淺談第四系“姜結(jié)石、鐵錳結(jié)核”形成與分布的關系

季 虹

（河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院，河北 廊坊 065000）

第四系是地質(zhì)歷史演化新生代最新的一個系，它是在新生代新近系的基礎上形成的，是地殼的表層部分。由海相、陸相和海陸交叉相互沉積作用形成的沉積物組成。巖性有礫、砂礫、粗砂、中砂、細砂、粉砂、粉砂質(zhì)粘土、粘土質(zhì)粉砂和粘土等，同時含有姜結(jié)石和鐵錳結(jié)核。不同時代形成的第四系沉積物巖性、巖性組合和所含姜結(jié)石、鐵錳結(jié)核的多少存在一定的差異，反映了不同時代地質(zhì)的差異以及當時氣候變化和活動特點。

由上可知，第四系的形成是在新生代新近系的基礎上形成的。新近紀早期至中期地殼運動處于隆升、剝蝕時期，地球表面較平坦，形成廣闊的臺地，局部伴有基性火山巖漿噴溢，形成火山臺地或火山熔巖被。在新近紀晚期，地殼運動處于下降狀態(tài)，并接受沉積，因而形成了規(guī)模宏偉開闊的主要由陸源沉積物組成的沉積盆地。巖性組成主要為粉砂巖、砂巖和礫巖等，顏色多呈紫色，反映了當時氣候變化的特點。

1 第四系及河北第四系劃分及其特征

第四系按時間可以劃分為更新統(tǒng)和全新統(tǒng)。前者又可以劃分為下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)。其沉積特征和物質(zhì)組成等存在一定的差異。華北平原下更新統(tǒng)地層固安組[1]，中更新統(tǒng)地層為楊柳青組，上更新統(tǒng)地層為歐莊組。全新統(tǒng)因沉積物松散、未固結(jié)成巖尚無組的劃分，僅按成因類型劃分。

全新統(tǒng)：現(xiàn)代地貌已經(jīng)形成。山區(qū)只在沿溝谷、洼地堆積砂、土、礫石層和風成砂丘；平原區(qū)為河流、沼澤相砂土、粘土質(zhì)砂土、粘土和風成砂。

更新統(tǒng)：區(qū)域差異上升運動仍然活動，如華北平原西部和北部山區(qū)繼續(xù)上升，變得更加巍峨壯觀，低山、丘陵綿延起伏，形態(tài)多姿；平原區(qū)快速堆積、洼地填平，平原地貌初現(xiàn)。具體特征是：

下更新統(tǒng)：山區(qū)進一步升高，形成階梯地形；平原區(qū)持續(xù)下降，遭受海侵。在山間盆地中沉積了泥河灣組，為一套河湖相的砂礫石、粘土、亞粘土（粉砂質(zhì)粘土）層夾鈣質(zhì)結(jié)核（姜結(jié)石）和石膏。平原區(qū)沉積了固安組，為一套沖積、洪積、冰川—冰水堆積及沖湖積粘土、亞粘土（粉砂質(zhì)粘土）夾砂礫石堆積，普遍含鐵錳結(jié)核。

中更新統(tǒng)：在山間盆地、溝谷兩側(cè)，沉積了赤城組，為一套洪積紅色含鈣質(zhì)結(jié)核的亞粘土（粉砂質(zhì)粘土）、粘土及粉砂質(zhì)礫石層。在平原區(qū)沉積了楊柳青組，為一套沖、洪積與冰川—冰水堆積及沖湖積含砂亞粘土（粉砂質(zhì)粘土）夾礫石層堆積。

上更新統(tǒng)：山區(qū)沉積了馬蘭組，其下部為沖洪積或冰水冰緣成因的黃土礫石層，沿溝谷及山麓邊緣分布，平行不整合在赤城組之上；中部為洪、風積成因的典型黃土層，覆蓋在中新統(tǒng)及更老的地層之上，經(jīng)常掩蓋了較低的分水嶺、山坡和洼地；上部為沖洪積、洪坡積、或冰水、冰緣成因的次生黃土夾砂、礫層，分布范圍與黃土層一致。平原區(qū)沉積了歐莊組，為一套沖積、洪積和湖積粉砂質(zhì)粘土、粘土夾砂礫石層。

2 華北平原第四系“姜結(jié)石、鐵錳結(jié)核”形成與分布

以華北平原某地第四系鉆孔為例，就華北平原第四系“姜結(jié)石、鐵錳結(jié)核”形成、分布與氣候的關系加以總結(jié)。該鉆孔孔深402.7m。其中315.50m是第四系沉積物與新近系沉積物分界處。新近系主要由含礫粘土、粉砂巖、砂巖、礫石層、卵石層組成。屬河流相和湖泊相形成的產(chǎn)物，鐵錳結(jié)核較少。

2.1 華北平原第四系基本特征

該鉆孔第四系形成的產(chǎn)物較為復雜，形成的巖性、巖性組合多樣，姜結(jié)石和鐵錳結(jié)核含量存在一定的差異。由地表到地下孔深315.50m可劃分為全新統(tǒng)地層（0m～12.35m）、上更新統(tǒng)地層（12.35m～46.45m）、中更新統(tǒng)地層（46.45m～84.00m）、下更新統(tǒng)地層（84.00m～315.50m）。

全新統(tǒng)地層：主要沉積物為棕黃色粘土質(zhì)粉砂、棕黃色土黃色粉砂、深棕色青灰色粘土，其中部分粘土含有大量的銹斑、炭屑以及螺化石，并夾2層淤泥質(zhì)粘土。地層分布均勻，厚度變化較小，一般在6m～12m之間，由西北向東南呈逐漸增厚趨勢。底部以棕紅色含姜結(jié)石粘土層與下伏晚更新世歐莊組為界。

上更新統(tǒng)地層：上部為灰黃色、灰褐色粘土、粘土質(zhì)粉砂，淺灰色粉砂夾薄層粘土，發(fā)育水平層理，普遍含鈣質(zhì)結(jié)核（姜結(jié)石），中部為灰棕色、棕黃色粘土夾薄層粉砂；下部為灰黑色、灰褐色粉細砂、中砂、含礫中砂、淤泥質(zhì)粉砂夾薄層粘土。底部以一層灰色粘土與下伏中更新世楊柳青組為界。姜結(jié)石可見6層，鐵錳結(jié)核1層（同生結(jié)核），屬歐莊組。

中更新統(tǒng)地層：上部為棕紅色、灰綠色厚層狀粘土、粉砂質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粘土，含大量鐵錳結(jié)核；中部為淺灰色黃色粉砂、粘土質(zhì)粉砂、細砂、中細砂，粒序?qū)永戆l(fā)育；下部為棕黃色、灰褐色粘土，富含鐵錳結(jié)核，局部夾薄層粉砂。底部以一層潴育化棕紅色含鈣質(zhì)結(jié)核粘土與下伏早更新世固安組為界。姜結(jié)石可見11層，鐵錳結(jié)核6層（同生結(jié)核），屬楊柳青組。

下更新統(tǒng)地層：上部為淺灰、灰綠色粉砂、細砂，平行層理發(fā)育；中部深棕色、灰黑色粘土、粉砂質(zhì)粘土夾粉細砂、中砂，普遍含鈣質(zhì)結(jié)核；下部為黃棕色、灰棕色細砂、中砂夾薄層粘土。底部以一層淺灰色、灰棕色中砂與下伏第三紀（新近紀）上新世明化鎮(zhèn)棕紅色含砂粘土為界。

姜結(jié)石可見16層，鐵錳結(jié)核1層（同生結(jié)核），屬固安組。

圖1 第四系地層平面變化圖

2.2 華北平原第四系“姜結(jié)石、鐵錳結(jié)核”形成、分布與氣候的關系

由上可知，第四系全新統(tǒng)含少量姜結(jié)石，不含鐵錳結(jié)核。而上更新統(tǒng)地層、中更新統(tǒng)地層和下更新統(tǒng)地層均含有姜結(jié)石和鐵錳結(jié)核，由下更新統(tǒng)到上更新統(tǒng)，姜結(jié)石含量由多變少，鐵錳結(jié)核以中更新統(tǒng)最多，達6層。無論是姜結(jié)石的形成與分布，還是鐵錳結(jié)核的形成均與當時的氣候息息相關。

2.2.1 姜結(jié)石的形成、分布與氣候的關系

姜結(jié)石指風化作用下巖石中的鈣（Ca）被分解出來，不溶于水，隨水介質(zhì)運移，形成膠體溶液，在沉積作用過程中逐漸凝聚形成狀似生姜的結(jié)核，因為其外形和顏色均神似生姜，故名為“姜結(jié)石”。其形成與分布主要與干旱的氣候風化作用有關和潮濕的氣候?qū)е掠晁龆嘈纬伤鳎媪鳎┌徇\，干濕氣候交替，導致“潴育化”作用形成的結(jié)果。由此可知，由下更新統(tǒng)到上更新統(tǒng)，姜結(jié)石含量由多變少是“潴育化”作用由強逐漸減弱，由炎熱干旱氣候氧化環(huán)境向低溫潮濕還原環(huán)境轉(zhuǎn)變。炎熱干旱氣候氧化環(huán)境導致鈣質(zhì)成分結(jié)晶增多，低溫潮濕還原環(huán)境導致巖石中鈣質(zhì)成分分解，并隨水介質(zhì)遷移，形成膠體溶液，補充已有姜結(jié)石形成的物質(zhì)成分來源，使其體積變大。在靠近河流一帶或古河道處，姜結(jié)石分布較多，主要見于河流相、河漫灘相粉砂、細砂、中砂等中。

2.2.2 鐵錳結(jié)核的形成、分布與氣候的關系

指風化作用下巖石中的鐵（Fe）、錳（Mn）被分解出來，不溶于水，隨水介質(zhì)運移，形成膠體溶液，在沉積作用過程中逐漸凝聚形成各種形狀的結(jié)核，呈球狀、橢圓狀、馬鈴薯狀、葡萄狀、扁平狀、爐渣狀等。是鐵、錳氧化物的集合體。呈黑色和褐色。直徑的大小從幾微米到幾厘米。其形成與分布同樣主要與干旱的氣候風化剝蝕作用有關（風化剝蝕作用提供了物質(zhì)來源）和潮濕的氣候?qū)е掠晁龆嘈纬伤靼徇\，干濕氣候交替，導致“潴育化”作用形成的結(jié)果。由此可知，由下更新統(tǒng)到上更新統(tǒng)，鐵錳結(jié)核由少增多到減少，反映了氣候由較高溫干旱氧化環(huán)境向低溫潮濕還原環(huán)境轉(zhuǎn)變，最終向較高溫干旱氧化環(huán)境演化。同樣是炎熱干旱氣候氧化環(huán)境導致鐵質(zhì)、錳質(zhì)成分結(jié)晶增多，低溫潮濕還原環(huán)境導致巖石中鐵質(zhì)、錳質(zhì)成分分解，并隨水介質(zhì)遷移，形成膠體溶液，補充已有鐵、錳結(jié)核形成的物質(zhì)成分來源，使其體積變大。主要分布在湖相粘土和粉砂質(zhì)粘土中。

3 結(jié)論

綜上所述，華北平原第四系“姜結(jié)石、鐵錳結(jié)核”形成、分布與氣候的關系密切。姜結(jié)石形成與分布主要與干旱的氣候風化剝蝕作用有關和潮濕的氣候?qū)е掠晁龆嘈纬伤鳎媪鳎┌徇\，干濕氣候交替，導致“潴育化”作用形成的結(jié)果。鐵錳結(jié)核形成與分布同樣主要與干旱的氣候風化作用有關和潮濕的氣候?qū)е掠晁龆嘈纬伤靼徇\，干濕氣候交替，導致“潴育化”作用形成的結(jié)果。因此，研究華北平原第四系“姜結(jié)石、鐵錳結(jié)核”形成、分布與氣候的關系，對于研究該區(qū)第四系的形成、發(fā)展、演化和古氣候、古環(huán)境變化具有一定的指示意義。