天津市西青区辛口镇郑庄子C6(C7)钻孔3.5 Ma以来的地层年代及沉积环境演化

张树栋，吴荣泽，樊航宇，周长红

(天津市地质调查研究院，天津 300191)

0 引言

天津地区位于华北平原东北部，地处海河流域下游。除蓟县地区出露基岩外，全部被新生代沉积物所覆盖。巨厚的松散沉积物，记录了多个海进—海退过程的丰富的地质环境变化信息[1-4]。该区晚新生代尤其是第四纪以来的地层年代标尺的建立，以及地层沉积环境演化的分析，主要是依据对钻孔柱状磁性地层(古地磁)，14C测年、OSL测年定年(晚第四纪)，生物地层，岩性地层，海侵层序对比等的研究分析。

天津地区深覆盖区第四系的分层界线可大致划分如下：Qh埋深20 m，Qp3为70～80 m，Qp2为180～210 m，Qp1为400 m[5-9]。受基底构造单元控制和后期差异运动的影响，各分层界线尤其是第四系底板是起伏不平的，沉积物厚度差异显著[10-11]。因此，钻孔的地质分层和地质环境变化的深入分析研究，对于理解区域的地层对比和地质环境变迁至关重要。本次通过研究天津市西青区辛口镇郑庄子C6(C7)钻孔的高分辨率磁性地层测年、14C测年、OSL测年数据，微体古生物，岩性分层数据，划分该孔的地层年代，探讨该孔所在区域晚新生代以来的沉积环境演化。

1 钻孔描述及岩性特征

C6(C7)钻孔位于天津市西青区杨柳青和张家窝镇之间的辛口镇郑庄子村南，地理坐标为E116°58′56″、N39°05′43″，孔口标高3 m，钻孔最大深度为566.27 m。钻孔地处黄河冲积平原北端与渤海湾西岸海积平原西缘和永定河冲积扇交汇的地带，在华北断坳内沧县隆起中大城凸起的北西部，北西与冀中凹陷相邻，南东为黄骅凹陷(图1)。

图1 C6(C7)钻孔位置及构造分区图

野外地质编录主要依据沉积物土层的颜色、粒度、沉积构造、含有机物等特征进行，经过室内综合分析整理全孔566.27 m可归并为20个层段(表1)。

表1 C6(C7)孔岩芯剖面特征

2 样品采集与测试

样品测试主要包括：古地磁分析、孢粉和微古鉴定、14C同位素和光释光测年以及化石鉴定等。分析样品的采集情况如下：

(1)古地磁：严格要求野外取芯工作人员保证岩芯的完整性，岩芯取出后将岩芯剖成两半，在新鲜层面上用实验室提供的2 cm×2 cm×2 cm的无磁立方体塑料盒进行定向古地磁取样。采样点的确切位置视岩芯状况而定，尽量采集钻探过程中无扰动的岩芯。样品采集密度300 m以上按4件/m，300 m以下根据地层情况按1～2件/m采样。砂性土适当减少采样密度，砂砾层不采样。

(2)孢粉分析：采样间隔每层至少一件，对富含有机质的灰、黑等暗色地层和砂层中黏性土夹层加密取样，样品重150～300 g；160 m以上按2件/m，160 m以下按1件/2 m。

(3)微古分析：与孢粉分析样一一对应，为控制地层变化，原则上每层采样一件，首先选采有软体动物化石的层位，其次考虑深色岩段，再次考虑岩性；160 m以上按2件/m，160 m以下按1件/2m。

(4)14C同位素测年：一般采集富含有机质的褐色泥炭层和灰、黑色的淤泥层、淤泥质层和腐殖层的岩芯，或采集蚌壳等有机化石进行同位素测定，样品用塑料袋现场包装。样品的重量：泥炭层不小于1 kg，淤泥质层或腐殖层不小于2 kg，蚌壳尽可能收集更多。

(5)光释光分析：为了测定30万年以来沉积物的绝对年龄，在100 m以上非粗砂层中避光采集样品，样长约15 cm。

钻孔古地磁分析由中国地质科学院水文地质环境地质研究所第四纪试验室完成。本次测试古地磁样品C6孔933块，C7孔212块，共计1146块。钻孔取样深度区间分别为C6孔0—415.1 m和C7孔390 m—566.2 m。首先选取约10%的样品做系统退磁试验，其步骤为：先将样品做天然剩磁测量，然后依次进行10 mt、15 mt、20 mt、25 mt、30 mt以及更高磁场下的退磁及测量。结果表明，对C6孔而言，大约在100 m以上、15 mt的交变退磁磁场下，大多数样品中的次生剩磁就已经被清洗掉。因此，针对C6孔100 m以上的样品，基本采用了15 mt退磁场下的测量数据。100 m—415 m的样品采用了20 mt退磁场下的测量数据。C7孔则采用了20 mt退磁场下的测量数据。在磁极性发生变化的层段，又进行了25 mt的退磁测量，以验证磁极性变化的确切性和相对层位。本次测量仪器为捷克产JR4型旋转磁力仪，退磁仪器为国产的SJT-1000交变退磁仪。

钻孔孢粉分析由中国地质科学院水文地质环境地质研究所第四纪实验室完成；微古分析、光释光分析由河北经济学院完成；14C同位素测年由中国地质调查局海洋地质实验室检测中心完成；化石鉴定由天津地质矿产研究所、环境与水资源研究室完成。

3 测试结果与讨论

3.1 C6(C7)孔极性时段的划分与对比

根据C6(C7)钻孔极性柱，共确定9个正极性段和7个负极性段。在第四系深覆盖区不考虑地层缺失的情况下，将本次研究获得的极性结果与现今被多数学者认可的标准地磁极性年表[7-8]进行对比，结果发现本次获得的数据能够很好地反映孔位地层的主要极性时。

据钻孔所揭示极性时段自下而上可划分为高斯正向极性带(G)、松山反向极性带(M)和布容正向极性带(B)。松山反向极性带与高斯正向极性带的界线出现在C6孔大约324 m处，布容正向极性带与松山反向极性带的界线出现在98.10 m处。在高斯正向极性带(G)中可分辨出马莫斯(Ma)和凯纳反向极性亚带(K)，其埋深分别为531.00 m—540.00 m和442.10 m—466.10 m；在松山反向极性带中可划分出4个正向极性亚带，自下而上分别为留尼汪亚极性亚带(R)、奥尔杜威极性亚带(O)、哈拉米洛极性亚带(J)和后哈拉米洛极性亚带(P)，其埋深分别为297.70 m—308.90 m、264.70 m—283.70 m、142.00 m—165.20 m和110.0 m—120.0 m。在布容正向极性带(B)中还辨别出一个反向极性亚带—布莱克极性亚带(Bl)，其埋深在55.7 m—58.40 m处(图2，表1)。

将C6(C7)钻孔极性柱与天津地区第四系深覆盖区其他地磁极性柱进行对比(图2)。C6(C7)钻孔的B/M界限埋深98.10 m，与同一四级构造单元的武清区梅厂镇的CQJ1孔(106.4 m)较为接近。而位于C6(C7)钻孔南东部大港区小王庄的CQJ4孔(74 m[12])B/M界限明显浅于C6(C7)孔。对比这3个钻孔，进一步证实了大城凸起由南东向北西缓倾斜的构造特征。C6(C7)钻孔B/M界限与位于大城凸起北部四级构造单元武清凹陷内武清区下伍旗镇的WS5孔(176.8 m)相比，差异较大，反映出凸起与凹陷构造单元的地层厚度差异。与三级构造单元黄骅凹陷内四级构造单元北塘凹陷南部海河断裂北侧G2孔(102 m[13])、CQJ3孔(100 m)相比差别不大，这可能是由于断裂活动造成的。与四级构造单元北塘凹陷内汉沽区的HG01孔(130 m)相比，差异较大。C6(C7)钻孔极性柱上的M/G界限(323.90 m)对比其他钻孔的差异性与B/M界限的差异性基本一致，其他的极性界限也大致反映这些特征。这进一步证明天津市深覆盖区的松散沉积层构造单元内、构造单元之间的差异运动特征具有继承性[13]。

图2 C6(C7)钻孔地磁极性柱及区域对比

3.2 C6(C7)孔微体环境分析

C6(C7)孔含较丰富的微体动植物化石，主要有有孔虫、介形虫、轮藻和孢粉。它们对辨别分析所在层位的沉积环境、恢复古地理和古气候景观具有重要的意义。孢粉在110 m以上和529 m—545 m的两个层段含量较丰富，在其他层段含量稀少达不到统计分析所要求的数量级；有孔虫、介形虫和轮藻化石分布在埋深160 m以上的土层中。

3.2.1 孢粉环境分析

据C6(C7)钻孔孢粉图式(图3)，对环境具有指示意义的孢粉富集段如下：

图3 C6(C7)钻孔孢粉图式

(1)埋深4.9 m—1.2 m，孢粉组合特征反映疏林草原植被类型，气候由温凉较湿逐渐变为温凉较干。

(2)埋深14.2 m—4.9 m，出现了现生长在亚热带地区的植物孢子水蕨属。孢粉组合特征反映出阔叶林沼泽草原，气候温暖湿润。

(3)埋深16.8 m—14.2 m，本段孢粉丰富，孢粉组合反映出森林沼泽草原植被景观，气候温和较湿润。

(4)埋深79.5 m—75.9 m，本段草本植物花粉占绝对优势，孢粉组合特征反映疏林草原，气候温和较湿。

(5)埋深98.2 m—79.5 m，孢粉组合特征反映为荒漠草原—草原，气候冷较湿。

(6)埋深103 m—98.2 m，本段孢粉较丰富，草本植物花粉占绝对优势，孢粉组合反映为疏树特征。

(7)埋深543.3 m—529.1 m，本段孢粉较丰富，出现了现今生长在亚热带地区的蕨类孢子水蕨属。此孢粉组合特征反映出阔叶林—针阔混交林植被类型，气候温暖湿润，应属于第三纪沉积。

3.2.2 有孔虫、介形虫、环境分析

根据实验室鉴定结果，C6(C7)钻孔介形虫和轮藻含量稀少且介形虫与有孔虫的复合分异度[H(s)]变化又有较强的相关性(图4)，笔者以有孔虫组合特征为主要依据，辅以介形虫和轮藻的组合与含量特征，总结对地层沉积环境的各组合指示意义如下：

图4 C6(C7)钻孔有孔虫、介形虫分异度曲线

(1)埋深0-3.37 m，仅含5枚有孔虫，有秋田诺宁虫Nonionakitaense，等3个属种，为广盐性属种；介形虫仅2枚；此外还见相似伪河螺和豆螺等陆相软体动物壳。该组合反映受海水微弱影响的冲积平原环境。

(2)埋深3.37 m-7.00 m，含有孔虫1138枚10属14种，以广盐属种为主，凹陷圆形虫Gyroidinadepresse和毕克卷转虫Ammoniabeccarii为优势属种，光滑诺宁虫Nonionglabrum和秋田诺宁虫Nonionakitaense为主要成员。此外还含有一定量生存在深度不大的浅海属种布腊德玫瑰虫Rosalinabradyi。有孔虫的复合分异度不高，自下而上为1.30-1.55，反映该组合已处在滨海环境，可能为高潮坪至潮上带泥坪环境。

(3)埋深7.00 m-8.50 m，有孔虫含量增加到3202枚，分属9属12种，以广盐属种为主，毕克卷转虫Ammoniabeccarii、光滑诺宁虫Nonionglabrum和秋田诺宁虫Nonionakitaense为优势种。有孔虫的复合分异度较高，达1.98-2.11，可能处在靠近海水的中潮坪环境。

(4)埋深8.50 m-15.90 m，有孔虫含量迅速降到961枚，分属12属21种，以广盐性属种为主，毕克卷转虫Ammoniabeccarii、光滑诺宁虫Nonionglabrum为优势种，秋田诺宁虫Nonionakitaense、布腊德玫瑰虫Rosalinabrady和凹陷圆形虫Gyroidinadepresse为其主要成员。所含介形虫的主要属种为丰满陈氏介Tanellaopima、椭圆白泥介Argilloeciaelliptica等，并见软体动物壳蓝蚬。有孔虫的复合分异度不高，在0.69～1.87起伏变化，可能处在滨海沼泽和高潮坪环境。

(5)埋深15.90 m-18.50 m，有孔虫含量很快增加到3694枚，分属6属7种，半咸水属种多变假小九字虫Pseudononionvariablis占2108枚，广盐性属种毕克卷转虫Ammoniabeccarii占1545枚，两者之和占总量的99%以上，具有极高的优势度，但是简单分异度很低。介形虫主要为苏氏小玻璃介Candoniellasuzini。顶部富含白旋螺和扁旋螺。有孔虫复合分异度很低，为0.48～0.89该组合可能处在滨海浅湖环境。

(6)埋深18.50 m-24.60 m，含有孔虫3248枚，分属8属11种，以广盐性属种为主，毕克卷转虫Ammoniabeccarii占1879枚，光滑诺宁虫Nonionglabrum占1047枚，两者之和约占总量的90%，具有很高的优势度。所含介形虫主要为射阳洁面介Albilebrissheyangensis和中华刺面介Spinileberissinensis，并见河湖相角类扁卷螺、小旋螺、白旋螺、拟沼螺和蓝蚬共生。有孔虫的简单分异度较低，复合分异度也不高，由0.46-1.13起伏变化，可能处在滨海高潮坪至潮上带环境。

(7)埋深24.60 m-38.15 m，有孔虫稀少。仅含63枚有孔虫，主要为广盐性的秋田诺宁虫Nonionakitaense和光滑诺宁虫Nonionglabrum两个属种，介形虫仅见一枚；此外在其下部出现较多的河湖相梨形环棱螺、土蜗、凸旋螺、丽蚌、河蓝蚬等。该组合可能处在滨海三角洲平原分流河道-分流间湾与沼泽环境。

(8)埋深38.15 m-43.05 m，有孔虫含量骤增到7870枚，近8000枚，分属11属15种，以广盐性属种为主，毕克卷转虫Ammoniabeccarii和光滑诺宁虫Nonionglabrum具有很高的优势度。所含介形虫主要为射阳洁面介Albilebrissheyangensis、长中华美花介Sinocytheridealonga等。软体动物壳主要见滨海河口相属种长牡蛎和平蛤、闪蚬等。有孔虫的简单分异度明显增高，但复合分异度较低，为0.99-1.28，反映该组合可能处在滨海近岸海湾或河口环境。

(9)埋深43.05 m-47.18 m，有孔虫稀少。仅含5枚有孔虫，主要为广盐性的小希望虫未定种Elphidiellasp、梯斯布利诺宁虫Noniontisburgensis等4属4种。所含介形虫主要为河湖相的纯净小玻璃介Candoniellaalbicans和粗糙土星介Ilyocyprissalebrosa，并见丽蚌。该组合可能处在滨海淡水湖环境。

(10)埋深47.18 m-159.55 m，本组基本不含有孔虫，见河湖相介形虫主要属种有纯净小玻璃介Candoniellaalbicans、奇异小玻璃介Candoniellamirabilis等，共7属11种55枚。含似松轮藻、似光亮轮藻等5个属种的轮藻共9枚，并与河湖相软体动物壳、天津丽蚌共生。该组合处在冲积平原—滨海三角洲平原环境。

4 C6(C7)孔年代地层框架划分

自20世纪80年代以来，随着在岩芯测试中应用新技术、39Ar-40Ar法的高精度测年以及“轨道调频”技术的应用，极性界线的年龄在不断地修正。在我国以刘东生为代表的黄土研究者从气候地层学出发[14-15]，认为第三纪和第四纪分界应与古地磁松山(Matuyama)/高斯(Gauss)极性转换时间相一致，界线年龄距今约2.6 Ma。另外，微玻璃陨石见于黄土与西太平洋海洋沉积物中，分布层位在距今2.5 Ma附近，是一次对地球气候变化、生物演化可能产生重大影响的天文事件的产物[16]。将松山/高斯极性转换面作为第三纪和第四纪界限得到了越来越多学者的认同，笔者拟采用上述方案，以松山/高斯极性转换面为依据，划分C6(C7)钻孔位置的第三纪和第四纪界限，年龄距今约2.6 Ma，对应的岩性基本层序的底界埋深为323.90 m。

笔者在划分C6(C7)钻孔第四系地层过程中考虑了多种因素的影响。早更新统(Qp1)/中更新统(Qp2)的界线以古地磁极性转换面为依据，划在松山/布容界线上，其界线年龄距今约0.79 Ma，对应的岩性基本层序的底界埋深为98.0 m。中更新统/晚更新统，以古地磁布莱克反向极性亚带底界为参考，划在末次间冰期底界，是大洋中氧同位素6/5期界线，其界线年龄距今约0.13 Ma，对应的岩性基本层序的底界埋深为61.59 m。

C6(C7)钻孔晚更新世有两次较大范围海侵事件，第一次发生于晚更新世早期。此次海侵大概发生在末次间冰期的晚期，相当于大洋氧同位素5.0～5.2期，距今约85 ka—70 ka，此次海侵作用较强。以有孔虫组合埋深38.15 m-43.05 m段为标志，相当于区域上的沧州海侵；第二次发生于晚更新世晚期，大概发生在末次冰期的后期，相当于大洋氧同位素2.22～3.12期，距今约39 ka—22 ka。以有孔虫组合埋深18.50 m-24.60 m段为标志，相当于区域上的献县海侵，埋深为18.50 m—24.60 m。

国际上晚更新统/全新统的界线以新仙女木期降温事件的记录为依据，其界线年龄距今约10 ka。C6(C7)钻孔孢粉段1-3的组合特征自下而上呈现出由森林沼泽草原-阔叶林沼泽草原-疏林草原的植被景观的变迁，气候变化为温和较湿润-温暖湿润-温凉较湿逐渐变为温凉较干。与区域上全新世早中晚期的气候变化十分吻合[17-18]。该钻孔16.1 m处取得的光释光样品年龄为13.14 ka B P±1.17 ka B P。综上，参考基本岩性分层特征，以及18.50 m以上有孔虫组合，笔者将C6(C7)钻孔晚更新统/全新统界限的岩性基本层序的底界埋深划在18.50 m处。

C6(C7)钻孔全新世有一次完整的海侵与海退的旋回，大概距今8 ka—5 ka。以有孔虫组合埋深3.37 m—7.00 m段、埋深7.00 m—8.50 m、埋深8.50 m—15.90 m为标志，相当于区域上的黄骅海侵，埋深为3.37 m—15.95 m。

5 C6(C7)孔沉积环境演化分析

C6(C7)钻孔记录了钻孔所在位置及其周边大约3.5 Ma以来的沉积环境的变迁，大致可以分为10个阶段，由下至上陈述如下：

(1)3.0 Ma以前，钻孔岩性段大于540 m，沉积地层是由一套绿灰、橄榄灰色粉细砂与灰绿色亚黏土、亚砂土、局部为暗红棕色亚黏土构成的不等厚互层的滨湖-浅湖相基本层序。

(2)2.6 Ma—3.0 Ma，钻孔岩性段540.0 m—323.9 m，沉积环境发生了较明显的变化，土层中零星所见的蚌壳碎片，说明其仍然处在陆相淡水环境。岩性由巨厚的棕灰、橄榄灰、浅灰色粉细砂与相对较薄的浅红棕色、红棕色、绿灰、灰色黏土、亚黏土和亚砂土组成了曲流河相的基本层序向相对较薄的浅棕灰、橄榄灰色中细砂、粉细砂与较厚的红棕色、绿灰色、橄榄灰色黏土、亚黏土构成二元结构，属洪泛平原相的基本层序转变。该段中孢粉具有第三纪的组合特征，在蕨类植物孢子中出现了水蕨属，说明当时本区处在温暖湿润的亚热带气候环境，河流两岸密布着阔叶-针叶阔叶混交林带。

(3)0.79 Ma—2.6 Ma，钻孔岩性段323.9 m—98.0 m，地层由橄榄色、绿灰、灰棕、黄棕、棕黄色砂与红棕色、灰棕、黄棕、绿灰、橄榄色、黏性土构成，是以厚层黏性土夹薄层砂构成的二元结构为主的洪泛平原相的基本层序。土层中的陆相介形虫和河湖相腹足类、瓣鳃类壳，指示225.9 m厚的沉积地层在其延续约180万年地质年代中，沉积环境由洪泛平原向湖泊至沼泽湿地演变。

(4)0.13 Ma—0.79 Ma，钻孔岩性段98.0 m—61.5 m，中更新世，大约延续了68万年，地层由厚层橄榄、黄棕色砂与薄层橄榄色、黄棕色、亮棕色亚砂土、亚黏土所构成的基本层序相互叠置，该段中部土层中的河沼相介形虫和腹足类、瓣鳃类壳，说明本区在当时处在三角洲平原分流河道与分流间湾的沉积环境之中。

(5)85 ka—0.13 Ma，钻孔岩性段61.5 m—43.0 m，下部岩性为棕黄色粉细砂与黄棕亮棕色黏土、亚黏土构成，砂层约2 m厚，黏性土的厚度大约是砂层的6倍，其中还见破损的淡水螺壳屑；上部由1-1.7 m厚的黄棕色粉砂和淡黄绿色亚砂土和浅橄榄灰、绿灰色黏土、亚黏土构成，含两枚纯净小玻璃介和土星介并见一枚有孔虫。该段为滨海三角洲平原分流河道与分流间湾与沼泽的沉积环境。

(6)70 ka—85 ka，钻孔岩性段43.0 m—38.2 m，岩性由浅灰色粉砂与绿灰、橄榄灰色亚黏土构成。砂层中含丽蚌，黏性土层中，有孔虫含量巨大，毕克卷转虫与光滑诺宁虫的优势度很高，且含贝壳碎片主要为长牡蛎、平蛤和闪蚬，该段应该是区域上沧州海侵波及本区的遗迹。该次海侵延续了近1万5千年，强度较大。

(7)10 ka—70 ka，钻孔岩性段38.2 m—18.5 m。其中，39 ka—70 ka，钻孔岩性段38.2 m—24.6 m，岩性为浅绿黄、黄棕色粉细砂与黄棕色亚砂土、黄棕色、浅灰、浅黄灰色亚黏土不等厚互层，中下部富含河沼相腹足类、瓣鳃类壳和介形虫，仅见零星广盐性有孔虫秋田诺宁虫和光滑诺宁虫，此段为滨海三角洲平原分流河道-分流间湾与沼泽环境；10 ka—39 ka，钻孔岩性段24.6 m—18.5 m，该段富含有孔虫，数量高达3000余枚。其中毕克卷转虫和光滑诺宁虫的含量之和约占总量的90%，具有极高的优势度，少量滨海广盐性和淡水属种的介形虫和滨海潮间带与淡水属种的腹足类和瓣鳃类壳屑与其共生。(根据区域上的资料，本段22 ka—85 ka，岩性段的中下部，应该是区域上献县海侵波及本区的遗迹，总体上该段的沉积环境由滨海三角洲的分流河道、分流间湾向潮上带泥坪或高潮滩再向的滨海湖相的演变)

(8)8 ka—10 ka，钻孔岩性段18.5 m—15.9 m，随着末次冰期的结束和全球气候的变暖，本区也随之进入了全新世的发展阶段。该段为一层绿灰色黏土层，有孔虫含量极高，继承了晚更新世晚期的沉积环境特点，呈现出滨海湖泊的沉积环境特征。

(9)3 ka—8 ka，钻孔岩性段15.9 m—3.7 m，地层为潮汐层理非常发育的灰色、深灰色、浅灰棕色亚黏土、亚砂土组成的非旋回式基本层序。中-下部有机质含量高呈深灰色并富含棕褐、暗褐色泥炭。含有孔虫900余枚；上部呈灰色，有孔虫含量剧增；顶部土层呈浅灰棕色，有孔虫含量下降至不足50枚。其复合分异度也随之发生低-高-低的波动。有孔虫多为海相广盐性和半咸水属种，在中-下部还有少量广盐性海相和陆相介形虫以及轮藻、蓝蚬与有孔虫共生。该段应该是区域上黄骅海侵波及本区的遗迹。总体上这是一套由滨海沼泽或高潮滩进入潮间带再而退至潮上带泥坪的完整的海进-海退的完整旋回。

(10)3 ka至今，钻孔岩性段3.7 m—0.6 m，岩性为黄棕色亚黏土。可见滨海相广盐性有孔虫和介形虫，并与零星河湖相介形虫共生，此外，还见河湖相腹足类壳。这是海水退出本区约3千年以来在受海水微弱影响的洪泛平原沉积环境。本区现今仍然处于这个环境中。