松嫩平原東部中、晚更新世地層界限：光釋光年齡及元素變化

高 文，賈大成，李桐林，王澤光，姜琦剛，劉春茹，張 瀟，姜 濤

1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026

2.河北省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質(zhì)大隊(duì)，河北 承德 067000

3.中國(guó)地震局地質(zhì)研究所/地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

0 引言

松遼平原是我國(guó)第四系非常發(fā)育的地區(qū)之一，具獨(dú)特的沉積地層組合，隸屬于東北第四紀(jì)地層區(qū)。松遼平原由于沉積環(huán)境的差異，大致以雙遼－扶余－肇州－北安一線為界，可以分為松遼西部和松遼東部第四紀(jì)地層小區(qū)。松遼西部長(zhǎng)期處于沉降狀態(tài)，更新世地層多被埋藏；而松遼東部介于松遼西部沉降帶與東部山區(qū)的過(guò)渡地帶，由于構(gòu)造掀斜作用，更新世地層在階地或臺(tái)地出露。因受到地層剖面出露條件的限制和缺少可靠定年數(shù)據(jù)，致使對(duì)松遼平原東部更新世地層的劃分，尤其是中、晚更新世的界限尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)［1－4］。國(guó)際地科聯(lián)（IUGS）2009年正式批準(zhǔn)的國(guó)際地層委員會(huì)（ICS）提案：將早更新世下界定為2.58Ma BP，相當(dāng)于古地磁松山反向/高斯正向界線；中更新世下界為0.78Ma BP，相當(dāng)于古地磁松山反向/布容正向界線；晚更新世下界為0.128Ma BP［5］。此劃分是否適合于松遼盆地實(shí)際情況需進(jìn)一步檢驗(yàn)。筆者在進(jìn)行東北地區(qū)第四紀(jì)遙感環(huán)境調(diào)查中，于黑龍江省方正縣發(fā)現(xiàn)了出露比較好的更新世地層剖面，通過(guò)對(duì)剖面沉積物研究、光釋光（optically simulated luminescenc，OSL）定年和主要氧化物、稀土及微量元素分析，認(rèn)為該剖面中、晚更新統(tǒng)界限比較清楚，在界限處不同元素表現(xiàn)出明顯變化，沉積環(huán)境差異明顯，比較適合確定中、晚更新世的地層界限。該剖面不僅可以為建立松遼平原東部中、晚更新世的地層界限成型剖面提供參考，而且可以為了解中、晚更新世沉積環(huán)境提供地質(zhì)依據(jù)。

1 中、晚更新世沉積剖面地質(zhì)特征

剖面位于黑龍江省方正縣寶興鄉(xiāng)蓮花磚廠，地理坐標(biāo)為東經(jīng)128°44.862′，北緯45°48.278′（圖1），剖面發(fā)育在松花江二級(jí)階地或臺(tái)地上。

剖面出露厚12.0m，深部未見底，以亞黏土和黃土堆積為主，依據(jù)沉積物特征可以分為6層（圖2），由下至上為：

圖1 寶興鄉(xiāng)蓮花磚廠采樣位置示意圖Fig.1 Sampling site of the Lianhua brickyard in Baoxing Town

（1）黃褐色細(xì)砂層：由細(xì)砂、粉砂組成，具有斜層理、水平層理，出露厚2.5m，深部未見底；

（2）灰色－灰白色亞黏土層：由黏土組成，具水平層理，貝殼狀斷口，厚1.0m；

（3）黑色黏土層：由黏土組成，具水平層理，可見植物根莖殘留，厚3.5m；

（4）黃土狀亞黏土層：由亞黏土組成，具不清楚的水平層理，可見鐵錳結(jié)核，厚2.0m；

（5）黃土層：由結(jié)構(gòu)松散的亞黏土組成，具柱狀層理，厚2.5m；

（6）黑土層：為現(xiàn)代黑土，空隙發(fā)育，具有現(xiàn)代植物根系，厚0.5m。

圖2 寶興鄉(xiāng)蓮花磚廠第四系剖面Fig.2 The Quaternary section of the Lianhua brickyard in Baoxing Town

從剖面可以看出，各層之間沉積物差異比較明顯：下部（1）層以具有斜層理的細(xì)砂為主，構(gòu)成河流相沉積，明顯不同于其他層位；（2）、（3）、（4）層以黏土、亞黏土沉積為主，依據(jù)殘留植物根莖、鐵錳結(jié)核以及水平層理，推測(cè)為漫灘湖沼相沉積，受沉積環(huán)境影響，沉積物顏色有變化；（5）層為黃土堆積，現(xiàn)代黑土壤層（6）直接發(fā)育在黃土堆積物之上?？傮w上可以分為下部河流細(xì)砂巖，中部湖沼亞黏土和上部黃土堆積等3個(gè)沉積物組合層位。

2 光釋光測(cè)年和樣品化學(xué)分析

光釋光樣品采自剖面（1）層，使用直徑為10cm的鋼管打入采樣層位，采樣后立即用錫箔紙封口避免受陽(yáng)光照射。樣品測(cè)定是在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所光釋光室完成，測(cè)得樣品的環(huán)境劑量：w（U）為1.53×10－6、w（Th）為4.11×10－6、w（K2O）為2.37%，得到光釋光年齡結(jié)果（表1）?；瘜W(xué)分析樣品分別采自各層，對(duì)各樣品同時(shí)進(jìn)行主要氧化物、微量元素和稀土元素分析，樣品分析在吉林大學(xué)分析測(cè)試中心完成。主要氧化物分析方法為X－熒光分析，分析儀器為X－射線熒光光譜儀，氧化物分析精度優(yōu)于5%。微量元素和稀土元素分析方法為ICP-MS，儀器型號(hào)為美國(guó)安捷倫7500型ICP-MS，分析精度優(yōu)于2%。通過(guò)測(cè)試獲得各層沉積物主要氧化物、微量元素和稀土元素分析結(jié)果（表2）。

表1 細(xì)砂樣品OSL年齡測(cè)定結(jié)果Table 1 The OSL dating of fine sand samples

3 中、晚更新世地層界線及其沉積環(huán)境分析

3.1 中、晚更新世地層劃分與地層界線

松遼平原東部邊緣的中、晚更新世地層發(fā)育在波狀山前臺(tái)地或河流Ⅲ級(jí)階地上，沉積物以河湖及沼澤相的砂、亞砂土、亞黏土和黃土為主。對(duì)于這套地層，在黑龍江省劃分為下荒山組、上荒山組、哈爾濱組和顧?quán)l(xiāng)屯組［1］，而在吉林省劃分為荒山組、東風(fēng)組、顧?quán)l(xiāng)屯組及群力組［2］。下荒山組和上荒山組源自裴文中［6］首先使用的“黃山組”一詞，建組剖面為荒山剖面，原荒山組剖面分為上、下兩段：下段為河流相、湖濱相、湖相沉積，為灰黃色、灰白色粗砂夾小礫石、青灰色及紫褐色黏土、黃砂、亞砂土；上段為黃色亞砂土、黃土沉積。1997年地層編表時(shí)將下段劃為下荒山組，上段劃為上荒山組，兩者之間為平行不整合接觸。下荒山組距頂界3m處為B/M界面，其時(shí)代相當(dāng)于730ka，下部出現(xiàn)相當(dāng)于900～970ka的加拉米洛事件，古地磁時(shí)限為600～1 200ka，因此其形成時(shí)代為早更新世的晚期。上荒山組頂界熱釋光年齡為（230±11.5）ka，底部熱釋光年齡為（430±21.6）ka，古地磁相當(dāng)于布容正極性，古地磁時(shí)限為240～500ka，其形成時(shí)代為中更新世早期，上荒山組和下荒山組之間可能沉積間斷100～150 ka。上荒山組之上被哈爾濱組平行不整合，哈爾濱組位于荒山剖面上部，由灰黃色到灰棕色均質(zhì)無(wú)層理、垂直節(jié)理發(fā)育的黃土和具有微層理并含錳質(zhì)結(jié)核和豆?fàn)罱Y(jié)構(gòu)的黃土狀土組成，稱為“哈爾濱黃土”；該組中熱釋光年齡為（126±6.3）ka，相當(dāng)于晚更新世早期。哈爾濱組之上為顧?quán)l(xiāng)屯組，是著名的猛犸象－披毛犀動(dòng)物群的產(chǎn)地，在哈爾濱閻家崗出土古人類化石，人骨14C年齡為（22.37±0.30）ka，自從1976年沈陽(yáng)東北區(qū)域地層編表會(huì)議以后，便確立了顧?quán)l(xiāng)屯組是東北晚更新世標(biāo)準(zhǔn)地層［7］。顧?quán)l(xiāng)屯組頂部夾有兩層黑色古土壤，這兩層埋藏黑土14C年齡分別為（33.66±3.27）ka BP和（30.20±0.87）ka BP［8］。顧?quán)l(xiāng)屯組之上覆蓋晚更新世馬蘭黃土。從上述更新世地層可以看出，下荒山組、上荒山組和顧?quán)l(xiāng)屯組的頂、底界限都比較明確，唯獨(dú)哈爾濱組底界不是很清楚，雖然該組中熱釋光年齡（126±6.3）ka接近于國(guó)際地層委員會(huì)（ICS）提出的晚更新世下界128ka的年齡值［5］，但由于該年齡并非在晚更新世地層底部所采，因此不宜作為松遼平原東部中更新世和晚更新世的界限年齡。

表2 方正剖面各層沉積物中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試結(jié)果Table 2 Compositions of elements in sediment of Fangzheng section

作為中、晚更新世界限性地層除了年齡值以外，沉積物特征、巖相變化和沉積環(huán)境及古地磁等都是重要的標(biāo)志。方正剖面位于荒山剖面東約13km，地理位置比較接近，可與荒山剖面互補(bǔ)，為松遼平原東緣中、晚更新世地層界限提供佐證。方正剖面底部出現(xiàn)的河流相細(xì)砂與其上部黏土、亞黏土、黃土在沉積物組成上明顯不同。從沉積環(huán)境角度分析，底部河流相反映為溫暖濕潤(rùn)的環(huán)境，其上灰白色黏土層以富鋁的黏土為主，推測(cè)為化學(xué)風(fēng)化比較強(qiáng)烈的環(huán)境，黑色黏土層具水平層理和植物根莖殘留反映沼澤沉積環(huán)境，黃土狀亞黏土層具弱水平層理和鐵錳結(jié)核反映沼澤抬升接受氧化的漫灘環(huán)境，而上部的黃土為干冷氧化環(huán)境?？梢?，中更新世主要為溫暖潮濕環(huán)境，而晚更新世開始由殘留的沼澤向干冷環(huán)境轉(zhuǎn)變，這期間沉積環(huán)境變化是明顯的。由于本次在底部河流相頂部所測(cè)細(xì)砂光釋光年齡為149.6 ka，可將其視為中更新世頂部的年齡，其上部的黏土、亞黏土和黃土層可以作為晚更新世的底部層位，其中亞黏土和黃土層與荒山剖面的哈爾濱組相當(dāng)，由此顯示在哈爾濱組黃土之下應(yīng)該有一套黑色黏土層和黃土狀亞黏土層，代表由河流相向黃土的過(guò)渡?？紤]到中更新世頂部年齡149.6ka和哈爾濱組（126±6.3）ka的年齡值，以及哈爾濱組下部可能存在的亞黏土層，認(rèn)為將松嫩平原東部的中、晚更新世界限年齡置于140ka更符合地層實(shí)際情況。界限地層層位置于方正剖面河流相細(xì)砂層與其上部灰白色黏土層之間。

在松遼平原與方正剖面可以對(duì)比的是吉林省榆樹縣東崗村剖面。剖面位于榆樹縣周家油坊秀水河三級(jí)階地上，剖面下部為東崗組，上部相當(dāng)于哈爾濱組。東崗組為沖積物地層，主要沉積物為灰綠色黏性土和黃砂等河湖相沉積，厚10～20m，東崗組上界處熱釋光年齡為（143±7.15）ka BP，下界處為（179±8.90）ka BP，其時(shí)限約為150～200ka［8］。剖面上部哈爾濱組為淡棕黃色黃土，其頂部熱釋光年齡為（85±4.25）ka BP，估計(jì)此處哈爾濱黃土?xí)r限約為80～140ka間。由此可以看出，東崗組為中更新世，其上界處熱釋光年齡143ka與方正剖面河流相的熱釋光年齡149.6ka非常接近，進(jìn)一步證明將140ka作為松遼盆地東部中、晚更新世地層界限年齡是可行的。另外在長(zhǎng)春地區(qū)的陶家園子地層剖面可以見到哈爾濱組超覆到下白堊統(tǒng)泉頭組之上（圖3），在其底部的熱釋光年齡為134.53ka［9］，這也說(shuō)明將140ka作為松遼平原東部中、晚更新世地層的界限年齡是合理的。

3.2 沉積環(huán)境地球化學(xué)特征

由于某些氧化物、微量元素和稀土元素在沉積物中的含量受沉積環(huán)境制約，因此沉積物中元素含量變化可以反映沉積環(huán)境的差異［10－15］。從方正剖面不同沉積層氧化物、微量元素和稀土元素含量變化曲線可以明顯反映出在中、晚更新世地層界限處，即河流相的細(xì)砂層到灰色黏土層，元素都出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性變化，一般由細(xì)砂層到灰色黏土層元素突然增高或降低，而后在灰色黏土層到黃土層變化不大，體現(xiàn)出前后兩個(gè)差異較大的環(huán)境，而在該處恰是上述光釋光年齡和沉積物所確定的中、晚更新世地層界限，表明中更新世末、晚更新世初沉積環(huán)境發(fā)生了明顯變化（圖4）。

圖3 陶家園子地層剖面素描圖（底圖據(jù)文獻(xiàn)［9］）Fig.3 The stratigraphic section drawing in Taojiayuanzi（base map from reference［9］）

主要氧化物Al2O3和Fe2O3在表生條件下比較穩(wěn)定，MgO、CaO、Na2O、K2O比較活動(dòng)而易于遷移，它們之間的比值可以用于反映環(huán)境變化。在方正剖面［CaO/（MgO＋Al2O3）］×10和SiO2/MgO值突然下降，而（Fe2O3＋Al2O3）/（MgO＋CaO＋Na2O＋K2O）和 Al2O3/（CaO＋Na2O）值突然上升（圖4）。Ti、Mn、Fe是在風(fēng)化殘積物中比較穩(wěn)定的元素，從圖4中可以看出，河流相砂層含量較低，到灰色黏土層突然增高并達(dá)到一定的穩(wěn)定，這可能與灰色黏土層所處的較強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化環(huán)境吻合。微量元素 Rb、Cr、V、Zn、Li、Ni、Co、Y、Cu、Pb、As、Cs、Cd和Rb/Sr值從河流相砂層到灰色黏土層突然增高，然后達(dá)到一定的穩(wěn)定區(qū)間，而微量元素Sr和Sr/Ba值則相反（圖4），這種變化除與黏土礦物的吸附有關(guān)外，在一定程度上也受到沉積環(huán)境變化的影響，更重要的是這種變化體現(xiàn)在地層界限處。

稀土元素作為一組地球化學(xué)性質(zhì)相近、地球化學(xué)行為惰性的元素組合，不僅在巖漿演化和巖石成因方面具有示蹤意義，而且也具有古氣候、古環(huán)境的指示意義［16］。方正剖面球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土配分模式為輕稀土富集的右傾型，重稀土基本一致，但河流相細(xì)砂層輕稀土富集的程度相對(duì)較低，低于上地殼平均值，不出現(xiàn)負(fù)Eu異常；而其他黏土層和黃土層具有一致的輕稀土富集程度，并與上地殼平均值非常接近，具有弱的負(fù)Eu異常，輕稀土元素對(duì)環(huán)境的反應(yīng)比較靈敏［17］?？梢娖拭娴讓拥暮恿飨嗌皩优c其上部層位存在較明顯的環(huán)境差異。另外，黏土層和黃土層與上地殼平均值具有一致的分布形式，表明其沉積物來(lái)源主要是上地殼的風(fēng)化物質(zhì)（圖5a）。

圖4 方正剖面各沉積層元素變化曲線圖Fig.4 The element change curve drawing of each sedimentary sequences in Fangzheng section

方正剖面北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化的稀土配分模式各層分布總體上具有相似性，基本為近水平分布，但可以進(jìn)一步詳細(xì)分為3種分布形式（圖5b）：一是河流相細(xì)砂層，其稀土總量水平低，均低于北美頁(yè)巖，基本沒(méi)有負(fù)Ce異常，出現(xiàn)明顯的正Eu異常和正Ho異常；二是灰色黏土層，其稀土總量較高，接近于北美頁(yè)巖，出現(xiàn)弱的負(fù)Ce異常，具有較明顯的正Eu和Sm異常和正Ho異常；三是黑色黏土層及其以上的層位，其稀土總量最高，一般高于北美頁(yè)巖，出現(xiàn)弱的負(fù)Ce異常，具有較明顯的正Eu和Sm異常和正Ho異常。3種不同的分布形式體現(xiàn)出沉積環(huán)境的差異。Ce是變價(jià)元素，源區(qū)的風(fēng)化作用環(huán)境是制約沉積物Ce異常的一個(gè)重要因素：在弱酸性、氧化的風(fēng)化過(guò)程中Ce3＋被氧化成Ce4＋，Ce4＋極易水解而形成沉淀，使風(fēng)化的源區(qū)富集Ce，而淋出液貧Ce，在沉積區(qū)產(chǎn)生Ce負(fù)異常；相反，在強(qiáng)堿性、還原條件下，Ce4＋易被還原成Ce3＋，易遭受淋濾而發(fā)生遷移，使風(fēng)化的源區(qū)虧損Ce，而淋出液富集Ce，在沉積區(qū)產(chǎn)生Ce正異常。中更新世晚期河流相砂層不出現(xiàn)負(fù)Ce異常，說(shuō)明其當(dāng)時(shí)可能處于近中性的表生環(huán)境，而晚更新世早期各層均出現(xiàn)負(fù)Ce異常，說(shuō)明其當(dāng)時(shí)環(huán)境可能轉(zhuǎn)變?yōu)槿跛嵝浴⒀趸谋砩h(huán)境。另外，∑REE、LREE和δEu由河流相砂層到灰色黏土層也出現(xiàn)明顯的突變（圖4），這種環(huán)境的轉(zhuǎn)變可以為中、晚更新世界限性地層劃分提供依據(jù)。

圖5 方正剖面球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分模式圖（a）和北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分模式圖（b）Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns of Fangzheng section（a）and NASC-normalized REE distribution patterns of Fangzheng section（b）

4 結(jié)論

1）方正剖面為跨越中、晚更新世地層的剖面，在中更新世頂部細(xì)砂層中獲得149ka光釋光年齡，與中更新世東崗組上界處143ka熱釋光年齡非常一致，與陶家園子剖面超覆于泉頭組之上晚更新世哈爾濱組底部134.53ka熱釋光年齡協(xié)調(diào)銜接，因此將松遼平原東部中、晚更新世的界限年齡置于140 ka。

2）由于方正剖面沉積環(huán)境發(fā)生了明顯變化，致使主要氧化物、微量元素和稀土元素含量在中、晚更新世的界限處都發(fā)生了明顯突變。其中：中更新世以河流湖泊發(fā)育的溫暖濕潤(rùn)環(huán)境為主，晚更新世以沼澤漫灘過(guò)渡到風(fēng)沙發(fā)育的干旱涼冷為主。從地球化學(xué)角度應(yīng)將環(huán)境指示元素含量發(fā)生明顯變化處作為中、晚更新世界限。

3）通過(guò)方正剖面與榆樹東崗村剖面地層的對(duì)比，認(rèn)為方正剖面更適合為松遼盆地東部建立中、晚更新世的界限性成型剖面提供參考，同時(shí)也可以為分析中、晚更新世沉積環(huán)境提供地質(zhì)依據(jù)。

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所王成敏研究員和趙華研究員在樣品分析過(guò)程中給予的幫助，在此表示感謝。

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