河北平原北部D1孔第四纪以来的古气候演化

张金龙　李庆喆　潘志龙　张欢

［摘要］通过恢复、重建河北平原北部第四纪以来的古气候演化过程，可以科学预测未来气候演化方向，更好促进人与自然和谐相处。本文在结合D1孔岩石地层和年代地层划分成果基础上，通过研究钻孔沉积物中的孢粉分布规律，进一步将其划分为３个孢粉组合。研究表明：该区孢粉组合总体以嵩、藜等灌木和草本花粉为主，乔木及蕨类少量，整体表现为稀树草原植被环境。早更新世时期，区内古气候具有寒冷干旱向温和偏干转变的特点；中更新世时期具有温凉潮湿的气候特征；进入晚更新世，区内整体表现为温凉湿润的气候特征。本区的孢粉组合反映的第四纪以来古气候演化规律与河北平原其余地区古气候变化规律具有较好的可比性。

［关键词］河北平原；第四纪；孢粉组合；古气候

随着近年来各种极端天气的出现，人们越来越重视气候问题。第四纪作为与人类活动关系最紧密的时期，对其古气候演化的探讨对于未来的气候的研究具有重大的意义。而孢粉分析作为一种成熟的第四纪古气候重建和古环境分析方法，因其高灵敏度和准确性等优势而得到了广泛的应用。本次研究区所处的河北平原北部区域，受燕山山脉的影响，其气候变化敏感，环境效应显著，并且复杂的第四纪沉积物中也蕴含着丰富的地质演化信息。虽然前人在河北平原东南部进行了众多孢粉研究，但是平原北部的研究甚少。而赵勇、石光耀等人虽然通过对大兴凸起构造单元上的PGZ05、D1钻孔进行了年代地层学研究，建立了该单元的第四纪地层格架，但是缺乏孢粉方面的研究。因此通过对钻孔沉积物中孢粉组合的分析，对于恢复和重建河北平原北部第四纪以来的植被类型和古气候演化提供了重要基础资料。

１ 区域地质概况

工作区位于河北平原北部，北侧紧邻燕山山脉，地处冀中坳陷东北部的大兴凸起、大厂凹陷和宝坻凸起三个构造单元交汇处，本次施工的D1钻孔则位于大兴凸起的北部，夏垫断裂下盘（图１）。钻孔揭示该构造单元自第四纪以来主要以河流相沉积环境为主，地表则主要是由潮白河与？河共同作用形成的冲积、洪积平原，地形相对较平坦，最大高差26ｍ，总体呈北西高、南东低的地势特点。

D1钻孔位于河北省三河市燕郊镇小石各庄村南（图１），钻孔孔口高程19.07ｍ，钻孔进尺203ｍ，野外共分为176层。钻机采用旋转机械钻，岩芯管直径110ｍｍ，全孔的取芯率大于90％，岩心直径110ｍｍ，取芯率和岩心状况均满足地质编录以及地层研究等方面的需求。

２ 钻孔岩心特征

D1钻孔位于潮白河附近，钻孔中的第四纪沉积物的形成与潮白河及其他河流的多期次冲洪积作用的疊加密切相关。该孔的沉积物岩性主要以粘土、粉砂、细砂、中－ 粗砂和含砾砂等为主，地层序列自下至上分别为：上新世明化镇组、早更新世饶阳组、中更新世肃宁组和晚更新世西甘河组（图２）。其中，明化镇组为一套棕红色、棕黄色杂浅灰色曲流河相泥砂质沉积，局部见辫状河相厚层、巨厚层砂砾沉积。饶阳组下部为黄棕色、灰棕色细砂、中砂夹薄层状粘土；中部为棕、深棕色粘土、粉砂质粘土夹粉细砂、中砂，常含钙质结核；上部为浅灰色、绿灰色粉砂、细砂。整体分选及磨圆中等，常发于水平层理、平行层理（图３）。肃宁组为灰色、棕灰色、棕黄色中细砂、粉砂、粉砂质粘土及淤泥质粘土组合，顶部常含大量铁锰质结核（图４）。西甘河组为棕灰色、棕黄色为主的含砾粗砂、中砂、细砂、粉砂以及粉砂质粘土等，粉砂质粘土中常发育大量锈染及钙质结核，局部潴育化作用强烈。

根据钻孔中沉积物的颜色、沉积构造以及沉积旋回等特征，并结合钻孔测井曲线，本文将钻孔岩心自下至上划分成了两套沉积物组合，并进一步划分为四部分：

沉积物组合Ⅰ（深度153.9～203ｍ）：该套沉积物组合主要为洪积扇沉积成因，根据沉积物岩性组合以及测井曲线特征，进一步将该段沉积物划分为两部分。下部（深度186.6～203ｍ）为一套棕黄－橘黄色的粉砂和粘土质粉砂岩性组合，视电阻率曲线呈低幅的锯齿状。该部分弱固结，具有“硬、脆”的特征，尤其底部的粉砂及粘土质粉砂中发育２套薄层状的钙质层，厚度为５～8ｃｍ。该段沉积物的颜色及岩性组合整体反映当时为一种干旱暴露的氧化环境，可与洪积扇的扇缘沉积环境进行对比。上部（深度186.6～153.9ｍ）的沉积物以砂为主，粘土夹层较少，主要为一套棕黄－棕灰色的中－细砂、粉砂夹粘土质粉砂的岩性组合，其视电阻率曲线表明该段沉积物具有两个清晰的沉积旋回，并且单个旋回的视电阻率曲线下部呈箱型、钟形，而上部呈低幅的锯齿状，并且下部沉积物厚度明显大于上部，与岩心揭示的岩性特征一致。推测该段形成于洪积扇的扇上河道沉积环境。

沉积物组合Ⅱ（深度０～153.9ｍ）：该套沉积物组合普遍呈灰色、棕灰色、棕黄色色调，岩性以粗－中砂、细粉砂为主，可见灰色、棕灰色的粘土质粉砂或粘土的夹层，普遍发育侵蚀构造、粒序层理、平行层理和水平层理等沉积构造，“二元结构”特征明显，为典型曲流河沉积环境的产物。根据沉积物岩性组合以及测井曲线特征，进一步将该段沉积物划分为两部分。下部（深度91.4～153.9ｍ）主要为一套灰－浅灰色的中细砂夹浅灰色、棕黄色粉砂、粘土质粉砂和粉砂质粘土的岩性组合，其中粉砂和粘土中常发育细小的钙质结核。结合该段沉积物岩性和测井曲线特征可进一步划分为３ 个大的沉积旋回，单个旋回的下部岩性以河床沉积的中、细砂为主，上部则以泛滥平原沉积粉砂、粘土质粉砂和粉砂质粘土为主，而视电阻率曲线下部多呈钟形，上部为低幅锯齿状，并且上部厚度远大于下部，与岩心揭示的岩性特征一致，具有典型的“二元结构”特征，为较稳定气候环境下形成的曲流河沉积环境的产物。上部（深度０～91.4ｍ）为一套灰色、棕黄色中、细砂夹浅灰色、棕黄色粉砂、粘土质粉砂和粘土的岩性组合。该段沉积物可进一步划分为９个沉积旋回，旋回的下部以边滩沉积的砂为主，上部以漫滩沉积的粉砂、粘土为主，且粉砂质粘土及粘土层中常发育炭质斑点及绣染等现象，部分粘土层具有明显的潴育化特征。该段视电阻率曲线下部多呈箱形或钟形，上部呈低幅锯齿状，与岩心揭示的岩性特征一致，具有清晰的“二元结构”特征，整体形成于水量充沛、频繁改道的曲流河沉积环境。

３ 测试方法与结果

３.１ 测试方法

本次工作从D1孔第四纪沉积物中，共采集了73件孢粉样品，采集范围为０～187ｍ，孢粉样品的岩性主要为灰黄色黏土、粉砂质黏土以及黏土质粉砂。

本次所有的样品分类整理、孢粉鉴定以及统计等工作，均是在中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心完成的。實验方法采用目前国际最常用的酸泡－ 筛滤法，首先选取适量无污染的样品放入烘箱内烘干，然后放入玛瑙研钵中进行研磨、粉碎，粉碎后称取粉砂－ 砂类样品30～50ｇ，粘土类样品10～30ｇ。之后在装有样品的烧杯中加入一粒石松孢子，再将400ｍl质量浓度为30％的盐酸溶液注入孢粉样品中浸泡三至四天，除去样品中的碳酸盐成分，随后用蒸馏水反复清洗数次至中性后，转移至塑料烧杯中；用300～400ｍl质量浓度90％以上的氢氟酸溶液浸泡四至五天，除去样品中的硅质成分，用蒸馏水清洗数次至中性；用超声波震荡过孔径８μｍ 筛，筛除小于孢粉体积的颗粒残渣；离心后置于冰箱内冷藏保存；最后制作固定片和活动片，并在光学显微镜下观察，完成鉴定以及数目统计工作。

３.２ 测试结果

本次在D1钻孔中采集的73件孢粉样品中，仅在40件样品中获得150～350 粒不等的孢子花粉粒，平均211粒／样品，其他33个样品基本未见到孢粉颗粒，或少量样品中仅发现零星孢子花粉颗粒，但由于孢粉数量极少，不具有数据统计意义，未计入孢粉谱分析。本次研究总共分析鉴定出51个孢子花粉类型，全部孢子和花粉总数被用来计算每个类型的百分含量。

实验结果显示，钻孔沉积物中的孢粉组合总体以灌木和草本花粉为主，含量为48.85%～95.33%，平均为78.31%。灌木和草本花粉以嵩（Artemisia）、藜（Chenopodiaceae）和禾本科（Gramineae）为主，其他类型还有莎草科（Cyperaceae）、蓼科（Polygonaceae）、菊科（Compositae）、百合科（Liliaceae）、麻黄（Ephedra）等。乔木花粉整体上含量低，仅仅在部分层段的样品中含量较高，含量变化较大。落叶阔叶树花粉介于1.08%～30.7%，平均9.48%，以栎属（Quercus），榆（Ulmus），胡桃（Juglans），山核桃（Carya），眼子菜科（Podocarpus）等常见。针叶树花粉介于0%～31.6%，平均9.63%。针叶树花粉以松属含量较高为特征，其他针叶树花粉类型还有铁杉（Tsuga）、罗汉松（Podocarpus）、落叶松（Larix）、柏科（Cupressaceae）、杉科（Taxodiaceae）等。其他见有少量的湿生蕨类植物孢子以及水生藻类分子，含量0%～10.83%，平均2.57%，蕨类植物孢子主要为水龙骨孢（Polypodiaceae）、凤尾蕨科（Pterisisporites）和里白科（Gleicheniaceae）；水生藻类分子有盘星藻（Pediastrum）、环纹藻（Concentricystis）和双星藻（Zygnema）。

３.３ 孢粉组合划分

基于孢粉主要组分含量变化，以钻孔深度为纵坐标，将所有样品的孢粉属种含量作为横坐标，绘制了孢粉谱图（图５）。根据孢粉主要种属沿深度的变化，我们将该孔自下而上划分３ 个孢粉组合，并将孢粉组合Ⅱ进一步划分为Ⅱ－１和Ⅱ－２两个亚组合。其特征分述如下：

孢粉组合Ⅰ（深度128.8～186.7m）：该组合总体特征以灌木和草本花粉含量较高为特征，平均占67.33%，针叶类花粉含量居次，平均占20.8%。落叶阔叶类花粉含量较少，平均占9.16%。灌木和草本花粉以蒿（Artemisia）（平均17.53%）、藜（Chenopodiaceae）（平均21.11%）为主。禾本科（Gramineae）较低，平均仅8.83%。其他类型还有莎草科（Cyperaceae）、菊科（Compositae）、百合科（Liliaceae）、麻黄（Ephedra）、香蒲（Typha）等。针叶树花粉以松属含量占绝对优势，平均15.66%。同时见少量铁杉（Tsuga）、落叶松（Larix）、柏科（Cupressaceae）和杉科（Taxodiaceae）。落叶阔叶树花粉以榆（Ulmus）（平均4.75%）最多，眼子菜科（Potamogetonaceae）花粉（平均1.7%）居次，此外见极少量的栎属（Quercus）、山核桃（Carya）、胡桃（Juglans）等。蕨类孢子平均仅见2.72%．主要为水龙骨科（Polypodiaceae）（平均1.1%）和里白科（Gleicheniaceae）（平均1.14%），未见藻类分子。

孢粉组合Ⅱ（深度43.75～128.8m）：与上一组合相比，本组合以灌木和草本花粉含量明显增加（平均86.48%）而针叶类花粉含量显著降低（平均6.06%）为特征。落叶阔叶类花粉含量略微降低．平均占5.76%。灌木和草本花粉仍然以蒿（Arte-misia）（平均23.68%）、藜（Chenopodiaceae）（平均22.9%）为主，且均较上一组合略增加。禾本科（Gramineae）（平均16.75%）和菊科（Compositae）（平均12.53%）均较上一组合明显增加。出现极少量狐尾藻（Myriophyllum）和唇形科（Labiatae）花粉。针叶树花粉仍以松属含量占绝对优势（平均5.58%），但较上一组合明显降低。其他针叶树花粉类型如铁杉（Tsuga）、罗汉松（Podocarpus）、落叶松（Larix）和柏科（Cupressaceae）均上一组合略微降低，落叶阔叶树花粉仍以栎属（Quercus）（平均1.37%）、榆属（Ulmus）（平均2.83%）为主，且榆属花粉含量较上一组合合降低，此外还见少量的眼子菜科（Potamogetonaceae）、山核桃（Carya）、胡桃（Juglans）、椴属（Tilia）、榛属（Corylus）等。蕨类孢子较上一组合略低，平均仅见1.71%，且未见藻类分子。其中喜湿润的水龙骨科（Polypodiaceae）明显降低，平均0.52%。本文根据该孢粉组合中孢粉的整体变化趋势，进一步划分为孢粉亚组合Ⅱ-1（深度91.4-128.8m）和孢粉亚组合Ⅱ-2（深度43.75-91.4m）。

孢粉组合Ⅲ（深度0～43.75m）：该组合灌木和草本花粉含量再次减少（平均70.44%），而落叶阔叶类花粉含量迅速增加，平均16.2%。针叶类花粉含量较少，平均占9.36%。灌木和草本花粉以蒿（Artemisia）（平均18.5%）、藜（Chenopodiaceae）（平均19.06%）、禾本科（Gramineae）（平均15.59%）占優势，且均较上一组合略微降低。菊科（Compositae）（平均3.9%）和麻黄（Ephedra）（平均1.94%）较上一组合减少，此外还含有少量莎草科（Cyperaceae）、百合科（Liliaceae）、香蒲（Typha）等，较上一组合略微增加。落叶阔叶树花粉以榆（Ulmus）（平均9.42%）最多，较上一组合明显增加。栎属（Quercus）、眼子菜科（Potamogetonace-ae）、山核桃（Carya）、胡桃（Juglans）等均见少量。针叶树花粉以松属含量较高为特征，平均7.73%，较上一组合略微增加。同时见少量铁杉（Tsuga）、落叶松（Larix）、柏科（Cupressaceae）和杉科（Tax-odiaceae）。蕨类孢子和藻类分子较少，平均仅占4.01%，但较上一组合明显增加，以水龙骨科（Pol-ypodiaceae）（平均1.24%）和双星藻（Zygnema）（平均1.17%）为代表，其他还见有极少量凤尾蕨科（Pterisisporites）、里白科（Gleicheniaceae）、膜蕨科（Hymenophyllaceae）、蚌壳蕨科（Dicksoniace-ae）、瘤足蕨科（Plagiogyriaceae）以及环纹藻（Con-centricvstis）。

４ 讨论

植被的生长和发育与生态环境密切相关，通过对孢粉组合特征的分析，有利于恢复和重建古环境。本文通过对Ｄ1钻孔孢粉组合的研究，初步重建了河北平原北部第四纪以来的植被类型以及古气候演化规律。

上新世末期－早更新世初期，孢粉组合Ⅰ中含量较高的灌木和草本花粉骤然降低，反映出当时向寒冷干旱气候转变的特征。在进入早更新世后，孢粉亚组合Ⅱ－１中的蒿、藜等灌木－草本花粉含量明显增加，而针叶类花粉含量显著降低，如松、铁杉、罗汉松等，其次可见少量以栎属、榆属等为主的落叶阔叶树花粉和蕨类及喜湿的水龙骨科等。上述孢粉组合反映早更新世时期区内气候经历了由寒冷干旱到温和偏干转变的特点。

中更新世时期，孢粉亚组合Ⅱ－２ 中蒿、藜等灌木－草本花粉，松、铁杉等针叶类花粉，蕨类以及喜湿的水生藻类等，含量均比亚组合Ⅱ－１ 略高，由此推断该时期区内气候整体具有相对温凉潮湿的特征。

晚更新世，孢粉组合Ⅲ中以蒿、藜、乔本等为主的灌木－草本花粉和以松属为主的针叶类花粉含量减少，以榆属为主的落叶阔叶类花粉含量迅速增加，同时喜湿润的蕨类和水生藻类植物也有所增加，总体反映了当时一种温凉湿润的气候特征，与吕可欣等人的认识具有可比性。

综上所述，Ｄ1钻孔中孢粉的组合特征指示，区内整体为疏林草原植被类型，以灌木和草本植物含量占优势，其次为水生湿生植物、木本植物，此外见少量喜湿润的蕨类植物及水生藻类植物。自早更新世至晚更新世气候波动较大：区内气候具有寒冷干旱到温和偏干→ 温凉潮湿→ 温凉湿润的变化趋势。这与前人关于河北平原第四纪以来的植被组合与古气候演化较一致。

５ 结论

（１）据大兴凸起构造单元之上的Ｄ1 钻孔揭示，钻孔中的孢粉可划分为３ 个孢粉组合，总体反映该区为疏林草原植被类型。

（２）早更新世时期，研究区为寒冷干旱向温和偏干转变的气候环境；进入中更新世，整体具有温凉潮湿的气候特点；晚更新世以来气候逐渐向温凉湿润转变。