炊郁达¹, 黄春长^,1, 庞奖励¹, 周亚利¹, 张玉柱², 郭永强³, 王海燕¹, 赵琪琪¹1. 陕西师范大学地理科学与旅游学院,西安 710062
2. 西北大学城市与环境学院,西安 710127
3. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所,成都 610041

OSL dating of the pedo-stratigraphic sequence and the prehistoric flash floods and mudflows over the Lajia Ruins of Qinghai Province

CUAN Yuda¹, HUANG Chunchang^,1, PANG Jiangli¹, ZHOU Yali¹, ZHANG Yuzhu², GUO Yongqiang³, WANG Haiyan¹, ZHAO Qiqi¹1. School of Geography and Tourism, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China
2. College of Urban and Environmental Science, Northwest University, Xi'an 710127, China
3. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China

通讯作者: 黄春长(1953-), 男, 陕西彬县人, 教授, 博士生导师, 中国地理学会会员(S110000052M), 主要从事资源开发与环境演变研究。E-mail: cchuang@snnu.edu.cn

收稿日期:2018-12-20修回日期:2019-07-1网络出版日期:2019-11-25

基金资助:

国家自然科学基金项目.41771110 国家自然科学基金项目.41801060 国家重点研发计划.2017YFC1502501 陕西省教育厅专项科研计划.17JK0770

Received:2018-12-20Revised:2019-07-1Online:2019-11-25

Fund supported:

National Natural Science Foundation of China.41771110 National Natural Science Foundation of China.41801060 National Key R&D Program of China.2017YFC1502501 Special Research Project of Education Department of Shaanxi Provincial Government.17JK0770

作者简介 About authors
炊郁达(1993-),男,陕西宝鸡人,硕士生,主要从事土地利用与全球变化研究E-mail:cuanyuda@snnu.edu.cn。










摘要
位于青藏高原东北部边缘的青海民和官亭盆地喇家遗址,保存着全新世环境变化、人类活动、复杂地表过程演变与突发性灾难事件的记录。关于其史前群发性灾难的成因及发生年代问题,争议颇多,受到国内外学术界和媒体的广泛关注。经过多年来深入彻底的调查研究,在上喇家村南侧、喇家遗址北部区域首次发现完整连续的晚更新世晚期以来黄土—土壤地层剖面。在详尽的土壤与沉积学观察和层次关系分析的基础上,系统性采集样品,进行了光释光测年。由此在黄河第二级阶地风成黄土与黑垆土类土壤为主的区域,建立起了喇家遗址土壤沉积物地层序列与年代框架。结果表明,该剖面从12000 a BP堆积发育至今,从下至上的层序为晚更新世马兰黄土顶部（L_1-1）、全新世早期过渡性黄土（L_t）、全新世中期古土壤（S₀）、近代黄土（L₀）与现代土壤层（MS）。其中在全新世中期古土壤黑垆土层（S₀）之内,OSL年龄3960-3650 a BP期间,发现有3层红色粘土质泥流沉积层插入,记录了3次大规模山洪泥流溢出沟槽、在平坦的阶地表面扩散沉积、掩埋齐家文化聚落而成灾的事件。综合多种断代方法结果,确定这3期山洪泥流灾难性事件分别发生在3850 a BP、3800 a BP、3600 a BP左右。其中第一场山洪泥流在阶地表面大范围扩散过程当中,覆盖了喇家遗址东部区域。这就充分表明,来自于官亭盆地北部第三系红层丘陵沟壑区的暴雨山洪泥流过程,与同时期发生的若干次大地震,共同毁灭了喇家遗址齐家文化聚落的东部区域。这些研究成果,对于深入探讨官亭盆地环境变化与人地关系演变规律、准确理解喇家遗址的形成、史前人类活动、突发性灾难及其毁灭过程问题,具有重要的科学意义。
关键词： 喇家遗址;史前灾难;泥流事件;地层序列;释光测年

Abstract
Environmental change and human-land relationship evolution over the Qinghai-Tibet Plateau are the frontiers of global change science. The Lajia Ruins in the Guanting Basin situated in the northeast margin of the Qinghai-Tibet Plateau has preserved many records of the Holocene environmental change, human activities, complex surface process evolution and abrupt catastrophic events. Therefore, the Lajia Ruins has received extensive attention from scientists from different fields, and has also attracted attention from world media. It is still quite controversial about the causation and age of the prehistoric catastrophe. After extensive field works over the years, a complete pedo-stratigraphy profile of soil and sediments has been found in the northern part of the Lajia Ruins. On the basis of field pedo-sedimentological observation and description, as well as physic-chemical analysis and OSL dating on the soil and sediment samples taken from the profile, a pedo-stratigraphic sequence and related chronology have been established in the Lajia Ruins. The results show that the profile has been developed from 12000 a BP. The pedo-stratigraphic sequence includes the Late Pleistocene Malan loess (L_1-1), Holocene transitional loess (L_t), the Middle Holocene palaeosol (S₀), the recent loess (L₀) and the modern topsoil (MS). The Middle Holocene palaeosol (S₀) is separated by three layers of red clay, which were deposited by large flash floods and mudflows during 3960-3650 a BP. These catastrophic events occurred at about 3850 a BP, 3800 a BP and 3600 a BP, respectively. The first mudflow event overflowed the gully channel and spread over a large area on the Yellow River terrace, and covered the eastern part of the large settlement of the Qijia Culture at 3850 a BP. All these facts indicate that the Lajia Ruins was destroyed by earthquakes in combination with large flash floods and mudflows coming along the gullies that originated from the hills of the Tertiary Red Formation. These results are very important in understanding environmental change and human-land relationship evolution, formation of the settlement of the Qijia Culture, pre-historical human impact and causation of catastrophe in the Guanting Basin.
Keywords：Lajia Ruins;prehistoric catastrophe;mudflow event;stratigraphic sequence;OSL dating


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本文引用格式
炊郁达, 黄春长, 庞奖励, 周亚利, 张玉柱, 郭永强, 王海燕, 赵琪琪. 青海喇家遗址土壤序列及史前山洪泥流灾难释光测年研究. 地理学报[J], 2019, 74(11): 2371-2384 doi:10.11821/dlxb201911013
CUAN Yuda. OSL dating of the pedo-stratigraphic sequence and the prehistoric flash floods and mudflows over the Lajia Ruins of Qinghai Province. Acta Geographica Sinice[J], 2019, 74(11): 2371-2384 doi:10.11821/dlxb201911013

1 引言

全新世环境变化与自然灾害影响着人类文明的发展演变^[1,2]。考古发掘揭示出青海官亭盆地喇家遗址齐家文化时期的毁灭性灾难现象,引起了地质地理学界的关注^[3]。由于官亭盆地处于黄土高原西端与青藏高原过渡地区,所以,研究揭示该区域全新世环境变化及喇家遗址史前灾难的成因,对于深入理解青藏高原东北部边缘地带全新世环境变化与人类活动及其影响具有重大意义。

目前,对于毁灭喇家遗址齐家文化聚落的灾害的性质类型和成因问题,存在多种观点：① 由黄河上游史前地震与河流大洪水淹没而毁灭废弃^[4];② 史前地震及其后积石峡滑坡堰塞湖溃决形成超级大洪水摧毁^[5];③ 与多场大地震相伴随的暴雨山洪和泥流—泥石流群发性灾难摧毁破坏^[6,7]。近期,对于官亭盆地聚落演变以及黄河积石峡古滑坡堰塞湖产生与消亡年代的研究,发现喇家遗址毁灭废弃与黄河上游大洪水并无联系^[8,9]。随着野外考察的深入,发现官亭盆地地貌类型和地表过程复杂多样,加上5000多年来各个阶段人类活动的深刻影响,导致不同成因类型的沉积物与土壤相互交错,层序混乱。这有可能造成人们将不同地点、不同层位、不同时期地表过程和事件混淆起来,给喇家遗址史前灾难成因研究带来很多困难。为理清官亭盆地全新世时期各种地表过程与灾难性事件的相互关系,就需要在全面深入理解不同地貌单元、不同时期的沉积物与土壤的成因及其层位关系的基础上,建立喇家遗址全新世完整的土壤与沉积物地层序列和年代框架。

本文将依据在喇家遗址范围内野外考察最新发现的上喇家村南侧最为完整的土壤与沉积物剖面,观测分析各个层次之间的相互关系,详细描述分析其土壤学、沉积学性质特点,判断其成因类型,进行地层划分,建立清晰的土壤地层层序。并且采用光释光（Optical Stimulate Luminescence, OSL）测年技术,对于各个重要的层界进行断代,进而建立起可靠的年代框架。这对于深入揭示喇家遗址全新世环境变化、地表过程、人类活动影响,以及毁灭性灾难事件的成因,具有重要的科学意义。

2 研究区域地理背景

官亭盆地位于青藏高原东北边缘与黄土高原西端交界之处,属于山间河谷盆地。其面积大约53 km²,西北侧为拉脊山脉,西南侧为积石山,海拔均超过4000 m。黄河出积石峡,东西向贯穿盆地,在盆地东端进入寺沟峡。从地质构造方面来看,官亭盆地所处的青藏高原边缘拉脊山断裂带,新构造运动活跃,频繁诱发地震,有历史记载以来发生过20多次中等以上地震^[10]。盆地为温带半干旱气候,年均气温8~9 ℃,年均降水250~300 mm,年均蒸发量2000~2100 mm,气候相对比较温和,适宜农耕。受高原边缘对流天气影响,盆地及其周边支流沟谷流域年降雨量较大,年均强降水日数较多,同时夏季多暴雨诱发山洪和泥流—泥石流灾害^[11]。盆地内部海拔高度1800 m左右,南北两侧第三系红层丘陵沟壑海拔在2200~2500 m之间。有鲍家沟、吕家沟、马家沟等支流沟谷发源于拉脊山,穿过该红层丘陵沟壑进入盆地,切割古洪积扇和黄河阶地平原,携带大量泥土砂砾汇入黄河。从盆地中心北望所见大红山均由松散的第三系橙红色、棕红色泥岩、页岩、砂岩与砂砾岩构成^[12]。这种岩体结构松散,尚未完全固结成岩,极易被风化剥蚀。发源于大红山南坡的岗沟,由于暴雨山洪侵蚀而成为泥流—泥石流的主要发源地。在大地震与夏季暴雨强降水共同作用下,盆地周边白垩系和第三系松散破碎岩石和沉积物分布区域,滑坡崩塌和泥流—泥石流灾害频繁发生,经常摧毁道路、桥梁、河堤、农田和村镇,给当地造成严重生命财产损失^[13]。盆地内山麓为比较广阔的洪积扇倾斜平原,黄河两岸断续发育三级阶地,被不同时期沙尘暴形成的风成黄土覆盖,土壤疏松肥沃,成为主要的农业耕作区。

官亭盆地温和的气候与环境资源条件为史前人类生存繁衍提供了有利条件。根据考古调查显示,盆地内有从新石器时代至青铜时代约50多处文化遗址,包括以粟黍类谷物种植为主的仰韶晚期文化（5500-5000 a BP）、马家窑文化（马家窑类型5300-4500 a BP,半山类型4500-4300 a BP,马厂类型4300-4000 a BP）和齐家文化（4200-3600 a BP）,以及农牧混合类型的卡约文化（3600-2600 a BP）与辛店文化（3400-2700 a BP）等^[14]。考古发掘表明喇家遗址包含马家窑文化、齐家文化和卡约/辛店文化的遗存,其中以齐家文化聚落为主。

图1

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图1黄河上游循化盆地—积石峡—官亭盆地地理位置关系图

Fig. 1DEM image of the Xunhua Basin-Jishi Gorge-Guanting Basin along the upper Yellow River

图2

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图2官亭盆地喇家遗址上喇家土壤地层剖面(SLJ)位置卫星影像图

Fig. 2Satellite image showing the location of the study SLJ site in the Lajia Ruins within the Guanting Basin

3 地层剖面特征与样品采集

由于全新世时期多场大地震产生的地裂缝的分割破坏,加之众多支流沟谷的侵蚀切割,以及5000年来不同时代人类聚落建设和土地开发利用的影响,喇家遗址所在的黄河第二级阶地前沿,土地破碎,劣地连片,完整连续的土壤沉积物剖面极少。通过多年来详尽的野外实地调研,最终在上喇家村南侧取土坑壁发现连续沉积的黄土—土壤剖面（35°51′52″N、102°48′20″E）,定名为上喇家剖面（SLJ）。该剖面位于吕家沟和岗沟古洪积扇前沿、黄河第二级阶地中部,海拔高度1813 m,向南距黄河1000 m,其西侧100 m为吕家沟沟槽,东侧500 m为岗沟沟槽,向北1800 m为第三系红层丘陵沟壑,也就是大红山下岗沟和吕家沟沟口。剖面土壤地层界限明确,层位关系清楚,其中有3期山洪泥流过程沉积的红色粘土层插入剖面（图3）。根据野外观察结果,全剖面从上往下划分为11层,同时进行了土壤学与沉积学宏观特征观察分析与描述（表1）。

图3

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图3官亭盆地喇家遗址上喇家剖面(SLJ)黄土—土壤夹红色粘土质泥流沉积层

Fig. 3Red mudflow beds inserted into the aeolian loess-soil sequence in the Shanglajia profile (SLJ) in the Guangting Basin



Tab. 1
表 1
表 1官亭盆地喇家遗址上喇家剖面(SLJ)土壤沉积物地层划分与描述
Tab. 1Pedo-stratigaphic subdivision and description of the Shanglajia profile (SLJ) in the Lajia Ruins within the Guanting Basin

地层深度	地层层位与符号	土壤学与沉积学宏观特征描述
0~60 cm	现代土壤(MS)	棕色(7.5YR4/6),粉砂质地,团粒构造,含有个别小石子,比较坚硬,多蚯蚓孔和粪团,多植物根系。
60~120 cm	全新世晚期风成黄土(L0)	浊橙色(7.5YR6/4),粉砂质地,团块—块状构造,比较疏松,含有少量蚯蚓孔和粪团,受到一定程度的成壤改造。
120~180 cm	全新世中期古土壤层上段(S0上)	浊红棕色(5YR5/3),粉砂质地,团粒构造,比较疏松,多蚯蚓孔和粪团,结构面有白色可溶盐粉霜沉淀,为发育成熟度很高的黑垆土,该底部对应于卡约/辛店文化时期(3600-3400 a BP)人类活动扰动层,局部可见断续的灰烬透镜体薄层。
180~222 cm	红色粘土质泥流沉积层(RC3)	橙色(2.5YR6/6),下部粉砂质粘土质地,块状构造,比较疏松,上部多砂,松散,出现山洪砂土与砂砾质透镜体夹层。
222~265 cm	全新世中期古土壤层中上段(S0中上)	灰棕色(5YR6/2),粉砂质地,团粒—块状构造,比较疏松,含有木炭屑,属于黑垆土。
265~288 cm	红色粘土质泥流沉积层(RC2)	上部浊红棕色(2.5YR5/4),下部橙色(2.5YR6/6),粉砂质粘土质地,比较坚硬,团块块状构造。
288~298 cm	全新世中期古土壤层中下段(S0中下)	灰棕色(5YR6/2),粉砂质地,团粒—块状构造,属于黑垆土。
298~346 cm	红色粘土质泥流沉积层(RC1)	橙色(2.5YR6/6),粉砂质粘土质地,团块—块状构造,比较坚硬。所夹暗色层为灰棕色(5YR6/2),比较坚硬。
346~390 cm	全新世中期古土壤层下段(S0下)	灰棕色(5YR5/2),粉砂质地,团粒—团块状构造,比较疏松,裂隙和结构面含有白色可溶盐类粉霜,属于黑垆土。其顶面为喇家遗址齐家文化时期(4150-3850 a BP)聚落和人类生产生活的古地面。
390~430 cm	全新世早期过渡性风成黄土(Lt)	浊棕色(7.5YR6/3),粗粉砂质地,块状构造,疏松,受到较弱的成壤改造。
> 430 cm	晚更新世晚期马兰黄土(L1-1)	浊黄橙色(10YR7/3),粗粉砂质地,均质块状构造,致密而疏松,含有蜗牛壳,多细小孔隙,其中有灰白色可溶盐类沉淀,向下夹有山洪砂质透镜体薄层。

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在上喇家剖面（SLJ）从上向下每4 cm连续采集沉积学样品120个,在实验室通过磁化率和粒度成分分析,确证了地层划分,并且细化了界限深度。同时,为了在该剖面建立起年代框架,并且获得史前山洪与泥流灾难性事件发生的年代,在SLJ剖面关键层位采取了8个释光测年样品。

4 实验方法

在实验室对沉积学样品自然风干后研磨,每个样品取10 g,进行了磁化率测试,实验使用英国Bartington公司MS-2B型磁化率仪。接着取土样0.5 g,用10%的HCl与30%的H₂O₂加热去除碳酸盐与有机质,进行清洗、沉淀后加入Na（PO₃）₆稳定剂,进行粒度成分测试,实验使用美国Backman Coulter公司生产的LS型激光粒度仪进行测试。

对于年代学样品的前处理实验,根据国内外****所总结的标准流程进行^[15]。等效剂量在丹麦国家实验室生产的Ris?-TL/OSL-DA-20型全自动释光仪上进行测试。为避免实验中α射线辐射的影响,待测石英样品选取90~125 μm的粗颗粒石英,IR检验验证石英颗粒纯度足够后进行等效剂量测试。每个样品测试12个片以上,测试方法选用改进的SAR（single-aliquot regenerative-dose）程序测量样品的等效剂量值^[16]。OSL信号采用1~5个通道减去紧接着6~10个通道的均值,计算样品De值的生长曲线主要采用指数拟合方法计算^[17]。实验室β辐射源为活度1.48 GBq的⁹⁰Sr/⁹⁰Y源,探测OSL信号强度的光电倍增管为EMI9235QB15。激发光源分为红外二极管（880±80 nm,400 mw/cm²）和蓝光二极管（470±30 nm,50 mw/cm²）,滤光片为Hoya U-340。

土壤沉积物剖面OSL样品的环境剂量率,主要受到周围土壤沉积物U、Th、K等放射性元素及其衰变产生的α、β和γ射线、宇宙射线以及含水量的影响^[18]。本文所有OSL样品的U、Th、K含量,是在中国科学院高能物理研究所通过中子活化法分析测试得到。宇宙射线对剂量率值的影响,依据样品所在位置的经纬度、海拔高度、埋藏深度和样品密度等,采用Prescott提供的相关方程计算获得^[19]。样品的含水量是在陕西师范大学土壤与沉积分析实验室内通过烘干样品前后称重差值以及饱和含水量测值,并结合该地区土壤田间含水量研究成果进行校正获得^[20]。剖面中部样品含水量低值反映出土壤干层的存在^[21]。最后,将OSL样品的放射性元素含量、粒径、含水量、采样深度等参数输入DRACv1.2在线软件中计算获得样品的环境剂量率^[22]。

样品OSL信号测试中,需要多次将样品加热到一定温度再进行激发,而频繁的加热与激发又会导致石英颗粒灵敏度的变化及晶格内的电子向非光敏陷阱转移,进而影响实验结果^[18]。为了避免造成这种影响,获取适合本实验样品的测试温度,本文分别对全新世中期古土壤S_0上（SLJ-3）和全新世早期过渡性黄土L_t（SLJ-7）样品进行预热坪区与剂量恢复实验。

将所选样品制成的单片进行测试,每个单片样品进行加热10 s,温度范围从180~300 ℃,间隔20 ℃,每个温度对应样片3个。获得不同温度下所测等效剂量平均值与误差,选取变化范围与误差最小的温度区间,作为最终De测量的预热坪区。温度坪区的可靠性验证,通过将样品完全晒退并人工辐照一定剂量后测量,分析所得实测剂量与人工辐照剂量两者的比值。

如图4所示,SLJ-3和SLJ-7号样品的De值分别在200~260 ℃与220~300 ℃内无显著变化;两组样品的剂量恢复系数在220~280 ℃间均与1接近,形成一个坪区。综合上述实验结果,并考虑减小误差的影响,最终De值测试的Preheat选取260 ℃、Cut-heat选取220 ℃。

图4

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图4官亭盆地上喇家剖面(SLJ)样品预热坪区与剂量恢复结果

Fig. 4Preheat plateau plot and dose recovery of the samples SLJ-3 and SLJ-7 from the Shanglajia profile (SLJ) in the Guangting Basin

5 结果与讨论

5.1 剖面OSL测年数据结果

土壤沉积物样品OSL测年结果的可靠性很大程度都取决于样品石英颗粒沉积埋藏之前的晒退程度。只有在最后一次埋藏前经历完全晒退（即释光信号被清零）的石英颗粒才能准确地反映其真实埋藏年代^[23]。上喇家剖面OSL样品的释光信号较强（图5）,在2 s左右已到达本底值,晒退曲线快组分占绝大多数。这说明测试样品石英颗粒比较纯净,物源一致性较好,被埋藏之前的释光信号已经被很好的清零。

图5

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图5官亭盆地上喇家剖面(SLJ)部分样品晒退曲线与生长曲线

Fig. 5Growth cuves and decay curves of the samples from the Shanglajia profile (SLJ) in the Guangting Basin



另一方面,Fuchs等提出样品的晒退程度与其De值的分布具有关联性,通过测片De值的频率直方图来分析样品中所有De值的分散程度,也可判断出样品是否晒退彻底^[24]。上喇家剖面样品测片De值频率直方图（图6）,其值比较集中,基本符合正态分布规律,再次证明了样品沉积前晒退彻底。

图6

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图6官亭盆地上喇家剖面(SLJ)不同样品的等效剂量频率分布图与辐射图

Fig. 6Histogram distribution and radial plot of the equivalent dose of the samples from the Shanglajia profile (SLJ) in the Guanting Basin



结合以上释光信号晒退与De值分布的特征,可证明上喇家剖面黄土—土壤样品埋藏之前晒退良好,采用SAR法程序进行测试的结果能够真实反映沉积物的年龄。将SAR法测得的数据经所选信号通道处理,拟合成石英生长曲线（图5）。该曲线既通过原点又未达到饱和,符合指数拟合趋势,因此选用内插法得到的等效剂量值是可靠的。

通过判断样品测片等效剂量De值的离散度大小,选取合适的统计分析模型,对样品测片De值进行分析处理,以保证样品年龄真实可靠^[25]。通常,对于标准偏差不超过20%、且其测片De值离散度较小、结果趋于集中的样品,适合选取中值年龄模型（Central Age Model, CAM）计算其最终De值^[26]。图6的辐射图中显示上喇家剖面各个样品测片的De值都在一定范围内集中,离散度较小。通过计算分析,其所有样品测片De值的标准偏差在10%~15%之间。故而选取CAM进行样品最终De值的计算。

根据CAM计算获得样品的最终De值与其环境剂量率,使用DRACv1.2在线软件计算出各个样品的OSL年龄,结果如表2所示。

Tab. 2
表2
表2官亭盆地上喇家剖面(SLJ)样品OSL测年结果
Tab. 2OSL dating result of samples from the Shanglajia profile (SLJ) in the Guanting Basin

样品编号	深度(cm)	含水量(%)	U(ppm)	Th(ppm)	K(%)	年剂量(Gy/ka)	等效剂量(Gy)	年龄(ka)
SLJ-1	55-60	20±2	2.50±0.10	9.93±0.30	1.92±0.06	2.71±0.07	3.64±0.08	1.35±0.05
SLJ-2	105-110	18±2	2.79±0.11	11.5±0.32	2.11±0.06	2.98±0.08	7.61±0.35	2.55±0.14
SLJ-3	180-185	15±2	2.42±0.10	9.94±0.30	2.05±0.06	3.07±0.15	11.20±0.32	3.65±0.15
SLJ-4	240-245	15±2	2.48±0.10	11.6±0.32	2.36±0.07	3.67±0.12	13.95±0.51	3.80±0.16
SLJ-5	290-295	13±2	2.62±0.10	11.9±0.32	2.16±0.06	3.35±0.19	12.99±0.53	3.88±0.19
SLJ-6	355-360	15±2	3.45±0.13	12.6±0.35	2.35±0.07	3.56±0.14	14.08±0.68	3.96±0.24
SLJ-7	390-395	18±2	2.77±0.11	11.1±0.31	1.98±0.06	3.09±0.10	26.82±1.22	8.70±0.47
SLJ-8	430-435	18±2	3.05±0.12	11.2±0.31	1.89±0.06	2.92±0.08	34.94±0.83	12.00±0.43

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5.2 土壤地层序列年代框架

根据野外考察观测、土壤沉积学特征描述和理化指标分析结果,官亭盆地上喇家剖面（SLJ）风成黄土—土壤层序,从下向上为晚更新世马兰黄土上部（L_1-1）—全新世早期过渡性黄土（L_t）—全新世中期古土壤（S₀）—近代黄土层（L₀）—现代土壤层（MS）。这与黄土高原中部全新世地层序列完全一致。其特殊之处就在于,该剖面全新世中期黑垆土古土壤（S₀）被3组红色粘土质泥流沉积层穿插,从而被分割为4个层段（图3）。

上喇家剖面（SLJ）地层OSL年龄数值从上至下逐渐变老,符合黄土高原风成黄土—土壤沉积发育的基本规律。这表明这一组样品OSL测年结果是可靠的。样品SLJ-8取自剖面430~435 cm处,位于晚更新世晚期马兰黄土（L_1-1）的顶界,OSL定年为12.00±0.43 ka,与黄土高原中东部风成黄土—土壤剖面中晚更新世晚期马兰黄土的顶界年龄所得结果完全对应^[27]。结合前人所得黄河第二级阶地风成黄土覆盖层底部OSL测年结果,可知其更新世晚期马兰黄土,主要形成在35000-11500 a BP时期^[28]。样品SLJ-7是全新世早期过渡性黄土层（L_t）的顶部,取自390~395 cm处,年龄8.70±0.47 ka,符合全新世早期过渡性黄土的形成年代11500-8500 a BP范围。就整个黄土高原地区来说,全新世中期古土壤（S₀）发育于8500-3100 a BP^[29],该剖面SLJ-6、SLJ-5、SLJ-4与SLJ-3号样品的OSL年龄值,均在其框架之中。SLJ-2样品取自近代黄土层（L₀）下部,深度105~110 cm处,OSL年龄为2.55±0.14 ka,略晚于近代黄土层堆积的起始年龄3100 a BP。样品SLJ-1取自现代表土层（MS）的底部,深度55~60 cm处,是整剖面最年轻样品,界定了该剖面现代耕作土壤的年龄。

从上喇家剖面OSL年龄值与地层深度的关系图中,可以看出在SLJ-3号与SLJ-6号样品之间,也就是年龄值4000-3600 a BP之间,沉积速率极快,曲线几近垂直（图7）。这突出地表明在全新世中期黑垆土古土壤（S₀）形成过程当中发生了突发性快速堆积事件。从该剖面野外宏观特征观察描述和理化指标数据的分析（表1、图8）,清楚地显示出这个层段有3组红色粘土质泥流沉积层插入其中。当然,这4个层位的古土壤OSL样品,同时也准确地界定了这3期山洪泥流事件发生的年代。

图7

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图7官亭盆地上喇家剖面(SLJ)土壤地层OSL年龄与深度关系图

Fig. 7Date/depth relation curve of the Shanglajia profile (SLJ) in the Guanting Basin

图8

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图8官亭盆地上喇家剖面(SLJ)磁化率与粘粒粉砂比率

Fig. 8Magnetic susceptibility and clay/silt ratio in the Shanglajia profile (SLJ) in the Guanting Basin

5.3 史前山洪泥流沉积层特征及其发生年代

在黄河北岸喇家遗址范围的内外,山麓洪积扇前沿与黄河第二级阶地面,由于吕家沟、岗沟和马家沟及其支毛沟系切割而自然暴露的剖面,随处可见红色粘土质泥流层组与山洪砂土相伴生,插入黄土—土壤剖面之中的现象。从宏观的特征来看,近沟槽区域属于粘性泥流沉积,层内结构构造混乱,表现出泥流缓慢运动翻卷、团块叠压堆积的特征（图9a）。沟间平坦阶地面区域则属于稀性泥流溢出沟槽大范围扩散沉积,长期暴露风化的剖面,会呈现出假层理以及局部洼地短暂性积水造成的类沼泽化灰黑色夹层（图9b）。从野外地貌学与沉积学特征,可以看出这些古山洪泥流过程发源于盆地北部第三系红层丘陵沟壑区,沿着诸多沟槽流经古洪积扇区域,在洪积扇前沿与阶地地势低洼地带扩散沉积下来。上喇家剖面（SLJ）距离吕家沟沟槽较远,故其三组红色泥流沉积层表现出稀性泥流沉积的特征。

图9

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图9喇家遗址内外史前山洪泥流沉积特征(a)粘性泥流沉积层及其崩塌现象;(b)稀性泥流沉积层及其风化假层理现象

Fig. 9Prehistoric mudflow deposits: (left) viscous mudflow and collapse, (right) fluid mudflow and false bedding in the Lajia Ruins



从上喇家剖面（SLJ）理化指标的分析测试结果来看,风成黄土层粘粒/粉砂比率最低,磁化率值介于30×10^-8~40×10^-8 kg/m³,黑垆土古土壤层粘粒/粉砂比率较高,磁化率值介于50×10^-8~80×10^-8 kg/m³。这符合黄土高原西部地区黄土与古土壤的粒度和磁化率变化的基本特征^[30]。而黑垆土古土壤中所夹的三组红色粘土质泥流沉积层,粘粒/粉砂比率极高,且磁化率明显偏低,介于10×10^-8~20×10^-8 kg/m³,这正是泥流沉积物近源搬运,并未发生成壤作用的特征^[31,32]。同时,从3组泥流层的磁化率值曲线“陡崖式”下降与粘粒/粉砂比率波动变化,可以看出其属于典型泥流突发、阵发性沉积的特征。这从地质地貌、沉积地层和理化指标进一步证明这些古山洪泥流过程发源于盆地北部第三系红层丘陵沟壑区。

在干旱—半干旱地区,沟谷山洪与泥流过程都是由暴雨引发的短时段突发性事件,从上喇家剖面（SLJ）黑垆土各个层段所采取的OSL样品,有助于解决这些泥流事件的发生年代问题。其中SLJ-6号样品OSL年龄3.96±0.24 ka,SLJ-5号样品OSL年龄3.88±0.19 ka,界定了红色粘土（RC₁）记录的第一期泥流事件发生年代。从考古发掘资料结合野外诸多地层剖面的层序关系可知,坐落在黑垆土（S_0下）的表面的喇家遗址齐家文化时期的聚落,皆被该期红色粘土泥流和山洪砂土层所覆盖。而从遗址发掘暴露出的居室地面人体遗骸和生活器物设施,可以看出突发性泥流过程毁灭居室,造成了室内人群被快速掩埋而死亡^[33]。根据这些人骨和木炭样品¹⁴C测年结果,确认这场毁灭性灾难发生在3850 a BP^[34],本文SLJ-6和SLJ-5样品OSL年龄,在其误差范围内与此年龄相当。因此,可以将喇家遗址齐家文化聚落毁灭废弃的年代确定为3850 a BP。

上喇家剖面的SLJ-4号样品OSL年龄3.80±0.16 ka,与SLJ-5号样品3.88±0.19 ka,可用于界定以红色粘土（RC₂）为代表的第二期泥流事件的发生年代。结合土壤沉积物层序,考虑地表过程影响与剖面沉积速率,将这场泥流事件发生年代确定为3800 a BP。由于该泥流沉积层较薄,泥流过程的规模较小。上喇家剖面SLJ-3号样品OSL年龄为3.65±0.15 ka,与SLJ-4号样品,可以界定以红色粘土（RC₃）为代表的第3期泥流事件的发生年代。在整个喇家遗址区域内外,多处可见卡约/辛店文化早期（3600-3400 a BP）透镜状灰烬层覆盖在该层红色粘土（RC₃）表面。况且,叠压在该期泥流层表面的地震喷砂透镜体当中的动物骨骼样品的¹⁴C年龄最小值为3600 a BP^[35]。综合上述数据,结合上喇家剖面土壤沉积物层序与沉积速率,将第三场泥流事件发生年代确定为3600 a BP。

综合上述多方面证据,可知喇家遗址的史前山洪泥流源自于盆地北侧的第三系红层丘陵沟壑区,其沿着吕家沟、岗沟和马家沟而来,被附近发生的大地震和高强度降雨所诱发。加之4200 a BP开始起,全新世大暖期逐渐衰退,气候恶化并发生异常波动^[36]。尤其在青藏高原与黄土高原交界的环境敏感地带,气候冷暖干湿波动剧烈,其恶化程度更加严重^[37]。这种严重气候恶化及其造成的大规模自然灾害性地表过程,必然会对当时人类的生产生活造成恶劣影响^[38]。这一时期的群发性、灾害性地表过程,一方面直接地摧毁了位于黄河北岸第二级阶地的齐家文化大型聚落;另一方面,其山洪砂土和红色粘土覆盖掩埋了沟谷两侧肥沃深厚的黑垆土地面,造成了阶段性土壤退化,给其后占据这片土地的人群造成了深刻的影响。从考古发掘发现的材料和零散分布的薄层灰烬层等情况来看^[39,40],当卡约/辛店文化早期（3600-3400 a BP）的人群移居至官亭盆地,他们采取农牧混合的生产生活方式,再也没有发展形成齐家文化时期那样大型的稳定性聚落。

6 结论

通过详尽野外考察观测,在深入分析理解黄河北岸喇家遗址所在黄河第二级阶地沉积物性质类型与成因,及其与北侧山麓洪积扇倾斜平原和更北侧第三系红层丘陵沟壑区地表过程相互联系的基础上,确认在喇家遗址北部发现的上喇家剖面（SLJ）土壤沉积物层次完整连续,层界清晰,具有代表性。结合其野外宏观土壤与沉积学特征、理化性质特点与光释光测年结果,建立了官亭盆地喇家遗址全新世土壤地层序列,其由下至上层序依次为：晚更新世马兰黄土上部（L_1-1）,形成在35000-11500 a BP;全新世早期过渡性黄土（L_t）,形成在11500-8500 a BP;全新世中期黑垆土古土壤（S₀）,形成在8500-3100 a BP;全新世晚期近代黄土（L_t）,形成在3100-1500 a BP;表层现代土壤（MS）,形成在1500 a BP以来的时期,与黄土高原中东部区域完全相同。

在喇家遗址区域内外,全新世中期黑垆土古土壤层（S₀）被3组红色粘土质泥流层穿插分隔。它们清晰地记录着在OSL年龄3960-3650 a BP期间,发生的三期大规模山洪泥流事件。通过地层对比,文化层¹⁴C测年与OSL测年等多种方法结合,确定这三期山洪泥流事件分别发生在3850 a BP、3800 a BP、3600 a BP左右。也就是说这些灾难性地表过程发生在全新世大暖期后期气候恶化过程中。其中第一期山洪泥流过程及与之相伴随着的若干次大地震,共同摧毁了喇家遗址齐家文化大型聚落及其开垦种植的由黑垆土构成的肥沃土地。在3600 a BP之后,喇家遗址北侧吕家沟、岗沟和马家沟的山洪泥流过程减弱,再没有发生大规模泥流溢出沟槽扩散掩埋黄河第二级阶地土地的事件。

本文的研究成果,系统地建立了喇家遗址土壤沉积物地层序列和年代框架;准确界定了齐家文化聚落废墟和人类生产生活的古地面与土壤性质类型,以及卡约/辛店文化早期人类在该区域活动的古地面与沉积物性质。同时通过OSL测年确定了全新世大暖期后期发生的大规模山洪泥流事件的发生年代。为准确理解喇家遗址史前灾难的成因机制、深入探索全新世资源环境变化与史前人类生业模式和农业土地利用方式的转折变化及其驱动力问题奠定了科学的基础。

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通过对位于黄河上游甘青交界处官亭盆地的喇家遗址及其周边地区一些地质现象的观察, 发现当时该地区发生了以黄河异常洪水和地震为主, 并伴有山洪爆发的群发性自然灾害, 这场自然灾害导致了喇家遗址的毁灭, 其中黄河异常洪水可能是史前人类遭受灭顶之灾的主要元凶. 喇家遗址灾难事件及其原因的研究, 不但有助于加深对4 kaBP前后黄河上游地区环境演变的认识, 而且对于揭示自然灾害对人类文明进程的影响也具有一定意义.
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探讨构造、气候与砾岩的关系对于研究青藏高原隆升的时间和方式具有重要意义。裂变径迹热年代学表明积石山地区于8MaB.P.开始构造变形,与碎屑颗粒裂变径迹结果和生长地层结果一致,而明显早于积石砾岩出现的时间(3.6MaB.P.)。通过区分岩体隆升与地面隆升之间的差别,文章提出一种新的模型,以解释隆升、气候和砾岩之间的关系。积石山岩体于8MaB.P.开始隆升,隆升初期,尽管岩体隆升1500~2000m,但是由于积石山上覆的新生代地层易于剥蚀,在花岗岩基底被剥露到地表之前,地表只有少量隆升或没有隆升。随着沉积地层被剥蚀殆尽,基岩暴露于地表,地面隆升速率加快。约3.6MaB.P.,积石山隆升约200~900m,造成了地形雨和发源于积石山的横向河流的出现,这些横向河流把积石山的花岗岩搬运到盆地中沉积下来,形成积石砾岩。
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光释光测年是对沉积物上一次曝光事件年代的测定.自20 世纪80 年代该方法提出以来,得到了越来越广泛的应用.相对于¹⁴C测年,光释光测年虽存在误差偏大的不足（一般5%~10%）,但是具有以下明显优势：① 其测年年限范围比前者大得多;② 测年物质（石英或长石）丰富,这在干旱半干旱区的沙漠和湖泊中尤其重要,因为在这些地区很难找到可用于¹⁴C测年的有机质;③ 是对沉积物的直接定年;④ 测年事件包括曝光、受热（400 ℃以上）、火山、地震和晶体（方解石等）形成等.本文介绍了光释光测年的整个实验过程,包括采样、前处理、等效剂量测定、年剂量测定等,以期让有需要的地学同行了解这一方法,尤其是了解从地层或岩芯等取样的过程中应注意的事项.重点介绍单片再生剂量法(SAR)与标准生长曲线法(SGC)相结合测定等效剂量的实验方法(我们命名为SAR-SGC法).该方法能大大提高仪器的使用效率,可节省仪器时间60%以上.通过氟硅酸溶蚀长石来提取石英的中颗粒(38~63 μm)的前处理过程简便易行,获得的石英纯度高,且可以避免使用危险的氢氟酸.中国科学院青海盐湖研究所释光测年实验室近几年应用SAR-SGC法对黄土、沙漠、湖泊、海洋、冰川、考古点等各种类型沉积物进行光释光测年,都获得了很好的结果.
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陇西黄土高原马兰黄土内存在9个弱成壤组(层),记录了末次冰欺内多达22个间冰段气候的环境状况。马兰黄土中部古土壤是末次冰期大间冰段的记录,共有上、中、下3层古土壤,含11个亚层,尤以下层古土壤发育最好,表明当时气候较温暖湿润。陇西马兰黄土记录与格陵兰GRIP冰芯记录相吻合,说明末次冰期内气候快速变化和不稳定性具有全球意义。

[28] Zhang Yuzhu, Huang Chunchang, Pang Jiangli , et al. OSL dating of the sediment stratigraphy of the Lajia Ruins in the Guanting basin in the Upper Yellow River basin
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DOI:10.3969/j.issn.1001-7410.2013.05.17Magsci [本文引用: 1]
位于官亭盆地的喇家史前灾难遗址被毁原因是近年来人们争论的焦点。笔者在野外调查和实验测试分析的基础上,对官亭盆地二级阶地上沉积的红色粘土层来源、成因机制进行了再探讨,揭示了山洪泥石流对官亭盆地喇家遗址的影响,以期为山间盆地区居民正确制定防灾减灾措施提供地质依据。主要取得了以下认识:1)官亭盆地剖面2.45m厚的红色粘土层其粒度特征以第二组分为优势组分,其中值粒径为9~11μm; 磁化率值主要分布在20×10^-8~40×10^-8 m³/kg之间; 2)该红色粘土层与积石峡峡谷区的湖相地层在发育年龄、颜色、粒度、磁化率、土体质地结构等方面具有明显区别,反映了二者不同的成因机制,红色粘土层与积石峡堰塞湖溃决无关; 3)官亭盆地北侧由于地震等作用形成的山体古崩塌、古滑坡和第三系松散粘土物质被强降水近距离冲刷搬运堆积在山前坡地,遗址毁灭的洪水来自北侧岗沟等沟谷,而非黄河泛滥的洪水; 4)官亭盆地红粘土的成因可能是:地震诱发滑坡、崩塌,同时造成山体疏松,在暴雨或持续降水作用下,滑坡崩塌堆积物和山体松散物质被洪水沿沟谷携带到沟口及地势较低的黄河二级阶地沉积,地震后发生的山洪泥石流灾害造成了喇家遗址的彻底毁灭。
[ 殷志强, 秦小光, 赵无忌 , 等. 黄河上官亭盆地红粘土层成因机制再探讨
第四纪研究, 2013,33(5):995-1004.]
DOI:10.3969/j.issn.1001-7410.2013.05.17Magsci [本文引用: 1]
位于官亭盆地的喇家史前灾难遗址被毁原因是近年来人们争论的焦点。笔者在野外调查和实验测试分析的基础上,对官亭盆地二级阶地上沉积的红色粘土层来源、成因机制进行了再探讨,揭示了山洪泥石流对官亭盆地喇家遗址的影响,以期为山间盆地区居民正确制定防灾减灾措施提供地质依据。主要取得了以下认识:1)官亭盆地剖面2.45m厚的红色粘土层其粒度特征以第二组分为优势组分,其中值粒径为9~11μm; 磁化率值主要分布在20×10^-8~40×10^-8 m³/kg之间; 2)该红色粘土层与积石峡峡谷区的湖相地层在发育年龄、颜色、粒度、磁化率、土体质地结构等方面具有明显区别,反映了二者不同的成因机制,红色粘土层与积石峡堰塞湖溃决无关; 3)官亭盆地北侧由于地震等作用形成的山体古崩塌、古滑坡和第三系松散粘土物质被强降水近距离冲刷搬运堆积在山前坡地,遗址毁灭的洪水来自北侧岗沟等沟谷,而非黄河泛滥的洪水; 4)官亭盆地红粘土的成因可能是:地震诱发滑坡、崩塌,同时造成山体疏松,在暴雨或持续降水作用下,滑坡崩塌堆积物和山体松散物质被洪水沿沟谷携带到沟口及地势较低的黄河二级阶地沉积,地震后发生的山洪泥石流灾害造成了喇家遗址的彻底毁灭。

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