河北平原中部保定西伯章剖面晚第四紀(jì)沉積特征及其環(huán)境意義

劉智榮薛懷宇王昌盛

1.防災(zāi)科技學(xué)院河北省地震動力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 三河 065201;

2.臨沂大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,山東 臨沂 276000

受到北東向和北西向活動斷裂影響,河北平原存在一系列北東向展布的小型斷陷盆地和構(gòu)造隆起區(qū),形成復(fù)合型斷陷盆地(陳望和和倪明云,1987),在盆地內(nèi)堆積了厚層的第四系沉積物(中國科學(xué)院貴陽地球化學(xué)研究所平華北平原研究組,1978)。不同構(gòu)造背景下的第四系沉積物成因類型復(fù)雜、厚度變化大、連續(xù)性差、沉積相亦不穩(wěn)定(吳忱,2008)。因此在不同構(gòu)造單元開展第四系沉積環(huán)境研究,對全面了解和認(rèn)識河北平原沉積古環(huán)境變化、地貌演化和氣候變化十分必要。河北平原已有研究包括鉆孔地層的劃分(曹銀真,1984;盧海峰等, 2014;張兆祎等, 2015;趙勇等,2018;代鵬等,2019;吳利杰等,2020)、地層與環(huán)境 (孫青青, 2014;姚守皓, 2015;楊旭等,2017)、鉆孔地層年代學(xué)研究(李瑞杰等, 2019)、古氣候分析 (廣新菊等, 2000; Li et al., 2019)、油氣勘探遠(yuǎn)景(韓春元等, 2017)等,這些研究主要分布在河北平原北部的大興、固安和白洋淀附近,分別屬于廊(坊)固(安)凹陷、霸縣凹陷、北京凹陷等區(qū)域。而位于河北平原腹地的保定凹陷,晚第四紀(jì)地層發(fā)育完整,但研究程度較低。同時(shí),河北平原已有研究中地層沉積特征描述大多依靠定性描述,缺乏定量數(shù)據(jù)資料。粒度是沉積物顆粒最基本的表征之一,其特征與沉積環(huán)境密切相關(guān),作為判斷沉積物搬運(yùn)介質(zhì)、搬運(yùn)方式、能量大小、沉積作用模式及判別成因類型的重要依據(jù),被廣泛應(yīng)用于各種沉積環(huán)境和沉積相的定量分析研究中(趙紅梅等, 2019; 李瑞杰等, 2019;馬丹貞等, 2019;綦琳等, 2020)。因此文章選取保定凹陷內(nèi)西伯章露頭剖面為研究對象,通過密集采集沉積物粒度樣品和光釋光測年樣品,對沉積物進(jìn)行定量分析,結(jié)合沉積構(gòu)造、古生物特征和光釋光測年結(jié)果,探討該區(qū)晚第四紀(jì)沉積古環(huán)境及其演變規(guī)律,以期對全面理解河北平原發(fā)展演化提供重要參考意義。

1 地理環(huán)境

保定凹陷指的是太行山隆起區(qū)以東,徐水凹陷以南,高陽低凸起以西,石家莊凹陷和無極-藁城低凸起以北的廣大平原區(qū)(圖1);在地貌上屬河北平原山前傾斜平原區(qū),山前平原以3°～5°的傾角傾向渤海灣,河道和沖積扇發(fā)育,河道多為北西向、南東向;晚第四紀(jì)沉積物以沙河、滹沱河沖積沉積為主,沉積物粒度自西向東逐漸減小;受東亞季風(fēng)影響,平原夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥,四季變化明顯(陳望和等, 1985;陳望和和倪明云, 1987;吳忱,2008;韓春元等, 2017)。

2 實(shí)測剖面與樣品采集

2.1 實(shí)測剖面

實(shí)測剖面位于河北平原中部保定市南部西伯章(圖1),地理坐標(biāo)38°30′35.36″N, 115°21′51.89″E,為當(dāng)?shù)厝藷u取土開挖剖面。剖面總厚度20.74 m,主要由細(xì)砂、粉砂和黏土組成,根據(jù)巖性特征可以分為22層(圖2—圖4,表1),自下而上依次為:

① 土黃色含鐵銹斑點(diǎn)黏土質(zhì)粉砂(圖3a)……………………………………………厚0.45 m;

② 黏土質(zhì)粉砂,含大量鈣質(zhì)結(jié)核(圖3b)……………………………………………厚0.55 m;

③ 黃色黏土質(zhì)粉砂,鈣質(zhì)結(jié)核減少,孔洞發(fā)育……………………………………………厚1 m;

④ 黃褐色砂質(zhì)黏土,含大量鈣質(zhì)結(jié)核(圖3c)………………………………………厚1.95 m;

⑤ 土黃色含鈣質(zhì)結(jié)核黏土質(zhì)粉砂,底部為一鈣質(zhì)結(jié)核層(圖3d) ………………………厚0.55 m;

⑥ 黃色粉砂質(zhì)黏土,不含或偶含鈣質(zhì)結(jié)核………………………………………………厚0.45 m;

⑦ 深灰色、灰色黏土層,不含鈣質(zhì)結(jié)核,含大量腹足類介殼(圖3e、3f) ………………厚1.3 m;

⑧ 淺黃色粉砂質(zhì)黏土,含腹足類化石,個體較第7層小(圖3g) …………………………厚1.1 m;

⑨ 黃褐色黏土質(zhì)粉砂,含少量鈣質(zhì)結(jié)核(圖3g)………………………………………厚0.53 m;

⑩ 土黃色細(xì)砂或粗粉砂,含少量鈣質(zhì)結(jié)核(圖3h) ……………………………………厚0.55 m;

? 灰白色細(xì)砂,發(fā)育斜層理,含大量黑云母碎片(圖3h、3i) ……………………………厚1.28 m;

? 灰白色細(xì)砂,含云母碎片,底部含泥礫(圖4a) ……………………………………厚0.91 m;

? 黃褐色中細(xì)砂,含銹黃色斑點(diǎn)(圖4b、4d)………………………………………厚0.9 m;

? 灰色細(xì)砂(圖4c) …………………厚0.62 m;

? 灰色粉砂質(zhì)黏土,含鐵銹色圈 ……厚0.99 m;

?粉砂質(zhì)黏土,含較多的鈣質(zhì)結(jié)核(圖4e)…………………………………………厚0.4 m;

? 粉砂質(zhì)黏土,孔洞發(fā)育,含鐵銹斑點(diǎn)(圖4f)………………………………………厚2.23 m;

?黃色黏土質(zhì)粉砂,含鐵銹斑點(diǎn)(圖4g)……………………………………………厚1.8 m;

?深灰色、黑色黏土質(zhì)粉砂、黏土,含較多腹足類化石,與下伏地層界限明顯,凹凸不平(圖4h)………………………………………厚0.35 m;

? 黃色、土黃色粉砂質(zhì)黏土,頂部含大量鈣質(zhì)結(jié)核(圖4i) ………………………………厚1.8 m;

?灰色黏土層 …………………………厚0.83 m;

?現(xiàn)代土壤層 ……………………………厚0.2 m

a—河北省第四紀(jì)地貌圖(據(jù)陳望和和倪明云, 1987修改);b—研究區(qū)構(gòu)造單元(據(jù)韓春元等, 2017修改)圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location of the study area(a) Quaternary geomorphologic map of Hebei Province (modified after Chen and Ni, 1987); (b) Structural unit map of the study area(modified after Han et al., 2017)

a—剖面照片;b—實(shí)測地層剖面圖圖2 西伯章地層剖面Fig.2 Stratigraphic section of Xibozhang(a) Photo of the Xibozhang section; (b) Measured stratigraphic section of Xibozhang

2.2 樣品采集與測試

除頂層現(xiàn)代土壤外,逐層采集粒度樣品,部分層位采集多個樣品,共采集52個粒度樣品。粒度測試在防災(zāi)科技學(xué)院釋光測年實(shí)驗(yàn)室完成,樣品前處理流程見馬丹貞等(2019)。測試儀器為MalverMasterisizer 3000激光粒度儀,粒徑測試范圍為0.01～3500μm,每個樣品重復(fù)測量3次,取平均值。

采集14個光釋光測年樣品,測年工作在地殼應(yīng)力研究所地殼動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。采取4～11um細(xì)顆粒組分測試,細(xì)顆粒樣品的天然時(shí)光等效劑量測定采用簡單多片再生法(SAR)獲得所有樣品的等效劑量(王旭龍等, 2005)。樣品U、Th、K含量在北京核工業(yè)地質(zhì)研究所用ELEMENT等離子質(zhì)譜分析儀測定。14個樣品的光釋光信號都比較強(qiáng),且信號在前2秒基本衰減到背景值,呈快速衰減特征,為典型的石英信號特征,測得年齡數(shù)據(jù)可供參考。

3 結(jié)果分析

3.1 光釋光測試結(jié)果

a—第1層黏土質(zhì)粉砂;b—第2層含大量鈣質(zhì)結(jié)核的黏土質(zhì)粉砂;c—第4層含鈣質(zhì)結(jié)核粉砂;d—第5層與第4層分界;e—第7層深灰色黏土層;f—第7層新鮮面;g—第7、8、9層,第8層與第9層間為一明顯差異風(fēng)化面;h—第10層與第11層分界;i—第11層含交錯層理細(xì)砂層圖3 剖面下部巖性照片F(xiàn)ig.3 Photos of the lower part of the section(a) Clayey silt in the layer 1; (b) Clayey silt with lots of calcareous nodules in the layer 2; (c) Silt with calcareous nodules in the layer 4; (d) Boundary between the layer 5 and layer 4; (e) Dark grey clay in the layer 7; (f) The layer 7; (g) The layers 7, 8 and 9; an obvious difference weathering surface between the layer 8 and layer 9; (h) Boundary between the layer 10 and layer 11; (i)Fine sand with cross bedding in the layer 11

a—第11層與第12層分界;b—第13層黃褐色中細(xì)砂;c—第14層灰色細(xì)砂;d—第13層黃褐色中細(xì)砂,富含根系植物;e—第16層粉砂質(zhì)黏土;f—第17層粉砂質(zhì)黏土;g—第18層黏土質(zhì)粉砂;h—第19層黏土質(zhì)粉砂、黏土;i—第20層粉砂質(zhì)黏土圖4 剖面上部巖性照片F(xiàn)ig.4 Photos of the upper part of the section(a) Boundary between the layer 11 and layer 12; (b) Yellowish-brown medium-fine sand in the layer 13; (c) Gray fine sand in the layer 14; (d) Yellowish-brown medium-fine sand in the layer 13; (e) Silty clay in the layer 16; (f) Silty clay in the layer 17; (g)Clayey silt in the layer 18; (h) Clayey silt and clay in the layer 19; (i) Silty clay in the layer 20

光釋光(OSL)年齡結(jié)果顯示剖面為距今102.17～8.69ka的沉積,屬晚更新世晚期至早全新世(表1)。對獲得的14個OSL年齡值進(jìn)行線性內(nèi)差,獲得深度-年齡公式:y=4.4x-3.7(x為深度,m;y為年齡,ka),相關(guān)系數(shù)R2為0.9365,說明擬合公式與實(shí)際值年齡值線性相關(guān)度較高,根據(jù)公式計(jì)算出剖面平均沉積速率為23 cm/ka。

表1 光釋光測年結(jié)果Table 1 Results of OSL dating

根據(jù)深度-年齡公式計(jì)算得到西伯章剖面全新世底界深度為3.5 m,位于實(shí)測地層剖面的第18層內(nèi),其顏色為含鐵銹斑點(diǎn)黏土質(zhì)粉砂;第19層為深灰色、黑色黏土質(zhì)粉砂、黏土層,富含腹足類介殼化石;顏色及古生物變化顯示第18層與第19層之間氣候發(fā)生了明顯的氣候變化。相關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為河北平原全新世底界以富含有機(jī)質(zhì)的灰黑色、黑色黏土和粉砂質(zhì)沉積為主 (丁嘉賢,1979;仇士華和蔡蓮珍, 1992;劉立軍等, 2010;王永等, 2015;蔡向民等, 2016; 代鵬等, 2019),考慮年齡測定誤差及氣候作用的區(qū)域一致性特點(diǎn),認(rèn)為第18層為晚更新世末次冰盛期晚期沉積,而第19層為全新世間冰期氣候轉(zhuǎn)暖條件下的富有機(jī)質(zhì)沉積,其分界即為晚更新世與全新世的界限,位于深度3.18 m處。

3.2 粒度分布組成

根據(jù)烏登-溫特沃思(Udden-Wentworth)粒級分類標(biāo)準(zhǔn)(Wentworth, 1922),將沉積物根據(jù)粒度進(jìn)行劃分,1～4Φ為砂,4～8Φ為粉砂,＞8Φ為黏土。利用謝帕德沉積物三角分類法 (Shepard,1954)對該剖面沉積物進(jìn)行分類和命名,結(jié)果如圖5所示。實(shí)測剖面沉積物主要為砂質(zhì)粉砂,其次為粉砂質(zhì)砂。在所有樣品中11_1、11_2、11_3、11_4、12_1和13_1為粉砂質(zhì)砂,粒度相對較粗。整個剖面巖性組成與現(xiàn)代曲流河河床和河漫灘(Pan et al., 2015;李富強(qiáng)等, 2019)粒度組成類似,砂質(zhì)粉砂為河漫灘堆積,粉砂質(zhì)砂為河床沉積。

圖5 粒度組分百分比三角圖Fig.5 Sand-silt-clay ratios

3.3 頻率分布曲線特征

大部分樣品的頻率分布曲線為明顯的雙峰(圖6a—6c),只有少數(shù)為單峰(圖6d)。雙峰頻率分布曲線可以進(jìn)一步細(xì)分為雙峰正偏度(圖6c),雙峰負(fù)偏度(圖6a),雙峰近對稱偏度(圖6b),和單峰近正態(tài)分布(圖6d)。正偏度的粒度分布大多在3～5Φ之間,為砂和粗粉砂,反映高能環(huán)境。負(fù)偏度頻率曲線粒度在粉砂區(qū)間(5～7Φ),顯示相對低能環(huán)境。雙峰近對稱曲線分布區(qū)間在3～8Φ,有兩個明顯的譜峰,一個譜峰在4Φ附近,一個在6.3Φ附近。除樣品5_1外的其他樣品粒度均集中在3～8Φ,而樣品5_1的粒度集中于5.5～8.5Φ,主要是黏土質(zhì)粉砂,反映相對低能環(huán)境。

a—雙峰負(fù)偏頻率曲線;b—雙峰近對稱頻率曲線;c—雙峰正偏頻率曲線;d—單峰頻率曲線圖6 粒度頻率分布曲線Fig.6 Curves showing the grain size frequency distribution(a) Negative bias bimodal frequency curves; (b) Bimodal near symmetric frequency curves; (c) Positive bias bimodal frequency curves; (d) Single peak frequency curves

3.4 概率累積曲線特征

概率累積曲線可以分為3種類型,分別代表不同沉積環(huán)境條件(圖7)。從圖7a中可以看出無明顯的跳躍組分與懸浮組分分界,25%～75%的沉積物顆粒集中4.5～6.5Φ之間,以粉砂為主。圖7b—7e的概率曲線均呈明顯的“跳躍-懸浮”兩段式,跳躍組分和懸浮組分截點(diǎn)不同。圖7b中5_1樣品懸浮組分與跳躍組分的截點(diǎn)在5.6Φ附近,跳躍組分占比僅為13%～15%,且斜率較低,說明跳躍組分分選差,懸浮組分達(dá)85%,總體粒度偏細(xì)。圖7b—7e中跳躍組分與懸浮組分截點(diǎn)位置大多位于4～4.5Φ之間,但是圖7e跳躍組分含量達(dá)到75%以上,累積曲線斜率大,說明水動力條件強(qiáng),圖7d跳躍組分含量40%左右,斜率中等,水動力條件中等,圖7b、7c的跳躍組分含量低于30%,斜率小,水動力弱?！皾L動-跳躍-懸浮”三段式概率累積曲線(圖7f)中滾動組分以1～2Φ的中粗砂為主,占比約25%;跳躍組分以細(xì)砂為主,占比約45%,斜率小,分選差;懸浮組分以粉砂為主,約占30%,為整個剖面中粒度最粗,水動力條件最強(qiáng)的層。

3.5 C-M圖

沉積物粒度C-M圖(圖8)由3種搬運(yùn)方式的底負(fù)載滾動段(PQ)、遞變懸浮段(QR)、均勻懸浮段(RS)三段組成,絕大部分沉積物集中以均勻懸浮為主的RS段,C值集中在130～270 μm,M值集中在14～60 μm。樣品11_4位于QR段,12_1位于PQ段。與河流體系C-M圖(鄭浚茂,1982;李富強(qiáng)等, 2019)對比表明該剖面為曲流河沉積,由于RS段較發(fā)育,據(jù)此認(rèn)為沉積區(qū)位于曲流河的下游段,水體能量相對較低。

圖8 C-M曲線Fig.8 C-M diagram

4 討論

4.1 沉積相變化特征

平均粒徑、頻率曲線、概論累積曲線、C-M圖、沉積構(gòu)造和粒度參數(shù)等特征顯示沉積剖面為平原區(qū)曲流河沉積,進(jìn)一步可細(xì)分為河道砂壩沉積和河漫灘沉積(圖9)。

河道砂壩沉積:見于剖面的第11～13層,主要由2～4Φ的砂質(zhì)沉積為主(圖9;平均粒徑),含大量不穩(wěn)定的云母碎片,發(fā)育斜層理。頻率曲線均呈正偏雙峰(圖6c),峰度尖銳(圖9),概率累積曲線為跳躍組分占比較高的兩段式(圖7e)和粗粒沉積為主的三段式(圖7f)。C-M圖反映以滾動組分和遞變懸浮組分為主。根據(jù)弗里德曼分選系數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)(Friedman, 1979),該段標(biāo)準(zhǔn)偏差(圖9)顯示分選中等到分選差。

河漫灘沉積:發(fā)育于第1至10層和第14至21層,主要為4～8Φ的粉砂質(zhì)沉積,頻率分布曲線以雙峰負(fù)偏(圖6a)、單峰近對稱(圖6d)和雙峰近對稱(圖6b)為主。概率累積曲線以 “跳躍-懸浮”兩段式(圖7b—7d)和無明顯跳躍與懸浮劃分(圖7a)為主。C-M曲線顯示以均勻懸浮為主,水流變化不大。此外,河漫灘間接性的暴露于地表,受交替的濕潤和干燥的環(huán)境條件和淺層地下水的上下運(yùn)動(吳道祥等, 2009; 徐少康和路華, 2018; Li et al., 2018)影響,土壤淋濾在河漫灘細(xì)粒沉積中形成了大量的鈣質(zhì)結(jié)核(圖3b—3d)。在河漫灘洼地環(huán)境水流較弱,保留了大量淡水腹足動物化石(圖3e、3f,圖4h)。

a—一段式概率累積曲線圖;b—e—兩段式概率累積曲線圖;f—三段式概率累積曲線圖7 樣品粒度概率累積曲線Fig.7 Probability cumulative curves of different samples(a) One-stage probability cumulative curves; (b-e) Two-stage probability cumulative curves; (f) Three-stage probability cumulative curves

4.2 晚第四紀(jì)環(huán)境變化特征

粒度不僅可以用于沉積物成因分析,也可以用于古氣候方面的研究,一般在溫暖濕潤氣候條件下,河流補(bǔ)給充足,水動力強(qiáng),沿岸侵蝕加劇,所攜帶碎屑顆粒粒徑較粗;反之在干旱氣候條件下,河流補(bǔ)給少,水動力減弱,沉積物顆粒粒徑變細(xì)(Nádor et al., 2003;彭曉彤等,2004)。而在黃土研究中,平均粒徑粗指示氣候干冷,反之氣候溫暖 (Ding et al., 2002; Sun et al., 2006)。將實(shí)測地層剖面粒度分析結(jié)果與靖遠(yuǎn)黃土剖面粒度曲線(Sun et al., 2006) 進(jìn)行對比 (圖9),發(fā)現(xiàn)二者粒度變化存在一致性特征,基于年代測試結(jié)果,將剖面劃分為三段:

圖9 西伯章剖面粒度特征及其與靖遠(yuǎn)黃土剖面平均粒徑對比Fig.9 Grain size characteristics of the Xibozhang section and its comparison with the loess section of Jingyuan

第一階段(深20.74～16.14 m),與黃土剖面S1對應(yīng)(圖9),為末次間冰期晚期沉積,中國東部受夏季風(fēng)影響,氣候溫暖潮濕,河流水量增大,河水漫過河道為河漫灘環(huán)境帶來大量的粉砂碎屑,西伯章剖面在該段為河漫灘沉積環(huán)境,沉積物以粉砂為主,平均粒徑介于5～7Φ,標(biāo)準(zhǔn)差在1.1～1.5之間,分選中等,偏度近于對稱-負(fù)偏,峰度值較高。

第二階段(深16.14～3.18 m),與黃土剖面L1對應(yīng),為末次冰期沉積,氣候干冷。該階段兼具河道沉積和河漫灘沉積,沉積物以細(xì)砂和粉砂為主,粒徑分布范圍廣,可以進(jìn)一步分為3個亞段。其中16.14～12.86 m為末次冰期早冰階沉積,為干冷氣候條件下的沉積,黃土剖面指示東亞冬季風(fēng)增強(qiáng)夏季風(fēng)減弱(圖9),河北平原區(qū)降水減少,河流補(bǔ)給少,水體能量降低,沉積物以細(xì)粉砂和黏土為主,平均粒徑5～7Φ,標(biāo)準(zhǔn)差以1.2～1.4為主,分選較差,頻率曲線以負(fù)偏為主,峰度值高。12.86～8.6 m與黃土剖面顯示的末次冰期間冰階(圖9陰影部分)相對應(yīng),以粒度較粗的河道沉積為主,說明當(dāng)時(shí)氣候轉(zhuǎn)暖,夏季風(fēng)增強(qiáng),水流量增加的同時(shí)帶來一些粗碎屑物質(zhì),河水載荷能力增大。8.6～3.18 m為末次冰期盛冰階沉積,其沉積特點(diǎn)與末次冰期早冰階類似,氣候干冷,降水少,沉積物以細(xì)粒的粉砂和黏土為主。

第三階段(深3.18～0.2 m),與黃土剖面S0對應(yīng),顯示為冰后期氣候轉(zhuǎn)暖氣候條件下的沉積,為全新世的開始,其沉積特征與第一階段類似,較強(qiáng)的夏季風(fēng)為華北平原帶來較多的降水,環(huán)境溫暖濕潤,在該段下部形成一層深色富含有機(jī)質(zhì)和生物介殼的粉砂質(zhì)黏土層(圖4h;丁嘉賢,1979;仇士華和蔡蓮珍, 1992;劉立軍等, 2010;王永等, 2015;蔡向民等, 2016;代鵬等, 2019)。

5 結(jié)論

(1)西伯章剖面為晚更新世晚期至全新世早期沉積,沉積物主要為砂質(zhì)粉砂、粉砂及粉砂質(zhì)細(xì)砂。

(2)剖面沉積物頻率分布曲線主要為雙峰,正偏度為主,峰度較尖,標(biāo)準(zhǔn)偏差顯示分選中等到較差;概率累積曲線主要為兩段式,隨水動力條件變化,滾動組分和懸浮組分截點(diǎn)不同;C-M圖指示為曲流河沉積。

(3)粒度成因分析顯示該剖面為典型的曲流河沖積平原沉積,可以進(jìn)一步劃分為河道沉積和河漫灘沉積。

(4)西伯章剖面粒度變化與靖遠(yuǎn)黃土剖面反映的氣候冷暖波動一致,說明河北平原區(qū)沉積環(huán)境的變化響應(yīng)了末次間冰期以來全球氣候變化,具體可分為末次間冰期晚期粉砂質(zhì)沉積、末次冰期早冰階黏土及黏土質(zhì)粉砂沉積、末次冰期間冰階中粗砂沉積、末次冰期盛冰期粉砂質(zhì)沉積和冰后期黏土及黏土質(zhì)粉砂沉積。

致謝:工作過程中,吉林大學(xué)王錫魁教授對野外地質(zhì)調(diào)查給予指導(dǎo),防災(zāi)科技學(xué)院郭春杉、吉伙子干同學(xué)在地層實(shí)測過程中提供大量幫助,審稿專家和編輯老師為本文提出了許多寶貴修改意見,在此一并表示感謝。