臨河凹陷QK3鉆孔220 ka以來的沉積環(huán)境演變記錄

畢志偉， 楊振京*， 王利康， 寧 凱， 楊慶華， 劉 瑋

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050803； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局第四紀(jì)年代學(xué)與水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050803)

沉積環(huán)境的變化對沉積物粒度有著較大的影響，相應(yīng)的沉積物粒度信息也記錄著沉積區(qū)的環(huán)境變化信息。沉積物粒度特征在判別沉積環(huán)境，確定沉積動力及動力大小，物質(zhì)來源和氣候變化方面有著重要的意義[1-3]。通過分析沉積物粒度參數(shù)以及粒度組分的變化信息可以較好地識別出沉積環(huán)境的演變過程。在沉積物粒度分析沉積環(huán)境的研究工作中，前人積累了大量的研究經(jīng)驗(yàn)[4-6]。河套盆地內(nèi)的臨河凹陷內(nèi)發(fā)育了巨厚的沉積地層，是晚第四紀(jì)環(huán)境演變的理想場所。根據(jù)對盆地內(nèi)部進(jìn)行鉆孔研究，識別沉積環(huán)境的變化，建立高分辨率年齡框架和氣候代用指標(biāo)研究，對該區(qū)域內(nèi)的生態(tài)地質(zhì)和水文地質(zhì)研究具有重要意義。

1 國內(nèi)研究概況

臨河凹陷是黃河中游的河套盆地的一部分，其分布范圍主要包括狼山山前斷裂以東、色爾騰山前斷裂以南，鄂爾多斯北緣斷裂以北，西山咀隆起，烏拉山北緣斷裂以西地區(qū)，是黃河中游段演化的關(guān)鍵區(qū)域[7-8]。該區(qū)域內(nèi)的基礎(chǔ)地質(zhì)研究較多，在第四紀(jì)地層方面也取得了一些成果，但多為地質(zhì)普查資料，所進(jìn)行的年代學(xué)、古氣候指標(biāo)等的測試相對較少[9-10]。

近年來，許多學(xué)者對河套盆地湖相沉積地層[11-14]尤其是西部地區(qū)(磴口隆起、西山咀凸起)晚更新世以來沉積地層進(jìn)行了相關(guān)研究[15-17]，對“吉蘭泰—河套”古大湖的形成演化進(jìn)行了討論[18-19]。這些研究多在山前的沖洪積扇上開展相關(guān)研究，針對臨河凹陷內(nèi)部的鉆探研究較少，并且缺乏精確的第四紀(jì)年代學(xué)研究，缺失年代學(xué)研究基礎(chǔ)的情況下很難進(jìn)行精確的古氣候古環(huán)境的恢復(fù)。

基于此，現(xiàn)選取臨河凹陷內(nèi)的QK3鉆孔中的沉積物粒度和光釋光研究作為研究對象。通過精確的年代數(shù)據(jù)建立年代框架，在年代框架的支撐下結(jié)合沉積物粒度的變化特征，探討并分析臨河凹陷內(nèi)部沉積環(huán)境的演變特征。以期為恢復(fù)研究區(qū)中更新世晚期以來的沉積環(huán)境演變過程提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

所分析的鉆孔位于巴彥淖爾市臨河古城鄉(xiāng)磚廠內(nèi)(地理位置41°09′42.7″N,107°28′26.0″E)。如圖1所示，該鉆孔位于臨河凹陷內(nèi)部，鉆孔終孔深度為225 m。共計采取粒度樣品95件，光釋光樣品14件。

圖1 研究區(qū)及鉆孔位置圖

樣品的測試分析工作均在中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所第四紀(jì)年代學(xué)及水文環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。光釋光樣品測試采用簡單多片再生法對細(xì)顆粒石英組分進(jìn)行測年[20-21]。數(shù)據(jù)的分析工作在Daybreak 2200光釋光儀上進(jìn)行。粒度樣品測試使用鹽酸-雙氧水聯(lián)合法進(jìn)行預(yù)處理，加入分散劑后超聲處理。完成前處理之后采用英國MALVERN公司生產(chǎn)的Mastersize 2000型激光粒度儀進(jìn)行上機(jī)測試。

3 結(jié)果分析

3.1 巖石地層結(jié)果分析

通過對鉆孔進(jìn)行了詳細(xì)的巖性編錄，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)志，對鉆孔進(jìn)行了巖石地層學(xué)的劃分，如圖2所示，初步得到以下結(jié)果。

圖2 QK3鉆孔巖性柱

全新統(tǒng)地層巖性主要為淺灰黃色粉細(xì)砂、亞砂土、亞黏土，厚度15 m左右。五原縣以東以南地區(qū)地層巖性主要為淺灰黃色亞黏土、黏土沉積，見粉砂薄層，在山前地帶，顆粒較粗，以含礫中粗砂砂石為主，夾薄層粘砂土。

上更新統(tǒng)地層巖性主要為淺灰褐色、灰色粉細(xì)砂、中細(xì)砂、含礫粗砂。結(jié)構(gòu)松散，無層理，局部含深灰色碳質(zhì)淤泥。北部地區(qū)沉積厚度最大，最厚處大于240 m，地層巖性主要為淺灰褐色、深灰色亞砂土，間有較厚的粉細(xì)砂層段。中部古城鄉(xiāng)一帶以黏土、亞黏土為主，而西部沙海鎮(zhèn)與東部什巴鄉(xiāng)沉積物顆粒稍粗，以亞砂土為主，夾細(xì)砂層。

中更新統(tǒng)地層主要為亞砂土與亞黏土、黏土互層，亞砂土層一般為深灰色，較密實(shí)，多發(fā)育水平層理，局部有機(jī)質(zhì)含量高。亞黏土、黏土層一般為淺灰褐色，結(jié)構(gòu)致密，斷面光滑有光澤，多發(fā)育水平層理，局部見灰黑色有機(jī)質(zhì)富集層，呈淤泥質(zhì)黏土。臨河凹陷中部地區(qū)沉積物顆粒相對較細(xì)，以灰黑色淤泥質(zhì)黏土為主，東西部地區(qū)沉積物粒度相對較粗，以青灰色亞砂土、粉細(xì)砂為主。地層頂板埋深在西部約240 m，向東逐漸變淺至150 m左右。

3.2 年代地層結(jié)果分析

QK3鉆孔的年代序列是依靠14個光釋光測年數(shù)據(jù)所建立年代數(shù)據(jù)之間根據(jù)線性內(nèi)插的原理進(jìn)行年代插值計算[22]。如圖3所示，通過數(shù)據(jù)分析可以得出QK3鉆孔225.1 m處年齡為220.26 ka.BP，大致為中更新世晚期。根據(jù)沉積速率及巖性變化，將全新世底界定在14.6 m處，晚更新世底界為151.5 m。

圖3 年代模型及沉積速率

3.3 粒度結(jié)果分析

3.3.1 粒度組分特征分析

粒度組分中黏土和砂含量變化規(guī)律可以較好地指示沉積水動力的變化。臨河凹陷QK3鉆孔采用國際標(biāo)準(zhǔn)伍登溫特華斯(Udden-Wentworth)分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行粒度組分劃分，將沉積物粒度組分劃分為黏土(<4 μm)、粉砂(4～64 μm)和砂(>64 μm)三個標(biāo)準(zhǔn)[23]。

區(qū)域地質(zhì)志顯示該區(qū)域多為河流相的沖洪積物，粉砂和砂含量占比較高。QK3鉆孔中砂含量相對較高，樣品中最高值可達(dá)96.8%，平均含量為41.67%，主要出現(xiàn)在鉆孔的中上部。其次是粉砂含量，介于2.46%～77.89%，平均含量為37.5%。QK3鉆孔中粉砂和砂含量占有優(yōu)勢，是主要的粒徑組成部分。

3.3.2 粒度參數(shù)特征分析

沉積物粒度參數(shù)對于判別沉積物沉積環(huán)境有著重要的指示意義。粒度參數(shù)主要是指沉積物粒度數(shù)據(jù)中的標(biāo)準(zhǔn)差、偏度、尖度以及平均粒徑[24-26]。標(biāo)準(zhǔn)差一般指示的是沉積物粒徑的分選性，根據(jù)所測得粒度數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算可以得出沉積物的粒度參數(shù)[27]，并繪制曲線圖，如圖4和圖5所示。

圖4 QK3鉆孔沉積物粒度

LD為粒度

通過對QK3鉆孔的沉積物粒度數(shù)據(jù)計算和統(tǒng)計，粒度參數(shù)特征如圖所示，平均粒徑在(2.55～8.24)Φ，平均粒徑平均值為5.36Φ[Φ值為伍登-溫哥華粒級標(biāo)準(zhǔn)，Φ=-log2D(mm)]平均粒徑顯示QK3鉆孔的基本巖性為粉砂和細(xì)砂[3]。標(biāo)準(zhǔn)差介于0.89～2.81，分選相對較差。尖度介于1.62～17.18，變化幅度大，顯示沉積物峰值較尖銳。

3.3.3 QK3鉆孔沉積環(huán)境變特征分析

沉積物粒度組分和粒度特征的變化與沉積環(huán)境演變具有一致性。一般地，不同的沉積環(huán)境下會有不一樣的沉積物組成，沉積物的頻率分布曲線和概率累積曲線也會不同。由此可以根據(jù)沉積物粒度參數(shù)、粒度組分和粒度曲線將QK3鉆孔劃分為5個沉積階段。

第一階段：13.49 ka.BP至今(0～14.6 m)，該階段主要巖性為淺黃色、淺褐色粉砂及亞砂土，沉積物粒徑平均值介于(7.7～8.07)Φ，沉積物以粉細(xì)砂為主，黏土含量較高(多為46%～51%)，最高可達(dá)約51%，砂含量介于0%～2.07%，標(biāo)準(zhǔn)差1.53左右，尖度2.5左右，分選一般。頻率曲線以單峰為主，含有少量雙峰，正偏態(tài)，概率累積曲線以細(xì)一段型、細(xì)二段型為主。由此推斷該階段沉積環(huán)境較為簡單，沉積水動力條件弱，表現(xiàn)為河漫湖泊相沉積。

第二階段：13.49 ka.BP～38.5 ka.BP(14.6～50 m)，該階段巖性主要為灰色或灰褐色亞砂土、粉砂等，該階段中砂含量明顯增加，砂平均含量在60.66%，平均粒徑在32～147.23 μm，平均粒徑平均值為103.31 μm。標(biāo)準(zhǔn)差在1.78～2.54，分選差，偏度數(shù)據(jù)顯示呈正偏態(tài)分布，概累積曲線主要是粗二段型為主，主體粒徑為4.23Φ，反映了水動力條件較強(qiáng)的河流相邊灘沉積環(huán)境。

第三階段：38.5 ka.BP～117.47 ka.BP(50～140 m)，該組沉積物由多個沉積旋回組成，其中黏土含量最高可達(dá)48.64%，砂含量波動較大，黏土含量高的樣品頻率曲線以雙峰為主，次峰不明顯。正偏態(tài)，概率累積曲線以細(xì)二段型為主，主體粒徑在7.7Φ。；砂層含量高的層位上，最高含量可達(dá)96.87%，分選較差，頻率曲線以單峰為主，正偏態(tài)，概率累積曲線以粗二段型為主，主體粒徑在3.5Φ。該階段反映了水動力條件有著明顯的強(qiáng)弱變化過程，表現(xiàn)出河流邊灘和河漫湖泊交替沉積的過程。

第四階段：117.47 ka.BP～189.9 ka.BP(140～200 m)，該階段沉積物多為灰褐色粉砂及亞砂土，沉積物顆粒較為均一，標(biāo)準(zhǔn)差在1.25～2.56，分選一般。砂含量降低，約為26.13%。頻率分布曲線主要為雙峰型，次峰較為明顯，正偏態(tài)。概率累積曲線以二段型為主，主體粒徑在6Φ左右。表現(xiàn)為水動力較強(qiáng)的河流邊灘沉積。

第五階段：189.9 ka.BP～220.26 ka.BP(200～225.1 m)，該組沉積物主要為灰色、灰黑色粉細(xì)砂以及淤泥組成，沉積物顆粒普遍偏細(xì)，平均粒徑約為30.8 μm，黏土含量在1.84%～57.07%，平均含量為39.59%。砂含量變化較大。分選一般。頻率曲線以單峰為主，正偏態(tài)，概率累積曲線以細(xì)一段型為主，主體粒徑在7.01Φ。表現(xiàn)為水動力條件較弱的濱湖相沉積。

4 討論

根據(jù)QK3孔沉積物粒度特征，結(jié)合年代地層、巖石地層、生物地層等資料，該鉆孔反映的沉積環(huán)境在中更新世晚期以來主要為河湖相沉積。上部15 m為全新世沉積，以粉細(xì)砂為主，黏土含量較高。中部15～151 m，晚更新世沉積，以細(xì)砂為主，夾有多層黏土、亞黏土層，主要為水動力條件較強(qiáng)的河流相沉積環(huán)境。鉆孔底部至鉆孔151 m處，為中更新世沉積，以砂層為主，黏土含量波動較大，在10%～50%變化，主要為河流相、河漫湖泊相交替沉積，其主要特征為河湖相，在底部的灰黑色淤泥層，反映了濱湖相沉積。

綜合多個鉆孔資料，臨河凹陷中更新世晚期，已經(jīng)由以湖相、淺湖相、湖沼洼地相為主過渡到以河流相為主的沉積環(huán)境。在QK3孔底部沉積了厚層的灰黑色淤泥層，反映出盆地內(nèi)部湖相發(fā)育，之后沉積的黏土層厚度都較薄，顏色也多為灰褐色、灰色，砂層厚度明顯增加，這一變化也反映了黃河可能在中更新世晚期進(jìn)入臨河凹陷。

晚更新世早期，河套盆地新構(gòu)造運(yùn)動處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，晚期新構(gòu)造運(yùn)動較強(qiáng)烈[28]，山前以沖洪積相為主，盆地內(nèi)部主要為湖相沉積。晚更新世，臨河凹陷區(qū)氣候總體上較為干旱，西部地區(qū)早期植被發(fā)育，以針葉林為主，晚期孢粉極其貧乏，東部地區(qū)早期為荒漠草原植被，種類單一，中期植被較發(fā)育，山地以云杉、松為主，平原地區(qū)以菊科、禾本科為主，晚期又以草原為主，氣候較冷干。

河套盆地在全新世，地形的基本面貌與前期無重大變化，新構(gòu)造運(yùn)動仍較強(qiáng)烈，山體繼續(xù)抬升，遭受侵蝕—剝蝕，平原持續(xù)接受沉積[29]。

臨河凹陷全新世山前及近山前一帶主要以沖洪積相為主，沉積物主要為淺灰黃色粉細(xì)砂、亞砂土、亞黏土。整個平原區(qū)表現(xiàn)為以河流沖積相為主的地理環(huán)境，河道帶之間分布有零星的沼澤洼地，其巖性為灰褐色淤泥質(zhì)亞黏土，個別地方還保存著淺湖和淺湖的遺跡，如烏梁素海。全新世氣候總體上為溫涼偏濕轉(zhuǎn)溫干，總體呈干旱趨勢，晚期形成了風(fēng)積層，分布于烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠。西部地區(qū)植被稀疏，東部較為繁盛。

5 結(jié)論

(1)QK3孔年代學(xué)研究顯示，鉆孔全新統(tǒng)底界位于14.6 m，上更新統(tǒng)底界位于151 m，鉆孔未揭穿中更新統(tǒng)地層。

(2)沉積物粒度研究顯示，臨河凹陷QK3鉆孔220 ka.BP以來主要經(jīng)歷了5個較大的沉積階段，第一階段為13.49 ka.BP以來表現(xiàn)為河漫湖泊相沉積環(huán)境，第二階段：13.49 ka.BP～38.5 ka.BP表現(xiàn)為河流邊灘相沉積環(huán)境，第三階段：38.5 ka.BP～117.47 ka.BP表現(xiàn)為河流邊灘和河漫湖泊的交替沉積環(huán)境，第四階段：117.47 ka.BP～189.9 ka.BP表現(xiàn)為河流邊灘沉積，第五階段：189.9 ka.BP～220.26 ka.BP表現(xiàn)為濱湖相沉積。

(3)中更新世晚期，臨河凹陷地區(qū)巖性由淤泥質(zhì)黏土變?yōu)樯皩?，此一時期，湖水深度減小，由深湖逐漸變?yōu)闇\湖，河流相沉積的出現(xiàn)說明黃河已經(jīng)進(jìn)入臨河凹陷，晚更新世，臨河凹陷山前以沖洪積相-湖相為主，其他區(qū)域以河流相為主，局部分布有沼澤洼地相。至全新世，臨河凹陷主要的沉積環(huán)境為山前的沖洪積相。