天津南部平原區(qū)3.6 Ma以來(lái)沉積環(huán)境演化
——以滄縣隆起ZKQ1孔為例

魯慶偉，詹健，韓芳

(天津華北地質(zhì)勘查局地質(zhì)研究所，天津 300170)

0 引言

天津市南部平原區(qū)滄縣隆起屬于華北斷坳，為三大Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元之一(冀中坳陷、滄縣隆起、黃驊坳陷)[1]。地理位置上西為太行山，北為燕山，東鄰渤海灣。該區(qū)為厚層第四系覆蓋區(qū)，據(jù)鉆探揭露約130～250 m[2-4]。

華北斷坳是第四系研究的天然理想實(shí)驗(yàn)室，前人關(guān)于海侵層[5-8]、古氣候、地層[9-11]以及貝殼堤[12-14]等做了較多工作。但多集中在第四紀(jì)或晚更新世以來(lái)地層研究。本次工作基于滄縣隆起上400 m的ZKQ1孔，通過(guò)其長(zhǎng)尺度磁性地層，結(jié)合AMS14C、OSL等測(cè)年、沉積特征、綜合測(cè)井等，對(duì)該孔3.6 Ma以來(lái)的沉積地層進(jìn)行劃分、恢復(fù)古環(huán)境演化，以期為該區(qū)域開展盆地演化、水工環(huán)地質(zhì)勘查以及古地理研究等工作提供幫助。

1 鉆孔基本情況及地層特征

1.1 鉆孔基本情況

ZKQ1孔位于天津市靜海區(qū)西長(zhǎng)屯村西，地理坐標(biāo)N 38°50′56.32″、E 116°52′5.72″；地質(zhì)構(gòu)造位置屬于渤海灣西滄縣隆起(圖1)。ZKQ1孔口標(biāo)高2.94 m，孔深400.18 m，鉆孔口徑110 mm，全孔取芯率達(dá)86.35%。

1.2 地層特征

根據(jù)ZKQ1孔沉積特征，劃分為如下16大層。

(1)0—2.9 m，黃棕色粉砂質(zhì)黏土。

(2)2.9—10.55 m，上部為灰黑色黏土，3.10 m處獲得AMS14C日歷年齡為2840 cal BP。中部為厚0.2～1 cm的棕色黏土與厚0.2～0.5 cm的灰色粉砂互層，下部為深灰色粉砂質(zhì)黏土。含裂縫希望蟲、光滑九字蟲等有孔蟲，以及豐滿陳氏介、典型中華美花介等海相介形類和小玻璃介、布氏土星介等非海相介形類。

(3)10.55—13.10 m，淺灰色粉砂質(zhì)黏土，含純凈小玻璃介、布氏土星介等非海相介形類以及淡水腹足類白小旋螺等。

圖1 ZKQ1孔位置圖Fig.1 The location map of borehole ZKQ1

(4)13.10—19.85 m，銹棕黃色(黏土質(zhì))粉砂，局部夾淺灰色粉砂質(zhì)黏土，中下部砂質(zhì)含量較高處含光滑河藍(lán)蛤等較多生物碎片。18.25 m處取獲得OSL樣品年齡50 ka，應(yīng)為異地再搬運(yùn)所致(該層段相當(dāng)于末次盛冰期沉積)。

(5)19.85—29.10 m，上部為銹棕黃色粉砂質(zhì)黏土，可見生物潛穴，含毛蚶、光滑河藍(lán)蛤、白小旋螺等生物殼體及碎片。下部為淺灰色-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、清晰希望蟲、畢克卷轉(zhuǎn)蟲變種等有孔蟲；典型中華美花介為主，少許中華潔面介、布氏純艷花介、陳氏新單角介等海相介形類，以及布氏土星介、柯氏土星介、雙折土星介等非海相介形類。27.85 m、28.30 m處分別獲得AMS14C日歷年齡為26440 cal BP、29460 cal BP。

(6)29.10—39.70 m，下部為淺黃色粉砂，含藍(lán)蛤類生物碎片。上部為銹棕黃色含鈣質(zhì)結(jié)核的粉砂質(zhì)黏土。37.20 m處獲得OSL年齡83.5 ka。

(7)39.70—50.30 m，為銹黃棕色粉砂質(zhì)黏土夾3層淺灰色—灰色粉砂質(zhì)黏土。局部鈣質(zhì)結(jié)核較發(fā)育；頂部見生物潛穴，生物擾動(dòng)強(qiáng)，含布氏土星介和純凈小玻璃介等非海相介形類。

(8)50.30—110.00 m，粉砂質(zhì)黏土，下部為棕黃色，中部為淺棕灰色，上部為黃棕色；其中66.00～70.20 m、95.30～100.40 m處為淺黃色粉砂，波狀層理。夾6處淺灰色-灰色粉砂質(zhì)黏土。位于第3海侵層位之下68.10 m處獲得OSL年齡101.3 ka，明顯偏新，應(yīng)舍棄。

(9)110.00—115.10 m，淺黃色粉砂，夾2處厚約0.5 m棕黃色粉砂質(zhì)黏土。與下伏地層沖刷侵蝕接觸。

(10)115.10—146.20 m，為淺黃棕色含鈣質(zhì)結(jié)核發(fā)育的潛育化潴育化粉砂質(zhì)黏土，125 m、135 m處見厚1～2 m的淺灰色粉砂質(zhì)黏土。

(11)146.20—240.00 m，為8層黃(綠)色粉砂與黃棕色粉砂質(zhì)黏土不等厚互層。

(12)240.00—325.20 m，灰色粉砂發(fā)育層段，含麗蚌；夾6層淺棕黃色粉砂質(zhì)黏土。

(13)325.20—362.0 m，黃棕色粉砂質(zhì)黏土，鈣質(zhì)結(jié)核雛形發(fā)育，潴育化潛育化。局部夾厚約3 m的灰色粉砂。

(14)362.0—381.35 m，黃色粉砂。

(15)381.35—398.00 m，灰色粉砂；局部夾0.3～1.0 m不等黏土質(zhì)粉砂。

(16)398.00—400.00 m，淺灰綠色黏土質(zhì)粉砂。鈣質(zhì)結(jié)核雛形發(fā)育，略固結(jié)。

2 樣品取樣與測(cè)試

2.1 AMS14C

在ZKQ1孔取AMS14C樣品4件，其測(cè)試結(jié)果見表1所述。

2.2 光釋光(OSL)

在ZKQ1孔取光釋光砂質(zhì)樣品3件，其測(cè)試結(jié)果見表2所述。

2.3 古地磁

(1)取樣與實(shí)驗(yàn)

在無(wú)擾動(dòng)的巖芯新鮮面上以2個(gè)/m的間隔取古地磁手標(biāo)本樣品，去除包裹泥漿，室內(nèi)將取樣加工成2 cm×2 cm×2 cm立方體塊狀樣品，共計(jì)323塊。測(cè)試工作在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁實(shí)驗(yàn)室完成。

對(duì)323塊樣品測(cè)量天然剩磁后，分別按80、150、200、250、300、350、400、450、500、525、550、585、610、630、640、650、670、680、690 ℃等各個(gè)階段在TD48全自動(dòng)熱退磁儀中進(jìn)行系統(tǒng)熱退磁。剩磁測(cè)量在美國(guó)2G ENT ERPRISES公司生產(chǎn)的2G—755超導(dǎo)磁力儀上進(jìn)行。所有退磁過(guò)程和剩磁測(cè)量均在零磁空間中進(jìn)行，測(cè)試數(shù)據(jù)代表性樣品的剩磁矢量正交投影圖如圖2所示。

表1 AMS 14C測(cè)年結(jié)果Table 1 AMS 14C isotopic ages

表2 光釋光測(cè)年結(jié)果Table 2 OSL-dated ages

圖2 ZKQ1孔代表性樣品的熱退磁正交矢量投影圖(●水平分量，○垂直分量)Fig.2 Orthogonal (Zijderveld) vector projection plot of thermal demagnetization of the representative specimens from borehole ZKQ1

(2)測(cè)試結(jié)果

圖3 KQ1孔巖性柱、測(cè)年與古地磁極性柱Fig.3 Column and age-dating and paleo-geomagnetism of borehole ZKQ1

對(duì)分離出較穩(wěn)定的ChRM方向用于建立磁性地層序列，ZKQ1孔共有16個(gè)極性時(shí)，其中，8個(gè)正極性時(shí)分別為N1(0—62.81 m)、N2(101.73—103.60 m)、N3(130.66—138.46 m)、N4(155.92—163.95 m)、N5(179.82—185.21 m)、N6(200.80—210.81 m)、N7(233.17—307.19 m)、N8(327.77—336.58 m)；8個(gè)負(fù)極性時(shí)分別為R1(64.36—95.21 m)、R2(107.15—122.14 m)、R3(140.05—154.77 m)、R4(165.36—173.76 m)、R5(191.36—197.75m)、R6(224.20—332.75 m)、R7(310.16—327.40 m)、R8(339.54—361.13 m)。

圖3為ZKQ1孔巖性柱、測(cè)年與古地磁極性柱圖。與標(biāo)準(zhǔn)極性柱進(jìn)行對(duì)比，N1對(duì)應(yīng)C1n，為Brunhes正極性時(shí)，R1—R2為Matuyama負(fù)極性時(shí)；N3—N8之間，正極性亞時(shí)較多，對(duì)應(yīng)Gauss正極性時(shí)；M/B的界線為62.80 m，G/M界線為130.60 m。與同處滄縣隆起構(gòu)造單元的鄰孔CGZ5[3]對(duì)比，推測(cè)該孔底界年齡不早于3.6 Ma。

3 地層劃分

ZKQ1孔巖芯10.15 m處獲得AMS14C日歷年齡為 8910 cal BP，為全新世海侵層基底泥炭層位，屬于全新世。趙華等[15]對(duì)天津大直沽ZH2鉆孔、李鳳林等[16]對(duì)渤海灣西H1孔、ZH2孔、ZH4孔研究發(fā)現(xiàn)存在20—10 ka BP期間的沉積間斷。天津市區(qū)域地質(zhì)志[1]，取位于全新世海侵層位下偏氧化環(huán)境的沉積地層歸為全新統(tǒng)下界。

圖4 ZKQ1孔與前期鉆孔(ZKT1，CGZ5)測(cè)井曲線及沉積環(huán)境對(duì)比Fig.4 Logging curve and sedimentary environment correlation of borehole ZKQ1, ZKT1 and CGZ5

該區(qū)晚更新世地層發(fā)育2期海相層[1]。對(duì)于第2海侵層，依據(jù)有機(jī)質(zhì)14C測(cè)年，其時(shí)代為MIS 3階段晚期[6]，而依據(jù)OSL測(cè)年，其時(shí)代可能為MIS 3或MIS 5[7,17-19]；對(duì)于第3海侵層，最初報(bào)道在此海侵層下見古地磁Blake亞時(shí)[20]，依據(jù)OSL測(cè)年，可能為MIS 5或MIS 7階段[7,17-19]，而依據(jù)地層和氣候特征，其時(shí)代為MIS 5階段[11]。

本次在27.85 m、28.30 m處分別獲得AMS14C日歷年齡為26440 cal BP、29460 cal BP。37.20 m處獲得樣品2017A097的OSL年齡83.5 ka，屬于晚更新世以來(lái)的沉積(國(guó)際年代地層表(V2018/08)以0.126 Ma作為晚更新世開始的時(shí)間)。在沒有直接測(cè)年技術(shù)可以判斷上更新統(tǒng)下界的情況下，可以采用深海氧同位素階段進(jìn)行地層劃分與對(duì)比。根據(jù)對(duì)古季風(fēng)影響沉積地層水熱狀況的理解，可取第3海侵層位下偏氧化或指示水體萎縮的巖石地層標(biāo)志作為上更新統(tǒng)下界。

《中國(guó)地層指南及中國(guó)地層指南說(shuō)明書》(全國(guó)地層委員會(huì)，2001)、《中國(guó)區(qū)域年代地層(地質(zhì)年代)表說(shuō)明書》(全國(guó)地層委員會(huì)，2002)規(guī)定，采用2.58 Ma做第四紀(jì)下限年代(古地磁M/G界線)，以0.78 Ma(古地磁B/M界線)為中更新世開始的時(shí)間。

綜上所述，ZKQ1孔第四系底界位于130.60 m，中更新世、晚更新世及全新世地層底界分別位于62.80 m、50.30 m和13.10 m。

4 沉積環(huán)境演化與區(qū)域鉆孔對(duì)比分析

(1)沉積環(huán)境演化分析

據(jù)綜合測(cè)井(視電阻率、自然電位等)統(tǒng)計(jì)曲線形態(tài)、沉積特征等，劃分為6個(gè)層段(圖4)：1段400～362 m、2段362～325.20 m、3段325.20～257.45 m、4段257.45～146.25 m、5段146.25～50 m、6段50～0 m。

1段和3段視電阻率、自然電位等測(cè)井曲線表現(xiàn)為鋸齒箱狀，從巖性地層看，1段自下而上為灰色—淺灰黃綠色粉砂；3段為灰色粉砂發(fā)育層段，局部見麗蚌，夾6層淺棕黃色粉砂質(zhì)黏土，其為湖相沉積環(huán)境，且反映出了湖水深淺的周期性變化。

2段和5段視電阻率、自然電位等測(cè)井曲線相對(duì)平直，鋸齒狀波動(dòng)不大，局部夾指狀和鐘型，巖性以黃棕色粉砂質(zhì)黏土為主，局部夾黃色(黏土質(zhì))粉砂或淺灰色粉砂質(zhì)黏土。以泛濫平原為主夾湖沼、分支河道沉積環(huán)境。

4段視電阻率、自然電位等測(cè)井曲線則表現(xiàn)為多個(gè)明顯的正圣誕樹型，巖性為黃(綠)色粉砂與黃棕色粉砂質(zhì)黏土不等厚互層。為8期曲流河發(fā)育層段。

6段視電阻率、自然電位等測(cè)井曲線受咸水影響層段，波動(dòng)不明顯。該段為三期海侵和河流交互作用沉積發(fā)育層段。其中2.9 m—10.55 m、19.85 m—29.10 m、39.70 m—50.30 m等沉積層段為淺灰色—灰色粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂；含裂縫希望蟲、光滑九字蟲等有孔蟲，以及豐滿陳氏介、典型中華美花介等海相介形類和小玻璃介、布氏土星介等非海相介形類；為濱海湖沼相沉積。其余沉積層位為(銹)黃棕色粉砂質(zhì)黏土、黃色(黏土質(zhì))粉砂，局部可見沖刷面、河口生物殼體光滑河藍(lán)蛤等；為河流沖積平原沉積。

(2)區(qū)域鉆孔對(duì)比分析

為避免單孔地層沉積環(huán)境解譯局限性，與該區(qū)同處于滄縣隆起的鉆孔ZKT1孔[4]、CGZ5孔[3]進(jìn)行對(duì)比分析(圖4)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)晚上新世(<3.6—2.58 Ma)，早期至晚期沉積環(huán)境由湖相三角洲向曲流河演變。早更新世時(shí)期，靜海區(qū)滕莊子至西長(zhǎng)屯一帶(ZKT1孔、ZKQ1孔)為泛濫平原沉積，其東部的東尚碼頭一帶(CGZ5孔)早期為曲流河，中晚期轉(zhuǎn)為泛濫平原沉積。中更新世該區(qū)存在沉積間斷[3]，局部殘留沉積僅12余米。晚更新世—全新世，鉆孔地層表明該區(qū)發(fā)育三期海侵和四期古河道[21]，為河海交互作用沉積演化時(shí)期。

綜上，ZKQ1孔400 m—130.60 m，相當(dāng)于<3.6—2.58 Ma(晚上新世)，沉積環(huán)境由泛濫平原—湖相三角洲—曲流河；早更新世(130.60 m—62.80 m)沉積環(huán)境以泛濫平原為主，夾湖沼和分支河道；中更新世(62.80 m—50.30 m)沉積間斷；晚更新世—全新世(50.30 m—0 m)為三期河海交互演化。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)基于滄縣隆起ZKQ1孔巖芯的沉積特征、綜合測(cè)井以及測(cè)年(AMS14C、OSL、古地磁)等工作，對(duì)該孔沉積地層進(jìn)行了劃分：第四系底界位于130.60 m，中更新統(tǒng)位于62.80 m，上更新統(tǒng)位于50.30 m，全新統(tǒng)底界位于13.10 m；鉆孔底界年齡不早于3.6 Ma，屬于晚上新世。

(2)滄縣隆起3.6 Ma以來(lái)的沉積環(huán)境演化：晚上新世(<3.6—2.58 Ma)沉積環(huán)境由泛濫平原—湖相三角洲—曲流河；早更新世以泛濫平原為主，夾湖沼和分支河道；中更新世沉積間斷；晚更新世—全新世為三期河海交互作用演化時(shí)期。