基于地层分析法的开封地下古城衰亡与黄河水患关系研究

黄河泛滥沉积使6座开封古城埋藏在地下，形成了独一无二的"城摞城"奇观。但究竟经历了多少次黄河泛滥？每次黄泛沉积的厚度和速率是多少？目前尚无定论。黄河冲积与黄土沉积和湖海沉积不同，具有阶段性、突发性和后期人为扰动性，对其研究十分薄弱。本项目在野外钻孔岩芯采样和室内化验分析的基础上，从黄河冲沉积地层的物质组成及形态特征（粒度、有机质、黑碳、全量化学组成、人为源元素、容重、比重、空隙度和磁化率等）综合确定沉积韵律和泛滥次数；用AMS14C方法，结合历史文献记载和出土文物厘定各沉积旋回的绝对年龄；根据地层粒度和厚度特征，运用加权指数法对历史时期黄泛所致洪灾程度进行分级；依据黄泛次数及其洪灾度，揭示导致古城被埋藏的突发性大洪水事件及其年代，阐明黄河水患与开封地下古城衰亡的关系。在技术理论和方法方面，提出基于黑碳、人为源元素和磁化率的沉积韵律识别新指标，以及基于冲积物特征的洪灾程度分级方法。

多次黄泛沉积将开封古城淤埋在地下，形成“城下城”奇观，但地下究竟有几座古城？埋藏深度各是多少？历次洪水的强度如何？目前尚无定论。在开封城区布设3个钻孔（ZKsz、ZKyz、ZKml），在西北郊区布设1个对照钻孔（ZKjm），钻取25 m连续岩芯样品，采用10 cm间隔分样。在实验室开展样品粒度、黑碳（BC）、14种化学元素、磁化率测定和孢粉分析，采用AMS14C技术定年。运用小波分析技术开展沉积旋回定量划分。选取冲积地层水动力大小（砂黏比、粒度概率累积曲线粗切点和推移质线段斜率）和泛滥时间（旋回厚度）信息，构建洪泛指数（FI）模型。开展开封古城冲积地层沉积旋回划分及黄泛次数的确定、黄河泛滥洪灾度反演、黄河水患与开封古城衰落关系分析。以ZKjm为参照，发现粒度、黑碳和元素旋回的界限基本吻合，证明黑碳含量和人为源元素综合富集系数（IEF）与砂黏比一样具有旋回指示意义。根据BC和IEF将ZKsz、ZKyz、ZKml综合划分出14、14和16个旋回。战国以来ZKjm、ZKsz、ZKyz和ZKml分别包括8、7、7和13个旋回，共有6次黄泛洪水进入开封古城之内，分别出现在225BC、1387、1399、1461、1642和1841年，平均FI的大小顺序是1642年（0.568）＞1399年（0.326）＞1461年（0.294）＞1387年（0.279）＞1841年（0.266）＞公元前225年（0.24）。1642年的黄河泛滥对开封城的破坏最为严重，达到很强烈的洪灾程度，但1841年和公元前225年的洪灾度相对较轻。这一结论与历史文献的灾情记载基本相符。将开封城市的演变历史划分为4个周期，分别为春秋-战国大梁城的兴衰（周期1），秦汉-北宋东京城的兴衰（周期2），南宋-明代开封城的复衰（周期3），清代开封城的兴衰（周期4）。在这4个周期中，除了周期2是由于战争因素衰落外，其他3个周期分别与225BC、1642和1841年的黄河泛滥密切相关。开封城区地下并没有6座古城，只普遍存在战国大梁城（10～15 m）、北宋东京城（8～10 m）、明代开封城（3～8 m）3座废墟，个别地方存在清代地面（1～3 m），发生在225BC、1642和1841的黄河泛滥是开封古城兴衰的转折点。提出的黑碳含量和人为源元素IEF两个代用指标，FI为反演历史或古洪水强弱提供了一种定量方法。