黄土中探寻“古洪水”

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  摘 要:全新世以来,我国乃至全球发生过多期古洪水事件,古洪水作为一种环境驱动力对古文化的兴衰演变具有重要的影响。即使在科学技术如此发达的今天,洪水依然会给我们的生命和财产造成重大威胁。远超历史调查洪水重现期的万年尺度的古洪水研究对于生态环境以及全球气候变化的认识都具有重要的意义。因此,本文从认识古洪水入手,通过介绍古洪水的年代和水文学研究方法,认识万年尺度古洪水的危害,以期能让大众了解洪水,认识自然,增强大家对生态环境的认识,提高灾害防控意识。
  关键词:黄土;古洪水;古文化;生态文明
  Since the Holocene,there have been many palaeoflood events in China and the world.As an environmental driving force,palaeoflood have an important impact on the rise and fall of ancient culture.Even today,when science and technology are so developed,deluge still pose a major threat to our lives and property.The palaeoflood study on the scale of ten-thousand year far beyond the flood return period in historical investigation is of great significance for the understanding of the ecological environment and global climate change.Therefore,this article begins with an understanding of palaeoflood,introduces the age of palaeoflood and hydrological research methods,and recommends the dangers of palaeoflood on the millennial scale,in order to let the public recognize the flood and nature,enhance everyone’s understanding of the ecological environment,and improve poeple’s disaster prevention and control awareness.
  Keywords:loess,palaeoflood,ancient culture,ecological civilization
  “黄天厚土大河长,沟壑纵横风雨狂”,这是诗人眼中的黄土高原,展现的是一片荒凉而又充满着坚持的景象。正是这片遍及长城以南,秦岭以北,乌鞘岭、日月山以东,太行山东麓以西面积约44万km2的黄土高原孕育了古老的生命与记忆,书写了中华民族的历史长卷,铭刻着华夏文明的长度与厚度。从六千年以前的半坡遗址文化,到其后的仰韶文化,马家窑文化,大汶口文化及龙山文化等,厚达50~500 m的第四纪黄土地层就犹如一部天然史书,记录了中华民族的文化演变和历史变迁。而“古洪水”作为一地质灾害,一种环境驱动力,在中华文明的兴衰演变中留下了浓墨重彩的一笔。今天我们就以“古洪水”为主旨,讲讲如何在地质历史记录中探寻它的踪迹,讲讲如何去了解它发生的时间和规模,讲讲它在人类文明历史进程中的“功”与“过”,以期今天与明天,我们人类能与自然和谐相处,构建和谐人地关系,共筑生态文明社会。
  1、古洪水的踪迹
  古洪水是指第四纪全新世以来(1.17万年)至可考证的历史洪水期以前的这一时期内发生的大洪水,也可以理解为史前发生的,缺乏文字记载,只能依赖地质沉积记录探究的洪水[1-2]。关于古洪水,人类的史书上有着不少的记载,世界上的古老文明初期都流传着洪水肆虐的故事与传说[3],在我国最著名的莫过于“大禹治水”的传说,《山海经·海内经》记载:“洪水滔天,鲧窃帝之息壤以堙洪水,不待帝命。帝令祝融杀鲧于羽郊。鲧复生禹,帝乃命禹卒布土以定九州岛。”《庄子·天下》也提到“昔者禹之煙洪水、决江河而通四夷九州也,名山三百,支川三千,小者无数。”虽然今天流传着许多几千年前古洪水的传说,也保存着大量文字记载,但仅依据这些传说和记载,我们无法确定其真实性,更不能恢复古洪水发生的确切时间与流量。要科学的探究古洪水,首先,我们要找到古洪水的踪迹—古洪水沉积物。说到这里,我们不得不再次提起黃土地层,作为一种典型的风成沉积物,黄土主要是由石英质的粉尘颗粒组成,粒径只有0.005~0.050 mm大小,有色淡灰黄、疏松、均质及无层理等典型特点[4]。与其截然不同的古洪水沉积物往往由于其形成的水动力强、沉积时间短、沉积物成分复杂等成因特征形成以砂粒、淤积粘土为主的颜色、结构和粒径具有明显垂直变化的沉积组合,古洪水沉积物中往往可能存在瓦片、动物骨骼等人类文化遗物,在山坡等位置往往会有大的砾石等坡积物[5-8](图1)。找到这些古洪水的记录,我们就可以研究其形成的时间,估算古洪水的流量,探讨古洪水与古人类生活的关系等等。当然,我们还可以进行更细致的研究来揭开这些古洪水沉积物的神秘面纱。比如,我们可以进行粒度分析,看一下某次洪水到底携带了多大的砂粒[9];我们还可以给这些小小的砂粒做个电镜扫描,认识下这些在洪水相互撞击的小沙粒独特的形态[3];我们还可以研究它们夹杂的植物孢粉(孢子和花粉)[10],了解洪水发生时的气候湿热特征等等。
  2、古洪水的年代和规模
  当我们确定了古洪水沉积以后,怎么才能研究它的时间,怎么才能知道洪水规模多大呢?我们的地质学家、地理学家等早已经研究出了多种科学的方法来解决这些问题。现在我们就来看看到底有哪些可以穿越时空的“高、大、上”的科学测年方法吧。   2.1 古洪水研究的地质年代学方法
  古洪水研究的年代学方法有很多种,我们主要讲一下常用的绝对年代方法。绝对年代学方法主要是利用同位素进行分析测试的,其中碳同位素测年为首选[11-13]。大气层中天然存在的14C通过动植物的呼吸作用,会留存在生物体中,由于新陈代谢作用使活着有机体内14C浓度与大气中的浓度保持大致平衡,动物或植物死亡后,停止与外界交换,生物体中14C处于封闭状态,原始14C浓度随着时间的推移按一定规律减少,这样根据样品现存的14C含量,可以反推生物死亡年龄,当然具体的测试过程还涉及到很多的科学方法。目前,利用加速质谱仪(图2)可以实现快速、高效的测定,精度可达2%或更好,而样品需求量甚至可以少于1mg(西安加速器质谱中心:http://xaams.ieexa.cas.cn/)。这样我们就可以利用洪水冲积埋藏的植物果实、种子、木头、骨头、贝壳等物质进行准确的测年,甚至地下水、海水和空气含有的14C也可以来进行测试,从而在地球科学、宇宙化学、环境科学、考古学、海洋科学、生命科学等领域发挥重大的作用。
  那如果洪水沉积物就像我们在河边常见到的沙子一样干干净净缺乏含碳物质的沉积该怎么办呢?光释光(optically stimulated luminescence,OSL)测年技术就是可以解决这个问题的另外一种常用测年方法[14-16]。沉积物中的矿物颗粒(对OSL测年有意义的主要是石英或长石)被掩埋之后不再见光,同时不断接受来自周围环境中的U、Th、K等放射性物质的衰变所产生的α、β、γ宇宙射线等的辐射,导致晶体的电子发生电离而脱离晶体形成自由电子,之后被晶格中参杂的杂质原子或者其他因素所导致的晶格缺陷所形成的“电子”陷阱所俘,变成“俘获电子”而储存,长期的埋藏辐射过程使得矿物晶格中的“俘获电子”越来越多,即矿物颗粒随时间的增长不断累积辐射能。这些矿物颗粒在天然环境受热或者光照及实验室用加热或光束照射时,可以使累积的辐射能以光的形式激发出来,即释光信号。通过加热而激发出的释光信号叫热释光(thermolumi-nescence,TL),通过光束激发的释光信号叫光释光(OSL)。天然环境中的曝光、热事件等使积累辐射能的矿物颗粒的释光信号被清空或降低到可忽略的水平,释光信号归零(释光“时钟”归零),之后在埋藏过程中不断积累释光信号。这些释光信号的强度与样品所吸收到的辐射剂量成函数关系,可以用于检验样品所接收的辐射剂量,此时所测的释光信号为样品最后一次曝光后至今所累积的。
  除了这些以外,我们还有宇宙成因核素法[17]、氨基酸外消旋法(AAR)[18]、古地磁及树木年轮法等多种测年技术[19],这些方法不仅有“高、大、上”的名字,而且也確确实实在我们的科学研究中发挥着重大的作用。比如:周口店北京猿人遗址年代研究中宇宙成因核素法的应用[17],元谋人年代研究中古地磁方法的应用等[19]。
  2.2 古洪水的水文学重建
  我们在知道了古洪水发生的时间之后,不仅要问,洪水的流量有多少呢?当我们明确了这个问题的答案就会对某次古洪水事件有个比较清晰的认识了。接下来,我们看看如何该回答这个问题呢。古洪水水文学重建是在古洪水发生时间、历史断面考证和洪水水位确定的基础上恢复古洪水行洪时的洪峰流量等信息,是古洪水研究中最重要的环节之一[3]。常用的洪峰流量计算方法有比降法、控制断面法、回水曲线法、水位流量关系法等,实际应用中,要根据不同河段的河流断面形态、实测水文资料和历史调查痕迹等具体信息,用恰当的水文学计算方法。当然具体的计算过程还要涉及到方方面面的科学手段。这些远超历史调查洪水重现期的河流万年尺度洪水水文数据对于我们今天的防洪设计以及认识河流的发育史、古气候、古地貌和古生态环境以及全球气候变化都具有重要的意义。例如,科学家研究发现黄河中游晋陕峡谷龙门段在商代末期-西周初期(距今约2800—3000年),曾发生4次古洪水事件,洪峰流量介于46280~48800m3/S 之间,远超该段龙门水文站自1934年建站以来实测最大洪峰流量21000m3/S[20];再如,位于青藏高原上具有“东方庞贝”之称的喇家遗址,科学家认为是地震暴雨导致的堰塞湖溃决导致毁灭的,溃坝导致了洪峰流量近35000m3/S的异常洪水,这样的洪峰相当于该河段万年一遇洪水流量的3倍多[21](齐家文化网:http://www.qijiawenhua.cn/)。
  3、古洪水在古文化演变中的“功”与“过”
  说起洪水我们不禁想到山洪咆哮、倾盆大雨、毁坏房屋及侵吞农田等可怕的场景,真是谈之色变,避之而不急啊。在科学技术如此发达的今天,洪水都会给我们的生产生活带来毁灭性的打击,可想而知,在远古时期,没有科学预报,没有坚固房屋,没有快速转移交通工具的情况下,洪水带来的是多么可怕的后果。科学研究发现,全新世以来(距今约1.2万年)全球发生过多次全球性的气候突变,并且影响了古文化的发展演变。其中最为明显的就是4000年前左右的大洪水事件,也就是大禹治水时期。这次事件在中原地区二里头、周家庄、西金城等遗址均发现古洪水记录,并且对龙山文化向华夏文明的演变过渡具有重大的影响[22];在关中渭河流域的杨官寨遗址同样也发现该遗址的毁灭与这个时期的古洪水关系紧密,在该流域的漆水河等地也有同样的发现,这次古洪水可能导致陇山文化晚期的先民们由河谷阶地迁向了黄土高原[9]。另外,山东龙山文化的衰落以及长江三角洲良渚等古文化的消亡均由大洪水造成[23-24].尽管不同的学者基于不同的领域对古文化兴衰的认识不尽相同,但环境因素对无疑是古文化演变的重要驱动力,其在对古文化形成危害,导致古文化衰退的同时,另一个角度来说,也促进了古人类生产力的发展,促使古人类不同文化之间交叉融合,提高抵御自然侵害的能力,促使古人类向更高级的文化过渡。
  4、人地和谐,共筑文明
  洪水被认为是三大自然灾害之一,其带来的破坏作用不仅在其自身还在于其引发的滑坡、泥石流及堰塞湖溃坝等次生灾害。在这样的自然力和自然过程面前,我们人类太过渺小,无法与自然抗衡,更无法逆转这些地质作用过程。而自人类出现以来,我们的生存和发展就要不对的与自然对抗,向自然索取,比如,毁林开荒、漫滩种地等,这些往往放大了洪水等灾害的破坏性。面对洪水等灾害,人们唯一能做的是尊重自然、重视自然、顺应规律,改变我们自己的生产生活方式,尽可能的把洪水灾害的危害降到最低。   在黄土高原地区,降雨多集中,地形沟多坡陡、起伏破碎(图3),河流支流较多,河床较陡,汇水快速,极易形成洪水,形成的洪水含沙量高,而黄土高原地区以黄土为主要的组成物质,易于冲蚀,形成滑坡或泥石流导致大量次生灾害,破坏性强。在我们的生产生活中,毁坏植被,陡坡耕种,过度放牧及工程建设中的不合理利用土地等导致和加剧了洪水灾害。为了预防洪水灾害,我们应尽可能做好洪水的防治工作,从长远来说我们应该加强洪水预警教育;大力种草种树,搞好水土保持;制定避灾规划;明确治理措施;落实防御方案;完善保障政策。
  5、结语
  洪水既是一种自然现象,又是人类社会发展对土地利用相互作用的结果,洪水将永远伴随着人类文明共生。我们只能积极有效地应对洪水,而无法消灭洪水。“给洪水以出路”,尊重、敬畏自然,力求人与自然间最大程度的和谐相处,努力建设生态文明。
  *中国地质调查局基础性公益性地质矿产项目“特殊地质地貌区填图试点”子项目“陕西草碧镇(I48E008021)等六幅黄土区填图试点”。
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  作者简介
  樊双虎(1962-),男,副教授,陕西宝鸡,研究方向为构造地质学、工程地质灾害等。
  通讯作者:杨怀鹏(1996-),男,硕士研究生,山东济南,研究方向为新构造运动、第四纪环境演化等。
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