2020, Vol.40
2 西北大学城市与环境学院, 陕西 西安 710127;
3 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所, 四川 成都 610041;
4 青海师范大学地理科学学院, 青海 西宁 810008)
青藏高原及其周边区域自然环境具有高度的敏感性和脆弱性，其环境变化与灾害对人类经济社会发展具有深刻的影响。黄河上游官亭盆地处在青藏高原东北边缘与黄土高原交界地带，其史前文化高度发展并且对于青藏高原史前文化的发展演变具有重要的影响[1~2]。目前，官亭盆地史前环境变化与灾难问题是国内外地学界、考古学和人类学界关注的热点[3~22]。
青藏高原边缘山高谷深，地形高差巨大，大气对流旺盛，局部短时性高强度暴雨多发，常常会引起山洪泥流、泥石流灾害，威胁城乡人民生命财产安全[23~24]。有学者研究了云南白马雪山垭口早更新世泥石流、小江流域和白龙江流域泥石流分布特点，认为泥石流的发育与青藏高原的构造抬升、季风气候变化密切相关[25~26]。对于2010年8月8日发生的舟曲特大山洪泥石流的灾害研究，表明在青藏高原边缘特殊的地质地理环境下，由于频繁的地震、滑坡、崩塌和长期森林砍伐，特别是“5.12”汶川大地震，破坏了舟曲县城上游沟谷坡面稳定性，加之前期气候干旱，突遇超过历史极值的强降水，这些因素共同触发了大规模泥石流灾害[27~28]。也有学者研究了青藏高原区域湖泊沉积物、孢粉等，认为即使在全新世气候适宜期内，气候也并非一直温暖湿润，4 ka B.P.前后，高原区域就出现了明显的气候变化期，频发的自然灾害对人类生产和生活产生极其严重的影响[29~31]。也就是在这个时期，官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿和第二级阶地以喇家遗址为代表的齐家文化(4150~3850 a B.P.)聚落遭受了灭顶之灾[5, 10, 21]。最近20年来，喇家遗址史前聚落的毁灭问题，成为学术界研究和争论的焦点，受到国内外各种媒体的关注。综合前人的研究成果：有学者认为发生在4000 a B.P.前后的古地震造成聚落毁坏和人员伤亡，黄河上游的暴雨洪水随之而来，水位上涨而彻底毁灭喇家聚落[32~33]；还有学者认为，发生在1920 BC(3870 a B.P.)的大地震导致积石峡山体滑坡，堵塞黄河形成巨大堰塞湖，堰塞湖坝体于数月后溃决形成大洪水，使前期被大地震毁坏的喇家聚落再次遭受灭顶之灾[6]；而地理学者研究认为覆盖喇家遗址的红色粘土、成分混杂的岩屑砂和砂土等是典型的沟谷山洪与泥流沉积物，其搬运沉积过程与黄河无关，是发生在3850 a B.P.的大地震和暴雨及其诱发的大规模山洪和泥流，沿着吕家沟、岗沟和马家沟而来，共同摧毁了以喇家遗址为代表的齐家文化聚落[3~10]。
最近10年来，本课题组在官亭盆地和黄河积石峡开展了广泛而细致的野外调查和研究。尤其是在官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿和黄河第二级阶地范围内，围绕喇家遗址-二方村遗址区域，进行了土壤学、沉积学和地层学调查，在若干地点建立了比较完善的晚更新世-全新世基本地层序列和年代框架，明确了齐家文化和辛店-卡约文化时期人类活动的地层层位，判定了覆盖层土壤和沉积物性质与成因及其所代表的地表过程，确定了两个时期文化层以及毁灭性灾难发生的年代[3~8, 11~13, 34~35]。这些研究结果，对于正确认识喇家遗址史前灾难的成因机制奠定了重要的基础。
本文主要通过对官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿和黄河第二级阶地的4个土壤沉积剖面的对比，结合若干理化指标和OSL测年结果，系统分析全新世时期山洪与泥流沉积层之间的关系，及其发生过程与全球性气候变化的关系。
1 研究区域概况黄河上游官亭盆地(35°49′~35°50′N，102°43′~102°50′E)位于青藏高原东北脚下，是青藏高原与黄土高原交界处的山间断陷性河谷盆地(图 1)。黄河出积石峡就进入了该盆地，并自西向东穿流而过，进入寺沟峡。盆地总体形态近似三角形，面积约53 km2，海拔1750~1850 m，是整个青海省海拔最低的地区[36]。盆地西侧的拉脊山、积石山，主峰由古老变质岩构成，海拔超过3600 m。黄河切穿积石山形成曲折深邃的积石峡，两岸出露白垩系河口群浊红棕色砂岩、泥岩和杂色砾岩层[37]。拉脊山和积石山大断裂带穿过盆地西部，受构造抬升与河流侵蚀切割的影响，滑坡、崩塌、泥流、泥石流等地质灾害频繁发生。官亭盆地南北两侧是第三系红层丘陵沟壑[5, 9]，海拔介于2200~2300 m，沟深坡陡。由于第三系弱胶结的红色泥岩、砂岩和砾岩等比较松散，长期受到沟谷切割和流水侵蚀，因此滑坡崩塌和山洪泥流、泥石流频繁发生，水土流失十分严重，普遍形成类似于丹霞地貌的劣地(badland)[9]。盆地内部看见有三级河流阶地，由新构造运动抬升与黄河下切形成[24]，其古河床相与河漫滩相沉积层及其下伏晚第三纪红色粘土基座清晰可见。各级阶地表面均有不同厚度的风成黄土覆盖，其中黄河第二级阶地最为发育，与古洪积扇构成了重要的土地资源。古洪积扇和阶地面虽然被众多支流沟谷分割，但基本保持着平坦地势。
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图 1 黄河上游青藏高原东北边缘官亭盆地位置及其卫星影像图 Fig. 1 The location of the Guanting Basin in the upper reaches of the Yellow River on the northeastern margin of the Tibetan Plateau |
黄河北岸古洪积扇前沿和黄河第二级阶地是史前时期以来人类土地开发利用的重点。发源于拉脊山东坡、流经第三系红层丘陵沟壑区、长达25 km的吕家沟、马家沟的暴雨山洪和泥流、泥石流，将大量的成分混杂的岩屑砂砾和红色粘土搬运到官亭盆地，形成了两个面积巨大的古洪积扇。而流经喇家遗址的岗沟则发育形成在两个古洪积扇之间的洼地，虽然长度仅有6 km，但是其强烈的溯源侵蚀在大红山坡形成了直径可达1 km的勺子状洼地。大规模的山洪泥流、泥石流会在古洪积扇前沿溢出沟槽，并将其携带的碎屑物质沉积到黄河第二级阶地面。所以，在古洪积扇前沿和黄河阶地晚更新世和全新世黄土古土壤地层中，往往会发现这些混杂沉积物楔入其中，成为水平层、尖灭层或者透镜状层。调查发现山洪泥流沉积物中大量灰色、黑色岩屑来自于吕家沟源拉脊山东坡的古老变质岩区，成分以角闪石或角闪岩为主(图 2a)。吕家沟流经第三系红层丘陵沟壑区，大量橙色-红色粘土粉砂与灰色、黑色岩屑混合，所以山前古洪积扇的山洪砂土砂砾层表现为灰红-红灰色调，这种沉积物在不同干湿度和不同角度的光线照射之下会呈现出灰色-黑色的色调，被称为“黑砂”(图 2b、2c和2d)。
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图 2 (a) 拉脊山东坡古老变质岩区吕家沟沟源区不同时代灰色、黑色山洪砂砾石沉积物；(b) 喇家遗址西北部吕家沟古洪积扇前沿山洪砂土层(据中国社科院考古所中国考古网，2019)；(c) 下喇家岗沟东岸马兰黄土(L1-1)之下的山洪砂土与泥流沉积层(35000 a B.P.)，年龄数据来源于文献[8]；(d) 喇家遗址东部吕家沟入汇岗沟处黑垆土古土壤上段(S0上)与红色泥流(RC2)界面所夹山洪砂土与红色泥流团块透镜体(3600 a B.P.)，年龄数据来源于文献[5] Fig. 2 (a) Black pluvial deposit in the headwater of the Lüjiagou at the foot of the Lajishan Mountains, which is composed of the old metamorphic rocks; (b) Flashflood deposit(black sand)in the edge of the palaeo-pluvial fan of the Lüjiagou, which is located in the northwest of the Lajia Ruins(Internet of Chinese Archaeology, Institute of Archaeology Chinese Academy of Social Sciences); (c) Flashflood and mudflow deposits inserted into Eolian loess(L1-1)at the east side of the Ganggou gully(35000 a B.P.), the age data is from reference [8]; (d) Lenticular flashflood and mudflow deposits at the confluence of the Lüjiagou to Ganggou gully(3600 a B.P.), the age data is from reference [5] |
官亭盆地内部气候温和，年平均温度8~9 ℃，年平均降水量250~300 mm。但由于地处青藏高原边缘，与周边地形落差大，夏季频繁出现强对流天气，局部性、短时段、高强度暴雨多发。例如官亭盆地在2012年5月和7月、2013年8月均发生高强度的暴雨，并诱发山洪泥流灾害[38]。在黄河第二、三级阶地前沿地带，由于地势平坦，土壤水分充足，且距水源较近，适宜人类居住。这些地带常有史前文化遗址分布，保存较为完整，是环境考古研究和关注的重要区域。多年来考古调查与发掘资料表明，官亭盆地分布有50多处新石器-青铜时代遗址，主要包括仰韶晚期文化(5.5~5.0 ka B.P.)、马家窑文化(5.3~4.0 ka B.P.)、齐家文化(4.2~3.6 ka B.P.)和辛店/卡约文化(3.6~2.6 ka B.P.)[14~17]。尤其是卡约文化时期，人类的放牧和谷物种植混合型农业土地开发利用曾经沿着谷地向青藏高原的高海拔地区扩散发展，对其后的青藏高原人类文化的发展和演变产生了重要影响[18~19]。
2 研究材料和研究方法喇家遗址所在的黄河北岸古洪积扇前沿和黄河第二级阶地区域，由于五千多年来山洪泥流沉积、不同阶段人类村落建设和农业耕作，造成严重的土壤侵蚀和再沉积，地表过程复杂。正如野外考察所见，在喇家遗址和喇嘛峰-二方村遗址及其周边地带，很难找到完整连续的土壤沉积物地层剖面。本课题组10年来在该区域进行了深入系统地野外考察，先后发现并研究了若干个具有代表性的原生土壤沉积物地层剖面(图 3)。
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图 3 官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿与第二级阶地研究地点位置图 Fig. 3 The location of the study sites on the edge of the palaeo-pluvial fan and the second terrace of the Yellow River in the Guanting Basin |
喇家遗址剖面(LJYZ)由3个典型层段合成，其中LJYZ-A位于上喇家村南侧农田陡坎(35°51′49″N，102°48′27″E；海拔1808 m)，LJYZ-B位于上喇家村庙前(35°51′51″N，102°48′18″E；海拔1810 m)，LJYZ-C位于下喇家岗沟东岸坍塌的土崖壁(35°51′35″N，102°48′46″E；海拔1795 m)，整个剖面厚度约4.8 m，从上向下每4 cm连续采取沉积学样品；其后在马家沟古洪积扇前沿二方村辛店/卡约文化遗址范围内的支沟岸发现二方村剖面(EFC：35°51′42″N，102°49′11″E；海拔1792 m)，厚度约4.2 m，从上向下每4 cm连续采取沉积学样品；后来在喇家遗址博物馆建设过程当中，开挖取土暴露出完整连续的上喇家剖面(SLJ：35°51′52″N，102°48′20″E；海拔1813 m)，厚度约4.5 m，从上向下每4 cm连续采取沉积学样品；最后在吕家沟-岗沟古洪积扇前沿上喇家村东，找到了层次完整连续的岗沟岸剖面(GGA：35°51′58″N，102°48′31″E；海拔1812 m)，厚度约6 m，从上向下每5 cm连续采取沉积学样品。以上这4个剖面土壤沉积物地层序列比较完整，地层界限明确，层位关系清晰，很少受到人类活动的影响。它们清楚地记录了晚更新世晚期-全新世以来，风成黄土堆积、古土壤的发育形成，以及古洪积扇前沿大规模山洪泥流活动等突发性、灾难性事件。
在深入细致地野外考察、观察分析的基础上，对于这些土壤沉积物地层剖面从上到下连续采取了高分辨率沉积学样品和OSL测年样品。沉积学样品在实验室自然风干，对各层样品的质地、结构以及构造等宏观特征进行了描述。磁化率采用英国Bartington公司生产的MS-2B型磁化率仪测量。粒度成分采用美国Beckman公司生产的LS13320型激光粒度仪测定。样品前处理用10 %的盐酸(HCl)和10 %的双氧水(H2O2)分别去除碳酸盐和有机质，加入30 %的六偏磷酸钠((NaPO3)6)溶液并用超声波震荡使样品均匀分散，最后上机测试。实验过程将遮光度控制在8 % ~12 %，实验相对误差小于4 %。考虑到古洪积扇前沿溢出沟槽的山洪会将碎屑物质散布到广阔的地面，受到土壤生物活动和人类耕作活动扰动而与土壤混为一体。为了从风成黄土和古土壤当中识别这些非风成沉积物成分，将经过充分分散的样品悬浮液，采用湿筛的方法得到大于0.1 mm的砂级颗粒，并在实体显微镜下对其进行分析鉴别[39~40]。
针对光释光年代样品，在暗室中取钢管中段未曝光部分，经盐酸(10 %)和H2O2 (30 %)溶液分别去除碳酸盐和有机质，并使用筛分法得到90~125 μm的粗颗粒，用HF溶液(20 %)进行溶蚀，再用适量盐酸(10 %)去除溶蚀过程产生的氟化物。经过IR检验来确保长石信号可以忽略不计，等效剂量在陕西师范大学光释光断代实验室Risø-TL/OSL DA-20型全自动释光仪上测试。OSL样品的U、Th、K含量是由中国原子能研究所通过中子活化法测定完成。宇宙射线对剂量率的影响是依据样品所在位置的经纬度、海拔高度、埋藏深度等计算获得[41]。含水量在实验室实测含水量基础上，结合青海地区相关研究结果进行校正获得。样品OSL年龄采用DRACv1.2软件计算获得[42]。
3 土壤沉积物地层层序与年代框架官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿和第二级阶地的平坦土地，被吕家沟、岗沟、马家沟及其次一级沟系切割，地形比较破碎。在全新世时期既有风成黄土的堆积、古土壤的发育，又有大规模山洪泥流灾害，再加上不同时期人类活动的影响，其土壤沉积物地层结构相当混乱。但是官亭盆地毕竟属于黄土高原的范围，其全新世风成黄土堆积和土壤发育过程，必然也会受到季风气候变化的控制。而黄土高原地区全新世中期大暖期形成的黑垆土是显著的标志层，因此成为我们在不同地区认识土壤地层层序并进行地层对比的依据[43]。
分布在喇家遗址及其周边4个土壤沉积物剖面的对比情况如图 4所示。结合上喇家剖面(SLJ)详细的土壤沉积物宏观特征描述(表 1)可以看出，作为古洪积扇前沿和黄河第二级阶地的风成黄土和古土壤覆盖层，其剖面底部通常都有典型的风成黄土-马兰黄土(L1-1)存在。在马兰黄土(L1-1)底部测得OSL年龄为31940±1990 a，顶部两个OSL年龄分别为11500±440 a和12000±430 a[5]。如野外考察所见，马兰黄土(L1-1)覆盖在由河床相卵石层和灰黄色砂层形成的二元结构之上。在吕家沟、马家沟和岗沟的沟岸剖面中，常常会有山洪砂土、泥流尖灭层或者透镜状夹层楔入，直接反映出在风成黄土沉积过程当中，时常会受沟谷山洪泥流过程的影响，其上的全新世黄土-古土壤地层与黄土高原其他区域的地层序列相同，仍然表现为过渡性黄土(Lt)-黑垆土古土壤(S0)-近代黄土(L0)-现代土壤(MS)[5]。受微地形影响，不同剖面地层厚度存在差异。根据地层层序规律和测年结果，其基本年代框架与黄土高原地区相同[5]。剖面底部的过渡性风成黄土(Lt)形成在全新世早期(11500~8500 a B.P.)，黑垆土古土壤发育形成在全新世中期大暖期(8500~3100 a B.P.)，近代风成黄土(L0)和现代土壤(MS)形成在全新世晚期(3100 a B.P.~至今)[5]。
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图 4 官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿和第二级阶地全新世土壤沉积物地层对比 年龄数据来源于文献[5, 34~35] Fig. 4 Correlation of the pedo-stratigraphic sequences on the edge of palaeo-pluvial fan and on the north bank of the Yellow River in the Guanting Basin(the OSL age data are from references [5, 34~35]) |
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表 1 官亭盆地黄河北岸第二级阶地上喇家剖面(SLJ)地层划分与土壤沉积学特征描述(年龄数据来源于文献[34]) Table 1 Pedo-stratigraphic subdivision and descriptions of the SLJ profile on the second terrace of the north bank of the Yellow River in the Guanting Basin(the OSL age data is from reference [34]) |
这4个土壤沉积物剖面最为显著的特征，是其全新世中期黑垆土古土壤(S0)均被不同厚度的山洪砂土和泥流沉积夹层分隔为多个层段：上喇家(SLJ)剖面黑垆土古土壤出现在距离地表120~390 cm处，被山洪泥流层(RC1、RC2、RC3)和山洪砂土层(FFD)分隔为4个层段(S0上、S0中上、S0中下、S0下)；喇家遗址(LJYZ)剖面黑垆土古土壤出现距地表100~320 cm，被山洪泥流层(RC1、RC2)分隔为3个层段(S0上、S0中、S0下)；岗沟岸(GGA)剖面中黑垆土古土壤出现在距地表100~540 cm，被3层山洪泥流层(RC1、RC2、RC3)和山洪砂土层(FFD)分隔为4个层段(S0上、S0中上、S0中下、S0下)；二方村遗址(EFC)剖面中黑垆土古土壤出现在距地表100~380 cm，被山洪泥流层(RC)和山洪砂土层(FFD)分隔为上下两个层段(S0上、S0下)。同时，可以确定以喇家遗址为代表的齐家文化层是被山洪砂土或者山洪泥流覆盖埋藏，而辛店/卡约文化层是叠覆在山洪泥流层组之上的[5]。也就是说以喇家遗址为代表的齐家文化大型聚落是被大规模的山洪泥流等地质灾害所毁坏。当然，其中还有多场次大地震破坏作用的叠加。而辛店/卡约文化人群是在山洪泥流和大地震结束之后，才重新占据黄河北岸古洪积扇前沿和黄河第二级阶地。
4 结果分析 4.1 上喇家剖面(SLJ)位于黄河第二级阶地喇家遗址区域范围内偏北部的上喇家剖面(SLJ)最具有代表性，其地层划分和土壤沉积物地层描述如表 1。剖面磁化率介于11.10×10-8~85.20×10-8 m3/kg，不同层位磁化率差异极为显著(图 5)。风成黄土层(L1、Lt、L0)的磁化率均值分别为40.38×10-8 m3/kg、42.14×10-8 m3/kg和39.63×10-8 m3/kg；黑垆土古土壤层(S0下、S0中下、S0中上、S0上)由于受到强烈的风化成壤作用，磁化率值较高，均值分别为70.96×10-8 m3/kg、38.48×10-8 m3/kg、69.25×10-8 m3/kg和48.25×10-8 m3/kg；表土层(MS)磁化率值为46.15×10-8 m3/kg；山洪泥流层(RC)和山洪砂土层(FFD)的磁化率最低，与古土壤各个层段形成鲜明的对比，其中山洪泥流层(RC1、RC2、RC3)磁化率值最低，均值分别为27.02×10-8 m3/kg、36.90×10-8 m3/kg和17.48×10-8 m3/kg，山洪砂土层(FFD)的磁化率为22.38×10-8 m3/kg。可见山洪泥流沉积速度快，迅速埋藏覆盖，未受到地表风化成壤作用的改造[44]。
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图 5 官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿上喇家剖面地层序列(SLJ)及相关指标和年代框架 年龄数据来源于文献[34] Fig. 5 The proxy indexes and chronology framework in the SLJ profile on the palaeo-pluvial fan on north of the Yellow River in the Guanting Basin(the OSL age data is from reference [34]) |
由粒度分析结果显示风成黄土层(L1、Lt和L0)的粘粒和细粉砂含量均值分别为9.24 %和34.80 %，黑垆土古土壤层(S0)粘粒和细粉砂含量均值分别为14.58 %和39.57 %。山洪泥流层(RC1、RC2和RC3)细颗粒组分含量极高，粘粒含量均值分别为20.30 %、18.29 %和14.51 %；细粉砂含量均值分别为53.46 %、49.08 %和39.06 %。而山洪砂土层(FFD)大小混杂，分选很差，粘粒含量和细粉砂含量分别为9.86 %、25.86 %。
整个上喇家剖面(SLJ)大于0.1 mm的砂级颗粒含量在0.07 % ~40.44 %之间。剖面下部风成黄土层(L1)和黑垆土古土壤(S0下、S0中下和S0中上)砂级颗粒含量很低，表明它们是比较纯粹的风尘堆积物，很少受到沟谷山洪的影响。下部山洪泥流层(RC1和RC2)砂级颗粒含量也很低，表明它们是纯净的泥流，来源于第三系红层丘陵沟壑区。而上部山洪泥流层(RC3)砂级颗粒显著增多，在山洪砂土层(FFD)中出现极大值，均值达32.64 %。剖面上部的黑垆土古土壤(S0上)与风成黄土层(L0)和表土层(MS)砂级颗粒含量增多，这些反映出吕家沟山洪溢出沟槽，将其携带的砂砾沉积到古洪积扇前沿和黄河第二级阶地。其中在上段黑垆土古土壤(S0上)的底部(160~180 cm)砂级颗粒当中，灰色、黑色岩屑(角闪石)含量高达50 % ~60 %，其性质与喇家遗址Ⅷ区探方和Ⅺ区探方剖面所谓“黑砂”相同[5]，是吕家沟源区的山洪从拉脊山东坡古老变质岩区搬运来的岩屑沉积的产物。
4.2 喇家遗址剖面(LJYZ)位于黄河第二级阶地喇家遗址范围之内的喇家遗址(LJYZ)剖面的磁化率介于16.70×10-8~90.60×10-8 m3/kg(图 6)。风成黄土层(Lt和L0)磁化率介于41.70×10-8~45.30×10-8 m3/kg；黑垆土古土壤层(S0上、S0中和S0下)磁化率最高，分别为41.50×10-8 m3/kg、72.10×10-8 m3/kg和40.20×10-8 m3/kg；表土层(MS)的磁化率均值为41.40×10-8 m3/kg；山洪泥流层(RC1和RC2)磁化率最低，分别为34.90×10-8 m3/kg和25.20×10-8 m3/kg。
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图 6 官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿喇家遗址剖面地层序列(LJYZ)及相关指标和年代框架 年龄数据来源于文献[5] Fig. 6 The proxy indexes and chronology framework in the LJYZ profile on the palaeo-pluvial fan on north of the Yellow River in the Guanting Basin(the OSL age data is from reference [5]) |
粒度分析结果表明风成黄土层(L1、Lt和L0)粘粒含量均值分别为8.99 %、9.85 %和13.23 %，细粉砂含量均值分别为23.82 %、26.45 %和29.84 %；黑垆土古土壤层(S0上和S0下)粘粒含量为14.36 %和11.63 %，细粉砂含量均值分别为43.03 %和32.61 %；山洪泥流层(RC1和RC2)粘粒含量均值分别为19.11 %和13.99 %，细粉砂含量分别为51.88 %和54.11 %，均比风成黄土和黑垆土古土壤要高。
在喇家遗址剖面(LJYZ)大于0.1 mm砂级颗粒含量在0.10 % ~9.97 %之间。剖面底部马兰黄土(L1)和过渡性黄土(Lt)中砂级颗粒含量很低，仅为0.12 % ~0.52 %，含有极细的云母碎屑，可知全部是风尘沉积物，未受到沟谷山洪过程的影响。而全新世黑垆土古土壤(S0上、S0中和S0下)与风成黄土层(L0)和表土层(MS)砂级颗粒含量出现若干个峰值，显示其堆积发育受到了沟谷山洪的影响。山洪泥流层(RC1和RC2)砂级颗粒含量也很低，均值分别为0.76 %和1.08 %，表明它们全部是来源于第三系红层丘陵沟壑区的泥流沉积物。在黑垆土古土壤(S0中)和(S0上)下部的砂级颗粒当中，灰色、黑色岩屑多达40 % ~60 %，表明是沟谷山洪从拉脊山东坡古老变质岩山地搬运而来。
4.3 岗沟岸剖面(GGA)位于古洪积扇前沿喇家遗址范围以外的岗沟岸剖面(GGA)，不同地层磁化率值差异大(图 7)。风成黄土层(L1、Lt和L0)的均值分别为30×10-8 m3/kg、30×10-8 m3/kg和48×10-8 m3/kg；黑垆土古土壤层(S0下、S0中下、S0中上和S0上)的磁化率最高，介于32×10-8~71×10-8 m3/kg之间，均值分别为32×10-8×10-8 m3/kg、37×10-8 m3/kg、74×10-8 m3/kg和46×10-8 m3/kg；山洪泥流层(RC1、RC2和RC3)磁化率极低，均值分别为17×10-8 m3/kg、15×10-8 m3/kg和18×10-8 m3/kg；山洪砂土层(FFD)的磁化率均值仅为16×10-8 m3/kg。
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图 7 官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿岗沟岸剖面地层序列(GGA)及相关指标和年代框架 Fig. 7 The proxy indexes and chronology framework in the GGA profile on the palaeo-pluvial fan on north of the Yellow River in the Guanting Basin |
粒度成分分析表明，风成黄土层(L1、Lt和L0)粘粒均值分别为10.90 %、11.70 %和15.67 %，细粉砂含量均值分别为29.16 %、37.43 %和43.53 %；黑垆土古土壤层(S0下、S0中下、S0中上和S0上)粘粒含量介于12.80 % ~20.30 %，细粉砂含量介于32.50 % ~57.60 %；山洪泥流层(RC1、RC2和RC3)粘粒含量均值分别为19.00 %、15.16 %和17.00 %，细粉砂为59.81 %、47.25 %和50.02 %；山洪砂土层(FFD)搬运距离短，分选很差，大小颗粒混杂，粘粒含量为13.80 %，细粉砂含量为37.54 %。
在岗沟岸剖面(GGA)大于0.1 mm砂级颗粒含量在0.13 % ~27.66 %之间，在过渡性黄土(Lt)、黑垆土古土壤下段(S0下)、山洪泥流层(RC2)和山洪砂土层(FFD)出现峰值，最高可达27.67 %。这说明该土壤沉积物剖面形成过程当中有3~4次沟谷山洪溢出沟槽，影响其堆积发育。在山洪砂土层(FFD)的砂级颗粒当中，灰色、黑色岩屑含量高达50 % ~60 %，表明这种岩石碎屑是沟谷山洪从拉脊山东坡古老变质岩山地搬运而来。
4.4 二方村遗址剖面(EFC)位于马家沟古洪积扇前沿喇嘛峰-二方村遗址范围之内的二方村遗址剖面(EFC)。磁化率变化也很大(图 8)。全新世早期过渡性黄土(Lt)与全新世晚期风成黄土(L0)的磁化率均值分别为39.57×10-8 m3/kg和47.18×10-8 m3/kg；全新世中期黑垆土古土壤层(S0上和S0下)磁化率分别介于34.00×10-8~49.33×10-8 m3/kg、39.33×10-8~52.33×10-8 m3/kg；现代表土(MS)磁化率值较高，均值为41.13×10-8 m3/kg；山洪砂土层的磁化率低，均值分别为27.58×10-8 m3/kg(FFD2)、25.88×10-8 m3/kg(FFD3)；山洪泥流层(RC)磁化率最低，均值为22.87×10-8 m3/kg。该剖面最重要的特征是辛店/卡约文化早期的灰烬层(ASL)覆盖在山洪泥流层之上，它是人类生活用火大量燃烧草木的产物[45]，其磁化率最高，介于71×10-8~92×10-8 m3/kg。这个地层结构充分表明在山洪泥流盛行期结束之后，辛店/卡约文化时期的人类占据了黄河北岸古洪积扇前沿和黄河第二级阶地。
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图 8 官亭盆地黄河北岸古洪积扇前沿二方村遗址剖面地层序列(EFC)及相关指标和年代框架 年龄数据来源于文献[35] Fig. 8 The proxy indexes and chronology framework in the EFC profile on the palaeo-pluvial fan on north of the Yellow River in the Guanting Basin(the OSL age data is from reference [35]) |
该剖面粒度成分分析结果显示，全新世早期过渡性黄土(Lt)粘粒和细粉砂含量均值分别为6.06 %和27.06 %；风成黄土(L0)中粘粒和细粉砂含量分别为5.47 %和35.93 %；黑垆土古土壤层(S0下和S0上)中粘粒含量分别为5.56 %和12.70 %，细粉砂含量分别为33.13 %和49.89 %；山洪泥流层(RC)中粘粒和细粉砂含量分别为7.78 %和57.65 %，三层山洪砂土层(FFD1、FFD2和FFD3)分选很差，成分混杂，粘粒含量为6.76 %、7.31 %和7.39 %，细粉砂含量分别为28.50 %、41.95 %和39.50 %。
二方村剖面(EFC)大于0.1 mm砂级颗粒含量在0.39 % ~41.77 %之间。由于其位于古洪积扇前部沟槽岸，受到山洪漫溢沉积影响频繁，因而山洪砂土层数增多(FFD1、FFD2和FFD3)，其砂级颗粒含量均值分别为37.93 %、27.91 %和17.49 %；甚至在下段古土壤(S0下)中砂级颗粒含量也高达27.22 %，表明其发育过程受到山洪的影响。况且，其中灰色、黑色岩屑含量高达50 % ~60 %，从沟槽走向可以判知它是马家沟山洪从拉脊山东坡古老变质岩地区搬运而来；而夹在山洪砂土层之间的山洪泥流层(RC)砂级颗粒含量极低，表明它是纯粹的泥流沉积物，来自于马家沟中游的第三系红层丘陵沟壑区。剖面上部黑垆土古土壤上段(S0上)与风成黄土层(L0)和表土层(MS)砂级颗粒含量也比较高，反映出山洪灾害频繁发生。
在以上这4个剖面的黑垆土古土壤下段(S0下)的上部、黑垆土古土壤上段(S0上)和表土层(MS)的砂级颗粒当中，常常含有木炭屑，这正是齐家文化、辛店/卡约文化和现代人类开发利用土地资源，影响土壤发育的直接证据。
5 讨论 5.1 全新世山洪泥流盛行期及其年代野外调查可知，官亭盆地喇家遗址和喇嘛峰-二方村遗址位于黄河北岸山前古洪积扇前沿和黄河第二级阶地。这个区域地势低洼平坦，南临黄河，地面有风成黄土和古土壤覆盖，地下水位也比较浅，在黄河第二级阶地前沿各处均有泉眼出露。喇家遗址北侧的岗沟发源于第三系红层丘陵沟壑区，吕家沟和马家沟发源于拉脊山东坡古老变质岩区域、流经第三系红层丘陵沟壑区[5]，这些季节性沟谷的山洪、泥流和泥石流可以将大量泥沙和砂砾携带至官亭盆地，而盆地北侧由北向南微缓倾斜的多级巨大古洪积扇台地就是由这些沉积物构成的。规模巨大的古洪积扇的存在，表明地形高差巨大的青藏高原坡脚是暴雨山洪泥石流频繁发生的地区[37]。
沿着这些沟谷溯源实地调查发现，在沟道中游段的第三系红层丘陵沟壑区，新老沉积物主要是橙色-红色的砂砾、砂土和粘土沉积物；在沟源段拉脊山东坡区域，新老沉积物皆为灰色、黑色的砂砾石沉积物(图 2a)，经鉴定其岩性主要是角闪石或角闪岩；在这些沟谷下游官亭盆地的古洪积扇区域，山洪泥流和泥石流沉积物大量堆积，导致沟槽常常被堵塞，沟谷不断迁移改道，因而在古洪积扇前沿和黄河阶地形成许多放射状分布的废弃沟槽。喇家遗址的西部和西南部位于吕家沟古洪积扇上，沿着那些沟槽的天然剖面和考古探方剖面，暴露出其沉积物主要是分选很差、成分混杂的山洪砂土和砂砾石沉积物，整体色调表现为灰红-红灰色，有时则呈现出灰色-灰黑色，故而被称为“黑砂”(图 2b)。喇家遗址的东部和东北部则属于吕家沟汇入岗沟的低洼地带，沿着沟槽的土壤剖面和考古探方剖面，均可见沉积物为山洪砂土砂砾与红色泥流层。在古今沟谷切割黄河第二级阶地露出的陡崖剖面，可见晚更新世-全新世风成黄土和古土壤覆盖了具有二元结构的黄河河床相与河漫滩相沉积层[5, 8]。在剖面各个层位皆有山洪砂土砂砾和红色泥流水平层、尖灭层或者透镜状夹层存在(图 2c和2d)。
本文所研究的4个全新世土壤沉积物地层剖面，清晰地反映出官亭盆地黄河北岸吕家沟、岗沟和马家沟交汇地带、古洪积扇前沿与黄河第二级阶地全新世时期的地表过程(图 4)。综合分析野外考察和实验测试结果，可知这些剖面部分地层中大于0.1 mm砂级颗粒(非风成组分)含量极低，表明风成黄土和古土壤堆积形成时期，地面相对稳定，山洪泥流、泥石流仅限于沟槽内流动。而剖面中有些层位大于0.1 mm砂级颗粒含量很高，表明当时山洪溢出沟槽，将其携带的碎屑物质搬运到沟槽以外的平坦低洼地面。含有灰色、黑色岩屑较多的层位，例如二方村剖面(EFC)黑垆土古土壤下段(S0下)、上喇家剖面(SLJ)与喇家遗址剖面(LJYZ)和岗沟岸剖面(GGA)黑垆土古土壤上段(S0上)的下部等则反映出当时的暴雨山洪来自于沟谷源头的拉脊山东坡地区；而其他层段的山洪砂土物质则主要来自于沟谷中游的第三系红层丘陵沟壑区。
综合本文4个剖面的实验结果，可知这些剖面最为突出的特征，是全新世中期黑垆土古土壤层被橙色-红棕色粘土质泥流沉积层分隔为若干个层段(图 4~8)。从宏观特征来看，粘稠性泥流沉积层内表现为团块状、流动卷曲扰动状，而稀性泥流沉积层会呈现出假层理，层间偶尔会出现积水洼地类沼泽相灰黑色薄层；从沉积学测试结果，可知泥流沉积物中粘粒和细粉砂含量极高，砂级颗粒含量和磁化率值很低，与古土壤呈现出相反的规律，这正是继承了其来源地第三系红层的基本特点[9]。从微观形态来看，这种泥流沉积物分选很好，粗颗粒呈现圆状-次圆状，存在大量近圆形、椭圆形、不规则形的孔隙和气泡，具有粘稠状态流动的显著特征[46]。
根据这4个剖面的山洪泥流层与黑垆土古土壤层的穿插关系，可以确定在黑垆土古土壤发育期，官亭盆地北部沟谷曾经有一个山洪泥流盛行期，大规模的山洪泥流溢出了沟槽，覆盖了古洪积扇前沿和黄河第二级阶地的土地。这个山洪泥流盛行期的OSL年龄在上喇家剖面(SLJ)为3960~3650 a[34]，在二方村遗址剖面(EFC)为3940~3780 a[35]。根据考古学界和地质学家对在喇家遗址内齐家文化聚落废墟中骨骼、木炭屑以及第二场大地震喷砂透镜体中动物骨骼的14C测年结果[10, 21]，确定这个山洪泥流盛行期的14C年龄为3850~3600 a B.P.[5]。这就是说在测年数据误差范围之内，针对喇家遗址山洪与红色泥流沉积事件的OSL测年结果与14C测年结果是吻合的(表 1和图 4)。
5.2 山洪泥流盛行期与全球气候变化的关系综合分析山洪泥流盛行期的气候变化、地质事件、人类活动影响和地表过程，可知在这个时期官亭盆地发生在3850 a B.P.和3600 a B.P.的两场多次大地震，引起第三系红层丘陵沟壑区普遍的滑坡崩塌、坡面土层松动以及史前人类活动造成的坡地植被退化和水土流失，这些均为山洪泥流事件发生的基础条件。而触发这个山洪泥流盛行期形成的直接因素，则必然是高强度的暴雨过程。
官亭盆地与其周边山地丘陵之间地形高差巨大，其现代气候最突出特点是夏季对流旺盛，频繁出现强对流天气，这会造成局部性、短时段、高强度暴雨频发[47]。例如在2010年7月29~30日、2018年8月2~3日，官亭盆地及其周边地区暴雨降水量都达到或超过80 mm，普遍造成第三系红层沟壑丘陵坡面风化层和土壤饱水液化而下泄，带走草皮和农作物，形成“山剥皮”现象，并诱发强烈的山洪、泥流和泥石流灾害，损毁民居、农田、道路、水利和通讯设施。由此可知，官亭盆地在OSL年龄3960~3650 a或者14C年龄3850~3600 a B.P.的山洪泥流盛行期，正是大气对流旺盛、高强度暴雨频繁发生的时期。
从其发生年代来看，官亭盆地史前山洪泥流盛行期恰好发生在自4200 a B.P.开始的全球性的气候突变转折期(图 9)。这个突出的气候事件在世界各地都有广泛的记录[48~51]。青藏高原东北部与黄土高原过渡地带对于全球变化响应比较敏感，有大量研究资料揭示出该区域在距今4000年前后气候变干或者变冷的状况[52~56]。例如，青藏高原东北部西门错湖泊沉积物，清楚地记录了发生在4.2 ka B.P.前后的降温事件[57]。青海湖沉积物的研究证明了4 ka B.P.的降温与干旱事件，在中国北方具有普遍性[58]。对于青藏高原东北边缘共和-官亭盆地区域若干地点沉积物的多指标研究，发现在4.2~2.6 ka B.P.冬夏季风均有所减弱[59]。共和盆地东部的达连海湖泊沉积物的粒度、磁化率、碳酸盐含量等环境代用指标的综合研究，表明该区域在4.1~3.7 ka B.P.出现了气候干旱与降温事件，尤其是在4 ka B.P.前草原植被、土壤发育，而4 ka B.P.之后，古土壤发育中断，植被退化，风沙地取而代之[60~61]。位于黄土高原西部甘肃秦安大地湾和苏家湾剖面、六盘山区天池湖泊沉积物的多种指标分析结果，均清楚地表明在4 ka B.P.前后，各种指标均发生显著变化，显示出气候变得干燥并且发生了降温[62~63]。由此可见，4 ka B.P.前后开始的全球气候冷干事件，在官亭盆地所在的青藏高原东北边缘环境敏感地带的表现很突出，这些都会对地表过程和人类活动造成深刻的影响。
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图 9 官亭盆地山洪泥流盛行期与全新世气候变化的关系(据David Archibald，2007修改)[48] Fig. 9 The relationship between the prevailing period of flash floods and mudflows and the global climate change during the Holocene(modified from David Archibald, 2007)[48] |
史前时期以来河流特大洪水事件、沟谷山洪、水土流失、泥流、泥石流等严重灾害性事件和地表过程与气候变化的关系，是环境变化与人地关系演变的国际前沿性课题。根据黄春长教授及其团队等多年来针对黄河中上游全新世万年尺度特大洪水事件及其气候和水文特性研究，发现在全球性气候恶化与突变转折阶段，由于大气环流路径变化或者大气环流状态不稳定，常常会引发极端性天气过程，导致在同一阶段，既有严重干旱，又会有特大暴雨洪水事件发生[64~71]。这个研究结果突破了前人关于气候变化理论当中所谓“温暖湿润期”“寒冷干旱期”简单粗略的概念性模式，准确地揭示了黄河流域气候变化与突变转折阶段的水文特性，被国际著名气候水文专家或者专家组所认可[72~74]。这个具有突破性的研究结论，有助于我们深入理解官亭盆地在OSL年龄3960~3650 a或者14C年龄3850~3600 a B.P.发生的山洪泥流盛行期。也就是说，发生在4000年前后的全球性气候突变事件造成青藏高原边缘大气环流不稳定，多突发性强对流天气，极端性暴雨频发。在史前人类土地开发利用影响与多次大地震造成的坡面失稳背景条件之下，频繁发生的暴雨诱发大规模山洪和泥流、泥石流等灾害性地表过程，由此形成了群发性灾害，毁灭了古洪积扇前沿和黄河第二级阶地的以喇家遗址为代表的齐家文化聚落。
6 结论青藏高原东北边缘与黄土高原过渡地带，自然环境具有高度的敏感性和脆弱性。然而，处于这种环境条件下的官亭盆地黄河两岸，地势低洼平坦，农业水土资源相对较好，史前时期马家窑文化-齐家文化-辛店/卡约文化高度发展。尤其是盆地内黄河北岸古洪积扇前沿和黄河第二级阶地的喇家遗址和喇嘛峰-二方村遗址，比较清晰地反映出这些史前文化发展及其土地开发利用演变与气候和环境变化、灾害性地表过程、土壤土地资源变化的关系。
通过深入细致地调查研究，在这些重要古遗址所在区域及其周边地带，发现4个重要的全新世土壤地层剖面，其沉积物性质和地层结构密切相关。它们清晰地反映出黄河北岸山前巨大古洪积扇前沿和黄河第二级阶地，在全球性气候变化、青藏高原新构造运动、史前人类活动影响之下发生的地表过程和群发性巨大灾难及其毁灭性影响。对这些剖面沉积物性质及其层序结构的综合分析，揭示出第四纪晚期，盆地北侧源自于拉脊山东坡、流经第三系红层丘陵沟壑区的吕家沟、岗沟和马家沟的山洪和泥流、泥石流，在盆地内塑造出巨大的山前古洪积扇。而晚更新世晚期-全新世时期风成黄土堆积覆盖了古洪积扇前沿和阶地面，全新世中期全球性大暖期有良好的黑垆土古土壤发育。在这个过程当中，山洪泥流、泥石流时常会在古洪积扇前沿溢出沟槽，将其携带的大量碎屑物质沉积物扩散，沉积到平坦地面。
喇家遗址及其周边地区全新世时期最为突出的特点，是在OSL年龄3960~3650 a，对应14C年龄3850~3600 a B.P.，曾经出现一个山洪泥流盛行期。在这个时段青藏高原东北边缘新构造运动活跃，至少发生了两场多次大地震，引起普遍的滑坡崩塌，造成坡面土层松动；再加上史前人类长期的聚落建设、农业耕作等土地资源开发，盆地周边第三系红层丘陵沟壑区地表植被遭受严重破坏，水土流失加剧，大量松散物质在沟谷和坡麓地带堆积。而此时恰逢4000年前后全球性气候突变转折阶段，使得青藏高原东北边缘大气环流状态极不稳定，强对流天气大大增加，造成暴雨频繁发生。暴雨诱发规模巨大的山洪泥流，沿着吕家沟、岗沟和马家沟冲泄而下，在古洪积扇前沿溢出沟槽，在黄河二级阶地面堆积沉积，淹埋农田和聚落，导致以喇家遗址为代表的齐家文化大型聚落被毁灭。山洪泥流盛行期结束之后，古洪积扇前沿和黄河第二级阶地面黑垆土恢复发育，早期辛店/卡约文化(3600~3400 a B.P.)零散人群移居到这片土地上，发展了放牧与谷物种植的混合型农业。
致谢: 非常感谢审稿专家和编辑部杨美芳老师专业且富有建设性的修改意见，他们细致的工作使本文的质量得以较大的提高!
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,
Huang Chunchang1
,
Pang Jiangli1,
Zhou Yali1,
Zhang Yuzhu2,
Guo Yongqiang3,
Zhou Qiang4,
Zhao Hui1,
Chui Yuda1,
Zheng Zixing1,
Wang Haiyan1,
Liu Lu1,
Shang Ruiqing1,
Wang Zhaoduo1
2 College of Urban and Environmental Sciences, Northwest University, Xi'an 710127, Shaanxi;
3 Institution of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences&Ministry of Water Conservancy, Chengdu 610041, Sichuan;
4 School of Geographical Science, Qinghai Normal University, Xining 810008, Qinghai)
Abstract
The natural environment over the northeastern margin of the Tibetan Plateau in the upper Yellow River is highly sensitive and fragile because of the high elevation and deep incision of the river systems. The Holocene environmental evolution and its response to global change and human impact over this region have received widespread attention from scientists at home and abroad. In the Guanting Basin (35°49'~35°50'N, 102°43'~102°50'E) along the Yellow River at the foot of the Lajishan and Jishishan Mountains, archaeological excavation has exposed the fearsome scene of pre-historical disasters that ruins a huge settlement of the Qijia Culture (4150~3850 a B. P.) of the Neolithic. However, due to a lack of overall investigation of the sediments, stratigraphy, pedogenensis, human disturbance and the surface processes, the causation and the mechanism of the prehistoric catastrophe are still unclear and thus open to debate and disagreement among the scholars in the field of earth sciences and archaeology. During our extensive field investigations during the last ten years, the complete and continuous pedo-stratigraphic profiles were identified at four sites on the second terrace of the Yellow River and the simple connected front edge of the palaeo-pluvial fans formed by the Lüjiagou, Ganggou and Majiagou gullies in the north part of the Guanting Basin. These include the Shanglajia profile (SLJ:35°51'52"N, 102°48'20"E) about 4.5 m thick, the Lajiayizi profile (LJYZ-A:35°51'49"N, 102°48'27"E; LJYZ-B:35°51'51"N, 102°48'18"E; LJYZ-C:35°51'35"N, 102°48'46"E) about 4.8 m thick, the Erfangcun profile (EFC:35°51'42"N, 102°49'11"E) about 4.2 m thick and the Ganggou'an profile (GGA:35°51'58"N, 102°48'31"E) about 6.0 m thick. After our detailed observation and survey in these profiles, high-resolution samples were taken every 5 cm down the GGA profile and every 4 cm down the other profiles from the ground surface continuously. In the laboratory, these soil and sediment samples were processes carefully and magnetic susceptibility and particle-size distribution were analyzed systematically. And especially, the non-dust fraction (particles> 0.1 mm) were separated by wet-sieving and then examined under a binocular microscope for identification of pottery shards, charcoal and rock fragments brought in by flashflood and human activities since the Neolithic. The results show that eolian loess (L1-1 and Lt) were deposited and blanketed the front edge of the palaeo-pluvial fans and also the second terrace of the Yellow River during the Late Pleistocene to Early Holocene. And during the mid-Holocene Climatic Optimum, a thick and fertile palaeosol (S0) of Heilusol was formed over the flat ground. A common pedo-stratigraphic characteristic is that this palaeosol (S0) are split into several sub-layers by the inserted flashflood and mudflow deposits. And the famous Lajia Ruins was built on the ground consisting of the lower sub-layer (S0-lower) of the palaeosol (S0) and buried directly by the flashflood and mudflow deposits (RCs and FFD). These means that the huge settlement of the Qijia Culture was destroyed by the enormous flashfloods and mudflows overflowed the tributary gullies, which came from the hills of the Tertiary Red Formation and also form the Lajishan Mountains and the Jishishan Mountains of the old metamorphic rocks. Our OSL dating indicates that these large-scale catastrophic surface processes induced by intensive stormrains occurred during 3960~3650 a, equivalent to14C age 3850~3600 a B. P. More in-depth investigation discovered that the ground over the Lajia Ruins were badly broken by earthquake fissures. Our research shows that there were two large earthquakes occurred in the Guanting Basin at 3850 a B. P. and 3600 a B. P. respectively. It was the first earthquakes accompanied by stormrains, flashfloods and mudflows from the tributary gullies destroyed the prehistorical Lajia settlement and killed the people at home. With consideration of the Holocene climate change, it is found that this prehistorical catastrophe occurred just during the climatic decline since 4200 a B. P. that defined by various proxy-data over the world. Apart from the great earthquakes, the prevailing period of intensive stormrains, flashfloods and mudflows are obviously caused by the highly variable and unstable atmospheric circulation at the northeast margin of the Tibetan Plateau during the global climate decline. And also, extensive soil erosion over the gully and hilly regions induced by prehistoric human land reclamation and vegetation clearance over a thousand years may have intensified the flashfloods and mudflows to certain extend. The disastrous period was over at 3600 a B. P. and the palaeosol formation (S0-upper) was recovered over the front edge of the palaeo-pluvial fans and the second terrace of the Yellow River. Then, the people of Xindian/Kayue Cultures (3600~2600 a B. P.) reoccupied the land in these areas and developed mixed agriculture of stockbreeding with some millets cultivation. These results are of great importance in understanding prehistoric environment evolution, surface processes, natural disasters and human-land relationship over the upper Yellow River at the northeast margin of the Tibetan Plateau.