临汾盆地晚第四纪地层划分与新构造运动分析①

史双双,赵　强,赵晋泉,蒋汉朝,李自红

(1.山西省地震局,山西 太原 030021; 2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,山西 太原 030025;3.中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京 100029)



临汾盆地晚第四纪地层划分与新构造运动分析①

史双双1,2,赵强1,2,赵晋泉1,2,蒋汉朝3,李自红1,2

(1.山西省地震局,山西 太原 030021; 2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站,山西 太原 030025;3.中国地震局地质研究所,地震动力学国家重点实验室,北京 100029)

为划分临汾盆地第四纪地层,在临汾市东布设1个控制性钻孔,描述其所揭示的地层岩性特征。通过对钻孔剖面中269件孢粉样品的孢粉组合进行分带讨论,结合9个光释光样品和12个电子自旋共振样品的年龄测试结果,认为该控制性钻孔记录了379 ka B.P.以来的沉积地层,其中埋深0～0.4 m属于全新统,0.4～80.8 m属于上更新统(孢粉记录揭示出相对干燥寒冷的古气候特征,终末期气候转暖,降水增多),埋深80.8 m以下属于中更新统(代表了温暖潮湿的古气候特征)。晚更新世以来平均沉降速率为0.64 mm/a,远高于临汾盆地第四纪平均断陷速率,表明晚更新世以来临汾盆地的新构造运动呈现增强趋势。

孢粉组合; 晚第四纪; 古环境; 新构造; 临汾盆地

0　引言

中国黄土高原上连续发育了黄土-古土壤序列[1],保存在黄土、古土壤中的孢粉直接记录了第四纪植被变迁及自然环境的变化。黄土高原的孢粉学研究主要集中在西部及中部地区[2-8],而对黄土高原东部地区的植被及环境变迁资料亟待充实。临汾盆地位于黄土高原东部地区,前人在临汾盆地作过少量孢粉分析[9-10],但所涉及的钻孔深度较浅、样品数量较少,主要是针对临汾盆地全新世的划分,对该区第四纪地层尚未有过系统分析。

临汾盆地作为汾渭断陷带的重要活动构造单元,内部断裂十分发育,新构造运动日益增强[11-13]。本研究在临汾凹陷中部布设一个控制性钻孔,通过对其进行地层描述,整孔密集采集样品进行孢粉测试分析,并结合地层年代学样品的测试,提出临汾盆地晚第四纪地层的划分方案,恢复临汾盆地晚第四纪古气候特征,为后续新构造运动研究提供基础资料及对比标准。

1　钻孔参数及岩性特征

该钻孔是2009—2014年山西省地震局开展《临汾市区活断层探测与地震危险性评价》项目时专门实施的控制性钻孔,目的在于揭穿临汾盆地第四系。该钻孔位于临汾市东,坐标为111°34′56.32″E,36°3′55.70″N(图1),地貌上属于乔里-临汾湖积台地(T3)[14],终孔深度245.0 m。按照岩性将其归纳为39个组合层(图2),分别简述如下:

(1)褐灰色耕土,含植物根系,煤屑等。厚0.40 m。

(2)褐黄色粉土,土质均匀,含蜗牛化石。厚4.70 m。

(3)褐黄色粉质黏土,夹有薄层粉土。厚0.90 m。

(4)褐黄色粉土,含有云母片,氧化物等。厚1.70 m。

(5)棕黄色粉质黏土。厚4.30 m。

(6)褐灰色粉土,夹有少量粉砂,含有云母等。厚5.10 m。

(7)棕黄色粉质黏土,有锈色浸染。厚1.10 m。

(8)褐黄色粉土,含有云母等。厚4.30 m。

(9)棕黄、褐黄色粉质黏土,夹薄层粉土,含少量钙质结核。厚5.40 m。

(10)褐黄、褐灰色粉土,局部夹粉质黏土。厚5.80 m。

(11)棕黄、褐黄色粉质黏土,夹有灰色条纹锈色浸染。厚3.80 m。

图1　临汾盆地钻孔位置图Fig.1　Location of the borehole in Linfen Basin

图2　临汾盆地钻孔剖面孢粉图谱Fig.2　Sporo-pollen diagram in the borehole section,Linfen Basin

(12)褐黄色粉土,含蜗牛壳,局部夹有薄层粉质黏土。厚3.50 m。

(13)棕黄色粉质黏土,含少量钙质结核。厚39.80 m。

(14)褐黄色细砂,主要矿物成分石英、长石及少量云母,含少量小圆砾,粒径2～5mm。厚0.70 m。

(15)棕黄色粉质黏土,含少量钙质结核。厚11.70 m。

(16)褐黄色细砂,主要成分为石英、长石及云母,局部半胶结,泥质胶结。厚0.60 m。

(17)棕黄色粉质黏土,含少量钙质结核,夹有细砂,半胶结。厚15.20 m。

(18)褐黄色粉砂,成分以石英为主,长石次之,含少量云母,分选性较好。厚1.60 m。

(19)棕黄、褐红色粉质黏土,局部夹薄层粉土。厚9.80 m。

(20)褐黄色细砂,成分以石英为主,长石次之,含少量云母。厚0.40 m。

(21)褐红、黄绿色粉质黏土,夹细砂层,局部含钙质结核。厚15.10 m。

(22)褐红色细砂,成分为长石、石英,少量云母。厚0.30 m。

(23)褐红色粉质黏土,含少量钙质结核。厚2.00 m。

(24)棕褐色细砂,成分为石英、长石,含少量云母。厚0.90 m。

(25)褐红色粉质黏土,夹有一层钙质结核层,钙核约占10～25%。厚18.20 m。

(26)灰黄色粉土。厚0.70 m。

(27)褐红、黄绿色粉质黏土,含少量钙质结核,夹有一层10～15cm厚的细砂,成分为石英、长石及少量云母。厚23.10 m。

(28)褐红色细砂,主要成分为石英、长石及少量云母。厚0.60 m。

(29)黄绿、黄褐色粉质黏土,局部含少量钙核。厚12.90 m。

(30)黄绿色中砂,成分以石英为主,长石次之,含少量云母。厚0.80 m。

(31)灰绿色粉质黏土,硬塑,切面光滑。厚2.10 m。

(32)灰黄色细砂,主要成分为石英、长石及少量云母。厚0.60 m。

(33)棕褐、黄绿色粉质黏土,局部夹薄层粉土,偶见钙质结核。厚10.10 m。

(34)浅黄色粉土。厚1.10 m。

(35)棕褐色粉质黏土,含钙核,钙核粒径0.5～2.0 cm。厚11.40 m。

(36)浅黄色细砂,成分以石英为主,长石次之,含少量云母。厚0.80 m。

(37)棕褐、黄绿色粉质黏土,局部夹薄层粉土,下部夹一层钙质结核层,呈半胶结状,局部含少量粉砂。厚10.00 m。

(38)褐黄色细砂,成分以石英为主,长石次之,含少量云母。厚2.30 m。

(39)棕褐色粉质黏土,局部含少量细砂及钙核。厚11.20 m。

2　研究方法

孢粉样品采取全孔取样的方法,0～60 m岩心每间隔0.5 m采集一个样品,61～245 m岩心每间隔1 m采集一个样品,共采集得到274件有效样品。每个样品经过碎样、15%的HCl去碳酸盐、3%的NaOH去有机质、85℃下烘干7～8小时去水分、KI重液分离孢粉颗粒、40%的HF去除少量硅质碎屑颗粒、15%HCl去除新产生的氟化钙及镜检和过筛等处理。处理好的标本加少许甘油在显微镜下进行鉴定。

3　钻孔地层孢粉分析

3.1孢粉组合

临汾市控制性钻孔孢粉丰富,274件送样样品中共有269件获得达到统计数目的孢子花粉颗粒。这269件样品中总共统计鉴定到59 718粒花粉,平均每样约222粒,分属53个孢粉类型。钻孔剖面孢粉的组合特征总体如下:以木本植物花粉占优势,含量为44.6%～84.2%,平均约占66.0%,主要有松(Pinus)、桦(Betula)、落叶栎(Quercus)等,其次有云杉/冷杉(Picea/Abies)、杉科(Taxodiaceae)、柏科(Cupressaceae)、铁杉(Tsuga)、落叶松(Larix)、榆(Ulmus)、胡桃(Juglans)、栗(Castanea)、槭木(Alnus)、椴(Tilia)、山核桃(Carya)等,其中以松、桦、落叶栎较多;其次是灌木和草本植物花粉,含量为10.3%～44.6%,平均24.0%,主要有榛(Corylus)、麻黄(Ephedra)、蒿(Artemisia)、藜(Chenopodiaceae)、莎草(Cyperaceae)、禾本科(Gramineae)、菊科(Compositae)、蓼科(Polygonaceae)、百合科(Liliaceae)等,其中又以榛、麻黄、蒿、藜、莎草、禾本科较多。蕨类孢子和藻类含量相对较少,其含量为2.5%～17.5%,平均含量为10.0%,主要为水龙骨科(Polypodiaceae)、环纹藻(Concentricystis)、盘星藻(Pediastrum)、狐尾藻(Myriophyllum)等,其中以水龙骨科的蕨类孢子、环纹藻较多。

根据乔木、灌木及草本植物花粉和厥类植物孢子在剖面上含量的明显变化,由下而上划分为6个孢粉组合带(图2):

(1)组合带Ⅰ(245～152 m)

该组合带孢粉类型和含量均较丰富,总共统计了200～286粒不等的孢子和花粉。孢粉组合中主要为木本植物花粉,其含量52.8%～77.6%,平均64.8%。其次为灌木和草本植物花粉,含量为13.3%～37.6%,平均25.4%。蕨类植物孢子含量较少,为3.7%～17.5%,平均9.9%。主要孢粉有松、栎、桦、榛、蒿、藜、禾本、枫香、山核桃及水龙骨科的蕨类孢子、环纹藻等。

(2)组合带Ⅱ(152～84 m)

该组合带孢粉丰富,统计了129～264粒不等的孢子和花粉。本组合与上一组合的主要区别在于松属花粉的含量显著增加后缓慢减少,而灌木和草本则呈相反的变化趋势,并在本组合中期达到稳定。本孢粉组合仍然为木本植物花粉所主宰,其含量为44.6%～80.3%,平均66.2%。其次为灌木和草本植物花粉,含量为13.1%～44.6%,平均24.8%。蕨类植物孢子含量较少,为2.5%～15.0%,平均9.0%。主要孢粉有松、栎、榛、蒿、藜、莎草及水龙骨科的蕨类孢子等。

(3)组合带Ⅲ(84～51.5 m)

本组合与上一组合的区别在于乔木花粉含量显著增加,而灌木、草本以及蕨类孢子、藻类都显示降低的变化过程。本组合的乔木花粉含量为54.9%～84.2%,平均67.6%。灌木和草本植物花粉含量为10.3%～33.5%,平均22.7%。蕨类孢子含量有所减少,为2.8%～16.3%,平均9.7%。本组合的主要孢粉类型有松、栎、桦、榛、蒿、藜、莎草及水龙骨科的蕨类孢子等。

(4)组合带Ⅳ(51.5～25.5 m)

本组合带统计了200～270粒不等的孢子花粉,平均每个样品224粒。该孢粉组合以木本植物花粉占优势,含量为52.5%～80.9%,平均约占64.6%。其次是灌木和草本植物花粉,含量为13.2%～33.6%,平均24.1%。蕨类孢子和藻类含量相对较少,为5.9%～17.2%,平均含量为11.3%。主要孢粉有松、栎、桦、栗、榛、蒿、藜、莎草及水龙骨科的蕨类孢子、环纹藻等。

(5)组合带Ⅴ(25.5～12.5 m)

本组合带孢粉类型丰富,共统计了203～265粒不等的孢子和花粉,平均每个样品224粒。本组合与上一组合的主要区别在于松科花粉的含量明显增加,并在显著增加后呈现逐步降低的趋势,明显影响了本组合带的乔木花粉含量变化趋势。本组合的乔木花粉含量为58.0%～76.4%,平均67.9%。灌木和草本植物花粉的含量为13.8%～30.6%,平均22.1%。蕨类植物孢子含量较少,为5.7%～14.3%,平均10.1%。主要孢粉类型有松、栎、桦、栗、榆、榛、蒿、藜、禾本科、莎草及水龙骨科的蕨类孢子等。

(6)组合带Ⅵ(12.5～0.5 m)

本组合孢粉丰富,与上一组合的区别在于灌木和草本花粉在早期显著增加并显示持续降低的变化趋势。本组合带统计了204～260粒不等的孢子和花粉,平均每个样品228粒。本孢粉组合仍然为木本植物花粉所主宰,其含量为56.3%～78.3%,平均68.2%。其次为灌木和草本植物花粉,含量为12.5%～34.1%,平均21.8%。蕨类植物孢子含量较前一组合略有降低的趋势,为4.5%～13.4%,平均10.0%。主要孢粉有松、栎、桦、栗、胡桃、榛、蒿、藜、莎草、禾本及水龙骨科的蕨类孢子等。

3.2孢粉分析结果反映的地层相对年代

临汾盆地上更新统经历了末次间冰期及后期的末次冰期,华北地区众多的孢粉研究资料表明[15-17],大约从110 ka B.P.开始,以含有一定数量或大量的冷杉、云杉等寒冷的针叶植物花粉及藜、蒿、麻黄等耐干冷的草本植物花粉为特征;而13 ka B.P.至今,孢粉植物的种类数量均较前期丰富,并以喜温暖潮湿的松等针叶植物及桦、栎、榆等阔叶植物的大量出现为特点。对照前述临汾市控制性钻孔沉积物中孢粉分析结果可以清楚地看出,孢粉带Ⅵ终末期代表温暖环境的桦、栎呈快速增多的趋势,乔木植物综合百分比呈现整体上升趋势,表明该带终末期气候正在逐渐回暖,特别是落叶栎属植物花粉含量百分比在1.0 m附近为26.7%,达到顶峰。因此可确定Ⅵ带末期为晚更新世末期温暖潮湿气候下生长的植物孢粉,全新统较薄或者不发育。根据孢粉图谱(图2),耐干冷植物蒿属及藜属在孢粉带Ⅳ和Ⅴ呈现明显的茂盛趋势,而在孢粉带Ⅲ百分比含量相对较少。冷杉属含量百分比在Ⅳ带最为发育,最大值3.42%,这与末次冰期全球性寒冷干燥气候相对应,结合前述,初步推测Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ孢粉带为晚更新世时期。

我国华北及西北地区已有的第四纪孢粉地层资料表明[18-19],第四纪早期及中期地层中,通常含少量或微量的山核桃、枫香等前第四纪亚热带残遗植物花粉,而第四纪晚期地层中则没有这类花粉。本控制性钻孔中的孢粉带Ⅰ均有少量或微量这类前第四纪亚热带残遗植物花粉,229 m处山核桃孢粉含量为1.29%。Ⅰ和Ⅱ带木本花粉、草本花粉含量大致均等,蕨类植物孢子含量相对较少,但是Ⅰ和Ⅱ带中喜温湿的水龙骨科蕨类孢子花粉数量相对其他带来说较为丰富,因此推测第Ⅰ和Ⅱ孢粉带为中更新世。

综上所述,全新统底界暂定为Ⅰ带顶部0.5 m,上更新统底界暂定Ⅱ带和Ⅲ带分界处,即84.0 m。不同时期孢粉带在控制性钻孔中的深度范围暂定为:中更新世245.0～84.0 m,晚更新世84.0～0.5 m,全新世0.5～0 m。

4　钻孔地层的沉积时代

在控制性钻孔中上部采集分析了9个岩芯的光释光(OSL)年龄样(表1),测试材料采用细颗粒石英,测试方法采用简单多片再生法(SMAR);中下部采集了电子自旋共振(ESR)年龄样品12个(表2)。采样位置见图2。

表1　光释光测年结果表

表2　电子自旋共振测年结果表

根据钻孔岩芯的OSL和ESR测年结果,该钻孔的地层年龄有很好的垂向时序,其揭露的地层沉积始于379 ka B.P.左右。结合上述分析,层1为厚0.4 m耕土,而层2中埋深3.5～3.65 m处的OSL样品年龄为(38.0±4.0)ka B.P.,因此将全新统底界定为层1与层2的分界,即0.4 m。由孢粉分组合带可知,第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ孢粉组合(84.0～0.5 m)为晚更新世时期,ESR测年结果中85.25 m对应年龄是(130±13)ka B.P.,推测上更新统底界应位于85.25 m之上;由OSL测年结果,40.5～40.65 m对应年龄为118 ka B.P.,因此推测上更新统底界位于层12(37.5～41.0 m)之下,即上更新统底界位于80.8～81.5 m。结合剖面分层特征,80.8 m以下钻孔开始发育较粗颗粒的细砂层,沉积物颜色变深,代表沉积环境的改变,因此将上更新统底界定于层14细砂层顶界位置,即80.8 m处。

综合分析出临汾盆地该控制性钻孔的第四纪地层划分方案为:全新统0～0.4 m,上更新统0.4～80.8 m,中更新统80.8～245 m,且该层未钻穿。

5　钻孔晚第四纪沉积与新构造运动分析

5.1钻孔所反映的沉积环境

通过上述对孢粉地层岩性特征、年龄测定和孢粉组合分析结果可以看出,三者均显示出明显的分层、分段性质,且相互之间一致性较好。由此可以得出如下认识:

(1)该控制性钻孔揭露的地层沉积时代属于晚中更新世以来。其中0～0.4 m属于全新世时期沉积;0.4～80.8 m属于晚更新世的沉积地层,沉积物颗粒相对较细,以湖相沉积为主;80.8～245.0 m属于中更新世晚期的沉积地层,沉积物颜色较深,以大段褐红色粉质黏土层为特征,代表强氧化环境,以河流相沉积为主。

(2)山西临汾地区钻孔剖面孢粉组合总体上以木本为主,含有少量的灌木和草本,同时在林下或地势低洼处发育蕨类孢子和藻类。因此,该控制性钻孔剖面的孢粉组合可能指示山西临汾地区在晚中更新世以来总体上被森林草原植被所覆盖,沉积期气候总体相对温和湿润,也不乏明显的波动。

(3)研究区大致经历了两次明显的气候变化。379 ka B.P.开始,因气候变化,临汾盆地形成了一套红色的强氧化环境的河流平原相沉积物,粉砂和砂粒含量相对较多。该时期临汾凹陷总体呈现出温暖潮湿的气候特征,在孢粉带Ⅰ出现少量代表亚热带残遗植物的山核桃孢粉,喜温湿的水龙骨科蕨类孢子花粉数量在孢粉带Ⅰ和Ⅱ相对其他带来说显著增多。大约从126 ka B.P.开始气候转冷,Ⅲ带孢粉组合显示耐干冷植物如冷杉、云杉等针叶植物开始出现,对应于末次间冰期;118 ka B.P.开始,耐干冷植物蒿属及藜属在孢粉带Ⅳ和Ⅴ呈现明显的茂盛趋势,对应于末次冰期;Ⅵ带顶部,相比末次冰期气候转暖,温度升高,降水增多,沉积物粒度变细,出现了丰富的植物孢粉种类,孢粉数量增多,喜温暖植物如桦、栎、榆等阔叶植物大量出现,代表末次冰期的结束。

5.2晚第四纪最新构造运动分析

控制性钻孔所处的新构造分区为临汾断陷盆地临汾凹陷第四纪最大的沉降中心——屯里—甘亭沉降中心以东,该沉降中心第四纪最大断陷幅度为800 m[20],从第四纪(距今258万年)开始计算,临汾盆地第四纪平均断陷速率为0.31 mm/a。晚第四纪以来,临汾盆地的湖相沉积是一种构造相沉积*邓起东.临汾盆地地震构造研究.山西:山西省地震局,1992.,其堆积厚度可表征盆地的沉降幅度。因此由上述分析和沉积厚度的实际资料可以得出临汾盆地自晚更新世以来钻孔所处地的最新构造活动特征。该区晚更新世以来沉降运动幅度为80.8 m,以晚更新世延续至今为12.6万年计,相应的平均沉降速率为0.64 mm/a,远高于临汾盆地第四纪平均断陷速率,这表明上更新统底界的确定不仅有孢粉学和沉积学上的证据,也有其深刻的新构造运动学背景,即晚更新世以来临汾盆地的新构造运动呈现增强趋势。

致谢:本次实验全部在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室完成，感谢相关人员的帮助。

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Division of Late Quaternary Strata and Analysis of Neotectonic Movement in Linfen Basin

SHI Shuang-shuang1,2,ZHAO Qiang1,2,ZHAO Jin-quan1,2,JIANG Han-chao3,LI Zi-hong1,2

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province,Taiyuan 030021,Shanxi,China;2.Continental Rift Valley Dynamics State Observatory of Taiyuan,Taiyuan 030025,Shanxi,China;3.State Key Laboratory of Earthquake Dynamics,Institute of Geology,CEA,Beijing 100029,China)

As the Quaternary strata of Linfen Basin have not yet been systematically analyzed,in this study,we performed a controlled borehole in the middle of the Linfen depression to expose the Quaternary strata in Linfen Basin.We employed a controlled borehole in this project to detect active faults and assess seismic risk in Linfen City from 2009 to 2014.The final hole depth was 245 m at the coordinates 111°34′56″E,36°3′55″N.Based on the formation of the strata exposed by the borehole,we determined that the strata are divided into 39 composite layers.The sediment in the lower parts of the section is darker and is characterized by a brownish red silty clay layer,which is representative of a strong oxidizing environment.The sediment of the upper part of the section is fine-grained and is dominated by lacustrine deposits.We processed 269 effective pollen samples to analyze the characteristics of the sporo-pollen assemblages in the drilling section.Based on the obvious changes in the pollen content of the spore trees,shrubs,and herbs and from the fern content in the section,we divided the sporo-pollen assemblages into six categories as follows:Ⅰ (245～152 m),Ⅱ (152～84 m),Ⅲ (84～51.5 m),Ⅳ (51.5～25.5 m),Ⅴ (25.5～12.5 m),and Ⅵ (12.5～0.5 m).We collected nine core samples in the upper part of the section to analyze the absolute age of the sediment by optically stimulated luminescence dating.We also collected twelve core samples in the lower part of the section to analyze the absolute age of the sediment by electron spin resonance.Dating results show that the control borehole records the sedimentary formation from approximately 379 ka B.P. Sediments at a borehole buried depth of 0～0.4 m belong to the Holocene strata.Sediments at the borehole buried depth of 0.4～80.8 m belong to the upper Pleistocene.Based on the pollen records,we characterized the paleoclimate as being dry and cold during this period,which then warmed and had increased precipitation near the end-stage of this period.Borehole sediments buried below 80.8 m belong to the middle Holocene strata,in which the paleoclimate was warm and humid.The average subsidence rate since the late Pleistocene was 0.64 mm/a,which is much higher than that of the Quaternary.We suggest that the neotectonic movement of the Linfen Basin has shown an increasing trend since the late Pleistocene.

sporo-pollen assemblage; late Quaternary; paleoenvironment; neotectonics; Linfen Basin

2016-03-11

中国地震局监测、预测、科研三结合课题(160401);山西地震局科研项目(SBK-1633)

史双双(1984-),女,工程师,主要从事活动构造及新构造年代学研究。E-mail:shishsh@126.com。

P542

A

1000-0844(2016)04-0624-08

10.3969/j.issn.1000-0844.2016.04.0624