河北平原三河S9孔岩心特征及第四纪地层划分研究

石光耀，潘志龙，张 欢，吕可欣，张金龙，张运强，李庆喆，张鹏程

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中国地质大学(北京)，北京 100083；3.河北省区域地质调查院，河北 廊坊 065000；4.河北省地球物理勘查院，河北 廊坊 065000)

0 引 言

第四纪地层在第四纪研究中占有非常重要的地位，第四纪地层划分和对比是研究区域地质、活动构造、古地理环境演变的基础。开展磁性地层学研究，不仅可以推算出地层的形成时代和地层所经历的地质事件的年代，而且在解决地层的划分和地层的远距离对比方面也卓有成效。磁性地层年代学方法已经成为研究地层学问题的有效方法[1-7]。河北平原北部发育第四纪河流冲洪积相沉积，是由多个河流冲洪积扇叠加而形成的，岩性、岩相的横向变化明显，加之新构造运动导致不同地质构造单元自第四纪以来沉积物差异显著，给地层划分和对比带来困难，难以仅仅依据钻孔岩心的岩性组合进行地层划分。

前人在河北平原第四纪地层划分取得了众多成果，王强等[8]和刘立军等[9]引入沉积地层学、生物地层学和气候地层学等方法综合研究河北平原区第四纪地层划分，对河北平原区第四纪地层的划分和对比有一定的参考意义；李龙吟和陈华慧[10-11]引入生物地层学方法，发现其与年代地层格架的关联性；李长安[12]通过结合14C测年等方法，细化了第四纪全新世地层的划分；栾英波等[13]结合化学地层学方法探讨了第四纪古气候的演化。以上研究成果为第四系层序研究奠定了基础，然而目前对河北平原区北部冲积、冲洪积平原第四纪地层精细划分和对比还未建立起来，主要原因是区内第四系钻孔数量有限以及相应的年代学研究比较欠缺。为了建立河北平原区北部广大冲积、冲洪积平原第四纪地层划分、对比标准钻孔，为河北平原区和邻区的地层划分、对比提供参考，项目组在大厂凹陷内开展工作并取得了三河S9钻孔岩心，本文应用AMS14C、光释光、磁性年代学技术，对S9孔第四纪地层开展精细的年代研究和地层划分，从而为河北平原区第四纪区域地层对比、古环境演化研究提供可靠的依据。

1 钻孔地质特征及沉积环境

钻孔S9位于河北省三河市杨庄镇肖庄子村东，北距三河市区5 km，位置坐标为E 117°05′24″、N 39°55′54″，孔口标高12.27 m，孔深251.8 m。在构造上钻孔位于大厂凹陷，控盆断裂夏垫断裂上盘(图1)，大厂凹陷第四纪沉积物主要源于泃河冲积、冲洪积扇。钻探工程采用旋转机械钻机，全孔取心率达90%以上，实际岩心直径可达110 mm。良好的取心率和岩心状况为磁性地层的研究奠定了基础。

图1 研究区构造略图及S9钻孔位置图(①徐水凹陷；②霸县凹陷；③牛驼镇凹陷)Fig.1 Tectonic sketch map of the study area and the location of borehole S9

S9孔岩性包括黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砂砾石，钻孔沉积物较为复杂，钻孔下部有“泥包砾”的泥砾层出现。岩心剖开后可见碳质斑点、潴育化锈斑等，颜色多变，局部夹有钙质结核与腹足类壳体残片，反映沉积环境较为复杂。钻孔自上而下划分为189小层。在用测井曲线判断钻孔地层沉积相的工作中，多种曲线结合与粒度分析反映的层序基本吻合[14]。经对S9测井数据曲线对比，视电阻率和自然伽马曲线分别作镜像曲线后对比，曲线反映的砂泥含量变化基本同步；测井曲线指示的岩性变化深度与野外岩心描述基本一致，二者深度上的个别差异之处，可能是仪器本身的误差造成。按照沉积物的颜色、沉积构造和沉积旋回特点并结合钻孔综合测井曲线，将岩心由下向上归纳为4套组合层(图2和图3)，描述如下。

图2 三河地区S9钻孔岩心照片Fig.2 Photographs of cores from borehole S9 in Sanhe area

图3 S9钻孔岩性柱、自然伽马、电阻率测井曲线及沉积环境解释Fig.3 Lithological column,natural gama and resistivity logging curves as well as sedimentary environment interpretation in borehole S9

(1)145.4～251.8 m。该段沉积物可以分为上下两部分：下部(210.9～251.8 m)，为一套灰红色、棕红色泥质砾石层，局部夹棕红色粉砂、黏土质粉砂。砾石层单层厚度较大，砾石成分主要为花岗岩、石英岩、安山岩、流纹岩、角砾熔结凝灰岩等，磨圆中等偏差，分选差。测井曲线显示该段视电阻率为高电阻段，形态呈箱形、宽幅钟形，并且伽马曲线亦为高值，推测与具有吸附力的黏土物质较多有关，表明该套砾石层被黏土包裹形成“泥包砾”，判断属冲洪积相泥石流沉积。通过观察沉积物粒度变化特征并且结合视电阻率和自然伽马镜像曲线，可识别出3个沉积旋回。上部(145.4～210.9 m)，为一套棕黄色、棕灰色砂砾石层夹棕黄色、棕灰色、灰色粉砂、黏土质粉砂、砂及含砾砂组合，砾石磨圆中等偏差，分选差，为洪积扇沉积。视电阻率呈箱形、宽幅钟形，向上砂级沉积物逐渐增多，砾石厚度减薄，顶部出现青灰色黏土沉积。通过观察沉积物粒度变化特征并且结合视电阻率和自然伽马镜像曲线，可识别出7个沉积旋回，且自下而上每个沉积旋回顶部沉积物粒度逐渐变细，厚度逐渐增加，表明发生多期洪积事件，后期又在扇体上形成局部洼地和河流。

(2)97.5～145.4 m。沉积物为一套棕黄色、棕灰色粗砂、含砾粗砂、中砂、细砂组合，夹少量灰色黏土，总体呈现出砂多泥少的特征，河流二元结构特征不明显，砂分选磨圆较差。电阻率曲线及伽马曲线均呈低幅高频锯齿形，整体表明该段岩性相对单一，以砂为主，为典型的辫状河沉积。该段包含2个沉积旋回，下部沉积旋回具向上变粗特征，由细砂向粗砂、含砾粗砂过渡，具有进积型特点；上部沉积旋回相对较细，沉积物分选性转好，成熟度增加，呈现辫状河系统萎缩并向曲流河过渡特征。

(3)78.3～97.5 m。该段为洪积扇沉积，由砾石层及灰黑色、绿灰色黏土组成，电阻率曲线呈宽幅钟形。该段可识别出3个沉积旋回，单个旋回5～10 m，旋回上部沉积物为一套灰色、深灰色、灰黑色黏土、淤泥质黏土，可见水平层理；下部为砾石层。单个旋回上部为扇前洼地(湖沼)沉积，下部为扇中-扇端沉积。

(4)0～78.3 m。该段整体表现为多个黏土-粉砂-砂旋回，具典型的曲流河二元沉积结构特征。测井曲线以视电阻率曲线呈钟形、伽马曲线呈漏斗形为特点。沉积物为一套灰色、棕灰色、棕黄色杂灰绿色中细砂、粉砂、粉砂质黏土及黏土组合，常发育粒序层理、平行层理及水平层理等沉积构造，砂分选较差、磨圆中等。黏土层内常见钙质结核、锰质结核、绣染及少量炭质斑点等，根据沉积物组合可进一步划分为河床亚相、泛滥平原亚相。该段共发育7个沉积旋回，单个旋回上部均以黏土、粉砂质黏土为主，中部为粉砂、黏土质粉砂，为泛滥平原沉积；下部为细砂、中砂，偶见含砾粗砂，为河床沉积，整体具有曲流河沉积特征。

2 测试方法和结果

2.1 14C和光释光年代

本次工作分别在S9孔埋深6.4 m处取得1件14C样品，岩性为黑灰色有机质黏土；埋深18.2 m、33.4 m处取得2件光释光样品，岩性为粉砂。14C样品测试在北京大学考古文博学院14C加速实验室完成，结果为(32 460±180)a BP(表1)；光释光测年在中国地质调查局青岛海洋地质研究所自然资源部海洋地质实验检测中心完成，结果分别为(86.7±8.7)ka、>94.4 ka(表2)。

表1 S9钻孔14C样品信息及测年数据统计Table 1 Summary of information and 14C dating data for borehole S9

表2 S9钻孔光释光样品信息及测年数据统计Table 2 Summary of information and OSL dating data for borehole S9

2.2 磁性地层年代

古地磁样品的野外现场采集是建立高质量古地磁极性柱的重要前提[15-17]。进行古地磁采样时，对黏土、黏土质粉砂、粉砂质黏土、粉砂、细砂以0.5 m间隔取样，中砂、粗砂以1 m 间隔取样，对于较难获取古地磁标准样品的砂砾层可以不取样。在岩心取出后，按照一致的顶底方向摆放岩心并对方向进行标定，刮去表面泥浆，在钻探现场将S9孔岩心从中间对半劈开，然后进行古地磁样品采取。标定顶底方向，粉砂、粉细砂、中砂、粗砂等松散样品采用2 cm×2 cm×2 cm的无磁立方塑料盒采集，黏土、粉砂质黏土类样品在标定方向后加工成2 cm×2 cm×2 cm立方体，砾石层不取样。

古地磁测试在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成。由于钻孔中粗碎屑沉积较多，为获得更好的实验测试效果，分别就粗碎屑沉积物和细碎屑沉积物采用不同的测试手段。其中粉砂、粉细砂、中砂、粗砂等松散样品，采用交变退磁处理，步长5～10 mT，最大交变退磁场为70 mT。剩磁在美制2G-760R低温超导磁力仪上进行测量。黏土、粉砂质黏土类样品采用交变、热退混合退磁方法完成。首先使用TD-48热退磁炉进行热退磁，从室温退至120 ℃；然后进行交变退磁处理，步长5～10 mT，最大交变退磁场为70 mT；最后再使用TD-48热退磁炉进行热退磁，自200 ℃退至690 ℃，温度间隔10～50 ℃，个别顽磁样品退至700 ℃。剩磁在美制2G-760R低温超导磁力仪上进行测量。热退磁样品剩磁强度衰减曲线显示多数在250 ℃以下退掉黏滞剩磁，300～690 ℃分离出稳定的特征剩磁；这表明磁铁矿和赤铁矿为主要的携磁矿物。

S9孔共采集古地磁样品212件，其中交变退磁样品80件，混合退磁样品132件，基本满足测试要求。采用PaleoMag软件分析法并过原点线性拟合得到特征剩磁方向，选择的退磁步骤至少为4个连续的温度点，对于最大角偏差大于15°的样品予以剔除，其中196件样品(93%)分离出较好的特征剩磁(图4)。

图4 三河地区S9钻孔代表样品混合退磁和交变退磁正交矢量投影图Fig.4 Orthogonal vector plots showing the results of mixed and thermal demagnetization for samples from borehole S9 at Sanhe(圆形和正方形分别代表垂直和水平投影；图中数字表示退磁温度和交变磁场强度；NRM为天然剩磁)

在此基础上，编制钻孔剖面的磁极性序列，并将其与国际地磁极性年[18]进行对比，如图5所示，S9孔古地磁极性时转换界线与标准极性柱有很好的可比性，S9孔磁性地层共有5个极性带，其中3个正极性带，分别为N1(0～145.3 m)、N2(168.2～197.6 m)和N3(212.6～251.8 m)；2个负极性带，分别为R1(145.3～168.2 m)、R2(137.6～212.6 m)。N1对应Brunches正极性时，N3对应Gauss正极性时，R1、R2均对应Matuyama负极性时。S9孔N3与N1之间沉积物厚度约为67 m，N2期内沉积物厚度约为23 m，如此厚的地层并非Jaramillo(0.99～1.07 Ma)极性亚时所能沉积，所以S9孔N2应对应Olduvai(1.77～1.95 Ma)正极性亚时。目前国内外关于第四纪下限及第四纪内部划分问题争议颇多，目前较为一致的划分方案是：第四纪下限即早更新世底界为2.58 Ma，即松山反极性时与高斯正极性时的界限；中更新世底界为0.78 Ma，即布容正极性时与松山反极性时的界限；晚更新世底界为0.13 Ma，全新世从0.01 Ma开始。

图5 S9钻孔钻磁性地层与标准极性柱对比Fig.5 Comparison diagram of magnetostratigraphy for borehole S9 with polarity zones

3 讨 论

以磁性地层为主导，以岩性地层特征和14C、光释光测年数据为辅对S9孔岩性地层进行初步划分。

3.1 全新世底界的确定

基于北方沿海末次冰消期以来气候转暖，随着海平面上升，陆域地下水水位亦上升，淡水湿地开始发育的特点，对于没有泥炭发育或是没有测年的地层剖面，则选择偏氧化层段中开始积水、出现贫营养湖沉积的层位作为全新世的开始[19]。根据S9孔周边14C测年数据发现，河北三河及天津蓟州区西部地区全新世沉积普遍较薄，最薄处(蓟州区二郎庄村)(图1)仅为1 m厚。全新世沉积物为棕黄色黏土质粉砂，界线位置发育一套浅棕红色含螺化石黏土层，14C年龄为(11 970±40)a BP，界线下部沉积物为浅灰黄色粉砂，可见大量钙质结核。除去河道发育位置，全新世沉积最厚处(蓟州区头营村)约4.5 m(图1)，界线上部为一套棕黄色黏土质粉砂夹灰黑色泥炭层，14C年龄为(9 369±40)a BP[20]；界线下部为浅灰黄色粉砂，略显板结，多见青灰色薄层黏土，而该地区所见青灰色黏土14C年龄均大于1.5万a。S9钻孔4.5～6.9 m沉积物为一套浅灰色、青灰色粉砂质黏土、黏土组合，为明显的含有机质层位，在6.4 m处炭质纹层中获取的14C年龄为(32 460±180)a BP(表1)，大致相当于深海氧同位素MISS3阶段，表明该套含有机质层位并非全新世沉积。其上为一套棕黄色、灰黄色黏土质粉砂夹薄层粉砂质黏土，结合河北黄骅和天津地区研究认识[21-24]，该套含有机质层上部应存在一套末次盛冰期末的硬黏土层。然而S9孔并不存在该套硬黏土层，并且钻孔中也不存在代表全新世开始的含有机质层位。

综上所述，根据岩心组合特征并结合测年结果，认为在钻孔S9位置处无全新世沉积物。

3.2 上更新统底界的确定

华北平原及渤海湾地区研究成果[25-26]表明，晚更新世以来全球气候变化明显，在全球气候背景下，深海氧同位素曲线所反映的气候变化会在区域地层中有一定的响应。根据区域资料，渤海湾沿岸晚更新世第一次海侵发生于晚更新世早期，时间为110～70 ka BP，即相当于深海氧同位素MISS5以来的沉积[21-22]，其开始年代大致相当于古地磁Blake亚时[23]，即晚更新世的大致开始时限。海侵的发生与孢粉学确定的暖期气候基本相当[24-25]。此时期后沉积地层的特征之一为发育潴育化潜育化“杂色”黏土，或地层中含钙质结核[26-28]。

S9孔岩心中4.50～6.85 m为一套棕灰色、灰绿色黏土质粉砂，夹炭质纹层，在6.4 m处碳质纹层中获取的14C年龄为(32 460±180)a BP(表1)，表明该套暗色沉积大致相当于深海氧同位素MISS3阶段(25～45 ka BP)，为气候相对温暖时期的沉积；其下部6.85～17.35 m为一套棕黄色、浅灰红色、红棕色杂棕褐色、灰绿色黏土、粉砂质黏土沉积。该套沉积普遍发育大量钙质结核及锈斑，表明该阶段气候相对较冷，大致对应于MISS4阶段(45～75 ka BP)；17.35～24.05 m为一套以棕黄色、浅灰绿色、灰色细砂、砾质粗砂为主的河道沉积，该套组合在钻孔周边剖面中较为常见，可作为区域性洪泛事件的指示，表明该阶段气候相对较为温暖，可以与深海氧同位素MISS5阶段(75～130 ka BP)对比。在埋深18.2 m、33.4 m处取得2件光释光样品(表2)，测年结果分别为(86.7±8.7)ka、>94.4 ka，据此，可以将晚更新统底界厘定为该套河道沉积的底界，即24.05 m。

3.3 中更新统底界的确定

中更新统底界可以参考古地磁数据的B/M界线。根据S9古地磁数据，B/M界线位于145.3 m附近，恰好为S9孔岩心上一个重要的岩性界面，界线上下的沉积物和沉积组合具有明显的差别。S9钻孔145.4 m以上为一套辫状河沉积体系，而145.4 m以下为一套泥石流沉积与湖沼沉积组合，接触面下部见红棕色黏土，见氧化层及钙化层，属于暴露环境下的氧化沉积；因此，可以将中更新统底界放在145.4 m。

3.4 第四系底界的确定

第四系底界可以参考古地磁数据的M/G界线。根据S9古地磁数据，M/G界线位于212.6 m。结合岩心特征，S9孔埋深214.0～251.8 m为杂色泥质砾石层，俗称“泥包砾”，可以作为揭穿第四系的标志；210.9～214.0 m沉积物为一套棕红色黏土夹粉砂，弱固结，界线上下的沉积物和沉积组合具有明显的差别，因此可以将早更新统底界放在210.9 m。古地磁界线与岩性界线并不完全一致，出现了穿时现象，这是由于地层的岩性、磁性、电性等多种属性的不同造成的[13]。通过与河北固安G01孔以及邻区北京平原新5孔进行对比(图6)，固安G01孔在构造上属于廊固凹陷[29]，第四纪沉积物主要源于永定河冲积、冲洪积扇[30]，第四系底界183.7 m；北京新5孔[31-32]位于北京凹陷东部、大兴凸起西侧，在地貌上位于永定河晚更新世冲洪积台地，第四系底界246.8 m。S9孔与固安G01孔、北京新5孔的沉积物组成具有一定的相似性，三个钻孔在第四系以下均有一层厚20～80 m的泥砾、砂砾层，在横向上具有对比性，可作为河北平原广大冲积、冲洪积平原的一个标志层[31]，对第四系底界面的确定起到参考作用。

图6 S9孔与北京新5孔、固安G01孔地磁极性时间对比Fig.6 Geomagnetic polarity timescale comparison for boreholes S9,Beijing Xin 5,and Gu’an G01

综合磁性地层研究和岩石地层分析，并结合14C、光释光测年数据，最终建立了研究区第四纪地层年代格架。S9孔下更新统、中更新统和上更新统的底界埋深分别为210.9 m、145.4 m、24.05 m。S9孔具有较薄的早更新世沉积，导致这种特征的原因可能有两种：第一种情况是早更新世时期，S9钻孔所处位置位于相对隆起部位，主要物源均向大厂凹陷中心汇聚；第二种可能是早更新世早期，S9钻孔所处位置接收了大量沉积，但到了早更新世晚期发生了显著的区域性或局部性的抬升，导致早更新世早期的沉积物大部分被剥蚀，中更新世又转为沉降，继续接收正常沉积。结合钻孔特征，笔者认为是第一种。S9钻孔早更新世沉积物为一套棕黄色、棕灰色砂砾石层夹棕黄色、棕灰色、灰色粉砂、黏土质粉砂、砂及含砾砂组合，属洪积扇沉积，代表一种坡降比较大的沉积环境，表明此处古地理环境靠近山前或处于平原和山区过渡部位。因此，S9孔早更新世沉积厚度较薄极有可能是因为沉积扇上部存在过路作用，导致沉积间断[14,33]。

4 结 论

(1)S9孔岩性包括黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砂砾石，沉积物较为复杂，钻孔下部有“泥包砾”的泥砾层出现。岩心剖开后可见炭质斑点、潴育化锈斑等，颜色多变，局部夹有钙质结核与腹足类壳体残片。

(2)S9孔岩心由下向上归纳为4套组合层。145.4～251.8 m：该段沉积物可以分为上下两部分，下部(210.9～251.8 m)为一套灰红色、棕红色泥质砾石层，局部夹棕红色粉砂、黏土质粉砂组合，属冲洪积相泥石流沉积；上部(145.4～210.9 m)为一套棕黄色、棕灰色砂砾石层夹棕黄色、棕灰色、灰色粉砂、黏土质粉砂、砂及含砾砂组合，为洪积扇沉积。97.5～145.4 m：沉积物为一套棕黄色、棕灰色粗砂、含砾粗砂、中砂、细砂组合，夹少量灰色黏土，总体呈现出砂多泥少的特征，为典型的辫状河沉积。78.3～97.5 m：由砾石层及灰黑色、绿灰色黏土组成，该段为洪积扇沉积。0～78.3m：该段整体表现为多个黏土-粉砂-砂旋回，具典型的曲流河二元沉积结构特征。

(3)通过S9孔的磁性地层，结合光释光和14C测年结果，建立了该钻孔的第四纪地层格架。S9孔早更新世底界为210.9 m，中更新世底界为145.4 m，晚更新世底界为24.05 m，无全新世地层，早更新世时期内在168.2～197.6 mm处识别出了Olduvai正极性亚时。

致谢：感谢天津市地质调查研究院王家兵教授级高级工程师在野外工作中给予的帮助；感谢北京大学考古文博学院潘岩老师在14C实验中提供的帮助；感谢青岛海洋地质研究所张剑老师在光释光实验中提供的帮助；感谢中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室邓成龙研究员、沈中山博士在古地磁实验中提供的帮助。