方法

当物质置于外磁物H时.所获得的磁化强度1与外磁场强度H成正比,即J一XH,其比例系数X称磁化率。

显然,它表征了物质被磁化的难易程度,取决于物质本身的性质。

对磁性矿物颗粒本身来说.取决于其大小、形状、内部应力和结构等;而对沉积物样品来说,则主要取决于其中磁性矿物的种类、含量与磁颗粒的粒度组分[7]。

而这又直接间接地受环境条件的制约,所以可以通过剖面中磁化率的变化解释古气候。

频率磁化率（

）（frequencydependentsusceptibility）当用百分比表示时又可称磁化率频率系数,是通过分别对样品进行高频（

）和低频磁化率（

）测量来完成的。

表示为

频率磁化率对指示气候与环境变化有其独特意义。

这是因为细粒的超顺磁/稳定单畴界限附近的细粘滞性铁磁颗粒（对大致等轴的颗粒来说直径约为0.015一0.025μm）只对低频磁化率有贡献,这造成了高频磁化率与低频磁化率数据之差。

Oldfeild认为“如此细粒在未风化的母质中是极少见的,但它们是风化层、土壤、或受较高温影响形成的沉积物的磁化率的主要贡献者。

所以,由于可以确定极细粒铁磁性物质的存在和比例,样品的频率磁化率既可提

供岩石磁性资料又可得到环境信息。

”

本研究使用的是英国Bartnigtno公司生产的MSZ型磁化率测量仪和MSzB双频探头（高、低频分别为4.7kHz和0.47kHz）。

样品在40℃（不得超过60℃）烘箱中烘干、磨碎（以不损伤自然颗粒为度）,装入特制的l0mL圆柱形样品测量盒.压紧、称重后,即可量测（如图2-1）。

图2-1磁化仪

2.3.沉积物粒度

粒度虽然在沉积学中是使用最广泛的术语,但是真正的质点“大小”并没有统一的定义。

一般理解粒度为颗粒直径对沉积物分析研究的最基本手段之一是粒度分析,它是用物理的方法测定沉积物粒度的大小及各粒级所占百分数,并计算分选系数、偏态系数、峰态系数等,也就是研究沉积物中各种不同粒级的机械组成。

这种分析的目的是帮助推断沉积物的来源、搬运动力及沉积环境,从而推断其类型。

1　中值粒度

中值粒径也是

即在累积曲线上截取频率为50%时的值,

它是量度沉积物颗粒平均大小的一种指标,受粒度频率曲线偏态、峰型和扩散程度的影响,不完全等于算术平均粒径和几何平均粒径,只代表一半颗粒粒径大于它,另一半颗粒粒径小于它。

按照粒级分类,粉砂粒径D应在0.0039一00625mm之间,其相应的中值其中

，

）,粘土粒级D<.00039mm,相应的中值为

。

2　粒径<

范围内沉积颗粒百分含量

3　偏态系数

偏态系数值可量度颗粒频率分布的对称程度,并表明平均值与中位数的相对位置,如沉积物偏粗时即为负偏,频率曲线上平均值的位置在中位数较粗方向的一边;反之沉积物偏细时即正偏。

当偏度近于对称时,平均值和中位数的位置重合,频率曲线呈对称形态。

沉积物的成因与偏度有一定的关系。

如一般情况下海滩沙多为负偏,沙丘沙和风沙则多为正偏。

古洪水平流沉积是悬移质细颗粒沉积,为正偏。

4　概率累积

5　分选系数

分选系数的大小表示沉积物颗粒粗细的均匀程度,不同成因类型的沉积物分选大不相同。

经过流水长距离搬运后、中途无附近物源加人的沉积物质分选性好,而短程急流搬运的物质如泥石流、坡积物、溪口滩等沉积物质分选性差。

古洪水研究中分选性的求算采用五等级划分的克伦宾公式,即根据颗粒大小划分粒级及其各粒级的百分含量,取其在总含量中达25%颗粒粒径值

（第一分位数）和75%颗粒粒径值

（第三分位数）进行比较,按下式:

计算得分选系数。

颗粒粗细均匀者,即者,称分选性很好:

当依次落人0.6-1.4、1.4-2.2、2.2-3.0、>3.0区间时,其分选性分别为较好、中等、差、很差,此时即没有一种粒级的颗粒含量超过50%或颗粒粗细相差很大。

3.研究区域概况与样品测试

3.1.研究区域概况

图3-1武汉江岸区后湖附近卫星图

长江中游洪灾形成有其特殊的气候水文条件、自身特征及防洪工程因素,与之密切相关的地学基础有：

地貌分区和地貌类型、第四纪地层、地质构造、江湖演变、水文地质、工程地质及其它水患问题（涝渍、冷浸田、污染）等。

中游区的上游为隆升峡谷区,水流直泻;江汉—洞庭湖平原为构造沉降宽谷区,地势低洼,河道曲折;鄂州以下为田家镇隆起和丘陵河谷区,地势狭窄,泄洪不畅,这是本区形成严重洪灾的环境地质背景[8]。

长江中游地区防洪的地质构造因素可分三个层次论述之[9]。

第一层次是指全长江流域,其构造地貌格局是:

长江中游的洞庭一江汉地区是构造沉降带为湖泊河网化平原,它的西部、东部是构造隆升带,构造隆升强度西部大于东部,故西部为中高山系,东部则以低山丘陵为主。

因此全长江流域是处在西高、中低、东次高这一构造地貌背景中,它对于防洪的主要影响是每到汛期,使“中低”地段即洞庭一江汉湖泊河网平原地区的洪水“易进难出”,这是造成洪涝灾害的根本原因。

第二层次是指在“中低”洞庭一江汉地区,它是由江汉盆地、华容隆起和洞庭盆地构成的。

在这一地区的次一级构造运动是以华容隆起为支点,南北两个盆地呈“翘翘板”式一个上升,另一个就下降,反之亦然。

其运动机制可能是“重力均衡补偿”或称“重力调整”,其表现形式是在各个时期一个沉降扩大,另一个就上升萎缩,如新第三纪江汉盆地沉积了3000余米的含油岩系,而此时的洞庭盆地上升成陆遭受剥蚀;又如先秦汉时期（公元220年之前）,洞庭为“小清”,方260里,云梦（今江汉平原）为“大泽”,方900里;唐宋时期（公元619年以后）,“洞庭南连青草,西吞赤沙,横亘八百里”,而云梦泽已成河网化平原。

洞庭湖、云梦泽互成大小的变化,它对于防洪的作用就能使“难出”的洪水有个调蓄场所,形成了“长江（荆江段）、洞庭湖、云梦泽调蓄泄洪的自然体系”[16],从而保证了长江中游地区环境的平衡发展。

第三层次是指在洞庭湖内或云梦泽内。

以洞庭湖区为例,它的升降是不均衡的,按国家地质总局地质研究所的现代地壳形变资料,其北部有岳阳一华容一公安北西向的以及南东部大面积的隆升带,有南县、南洞庭湖南部沉降带。

由此可将洞庭湖区的构造活动类型分为上升带、下降带及其间的过渡带。

过渡带在地学上称为形变梯度带,它的现代构造活动比较强烈,从而影响防洪设施的工程基础,至于上升带、下降带对平境行洪、蓄洪区建设、移民建镇以及防洪标准等在宏观上都具指导意义。

加上样品的采集

3.2.样品测试

3.2.1.体积磁化率测定

体积磁化率的测定使用的仪器为KLY-3S型帕卡桥，该仪器的灵敏度为2*10-8（SI）对每个样品测量15个方位的磁化率值，并计算出磁化率椭球体的最大、中间和最小3个主轴（k1、k2、k3）的数值及方向。

再由

求出体积磁化率。

体积磁化率表示单位体积样品的感应磁化强度与外加磁场强度的比值，反应沉积物中铁磁性矿物的含量。

水沉积物的

值得大小主要与沉积时的物源和沉积时水动力强弱因素有关。

当水动力能力较弱，沉积物为泥质或粉砂时，

的大小既受物源控制，又受到水动力因素控制。

在河相沉积物中，磁化率反映了沉积物所含磁性矿物类型、含量和颗粒的总体水平。

本卡帕桥由三大部分组成，即线圈、控制单元和PC机。

它配备有自动调零系统和自动热补偿漂移功能以及自动切换测程功能。

测量线圈被设计成六级补偿型螺旋管，并且有显著的高场稳定性及均匀性。

本仪器固定在旋转头上的标本的AMS。

测量过程中标本的旋转速度较慢达到每秒0.53弧度。

顺序按三轴旋转测量，从这些数据中最后计算出偏差磁化率张量，该张量就反映了标本各向分量的信息。

3.2.2.频率磁化率

上面对频率磁化率做了详细说明，在这就不过多赘述。

3.3.数据处理

样品采集过程都是人为的，所以我们在处理、测量样品过程中一定加入了人为的因素，这就不得不产生一些异常值，因此我们可以将那些曲线上波动特别大的值删除和平滑，这样我们解释的难度得下降，同时，也消除了异常值中的偶然误差。

下面绘制原始磁化率曲线图

图3-3-1体积磁化率和频率磁化率原始曲线

我们发现未经过删除坏点的曲线带刺严重，无法判别体积磁化率随深度的变化特点，虽然在一些地方可以看的出来，但是这已经不能进行分层了；频率磁化率更是带刺较多无法正常分层，局部存在异常值，最后也无法判别体积磁化率与频率磁化率的相关性。

因此有必要进行删除坏点和平滑处理。

删除坏点主要在原始曲线的基础上删除一些孤立点，我们看到体积磁化率上有437、438、458、461、590号点，我们删除后在进行对比

图3-3-2删除坏点后的体积磁化率对比

从上图看出曲线保持了原始曲线的基本变化，只是在局部产生了变化，我们更清楚的看出了体积磁化率随深度的变化特点，但是有些地方还是有毛刺我们进行三点和五点平滑在进行对比。

图3-3-3删除坏点曲线、三点平滑曲线、五点平滑曲线

三点平滑和五点平滑的曲线和删除坏点后的曲线变化不是很明显，所以我们在进行频率磁化率的数据处理。

图3-3-3频率磁化率原始曲线、三点平滑、五点平滑曲线

从上图看出频率磁化率经过平滑处理的效果不是很明显所以我们只能大致判断频率磁化率总体随深度的变化关系。

3.4.磁化率总体特征及阶段性划分

磁化率特征的划分是结合武汉市地质调查第四纪钻孔SK10孔柱状图划分的，我们将体积磁化率频率磁化率划分为几个层位，然后分析体积磁化率与频率磁化率的相关性。

⑦

⑥

⑤

④

③

②

①

Ⅱ

Ⅰ

图3-3-4体积磁化率的分层

根据钻孔资料我们可以将体积磁化率大致分成两层，第一层为粘土层，第二层为砂岩层。

首先我们看到体积磁化率在第Ⅰ阶段体积磁化率变化不明显较为稳定，这表示沉积环境的稳定，根据钻孔资料看出为粘土层；第Ⅱ阶段磁化率变化起伏明显，显然就是沉积环境不稳定导致的。

经过查阅资料我们结合当地的地质背景我们知道长江中游典型的洪灾现象，洪水爆发期大量的沉积物随洪水带进和带出沉积地点，所以会出现沉积环境不稳定，我们还可以发现洪水期的颗粒明显要大于稳定期的，这也是由于粗颗粒物质被搬运至沉积地点沉积下来。

我们再看频率磁化率的特点，当体积磁化率较低时频率磁化率却较高它们呈现负相关。

频率磁化率是反映颗粒中铁磁性矿物的含量，第Ⅰ阶段中铁磁性矿物含量较高颗粒粒度小沉积环境稳定，第Ⅱ阶段铁磁性矿物含量较少矿物颗粒较大沉积环境不稳定。

4.武汉地区末次冰盛期以来古洪水研究

4.1.武汉地区末次冰盛期以来磁化率与气候耦合关系

通过前人对磁化率研究发现：

在特定的环境中，磁化率可以代表气候随时间的变化的总体特征。

因此了解不同气候带不同环境下的磁化率的分布特征有利于我们发现磁化率与气候的耦合关系。

所以我们利用SK10孔磁化率来研究磁化率与气候的耦合关系。

在上面我们将体积磁化率主要划分为两个阶段，这是磁化率的总体特征，现在我们划分亚层来探讨磁化率与气候的关系。

磁化率反映物质被磁化的难易程度,其变化取决于磁性矿物粒度的大小、形态、内部压力、结构等方面。

故沉积物中的磁性物质反应了磁化率的大小，洪水规模大时，搬运的物质颗粒较大，磁性矿物较多则其磁化率较大。

磁化率主要取决于沉积时期洪水规模的大小，因此磁化率也可以反应