黑碳在古城开封地层沉积旋回划分中的应用

摘要

开封城市兴衰与黄河密切相关，黄河泛滥将多个朝代的开封古城淤埋在了地下，形成了独特的“城摞城”奇观。然而，有确切文献记载的开封古城毁于黄河泛滥的事件只有3次，其他黄泛事件的次数、发生时间、洪灾程度等尚无科学定论。应用地层学方法开展沉积旋回研究应该是解决上述问题的有效方法。但是，开封古城地下的黄河冲积沉积不同于黄土沉积和湖海沉积，在每一次洪水泛滥之后，由于受城市重建和灾后淘宝活动等人为扰动的影响，正常的沉积层序往往被打乱，给粒度分析识别沉积韵律带来不少困难，所以单靠传统的粒度分析很难确定其沉积旋回，需要寻找其他的代用指标综合确定其沉积旋回。
　　本文选择开封市作为研究对象，在野外调查、采样、室内分析的基础上，对开封市西郊河南大学金明校区(ZKjm)、老城区河南大学师专校区(ZKsz)典型钻孔（深25 m）柱状岩芯样品进行高密度采样（样品间距10 cm），共获得样品438个。在实验室开展了样品粒度分析、颜色鉴定、有机碳和黑碳含量测定，以郊区ZKsz钻孔地层粒度旋回和黑碳旋回为参照，对深受人类活动的城市地层沉积旋回划分进行了较系统的研究，得出如下主要结论:
　　(1)郊区ZKjm钻孔地层按照黏粒和砂粒含量自下至上分别共划分9个旋回。分别是，第1个旋回（23.8 m以下），第2个旋回(20.3～23.8 m)，第3个旋回(14.5～20.3 m)，第4个旋回(12～14.5 m)，第5个旋回(7.8～12 m)，第6个旋回(5.8～7.8m)，第7个旋回(2.5～5.8 m)，第8个旋回(1.8～2.5 m)，第9个旋回(0.8～1.8m)。
　　城区ZKsz钻孔地层从地表至6.5 m深度范围内，由于受人为扰动的影响，粒度旋回不甚清楚;地下6.5～25 m从下到上大致可以划分出5个沉积旋回。分别是，第1个旋回(21.5～25 m)，第2个旋回(19.5～21.5 m)，第3个旋回(15.5～19.5 m)，第4个旋回(11～15.5 m)，第5个旋回(6.5～11 m)。两钻孔在地表6.5 m以下的粒度旋回数目和界限基本一致。地下11～13m可能是战国时期的原始地面。
　　(2)郊区ZKjm钻孔地层按照黑碳含量自下至上可以划分为8个旋回，并且与其粒度旋回的界限基本吻合，分别是，第1个旋回(18.8～24.5 m)，第2个旋回(14.5～18.8m)，第3个旋回(13～14.5 m)，第4个旋回(7.8～13 m)，第5个旋回(5.3～7.8 m)，第6个旋回(2.5～5.3 m)，第7个旋回(1.8～2.5 m)，第8个旋回(0.8～1.8 m)。因此，黑碳含量在划分黄河泛滥地层冲积物旋回中，可以弥补传统代用指标粒度因受人为扰动影响的不足。可以作为一种划分河流冲积物地层沉积旋回的代用指标。
　　(3)按照黑碳含量可以将城区ZKsz地层自下至上可以划分为9个旋回，分别是第1个旋回(20.8～25 m)，第2个旋回(17.8～20.8 m)，第3个旋回(13.6～17.8 m)，第4个旋回(11.7～13.6 m)，第5个旋回(7.2～11.7 m)，第6个旋回(3.2～7.2 m)，第7个旋回(2.2～3.2 m)，第8个旋回(1.3～2.2 m)，第9个旋回(0.5～1.3 m)。地表以下6.5～25 m的黑碳旋回与其粒度旋回基本一致。
　　(4)城区黑碳含量与有机碳含量之间相关性好于郊区。开封西郊ZKjm钻孔地层剖面各样品的黑碳与有机碳含量之间的Pearson相关系数为0.52，呈极显著正相关(p＜0.01)，开封城区ZKsz钻孔地层剖面各样品的黑碳与有机碳含量之间的Pearson相关系数为0.68，呈极显著正相关(p＜0.01)。由此可得知，黑碳与有机碳之间某种内在联系，要么黑碳来自生物质燃烧，要么部分有机碳来自黑碳。另外，钻孔剖面所处的自然条件和人类活动的差异可能导致城区地层黑碳与有机碳含量的相关性好于郊区。
　　(5)城区ZKsz钻孔地层BC/OC平均值大于西郊ZKjm钻孔。开封郊区ZKjm钻孔地层上段0～12 m（文化层）的平均BC、OC和BC/OC分别为0.33 g/kg、2.37 g/kg和0.15，ZKjm钻孔地层下段12～25 m的平均BC、OC和BC/OC分别为0.34 g/kg、1.43 g/kg和0.28，城区ZKsz钻孔地层上段0～13 m（文化层）的平均BC、OC和BC/OC分别为0.99g/kg、3.49 g/kg和0.25，ZKsz钻孔地层下段13～25 m的平均BC、OC和BC/OC分别为0.40g/kg、1.61 g/kg和0.26。表明郊区钻孔上段地层的黑碳主要来源于生物质燃烧;而城市地层的黑碳是生物质和矿物质燃烧共同作用的结果，而两个钻孔下段BC/OC高值并不能指示黑碳是生物质和矿物质燃料燃烧共同作用的结果，而是由于该段地层有机碳含量较低的缘故，黑碳的来源仍然是生物质燃烧。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究评述

1．2．1 沉积旋回代用指标的研究

1．2．2 土壤或沉积物黑碳研究

1．2．3 开封市第四纪地层研究

1．2．4 存在问题

1．3 本研究主要内容

2 研究区域概况

2．1 开封城市历史变迁

2．2 自然环境概况

2．3 社会经济状况

2．4 黄河与开封城市兴衰

3 研究方法

3．1 技术路线

3．2 岩芯钻孔布设

3．3 岩芯样品采集

3．4 样品测定方法

3．4．1 粒度测定方法

3．4．2 有机碳测定方法

3．4．3 黑碳测定方法

3．4．4 颜色测定方法

3．5 数据处理方法

3．5．1 沉积物粒级与Φ值的计算

3．5．2 粒度特征值计算方法

4 基于粒度的沉积旋回划分

4．1 综合地层剖面特征

4．1．1 郊区地层剖面特征

4．1．2 城区地层剖面特征

4．2 郊区地层粒度旋回划分

4．3 城区地层粒度旋回划分

4．4 城区和郊区地层粒度旋回比较

5 基于黑碳含量的沉积旋回划分

5．1 郊区地层黑碳沉积旋回划分

5．1．1 黑碳含量的垂直变化与沉积旋回划分

5．1．2 黑碳旋回与粒度旋回的对比分析

5．2 城区地层黑碳含量垂直变化与沉积旋回划分

5．2．1 黑碳含量的垂直变化与沉积旋回划分

5．2．2 黑碳旋回与粒度旋回的对比分析

5．3 黑碳对人为扰动地层沉积旋回划分的指示作用

6 地层黑碳来源分析

6．1 地层黑碳与有机碳相关分析

6．1．1 郊区地层黑碳与有机碳相关分析

6．1．2 城区黑碳与有机碳相关分析

6．2 地层BC／OC比值分析

6．2．1 郊区与城区地层BC／OC值对比

6．2．2 基于BC／OC值的地层黑碳来源分析与讨论

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 存在不足与展望

参考文献

致谢