鲁庆伟, 王强, 詹健, 郭维, 李稳, 王西玉. (2018)渤海湾西岸沧县隆起中更新世地层间断* [J]. 古地理学报, 20(4): 665-679
Lu Qing-Wei, Wang Qiang, Zhan Jian, Guo Wei, Li Wen, Wang Xi-Yu. (2018)Middle Pleistocene stratigraphic hiatus on the Cangxian Uplift,the west coast of Bohai Bay[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(4): 665-679.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.04.048
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渤海湾西岸沧县隆起中更新世地层间断*
鲁庆伟1, 王强2, 詹健1, 郭维1, 李稳3, 王西玉1
1 天津华北地质勘查局地质研究所,天津 300170
2 中国地质调查局天津地质调查中心,天津 300170
3 天津市海洋地质勘查中心,天津 300170
通讯作者简介： 王强,男,1945年生,中国地质调查局天津地质调查中心研究员,研究方向为第四纪地质与海洋地质。E-mail: tjwq1945@163.com。

第一作者简介： 鲁庆伟,男,1981年生,天津华北地质勘查局地质研究所高级工程师,从事区域地质及第四纪地质等工作。E-mail: qingweilu@163.com。

收稿日期:2018-02-05
基金资助:*天津市1︰5万蔡公庄乡幅、南台幅、中旺镇幅和太平镇幅区调项目(编号: 国土房任[2014]20号)和国家自然科学基金项目(编号: 40872107)共同资助
摘要

渤海湾西岸天津平原南部静海区 400m深 CGZ5孔、大港区 500m深 TPZ1孔岩心的岩石地层、磁性地层、 14C测年、微体古生物研究表明, 2个钻孔底部分别进入到定年 3.6Ma的高斯( Gauss)正极性带和定年 4.5Ma的吉尔伯特( Gilbert)极性带上部;位于西侧沧县隆起的 CGZ5孔 2.58Ma古地磁 M/G(松山 /高斯, Matuyama/Gauss)极性带界线位于 225m,位于东部黄骅坳陷西斜坡的 TPZ1孔该界线位于 208m; 0.78Ma的 B/M(布容 /松山, Brunhes/Matuyama)极性带界线分别位于 55m和 68.6m。结合微体化石分析、 3期海侵地层的确定以及岩石地层特征,可判断 CGZ5孔和 TPZ1孔上更新统底板分别位于 55m 和 63.4m。依据末次盛冰期低水位域潴育化黏土层位,确定全新统分别厚 14.8m和 16.5m。上述 2孔之间的黄骅坳陷板桥主凹陷中 CQJ4孔, B/M和 M/G界线分别位于 74m和 340m。西部 CGZ5孔显现整个中更新统缺失,东部 TPZ1孔中更新统仅厚 5.3m。推测这一地层间断可能是由于渤海海盆在中更新世初期发生快速断陷,在河流到海盆的高差加大的背景下,河流输送物大部流入海盆,海盆边缘的沧县隆起和相邻的滨海平原发生了过路作用。在“源到汇”古地理状况变迁过程中形成的东部大平原,中更新世的沉积动力学背景需要进一步研究。

关键词: 磁性地层; 第四系; 地层间断; 沧县隆起; 渤海湾西岸; 源到汇
中图分类号:P534.63 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)04-0665-15
Middle Pleistocene stratigraphic hiatus on the Cangxian Uplift,the west coast of Bohai Bay
Lu Qing-Wei1, Wang Qiang2, Zhan Jian1, Guo Wei1, Li Wen3, Wang Xi-Yu1
1 Geological Institute of North China Geological Exploration Bureau of Tianjin,Tianjin 300170
2 Tianjin Center of Geological Survey,China Geological Survey (CGS),Tianjin 300170
3 Marine Geological Survey Center of Tianjin,Tianjin 300170
About the corresponding author： Wang Qiang,born in 1945,is a professor of Tianjin Center of Geological Survey,China Geological Survey (CGS). He is mainly engaged in research on Quaternary geology and marine geology. E-mail: tjwq1945@163.com.

About the first author： Lu Qing-Wei,born in 1981,is a senior engineer of Geological Institute of North China Geological Exploration Bureau of Tianjin. He is mainly engaged in research on regional and Quaternary geology. E-mail: qingweilu@163.com.

Fund:Co-funded by 1: 50000 Caigongzhuang,Nantai,Zhongwangzhen and Taipingzhen Regional Geological Survey Project of Tianjin(No. Guo Tu Fang Ren[2014]No.20)and National Natural Science Foundation of China(No.40872107)
Abstract

This study examined core materials of the Borehole CGZ5 with 400m depth in Jinghai County and Borehole TPZ1 with 500m depth in Dagang district of southern Tianjin plain on the west coastal plain of Bohai Bay. Based on analyses of lithology,magnetostratigraphy,14C dating,micropaleontology,the present paper determined that the bottom of the two boreholes arrived at the upper parts of the Gauss and Gilbert polarity zones dated 3.6Ma and 4.5Ma,respectively. The palaeomagnetotizm boundary of Matuyama/Gauss(M/G)polarity zone dated 2.58Ma occurred at 225m and 208m in the Borehole CGZ5 on the western Cangxian Uplift and in the Borehole TPZ1 on the west slope of the eastern Huanghua Depression,respectively. In the two boreholes mentioned above,the boundary of Brunhes/Matuyama(B/M)polarity zone representing 0.78Ma occurred at 55m and 68.6m,respectively. Combining with analyses of microfossils and determination of three transgression beds,as well as lithological characteristics,the bottom of the Upper Pleistocene series was estimated to be located at depths of 55m and 63.4m in the two studied boreholes. Based on the low waterlevel redoxing clay horizon of LGM(Last Glacial Maximum),the thickness of Holocene series was determined to be 14.8m and 16.5m,respectively. The boundaries of B/M and M/G of the CQJ4 borehole,located between the two boreholes(CGZ5/TPZ1)and at the main Banqiao sag of Huanghua Depression,occurred at 74m and 340m,respectively. The absence of the entire Middle Pleistocene series was observed in the western Borehole CGZ5,whereas the thickness at the eastern Borehole TPZ1 is only 5.3m. It was speculated that this stratal hiatus was caused by the fastly fault-controlled deposition in the preliminary stage of Middle Pleistocene in the Bohai Sea basin. Under the setting of large elevation difference,the significantly high amount of sediments supplied by the rivers flowing into the sea resulted in sediment bypass on the marginal Cangxian Uplift and adjacent coastal plains. For the great east plain of China formed during the palaeogeographic changes of the “Source to Sink”system,the dynamic sedimentary setting during the Middle Pleistocene epoch needs to be further studied.

Key words: magnetostrtigraphy; Quaternary system; stratigraphic hiatus; Cangxian Uplift; west coast of the Bohai Bay; “Source to Sink”

渤海湾西岸— 华北平原作为中国3级构造地貌— — 青藏高原、黄土高原和东部大平原的最低一级, 在持续构造沉降背景下, 接受了来自西部河流碎屑物质供给, 形成了巨厚的新生代地层, 同时也是“ 源到汇” 研究中的重要一环, 在重塑海陆对比的古地理变迁过程中发挥着重要的作用。1970年代末以来开展的古地磁技术, 为第四系定年及其在平原区的空间分布研究提供了年代标尺。随着古地磁测试技术和精度的进步, 以及对高分辨率研究认识的提高, 渤海湾西岸古地磁研究成果在近10余年有了长足的进展, 特别是天津市域及周边的工作更为丰富。20年前, 在整个东部沿海平原已经发现晚更新世海侵地层底板距离古地磁中更新世底界B/M(Brunhes/Matuyama极性带, 也即布容/松山极性带)界线过近的现象(王强和田国强, 1999), 在天津市区南侧大南河BZ2孔研究中又有发现(姚政权等, 2006), 该孔0.78ma以来的布容正极性带厚56.2m, 仅包括了晚更新世约130ka以来的3期海侵地层, 56.2~162.4m为松山极性带。BZ2孔与南东方向约22km远处大港区中塘BZ1孔研究(肖国桥等, 2008)对比, 共同验证了天津地区所在2个重要的构造单元— — 沧县隆起、黄骅坳陷(大港油田地质编辑委员会, 1991)在第四纪发生过差异构造沉降。这2个孔的古地磁与OSL测年资料, 被用于建立天津地区第四纪年代地层格架(陈宇坤等, 2008)。其后报道的天津市大港区小王庄地区CGJ4孔古地磁学研究成果, 丰富了该对比剖面线南侧黄骅坳陷西斜坡的资料, 同时亦证实晚更新世底界与中更新世底界(古地磁B/M界线)过近的问题(施林峰等, 2009); 但是该文尝试依据布容极性时的“ 极性漂移” , 判断区域岩石地层特征明显的3期海侵层为50ka以来沉积的见解, 除Yi等(2012)使用外, 至今并未得到普遍认可。

作者依据天津市静海县东尚码头CGZ5孔与大港区远景二村TPZ1孔多学科地层学研究, 结合前期发表的成果, 发现天津市区以南沧县隆起中更新统全部或大部缺失, 对追索中更新世的沉积动力学背景有着重要的启迪作用。

1 材料及研究方法
1.1 研究材料

静海区东尚码头CGZ5孔(38° 49'12″N, 117° 01'03″E), 孔口标高4.67m, 孔深400m, 钻探钻具直径为110mm, 全孔取心率达87.5%, 钻孔位于沧县隆起之上。大港区远景二村TPZ1孔(38° 39'13″N, 117° 19'39″E)位于太平村镇, 孔口标高1.62m, 孔深500m, 全孔取心率达88.3%, 位于广义的黄骅坳陷内(图 1)。

图 1 渤海湾西岸CGZ5孔、TPZ1孔及前期古地磁研究钻孔位置, 以及区域主要构造单元划分Fig.1 Location of Boreholes CGZ5, TPZ1 and early studied boreholes of paleomagnetism in the west coast of Bohai Bay, and division of regional main tectonic units

1.2 14C测年

2孔14C测年样品3个, 分别采自2孔全新世海侵层的基底泥炭, 以及TPZ1孔自上而下第2海侵层的有机质黏土。

表 1 研究钻孔地层样品14C测年数据与评述 Table 1 14C dating data of the stratal samples in studied drilling holes and note
1.3 古地磁测试

野外将岩心剖成两半后, 在新鲜层面上用2cm× 2cm× 2cm的无磁立方体塑料盒进行定向取样。采样点的确切位置视岩心状况而定, 尽量采集钻探过程中无扰动的岩心。每个采样点平行采集2块样品。黏性土以0.2~0.5m的间隔采样, 砂性土采样间隔为1m, 砂层1~2m视情况取样。

古地磁测试由中国地质科学院地质力学研究所古地磁与古构造重建实验室完成。样品剩磁测试在美制2G-755型U-CHANNEL无液氦超导磁力仪上进行, 退磁步骤依次为5mT、10mT、15mT、20mT、25mT、30mT、40mT、50mT、60mT、70mT、80mT, 共计11步。样品的特征剩磁(ChRM)组分均利用主向量法分析获得。代表性样品的退磁Z矢量投影示于图 2。

图 2 渤海湾西岸TPZ1孔和CGZ5孔代表性样品的退磁Z矢量投影图Fig.2 Orthogonal(Zijderveld)vector plots of representative samples from Boreholes TPZ1 and CGZ5 in the west coast of Bohai Bay

全部样品测试结果经Enkin软件逐个检查测试质量后, 分别舍弃了CGZ5孔的81个样品数据, TPZ1孔的38个样品数据, 2孔分别取497个和538个样品数据绘制了古地磁磁倾角曲线(图 3)。

图 3 渤海湾西岸CGZ5和TPZ1孔古地磁极性柱、测井曲线对比Fig.3 Correlation between paleomagnetism columns and logging curves in Boreholes CGZ5 and TPZ1 in the west coast of Bohai Bay

基于业内对砂层测试结果的关注— — 难以排除瞬时快速堆积问题, 结合20点/m测井曲线判断的砂层层位与岩心照片对比, 在图 3中以蓝色块对砂层进行了标记, 对砂层内的极性倒转也作了相应标记。CGZ5孔110~137m 2个正极性亚带, 由此标注为“ 砂层中的极性倒转” , 即暂不作为肯定的极性亚时, 留待日后资料丰富后再予讨论。

1.4 磁性地层划分

1.4.1 CGZ5孔古地磁极性柱划分

按照Singer(2104)的极性年表, 该孔0~55m正极性段, 对应布容(Brunhes)极性带。55~225m以负极性为主, 对应松山(Matuyama)极性带, 其间76~87m和145~160m的正极性段, 分别对应于哈拉米洛(Jaramillo)和奥尔都维(Olduvai)亚带。225~400m以正极性为主, 对应高斯(Gauss)正极性带, 其间284~296m和303~318m负极性段, 可与凯纳(Kaena)和马默思(Mammoth)亚带相对应(图 3)。

1.4.2 TPZ1孔古地磁极性柱划分

该孔0~68.6m正极性段对应布容极性带, 68.6~208.0m以负极性为主, 对应松山极性带; 其间88~96m和147~161m的正极性段, 分别对应于哈拉米洛和奥尔都维极性亚带。208~416m以正极性为主, 对应高斯极性带; 其间307~315m和340~348m为负极性段, 可分别与凯纳和马默思极性亚带相对应。416~500m以负极性为主, 对应吉尔伯特极性带; 437~451m的正极性段, 可与吉尔伯特极性时中的科奇蒂(Cochiti)亚带对应(图 3), 依据其下方尚不肯定的极性亚时, 谨慎地判断钻孔底部地层进入了近4.5ma层位。

2 钻孔综合地层划分

依据上述磁性地层学、14C测年, 结合测井曲线和微体生物分析(— — 详细成果另文发表), 对2孔进行综合地层划分如下。

2.1 全新世地层

晚全新世地层: CGZ5孔浅部0~2.67m为块状橙白色(10YR, 8/2— — 据《中国标准土壤标准色卡》)(中国科学院南京土壤研究所和中国科学院西安光学精密机械研究所, 1989)黏土, 属于全新世晚期泛滥平原沉积。TPZ1孔0~3.7m为淡灰色(10YR, 7/1)、局部夹灰色块状黏土, 为泛滥平原少夹湖沼相沉积。

中全新世晚期地层: CGZ5孔2.67~6.90m, 为淡灰色(10YR, 7/1)块状黏土, 与略显纹层的粉砂质黏土与黏土质粉砂沉积, 3个样品见大量有孔虫和海相介形类, 有孔虫以Stomoloculina multangula Ho, Hu et Wang多角口室虫、Pseudononionella variabilis Zheng多变小假九字虫、Ammonia beccarii vars.(Linné )毕克卷转虫变种为主, 海相介形类以Sinocytheridea impressa (Brady)典型中华美花介、Loxoconcha ocellata Ho眼点弯贝介、Spinileberis furuyaensis Ishizaki & Kato古屋刺面介为主, 见少量Tanella opima Chen丰满陈氏介。这些微体生物皆为低盐广盐种, 与河北黄骅地区钻孔晚全新世滨海湿地— 潟湖相地层(王强等, 2008)所见组合相同; 同期露头剖面尚有淡水Lamprotula sp. 丽蚌未定种和Arconaia mutica Heude反扭蚌共生, 指示曾有稳定的淡化环境, 故而判断为滨海低平原湿地— 淡化潟湖沉积。

TPZ1孔3.7~6.0m, 为淡灰色粉砂质黏土与黏土沉积, 局部薄层粉砂质黏土与黏土成互层状, 层厚< 1~2mm, 局部见中度潴育化锈斑; 所采集的2个样品见大量有孔虫和海相介形类, 有孔虫以Elphidium magellanicum Heron-Allen et Earland缝裂希望虫、Protelphidium granosum d'Orbigny颗粒先希望虫、Ammonia tepida Cushman暖水卷转虫为主; 海相介形类以典型中华美花介、丰满陈氏介为主, 少见眼点弯贝介, 以及零星小个体非海相淡水介形类Candoniella albicans Brady纯净小玻璃介, 为广盐低盐种组合, 指示有淡水注入的潟湖相。

中全新世早期地层: 中全新世早期沉积以棕灰色调(10YR, 4/1— 10YR, 6/1)为主, 位于基底泥炭之上。CGZ5孔(6.9~13.8m)黏土质粉砂略显不规则的沙— 泥互层结构, 少见粉砂充填的生物潜穴, 为潮间带沉积。TPZ1孔(6.0~14.8m)则为块状黏土沉积, 其中8.1~8.7m为淡灰色(10YR, 7/1), 为潟湖沉积。2孔分别作7块微体生物分析, 皆发现数量较多的有孔虫和海相介形类。TPZ1孔此层段所见有孔虫以毕克卷转虫变种、Pseudogyroidina sinensis Zheng中华假圆旋虫为主, 另见少量暖水卷转虫、Ammonia multicella Zheng多室卷转虫等; 海相介形类以典型中华美花介、Nomonoceratina chenae Zhao et Whatley陈氏新单角介为主, 少见丰满陈氏介、眼点弯背介, 以及Dolerocypria mukaishimensis Okubo向岛薄丽星介, 零星的非海相介形类Ilyocypris土星介、纯净小玻璃介等, 指示滨海低地或潟湖沉积环境。CGZ5孔此层段所见有孔虫以毕克卷转虫变种和缝裂希望虫为主, 并有少量暖水卷转虫、颗粒先希望虫等, 湿地种有孔虫少见; 海相介形类主要为典型中华美花介、丰满陈氏介, 见零星非海相淡水介形类, 判断为潟湖— 滨海相。

早全新世地层: 2孔上部皆见泥炭与下伏贫营养湖沉积, 分别见于13.2~14.4m(CGZ5孔)和13.8~14.8m(TPZ1孔)层段; 其顶部海侵层基底泥炭测年分别为日历年龄9015 cal a BP(CGZ5孔13.2m, 实验室编号BA150198)和8531 cal a BP(TPZ1孔14.65m, 实验室编号BA150214)(图4)。

图 4 渤海湾西岸CGZ5和TPZ1孔岩心照片、地层划分和沉积相对比Fig.4 Core photos, stratigraphic division and correlation between sedimentary facies in Boreholes CGZ5 and TPZ1

显然, 按照年代地层规定(全国地层委员会, 2002)的10ka或11.7ka的全新世开始的年代数据皆无法直接获取, 故而基于末次盛冰期(LGM=Last Glacial Maximum Stage)低水位域偏氧化环境背景的认识(王强和吕金福, 1995; 王强等, 2008; 王强和李从先, 2009; 谢叶彩等, 2014), 以CGZ5孔14.75~18.40m、TPZ1孔15.7~20.6m具潴育化锈染的层段作为LGM阶段沉积, 上覆地层开始出现积水环境的沉积归为全新统。鉴于海陆对比研究中, 确定末次冰消期开始气候即好转(李广雪等, 2005), 故而可以仿长江三角洲地区处理, 笼统称为冰后期沉积(吴标云和李从先, 1988; 王强和李从先, 2009), 以突出岩石地层学的处理方法。

2.2 晚更新世地层

按照天津市区域地质志总结(王强等, 1992), 晚更新世包括有2期海侵沉积, 而且在江苏废弃黄河三角洲以北沿海地区皆可对比(王强和田国强, 1999)。

CGZ5孔晚更新世自上而下见有4个层段(图 4)。

CDU1: 14.75~18.40m, 浊黄橙色(10YR, 7/4)黏土, 致密块状, 少夹薄层黏土质粉砂, 较普遍见轻度潴育化锈斑, 底部0.6m渐变为黏土质粉砂, 显水平纹层; 15.3m、17.33m和18.3m的3个样品皆未见微体古生物化石。判断自下而上为分支河道末期到河流漫滩沉积; 区域对比上(王强和李从先, 2009)相当LGM地层。

CDU2: 18.4~28.0m, 浊黄橙色(10YR, 7/2)粉砂, 富水无层理, 22.2~24.4m见河口相双壳类光滑河蓝蛤Potomocorbula laevis(Hinds)碎块, 23.4m样品未见微体生物, 24.85m见中度潴育化斑, 判断为分支河道靠近河口部位。其中2个样品所见微体古生物化石同样属于向岸风浪再搬运产物。

CDU3: 28.00~31.65m, 底部为0.75m厚棕灰色(10YR, 6/1)黏土质粉砂夹河口相贝壳光滑河蓝蛤碎屑, 为滨海潟湖相, 与下伏地层呈侵蚀接触, 符合海侵超覆沉积特征, 但是30.28m样未见微体古生物化石; 向上渐变为灰黄棕色(10YR, 6/2)具纹层粉砂和块状粉砂, 富水性强, 近流塑状, 为偏还原环境下的分支河道沉积。区域对比上相当MIS3地层。

CDU4: 31.65~55.00m, 淡灰色(10Y, 7/1, 7/2)、浊黄橙色(10YR, 6/3, 7/3)块状黏土, 30.4~37.0m、39.5~41.7m、45.4~46.0m和49.5~49.7m为粉砂、黏土质粉砂, 显水平纹理, 淡灰绿色与轻度潴育化锈斑显示极浅的积水环境, 31.88m和32.85m未见微体古生物化石; 33.80~48.17m共14个样品近连续见有孔虫, 以36.9~40.3m层段所见最多, 3个样品见142— 188枚不等, 判断为河口低地; 47.5~48.9m略见钙质结核或钙核雏形, 最大直径2cm; 49.1~55.0m系灰黄色黏土(10 YR, 7/2)夹大钙核, 最大者直径为7cm, 显示水体的浓缩, 其间的4个样品皆未见微体古生物化石, 与下伏亮黄棕色(10YR, 7/8)黏土呈突变接触。按照天津地区千余个80m余深度钻孔积累的认识, 以及对晚更新世以来古季风影响沉积地层水热状况的理解, 确定自上而下首次出现含较大钙质结核的层位, 为区域中更新统顶部岩石地层学标志, 故而判断55m为晚更新世底界。这一岩石地层学做法在天津西北方向河北廊坊、北京大兴地区钻孔已经得到响应(赵勇等, 2018)。严格按照相邻2个古地磁测试样品深度确定的B/M界线在54.8m; 如按照所在岩性分层的界线, 则可以放在55.0m。

TPZ1孔晚更新世地层自上而下分为5个层段(图 4)。

TDU1: 15.7~20.6m, 为浊黄色(10YR, 6/3)具轻度潴育化锈染黏土, 上部略见钙质结核, 直径为2mm; 下部为块状或薄层粉砂质黏土, 多见水平顺层锈染, 指示频繁的水位波动; 16.8m、18.4m和20.5m的3个样品中分别见1、28和1枚有孔虫; 判断自下而上为河流边滩到泛滥平原沉积, 因明显遭氧化而归入LGM时段, 所见海相微体古生物化石视为再搬运。

TDU2: 20.6~26.3m, 为淡黄色(10YR, 7/3)黏土, 少夹小薄层或透镜状薄层(最大厚度1cm)粉砂层, 21.40~22.45m见3处不足1cm厚的光滑河蓝蛤贝屑薄层, 为风暴堆积; 22.3m、24.4m和26.2m样品分别见有孔虫6、43和18枚, 整体判断为泛滥平原— 边滩沉积, 与黄骅地区钻孔20~30m深度所见(王强等, 2008)相同。

TDU3: 26.3~30.4m, 为自下而上颜色渐变浅的棕灰色黏土, 块状层理, 局部略显纹层, 加之其中27.9m和29.4m样品分别见29枚和8枚有孔虫, 相当滨海泥质沉积, 向上海水深度变小, 有机质减少; 区域对比上相当MIS3地层。

TDU4: 30.4~40.0m, 块状黏土, 局部略显纹层; 颜色上自下而上反映3个由浅变深的旋回, 自淡灰色(10YR, 7/1)到棕灰色(19YR, 5/1); 符合海侵发生之前, 由贫营养湖因降水增大、有机质分解增强, 逐渐积累到接近泥炭的旋回(王强和吕金福, 1995), 故而上覆26.3~30.4m层段为海侵沉积。30.55~39.50m的7个样品中, 仅顶部1个样见玻璃质螺旋壳毕克卷转虫变种与瓷质壳有孔虫各2枚。

TDU5: 40.0~63.4m, 为棕灰色黏土, 且颜色多有变化, 62.0~63.4m为浊黄橙色(10YR, 6/3), 显示自下伏中度潴育化锈染粉砂开始进入暖期, 发生有机质积累; 58~60m淡灰色, 是又1期贫营养湖沉积出现, 上覆55~58m为黑棕色(10YR, 3/1)— 棕灰色(10YR, 4/1)黏土, 57.3~57.7m见淡水双壳类丽蚌未定种壳体, 上部1m岩心中1~2mm厚粉砂薄层渐增多; 50~55m为棕灰色块状黏土(10YR, 5/1), 上部薄层粉砂增多, 其中51.2~52.0m因水下砂体突入成为粉砂夹黏土; 47.7~50.0m为块状棕灰色粉砂, 略显纹层; 40.0~40.7m灰黄棕色(10YR, 6/2)黏土质粉砂, 下部为块状黏土, 略具水平潴育化锈染, 局部见粉砂薄层。40.7~61.7m层段12个样品中, 9个样品见2— 102枚不等的有孔虫, 以低盐、广盐种毕克卷转虫变种为优势。该层段可大致归为MIS5期海侵层, 即自上而下第3海侵层。

在此海侵层下, 最初报道见古地磁Blake亚时(赵松龄等, 1978), 后来此层位的时代128ka即沿用这一认识, 但是多年来几乎没有证实。这可能是因为海侵层下伏含钙质结核的层位往往磁性较弱, 不宜判断磁倾角的变化, 故而古地磁测试一般也不在这样层位取样, 造成对Blake亚时一直少有报道。

TPZ1孔59.08m样非负极性是否可以解释为Black亚时?尚有存疑。严格按照相邻2个古地磁样品的深度中间值, 可以判断B/M界线位于68.775m; 按照岩性界线可以放置在68.6m的棕色黏土(10YR, 4/6)层底板处。

近10余年来对天津地区钻孔地层该层位进行过大量OSL测年的探讨(姚政权等, 2006; 闫玉忠等, 2006; 陈宇坤等, 2008; 肖国桥等, 2008; 陈永胜等, 2012, 2016), 但是并未明确这一稳定的地层单元岩石学特征。

天津地区乃至渤海湾西岸晚更新世地层中的2个海侵层, 在海洋氧同位素分期中自上而下分别对应MIS3和MIS5(王强和金权, 1989)沉积, 而且此时段不仅有海侵记录, 甚至可以有富营养湖沉积, 以致可以见丽蚌等淡水大双壳类。这一状况的出现应该取决于各地堆积— 沉积速率较高或较封闭地貌部位可能未受到海面上升的影响。总体说来黑棕色和棕灰色沉积发生在降水丰沛的暖气候背景下, 此时既可能是海侵地层, 也可能仅是富营养湖沉积, 即存在着同期异相问题。

在没有直接测年技术可以判断晚更新世底界的情况下, 取偏氧化或指示水体萎缩的岩石地层学标志, 做为下伏中更新统顶部特征沉积, 突破了单纯依赖微体生物分析、孢粉分析, 抑或近年过度依赖OSL测年的做法, 符合岩石地层学标准。

2.3 中更新世地层

中更新世地层除了顶部层位偏氧化或多钙质结核外, 并没有明显的岩石地层学特征; CGZ5孔和TPZ1孔如以往研究报道一样, 只能大体依据古地磁B/M界线确定中更新统底界。按照上述分析, CGZ5孔中更新统缺失, 仅TPZ1孔63.4~68.6m为中更新统。

TPZ1孔63.4~65.1m自下而上为浊黄橙色(10YR, 6/3)— 亮黄棕色(19YR, 6/6)粉砂, 水平纹层明显, 表明分支河道自下而上流速减缓、水深变浅遭到轻度氧化; 64.1~68.6m, 下部棕色黏土(10YR, 4/6), 致密块状, 略见钙质结核雏形; 上部因积水渐变为灰白色(2.5Y, 8/1)和亮黄棕色(2.5Y, 7/4), 顶部出现粒径2cm的钙核, 显示干旱环境沉积。自下而上该层段为1期泛滥平原到逐渐变浅的分支河道沉积。

2.4 早更新世地层

华北平原曾经以厚层棕红色黏土层作为上新统岩石地层标志(王强等, 1992, 2003), 但是这样的特征沉积并不普遍, 棕红色黏土应为河流边滩沉积, 或河间洼地少受河流决口影响的偏中心部位; 早更新世依然是泛滥平原或湖沼相。将钻孔自然电位和视电阻率曲线各自做镜像曲线(图3), 曲线形态指示的砂层位置一致者即多为分支河道沉积。按照测井曲线形态解释沉积相的模式, 结合钻孔岩心照片可见, CGZ5孔下更新统以棕色为主、夹有灰色的黏土— 粉砂质黏土— 粉砂沉积, 大体显示了10期分支河道发育期。TPZ1孔此时段中下部以灰色沉积物为主, 为湖泊相; 上部以棕色、亮黄棕色为主, 显示河流沉积较大规模进入当地, 且大致有8期河口沙坝稳定出现。由于2孔所在地可能并非同一条河流, 故而曲流河道河口沙坝较集中层段在深度上有差异。由测井曲线判断的砂体深度与岩心照片对比出现的差异, 是仪器的原因?操作的原因?目前尚无很好的解释, 留待日后资料丰富些再做探讨。

CGZ5孔213m以及TPZ1孔81.3m、90~92m和141m砂层中, 皆见现代多见于长江中下游地区的双壳类丽蚌壳体, 显示这些层位为温暖环境背景下的河湾— 湖泊沉积。

2.5 上新世晚期地层

按照年代地层学规定(全国地层委员会, 2002), 古地磁M/G界线之下与Ga/Gi(Gauss/Gilbert)界线之上为上新统上部。

CGZ5孔此层段下部为灰色粉砂沉积为主, 测井曲线显示319m以下为4期大河口坝砂体, 其中380~382m见丽蚌及绿灰色黏土团块; 370~376m和340~345m为夹丽蚌碎块的粗砂含泥质砾石沉积, 砾石最大者粒径为6~7cm; 与传统基岩砾石质辫状河流末端沉积(Bridgeb and Lunt, 2006)不同的是, 此处“ 砾石” 仅是强水流搬运的近源垮塌泥岩碎块; 河口坝砂体之间低阻段为棕色块状黏土沉积, 属于泛滥平原。

TPZ1孔为灰色调为主的沉积, 大致见8期河口沙坝; 260~330m和350~388m黏土较稳定出现层段, 显示为灰色与棕色的颜色交替, 指示棕色泛滥平原沉积地层多次因积水发生潜育化。390m以下岩心裂隙见白色钙质充填, 显示强烈蒸发过程; 底部7m厚粉砂层多见斜层理, 局部小型交错层理, 系河床砂体沉积。

2.6 上新世早期地层

古地磁Ga/Gi(Gauss/Gilbert)界线之下的地层, 仅见于TPZ1孔, 顶部10m厚砂层多见黏土砾石块, 最大6~7cm; 其下为块状无层理灰色黏土为主的低阻段湖相沉积层, 少见棕色沉积, 亦少见砂层。

3 磁性地层对比与认识

自天津市区南侧大南河BZ2孔古地磁测试结果报道(姚政权等, 2006)以来, 其东侧大港区中塘BZ1孔(肖国桥等, 2008)、大港区小王庄CQJ4孔(施林峰等, 2009)、塘沽市区北部G2孔(肖国强等, 2014)、滨海中新生态城CH500孔(裴艳东等, 2016)先后完成磁性地层工作。鉴于天津市主要跨沧县隆起与黄骅坳陷2个重要的构造地质单元, 第四系磁性地层研究结果, 以及各极性亚带厚度的对比, 可直接应用于反演基底构造差异沉降问题。近年, 渤海湾北岸相继有滦南县曹妃甸生态城Bg10孔(袁桂邦等, 2014)、乐亭县马头营镇孙庄村MT04孔(胥勤勉等, 2014)、乐亭县TZ02孔(高峰等, 2017), 以及唐山市南稻地村TD1孔(胡云壮等, 2014a)、唐山市丰南NY05孔(Xu et al., 2018)的研究报道; 渤海湾湾顶南侧河北省海兴县小山地区CK3孔(胡云壮等, 2014b)、山东省无棣县大山G4孔(Xu et al., 2018), 则进入渤海湾西南部埕宁隆起。

目前工作显示, 渤海湾西岸、北岸依然以原冀东海岸柏各庄农场Ba 3孔古地磁极性柱M/G界线指示的第四系底界最深, 在493m(李华梅和王俊达, 1983); 次之是Bg10孔, 此界线在477.7m(袁桂邦等, 2014); TZ02孔在435.3m(高峰等, 2017), 进一步证实黄骅坳陷向东北方向的南堡凹陷倾伏(王强等, 1992; 胡云壮等, 2014b; Xu et al., 2018)。

物探、电法、磁法等研究显示, 沧县隆起与黄骅坳陷的接触关系, 远比现在第四系研究论文展示的、自下而上投影上来的1条线性界线复杂, 但是在前第四纪地层显示明显。故而, 上述磁性地层学研究, 可以对这一地区所在大港油田主要构造单元第四纪以来的差异构造沉降做出反演。

CGZ5孔高斯极性带厚度小于TPZ1孔, 反映研究区东侧在约3.6— 2.6ma期间沉积— 堆积速率高于沧县隆起主体。在约2.58— 0.78ma期间, 西侧CGZ5孔松山极性带厚度大于东侧TPZ1孔, 从而显示上新世晚期基底构造依然对松散沉积物地层有影响。2孔之间大港区小王庄CQJ4孔浅部地层微体生物研究成果交代不清, 作者依然按原文所叙粗略标记晚更新世以来海侵层; 该孔M/G(=Q/N)界线位于340m, 可能与位于黄骅坳陷的板桥主凹陷(大港油田石油地质志编辑委员会, 1991)有关。

CGZ5和TPZ1孔分别以55.0m和63.4m作为MIS5地层底板, 前者该界线与B/M界线重合, 缺失了整个中更新统, 后者中更新统则仅余数米厚(图 4)。

4 讨论
4.1 岩石地层学标志

华北平原除了晚更新世以来海侵地层多为棕灰色沉积物外, 早、中更新世沉积没有明显的岩石地层学特征。在平原区钻孔曾以厚层棕红色黏土出现作为上新统的标志, 总结了数十个钻孔棕红色黏土与古地磁极性界线的关系(王强等, 2003)。20余年前, 在天津地区仅有6个钻孔古地磁测试工作的基础上, 曾以厚层棕红色黏土出现的最高层位作为上新世特征沉积, 编绘了天津境内深孔集中区域第四系底板等深线图(见图 3左下附图)①, 显示沧县隆起第四系厚度并不大。但是这些显示更加干热气候背景的沉积物出现的最高层位, 与古地磁M/G(=Q/N)界线并非吻合。在天津市塘沽区北部的北塘凹陷内1223m深的G2孔, 古地磁M/G界线位于300m处(肖国强等, 2014), 200m深度以下仅在345m见0.20m厚棕红色黏土, 绝大部分地层为灰色还原性有机质沉积, 显示该孔大多时间处于构造沉降背景下的湖相及水下河道沉积。对于这样没有明显岩性特征的钻孔地层, 只能以古地磁测试结果判断主要的地层划分界线。

图 5 CGZ5、CQJ4和TPZ1孔古地磁极性柱对比(CQJ4孔据施林峰等, 2010; 修改)Fig.5 Comparison of paleomagnetizm polarity columns of Boreholes CGZ5, CQJ4 and TPZ1(Column of Borehole CQJ4 is modified from Shi et al., 2010)

4.2 多重地层划分原则的应用

在长江三角洲、杭嘉湖地区工作中发现, 应该以反映海岸整体沉降的海侵层为地层对比的基础, 但是当时报道的古地磁研究成果并未能对海侵层年代提供更多资料, 甚至与建立的海侵序列年代矛盾(王强和田国强, 2000), 同时也注意到河口地层学(李从先等, 1998)复杂性。显然, 追索低水位域沉积成为判断河口沉积旋回的途径, 故而层序地层原则的应用显得尤其重要(陈忠大等, 2002; 王强和李从先, 2009; 李从先等, 2013)。在这一原则下, 选用合适的年代予以佐证即可。

在美国北卡罗来纳和弗吉尼亚, 全新世地层年代依据14C确定, 其下地层依据OSL、铀系测年、甚至ESR(电子自旋共振)解决(Parham et al., 2012)。然而在中国沿海平原地层学工作中, ESR测年技术长期以来并不被看好。

天津市区南部钻孔依据全新统下伏地层的OSL测年, 提出晚更新世地层存在大幅度的构造差异运动(陈永胜等, 2012)。近年基于OSL测年原理的常规判断, 认为较老的83.5~62.6ka时段数据系受曝光不充分组分的影响所致, 提出应采用较年轻的51.9~39.9ka作为渤海湾西岸自上而下第2海侵层的年代(陈永胜等, 2016)。但是依据AMS14C测年, 自上而下第2海侵层、即MIS3海侵层(王强和李从先, 2009), 为日历年龄约43.5ka以来的沉积, 而不是过去所谓的39ka以内的沉积(王福等, 2014; 商志文等, 2016)。此前尚有此层位在黄河三角洲5号桩钻孔获得50.0± 2.2ka的数据(庄振业等, 1999), 在天津东南端马棚口地区钻孔获得过50.2± 1.9ka的数据(闫玉忠等, 2006), 由于超过AMS14C测年技术理论上的最大值而未被引用。

在珠江三角洲ZK203-2钻孔, 19.0m 和20.05~20.10m的2块样品中的植物碎屑, 分别由美国Beta实验室和北京大学年代学实验室皆测得大于48i000 a的数据(谢叶彩等, 2014), 判断或是因为含碳量不够, 抑或有老碳污染造成; 由于不是具体数值, 未予讨论。

AMS14C测年范围推进到了40ka余, 但业内没有就这些数据再展开讨论, 毕竟已经接近14C测年方法的极限了, 故而前期有笼统称为MIS3海侵为“ 40ka以来” 之说(施雅风和于革, 2003), 近年大致称为45ka以来亦无妨。此前曾提出海相贝壳年龄老于沉积物的年龄(仇士华等, 1990)。近年对于长江下切河谷钻孔海相贝壳、植物碎屑和全有机碳样品测年数据的差异, 也结合沉积背景进行了讨论(Hori and Saito, 2017)。

在蔡公庄乡幅、南台幅、中旺镇幅 、太平镇幅4幅1/5万区调项目20个钻孔中, 完成了57个AMS14C测年(— — 另文发表), 结合钻孔地层层序对比看, 位于测区内的大港区小王庄CQJ4孔全新统缺失的认识(施林峰等, 2010)未能得到证实。同时, 依据棕灰色沉积地层埋深对比确定的MIS3海侵层基本稳定, 与天津地区、河北黄骅地区大体在30m深度上下见该层沉积(王强和郭盛乔, 1999; 王强等, 2008)的普遍认识相符。但是TPZ1孔30.6m富有机质黏土测年21i152 cal a BP(实验室编号: BA150215)的数据显示了不可比性, 故而舍弃, 维持约40ka余以来的年代判断(施雅风和于革, 2003)。同样, 在南黄海北部钻孔(梅西等, 2013)和海南岛钻孔研究(王梦媛等, 2016)中, 也分别对逻辑上不合理的14C和OSL测年数据进行了取舍。

对天津市区南侧大南河BZ2孔(姚政权等, 2006)MIS5海侵层的确定, 如机械地单纯依据49.3m和52.8m样各见2个有孔虫壳体确定海侵层, 加上OSL测年, 理解上就会出偏差(陈永胜等, 2012)。实际上在该孔53.4m尚见较多的淡水介形类, 55.24m见少量海相介形类和较多的非海相介形类, 且这些样品皆采自同一分支间湾相的棕灰色粉砂质黏土沉积层中, 与TPZ1孔同样深度层段皆为温暖气候背景下略受海水影响的分支间湾— 湖泊沉积①。

第四纪岩石地层内容单调, 除冀东河北丰润山前可见砾石质— 中粗砂辫状河沉积(胡云壮等, )外, 天津中部、南部与相邻的河北黄骅地区至今未见粗砂和砾石沉积。在全球海平面变化和古季风背景下, 这一地区更多的是晚更新世海侵期棕灰色调沉积物的对比, 其间尚有同期异相问题(Holland and Elmore, 2008)。除局部下切河谷外, 天津市域大多地区晚更新世3期海侵层位对比稳定, 是客观存在的岩石地层学标志。虽然探索岩石地层单元穿时性是必行的工作, 但其符合地层学、地质学逻辑的对比关系, 不宜随测年方法变更而改变。

4.3 陆相地层间断

渤海湾西岸是华北平原的一部分, 按照将今论古的分析方法, 平原区的第四纪松散沉积物应来源于西部太行山脉、北部燕山山脉的河流搬运。河流作用的增强也往往归因为山体抬升。故而华北平原、渤海湾西岸的形成是中国“ 源到汇” 研究的重要内容, 也是进行海陆对比的重要场所。

地层间断问题, 长期以来视为陆相地层中多于海相地层; 河流的侧向加积、摆动迁移、河口坝的前展, 即可以产生不同时间尺度的地层间断。在靠近郯庐断裂带的安徽五河地区, 340m深钻孔几乎皆为正向极性带, 不得不考虑可能在松山极性时(0.78— 2.58ma)期间发生了断裂活动, 导致地层间断, 而且这一状况在下辽河平原钻孔亦有出现(王强和金权, 1989)。

钻孔联合剖面对比显示, 由于晚更新世— 全新世3期海侵层稳定, 总体厚度变化不大, 前述大南河BZ2孔(姚政权等, 2006), 以及文中报道的CGZ5孔晚更新世3期海侵层底板皆在55m深度上下, 且2个钻孔中更新统皆缺失, 可能是因为钻孔位于沧县隆起较高部位。研究区东南部TPZ1孔晚更新世地层底界要深些, 但中更新统也仅有5.2m厚。

在巴哈马近海碳酸盐岩台地斜坡末次盛冰期以来沉积作用研究中, 已经发现在斜坡上没有留下相应的沉积物, 视为过路作用所致(Wunsch et al., 2016)。

CQJ4孔位于黄骅坳陷中的最低部位板桥主凹陷, 该孔大致始自松山极性时的边沉降、边充填的过程, 可能延续到松山极性时中晚期即终结。

进入中更新世, 强大的物质流在沧县隆起与黄骅坳陷并没有太多的物质堆积下来, 更多的可能是搬运到了古渤海海域、甚至更远。由此可能需要更多的华北山区隆起的证据。

从华北山地地形面研究看, 一般认为中更新世存在着湟水侵蚀期和周口店堆积期(吴忱等, 1999), 但是在钻孔地层中的表现尚无更好的验证。从河流进入华北平原历史研究看, 有黄河第四纪即进入华北平原的见解(杨守业等, 2001); 有报道认为永定河晚更新世进入石景山形成北京冲积扇(袁宝印等, 2002); 北京平原南部可能源于永定河的泥石流在第四纪初期结束, 随后进入砾石质辫状河发育阶段。华北平原整体处于沉降背景下, 形成沉积空间无疑, 其根本原因是东部海盆的持续沉降(王强和金权, 1989)。基于华北山地第四纪构造运动塑造的多级河流阶地, 曾推测渤海第四系内 4个不整合面形成的时间分别是 900~400ka、100~80ka、50~40ka和 10~8ka(徐杰等, 2005)。渤海海域也依据浅层地震资料判断了晚更新世— 全新世的断裂(李西双等, 2010)。但是这些判断在钻孔地层中并不清晰, 对文中报道这样长时期的地层间断尚无更好的解释。

渤海湾西岸记录的晚更新世以来与暖期气候相符的3期“ 面状分布” 的海侵层, 显示了海盆与其边部的近整体构造沉降(王强和田国强, 1999)。在渤海海域中部的BH08孔, 岩心色度曲线天文调谐显示1.0ma以来是连续沉积, 加上钻孔所在海域水深, 布容极性带底界约在150m(Yao et al., 2014)。在海域滦河水下冲积扇前缘的TJC-1孔, 加上钻孔所在海域水深, 该界线则在近97m, 而且已经注意到该孔与天津大港区中塘BZ1孔(肖国桥等, 2008)、天津津南区大南河BZ2孔(姚政权等, 2006)布容极性带厚度的差异(李翔等, 2016)。然而与冀东海岸Bg10孔(袁桂邦等, 2014)、MT04孔(胥勤勉等, 2014)、TZ02孔(高峰等, 2017)和NY05孔(Xu et al., 2018)相比, TJC-1孔并不是沉降中心, 显示海陆对比研究中各构造单元内部在第四纪中期以来尚有差异构造沉降, 只不过进一步的时间标尺建立尚有难度。

此前的中更新世是否海域发生过快速拉张断陷、沉降, 导致海域形成更大的沉积空间, 以致陆源沉积物快速向海域输送?— — 这一推测可能是以后研究中解决中更新统间断问题的关键。

5 结论

磁性地层学研究反映渤海湾西岸新近纪以来构造单元的内部分异过程十分复杂, 目前看黄骅坳陷的板桥主凹陷在上新世断陷最大。依据天津平原南部静海、大港地区CGZ5孔和TPZ1孔综合地层学研究, 并参考其间的CQJ4孔研究报道, 以及北部天津市区南侧BZ2孔, 确定研究区西部沧县隆起上的CGZ5孔与BZ2孔同样发生了中更新统全部缺失, 作者推测这一现象可能系中更新世渤海海盆构造沉降突然加快, 沧县隆起成为相对较高的位置, 且向东形成斜坡, 导致流入渤海海盆的河流, 在海盆边的沧县隆起和滨海平原发生过路作用所致; 渤海湾西岸沉降中心大致在黄骅坳陷东北部冀东沿海的南堡凹陷。第四纪以来华北平原北部沉积空间的变化、充填过程的重塑, 有着反演构造— 气候旋回的重要意义。渤海湾西岸可能存在着向海域大量输送碎屑沉积物的事件, 造成中更新统缺失或减薄。这一见解或对追索“ 源到汇” 古地理变迁过程中沉积动力学变化有重要启迪。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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