渤海湾北岸MT04孔粒度特征及沉积环境演化

刘文达，刘寒鹏

（天津城建大学 地质与测绘学院，天津 300384）

渤海湾北岸在第四纪期间历经海陆的变化，形成了海相和陆相沉积物交替出现的地层，前人曾对渤海湾北岸做了大量的研究.杨子赓等分析历史时期渤海湾北岸海陆相沉积物交替出现的地层演化过程[1]，李元芳等利用滦河三角洲地区的4个深钻、9个浅钻的微体化石数据对研究区第四纪海相地层进行划分[2]，李华梅等根据渤海湾北岸柏3孔的古地磁数据对中国北方的第四纪地层划分问题进行了相关讨论[3]，赵华等利用光释光（OSL）对天津大直沽ZH2钻孔对研究区海侵状况进行了年代学研究[4]，阎玉忠等利用加速器质谱（AMS）14C技术等对渤海湾西北岸BQ1孔与BQ2孔进行地层对比分析和年代学研究[5]，胥勤勉等依据渤海湾北岸MT04孔的岩石磁学和古地磁数据进行了磁性地层年代学研究[6].本文研究的MT04孔位于渤海湾北岸的乐亭县境内，对该区域的区域地质调查研究和沉积相分析，可以为渤海湾北岸的第四纪地层剖面绘制补充可靠的基础性地质资料.

粒度参数可以反映沉积物粒度组成、沉积环境以及水动力强弱及变化状态，是分析第四纪沉积物较直接的手段之一[7-8].在本孔已有古地磁年代学研究基础上，利用室内粒度数据和野外编录资料对MT04孔晚更新世以来的沉积环境演化进行分析和研究.

1　区域地质背景

渤海湾北岸第四纪时期为新生代早期裂陷后的加速沉降时期[9].渤海湾北岸的地层沉积以湖相和河流相沉积为主，同时含有海相层[6，10].第四纪以来，渤海湾北岸地区共发生了4次较大规模的海侵[11].在晚更新世晚期和全新世期间，渤海湾北岸主要为沙坝－澙湖海岸组成[12].由于走滑断裂活动的影响，使得渤海湾北岸地区各次级构造单元的沉积厚度有所差异[6].

钻孔MT04位于乐亭县马头营镇南部，具体位置详见图1.研究区在构造上处于黄骅坳陷中的马头营凸起，位于历史早期的滦河三角洲上[13]，是17—18世纪时期的滦河河道的高漫滩[14]，在全新世中期渤海的第四次海侵的古海岸线附近[15].根据前人对该孔的古地磁年代学研究数据，本钻孔自埋深83 m起为晚更新世以来沉积的松散堆积物[6]，本文仅对晚更新世以来的沉积物的沉积特征和粒度特征进行分析和研究.

图1　渤海湾北岸构造简图和MT04孔位置

2　地层岩性特征

埋深0～9.6 m，以橄榄灰色粉砂质泥、粉砂质砂和灰色粉细砂为主，呈厚层状互层.可见海相贝壳及碎片，炭质碎屑.顶部发育交错层理，底部埋深9.6 m处可见泥炭层.

埋深9.6～37.2 m，橄榄灰色细砂，少量黄棕色中粗砂，可见泥砾和小砾石.

埋深37.2～49.2 m，橄榄灰色粉砂，含泥细砂.底部见泥炭层沉积，垂向上为正粒序层序.

埋深49.2～63.6 m，浅黄棕色细砂，粉砂质砂，夹部分黄色中砂.可见交错层理，中部可见冲刷面.

埋深63.6～75.2 m，灰白色细砂，少量中砂.可见泥砾，部分深度可见斜层理，底部可见不整合接触面.

埋深75.2～79.0 m，橄榄灰色粉砂质砂，可见钙质结核、锈染、还原条带.

埋深79.0～83.0 m，灰棕色粉砂质砂夹黄棕色粉细砂.

3　样品采集和粒度分析实验

3.1　试样采集

野外钻探所得岩芯用钢丝锯劈开，装在岩芯管中依次排开后进行野外编录和拍照.随后进行采样，具体采样位置以采得岩芯情况而定，尽量采集未掺杂泥浆的岩芯.本次共使用埋深在83 m以内的176个土样作为本次粒度实验样品.

3.2　粒度分析实验

每个样品各取3～5g，分别装入标有编号的烧杯中，并记录样品烧杯编号对应深度；向烧杯中加入10 mL浓度为3.31 mol/L过氧化氢溶液搅拌并加热，待其不再产生大气泡时停止加热；再加入10 mL浓度为2.88 mol/L的稀盐酸搅拌并加热，反应完全后停止加热；待其冷却后将烧杯注满蒸馏水，静置1 d，抽去上层清液；加入10 mL浓度为0.05 mol/L的六偏磷酸钠分散剂，次日方可进行上机实验.本次实验采用英制Mastersizer2000粒度测试仪进行颗分试验.该仪器有效测试范围为0.2～2 000 μm.为了粒度测试的准确性上机实验时勾选超声波振荡选项操作20 min后开始测量，使实验结果更加准确.

4　粒度实验结果分析

4.1　粒度参数分析

粒度分析结果的处理方法采用 McManus（1988）提出的矩法粒度参数计算公式[16].计算得到的沉积物的平均粒径、分选系数、偏态系数和峰态值随深度变化的曲线与对应深度地层的沉积物的岩性特征、沉积特征、构造特征等详见表1.

表1　MT04孔晚更新世以来综合分析

本孔沉积物主要以砂和粉砂为主，粒径范围为0.8～7.1 Φ，平均粒径为 4.2 Φ，标准差平均值为 1.7，标准差范围为0.4～2.8，分选程度从极好到很差；偏度值平均值为1.7，偏度值范围为-0.5～4.9，粒度曲线从微负偏到极正偏；峰度平均值为6，峰度值范围为1.8～32.5，曲线峰型从很平坦到极尖锐；其中51.2%样品中，砂的含量占主导地位，41.4%样品中粉砂的含量最多，而黏土含量少见，在全段地层占比均低于21.3%.

4.2　粒度频率曲线与概率曲线

本文从176个粒度测试样品中，自下而上选取了26个来自各层位的具有代表性样品的频率曲线和概率曲线组合进行研究和分析.

典型样品 1-4，埋深依次为 82.2，82.4，82.6，82.8 m.4个样品频率曲线均为典型的双峰曲线（见图2a），粒度范围分布较广，为0.5～10.5 Φ，主峰为细砂组分，峰值在2.5～3.5 Φ之间，次峰为细粉砂组分，峰值在7 Φ左右.粒度概率曲线为两跳加一悬式（见图2b），两端斜率不同的跳跃组分，跳跃总体斜率45°～60°左右，占比 40%～60%，分选一般；跳跃次总体斜率 23°～25°左右，分选较差，占比30%～35%；悬浮组分30°左右，占比5%～15%，分选较差.

图2　MT04-1至MT04-4粒度频率曲线与概率曲线

典型样品 5，6，7，埋深依次为 75.8，76.6，79.2m，3 个样品频率曲线均为典型的单峰曲线（见图3a），粒度整体偏细，峰值在5.5 Φ左右波动，沉积物主要为粉砂或黏土.样品5，6，7的粒度概率曲线为两跳加一悬式（见图3b）：滚动组分未发育，一段斜率45°左右跳跃组分，占比30%左右，分选较差；斜率30°～45°左右跳跃组分，占比50%～55%，分选一般；悬浮组分发育较好，斜率在20°～30°左右，占比约 20%～25%，分选较差.

图3　MT04-5至MT04-7粒度频率曲线与概率曲线

典型样品 8，9，10，埋深依次为 64.2，66.6，68.2 m，3个样品频率曲线均为尖锐的单峰曲线（见图4a），沉积物粒度较粗，主要为细砂、中砂，粒度范围在1～2 Φ之间，峰值在1.5 Φ左右.粒度概率曲线为三段式（见图4b），斜率在45°左右的滚动组分，约占30%，分选一般；斜率很高的跳跃组分，跳跃总体斜率70°左右，占比60%～65%，分选极好；几乎未发育的悬浮组分，占比小于5%，分选较差.

典型样品 11-14，埋深依次为 49.8，56.5，59.8，61.5 m，4个样品频率曲线均为典型的带细尾的单峰曲线（见图5a），沉积物多集中在细砂，粒度范围0～3 Φ；尾部夹杂粉砂沉积，粒度范围约为 3～9 Φ.样品11-14的粒度概率曲线为四段式曲线（见图5b），滚动组分未发育或占比小于20%，分选较差；一段斜率为70°～75°左右跳跃组分，占比 40%～45%，分选较好；一段斜率 45°～50°左右的跳跃组分，占比 10%～15%，分选一般；悬浮组分占比10%～20%，分选较差.

图4　MT04-8至MT04-10粒度频率曲线与概率曲线

图5　MT04-11至MT04-14粒度频率曲线与概率曲线

典型样品 15-18，埋深依次为 37.3，39.2，45.2，48.6 m，4个样品频率曲线均为典型的单峰曲线（见图6a），粒度集中在 4～8 Φ，峰值在 6.0 Φ 摆动，整体粒度较细，沉积物主要为粉砂组分.粒度概率曲线为两跳加一悬式（见图6b），跳跃组分次总体斜率较低，约为30°左右，占比20%～25%，分选一般；跳跃组分总体斜率较低，约为45°左右，占比50%～55%，分选一般；悬浮组分主体斜率在45°左右，分选一般，约占总体20%左右.

图6　MT04-15至MT04-18粒度频率曲线与概率曲线

典型样品 19-22，埋深依次为 17.9，22.7，25.1，36.2 m，4个样品频率曲线均为尖锐的单峰曲线（见图7a），沉积物主要峰值在1 Φ左右.沉积物主要为中细砂，水动力较强.粒度概率曲线为高斜两段式（见图7b），滚动组分占 70%～90%，斜率较高，约在 60°～70°左右，分选很好；少量的跳跃组分斜率较低，约在18°～20°左右，分选较差，占比小于5%，悬浮组分几乎未发育.

典型样品 23-26，埋深依次为 4.6，4.8，6.2，6.8 m，4个样品频率曲线均为典型的单峰加细尾的曲线（见图 8a），粒度范围分布较广，为 0.5～10.5 Φ，主峰为细砂组分，峰值在1.5～2.5 Φ之间，悬浮细尾为粉砂组分，范围在4～10.5 Φ.粒度概率曲线为四段式（见图8b），滚动组分未发育或占比10%以下，分选较差；两端斜率不同的跳跃组分，跳跃总体斜率较高，约65°左右，占比30%～45%，分选较好；跳跃次总体斜率45°～50°左右，分选一般，占比20%～35%，悬浮细尾约10%～15%，分选差.

图7　MT04-19至MT04-22粒度频率曲线与概率曲线

图8　MT04-23至MT04-26粒度频率曲线与概率曲线

5　沉积环境分析

5.1　沉积单元分析

本文根据沉积物的沉积特征、沉积构造和沉积层序，结合粒度参数分布规律和粒度频率曲线、概率曲线特征，可将MT04孔晚更新世以来的地层自下而上分为7个沉积单元.

5.1.1沉积单元I

埋深81.0～83.0 m，主要沉积物为粉砂夹部分极细砂沉积，垂向上为多个复合粒序旋回.平均粒径为2.8～5.4 Φ，平均为 4.3 Φ；标准差为 1.7～2.3，分选从较差到差，平均为2.1；偏差平均为0.8，偏差值范围为0.2～1.8，主要为微正偏态；峰态为 1.9～5.7，平均为 3.0，峰型较平缓.岩心样品的粒度频率曲线多为双峰或多峰曲线（见图2a），物源较多，沉积环境复杂.粒度概率曲线多为两跳加一悬式（见图2b），主要发育跳跃组分，跳跃组分分选差，水动力条件复杂，但总体较弱.样品3，4的粒度主峰明显要低于样品1，2，代表粒度整体变细，水动力逐渐减弱.样品3，4和样品1，2相比分选性变差，悬浮组分增加，反映分支河流水动力减弱，洪泛过后，粗颗粒与细颗粒沉积物共存的粒度特征.同时在垂向层序上有向上变细的趋势（见表1），综合该层位的沉积特征和粒度参数特征，判断为河漫亚相中的河漫滩相.

5.1.2沉积单元II

埋深75.2～81.0 m，主要沉积物为粉砂.平均粒径为 3.8～6.2 Φ，平均为 5.5 Φ；标准差为 1.2～2.3，分选从较差到差，平均为1.8；偏差平均为0.4，偏差值范围为-0.3～1.8，主要为负偏态；峰态为 1.9～5.7，平均为2.7，峰型较平缓.岩心样品的粒度频率曲线多为较平缓的单峰正态曲线（见图3a）.证明物源单一，峰值集中在粉砂沉积，整体粒度偏细，代表水动力较弱.岩心样品的粒度概率曲线为两跳加一悬式（见图3b）.与上一沉积单元相比，悬浮组分增加，水动力偏弱.粒度概率曲线与上一层相比，分选性更差，悬浮组分增加，反映沉积环境水动力进一步减弱.且在该沉积单元可见钙质结核沉积（见表1），符合河流泛滥形成的河间洼地在干旱时期水体蒸发量增大，易形成钙质结核等沉积物的沉积特征.

5.1.3沉积单元III

埋深63.6～75.2 m，主要沉积物为灰色中砂、细砂.平均粒径为 1.3～3.4 Φ，平均为 2.1 Φ；标准差为0.4～2.8，分选从较好到差，平均为1.4；偏差平均为2.3，偏差值范围为 0.1～4.9，为正偏态；峰态为 2.1～30.9，平均为13.3，峰型多尖锐.岩心样品的粒度频率曲线为尖锐的单峰曲线（见图4a），水动力环境单一且较强.粒度概率曲线多为三段式（见图4b）.滚动组分发育较好，代表较高能的沉积环境.样品10-8的平均粒径递增，远高于沉积单元Ⅱ，且细尾组分递减，代表水动力逐渐增强.样品10，9，8跳跃组分占比递增，悬浮组分代表沉积水动力环境逐渐趋于高能，垂向层序上该沉积单元为反粒序沉积（见表1），结合该沉积单元的沉积特征，推断为湖相沉积中的滨湖亚相.

5.1.4沉积单元IV

埋深49.2～63.6 m，主要沉积物为黄棕色细砂、极细砂夹中砂颗粒.平均粒径为1.7～5.1 Φ，平均为2.7 Φ；标准差为0.9～2.6，分选从中等到极差，平均为1.7；偏差平均为2.3，偏差值范围为0.2～3.9，全部为正偏态；峰态为2.6～21.0，平均为10.3，峰型多尖锐.岩心样品的粒度频率曲线多为较尖锐的单峰曲线（见图5a），沉积环境较高能，粒度概率曲线多为四段式（见图5b）.样品14，13的粒度明显要低于样品12，11，代表这期间水动力逐渐增强.样品14至11反映出水动力条件由弱到强最后又逐渐减弱的变化，推断河流入湖后水动力逐渐减弱，垂向层序上该沉积单元为多个复合粒序沉积（见表1）.综合该沉积单元的沉积特征和粒度参数特征，判断该沉积单元为冲积扇扇缘.

5.1.5沉积单元V

埋深37.2～49.2 m，主要沉积物为橄榄灰色粉砂.平均粒径为 2.1～6.8 Φ，平均为 5.2 Φ；标准差为1.1～2.5，分选从中等到差，平均为1.8；偏差平均为0.6，偏差值范围为-0.5～2.1，大部分为负偏态；峰态为2.0～11.1，平均为3.3，峰型多平缓.岩心样品的粒度频率曲线多为矮单峰曲线（见图6a），整体粒度较细，水动力较弱.粒度概率曲线多为两跳加一悬式（见图6b）.悬浮组分发育良好，代表水动力环境偏低能.垂向方向上样品的峰度值逐渐增加，代表该沉积单元粒度逐渐变粗，水动力逐渐增强的趋势.垂向方向上样品的悬浮组分逐渐减少，本沉积单元整体粒度较细，黏土组分发育，底部可见泥炭层，综合该沉积单元的沉积特征和粒度参数特征，判断该沉积单元为浅湖相沉积.

5.1.6沉积单元VI

埋深9.6～37.2 m，主要沉积物为灰色中砂、细砂.平均粒径为 0.8～6.1 Φ，平均为 2.3 Φ；标准差为 0.4～2.5，分选从较好到差，平均为1.3；偏差平均为2.2，偏差值范围为-0.1～4.1，大部分为正偏态；峰态为1.8～32.5，平均为12.2，峰型多尖锐.岩心样品的粒度频率曲线多为尖锐的单峰曲线（见图7a），代表高能的沉积环境.粒度概率曲线多为高斜两段式（见图7b）.滚动组分较多，悬浮组分几乎未发育，整体沉积环境偏高能，垂向方向上样品的峰态值逐渐增加，滚动组分占比增加，代表该沉积单元粒度逐渐变粗，水动力逐渐增强的趋势.本沉积单元水动力高能，在垂向层序上为3个复合粒序旋回，且可见粗砂、砾石沉积，综合该沉积单元的沉积特征和粒度参数特征，判断该沉积单元为湖相三角洲沉积.

5.1.7沉积单元VII

埋深0～9.6 m，主要沉积物灰色粉砂和少量细砂互层.平均粒径为 2.5～7.1 Φ，平均为 4.7 Φ；标准差为1.2～2.4，分选从较差到差，平均为 1.8；偏差平均为0.9，偏差值范围为-0.3～2.5，主要为微正偏态；峰态为2.0～8.6，平均为3.9.岩心样品的粒度频率曲线多为单峰加细尾或不明显的双峰曲线（见图8a），物源较多，沉积环境复杂.粒度概率曲线多为四段式（见图8b）.发育滚动组分，水动力较强；跳跃组分分段且斜率不同，代表水动力条件复杂.样品23，24的粗粒组分明显要少于样品25，26，代表粒度整体变细，水动力逐渐减弱.样品23，24和样品25，26相比分选性变差，侧面证明水动力环境逐渐趋于低能.本沉积单元可见海相贝壳碎片和泥炭层，顶部可见交错层理发育，综合该沉积单元的沉积特征和粒度参数特征，判断该沉积单元可能为第四次海侵期间形成的浅海相沉积.当时的气候趋于温暖，海洋生物得以较好地繁殖，因此形成了大量颗粒较细的高含碳量的粉砂质、淤泥质沉积[2].

5.2　沉积演化分析

埋深75.2～83.0 m，沉积单元Ⅰ和沉积单元Ⅱ构成了河漫滩—河漫湖的沉积旋回.反映了研究区于冰期—间冰期转化期间，气候逐渐由寒冷干旱趋暖湿的过程，此时河流水量逐渐增大，河间洼地被填充成小型的河漫湖泊，形成了泛滥平原的沉积旋回.埋深45.5～75.2 m，沉积单元Ⅲ和沉积单元Ⅳ构成了滨湖相—冲积扇相交互沉积旋回，反映了在渤海湾沿岸地区西高东低的构造背景下，燕山东部T3阶地形成[17]，且渤海湾盆地仍处于坳陷期，湖盆受构造控制，加速接受河流的沉积物，在交替演化过程中逐渐被填充.埋深0～45.5 m，沉积单元Ⅴ、沉积单元Ⅵ、沉积单元Ⅶ构成了浅湖相—湖相三角洲—浅海相的沉积旋回，反映了在晚第四纪期间渤海湾盆地继续沉降背景下，研究区湖泊继续接受河流沉积，且间冰期气候逐渐趋于温暖[18]，全球海平面上升，后期遭遇全新世海侵的沉积演化过程[2].

6　结论

MT04孔自晚更新世以来的地层岩性主要为橄榄灰色砂质粉砂、粉细砂、细砂夹棕黄色粉砂质砂、泥质细砂.该孔可以分为7个沉积单元，这些沉积单元构成了3个沉积旋回，自下而上分别为：河漫滩—河漫湖的泛滥平原沉积旋回、滨湖相—冲积扇相的湖与河流相的交互沉积旋回，浅湖相—湖相三角洲—浅海相的沉积旋回.总体上反映了研究区在气候和构造耦合作用下，湖泊逐渐接受河流沉积物并在海侵作用的共同作用下，逐渐被填充的过程.