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天津滨海新区中全新世以来地形地貌演化

2011-01-03田立柱裴艳东3李建芬商志文

华北地质 2011年1期
关键词:渤海湾三角洲水系

田立柱,王 东,裴艳东3,,王 福,李建芬,商志文,王 宏

(1.中国地质调查局天津地质调查中心,天津 300170;2.天津市勘察院,天津 300191;3.天津科技大学海洋与工程学院,天津 300457)

天津滨海新区中全新世以来地形地貌演化

田立柱1,王 东2,裴艳东3,1,王 福1,李建芬1,商志文1,王 宏1

(1.中国地质调查局天津地质调查中心,天津 300170;2.天津市勘察院,天津 300191;3.天津科技大学海洋与工程学院,天津 300457)

根据最新获得的多项天津滨海新区海岸带地质调查资料,分别利用海区的浅地层剖面成果反演海底古地形、利用海区沉积钻孔了解沉积物时代、利用陆区的贝壳堤,埋藏牡蛎礁,古墓葬和埋藏砂体分布等,研究各时期古岸线的位置与形态,并与海区的沉积环境和地形地貌进行对比,对天津滨海新区中全新世以来的地形地貌演化进程及演化机制概括性介绍。自中全新世开始,海面上升变缓或停止上升,渤海湾岸线在陆源碎屑的不断进积过程中,向东推进,但由于渤海湾沉积供给背景复杂变化,不同地区的地形地貌演化进程也不同。

地貌演化;古地形;中全新世;沉积环境;古黄河;沉积供给变化;天津滨海新区;渤海湾

海岸带是陆地系统和海洋系统的接合部,是一个敏感带、过渡带,是地球系统科学的重要组成部分。随着人们对全球环境变化的关注,冰消期海面变化及海陆变迁研究也日益受到重视。在末次盛冰期(LGM)结束、冰消期开始以后,受海面变化和当地地理状况、水动力条件和沉积供给变化等的共同影响,海岸带地区冰消期地层格架和沉积演化较为复杂,海岸带已经成为研究冰消期古海洋学、现代层序地层格架和古环境演化过程和机制的理想地区。

位于渤海西部的渤海湾地区,西临地势平坦的华北平原,东接渤海与黄海,在海面变化过程中,形成规模巨大、分布广阔的海侵与海退沉积,海域范围也相应扩大或缩小,岸线不断叠复变更[1-10];自地质历史时期以来,渤海湾一直处于黄河水系、太行水系和燕山水系的交汇地带,河流变更、袭夺与合并现象频繁发生。上述这些因素都可能对渤海湾地区沉积层序格架、沉积相展布、沉积物化学成分等方面的沉积作用产生巨大影响。

本文主要依托国家地质大调查项目《天津滨海新区地质环境调查》,国家海洋局项目《天津市908专项海域地质地貌调查》,天津市科技创新专项资金项目《天津滨海新区软土分布规律及土质特性研究》专题项目,研究材料获取时间为2005至2010年,具体研究材料分布见图1。天津滨海新区中全新世以来地形地貌演化远非此一篇文章能够阐述清楚,因此限于篇幅,本文对上述项目的结论性成果进行加工,简化繁杂的中间数据处理,仅作概略性总结,为深入研究渤海湾全新世的全球变化响应和其它相关地质工作提供最新的参考借鉴。

1 海区全新统沉积层序与演化

1.1 高分辨率浅地层剖面分析

对约1 000 km的浅地层剖面调查数据进行物探解释,并进行全区闭合,根据浅地层剖面的结构、上超、顶超和下超等反射终止类型的分析,在研究区浅表地层内识别出6个主要地层反射界面,自上而下为:T0、R1、R2、R3、T1、T2。海底地层自上至下可划分出Ua、Ub、Uc、Ud、Ue、Uf等6个不同的地震单元(图2,表1)。

T0为海底反射界面,其它界面(R1、R2、R3、T1、T2)为沉积体内部结构反射界面,其中R1,R2和R3为局部性界面,可能受沉积供给变化等当地因素控制,而T1和T2是区域性界面,可能受海面变化等区域上的变化因素控制。

根据地震地层学原理,各地震界面为等时的沉积界面,可基本代表不同时期的地形起伏。

图1 渤海湾西部位置、浅地层剖面测线分布、沉积学钻孔(左);工程地质钻孔分布(右)Fig.1 Location of the west Bohai Bay,the tracklines of high-resolution seismic profiles and the position of the sedimentary cores(left);site of the Engineering Geological cores(right)

图2 浅地层剖面显示的典型地震单元和界面Fig.2 Seismic profiles displaying typical stacking patterns of seismic units and surfaces

表1 渤海湾西部浅表地层层序划分Table 1 Sequence frame of the shallow strata in west Bohai Bay

T0界面是海底反射界面,标高为0~-12 m,整体上西高东低;界面R1标高为-4~-14 m,整体上西高东低;界面R2标高为-4~-16 m,整体上南北近岸地区高,标高达-4~-6 m,中部海河口地区低,标高为-12~-16 m;界面R3标高为-8~-18 m,整体上西北地区高,标高达-8 m,向东北方向降低至-16~-18 m;界面T1标高为-16~-24 m,整体上西高东低(图3,图4)。

1.2 界面成因及时间框架

根据高分辨率浅地层剖面的地震地层学分析和对钻孔沉积物进行沉积岩相分析、微体生物分析、14C和OSL的沉积时序分析、以及地球化学元素的物源分析,揭示了冰消期以来在海面变化、沉积供给变化条件下,形成的地震层序、沉积环境和物源演化进程(表2)[11]。

(1)T2界面

T2界面为晚更新世末期海侵形成的界面(初次海侵面TS),即冰消期沉积底界,其下为末次盛冰期的陆相河流沉积。界面的起始时间可定为冰消期海侵的开始时间约15 ka BP,海侵随着全球的海面阶梯状快速上升逐渐扩大;但由于研究区伸入内陆,冰消期初期(15~10 ka BP)尚为陆区,约10 ka BP以后,海水涌入并淹没渤海湾地区。导致界面之上形成洪泛沼泽沉积(通常为泥炭质沉积),局部存在河道沉积充填,最上覆盖潮滩沉积这种具退积序列的沉积体系。

(2)T1界面

T1界面为全新世最大海侵时期形成的界面,时间可定为最大海侵结束的7 ka BP,界面以下为全新世早期的海侵沉积,其上南部为NE向的古黄河三角洲沉积,而中部和北部为以黄河物源为主的陆架浅海沉积。

图3 地震界面T0,R1,R2,R3标高Fig.3 Elevation of the seismic surfaces of T0,R1,R2and R3

图4 地震界面T1和T2标高Fig.4 Elevation of the seismic surfaces of T1and T2

表2 各地震界面起始框架及可能的影响因素Table 2 Initial framework of the seismic interface and its possible influence factors

(3)R3界面

R3界面是在约3.5 ka BP时期三角洲堆积形成的一个明显界面,其上为两个不同的三角洲沉积:北部为燕山水系和太行水系形成的三角洲,但以燕山水系为主;中部形成黄河水系和太行水系三角洲。历史记载:1)黄河约2.7 ka BP(或更早)~2.4 ka BP时期,在天津东部、东南部入海;2)约2.4 ka BP~1 ka BP黄河入渤海湾南岸,渤海湾西北岸海河单独入海;3)海河北部水系在475 a BC(或更早)~AD 960 a(约2.5 ka BP(或更早)~1.0 ka BP)曾入海研究区北部,原属海河北部水系的永定河AD 960 a后入海河,海河北部水系规模相继减小。由于历史文献记载起始年限的限制,实际起始时间可能更早,基本与3.5 ka BP的沉积年龄相符。

(4)R2界面

R2界面为约1 ka BP时期三角洲堆积形成的一个明显界面,三角洲沉积整体充填于原带状负地形内。研究区海河口附近形成黄河与太行水系三角洲,而北部近岸地区形成以燕山水系物源为主的滨浅海沉积。历史记载:1)原属海河北部水系的永定河AD 960 a后入海河,使海河南部水系规模增大,海河北部水系规模相继减小;2)黄河在AD 1048~AD 1194 a在天津塘沽夺海河入海,并导致所有太行水系与黄河合流。

(5)R1界面

R1界面为约800 a BP时期现代浅海沉积形成的一个明显界面,其上为以悬浮搬运的黄河沉积物为主的沉积。这可能与黄河AD 1194 a移出渤海湾流入黄海的事件有关,但其上的沉积物主体应于黄河AD 1855年入渤海后形成,物源主体为黄河悬浮沉积。

2 中晚全新世古地貌格局

2.1 贝壳堤和埋藏牡蛎礁反映的古海岸

渤海湾西岸分布着数道贝壳堤,贝壳堤的分布位置是古岸线的遗迹,代表了达到最大海侵(约7 ka BP)以来的数道古岸线[12-15]。这些贝壳堤仅分布于渤海湾西岸的海河以南地区,海河以北地区贝壳堤基本消失,取而代之的是数道岭地,同样被认为是古岸线的痕迹;渤海湾西北岸存在大量埋藏牡蛎礁体[16-19],它们主要形成于河口及浅海区,形成年龄可为推测岸线提供前提。笔者根据这些贝壳堤、岭地及埋藏牡蛎礁位置编成了7 ka BP以来古岸线变迁图[20](图5)。

当然,推测的每条古岸线仅代表当时海岸的大致位置,并不代表岸线为如此平滑,因为贝壳堤分布不连续,贝壳堤断开处很可能存在古海湾或古泻湖,甚至贝壳堤后也可能存在古泻湖。

2.2 埋藏沉积物分布反映的中晚全新世古地貌格局与沉积模式

在最大海侵边界以内,分布着工程地质上所谓的埋藏海积软土和海积非软土沉积物。其中软土是指在静水或水流极其缓慢的环境中沉积的,并经生物化学作用而形成的含有大量有机质的粘性土,可粗略的视为泥质沉积,而非软土即可粗略视为砂质沉积(即埋藏砂体)。

图5 推断的古岸线走向变迁[20]Fig.5 Changes of the inferred ancient shoreline[20]

研究显示[21],滨海新区的埋藏海积软土主要为三角洲、泻湖和浅海沉积环境下形成的细粒泥质沉积,软土的分布代表着有着充足的陆缘碎屑供给,细粒悬浮沉积占据主导的产物;而埋藏海积砂体则主要为河口坝、远砂坝、水下分流河道、席状砂等三角洲前缘,以及潮汐三角洲沉积等粗碎屑沉积物。在河流的进积过程中,粗粒沉积物总是最先沉积下来,反映了该三角洲前缘的展布。因此,滨海新区海积软土与非软土的空间排列格局(图6),可代表中晚全新世(最大海侵以后)的河流入海状况。

埋藏砂体主体上呈多个朵体(编号No.1~4)伸入渤海湾,根据其展布特点,粗粒沉积朵体可基本视为不同的三角洲堆积体的代表,且朵体的空间延伸方向与海区发现的三角洲体基本吻合,而三角洲内粗粒沉积体通常由河口坝、分流河道等组成,其作为成陆的先锋,在三角洲进积早期即可成陆,这与粗粒沉积体内发育古墓藏相耦合(图7),侧面印证了这些地区存在向海凸出的三角洲的成陆作用。

研究区北部和中部地区海积软土主要形成于4.3~3.3 ka BP海岸(贝壳III堤)以东,以西基本无软土分布,这说明在最大海侵以后的岸线缓慢向东推进早期,入海河流的泥砂输运较少,进积作用较弱,细粒泥质沉积并不发育;而到全新世后期由于河流进积作用加剧,沉积供给充足,导致软土大面积的形成于3.3 ka BP岸线以东地区,这基本与中部和北部海区工作取得的存在3.5~1 ka BP、1~0.8 ka BP三角洲的认识一致。相比之下,南部软土的分布范围更加伸向内陆,位于4.3~3.3 ka BP海岸(贝壳III堤)以西,说明该地区河流的明显进积作用发生相对较早,在4.3 ka BP之前已有黄河于此区域入海,河流携带的细粒在近处内快速淤积,这基本与南部海区工作取得的存在7~3.5 ka BP三角洲的认识一致。

朵体No.1形成于南部(图7A),向东北方向延伸,其在空间上与Ud地震单元吻合,形成于7~3.5 ka BP时期内,与古黄河入海渤海湾西南部有关,导致在西南部形成砂质沉积,并在其周边,乃至整个南部形成大面积的细粒泥质沉积。

图6 天津滨海新区埋藏海积砂体厚度分布图Fig.6 Thickness distribution of the buried marine sand in Tianjin Binhai New Area

朵体No.2形成于中部(图7B),并向东、南、北三个方向延伸(主体向东延伸),在空间上与Uc南部对应,形成于3.5~1 ka BP时期内,与古黄河入海渤海湾西部有关;导致在西部形成砂质沉积,并向北、西、南三个方向延伸,导致其周边及中部形成大面积的细粒泥质沉积。

朵体No.3形成于北部(图7B),向西南方向延伸,在空间上与Uc北部对应,也形成于3.5~1 ka BP时期内,与海河北部水系入海渤海湾北部有关;导致在北部沿岸形成砂质沉积,并向南延伸导致其周边及北部形成大面积的细粒泥质沉积。

朵体No.2和朵体No.3上分布有西周至唐代时期的古墓葬,证实了两朵体在3~1 ka BP时期内已经成陆的事实;而朵体No.1,朵体No.2和朵体No.3间并未发任何现古人墓葬(图7B),从侧面说明了这些朵体间区域,即使在近代已经深入内陆中,但也仍然处于泻湖湿地的范畴,形成了厚层的细粒泥质沉积。

朵体No.4形成于中部(图7C),发育在No.2朵体之上,向西延伸,在空间上与Ub对应,形成于1~0.8 ka BP,朵体No.4上未发现宋代及以前的古人墓葬,说明了其成陆较晚。它可能与宋代1048年黄河入海渤海湾西部有关,导致在塘沽地区形成砂质沉积,并向西延伸导致其周边及中部形成大面积的细粒泥质沉积。

大约0.8 ka BP以来的渤海湾沉积作用可能与黄河AD1194(约0.8 ka BP)年移出渤海湾入海黄海的事件有关,但沉积物主体应于黄河AD1855年入渤海后形成,形成现代渤海表层细粒泥质沉积(图7:D)。海岸线基本稳定,向海方向仅稍有推移。

3 天津滨海新区中全新世以来地形演化

根据上述海区浅地层剖面数据,由贝壳堤和牡蛎礁推断古海岸走向,由埋藏砂体反映的古地貌格局等,参考陆区一部分钻孔沉积物数据,综合绘制了滨海新区不同时期的海底地形图,并总结了滨海新区中全新世以来地形地貌演化过程。

图7 天津滨海新区7000 a BP以来地貌演化Fig.7 Geomorphic evolution of Tianjin Binhai New Area after 7000a BP

冰消期海侵在约7 ka BP达到最大范围,约在现今岸线以西50~90 km[1-2,21]。约7 ka BP以后海面基本稳定于现代水平,因此可以现代高程为基准,讨论中晚全新世以来的地形演变。

3.1 约7~3.5 ka BP地形演化

约7 ka BP岸线大约南起高湾、经沧州、青县、文安东、武清、玉田虹桥、乐亭马头营、昌黎团林,止于秦皇岛[2,22-23]。当时渤海湾最大水深在24 m以上,北部地形坡降大,中部和南部相对较缓(图8A)。

渤海湾岸线在陆源碎屑的不断进积过程中,向东推进,其中在研究区西南部由于存在黄河三角洲,三角洲河口应位于河北省康庄子至翟庄附近,导致在约3.5 ka BP时期,西南岸线相比之下更加伸入海洋,研究区南部与7 ka BP时期相比海底地形坡降较小、水深较大程度的变浅,形成NE方向倾斜的海底地形;而研究区北部和中部由于沉积供给相比较弱,没能形成较大型的三角洲,沉积物多沉积于沿岸地区而在海洋深处则较少,故研究区北部和中部近岸地区海底地形坡降较大,而远岸地区水深与7 ka BP时期变浅程度较轻(图8B)。

3.2 约3.5~1 ka BP地形演化

约3.5 ka BP以后,研究区东北部和中部形成两个三角洲沉积体,导致相应地区海岸线快速向海推进。东北部为燕山水系和太行水系复合三角洲沉积体,三角洲河口位于汉沽区和现陡河口附近;中部为黄河水系和太行水系复合三角洲沉积体,三角洲河口位于邓岑子至小站附近。

至1 ka BP时,在这两大三角洲之间的军粮城、西泥沽以东海河沿线形成小型海湾,海底呈明显负地形。两三角洲沿岸砂坝向周边伸展,导致后方形成两个大型泻湖:南部为“北大港古泻湖”,这与上古林II堤年龄老于其西侧地层的认识相符[24];北部“咸水沽-黄港-茶淀古泻湖”,此泻湖存在两个中心,一个为咸水沽-东泥沽,一个在黄港-北塘-茶淀。两泻湖开口处发育明显的潮汐三角洲砂体。东北部和中部的三角洲体使北部和中部水深较3.5 ka BP时明显变浅,最大值分别达到11 m和5 m,而南部水深变浅程度则较低,仅1 m左右(图9:距今约1 ka)。

3.3 约1~0.8 ka BP地形演化

约1 ka BP时,研究区中部(海河沿线)形成黄河水系和太行水系复合三角洲沉积体,三角洲河口位于西泥沽附近,至约0.8 ka BP时,海河沿线及以东地区相对负地形被充填后变为相对正地形,研究区中部海岸线快速向海推进,水深明显变浅(3~7 m),研究区北部和南部岸线和水深变化都很小(图9),现代地形地貌格局基本形成。

3.4 约800 a BP至今

约800 a BP时,因黄河AD 1194年移出渤海湾入黄海,原黄河水系和太行水系大型复合三角洲沉积体消失,渤海湾沉积物供给变为由外部悬浮输运,尤其是黄河AD 1855年入海东营后,渤海湾形成细粒泥质沉积,沉积物源以黄河物质为主,岸线基本稳定。至2010年,海底地形基本继承了原有特点,并未发现大型三角洲,悬浮沉积导致整体上水深变浅1~3 m(图10)。

4 结论

本文以最新获得的海岸带地质调查资料为基础,对天津滨海新区中全新世以来地形地貌演化进行了阐述,得出以下认识和结论:

约7~3.5 ka BP黄河曾入海渤海湾西岸,在南部形成NE方向前积的黄河三角洲,导致南部岸线快速向东推进,而研究区中部和北部岸线变化相对较小。

约3.5~1 ka BP研究区北部和中部形成两个三角洲沉积体,导致相应地区海岸线快速向海推进,北部为燕山水系和太行水系形成的三角洲,中部形成黄河水系和太行水系三角洲;在这两大三角洲之间形成小型海湾,海底呈明显负地形,并在后方形成两个大型泻湖。

约1~0.8 ka BP,研究区中部海河口附近形成黄河与太行水系三角洲,导致相应地区海岸线快速向海推进,原负地形被充填后变为相对正地形;而北部和南部岸线基本稳定。

图8 距今7000年、3500年渤海湾西部海底地形图Fig.8 Seabed topographic map of 7 ka BP and 3.5 ka BP in west Bohai Bay

图9 距今1000年、800年渤海湾西北部海底地形图Fig.9 Seabed topographic map of 1000 a BP and 800 a BP in west Bohai Bay

图10 现代渤海湾西北部海底地形图Fig.8 Modern seabed topographic map in west Bohai Bay

约800年以来,因黄河AD 1194年移出渤海湾入黄海,但沉积物主体应于黄河AD 1855年入渤海后形成,渤海湾形成细粒泥质沉积,沉积物源以黄河物质为主,岸线基本稳定。

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Topographic and Geomorphic Evolution Process in Tianjin Binhai New Area after Middle Holocene

TIAN Li-zhu1,WANG Dong2,PEI Yan-dong3,1,WANG Fu1,LI Jian-fen1,SHANG Zhi-wen1,WANG Hong1
(1.Tianjin Centre,China Geological Survey,Tianjin,300170,China;2.Tianjin Institute of Geotechnical Investigation&Surveying,Tianjin,300191,China;3.College of Marine Science&Engineering,Tianjin,300457,China)

Over recent years,a number of geological survey data were obtained in coastal zone of Tianjin Binhai New Area.Respectively,using results of subbottom profiling to detect paleotopography,by sedimentary drilling borehole research to understand deposition times,use of land area chenier,buried oyster reefs,ancient tombs and burial sand distribution,study the distribution of the various periods of ancient shoreline position and morphology,and comparing with the depositional environment and topography in shallow sea area,a general introduction of topography and geomorphy evolution process after middle Holocene in Tianjin Binhai New Area was given in this paper.The last transgression in Bohai Bay started in early Holocene,the coastline reached its westernmost limit at about middle Holocene.Since then,because of the highstand stabilization of sea-level and,moreover,the river discharges into the bay,the coastline of Bohai Bay has gradually prograded eastwards.But because of the complex background of the Bohai Bay sediment supply,the topography and geomorphy evolution process are different in different parts.

s:Geomorphic evolution;paleotopography;middle Holocene;depositional environment;ancient Yellow River;sediment supply;Tianjin Binhai NewArea;Bohai Bay

P534.63

A

1672-4135(2011)01-0053-10

2010-02-20

国家国土资源地质大调查项目:天津滨海新区地质环境调查评价(1212010540501号)

田立柱,(1981-),男,博士,助理研究员,从事海洋地质与沉积地质研究,Email:tianlzihu@gmail.com。

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