渤海灣西MIS3階段海侵邊界探討

魯慶偉

(天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所，天津 300170)

0 引言

2020年4月30日自然資源部發(fā)布的《2019年中國海平面公報》[1]顯示，1980—2019年中國沿海海平面上升速率為3.4 mm/a，預測未來30 a，中國沿海海平面將上升51～179 mm?！稓夂蜃兓械暮Ｑ蠛捅鶅鋈μ貏e報告》[2]評估了區(qū)域海平面上升對低海拔(<10 m)沿海地區(qū)和社會的影響以及相關(guān)的風險[3]。因此，加強古環(huán)境、海平面變遷研究，對沿海城市防災(zāi)減災(zāi)具有很強的現(xiàn)實意義。引起海岸線大范圍變化的原因主要有3個∶海面的變化、地殼的升沉與河流的堆積。國家海岸帶和海洋地質(zhì)計劃認為，海岸帶問題的解決需要向內(nèi)陸擴展，向流域、山脈探尋地質(zhì)作用根源[4]。研究區(qū)作為“源-匯”過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是研究海侵和海平面變化的天然實驗室，晚第四紀以來沉積地層中記錄了具有古海岸線指示意義的3期海侵(自上而下依次為第1、2、3海侵層)[5-14]和貝殼堤地質(zhì)遺跡[15-18]。對于全新世海侵邊界(第1海侵層)追蹤探討已有相關(guān)研究： 李鳳林[18]根據(jù)微地貌、微體古生物、考古學、地層及年代學進行地層對比，圈定了渤海灣西岸全新世海侵最大邊界； 方晶等[19]通過鉆孔黏土混濁水電導率，結(jié)合貝類及有孔蟲鑒定等，探討了天津市西南全新世最大海侵的特征； 劉艷霞等[20]結(jié)合鉆孔與探地雷達的測量方法探測了渤海西南岸全新世最大海侵界線。然而，對于晚更新世海侵(第2、3海侵層)缺乏由海向陸的追蹤研究。本文通過研究區(qū)ZKQ1孔和ZK1孔沉積特征、測年(AMS14C)及微體古生物(有孔蟲、介形類)等綜合分析，并與該區(qū)域前期3個鉆孔(ZKQ4孔、CGZ5孔、CGZ7孔)進行聯(lián)合追蹤對比研究，探討了MIS3階段海侵(第2海侵)邊界以及最大影響邊界，為今后該區(qū)古地理演化、海平面變遷研究以及水工環(huán)地質(zhì)勘查等提供重要的基礎(chǔ)地學資料。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于渤海灣西部、天津市南部平原區(qū)，北靠燕山，西為太行山，屬中新生代斷陷盆地。重力資料[21]顯示，該斷陷盆地存在NE向隆坳相間的構(gòu)造格架，分別為冀中坳陷、滄縣隆起和黃驊坳陷3個Ⅲ級構(gòu)造單元(圖1)。該區(qū)無基巖出露，鉆孔揭露地層有新生界第四系、新近系和古近系以及更老地層。坳陷區(qū)和隆起區(qū)新生界底界埋深分別為3～4 km和1～2 km[22]。第四系底界埋深約在130～340 m[9，13-14]。受全球性氣候變化引起的海平面波動和岸線的頻繁遷移，研究區(qū)第四紀以來歷經(jīng)海陸的變化，形成了海相和陸相沉積物交替出現(xiàn)的地層以及貝殼堤遺跡[15-18]，為海侵事件、海岸線變遷及海面變化等研究提供了天然的理想實驗室。

本文研究的ZKQ1孔(孔深400 m)和ZK1孔(孔深300 m)，分別位于天津市靜海區(qū)西長屯村和三呼莊村，構(gòu)造位置屬于滄縣隆起(圖1)。兩孔均選取50 m以淺地層進行研究，鉆孔口徑110 mm，取心率87%，孔斜<1°。

圖1 鉆孔位置、MIS3階段海侵邊界及構(gòu)造分區(qū)

2 材料與實驗流程

2.1 AMS 14C測年

在ZKQ1孔和ZK1孔中取3件樣品(表1)。

表1 AMS 14C測年結(jié)果

采樣對象為鉆孔新鮮巖心中無污染的泥炭，及時密封并送至北京大學考古實驗室完成測試。樹輪校正所用曲線為IntCal13 atmospheric curve[23]，所用程序為OxCalv4.2.4。AMS14C測年結(jié)果見表1。

2.2 微體古生物鑒定

取樣品20 g放入量杯中并用雙氧水加水浸泡開，用280目篩淘洗，篩上物置于蒸發(fā)皿并放入烤箱烘干，利用顯微鏡分門別類挑選、鑒定和統(tǒng)計，包括有孔蟲、介形類、雙殼類以及腹足類等。制作統(tǒng)計曲線圖(圖2)，結(jié)合沉積特征進行沉積環(huán)境判別。

3 鉆孔沉積環(huán)境分析

3.1 ZKQ1孔沉積環(huán)境分析

(1)0～2.90 m層段(U8)。黃棕色粉砂質(zhì)黏土，為泛濫平原沉積。

(2)2.90～8.10 m層段(U7)。下部為銹黃色夾潛育化黏土質(zhì)粉砂，波狀層理; 上部為灰色、灰黑色粉砂質(zhì)黏土，水平層理,含零星裂縫希望蟲、豐滿陳氏介以及小玻璃介、布氏土星介等廣鹽低鹽種組合，指示有淡水注入的濱海湖沼相沉積。

(3)8.10 ～10.55 m層段(U6)。深灰色黏土質(zhì)粉砂，波狀層理，透鏡狀層理； 底部見生物潛穴，略顯生物擾動，10.15 m處獲得AMS14C校正年齡8 910 cal.a BP，時代屬于中全新世(據(jù)國際年代地層表V2018/08); 含光滑九字蟲、裂縫希望蟲等有孔蟲以及豐滿陳氏介、典型中華美花介等海相介形類，為MIS1階段海相(潮間帶)沉積。

(4)10.55～13.10 m層段(U5)。淺灰色粉砂質(zhì)黏土，水平層理; 含純凈小玻璃介、布氏土星介等非海相介形類以及白小旋螺等淡水腹足類; 為海侵發(fā)生之前貧營養(yǎng)湖沉積(U5至U6層位為貧營養(yǎng)湖→富營養(yǎng)湖→海侵沉積)。

(5)13.10～19.65 m層段(U4)。上部為銹黃色黏土質(zhì)粉砂； 下部為黃色粉砂。波狀層理，底部可見沖刷侵蝕面; 為分支河道沉積。

(6)19.65～29.10 m層段(U3)。上部為灰棕色粉砂質(zhì)黏土，弱潴育化，局部可見近垂直的生物潛穴和生物輕擾動，見毛蚶和光滑河藍蛤等海相生物，為高潮坪沉積； 中部為淺黃灰色粉砂質(zhì)黏土，局部砂質(zhì)含量略高，波狀層理，含零星鈣質(zhì)結(jié)核和少量有機質(zhì)斑點； 下部為灰色、灰黑色黏土質(zhì)粉砂。28.30 m處獲得AMS14C校正年齡29 460 cal.a BP，相當于MIS3階段沉積。含光滑抱環(huán)蟲、阿卡尼圓形五玦蟲、光滑九字蟲、裂縫希望蟲、畢克卷轉(zhuǎn)蟲變種等有孔蟲; 海相介形類以典型中華美花介為主且含少許中華潔面介、布氏純艷花介、陳氏新單角介等； 含零星布氏土星介、柯氏土星介、雙折土星介等非海相介形類； 見白小旋螺、副豆螺等淡水腹足類生物殼體，為濱海湖沼沉積。

(7)29.10～39.70 m層段(U2)。以黃色粉砂為主，上部黏土質(zhì)粉砂，波狀層理，底部可見沖刷侵蝕面，為河道沉積。

(8)39.70～50.00 m層段(U1)。上部為棕色粉砂質(zhì)黏土，見生物擾動及生物潛穴被銹黃色粉砂充填； 中下部為黃棕色夾淺灰色粉砂質(zhì)黏土，含零星布氏土星介和純凈小玻璃介等非海相介形類，泛濫平原夾湖(沼)相，MIS5階段沉積。

3.2 ZK1孔沉積環(huán)境分析

(1)0～6.05 m(U8)。中上部為棕黃色黏土質(zhì)粉砂，略顯水平層理； 下部為棕色粉砂質(zhì)黏土，塊狀構(gòu)造，為泛濫平原沉積。

(2)6.05～13.10 m(U7)。淺灰色黏土質(zhì)粉砂； 波狀層理、交錯層理； 含少量光滑九字蟲、畢克卷轉(zhuǎn)蟲變種、有孔蟲以及少量典型中華美花介、豐滿陳氏介等海相介形類和零星疏忽玻璃介、布氏土星介等非海相介形類，以及豆螺未定種、白小旋螺等非海相腹足類，為濱海湖沼相沉積。

(3)13.10～13.85 m(U6)?；疑凵百|(zhì)黏土，波狀層理、透鏡狀層理； 含較多光滑九字蟲、畢克卷轉(zhuǎn)蟲變種； 少見粉砂充填的生物潛穴，底部見有機質(zhì)泥炭層，獲得AMS14C日歷年齡7 930 cal. a BP，為MIS1階段海相沉積。

(4)13.85～14.60 m(U5)。淺灰色黏土質(zhì)粉砂，波狀層理，含零星白小旋螺，為湖相沉積。海平面上升，末次盛冰期下切河谷(U4)首先接受沉積，自淡灰色(U5)到灰色、黑色(U6)，符合海侵發(fā)生之前，由貧營養(yǎng)湖因降水增大、有機質(zhì)分解增強，逐漸積累到接近泥炭(即海侵層下伏的基底泥炭)的旋回。

(5)14.60～25.50 m(U4)。黃色粉砂，水平層理，局部見生物碎屑富集，底部可見沖刷侵蝕面，為分支河道沉積。

(6)25.50～30.10 m(U3)。淺灰色粉砂質(zhì)黏土，局部夾棕色黏土和棕黃色黏土質(zhì)粉砂； 水平層理、塊狀層理； 含淡水雙殼類麗蚌，為MIS3階段湖相沉積,并反映出湖水水位波動性。

(7)30.10～35.00 m(U2)。銹黃色黏土質(zhì)粉砂，塊狀層理、透鏡狀層理，略具水平潴育化銹染，為泛濫平原沉積。

(8)35.00～50.00 m(U1)。棕黃色粉砂質(zhì)黏土夾淺黃灰色—淺灰色粉砂質(zhì)黏土，41.05～41.70 m處可見淡水雙殼類麗蚌，應(yīng)為湖相，下部灰色層位，未見生物殼體，塊狀層理，推測為積水洼地?？傮w為泛濫平原夾湖相沉積，屬于MIS5階段。

4 MIS3階段海侵邊界探討

對于第2海侵的發(fā)生時間存在爭議，依據(jù)有機質(zhì)14C測年，其時代為MIS3階段[7]，王福等[24]和商志文等[25]第在Ⅱ海相層獲得的14C樣品年齡均大于43.5 ka BP,形成于MIS3早期或MIS5。而依據(jù)光釋光(Optically Stimulated Luminesecence,OSL)測年，其時代可能為MIS3或MIS5[26-29]； 依據(jù)地層和氣候特征，其時代為MIS3階段[10]。與全新世海侵層基底泥炭相似，第2海侵發(fā)生之前亦形成基底泥炭，是海面變化控制下的一個重要層位。ZKQ1孔28.30 m處獲得AMS14C校正年齡29 460 cal. a BP(表1)，該研究青縣滕莊子ZKT1孔[14]在25.35 m獲得AMS14C校正年齡為 36 770 cal. a BP，在靜海、唐官屯幅以及蔡公莊鄉(xiāng)幅、南臺幅、中旺鎮(zhèn)幅 、太平鎮(zhèn)幅四幅等1∶5萬區(qū)調(diào)項目等20多個鉆孔中，獲得樣品的AMS14C測年均在22～40 ka BP(表2)，可以籠統(tǒng)稱為40 ka BP以來沉積[30]，應(yīng)屬于MIS3階段。

表2 AMS 14C測年結(jié)果

關(guān)于MIS3階段第2海侵最大影響邊界，研究鉆孔沉積特征表明，ZK1孔(25.50～30.10 m)U3層段為淺灰色粉砂質(zhì)黏土，見較多淡水麗蚌生物殼體，為湖相沉積(圖2)。ZKQ1孔19.65～29.10 m層段(U3)，上部為灰棕色潴育化粉砂質(zhì)黏土，見近垂直的生物潛穴和生物擾動現(xiàn)象，為高潮坪沉積； 下部為灰色、灰黑色黏土質(zhì)粉砂。含光滑抱環(huán)蟲、阿卡尼圓形五玦蟲、光滑九字蟲、裂縫希望蟲、畢克卷轉(zhuǎn)蟲變種等有孔蟲。海相介形類以典型中華美花介為主，少許中華潔面介、布氏純艷花介、陳氏新單角介等； 含零星布氏土星介、柯氏土星介、雙折土星介等非海相介形類； 見白小旋螺、副豆螺等淡水腹足類生物殼體。為濱海湖沼沉積。由此可知，推測出MIS3階段第2海侵最大影響邊界在ZK1孔和ZKQ1孔之間，該位置即是現(xiàn)今黑龍港河一帶，也曾是古河道故道，推測該期海侵影響范圍受到了古河道制約。

同時，本次研究鉆孔(ZKQ1，ZK1)與前期鉆孔(CGZ7，CGZ5，ZKQ4)形成E→W(?！?區(qū)域聯(lián)合鉆孔對比剖面(圖3)，對第2海侵邊界進行追蹤，MIS3海侵層位穩(wěn)定[13-14]。其中CGZ7孔28.9～31.2 m有孔蟲極豐富，以畢克卷轉(zhuǎn)蟲、光滑九字蟲、光滑抱環(huán)蟲為主，介形類主要有典型中華美花介和陳氏新單角介，為潮間帶沉積。CGZ5孔28.90～31.60 m為黏土質(zhì)粉砂，含蟶子、毛蚶等生物殼體，上覆河口相砂壩沉積，含較多光滑藍蛤等，底部為還原環(huán)境的灰色粉砂，為潮間帶沉積。ZKQ4孔24.60～27.60 m為棕黃色夾淺灰色粉砂質(zhì)黏土，含零星畢克卷轉(zhuǎn)蟲變種等有孔蟲和純凈小玻璃介、布氏土星介等非海相介形類，以及白小旋螺等,為濱海湖相沉積。

圖3 MIS3階段海侵鉆孔對比剖面

綜上鉆孔地層沉積特征可知，該區(qū)域E→W方向MIS3海侵層位依次表現(xiàn)為海相(CGZ7孔、CGZ5孔)→過渡相(ZKQ4孔、ZKQ1孔)→陸相(ZK1孔)，推測該區(qū)MIS3階段海侵邊界應(yīng)在靜海區(qū)的東尚碼頭村(CGZ5孔)和高家莊(ZKQ4孔)之間一帶。

5 結(jié)論

(1)通過ZKQ1和ZK1鉆孔沉積特征、AMS14C測年及微體古生物和生物殼體等綜合研究，推測該區(qū)MIS3階段最大海侵影響邊界在靜海區(qū)西長屯至三呼莊一帶(ZKQ1孔和ZK1孔之間)，且受到古河道制約。

(2)與該區(qū)域前期3個鉆孔(ZKQ4孔、CGZ5孔、CGZ7孔)建立E→W(?！?聯(lián)合鉆孔海侵追蹤對比剖面，表明該區(qū)MIS3海侵層位依次由濱海新區(qū)至靜海區(qū)東尚碼頭的海相(CGZ7孔、CGZ5孔)→靜海區(qū)的高家莊至西長屯西一帶的過渡相(ZKQ4孔、ZKQ1孔)→靜海區(qū)三呼莊的陸相(ZK1孔)相變，推測該區(qū)MIS3海侵邊界應(yīng)在靜海區(qū)的東尚碼頭村(CGZ5孔)和高家莊(ZKQ4孔)之間一帶。