AMS14C测年对福建政和蛙岩古堰塞湖形成与溃坝时代的约束

肖爱芳 吴资龙 黎敦朋

(1.福州大学紫金地质与矿业学院，福州，350108；2.福建省地质测绘院，福州，350011)

堰塞湖是山崩、泥石流或熔岩堵塞河谷或洼地储水形成的湖泊，通常是灾变的产物，堰塞湖溃坝对下游常产生严重破坏，堰塞湖形成与消亡的研究对防灾减灾具有重要的意义。福建政和蛙岩岩崩遗迹是华东地区规模较大的岩崩[1-2]，被誉为“华东地区第一塌”，其崩积物堵塞七星溪河谷形成的古堰塞湖遗迹长度超过了10.5 km，是我国东部地区罕见的古堰塞湖遗址，溃坝后出露的堰塞湖沉积形成了外屯—湖屯一带沿七星溪河谷的万亩良田，为土地资源稀缺的山区提供了肥沃的良田。政和蛙岩岩崩-堰塞湖遗址是福建政和佛子山国家地质公园的一个地质灾害遗迹，前人对蛙岩岩崩-堰塞湖景观遗迹开展了初步的研究[3-4]，然而对岩崩的成因、形成时代、古堰塞湖是否发生过溃坝及溃坝时代尚未开展过研究。笔者通过对蛙岩堰塞坝、古堰塞湖遗址的野外调查、浅钻施工和AMS14C测年，初步约束了蛙岩古堰塞湖形成与消亡的时限，为古堰塞湖形成与消亡演化的研究提供了实例，也为福建政和佛子山国家地质公园建设提供基础地质支撑。

1 研究区地质概况

福建政和蛙岩岩崩-堰塞湖遗迹位于政和城东约11 km的武夷山东南麓的鹫峰山北段。蛙岩岩崩发育于闽江上游松溪一级支流中的次级支流七星溪中段，岩崩区呈长约300 m的上窄下宽的岩崩凹地，崩塌岩块堵塞七星溪河流，形成长约200 m、宽为100～150 m、高为50～65 m的堰塞坝，靠近堰塞坝北部在后期形成了一个宽为20～30 m、深为6～10 m、长为150 m的溃堤河道(图1)。在溃堤河道上段和中段滞留巨大崩塌岩块，其中部滞留的一块巨大岩块形似“青蛙”而得名“蛙岩”(图2)。20世纪60、70年代沿溃堤河道西南侧引水修建了一个小型水电站。根据手持式GPS测量蛙岩堰塞坝顶最高海拔为(415±5)m，堰塞坝底部七星溪河面海拔为(350±5)m，已溃坝的堰塞湖泥沙淤积海拔为(390±5)m，现今河床下切堰塞湖淤积顶面1～2 m深。

图1 蛙岩崩塌-堰塞湖地区地质图(a)及地貌影像图(b)Fig.1 Geological map (a) and geomorphic image map (b) of the frog rock collapse-barrier lake area

图2 蛙岩堰塞坝及溃堤河道影像图Fig.2 Image map of the frog rock barrier dam and embankment river

蛙岩岩崩发育于白垩世黄坑组上段流纹质火山角砾岩中[5-6]，属于基岩崩塌，崩塌总体积约为20×104m3[3-4]，崩塌规模达到大型。崩塌岩块直径一般为1～2 m，最大岩块长轴为20～25 m。堰塞湖长度超过10.5 km，推测堰塞湖最厚的淤积厚度为(40±5)m。

2 研究方法

在室内通过Google Earth图像的分析和特征参数测量，获取岩崩和堰塞湖规模基本参数。然后开展野外现场的地貌调查，再选择合适部位对堰塞湖沉积进行浅部钻探施工，并采集AMS14C测年样品约束古堰塞湖的时代。

将样品送美国阿迈密BETA实验室进行预处理和AMS14C测试。首先对有机质进行“酸-碱-酸”处理，然后将样品浸入去离子水中进行轻柔研磨，用热盐酸溶液浸洗去除碳酸盐，再用氢氧化钠溶液浸洗去除次生有机酸，然后用盐酸进行二次浸洗以中和上一步加入的碱，最后干燥制成预处理样品。预处理样品在800°C以上，100%氧气环境下燃烧释放CO2，释放出的CO2先用甲醇/干冰干燥，然后用液氮收集起来使用钴催化剂进行氢还原，制成石墨靶后放入AMS加速质谱仪和Thermo同位素比值质谱仪(IRMS)中进行测试。测试结果均通过δ13C值进行总分馏校正成为惯用年龄，并进行了树轮校正转换成日历年龄[7-8]，半衰期以5 568 a计算，BP(before present)以A.D.1950计算。

3 研究结果

3.1 堰塞湖浅部钻探结果

在海拔(390±5)m处施工一口钻孔(ZK01)，钻孔位置距离堰塞坝上游约100 m的农田中，用绍尔背负式小型钻机施工了一口深度8.5 m的浅钻，揭露了堰塞湖浅部沉积物组成，钻孔岩芯直径(d)为36 mm，钻孔岩芯由上至下描述如下。

1.0～30 cm：岩性灰黑色块状耕作土，根系发育。

2.30～80 cm：岩性浅黄色含有机质亚砂土，含褐黑色斑状有机质。

3.80～200cm：岩性灰色、灰黄色亚黏土，夹亚砂土，在138～140 cm处采集样品(ZH04)。

4.200～300 cm：岩性浅黄色亚砂土，见褐红色斑点状有机质小团块，在238～240 cm处采集样品(ZH05)。

5.300～350 cm：岩性灰绿色粉砂质黏土，在338～340 cm处采集样品(ZH06)。

6.350～370 cm：岩性灰黄色泥质粉砂。

7.370～400 cm：岩性灰绿色粉砂质亚砂土，在390 cm处见2×5 mm碳屑采集样品(ZH07)。

8.400～415 cm：岩性灰黄色泥质粉砂。

9.415～580 cm：岩性灰绿色粉砂质亚砂土，中部夹灰黑色有机质细团块，在深度487～490 cm处采集样品(ZH08)。

10.580～610 cm：岩性灰绿色粉砂、细沙，在606～610 cm处采集样品(ZH09)。

11.610～720 cm：岩性灰黄色细沙，在715～720 cm处采集样品(ZH10)。

12.720～850 cm：岩性灰绿色粉砂质泥，在845～850 cm处采集样品(ZH11)。

根据现有的8.5 m深的堰塞湖浅部钻探揭露：堰塞湖沉积颜色主体以灰黄色、灰色和灰绿色为主；沉积物以亚砂土、细沙和粉砂为主，钻孔中未见砾石，显示离物源区有一定的距离，堰塞湖沉积物特征与大渡河加郡、石广东古堰塞湖沉积特征相似[9-10]，而与岷江、雅鲁藏布江古堰塞湖沉积较发育扇砾石显著不同[11-13]，可能是钻孔位于堰塞湖下游，距离物源距离较远的原因造成的。在深度0～2.0 m岩芯干燥，从深度2.0 m开始岩芯含水量显著增大，显示地下水潜水面深度约为2.0 m，与现今河流水面高程基本一致。

3.2 AMS14C测年结果

对堰塞湖钻孔岩芯沿深度采集了8件AMS14C测年样品，其中ZH07样品测年材料为棱角状碳屑，其余样品测年材料均为原始有机质沉积物。根据测年结果(表1)，14C年龄经树轮校正后从930～795 Cal BP至1 528～1 376 Cal BP，其中深度2.4～3.4 m的样品(ZH05、ZH06)14C年龄出现了明显的年龄倒置现象[14]，其余14C年龄总体上与深度呈正相关(图3)。ZH05、ZH06样品14C年龄出现倒置现象的原因可能是其位于现今地下水潜水面附近，存在地下水与下伏更老沉积物的碳交换。

表1 蛙岩堰塞湖沉积AMS14C测年结果

图3 蛙岩堰塞湖ZK01钻孔柱状图及AMS14C年龄-深度图Fig.3 ZK01 drilling bar chart and AMS14C age-depth map of frog rock barrier lake

4 讨论

4.1 对古堰塞湖溃坝时代的讨论

由于堰塞湖沉积顶部为耕作层，未采集14C测年样品，在堰塞湖深度为138～140 cm处采集的ZH04获得14C年龄为930～795 Cal BP，在深度为390 cm处采集的ZH07样品获得沉积物中碳屑的14C年龄为934～796 Cal BP，这2个样品年龄误差范围十分接近。ZH07样品测年材料为独立的一颗2 mm×5 mm的棱角状碳屑，其与原始有机质沉积物不同，不存在老碳的混合，也不存在“碳库效应”[14]，其年龄值应代表该深度木屑碳化后沉积物的年龄，而即可以代表该深度堰塞湖沉积的实际年代。而深度为238～240 cm处采集的ZH05样品的14C年龄为1 360～1 284 Cal BP，深度为338～340 cm处采集的ZH06样品的14C年龄为1 528～1 376 Cal BP，其年龄值大于其下部50 cm处采集的ZH07样品的14C年龄为934～796 Cal BP，表明ZH05和ZH06样品存在年龄倒置现象，存在显著的“碳库效应”，可能其中混合了年龄更老的“老碳”或受潜水面以下地下水循环作用的影响带入了下伏地层年龄更老的碳，由于ZH05和ZH06 2个样品年龄偏离上、下地层较为可靠的年龄值较大，显然不是分析误差引起的，因此对ZH05和ZH06 2个样品年龄不纳入此次沉积速率估算。

另外的4件样品AMS14C测年结果总体上与深度呈正相关，该深度-年龄直线的上交点年龄～0.8 ka BP，堰塞湖最顶部的沉积是溃坝后保留的最新堆积物，其可以代表堰塞湖溃坝的时代，考虑到测年的2σ误差，即蛙岩古堰塞湖溃坝时代(～0.8±0.1)ka BP，对堰塞坝溃决的原因还有待收集更丰富的资料作进一步研究。

4.2 对岩崩-堰塞湖形成时代的讨论

由前述讨论可知ZH04、ZH07、ZH08、ZH09、ZH10、ZH11样品的深度-年龄总体呈正相关，该深度-年龄直线在深度40 m下交点年龄～2.8 ka BP，考虑到测年的2σ误差，即蛙岩岩崩-堰塞湖形成时代不早于(2.8±0.1)ka BP。

由于堰塞湖形成之前河谷的形态呈“V”型，库容沿深度变化较为显著，故(2.8±0.1)ka BP仅代表蛙岩古堰塞湖形成的时代下限，暗示蛙岩古堰塞湖从形成至溃决可能存在了1～2 ka，这与金沙江寨子村、黄河上游积石峡、岷江上游叠溪等堰塞湖持续时间相近[15-18]。前人研究表明一般堰塞湖最终都将发生溃决[19]，90%的堰塞湖在形成后1 a内溃决[20]，而蛙岩堰塞湖的寿命较长的原因可能与堰塞坝堆积物为流纹质火山角砾岩抗风化能力强和坝体厚度较大有关。

5 结论

蛙岩古堰塞湖沉积从地表至8.5 m深沉积物的AMS14C测年年龄范围为930～795 Cal BP至1 528～1 376 Cal BP，根据沉积速率初步约束蛙岩岩崩-堰塞湖形成时代不早于(2.8±0.1)ka BP、古堰塞湖溃坝时代(～0.8±0.1)ka BP，估算蛙岩古堰塞湖形成至消亡的周期为1～2 ka。