鲁西汶东凹陷Qk203钻孔黏土矿物特征及其古环境

刘伟,阎海青,孙天河,靳立杰*,周永刚,于松,杨帆,江振国

(1．山东省第一地质矿产勘查院,山东 济南 250100;2．山东省富铁矿勘查技术开发工程实验室,山东 济南 250100;3．中国冶金地质总局山东局集团测试有限公司,山东 济南 250100)

0 引言

近年来,以黏土矿物为手段来恢复古气候的方法受到世界各国学者的普遍关注,并被运用于从土壤风化产物、冰川作用、风力沉积、河流沉积、湖泊沉积到海洋沉积物,从寒武纪到第四纪广泛时空分布的气候重建研究[1-2]。

黏土矿物是在一定的地质环境和气候条件下形成的,产生并广泛分布于地表,存在于各种类型的沉积物中,其形成和转化与气候,特别是温度和湿度有十分密切的关系[3]。不同的黏土矿物含量、组合、特征参数、形态代表着不同的古气候环境,利用黏土矿物的这些特征,对其进行分析对比,可以对该区域古气候环境进行分析研究[4-5]。

山东省地处北温带,保留了大量蕴含古气候信息的第四纪沉积物,在研究我国季风演化规律与古气候环境变化中占有重要的地位[6]。前人对山东地区的古气候环境信息做了大量的研究[7-14],成果多集中在山东半岛和鲁北平原地区,而利用黏土矿物学手段系统地开展鲁西地区中新生代断陷盆地古气候的研究比较薄弱。

本文依托1∶5万大汶口、楼德幅区域地质调查项目,采用AMS14C测年和半定性定量的方法对汶东凹陷钻孔Qk203沉积物中黏土矿物组合及含量变化进行详细分析,揭示该地区第四纪沉积物晚更新世以来黏土矿物特征及其所记录的古气候演变历史,为鲁西地区的古环境、古气候恢复提供基础资料。

1 研究区概况

汶东凹陷地处鲁西隆起区鲁中隆起的北部,泰山山脉的南麓,是一个典型的断陷盆地[15]。凹陷北部以徂徕山断裂为界与新甫山凸起相接,凹陷南部古近纪地层上翘,超覆在蒙山凸起之上,整体呈北断南超的箕状构造格局。西以磁窑断裂为界,与大汶口凹陷相连,东以羊流断裂为界,与蒙阴凹陷相接,凹陷被中部NW 315°走向的蒙山断裂划分为东、西两部分(图1)。受构造影响,凹陷呈南北短、东西长、西宽东窄的瓢状展布。凹陷的基底为古生界石炭-二叠系沉积地层;出露地层主要为古近系官庄群,新近系黄骅群及第四系大站组、临沂组。研究区年平均气温13℃,年平均降水量697mm,主要集中于6—9月,属温带大陆性半湿润季风气候。

1—第四纪地层;2—寒武纪—奥陶纪地层;3—二级断裂;4—三级断裂;5—不整合接触;6—钻孔位置及编号。图1 汶东凹陷构造位置简图(据高明波[16]修改)

2 材料与方法

2.1 钻孔基本情况

本文所研究的Qk203钻孔位于汶东凹陷的西缘,钻孔坐标为X:514947.01,Y:3979049.17,H:106.40,孔深37.70m,岩心直径为110mm,全孔取心率100%。Qk203孔位于柴汶河东岸,周围未见基岩出露,为第四系松散沉积物覆盖,主要为临沂组、平原组。

2.2 样品采集与测试

在Qk203孔埋深22.40m和31m处采集14C样品2件(编号Qk203-C1和Qk203-C2),Qk203-C1岩性为棕色块状黏土,Qk203-C2岩性为深灰色块状黏土。14C年代学由北京大学加速器质谱实验室与第四纪年代测定实验室测试。校正年龄系以CALIB7.0.4软件计算所得,采用INTCAL13校正曲线,该曲线可对0～46400cal. a BP范围内的年龄进行校正,其中0～12500cal. a BP基于树轮校正,超过12500cal. a BP者以海洋珊瑚与纹泥数据进行校正。

本文对Qk203孔整个岩心柱的黏土矿物分析,去除表层土后在深度0.70m处采集第一个样品,之后以大约1m间隔取样,共采集29件典型黏土样品进行X射线衍射分析。将样品置于室温条件下自然风干;取适量样品置于玛瑙研钵中研磨,研磨至无颗粒感;取一定量的样品粉末,用刮片法制成测试片。

粉晶X射线衍射分析(XRD)在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室的X射线粉晶衍射实验室中完成。采用的仪器为日本理学Dmax-ⅢA型X射线衍射仪,入射光源为CuKα辐射,Ni片滤波,X光管工作电压为35kV,电流为30mA;光阑系统为DS=SS=1°,RS=0.3mm。连续扫描,速度为4°/min,扫描范围为3°～65°。

沉积物中黏土矿物的鉴定主要根据其在XRD图谱中不同的特征峰值来判别。黏土矿物相对质量分数计算方法的基本原理为衍射强度越大,对应的矿物质量分数越高[17]。各黏土矿物组分的相对百分含量选取自然干燥片(NG),运用Kahle[18]提出的“100%归一化法”计算获得。

3 分析结果

3.1 岩石地层划分

Qk203孔揭露岩性主要为黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂、含黏土粉砂,少量砂砾石夹层,野外编录分成132个自然层位,通过对沉积物的岩性、颜色、沉积组合和沉积相分析,将其分为11大岩性段(图2),自上而下分别为:

1—黏土;2—含粉砂黏土;3—黏土质粉砂;4—粉砂;5—钙质结核;6—砾石。图2 钻孔Qk203岩性柱状图、黏土矿物相对含量变化特征与深海氧同位素数据[19]对比图

(1)0～0.60m:人工回填土层。

(2)0.60～2.15m:沉积物以含砾石的粉砂和黏土交替发育为特征,表现为下粗上细的河流沉积正韵律,具有曲流河的二元结构。下部岩性主要为棕黄色黏土质粉砂和粉砂质黏土,向上逐渐过渡为黄棕色、深黄棕色含砂黏土,层内砾石发育,成分以长英质为主,多为次棱角状,大小2～7mm,个别可达15mm。该层为典型的河流相沉积。

(3)2.15～8.36m:该层沉积物整体以黏土为特征,上部2.15～6.30m主要表现为黄棕色含钙质结核黏土夹绿灰色、浅绿色黏土条带、斑块,钙质结核局部富集呈条带状,宽2～4cm,绿灰色、浅绿色黏土条带和斑块代表了局部的还原环境,上部岩心局部黑色炭质斑点杂乱分布,大小多在1mm左右。中部6.36～6.44m为一砾石层,砾石次棱角状—次圆状;下部6.44～8.36m主要表现为黄棕色、棕黄色与绿灰色黏土相间发育的特征,钙质结核含量明显降低,局部黑色炭质斑点杂乱分布。该段自下而上分别为河漫滩相—边滩相—河漫滩相沉积。

(4)8.36～11.50m:岩性主要为棕黄色、黄棕色夹绿灰色粉砂、含黏土粉砂、粉砂质黏土、黏土,偶见钙质结核和黑色炭质斑点,自下而上表现出5个下粗上细的沉积韵律组合,为河漫滩相沉积。

(5)11.50～15.35m:岩性主要为棕黄色、黄棕色黏土与绿灰色、灰色黏土互层,整体质地均匀,偶见钙质结核和黑色炭质斑点发育;该层为河漫湖泊沉积。

(6)15.35～17.00m:岩性主要为绿灰色、浅棕色、黄棕色含黏土粉砂、粉砂夹薄层黏土,底部偶见黑色炭质斑点,大小多在2mm以内;该层为天然堤沉积。

(7)17.00～18.70m:岩性为棕黄色黏土夹灰色粉砂、含黏土粉砂,偶见黑色炭质细点发育,整体沉积物粒度较细,质地均匀,表现为河漫滩相沉积。

(8)18.70～23.78m:岩性主要为棕黄色、灰色黏土质粉砂、粉砂与黏土互层,沉积物粒度整体较细,自下而上表现出4个粉砂—黏土下粗上细的沉积韵律组合,为河漫滩沉积。

(9)23.78～30.20m:岩性主要为黏土,致密块状,质地均匀,颜色自下而上由深灰色、蓝灰色、绿灰色逐渐变为黄棕色、浅黄棕色、灰色,代表了由还原向氧化沉积环境的转变;25.30～25.70m、27.24～27.71m和29.00～29.20m处夹有3层粉砂,该层为河漫湖泊沉积。

(10)30.20～33.00m:岩性主要为极深灰色、蓝灰色、橄榄棕色黏土质粉砂夹多层黏土,整体代表了还原环境;在39.95m处见一厚5cm棕黄色含钙质结核黏土,偶见炭质斑点发育;该层为湖相沉积。

(11)33.00～37.70m:灰色、极深灰色泥岩,湖相沉积。根据刘旭锋等[20]研究成果,该层为湖相沉积。

3.2 AMS14C测年

钻孔Qk203 AMS14C测年样品均为灰色黏土,有机质含量较高,分析结果显示(表1):Qk203孔埋深22.40m、31.20m处年龄分别为19850cal. a BP和30937cal. a BP,时代均为晚更新世。2.15m深度处开始出现黄棕色钙质结核黏土夹绿灰色、浅绿色黏土,与上覆含砾粉砂出现较明显的相变,根据AMS14C测年结果和岩性组合特征,并与山东南四湖周边地区[21]和鲁北平原南部[22]第四纪岩石地层对比分析,将Qk203孔0～2.15m划分为临沂组,2.15～33.00m划分为平原组。

表1 钻孔Qk203 14C测年数据一览表

3.3 黏土矿物特征

钻孔Qk203代表性样品粉晶X射线衍射图谱显示(图3),汶东凹陷内沉积物矿物组成主要有石英(4.25Å、3.33Å)、方解石(3.02Å)、长石(3.24Å、3.19Å)、白云石(2.88Å)以及黏土矿物等,不同层位各矿物含量有所差别。黏土矿物主要为蒙脱石、高岭石和伊利石,占整个钻孔样品的43%。粉晶X射线衍射图谱中普遍显示稳定的3.33Å、5.0Å、10.0Å特征衍射峰,说明样品普遍含有伊利石;粉晶X射线衍射图谱中普遍存在7.16Å与3.58Å的衍射峰,说明样品中存在高岭石;在粉晶X射线衍射图谱中可以见到15.2Å处出现较强的衍射峰,说明样品中蒙脱石的存在。

Q—石英;Or—正长石;Pl—斜长石;Cc—方解石;Do—白云石;I—伊利石;S—蒙脱石;K—高岭石;Qk203-30—样品编号。图3 钻孔Qk203代表性样品的粉晶X射线衍射分析图谱

表2显示了钻孔Qk203样品中黏土矿物的半定量结果。黏土矿物主要为蒙脱石、高岭石及少量的伊利石,其中蒙脱石相对含量(25%～100%,平均为48%)占优势,高岭石(0%～50%,平均为36%)次之,伊利石(0%～38%,平均为16%)含量最少。

表2 钻孔Qk203黏土矿物X射线衍射分析结果

4 讨论

4.1 汶东凹陷第四纪气候演化

黏土矿物主要指粒度d<2μm的层状含水硅酸盐矿物,它们对于环境的冷热干湿变化极为敏感。大多数的黏土矿物是由母岩在地表条件下经由风化作用形成的。在这一过程中,地表环境的温度、湿度、酸碱介质环境等的变化,对于最终形成的黏土矿物的种类与数量有着密切的联系。

伊利石形成于温暖或寒冷少干的气候条件下,由长石、云母等铝硅酸盐矿物在强物理风化和弱淋滤作用下脱K+时形成,其晶格间层的K+不断流失,伊利石可向蒙脱石转化。如果气候转为湿热,化学风化将进行的更加彻底,则层间碱金属(主要是K+)继续流失,伊利石将进一步分解而形成高岭石[23-24]。因此,气候干燥、淋滤作用弱对伊利石的形成和保存有利,伊利石可作为干冷气候的指示标志矿物[25]。蒙脱石形成于偏碱性的环境中,其形成一般跟水解程度增强有关,所以在季节性的温暖、潮湿的气候条件下,有利于蒙脱石的形成[26]。高岭石形成于温暖潮湿的气候条件下,由富含铝硅酸盐矿物(辉石、长石、云母等)的火成岩或者变质岩在酸性介质经强烈淋滤形成,是强化学风化的产物,和蒙脱石相比,高岭石的形成比蒙脱石需要更高的温度和湿度[27]。例如,Cruz[28]在研究西班牙坎波直布罗陀地区的复理石层中的黏土矿物组合时,发现该地层中的黏土矿物主要为高岭石,同时含有绿泥石、伊利石,指示着气候条件由温暖潮湿变为相对冷干。

除了黏土矿物本身可以指示环境条件外,黏土矿物的某些含量比值和化学指标也具有一定的环境指示意义。代表冷干气候的伊利石和绿泥石与代表暖湿气候的高岭石和蒙脱石,二者之间的比值V(Ch+I)/V(Kao+S),在一定程度上可以代表物理风化与化学风化的强度比值。这个比值越大,说明气候较为寒冷干燥;比值越小,说明气候较为温暖湿润。

依据黏土矿物组合及含量变化特征,参考V(Ch+I)/V(Kao+S)比值,将汶东凹陷Qk203孔晚更新世以来气候演化划分为5个阶段(图2)。

阶段Ⅴ(孔深31.22～29.33m):高岭石含量在33%～44%之间变化,平均含量38%,含量较平稳;蒙脱石含量在29%～41%之间变化,平均含量34%;伊利石含量18%～38%,平均含量28%。该阶段整体表现为高岭石、蒙脱石相对含量下降而伊利石相对含量上升的趋势,V(Ch+I)/V(Kao+S)指数由0.22上升至0.62,表明该时期降雨量减少,化学淋滤作用减弱,水解作用降低,机械风化作用增强,气温下降,总体指示相对冷干的气候条件。

阶段Ⅳ(孔深29.33～24.73m):蒙脱石含量在41%～54%之间变化,平均含量45%,含量中等且平稳;高岭石含量在33%～43%之间变化,平均含量39%,含量中等平稳;伊利石含量在13%～20%之间变化,平均含量16%,含量较低且平稳;V(Ch+I)/V(Kao+S)指数在0.15～0.24之间变化,平均为0.19。与阶段Ⅰ相比,该阶段高岭石及蒙脱石相对含量上升,伊利石相对含量下降,各黏土矿物相对质量分数波动较小,同时V(Ch+I)/V(Kao+S)指数整体偏小,指示气候总体由阶段Ⅰ的相对冷干向暖湿气候的转变,化学风化程度较阶段I有明显加强。

阶段Ⅲ(孔深24.73～15.64m):蒙脱石相对含量在30%～61%之间变化,含量变化较大,平均含量43%;高岭石含量在29%～48%之间变化,平均含量38%,含量中等且平稳;伊利石含量在0～30%之间变化,含量变化明显,平均含量19%,总体含量中等偏低;V(Ch+I)/V(Kao+S)指数在0～0.42之间变化。该阶段黏土矿物各组分含量出现较大波动,特别是伊利石与高岭石含量出现此消彼长的对应关系,但伊利石整体含量较上一阶段有所增加,指示气候条件由阶段Ⅱ的温暖湿润逐渐转变为相对干凉,且期间存在多期干湿交替气候。

阶段Ⅱ(孔深15.64～2.15m):蒙脱石相对含量在25%～63%之间变化,含量变化较大,平均含量45%;高岭石含量在36%～50%之间变化,平均含量42%,含量中等且平稳;伊利石含量在0～25%之间变化,平均含量13%,总体含量偏低;V(Ch+I)/V(Kao+S)指数在0～0.33之间变化,平均仅为0.16。与阶段Ⅲ相比,该阶段伊利石相对含量下降,蒙脱石和高岭石的含量相对持平,指示气候条件由阶段Ⅲ的相对干凉转变为温暖湿润。

阶段Ⅰ(孔深2.15～0m):蒙脱石相对含量在55%～100%之间变化,含量变化较大,平均含量73%,总体含量较高;高岭石含量在31%～67%之间变化,平均含量22%;伊利石含量在0～14%之间变化,平均含量5%,总体含量偏低;V(Ch+I)/V(Kao+S)指数在0～0.16之间变化,平均仅为0.05。该阶段伊利石含量骤降,蒙脱石和高岭石含量上升明显,指示气候进一步向温暖潮湿演变。

4.2 汶东凹陷对全球气候变化的响应

对比赵井东[19]和施雅风[29]对中国第四纪冰期划分与改进建议,结合钻孔Qk203 AMS14C测年结果与黏土矿物指示的气候演化特征,可以确定,钻孔Qk203晚更新世Ⅴ～Ⅱ气候演化阶段对应于深海氧同位素MIS2阶段(末次冰盛期),气候整体表现为干凉特征,全新世气候演化阶段Ⅰ对应于深海氧同位素MIS1阶段(冰后期),气候逐渐回暖。横向对比同时期全球性的气候可知,在末次冰盛期,尽管本质上在中、高纬度地区是寒冷的气候条件,但是其中也存在着多次短期的温暖的间冰阶气候条件时期[30]。例如Shackleton[31]将东太平洋沉积物岩心V19～30获取的底层氧同位素记录反映的海平面波动与新几内亚海岸阶地推断的海平面变化进行对比,发现60～20ka时间段内至少存在6次同位素值从轻变重的偏移,表明全球气候在该时期冷暖波动的特征。郭盛乔等[32]通过对华北平原宁晋泊南王庄剖面孢粉、碳酸盐、有机碳含量(TOC)及C/N值的高分辨率分析与综合判识,表明末次冰盛期并不是一个持续的干冷时期,而是存在从凉湿—冷偏湿—冷干的波动变化过程。杨剑萍[33]等采用现代测试技术和地层对比的方法,将山东广饶地区晚更新世以来气候演变划分为6个期次:干冷期、温暖湿润期、干冷偏凉期、温暖期、潮湿湿润期和现代气候期,对应不同的沉积演化特征。张祖陆[17]等依据山东南四湖周边地区7个钻孔的孢粉组合特征,认为该区晚更新世晚期经历了冷而偏干—冷而偏湿—冷而略偏湿的演化过程,也证实了在晚更新世晚期冰期期间的气候波动变化的特点。

本次研究表明,汶东凹陷作为鲁西地区中新生代断陷盆地,在末次冰盛期整体表现为干冷的气候特征,并且经历了干冷—暖湿—干凉—暖湿的气候波动变化过程,与前人研究结果均具极好的对比性,说明末次冰盛期以来的气候变化具有全球性,但在不同地区会有所差异,一定程度上响应于全球古气候和中国东部古气候的变化,同时表明全球性的气候变迁对我国第四纪气候的演变起到一定控制作用,而且我国独特的构造运动也在一定程度上影响着局部气候演化进程。

5 结论

(1)对鲁西汶东凹陷晚更新世以来沉积物进行X粉晶衍射分析,其结果显示沉积物中主要的黏土矿物为蒙脱石、高岭石和伊利石。根据黏土矿物组合及含量变化特征,将汶东凹陷气候演化划分为5个阶段:阶段Ⅴ(孔深31.22～29.33m)显示汶东凹陷气候为冷干;阶段Ⅳ(孔深29.33～24.73m)显示汶东凹陷气候温暖湿润;阶段Ⅲ(孔深24.73～15.64m)显示汶东凹陷气候整体为相对干凉,存在多期干湿交替气候;阶段Ⅱ显示(15.64～2.15m)汶东凹陷气候逐渐趋向于暖湿;阶段Ⅰ(2.15～0m)显示汶东凹陷进一步向暖湿气候演变。其中,阶段Ⅴ～Ⅱ时代为晚更新世,对应于深海氧同位素MIS2(末次冰盛期),阶段Ⅰ时代为全新世,对应于深海氧同位素MIS1(冰后期)。

(2)鲁西汶东凹陷晚更新世气候以干冷为背景的大环境下,经历了冷干—暖湿—干凉—暖湿的交替变化,表明末次冰盛期并不是一个持续的干冷时期,而是存在气候冷暖波动变化,与前人研究结果均具极好的对比性,在一定程度上响应于全球古气候和中国东部古气候的变化。