作者单位：

1. 中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所

2. 中国-巴基斯坦地球科学研究中心

刚刚过去的2021年，河南洪水灾难再次让人们认识到了洪水的巨大破坏力，仅在郑州就造成了380人的死亡和失踪。

图1 洪水淹没房屋鸟瞰图。（图源：VCG）

追溯到史前，更高能量，更具有破坏力的大洪水（称之为高能洪水），曾经广泛分布在北半球古冰盖边缘，可能给古人类留下过深刻的印象，成为大洪水传说的来源。

图2   诺亚方舟。根据《圣经》记载，此船是诺亚依据神的嘱托而建造的一艘巨大船只，建造的目的是为了让诺亚与他的家人，以及世界上的各种陆上生物能够躲避一场因神惩而造的洪灾。（图源： pixabay.com）

这些洪水造成过大量的淡水突然注入海洋，进而改变了大洋环流模式，引发全球性的气候事件。

图3   全球温盐环流的示意图。（图源：文献[1]）

另外，高能洪水作为重要的径流方式，有助于形成大陆尺度的流域系统，促进了从西伯利亚至中亚的大河的形成。

图4    西西伯利亚平原的鄂毕河与叶尼塞河曾被冰盖阻塞形成超大型湖泊，溃决后引发的洪水越过其南部分水岭，沿咸海—里海方向依次溢出，最终流入黑海，表明高能溃决洪水对大陆尺度的地表流域系统产生了深远的影响。（图源：文献[2]）

高能洪水具有超强的侵蚀和物质携带能力，能够大尺度的改变地貌形态，塑造了英吉利海峡，在地中海底部切割形成很深的峡谷，形成了火星的地表槽谷，成为火星上曾经有水的重要证据。

图5  美国爱达荷州马拉德峡谷（Malad Gorge）中被高能洪水侵蚀形成的峡谷和阶梯瀑布。（图源：文献[3]）

由于青藏高原上只发育山岳冰川，没有出现过大型冰盖，因而普遍忽视了是否存在过高能洪水这一重要的科学命题。

图6  西藏来古冰川。来古冰川为一组冰川的统称，位于西藏昌都地区八宿县然乌镇境内，紧邻然乌湖。

（图源：VCG）

中科院成都山地所及其合作者研究团队通过对雅鲁藏布江中下游的加查-大峡谷一带系统的沉积-地貌调查，发现了20个高能溃决洪水沉积的巨型边滩。

图7  西藏朗县滚堆村附近形成巨型边滩。

(图源：文献[4]）

边滩多形成于约1万年前，计算的洪峰流量可达1.0×10?m3/s，确认了曾经发生过高能溃决洪水事件。

图8  西藏朗县滚堆村附近形成的巨型边滩及洪水在冲积扇表面侵蚀出的沟槽。（图源：文献[4]）

雅鲁藏布江发源于喜马拉雅山西北部的杰马央宗冰川，是唯一的中上游都在青藏高原上流淌的大河，下游海洋性冰川广泛分布，曾发生过与冰川-滑坡/泥石流相关的堵江-溃决洪水事件。

图9  米林县色东普冰崩碎屑流堵塞雅鲁藏布江。2018年10月17日凌晨爆发于西藏米林县加拉村的雅鲁藏布江色东普沟“冰崩—碎屑流—堰塞堵江”事件，松散冰碛物一路奔涌堵塞了雅鲁藏布江河道形成堰塞湖，上下游数万群众被迫撤离。

（图源：西藏自治区自然资源厅官方网站，

摄影师：普布扎西）

在2011年对加查一带的考察时，发现了河道两侧存在着巨厚的河流沉积。早期被认为是正常的河流阶地沉积，但是其表面并不平坦，并且未出现典型的砾石-河漫滩的二元沉积结构，其中有些还出现了悬浮的砾石，这种特征指示了当时的洪水具有很高能量。

图1 0 高能洪水形成的巨型边滩（a）及其内部沉积结构（b）（照片源自现场无人机拍摄。

制图：杨安娜/中科院山地所）

这些巨型边滩的沉积特征与阿尔泰地区Katun 河及其支流Chuya河巨型边滩非常类似，均指示了高能洪水事件。

图11  西藏朗县尼米达村巨型边滩的内部沉积特征。

（图源：文献[4]）

为了进一步确定其可靠性，从2014年开始，我们与国际知名高能洪水学者，英国南安普顿大学的Paul A. Carling教授开展长期合作研究，经过了6次详细的野外工作，最终确定了20个指示高能洪水的巨型边滩。

图1 2 研究区及高能溃决洪水沉积边滩分布图，底图来自Google Earth影像。(制图:吴朝华/中科院山地所)

青藏高原上虽然没有出现过冰盖，但是山岳冰川广泛发育，在冰期时一些冰川可以延伸至河谷，而形成堰塞湖，若是堰塞坝之上的地形相对平坦，则形成的堰塞湖规模非常巨大。

图13  雅鲁藏布江中游的大型古堰塞湖，湖面范围的数据来源于文献[5，6，7，8]。(制图:王昊/中科院地理所)

加查峡谷之上恰恰具备了这种地形条件，这一带的河谷宽阔，利于大型堰塞湖的形成。

图1 4 西藏夏珠林寺附近的雅鲁藏布江河谷，位于山南市岗堆镇附近。（图源：VCG）

对于古洪水的重建方法目前主要分为基于单个断面的曼宁公式法和基于多个断面的逐步回水法。本研究中基于20个巨型边滩的顶部高程来建立过水断面，从0.1×10?m3/s开始，以0.1×10?m3/s为步长开始进行流量测试，直到设置的流量能够淹没所有的巨型边滩为止，发现流量到2.2×10?m3/s时，便可以淹没所有边滩。

图1 5 雅鲁藏布江中游古高能洪水淹没范围图，a为洪峰流量为2.2×10?m3/s时的淹没范围图；b为洪峰流量为0.2×10?m3/s时的淹没范围图。（制图：文宿菘/中科院山地所）

逐步回水法在古洪水重建中得到了广泛应用，如著名的密苏拉和阿尔泰古高能溃决洪水的重建。我们曾经使用该方法，重建了2000年易贡溃决洪水的规模与记载的峰值流量非常接近，相差小于10%，进一步验证了该方法的可靠性。

图1 6 HEC-RAS模拟雅鲁藏布江中游洪水峰值流量的河道断面分布。（制图：文宿菘/中科院山地所）

从图17中可以看出，1、2和4号边滩记录的洪峰流量较大，最高可达2.0×10?m3/s, 但是，由于他们接近加查峡谷，可能发生过河道剧烈的下切，导致现代河道断面比古洪水发生时偏大，另外洪水传播过程中会产生波浪，波峰携带的泥沙沉积会高于实际水位，因此，我们确定流量时未采用这三个边滩的结果。依据5、7、8、12、14和19号边滩确定的峰值流量在1.0~1.2×10?m3/s之间，依据3号边滩确定的洪峰流量为0.8×10?m3/s之间，这七个边滩的洪峰流量接近，考虑到边滩的沉积高程代表了最低水位，我们将形成这七个边滩的洪峰流量确定为1.0×10?m3/s。

图1 7 雅鲁藏布江中游河段纵剖面水位线。

（制图：文宿菘/中科院山地所）

其余的10个边滩的洪峰流量在0.2~0.5×10?m3/s，同样考虑到波浪等不确定因素的影响，将它们指示的流量确定为0.3×10?m3/s，应该指示了另外一期洪水事件。并且，我们仔细分析了各边滩的沉积结构，发现13、15、16、17号边滩中间存在明显的沉积间断，也佐证了存在两期洪水事件。

图1 8 雅鲁藏布江中游古高能洪水流速分布图，a为洪峰流量为2.2×10?m3/s时的流速分布图；b为洪峰流量为0.2×10?m3/s时的流速分布图。（制图：文宿菘/中科院山地所）

综上所述， 我们利用20个巨型边滩重建的古洪水断面，采用成熟的逐步回水法，综合确定两期古高能洪水的洪峰流量 ，分别为1.0×10?m3/s和0.3×10?m3/s。

我们在朗县境内的4个巨型边滩（14~17号）中的不同层位高能洪水沉积物中避光采集了30个光释光样品，从中提取纯石英颗粒测试其光释光信号，获得洪水相关沉积物的形成年代，从而建立高能洪水事件的年代框架。

图1 9 不同剖面代表样品的石英光释光衰减曲线。

（制图：杨安娜/中科院山地所）

在光释光年代测试中，对每个样品的衰减曲线和生长曲线进行了详细分析，用于评估石英颗粒本身是否能够快速释放释光信号，以及积累的释光信号是否明显的大于背景值并且未达到饱和。

图20  不同剖面代表样品的石英光释光生长曲线。

（制图：杨安娜/中科院山地所）

另外，我们对每个样品测试了10~20个测片，并且将每个样品的结果绘制成频率直方分布图、辐射径向图和权重直方图，用于反映样品的OSL信号在沉积前的晒退情况。

图21  代表性样品等效剂量（De）值的频率直方分布图、辐射径向图和权重直方图，用以表明样品的释光信号在埋藏前的晒退程度。（制图：杨安娜/中科院山地所）

综合考虑上述因素，剔除了4个方面（即释光样品光子数少于1000 cts、衰减度在1秒以内小于90%、生长曲线接近饱和、等效剂量不符合正太分布）包含任意一项的样品，以保证测年结果的可靠性。最终从30个年代结果中只选取了12个，用于确定高能洪水事件的年代。通过综合分析雅江古溃决洪水沉积剖面的沉积特征和光释光测年结果，根据雅江中游朗县下游沉积边滩出露剖面重建的溃决洪水为两期：第一期高能洪水事件共有8个年代结果，发生于距今12.06~11.05ka；第二期共有8个年代结果，大约发生于4.96~3.20ka。另外，除了第2部分提到的沉积间断，13号巨型边滩顶部与下部韵律层中的砾石层存在明显差异，也支持了两次洪水事件的存在。

图22  雅鲁藏布江中游高能洪水期次划分。

（图源：文献[4]）

结合第2部分的流量计算结果，最终确定两期古高能溃决洪水事件， 第一期的年代为12.06~11.05ka，流量为1.0×10?m3/s；第二期的年代为4.96~3.20ka，流量为0.3×10?m3/s.

因为高能洪水具有超强的动力，一次性释放大量的水，不仅会造成雅鲁藏布江的迅速下切，而且一旦进入印度洋还会改变洋流。

图23  世界上最深的峡谷-雅鲁藏布江大峡谷。

（图源：VCG）

另外，当高能洪水进入下游的恒河平原时，对古人类的生存环境会产生巨大的破坏。因此，科学意义主要体现在以下三个方面：

（一） 对雅鲁藏布大峡谷的“构造瘤”模式提供直接的侵蚀动力来源。 大峡谷地区的剥蚀速率、深变质岩和断层等分布，却呈现圆形，而非常见的带状分布，称之为“构造瘤”模式。

图24  雅鲁藏布江大峡谷的剥蚀速率的分布。

（图源：文献[9]）

该模式认为大峡谷地区的快速地表侵蚀引发的这种构造现象。模拟结果显示，只有河流流量达到现今的4倍，其产生的侵蚀作用才能引发构造响应。然而，古气候的研究结果却显示地质历史上的雅鲁藏布江的流量比现在还低，导致该模式受到了广泛质疑。但是，一次高能洪水产生的侵蚀量，现今河流流量累计1000~4000年才能达到，足以引发深部响应。因此，本研究发现的高能洪水事件支撑了构造瘤模式的侵蚀动力来源。

图25  雅鲁藏布江大峡谷的构造瘤模式示意图。

（图源：文献[10]）

（二） 可能导致了印度洋的洋流改变。 大洋环流与大气环流一起，调节着全球热量的分配，一旦发生改变，将会导致全球性的气候异常。

  图26  2005年6月至2007年12月期间黑潮的洋面流。

（图源：VCG)

高能洪水是淡水，洪峰流量超过0.1×10?m3/s的洪水注入海洋，就会导致大范围的海水淡化，并引起洋流异常。12.06 ~ 11.05ka的高能洪水进入了印度洋，可能诱发了同时期的新仙女木气候突变事件。

图27  电影《后天》海报。《后天》是导演罗兰·艾默里奇创作执导的一部美国科幻电影，片名《The day after tomorrow》，这部电影描绘的是以美国为代表的地球一天之内突然急剧降温，进入冰川期的科幻故事。（图源:豆瓣网）

（三） 可能对下游恒河平原的古人类造成过灾害性的破坏。 印度作为古文明的发祥地，最近5万年以来的古人类遗址众多，其中一些分布于雅鲁藏江下游的恒河平原。

图28  印度马哈拉施特拉邦的埃洛拉石窟，1983年入选为世界文化遗产。埃洛拉石窟以雕刻著称，形式上呈现大乘佛教末期的特征、图中的凯拉萨（Kailasa）神庙（第16窟）是最大的岩石切割的古印度寺庙之一，也是34个洞穴寺庙和修道院之一。（图源：VCG）

若发生高能溃决洪水，必然会引发恒河下游地区的巨大灾难，给古人留下深刻的记忆，这方面需要更多的深入研究。

图29  圣城瓦拉纳西和恒河。瓦拉纳西位于印度北方邦东南部，坐落在恒河中游，是著名的印度教圣地和历史古城。（图源：VCG）