河北平原中部保定西伯章剖面晚第四纪沉积特征及其环境意义

2022-01-08刘智荣薛怀宇王昌盛

地质力学学报 2021年6期

刘智荣薛怀宇王昌盛

1.防灾科技学院河北省地震动力学重点实验室,河北三河 065201;

2.临沂大学资源环境学院,山东临沂 276000

受到北东向和北西向活动断裂影响,河北平原存在一系列北东向展布的小型断陷盆地和构造隆起区,形成复合型断陷盆地(陈望和和倪明云,1987),在盆地内堆积了厚层的第四系沉积物(中国科学院贵阳地球化学研究所平华北平原研究组,1978)。不同构造背景下的第四系沉积物成因类型复杂、厚度变化大、连续性差、沉积相亦不稳定(吴忱,2008)。因此在不同构造单元开展第四系沉积环境研究,对全面了解和认识河北平原沉积古环境变化、地貌演化和气候变化十分必要。河北平原已有研究包括钻孔地层的划分(曹银真,1984;卢海峰等, 2014;张兆祎等, 2015;赵勇等,2018;代鹏等,2019;吴利杰等,2020)、地层与环境 (孙青青, 2014;姚守皓, 2015;杨旭等,2017)、钻孔地层年代学研究(李瑞杰等, 2019)、古气候分析 (广新菊等, 2000; Li et al., 2019)、油气勘探远景(韩春元等, 2017)等,这些研究主要分布在河北平原北部的大兴、固安和白洋淀附近,分别属于廊(坊)固(安)凹陷、霸县凹陷、北京凹陷等区域。而位于河北平原腹地的保定凹陷,晚第四纪地层发育完整,但研究程度较低。同时,河北平原已有研究中地层沉积特征描述大多依靠定性描述,缺乏定量数据资料。粒度是沉积物颗粒最基本的表征之一,其特征与沉积环境密切相关,作为判断沉积物搬运介质、搬运方式、能量大小、沉积作用模式及判别成因类型的重要依据,被广泛应用于各种沉积环境和沉积相的定量分析研究中(赵红梅等, 2019; 李瑞杰等, 2019;马丹贞等, 2019;綦琳等, 2020)。因此文章选取保定凹陷内西伯章露头剖面为研究对象,通过密集采集沉积物粒度样品和光释光测年样品,对沉积物进行定量分析,结合沉积构造、古生物特征和光释光测年结果,探讨该区晚第四纪沉积古环境及其演变规律,以期对全面理解河北平原发展演化提供重要参考意义。

1 地理环境

保定凹陷指的是太行山隆起区以东,徐水凹陷以南,高阳低凸起以西,石家庄凹陷和无极-藁城低凸起以北的广大平原区(图1);在地貌上属河北平原山前倾斜平原区,山前平原以3°～5°的倾角倾向渤海湾,河道和冲积扇发育,河道多为北西向、南东向;晚第四纪沉积物以沙河、滹沱河冲积沉积为主,沉积物粒度自西向东逐渐减小;受东亚季风影响,平原夏季高温多雨,冬季寒冷干燥,四季变化明显(陈望和等, 1985;陈望和和倪明云, 1987;吴忱,2008;韩春元等, 2017)。

2 实测剖面与样品采集

2.1 实测剖面

实测剖面位于河北平原中部保定市南部西伯章(图1),地理坐标38°30′35.36″N, 115°21′51.89″E,为当地人烧砖取土开挖剖面。剖面总厚度20.74 m,主要由细砂、粉砂和黏土组成,根据岩性特征可以分为22层(图2—图4,表1),自下而上依次为:

① 土黄色含铁锈斑点黏土质粉砂(图3a)……………………………………………厚0.45 m;

② 黏土质粉砂,含大量钙质结核(图3b)……………………………………………厚0.55 m;

③ 黄色黏土质粉砂,钙质结核减少,孔洞发育……………………………………………厚1 m;

④ 黄褐色砂质黏土,含大量钙质结核(图3c)………………………………………厚1.95 m;

⑤ 土黄色含钙质结核黏土质粉砂,底部为一钙质结核层(图3d) ………………………厚0.55 m;

⑥ 黄色粉砂质黏土,不含或偶含钙质结核………………………………………………厚0.45 m;

⑦ 深灰色、灰色黏土层,不含钙质结核,含大量腹足类介壳(图3e、3f) ………………厚1.3 m;

⑧ 浅黄色粉砂质黏土,含腹足类化石,个体较第7层小(图3g) …………………………厚1.1 m;

⑨ 黄褐色黏土质粉砂,含少量钙质结核(图3g)………………………………………厚0.53 m;

⑩ 土黄色细砂或粗粉砂,含少量钙质结核(图3h) ……………………………………厚0.55 m;

⑪ 灰白色细砂,发育斜层理,含大量黑云母碎片(图3h、3i) ……………………………厚1.28 m;

⑫ 灰白色细砂,含云母碎片,底部含泥砾(图4a) ……………………………………厚0.91 m;

⑬ 黄褐色中细砂,含锈黄色斑点(图4b、4d)………………………………………厚0.9 m;

⑭ 灰色细砂(图4c) …………………厚0.62 m;

⑮ 灰色粉砂质黏土,含铁锈色圈 ……厚0.99 m;

⑯粉砂质黏土,含较多的钙质结核(图4e)…………………………………………厚0.4 m;

⑰ 粉砂质黏土,孔洞发育,含铁锈斑点(图4f)………………………………………厚2.23 m;

⑱黄色黏土质粉砂,含铁锈斑点(图4g)……………………………………………厚1.8 m;

⑲深灰色、黑色黏土质粉砂、黏土,含较多腹足类化石,与下伏地层界限明显,凹凸不平(图4h)………………………………………厚0.35 m;

⑳ 黄色、土黄色粉砂质黏土,顶部含大量钙质结核(图4i) ………………………………厚1.8 m;

㉑灰色黏土层 …………………………厚0.83 m;

㉒现代土壤层 ……………………………厚0.2 m

a—河北省第四纪地貌图(据陈望和和倪明云, 1987修改);b—研究区构造单元(据韩春元等, 2017修改)图1 研究区位置图Fig.1 Location of the study area(a) Quaternary geomorphologic map of Hebei Province (modified after Chen and Ni, 1987); (b) Structural unit map of the study area(modified after Han et al., 2017)

a—剖面照片;b—实测地层剖面图图2 西伯章地层剖面Fig.2 Stratigraphic section of Xibozhang(a) Photo of the Xibozhang section; (b) Measured stratigraphic section of Xibozhang

2.2 样品采集与测试

除顶层现代土壤外,逐层采集粒度样品,部分层位采集多个样品,共采集52个粒度样品。粒度测试在防灾科技学院释光测年实验室完成,样品前处理流程见马丹贞等(2019)。测试仪器为MalverMasterisizer 3000激光粒度仪,粒径测试范围为0.01～3500μm,每个样品重复测量3次,取平均值。

采集14个光释光测年样品,测年工作在地壳应力研究所地壳动力学国家重点实验室完成。采取4～11um细颗粒组分测试,细颗粒样品的天然时光等效剂量测定采用简单多片再生法(SAR)获得所有样品的等效剂量(王旭龙等, 2005)。样品U、Th、K含量在北京核工业地质研究所用ELEMENT等离子质谱分析仪测定。14个样品的光释光信号都比较强,且信号在前2秒基本衰减到背景值,呈快速衰减特征,为典型的石英信号特征,测得年龄数据可供参考。

3 结果分析

3.1 光释光测试结果

a—第1层黏土质粉砂;b—第2层含大量钙质结核的黏土质粉砂;c—第4层含钙质结核粉砂;d—第5层与第4层分界;e—第7层深灰色黏土层;f—第7层新鲜面;g—第7、8、9层,第8层与第9层间为一明显差异风化面;h—第10层与第11层分界;i—第11层含交错层理细砂层图3 剖面下部岩性照片Fig.3 Photos of the lower part of the section(a) Clayey silt in the layer 1; (b) Clayey silt with lots of calcareous nodules in the layer 2; (c) Silt with calcareous nodules in the layer 4; (d) Boundary between the layer 5 and layer 4; (e) Dark grey clay in the layer 7; (f) The layer 7; (g) The layers 7, 8 and 9; an obvious difference weathering surface between the layer 8 and layer 9; (h) Boundary between the layer 10 and layer 11; (i)Fine sand with cross bedding in the layer 11

a—第11层与第12层分界;b—第13层黄褐色中细砂;c—第14层灰色细砂;d—第13层黄褐色中细砂,富含根系植物;e—第16层粉砂质黏土;f—第17层粉砂质黏土;g—第18层黏土质粉砂;h—第19层黏土质粉砂、黏土;i—第20层粉砂质黏土图4 剖面上部岩性照片Fig.4 Photos of the upper part of the section(a) Boundary between the layer 11 and layer 12; (b) Yellowish-brown medium-fine sand in the layer 13; (c) Gray fine sand in the layer 14; (d) Yellowish-brown medium-fine sand in the layer 13; (e) Silty clay in the layer 16; (f) Silty clay in the layer 17; (g)Clayey silt in the layer 18; (h) Clayey silt and clay in the layer 19; (i) Silty clay in the layer 20

光释光(OSL)年龄结果显示剖面为距今102.17～8.69ka的沉积,属晚更新世晚期至早全新世(表1)。对获得的14个OSL年龄值进行线性内差,获得深度-年龄公式:y=4.4x-3.7(x为深度,m;y为年龄,ka),相关系数R2为0.9365,说明拟合公式与实际值年龄值线性相关度较高,根据公式计算出剖面平均沉积速率为23 cm/ka。

表1 光释光测年结果Table 1 Results of OSL dating

根据深度-年龄公式计算得到西伯章剖面全新世底界深度为3.5 m,位于实测地层剖面的第18层内,其颜色为含铁锈斑点黏土质粉砂;第19层为深灰色、黑色黏土质粉砂、黏土层,富含腹足类介壳化石;颜色及古生物变化显示第18层与第19层之间气候发生了明显的气候变化。相关学者研究认为河北平原全新世底界以富含有机质的灰黑色、黑色黏土和粉砂质沉积为主 (丁嘉贤,1979;仇士华和蔡莲珍, 1992;刘立军等, 2010;王永等, 2015;蔡向民等, 2016; 代鹏等, 2019),考虑年龄测定误差及气候作用的区域一致性特点,认为第18层为晚更新世末次冰盛期晚期沉积,而第19层为全新世间冰期气候转暖条件下的富有机质沉积,其分界即为晚更新世与全新世的界限,位于深度3.18 m处。

3.2 粒度分布组成

根据乌登-温特沃思(Udden-Wentworth)粒级分类标准(Wentworth, 1922),将沉积物根据粒度进行划分,1～4Φ为砂,4～8Φ为粉砂,＞8Φ为黏土。利用谢帕德沉积物三角分类法 (Shepard,1954)对该剖面沉积物进行分类和命名,结果如图5所示。实测剖面沉积物主要为砂质粉砂,其次为粉砂质砂。在所有样品中11_1、11_2、11_3、11_4、12_1和13_1为粉砂质砂,粒度相对较粗。整个剖面岩性组成与现代曲流河河床和河漫滩(Pan et al., 2015;李富强等, 2019)粒度组成类似,砂质粉砂为河漫滩堆积,粉砂质砂为河床沉积。

图5 粒度组分百分比三角图Fig.5 Sand-silt-clay ratios

3.3 频率分布曲线特征

大部分样品的频率分布曲线为明显的双峰(图6a—6c),只有少数为单峰(图6d)。双峰频率分布曲线可以进一步细分为双峰正偏度(图6c),双峰负偏度(图6a),双峰近对称偏度(图6b),和单峰近正态分布(图6d)。正偏度的粒度分布大多在3～5Φ之间,为砂和粗粉砂,反映高能环境。负偏度频率曲线粒度在粉砂区间(5～7Φ),显示相对低能环境。双峰近对称曲线分布区间在3～8Φ,有两个明显的谱峰,一个谱峰在4Φ附近,一个在6.3Φ附近。除样品5_1外的其他样品粒度均集中在3～8Φ,而样品5_1的粒度集中于5.5～8.5Φ,主要是黏土质粉砂,反映相对低能环境。

a—双峰负偏频率曲线;b—双峰近对称频率曲线;c—双峰正偏频率曲线;d—单峰频率曲线图6 粒度频率分布曲线Fig.6 Curves showing the grain size frequency distribution(a) Negative bias bimodal frequency curves; (b) Bimodal near symmetric frequency curves; (c) Positive bias bimodal frequency curves; (d) Single peak frequency curves

3.4 概率累积曲线特征

概率累积曲线可以分为3种类型,分别代表不同沉积环境条件(图7)。从图7a中可以看出无明显的跳跃组分与悬浮组分分界,25%～75%的沉积物颗粒集中4.5～6.5Φ之间,以粉砂为主。图7b—7e的概率曲线均呈明显的“跳跃-悬浮”两段式,跳跃组分和悬浮组分截点不同。图7b中5_1样品悬浮组分与跳跃组分的截点在5.6Φ附近,跳跃组分占比仅为13%～15%,且斜率较低,说明跳跃组分分选差,悬浮组分达85%,总体粒度偏细。图7b—7e中跳跃组分与悬浮组分截点位置大多位于4～4.5Φ之间,但是图7e跳跃组分含量达到75%以上,累积曲线斜率大,说明水动力条件强,图7d跳跃组分含量40%左右,斜率中等,水动力条件中等,图7b、7c的跳跃组分含量低于30%,斜率小,水动力弱。“滚动-跳跃-悬浮”三段式概率累积曲线(图7f)中滚动组分以1～2Φ的中粗砂为主,占比约25%;跳跃组分以细砂为主,占比约45%,斜率小,分选差;悬浮组分以粉砂为主,约占30%,为整个剖面中粒度最粗,水动力条件最强的层。

3.5 C-M图

沉积物粒度C-M图(图8)由3种搬运方式的底负载滚动段(PQ)、递变悬浮段(QR)、均匀悬浮段(RS)三段组成,绝大部分沉积物集中以均匀悬浮为主的RS段,C值集中在130～270 μm,M值集中在14～60 μm。样品11_4位于QR段,12_1位于PQ段。与河流体系C-M图(郑浚茂,1982;李富强等, 2019)对比表明该剖面为曲流河沉积,由于RS段较发育,据此认为沉积区位于曲流河的下游段,水体能量相对较低。

图8 C-M曲线Fig.8 C-M diagram

4 讨论

4.1 沉积相变化特征

平均粒径、频率曲线、概论累积曲线、C-M图、沉积构造和粒度参数等特征显示沉积剖面为平原区曲流河沉积,进一步可细分为河道砂坝沉积和河漫滩沉积(图9)。

河道砂坝沉积:见于剖面的第11～13层,主要由2～4Φ的砂质沉积为主(图9;平均粒径),含大量不稳定的云母碎片,发育斜层理。频率曲线均呈正偏双峰(图6c),峰度尖锐(图9),概率累积曲线为跳跃组分占比较高的两段式(图7e)和粗粒沉积为主的三段式(图7f)。C-M图反映以滚动组分和递变悬浮组分为主。根据弗里德曼分选系数分级标准(Friedman, 1979),该段标准偏差(图9)显示分选中等到分选差。

河漫滩沉积:发育于第1至10层和第14至21层,主要为4～8Φ的粉砂质沉积,频率分布曲线以双峰负偏(图6a)、单峰近对称(图6d)和双峰近对称(图6b)为主。概率累积曲线以 “跳跃-悬浮”两段式(图7b—7d)和无明显跳跃与悬浮划分(图7a)为主。C-M曲线显示以均匀悬浮为主,水流变化不大。此外,河漫滩间接性的暴露于地表,受交替的湿润和干燥的环境条件和浅层地下水的上下运动(吴道祥等, 2009; 徐少康和路华, 2018; Li et al., 2018)影响,土壤淋滤在河漫滩细粒沉积中形成了大量的钙质结核(图3b—3d)。在河漫滩洼地环境水流较弱,保留了大量淡水腹足动物化石(图3e、3f,图4h)。

a—一段式概率累积曲线图;b—e—两段式概率累积曲线图;f—三段式概率累积曲线图7 样品粒度概率累积曲线Fig.7 Probability cumulative curves of different samples(a) One-stage probability cumulative curves; (b-e) Two-stage probability cumulative curves; (f) Three-stage probability cumulative curves

4.2 晚第四纪环境变化特征

粒度不仅可以用于沉积物成因分析,也可以用于古气候方面的研究,一般在温暖湿润气候条件下,河流补给充足,水动力强,沿岸侵蚀加剧,所携带碎屑颗粒粒径较粗;反之在干旱气候条件下,河流补给少,水动力减弱,沉积物颗粒粒径变细(Nádor et al., 2003;彭晓彤等,2004)。而在黄土研究中,平均粒径粗指示气候干冷,反之气候温暖 (Ding et al., 2002; Sun et al., 2006)。将实测地层剖面粒度分析结果与靖远黄土剖面粒度曲线(Sun et al., 2006) 进行对比 (图9),发现二者粒度变化存在一致性特征,基于年代测试结果,将剖面划分为三段:

图9 西伯章剖面粒度特征及其与靖远黄土剖面平均粒径对比Fig.9 Grain size characteristics of the Xibozhang section and its comparison with the loess section of Jingyuan

第一阶段(深20.74～16.14 m),与黄土剖面S1对应(图9),为末次间冰期晚期沉积,中国东部受夏季风影响,气候温暖潮湿,河流水量增大,河水漫过河道为河漫滩环境带来大量的粉砂碎屑,西伯章剖面在该段为河漫滩沉积环境,沉积物以粉砂为主,平均粒径介于5～7Φ,标准差在1.1～1.5之间,分选中等,偏度近于对称-负偏,峰度值较高。

第二阶段(深16.14～3.18 m),与黄土剖面L1对应,为末次冰期沉积,气候干冷。该阶段兼具河道沉积和河漫滩沉积,沉积物以细砂和粉砂为主,粒径分布范围广,可以进一步分为3个亚段。其中16.14～12.86 m为末次冰期早冰阶沉积,为干冷气候条件下的沉积,黄土剖面指示东亚冬季风增强夏季风减弱(图9),河北平原区降水减少,河流补给少,水体能量降低,沉积物以细粉砂和黏土为主,平均粒径5～7Φ,标准差以1.2～1.4为主,分选较差,频率曲线以负偏为主,峰度值高。12.86～8.6 m与黄土剖面显示的末次冰期间冰阶(图9阴影部分)相对应,以粒度较粗的河道沉积为主,说明当时气候转暖,夏季风增强,水流量增加的同时带来一些粗碎屑物质,河水载荷能力增大。8.6～3.18 m为末次冰期盛冰阶沉积,其沉积特点与末次冰期早冰阶类似,气候干冷,降水少,沉积物以细粒的粉砂和黏土为主。

第三阶段(深3.18～0.2 m),与黄土剖面S0对应,显示为冰后期气候转暖气候条件下的沉积,为全新世的开始,其沉积特征与第一阶段类似,较强的夏季风为华北平原带来较多的降水,环境温暖湿润,在该段下部形成一层深色富含有机质和生物介壳的粉砂质黏土层(图4h;丁嘉贤,1979;仇士华和蔡莲珍, 1992;刘立军等, 2010;王永等, 2015;蔡向民等, 2016;代鹏等, 2019)。