濟寧市中心城區(qū)第四紀(jì)地層劃分及地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征

徐書名 張巖 李森 胡波 王夏夏 張孝坡 黎逢良

收稿日期：20240115；修訂日期：20240322；編輯：王敏

基金項目：濟寧市財政項目，濟寧市城市地質(zhì)調(diào)查項目（SZBM-2021-G0024）

作者簡介：徐書名（1987—），男，山東濟寧人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；Email：404081724@qq.com

*通訊作者：李森（1988—），男，山東鄒城人，注冊土木工程師（巖土），主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作；Email：876579189@qq.com

摘要：濟寧市中心城區(qū)第四紀(jì)地層廣泛分布，是影響城市發(fā)展建設(shè)的重要地質(zhì)因素。長久以來，區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層劃分的研究薄弱，各單位劃分標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，地層劃分混亂，相關(guān)地質(zhì)資料通用性差。本文依托“濟寧市城市地質(zhì)調(diào)查項目”，采用多種測年手段進行地質(zhì)年代測定，并與工程地質(zhì)鉆探、巖土工程勘察相結(jié)合，對第四紀(jì)地層進行了研究劃分。結(jié)果表明，全新世與晚更新世地層界線為黑土湖組；晚/中更新世地層界線埋深約為20.0～28.0m，為一層鈣質(zhì)結(jié)核富集黏土層；中/早更新世地層界線亦為鈣質(zhì)結(jié)核富集黏土層，埋深約在50.0～65.0m。第四系厚度一般90.0～130.0m，與新近紀(jì)館陶組呈不整合接觸，二者地層特征差異明顯。本次研究工作可為濟寧市中心城區(qū)地質(zhì)調(diào)查、巖土工程勘察等工作提供參考依據(jù)，彌補了以往研究的不足。

關(guān)鍵詞：第四紀(jì)地層劃分；測年；巖土工程勘察；濟寧市

中圖分類號：P544??? 文獻標(biāo)識碼：A??? doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.001

引文格式：徐書名，張巖，李森，等.濟寧市中心城區(qū)第四紀(jì)地層劃分及地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征［J］.山東國土資源，2024，40（5）：19.XU Shuming， ZHANG Yan， LI Sen， et al. Quaternary Stratigraphy Division and Geological Characteristics in Central Urban District of Ji'ning City［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：19.

0? 引言

濟寧市中心城區(qū)位于魯西南腹地，地處黃淮海平原與魯中南山地交接地帶，地貌類型以沖洪積平原為主，第四紀(jì)地層厚度一般在90～130m之間，僅在兗州區(qū)嵫陽山基巖出露區(qū)附近未沉積。由于區(qū)內(nèi)的第四紀(jì)地層劃分研究尚不完善和深入，地勘行業(yè)、單位之間存在著地層劃分不統(tǒng)一、更新統(tǒng)不再細(xì)分的問題，給地質(zhì)工作者之間的交流造成不便，不利于地質(zhì)資料的再利用。

在收集、整理研究區(qū)已有的各類地質(zhì)、物化探、遙感及鉆孔資料的基礎(chǔ)上，同時結(jié)合前人對區(qū)域第四系調(diào)查研究成果資料進行綜合分析［19］，本文對研究區(qū)地貌、第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)及沉積物類型、古河道走向及古湖泊分布有一個總體的了解?！皾鷮幨谐鞘械刭|(zhì)調(diào)查項目”在區(qū)內(nèi)布設(shè)實施第四系科研鉆孔7個，分別為P12、P62、P108、P115、P151、G6、P142孔，進尺850m，其中基準(zhǔn)孔為P108；另施工了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一且精細(xì)化編錄的382個工程地質(zhì)鉆孔［10］，鉆孔間距1～2km（圖1）。本研究通過運用14C同位素測年、光釋光測年、電子自旋共振（ESR）測試、古地磁測試等手段，對地層年代進行判定，并與工程地質(zhì)鉆孔及收集挑選的261個巖土工程勘察鉆孔進行地質(zhì)特征比對及系統(tǒng)分析，對第四紀(jì)地層進行了研究及劃分，旨在為城市規(guī)劃建設(shè)和區(qū)域第四系研究提供基礎(chǔ)資料。

1? 研究區(qū)概況

中心城區(qū)位于濟寧市中部、南四湖以北，涉及任城區(qū)、兗州區(qū)、高新區(qū)、經(jīng)開區(qū)、太白湖新區(qū)行政管轄范圍內(nèi)的主要城鎮(zhèn)建設(shè)區(qū)域。在山東大地構(gòu)造單元劃分中，研究區(qū)位于華北板塊（Ⅰ級）、魯西隆起區(qū)（Ⅱ級）、魯西南潛隆起（Ⅲ級）、菏澤兗州潛斷?。á艏墸?gòu)造單元內(nèi)。

1—地層界線； 2—第四系；3—寒武奧陶系；4—新太古代晚期侵入巖；5—中心城區(qū)范圍；6—科研孔及編號；7—工程地質(zhì)鉆孔；8—巖土工程勘察鉆孔。圖1? 濟寧市中心城區(qū)地質(zhì)簡圖

中心城區(qū)大部被第四系覆蓋，僅在嵫陽山存在基巖出露區(qū)（圖1）。平原區(qū)分為汶泗河沖洪積平原和黃河沖積平原，大致以老運河為界。汶河和泗河分別自寧陽縣、曲阜市防山鎮(zhèn)以下成扇形平原展開，二者在研究區(qū)北部合二為一，組成聯(lián)合沖洪積平原［11］。區(qū)內(nèi)的黃河沖積平原是黃河下游沖積大平原的一部分，又稱黃泛平原。

研究區(qū)處于前述東西兩大沖洪積平原交疊范圍。汶河、泗河等河流攜帶東部丘陵的侵蝕剝蝕碎屑物向區(qū)內(nèi)大量沖刷堆積，黃河攜帶中上游和早期沖積物質(zhì)在此沖積、泛淤［12］。沉積物料來源和環(huán)境變化大，增加了第四系劃分的復(fù)雜性。

2? 巖石地層及沉積相分析

2.1? 地層單元劃分方案

研究區(qū)屬華北地層區(qū)——魯西地層分區(qū)［13］，第四紀(jì)地層劃分為平原組、黑土湖組、臨沂組、黃河組、沂河組、白云湖組6個組級巖石地層單位（表1）。

2.2? 巖石地層

研究區(qū)早更新世以來沉積環(huán)境以河流相為主，次之為湖泊相沉積（表2）。

2.3? 沉積相分析

本文選取基準(zhǔn)孔P108進行沉積相分析（表3）。根據(jù)河流邊灘沉積厚度判斷P108附近早中更新世期間靠近主河道，晚更新世至全新世歷經(jīng)邊灘、河漫灘、河漫湖泊?？傮w粒度自下往上粒度變細(xì)，揭露了古河道的變遷。

3? 年代地層劃分

3.1? 年代地層劃分方案

《中國地層表》規(guī)定，采用2.588Ma做第四紀(jì)下限年代（即原定為2.48Ma的古地磁松山—高斯極性時界線，簡稱古地磁M/G界線），以0.781Ma（即原定為0.69Ma或0.73Ma的古地磁布容—松山極性時界線，簡稱古地磁B/M界線）為中更新世開始的時間，相當(dāng)于深海氧同位素的19/20階。以大致相當(dāng)深海氧同位素5階段開始的0.126Ma為晚更新世開始的時間。以相當(dāng)深海氧同位素1階段開始的10ka為全新世開始的時間［14］，劃分方案如表4所示。

為進行年代地層劃分研究，共采取14C同位素測年樣品6件，光釋光測年樣品7件，ESR測試樣品18件，古地磁測試樣品170件，測試由北京鋯年領(lǐng)航科技有限公司完成。

3.2? 14C同位素測年

14C同位素測年上限約為5萬年，本次14C測年樣品僅用于判別區(qū)內(nèi)全新世與晚更新世地層的界線，取樣位置集中在界線附近且具有代表性的地層中。根據(jù)14C樣品測年結(jié)果及地區(qū)經(jīng)驗，各樣品的分組判定結(jié)果見表5。

區(qū)內(nèi)第四系全新世及晚更新世發(fā)育泥炭、有機質(zhì)黏土，均存在沼澤相、湖沼相沉積環(huán)境，14C測年結(jié)果顯示黑土湖組年齡底界應(yīng)在6000～8000a左右。由于黑土湖組灰—灰黑色湖沼相沉積物在全區(qū)普遍分布，這也說明研究區(qū)在全新世區(qū)內(nèi)存在大面積湖泊沼澤。

3.3? 光釋光及ESR測年

研究區(qū)內(nèi)更新統(tǒng)地層以往測年工作很少，本次工作針對性的選用了光釋光和電子自旋共振（Electron Spin Resonance）測年對更新世地層開展測年工作。

光釋光測年物質(zhì)主要是石英和長石，在沉積地層中含量豐富，可廣泛應(yīng)用，其測年范圍一般在十幾萬年，最高可達70多萬年［1516］。針對光釋光測年樣品，優(yōu)先在預(yù)期的晚/中更新世地層分界位置采取代表性樣品。

電子自旋共振簡稱ESR，多數(shù)學(xué)者認(rèn)為ESR定年的上限在2Ma左右［1718］。其測年范圍基本可以覆蓋整個第四紀(jì)，目前較少應(yīng)用于前第四紀(jì)地層的測年。ESR測試樣品主要在預(yù)期的中/早更新世地層界線處采取。

P108孔光釋光和ESR樣品測試結(jié)果（表6）表明，中/早更新世地層界線在51.59～54.30m之間，晚/中更新世的地層界線在25.25～28.40m之間。

3.4? 磁性地層

本次工作對基準(zhǔn)孔P108進行了古地磁及磁化率測試，取樣深度0.56～76.80m，取樣間距一般0.15～0.50m，完成了古地磁極性柱年代對比。通過對天然剩磁、磁化率、磁傾角等數(shù)據(jù)的綜合分析，得到P108鉆孔磁性地磁結(jié)果（圖2）。自左至右依次為磁傾角、篩選磁傾角、其他測年結(jié)果（14C、OSL和ESR）、磁極性柱、標(biāo)準(zhǔn)磁極性柱、最大磁偏差角。由于在巖心鉆取過程中，對鉆孔并未進行水平定向，只是對巖心進行了上下方向定向。因此，鉆孔巖心樣品的磁偏角并不能反映沉積物沉積時的地磁場偏角特征，最大角偏差由磁偏角和磁傾角聯(lián)合計算得出，只具相對意義［19］。

圖2? P108鉆孔古地磁結(jié)果

由于實驗得到的鉆孔巖心磁極性方向曲線變化比較頻繁，無法很好地與標(biāo)準(zhǔn)極性年表進行對比。綜合參考其他測年手段獲得的年代結(jié)果，其中，12m時，14C年齡約為30ka；14.5m時光釋光年齡已約為60ka；在16.5m，光釋光年齡約86ka，更深樣品的光釋光信號趨于飽和（等效劑量大于300Gy），表明地層年齡超過100ka，而光釋光年齡都是最小值，地層實際年齡要比光釋光年齡大。在33.53m時，ESR年齡為430ka，在51～58m ESR年齡為約756～810ka。在這些測年結(jié)果中，前4個可參考的數(shù)據(jù)顯示地層時代不老于中更新世，而后2個測年數(shù)據(jù)指示地層已進入早更新世，因此可判斷鉆孔巖心沉積相可能存在沉積間斷。結(jié)合ESR年齡結(jié)果和地磁極性曲線在約55.8m的極性轉(zhuǎn)換特征，可初步判斷可能為B/M界線，67.30～72.55m可能為Jaramillo正極性亞時，但因數(shù)據(jù)點較少并存在數(shù)據(jù)缺失，極性亞時證據(jù)稍顯牽強。基于以上判斷，在約76.8m處，可認(rèn)為鉆孔年代結(jié)束于約1000ka前后。因此，本鉆孔B/M界線可能位于55.8m左右，年代約780ka，為中/早更新世的界線。

4? 第四紀(jì)地層的劃分與討論

4.1? 全新世與晚更新世地層界線

全新世與晚更新世地層界線為黑土湖組，界線標(biāo)高如圖3所示，區(qū)域上研究資料較多，二者界線明顯。黑土湖組以河漫湖泊沉積為主，厚度一般1～2m，埋深一般＜6m，以灰黑色、黑棕色、灰棕色有機質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為主，偶見軟體動物貝殼，易于區(qū)分，具有區(qū)域性標(biāo)志層意義。與下伏平原組地層為整合接觸關(guān)系。

1—中心城區(qū)邊界；2—全新世/晚更新世地層界線標(biāo)高（m）等值線。圖3? 全新世/晚更新世地層界線標(biāo)高等值線分區(qū)圖

4.2? 晚/中更新世地層界線

4.2.1? 光釋光測年

光釋光測年結(jié)論表明，P108孔晚/中更新世的地層界線在25.25～28.40m之間?？紤]到光釋光測年取樣間距、測年誤差對結(jié)果的影響，本文認(rèn)為，P108孔晚/中更新世的界線在22.3～28.4m之間。

4.2.2? 地層比對劃分

通過對比分析P108鉆孔、其他科研鉆孔、工程地質(zhì)鉆孔及收集的巖土工程勘察報告鉆孔的地層特征，在中心城區(qū)埋深大約20～28m之間發(fā)育有一層鈣質(zhì)結(jié)核富集黏土層，與P108孔22.80～23.90m相似，其平面分布范圍廣，厚度約1～3m。鈣質(zhì)結(jié)核的顯著富集顯示該地質(zhì)時期曾經(jīng)歷強烈的半干旱氣候條件，其中蒸發(fā)與淋濾作用活躍，可能存在頻繁的沉積間斷過程。其標(biāo)高、埋深與光釋光測年結(jié)論的晚/中更新世地層界線吻合。該層上下大約5m之內(nèi)不發(fā)育或少發(fā)育其他含鈣質(zhì)結(jié)核層，易于區(qū)分，具有標(biāo)志性意義。據(jù)土工試驗及原位測試的結(jié)果，地層的物理力學(xué)性質(zhì)在該層上下也明顯不同（表7）。

中心城區(qū)確定二者界線時，可將埋深20～28m處鈣質(zhì)結(jié)核富集黏土層的底界作為參考進行劃定。界線標(biāo)高如圖4所示，晚更新世地層厚度在研究區(qū)內(nèi)一般在15～25m。

1—中心城區(qū)邊界；2—晚/中更新世地層界線標(biāo)高（m）等值線。圖4? 晚/中更新世地層界線標(biāo)高等值線分區(qū)圖

4.3? 中/早更新世地層界線

4.3.1? ESR測年及磁性地層

根據(jù)ESR樣品的測試結(jié)果，P108孔中/早更新世的地層界線應(yīng)在51.59～54.30m之間。

中/早更新世地層的界線為B/M界線，古地磁測試表明，P108孔的B/M界線位于55.8m左右，年代約780ka?？紤]到取樣間距、誤差等因素，ESR和古地磁測試的結(jié)果吻合度較好。

4.3.2? 地層比對劃分

P108孔55.8m處，為一層鈣質(zhì)結(jié)核富集黏土層結(jié)束的位置，該層與下部相鄰黏土層顏色、包含物、物理力學(xué)性質(zhì)等相似，為同一工程地質(zhì)層。顏色在58.6m處由黃褐色夾蘭灰條紋變?yōu)樽攸S色，下部地層明顯偏深，顏色變化大，鐵錳質(zhì)結(jié)核含量明顯增高，易于辨別。

經(jīng)與其他種類鉆孔對比分析地層特征，中心城區(qū)埋深50～65m范圍內(nèi)普遍發(fā)育該含鈣質(zhì)結(jié)核黏土層，鈣核含量不均，分布較普遍，與下部地層之間顏色，包含物種類及含量差異明顯，與P108孔相似。

因此，在判定研究區(qū)內(nèi)中/早更新世地層界線時，可根據(jù)上述地質(zhì)特征依據(jù)進行劃分。界線標(biāo)高如圖5所示，中更新世地層厚度在研究區(qū)內(nèi)一般在20～35m。

4.4? 第四系與新近系界線

古地磁取樣深度最深為76.8m，地層年代約為1000ka。ESR測年取樣深度最深處為92.8m，地層年代在1137ka左右。未測取到第四系底界。

通過深入研究與梳理區(qū)域地質(zhì)文獻資料，館陶組為灰白色礫狀砂巖、細(xì)砂巖，灰綠色細(xì)砂巖和棕紅色泥巖的間互沉積。上段為含礫砂巖、砂巖與泥巖互層，下段為厚層—塊狀砂礫巖夾泥巖，底部為含石英、黑色燧石的砂礫巖、礫狀砂巖，局部為玄武巖。經(jīng)對比分析，P108孔114.61m以下地層在巖性、顏色、包含物等地質(zhì)特征上符合館陶組的特點，第四系在114.61m處結(jié)束，進入新近系。

在二者界線處，巖性、顏色、物理力學(xué)性質(zhì)變化明顯。第四系下限一般為雜色、黃褐色中粗砂，含砂黏性土。黏性土包含物以中粗砂、鈣質(zhì)結(jié)核、鐵錳質(zhì)結(jié)核為主，鈣核含量＜20％，直徑一般＜5cm，鐵錳質(zhì)結(jié)核普遍分布。館陶組以灰白色、灰綠色粗砂巖、泥巖為主。泥巖包含物以粗礫砂、鈣質(zhì)結(jié)核為主，鈣核含量一般＜80％，最高100％，直徑一般3～10cm，極少見鐵錳質(zhì)結(jié)核，局部夾淡水灰?guī)r?？筛鶕?jù)以上地質(zhì)特征，對二者的界線進行了劃分。界線標(biāo)高如圖6所示，早更新世地層厚度一般在40～60m。

1—中心城區(qū)邊界；2—第四系/新近系界線標(biāo)高（m）等值線。圖6? 第四系/新近系界線等值線標(biāo)高分區(qū)圖

5? 結(jié)論

（1）通過14C同位素測年，測得臨沂組炭質(zhì)黏土年齡為（1300±25）a，黑土湖組炭質(zhì)黏土年齡為（6150±30）a～（8100±80）a。測年結(jié)論為黑土湖組作為全新統(tǒng)底界提供了數(shù)據(jù)支撐，豐富了區(qū)域地質(zhì)資料。全新世與更新世地層界線由研究區(qū)東北向西南傾斜，界線標(biāo)高逐漸遞減，全新統(tǒng)厚度一般在3～6m。

（2）根據(jù)光釋光測年結(jié)論和鉆孔地層地質(zhì)特征，將研究區(qū)埋深在20.0～28.0m之間的鈣質(zhì)結(jié)核富集黏土層底部作為晚/中更新世之間的界線。鈣質(zhì)結(jié)核富集黏土層特征明顯，易于鑒別，具有標(biāo)志性意義。晚/中更新世地層界線標(biāo)高自研究區(qū)東北向西南方向逐漸遞減，晚更新世地層厚度一般在15.0～25.0m左右。

（3）依據(jù)ESR（電子磁旋共振）與古地磁測試的綜合數(shù)據(jù)分析，結(jié)合鉆孔地層的具體地質(zhì)特征證據(jù)，本文將研究區(qū)內(nèi)埋深50.0～65.0m之間的鈣質(zhì)結(jié)核富集黏土層底部作為中/早更新世的地層界線。中更新世地層厚度在研究區(qū)內(nèi)一般在20.0～35.0m之間。

（4）經(jīng)分析測年數(shù)據(jù)及深入研讀區(qū)域地質(zhì)文獻資料，并邀請領(lǐng)域內(nèi)專家進行實地考察和專業(yè)指導(dǎo)后，本文初步劃分了第四系與新近紀(jì)地層之間的界面位置。并通過地層地質(zhì)特征對比分析，總結(jié)出該界線處蘊含的地質(zhì)規(guī)律特點。早更新世地層厚度在研究區(qū)內(nèi)一般在40～60m之間，第四系厚度一般90～130m，底界在區(qū)內(nèi)自東向西傾斜。為確保第四系底界劃分的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，尚需進一步進行更為系統(tǒng)和完善的測年工作加以驗證。

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Quaternary Stratigraphy Division and Geological Characteristics in Central Urban District of Ji'ning City

XU Shuming1，2， ZHANG Yan1，2， LI Sen3， HU Bo1，2， WANG Xiaxia3， ZHANG Xiaopo3， LI Fengliang1，2

（1. Lunan Geo-engineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources ），Shandong Ji'ning 272100，China；2. Key Laboratory of Karst Geology of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Shandong Ji'ning 272100，China；3. Shandong Provincial Geology Construction Limited Corporation，Shandong Ji'ning 272100，China）

Abstract：Quaternary deposits are widely distributed in the central urban district of Ji'ning city. It play a significant role as geological constraints in affecting urban development and construction. For a long time， study on stratigraphic division of Quaternary in this area is weak. Standards for dividing various units are inconsistent， stratigraphic classification is in confusion， and related geological data has poor generalizability .In this paper， based on "Urban Geology Survey Project in Ji'ning City "， by using multiple dating techniques ， geological ages have been determined. Combining with engineering geological drilling and geotechnical investigations， classification on Quaternary strata have been studied. It is indicated that the boundary between Holocene and late Pleistocene strata is Heituhu formation. The burial depth of late and middle Pleistocene stratigraphic boundary is calcareous nodule enriched clay layer with the depth of about 20.0～28.0m. The boundary between the middle and early Pleistocene strata is also a clay layer enriched with calcium nodules. The burial depth is approximately 50.0～65.0m. The thickness of Quaternary system is generally 90.0～130.0m. It is in unconformity contact with Neogene Guantao formation with significant differences in stratigraphic characteristics between the two. This research work can provide reference basis for geological surveys， geotechnical engineering surveys， and other work in the central urban area of Ji'ning city.

Key words：Quaternary stratigraphic division; dating; geotechnical engineering investigation; Ji'ning city