唐山凸起PZK15 孔浅表第四系沉积物色度特征及沉积环境演化

杨 瑞, 王金贵, 李庆喆, 陈宏强, 卜 令

河北省区域地质调查院, 河北 廊坊 065000

颜色是土壤最直观且容易测量的物理属性之一,它不仅可以反映土壤的矿物组成, 还可以指示沉积物在风化成壤过程中, 沉积环境的变化规律。 土壤颜色的变化, 与土壤中致色矿物的含量息息相关, 比如有机质含量高会使沉积物颜色变暗, 赤铁矿和针铁矿会使沉积物红度、 黄度发生变化。 随着大量研究工作的开展, 色度参数对气候的敏感性响应, 已成为了人们研究气候变迁的替代性指标[1-7]。 在大尺度地理空间中, 伴随纬度及气候带的改变, 土壤色度参数具有一定的规律性变化, 且色度参数与气候因子(年均降水和年均温) 具有良好的函数关系[8-9]。 而在小范围的黄土剖面中, 色度参数也可以反映不同地质时期古气候环境的演化。 例如, 王千锁等[10]对黄土高原中部古土壤剖面进行研究发现, 色度指标变化有较高的频率和幅度, 能更敏感地反映冰期-间冰期旋回气候变化特征。 陈梓炫等[11]基于漫反射光谱和色度分析对土壤中赤铁矿、 针铁矿半定量研究发现, 高热环境中, 针铁矿向赤铁矿转变, 土壤红度值增大, 黄度值减小, 针铁矿次峰值和赤铁矿峰值比值与色度指标b*/a*有良好的相关性。 而季峻峰等[12]认为该比值可作为反映东亚季风干、 湿变化的敏感指标。 比值较高时反映了干燥的土壤环境, 而较低时指示了潮湿的土壤环境。

1 区域地质概况

唐山地区位于燕山南麓倾斜平原, 紧邻华北平原北部, 继中生代隆起之后, 新生代新近纪早期, 该地区地貌仍然为隆起区, 进入到新近纪后期及第四纪时期才开始接受来自燕山及滦河的物质沉积[16-17]。 以丰润南部丰台—野鸡坨断裂为界(见图1), 断裂两侧基底形成了明显的地貌分异, 西侧鸦鸿桥凹陷内新生代地层最厚可达1 000 m, 而东侧唐山凸起新生代地层厚度仅为100～200 m[16]。 因古地貌的高低变化, 也使得断层两侧沉积相存在差异, 处于断裂下降盘的凹陷区以湖相、 三角洲相沉积为主, 处于上升盘的凸起区以洪积扇、 河流相沉积为主。

图1 区域构造地貌图(据文献[16] 修改)Fig.1 Tectonic landform map of the study area

因构造分异形成的容量空间, 使唐山地区成为了燕山及滦河的主要沉积区域, 第四纪以来, 古滦河冲积扇从唐山以西向东逐渐迁移, 早中更新世, 古滦河冲积扇主要发育在沙流河一带, 形成沙流河冲积扇;晚更新世, 古滦河在上游丘庄水库一带发生袭夺, 并在丰润北部出山口形成冲积扇, 即为还乡河冲积扇[18-20], 而PZK15 孔正好位于该冲积扇上。

2 PZK15 孔基本情况与研究方法

2.1 钻孔基本情况

PZK15 钻孔位于河北省唐山市丰润区老庄子镇光新庄子村, 钻孔坐标X: 4 402 115.707 Y: 598 425.363 H: 36.55, 钻孔施工钻机为机械钻, 岩芯管直径108 mm, 单管长100 mm, 钻孔最终深度为80 m, 岩芯总长71.10 m, 综合测井77.8 m。 整孔岩芯采取率＞85%, 满足研究要求。 钻孔岩性主要为黏土、 粉砂质黏土、 黏土质粉砂、 粉砂、 细砂、 中粗砂、 砾石等,照片(见图2)。

图2 唐山地区PZK15 钻孔岩心照片Fig.2 Photograph of borehole PZK15 in the Tangshan area

2.2 测试及研究方法

PZK15 孔共采集色度测试样品115 件(砾石层除外), 将样品在室温环境中自然风干, 在不损坏沉积物颗粒结构的前提下捣碎磨细, 约200 目筛, 取4 g样品用压力机压成圆片, 将圆片放于测试白板上, 在避光室内用提前校准好的Konica-Minolta SPAD-503 色度仪进行测量, 同一样品在不同区域测量3 次, 并记录L*(亮度)、a*(红度)、b*(黄度) 的平均值。

L*、a*、b*是CIELAB 表色系统中对颜色进行描述的常用参量, 它可以定量给出颜色范围, 以减少人眼观察出现的误差, 在地学领域中运用广泛。 其中L*值表示亮度, 数值范围(黑色0) ～ (白色100),指示有机质与碳酸钙的含量差异。a*值表示红度, 显色范围(红色+60) ～ (绿色-60), 该值与致色矿物赤铁矿等, 铁的氧化物含量线型相关, 可指示沉积物氧化程度。b*值为黄度, 显色范围 (黄色+60) ～(蓝色-60), 该值随土壤湿度增加而增大, 指示与季节性降水相关。

野外测井工作使用JGS-3 综合数字测井设备, 利用电位差计的自动补偿原理间接测量电位差, 激电测井使用DZD-6A 多功能直流电法仪, 对本钻孔进行综合测井, 测井设备稳定可靠, 测井井深误差小于0.2%, 保证了解释的准确程度。 本次采用视电阻率(RT) 与自然伽马曲线(SP) 的相互对比, 对钻孔沉积相进行划分。

电阻率测井中, 小颗粒的沉积物缝隙内含有大量低电阻的井液, 而较为密实的大颗粒沉积物电阻较大, 因此, RT 曲线与岩性粒度具有明显的对应关系; 自然伽马测井是沿井身测量地层的伽马射线强度的方法, 地层的自然放射性是由于地层中含有铀、钍、 锕及钾的放射性同位素而引起的, 而泥质物质则易于吸附这类元素, 可见自然伽马主要反映泥与砂砾的比值[24-27]。

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3 结果

3.1 色度测试结果

PZK15 钻孔色度结果按照沉积物岩性大致分为8个组段(见表1), 其中S0为古土壤层, 岩性以黏土为主, 深棕色, 红棕色, 棱块状构造, 质地坚硬, 致密, 发育大量Fe、 Mn 质结核; T0为地表土, 岩性为黏土、 砂质黏土等; 其余T1～T6为过渡层, 岩性包括黏土、 粉砂—粗砂等。

表1 唐山西部PZK15 孔不同组段色度对比Table 1 Contrast of color in different stages of borehole PZK15 in western Tangshan

表1 显示, 亮度值L*在各层均有变化, 整体变化范围47.5～63.5, 均值为56.9, 变化频率16.5%; 其中L*最小值集中于组段T0, 变化范围47.5 ～51.2,均值49.3;L*最大值集中于组段T6, 变化范围59.2～63.0, 均值61.3; 古土壤层S0,L*值变化介于50.4～56.7, 均值54.1, 地表土的L*值较古土壤层S0明显偏低, 而组段T1与古土壤层相近, T2～T6过渡层较S0明显呈现为高值。

钻孔中a*值变化较明显, 整体变化范围3.3 ～11.6, 均值为6.6, 变化频率76.8%; 不同组段a*值也存在较大差异, 地表土T0呈现最高值, 变化范围9.0～11.6, 均值10.0; 古土壤层a*值次之, 变化范围7.4～10.2, 均值8.6; 而T1与古土壤层S0相差不大, 其余T2～T6组段均表现为低值, 最低值为组段T5, 变化介于3.3～6.5, 均值为4.5。

b*值整体变化范围14.3～24.8, 均值19.0, 变化频率29.1%, 且不同组段b*值变化规律较一般, 组段T3 呈现最高值, 古土壤层S0与T3相近, 呈现为次高值, 介于19.2～24.5 之间, 均值21.5, 地表土T0～T2及T4～T6均呈现为低值, 组段T5表现为最低值。

3.2 沉积相划分

整个钻孔岩性由下而上依据沉积物岩性特征、 沉积构造、 测井曲线及色度特征, 可划分为8 个沉积阶段(如图3):

图3 PZK15 孔测井曲线、 色度曲线与沉积相解译图Fig.3 The logging curves and the color index curves and the sedimentary types of PZK15 borehole

沉积阶段Ⅰ: 深度70.5 ～80.0 m, 岩性主要以杂色砂砾石为主, 杂基主要为粗砂级碎屑物, 由石英、长石及岩屑等组成, 黏土胶结; 砾石含量50%～60%,粒径大小不均, 主3～5 cm, 个别10 cm 左右, 次棱角—次圆状。 该阶段沉积物以大颗粒物质为主, 色度样品较少, 仅T6组段中少量样品分布于该沉积阶段,研究意义不大。 RT 曲线呈高幅齿状箱型, 与粗颗粒砾石相对应; SP 曲线可见2 个高幅或极高幅箱型或齿化箱型形, 显示泥质含量整体较高; 该沉积阶段, 沉积过程中能量较大, 物源充足, 沉积物以快速堆积的“泥包砾” 为主, 偶有稳定的细粒物质堆积, 属洪积扇沉积。

沉积阶段Ⅱ: 深度61.1～70.5 m, 岩性以淡棕色、棕色粉砂、 黏土、 黏土质粉砂、 粉砂质黏土为主的细碎屑沉积物, 粉砂中发育水平层理, 黏土呈块状, 含有大量黑色锰质结核和锈黄色铁质结核。 色度特征包括T5、 T6两个组段旋回,L*变化范围57.0 ～63.0,均值59.3;a*值变化3.3～8.0, 均值5.7;b*值变化14.3～22.2, 均值18.5。 RT 曲线为极底幅微齿状, 显示该沉积阶段沉积物主要以细粒物质为主; SP 曲线呈现为高中幅齿型或齿化箱型形, 较之前稍有降低, 曲线向上呈减小趋势, 泥砂比整体较高, 该阶段沉积特征为河漫滩相。

沉积阶段Ⅲ: 深度46.6～61.1 m, 杂色砂砾石层,杂基主要为粗砂级碎屑物, 由石英、 长石及岩屑等组成, 黏土胶结; 砾石含量50%～60%, 粒径大小不均,主要为3 ～5 cm, 个别为10 cm 左右, 次棱角—次圆状。 该沉积阶段为大颗粒沉积物, 未采集色度样品。RT 曲线呈2 个中高幅齿化钟型; SP 曲线整体呈齿化箱型形, 泥质含量整体较高; 沉积物以泥质砾石为主, 携带能量较大, 卸载迅速, 与沉积阶段Ⅰ相似,属洪积扇沉积。

沉积阶段Ⅳ: 深度42.3 ～46.6 m, 下部岩性为棕色细砾, 砾石大小以0.2 ～1 cm 为主, 上部岩性以棕色细砂、 中砂为主, 中砂中偶见砾石, 并发育斜层理。 该沉积阶段色度特征与组段T4对应,L*变化范围55.2～59.2, 均值57.3;a*值变化4.9 ～6.2, 均值5.6;b*值变化4.9～6.2, 均值17.6。 RT 曲线为极底幅微齿状, SP 曲线整体呈齿化箱型形, 砂泥比较高;沉积物水动力较强, 具有一定的搬运能力, 该沉积阶段具河床边滩沉积特征。

沉积阶段Ⅴ: 深度30.45～42.3 m, 岩性以深棕色黏土、 粉砂质黏土、 黏土质粉砂为主, 块状, 无层理。 色度特征, 主要包括了组段T3及古土壤层S0两个旋回,L*平均值分别为58.2、 54.1, 向上呈减小趋势;a*平均值分别为6.8、 8.6, 向上呈增大趋势; 而b*平均值由21.6 到21.5, 向上变化不大。 测井曲线中RT 曲线为极底幅微齿型, SP 曲线整体呈中高幅齿化箱型, 沉积物以黏土为主, 层理发育较弱, 具河漫滩沉积特征。

沉积阶段Ⅵ: 深度29.25 ～30.45 m, 棕色含砾粗砂, 细砾含量10%, 大小2～3 mm, 发育正粒序层理。该阶段沉积厚度较薄, 色度样品仅在T2组段中占较少部分,L*变化范围57.8 ～59.1, 均值58.5;a*值变化4.3 ～4.9, 均值4.6;b*值变化14.6 ～15.1, 均值14.9。 RT 曲线为中高幅钟型, 曲线呈向上减小,粒度变化明显; SP 曲线呈低频齿型, 显示泥质含量较少, 整体具河床滞留沉积特征。

沉积阶段Ⅶ: 深度6.57～29.25 m, 岩性以淡棕色细砂、 中砂、 粗砂为主, 发育平行层理、 斜层理。 色度特征, 主要包括了T2组段及T1中的少部分,L*变化范围53.1～63.5, 均值58.4;a*值变化3.5 ～9.1,均值5.3;b*值变化14.6～23.4, 均值17.3。 RT 曲线呈4 个极高幅高频齿型或齿化箱型和1 个底幅齿化箱型, 沉积物粒度变化较快, 水动力较强, 呈现震荡环境, 具河床边滩沉积特征。

沉积阶段Ⅷ: 深度0 ～6.57 m, 岩性以棕红色黏土、 含粉砂黏土、 黏土质粉砂为主, 块状, 无层理。色度特征, 包含了T2组段及表土层T0,L*平均值分别为54.2、 49.3, 向上呈减小趋势;a*平均值分别为7.7、 10.0, 向上呈增大趋势; 而b*平均值由20.4 到19.8, 向上变化幅度较小。 RT 曲线呈中低幅钟型和微齿型, 向上趋于减小, SP 曲线呈中幅齿化箱型和中低幅齿型, 向上呈增大趋势。 二者均指示沉积物粒径向上变细, 黏土含量增多, 具河漫滩相沉积特征。

4 讨论

4.1 钻孔年代地层对比

PZK15 孔位于丰台—野鸡坨断裂东侧唐山凸起之上, 晚新生代以来, 该凸起受河流及洪泛作用影响,长期处于剥蚀状态, 全新统地层近乎无有。 钻孔浅表岩性以棕黄色、 灰黄色黏土质粉砂、 粉砂、 细砂等为主, 不发育区域上受海侵影响形成灰黑色湖沼相层[21-22], 且岩性固结程度未能与区域上末次盛冰期形成的硬黏土对应[23], 通过查阅2019 年1 ∶5 万丰润幅区域地质调查报告等区域资料, PZK15 孔上部无全新统地层。

PZK15 孔可与唐山市玉田县老庄子镇七王庄村PZK20 孔进行对比(见图4)[16], 高程差约9 m, 且二者均无全新统地层。 PZK15 孔46.40～61.10 m 间的砾石层可与PZK20 孔38.20 ～49.00 m 的砾石层对应,PZK20 孔上更新统下限为36 m, 则可对比得到PZK15上更新统与中更新统的界线约为46 m。

图4 PZK15 钻孔与PZK20 钻孔地层对比图(据文献[16] 修改)Fig.4 Comparison of stratum between PZK15 and PZK20 boreholes

PZK20 孔Brunches 正极性时与Matuyama 负极性时分界深度为71 m, 对应中更新统与早更新统分界,其下部发育一套黑灰色湖相层, 且湖相层上部为一套棕红色黏土层, 含Fe、 Mn 质结核及粒径较大的钙质结核。 PZK15 与其对比孔底部未见湖相地层, 且未见发育钙质结核的黏土层, 则可得到PZK15 底部80 m未到中更新统下限。

4.2 色度参数分析及意义

土壤颜色的变化受多种因素的影响, 其中包括沉积物自身的物质组成、 结构性状, 以及在沉积过程中气温的变迁、 季节风的强弱、 和雨水湿度等因素。 依据前人研究,L*值与土壤中有机质含量具有同步异向的变化趋势[1-3], 即L*值与有机质含量呈高度负相关;a*值受土壤中铁的氧化物产物影响较大[8], 少量赤铁矿就可以使土壤显红色, 伴随a*值的不断增大可指示土壤风化程度在逐渐增强; 而b*值受气温和降雨量的影响较大[2], 伴随沉积环境温度的升高以及雨量充沛时, 黄度会呈现高值。

通过对PZK15 孔色度参数L*、a*、b*进行相关性分析, 如表2 所示,L*受a*变化影响较大, 受b*值影响较小,L*与a*呈明显的负相关, 相关系数r=-0.712;L*与b*呈一般负相关, 相关系数r=-0.257; 而a*与b*呈明显的正相关, 相关系数r=0.689。

表2 色度参数L*、a *、b *之间的相关性分析Table 2 Correlation analysis between chroma parametersL*,a *,b *

依据PZK20 孔在以往的研究中所给出的时代架构, PZK15 孔色度参数所研究的沉积物为中更新统中期到上更新统晚期的产物, 表1 中T6、 T5 组段对应中更新统中期到晚期的色度值变化情况, 其中L*均值变化范围为57.0 ～61.3, 呈增大趋势,a*值7.0 ～4.5,b*值20.1 ～17.0, 同为减小趋势; T3、 T4及S0组段可对应上更新统早期, 即深海氧同位素MIS5 阶段, T4、 T3、S0组 段 中,L*平 均 值 分 别 为57.3、58.2、 54.1,a*平均值分别为5.6、 6.8、 8.6,b*平均值分别为17.6、 21.6、 21.5, 呈高低起伏变化;T2、 T1组段与末次盛冰期相对应, 其中色度参数L*平均值介于58.6～54.2, 呈减小趋势;a*平均值介于5.3～7.7 增大趋势,b*平均值范围17.2 ～20.4, 同为增大趋势。

综合色度参数高低变可得, 该地区中更新统中期到晚期气候由湿暖向干冷变化, 沉积物中有机质含量下降, 化程度在降低。 进入上更新统早期气候有所回暖, 此时呈现出了暖-冷-暖的变迁过程, 而S0古土壤层可能形成于该时期最温暖湿润的阶段。 而进入末次盛冰期时, 气候大幅度降低, 呈现出了干冷向暖湿的变迁过程, T2组段可能与MIS4 阶段相对应, 而T1组段对应MIS3 阶段。 T0组段为地表土, 受现代气候湿度影响, 呈现出有机质含量高, 风化强度大, 土壤较为湿润的特征。

4.3 沉积环境演化

依据色度及沉积相特征, 中更新统早期, 气候较为干冷, 洪泛作用较强, 沉积物由山区被带到平原区及凹陷湖盆内; 中更新统中期, 气候转暖, 该时期洪水退积, 沉积作用以扇上河道为主; 进入中更新统晚期, 气候转变为干冷, 洪泛作用增强; 进入上更新统, 气候不断转暖, 洪水消退, 扇上河流作用增强,因下部泥石流地层堆积较厚, 地表逐渐趋于平缓, 最终形成了较为稳定的曲流河沉积体系。

5 结论

(1) 色度参数对气候变化具有较好的指示作用,其适用范围不仅限于黄土—古土壤剖面, 湖盆沉积等, 而且也同样适用于冲洪积平原沉积。 以PZK15 孔沉积物色度特征为例, 由下而上共划分8 个组段, 分别指示了由中更新统中后期—上更新统末期不同时期气候的冷暖迁移、 土壤风化强弱及沉积环境的干湿变化。 综合所得, 该地区中更新统中后期气候由暖转冷, 上更新统早期对应深海氧同位素MIS5 阶段气温变化为暖-冷-暖, 末次盛冰期时气候由冷转暖。

(2) 除地表土外,L*在古土壤层呈现为最低值,a*与b*在古土壤层呈最高值。 相关性分析显示L*与a*呈显著的负相关关系, 与b*呈一般负相关关系,a*与b*呈高度正相关;L*低值与a*、b*高值组合可指示古土壤层发育, 气候温暖湿润。

(3) 以PZK15 孔为代表的唐山凸起浅表第四系地层, 沉积环境以洪积扇相与曲流河相为主。 受气候环境影响, 钻孔下部发育两次间歇性洪水, 沉积物以泥质含量较高的砂砾石为主, RT 曲线与SP 曲线呈协同趋势, 属洪积扇相沉积; 钻孔上部发育两套河床-边滩-河漫滩沉积, 二元结构完整, 属曲流河相沉积。