天津南部平原区3.6 Ma以来沉积环境演化——以沧县隆起ZKQ1孔为例

鲁庆伟，詹健，韩芳

(天津华北地质勘查局地质研究所，天津 300170)

0 引言

天津市南部平原区沧县隆起属于华北断坳，为三大Ⅲ级构造单元之一(冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷)[1]。地理位置上西为太行山，北为燕山，东邻渤海湾。该区为厚层第四系覆盖区，据钻探揭露约130～250 m[2-4]。

华北断坳是第四系研究的天然理想实验室，前人关于海侵层[5-8]、古气候、地层[9-11]以及贝壳堤[12-14]等做了较多工作。但多集中在第四纪或晚更新世以来地层研究。本次工作基于沧县隆起上400 m的ZKQ1孔，通过其长尺度磁性地层，结合AMS14C、OSL等测年、沉积特征、综合测井等，对该孔3.6 Ma以来的沉积地层进行划分、恢复古环境演化，以期为该区域开展盆地演化、水工环地质勘查以及古地理研究等工作提供帮助。

1 钻孔基本情况及地层特征

1.1 钻孔基本情况

ZKQ1孔位于天津市静海区西长屯村西，地理坐标N 38°50′56.32″、E 116°52′5.72″；地质构造位置属于渤海湾西沧县隆起(图1)。ZKQ1孔口标高2.94 m，孔深400.18 m，钻孔口径110 mm，全孔取芯率达86.35%。

1.2 地层特征

根据ZKQ1孔沉积特征，划分为如下16大层。

(1)0—2.9 m，黄棕色粉砂质黏土。

(2)2.9—10.55 m，上部为灰黑色黏土，3.10 m处获得AMS14C日历年龄为2840 cal BP。中部为厚0.2～1 cm的棕色黏土与厚0.2～0.5 cm的灰色粉砂互层，下部为深灰色粉砂质黏土。含裂缝希望虫、光滑九字虫等有孔虫，以及丰满陈氏介、典型中华美花介等海相介形类和小玻璃介、布氏土星介等非海相介形类。

(3)10.55—13.10 m，浅灰色粉砂质黏土，含纯净小玻璃介、布氏土星介等非海相介形类以及淡水腹足类白小旋螺等。

图1 ZKQ1孔位置图Fig.1 The location map of borehole ZKQ1

(4)13.10—19.85 m，锈棕黄色(黏土质)粉砂，局部夹浅灰色粉砂质黏土，中下部砂质含量较高处含光滑河蓝蛤等较多生物碎片。18.25 m处取获得OSL样品年龄50 ka，应为异地再搬运所致(该层段相当于末次盛冰期沉积)。

(5)19.85—29.10 m，上部为锈棕黄色粉砂质黏土，可见生物潜穴，含毛蚶、光滑河蓝蛤、白小旋螺等生物壳体及碎片。下部为浅灰色-灰黑色黏土质粉砂；含光滑抱环虫、阿卡尼圆形五玦虫、光滑九字虫、裂缝希望虫、清晰希望虫、毕克卷转虫变种等有孔虫；典型中华美花介为主，少许中华洁面介、布氏纯艳花介、陈氏新单角介等海相介形类，以及布氏土星介、柯氏土星介、双折土星介等非海相介形类。27.85 m、28.30 m处分别获得AMS14C日历年龄为26440 cal BP、29460 cal BP。

(6)29.10—39.70 m，下部为浅黄色粉砂，含蓝蛤类生物碎片。上部为锈棕黄色含钙质结核的粉砂质黏土。37.20 m处获得OSL年龄83.5 ka。

(7)39.70—50.30 m，为锈黄棕色粉砂质黏土夹3层浅灰色—灰色粉砂质黏土。局部钙质结核较发育；顶部见生物潜穴，生物扰动强，含布氏土星介和纯净小玻璃介等非海相介形类。

(8)50.30—110.00 m，粉砂质黏土，下部为棕黄色，中部为浅棕灰色，上部为黄棕色；其中66.00～70.20 m、95.30～100.40 m处为浅黄色粉砂，波状层理。夹6处浅灰色-灰色粉砂质黏土。位于第3海侵层位之下68.10 m处获得OSL年龄101.3 ka，明显偏新，应舍弃。

(9)110.00—115.10 m，浅黄色粉砂，夹2处厚约0.5 m棕黄色粉砂质黏土。与下伏地层冲刷侵蚀接触。

(10)115.10—146.20 m，为浅黄棕色含钙质结核发育的潜育化潴育化粉砂质黏土，125 m、135 m处见厚1～2 m的浅灰色粉砂质黏土。

(11)146.20—240.00 m，为8层黄(绿)色粉砂与黄棕色粉砂质黏土不等厚互层。

(12)240.00—325.20 m，灰色粉砂发育层段，含丽蚌；夹6层浅棕黄色粉砂质黏土。

(13)325.20—362.0 m，黄棕色粉砂质黏土，钙质结核雏形发育，潴育化潜育化。局部夹厚约3 m的灰色粉砂。

(14)362.0—381.35 m，黄色粉砂。

(15)381.35—398.00 m，灰色粉砂；局部夹0.3～1.0 m不等黏土质粉砂。

(16)398.00—400.00 m，浅灰绿色黏土质粉砂。钙质结核雏形发育，略固结。

2 样品取样与测试

2.1 AMS14C

在ZKQ1孔取AMS14C样品4件，其测试结果见表1所述。

2.2 光释光(OSL)

在ZKQ1孔取光释光砂质样品3件，其测试结果见表2所述。

2.3 古地磁

(1)取样与实验

在无扰动的岩芯新鲜面上以2个/m的间隔取古地磁手标本样品，去除包裹泥浆，室内将取样加工成2 cm×2 cm×2 cm立方体块状样品，共计323块。测试工作在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成。

对323块样品测量天然剩磁后，分别按80、150、200、250、300、350、400、450、500、525、550、585、610、630、640、650、670、680、690 ℃等各个阶段在TD48全自动热退磁仪中进行系统热退磁。剩磁测量在美国2G ENT ERPRISES公司生产的2G—755超导磁力仪上进行。所有退磁过程和剩磁测量均在零磁空间中进行，测试数据代表性样品的剩磁矢量正交投影图如图2所示。

表1 AMS 14C测年结果Table 1 AMS 14C isotopic ages

表2 光释光测年结果Table 2 OSL-dated ages

图2 ZKQ1孔代表性样品的热退磁正交矢量投影图(●水平分量，○垂直分量)Fig.2 Orthogonal (Zijderveld) vector projection plot of thermal demagnetization of the representative specimens from borehole ZKQ1

(2)测试结果

图3 KQ1孔岩性柱、测年与古地磁极性柱Fig.3 Column and age-dating and paleo-geomagnetism of borehole ZKQ1

对分离出较稳定的ChRM方向用于建立磁性地层序列，ZKQ1孔共有16个极性时，其中，8个正极性时分别为N1(0—62.81 m)、N2(101.73—103.60 m)、N3(130.66—138.46 m)、N4(155.92—163.95 m)、N5(179.82—185.21 m)、N6(200.80—210.81 m)、N7(233.17—307.19 m)、N8(327.77—336.58 m)；8个负极性时分别为R1(64.36—95.21 m)、R2(107.15—122.14 m)、R3(140.05—154.77 m)、R4(165.36—173.76 m)、R5(191.36—197.75m)、R6(224.20—332.75 m)、R7(310.16—327.40 m)、R8(339.54—361.13 m)。

图3为ZKQ1孔岩性柱、测年与古地磁极性柱图。与标准极性柱进行对比，N1对应C1n，为Brunhes正极性时，R1—R2为Matuyama负极性时；N3—N8之间，正极性亚时较多，对应Gauss正极性时；M/B的界线为62.80 m，G/M界线为130.60 m。与同处沧县隆起构造单元的邻孔CGZ5[3]对比，推测该孔底界年龄不早于3.6 Ma。

3 地层划分

ZKQ1孔岩芯10.15 m处获得AMS14C日历年龄为 8910 cal BP，为全新世海侵层基底泥炭层位，属于全新世。赵华等[15]对天津大直沽ZH2钻孔、李凤林等[16]对渤海湾西H1孔、ZH2孔、ZH4孔研究发现存在20—10 ka BP期间的沉积间断。天津市区域地质志[1]，取位于全新世海侵层位下偏氧化环境的沉积地层归为全新统下界。

图4 ZKQ1孔与前期钻孔(ZKT1，CGZ5)测井曲线及沉积环境对比Fig.4 Logging curve and sedimentary environment correlation of borehole ZKQ1, ZKT1 and CGZ5

该区晚更新世地层发育2期海相层[1]。对于第2海侵层，依据有机质14C测年，其时代为MIS 3阶段晚期[6]，而依据OSL测年，其时代可能为MIS 3或MIS 5[7,17-19]；对于第3海侵层，最初报道在此海侵层下见古地磁Blake亚时[20]，依据OSL测年，可能为MIS 5或MIS 7阶段[7,17-19]，而依据地层和气候特征，其时代为MIS 5阶段[11]。

本次在27.85 m、28.30 m处分别获得AMS14C日历年龄为26440 cal BP、29460 cal BP。37.20 m处获得样品2017A097的OSL年龄83.5 ka，属于晚更新世以来的沉积(国际年代地层表(V2018/08)以0.126 Ma作为晚更新世开始的时间)。在没有直接测年技术可以判断上更新统下界的情况下，可以采用深海氧同位素阶段进行地层划分与对比。根据对古季风影响沉积地层水热状况的理解，可取第3海侵层位下偏氧化或指示水体萎缩的岩石地层标志作为上更新统下界。

《中国地层指南及中国地层指南说明书》(全国地层委员会，2001)、《中国区域年代地层(地质年代)表说明书》(全国地层委员会，2002)规定，采用2.58 Ma做第四纪下限年代(古地磁M/G界线)，以0.78 Ma(古地磁B/M界线)为中更新世开始的时间。

综上所述，ZKQ1孔第四系底界位于130.60 m，中更新世、晚更新世及全新世地层底界分别位于62.80 m、50.30 m和13.10 m。

4 沉积环境演化与区域钻孔对比分析

(1)沉积环境演化分析

据综合测井(视电阻率、自然电位等)统计曲线形态、沉积特征等，划分为6个层段(图4)：1段400～362 m、2段362～325.20 m、3段325.20～257.45 m、4段257.45～146.25 m、5段146.25～50 m、6段50～0 m。

1段和3段视电阻率、自然电位等测井曲线表现为锯齿箱状，从岩性地层看，1段自下而上为灰色—浅灰黄绿色粉砂；3段为灰色粉砂发育层段，局部见丽蚌，夹6层浅棕黄色粉砂质黏土，其为湖相沉积环境，且反映出了湖水深浅的周期性变化。

2段和5段视电阻率、自然电位等测井曲线相对平直，锯齿状波动不大，局部夹指状和钟型，岩性以黄棕色粉砂质黏土为主，局部夹黄色(黏土质)粉砂或浅灰色粉砂质黏土。以泛滥平原为主夹湖沼、分支河道沉积环境。

4段视电阻率、自然电位等测井曲线则表现为多个明显的正圣诞树型，岩性为黄(绿)色粉砂与黄棕色粉砂质黏土不等厚互层。为8期曲流河发育层段。

6段视电阻率、自然电位等测井曲线受咸水影响层段，波动不明显。该段为三期海侵和河流交互作用沉积发育层段。其中2.9 m—10.55 m、19.85 m—29.10 m、39.70 m—50.30 m等沉积层段为浅灰色—灰色粉砂质黏土、黏土质粉砂；含裂缝希望虫、光滑九字虫等有孔虫，以及丰满陈氏介、典型中华美花介等海相介形类和小玻璃介、布氏土星介等非海相介形类；为滨海湖沼相沉积。其余沉积层位为(锈)黄棕色粉砂质黏土、黄色(黏土质)粉砂，局部可见冲刷面、河口生物壳体光滑河蓝蛤等；为河流冲积平原沉积。

(2)区域钻孔对比分析

为避免单孔地层沉积环境解译局限性，与该区同处于沧县隆起的钻孔ZKT1孔[4]、CGZ5孔[3]进行对比分析(图4)，发现该区晚上新世(<3.6—2.58 Ma)，早期至晚期沉积环境由湖相三角洲向曲流河演变。早更新世时期，静海区滕庄子至西长屯一带(ZKT1孔、ZKQ1孔)为泛滥平原沉积，其东部的东尚码头一带(CGZ5孔)早期为曲流河，中晚期转为泛滥平原沉积。中更新世该区存在沉积间断[3]，局部残留沉积仅12余米。晚更新世—全新世，钻孔地层表明该区发育三期海侵和四期古河道[21]，为河海交互作用沉积演化时期。

综上，ZKQ1孔400 m—130.60 m，相当于<3.6—2.58 Ma(晚上新世)，沉积环境由泛滥平原—湖相三角洲—曲流河；早更新世(130.60 m—62.80 m)沉积环境以泛滥平原为主，夹湖沼和分支河道；中更新世(62.80 m—50.30 m)沉积间断；晚更新世—全新世(50.30 m—0 m)为三期河海交互演化。

5 结语

(1)基于沧县隆起ZKQ1孔岩芯的沉积特征、综合测井以及测年(AMS14C、OSL、古地磁)等工作，对该孔沉积地层进行了划分：第四系底界位于130.60 m，中更新统位于62.80 m，上更新统位于50.30 m，全新统底界位于13.10 m；钻孔底界年龄不早于3.6 Ma，属于晚上新世。

(2)沧县隆起3.6 Ma以来的沉积环境演化：晚上新世(<3.6—2.58 Ma)沉积环境由泛滥平原—湖相三角洲—曲流河；早更新世以泛滥平原为主，夹湖沼和分支河道；中更新世沉积间断；晚更新世—全新世为三期河海交互作用演化时期。