北京平原区东南缘钻孔TB02第四纪地层划分与沉积特征_倪敬波.pdf

第 卷第期 年月地 球 科 学 与 环 境 学 报 倪敬波，刘晓，张晓亮，等北京平原区东南缘钻孔 第四纪地层划分与沉积特征地球科学与环境学报，（）：，（）：收稿日期：；修回日期：投稿网址：基金项目：北京市专项地质调查项目（，）作者简介：倪敬波（），男，黑龙江黑河人，工程师，：。通讯作者：刘晓（），男，山东威海人，工程师，：。：北京平原区东南缘钻孔 第四纪地层划分与沉积特征倪敬波，刘晓，张晓亮，张悦泽，刘晓勇，袁路朋，何付兵（北京市地质调查研究所，北京 ；自然资源实物地质资料中心，河北 三河 ；中国地质科学院地质研究所，北京 ）摘要：第四纪地质对开发利用第四纪资源和城市地质安全具有重要意义。基于在北京市通州区南部永乐店镇实施的第四系钻孔 ，通过系统的岩芯观察和编录、测井资料分析、测年和古地磁测年等手段，结合粒度参数指标特征，对钻孔 进行年代地层划分，并对沉积特征进行了探讨。结果表明：北京平原区东南缘第四系底界埋深为 ，中更新统底界埋深为 ，上更新统底界埋深为 ，全新统底界埋深为 ；钻孔 沉积物以细粒物质为主，具有较好的分选性，呈现远源沉积的特征；沉积水动力环境在 、及 发生了次比较明显的变化。第四纪以来，北京平原区东南缘环境演化规律表现为：早更新世早期，沉积水体快速加深，以湖相沉积为主，沉积环境稳定且水动力较弱；早更新世晚期，主要发育河流沉积，陆源碎屑供给较充足，沉积水动力较强；中更新世以来，为泛滥平原沉积，水动力减弱，以沉积细粒物质为主，沉积地貌逐渐定型，形成了广阔的平原区。关键词：地层划分；沉积演化；测年；磁性地层；年代地层；第四系；粒度；北京中图分类号：；文献标志码：文章编号：（），（，；，；，）：，；，；，；，：，；，；，：；引言北京平原区第四系是北京市城市地质调查的重要研究内容之一。随着北京市特别是通州区城市副中心的科学规划及重大工程建设的推进，需要更加详尽、可靠的基础地质资料作为支撑。北京平原区第四系主要由源自北京西部和北部山区的沉积物在冲洪积环境下多期次叠加沉积而成，空间上岩性变化快、成因类型复杂，区域沉积厚度差异大。对于北京冲积平原年代地层、沉积环境及演化规律，在西部和北部的山前地区，已经进行了较多的研究；近年来，在固安、廊坊和白洋淀等永定河冲积扇前缘地区也有不少学者通过地层层序、沉积物粒度组成及微体古生物组合等综合研究，还原永定河冲积扇前缘沉积环境。但是，对永定河冲积扇中部 北京平原区东南部目前研究程度相对较低。第四系研究首先要解决的是年代地层界限的问题，年代地层划分是研究沉积特征、岩相古地理、环境演变的基础。世纪 年代以来，随着古地磁等测年技术的应用和普及，前人开展了大量钻孔岩芯测年研究，为北京平原区第四纪年代地层划分提供了丰富的资料，安芷生等通过对顺孔的磁性地层学研究，提出松山高斯界面可作为北京平原区 的分界面；在此基础上，赵勇等通过磁性地层研究，在钻孔 西南部约 的大兴榆垡镇地区确定第四系底界埋深为 ；李瑞杰等在钻孔 南部约 得到第四系底界埋深为 。而在该研究区，由于缺少磁性地层学及其他年代学研究数据，对地层格架研究程度较低。基于此，本文通过系统的岩芯观察和编录，采用古地磁及放射性碳同位素（）测年等方法，对在北京市通州区南部永乐店镇实施的第四系钻孔 开展了岩石地层及年代学研究，建立了钻孔 第四纪地层年代标尺，以期为北京平原区第四纪区域地层划分提供基础地质资料。并采用马尔文 激光粒度分析仪对北京平原区东南部第四纪地层进行系统的沉积物粒度测试，并开展沉积相和沉积环境分析，还原沉积水体动力条件，分析区域第四系沉积演化特征。地质背景与钻孔地层 地质背景钻孔 位于北京平原区东南部，通州区南部永乐店镇小店屯村凤河南岸，北京与廊坊边界处（，）（图），在构造上位于廊固凹陷北缘，该区域第四系发育较齐全，地层分布较稳定，沉积厚度为 。地层岩性特征自下而上依次为：下更新统主要为黄棕色、灰色粉细砂、中砂与砂质黏土互层；中更新统以灰色块状粉砂质黏土为主，夹多套浅灰绿色粉砂细砂；上更新统底部为棕黄色细砂或中砂，向上逐渐过渡为黄棕色黏土；全新统为黄色细砂、砂质黏土及耕植土。下伏新近系顶部发育厚层棕红色黏土，与华北平原以首次出现厚层棕红色黏土为上新统结束的特征 相一致。第期倪敬波，等：北京平原区东南缘钻孔 第四纪地层划分与沉积特征 钻孔岩性地层特征钻孔 孔口标高 ，孔深 ，钻探钻具直径 ，全孔取芯率超过。在钻孔岩芯小层编录的基础上，通过综合分析钻孔地层岩性组合、沉积物颗粒旋回性变化、测井曲线特征等，将岩性地层划分为共组岩性地层段（表）。样品采集与分析方法 样品采集 测 年 样 品 共 件，集 中 在 深度段有机质含量较高的地层中（表）。表钻孔 岩性地层特征 层号岩性特征层底深度层厚灰黄色、灰褐色薄层粉黏、黏粉互层，地层松散，深度段为表层耕土 沉积物较松散，自然伽马曲线呈锯齿状，以黄色细颗粒粉砂质黏土为主，夹多套厚度小于的薄层粉砂或细砂，结构成熟度较高，局部可见弱水平层理，底部为薄层的灰黄色细砂，与下伏地层突变接触 沉积物较松散，层顶为块状、切面光滑的棕色粉砂质黏土，沉积物以灰色、灰黄色粉砂质黏土、黏土质粉砂为主，层内发育套正韵律或反韵律的粉细砂，局部可见近水平波状层理 以灰色、灰黄色粉砂质黏土、黏土质粉砂为主，沉积物颗粒较细；底部 深度段为成分成熟度和结构成熟度均较低的细砂含砾中粗砂沉积，与下伏地层突变接触 上段地层以颗粒较细的褐黄色、浅棕色粉砂质黏土为主；下段 深度段随深度增加，沉积物颗粒逐渐增大，由黄灰色粉砂、细砂逐渐过渡为灰色含砾中粗砂，整体呈正韵律，底部颗粒分选较差，成分成熟度低 以灰色、黄褐色粉黏、黏粉沉积为主，沉积水动力较弱，沉积物颗粒较细 以灰色、灰绿色粉砂质黏土、黏土质粉砂为主；上部 深度段沉积了一套灰绿灰色细中砂，多为水平或近水平层理；底部 深度段沉积了一套黄绿色含砾中粗砂，深度处发育大量钙质结核 以黄褐色和棕黄色细颗粒的粉砂、粉黏沉积为主，底部 深度段沉积一套灰绿色细砂 砂、泥交互沉积，砂泥比较高；细颗粒以灰黄色、棕黄色、棕红色黏土质粉砂为主，粗颗粒沉积物以灰绿色、灰黄色细中粗砂为主，砂层中常见斜层理、冲刷面 图北京市通州区南部第四系钻孔 位置 古地磁样品采集使用到的工具有陶瓷刀及 的塑料盒。使用陶瓷刀将岩芯切割成立方体样品装盒，标注样品顶、底方向，并固定在盒内不受晃动移位或变形。黏土、粉砂质黏土及表钻孔 有机质黏土样品 测年数据 样品编号深度测试材料原始年龄 校正年龄 有机质 有机质 有机质 粉砂地层取样密度为件，细砂及中砂取样密 度 为 件，共计 采 集 古 地 磁 样 品 件。沉积物粒度测试样品采集密度与古地磁样品类似，以粉细砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土及黏土为主，取样密度为件，且在沉积环境变化较频繁、岩性变化较快的区域进行加密取样，保证了样品的典型性和代表性，共计采集粒度测试样品 件。分析方法 测年由美国 实验室完成，使用 加速器质谱仪和 同位素比值质谱仪（）进行测试。地球科学与环境学报 年古地磁测试在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室完成。古地磁样品的磁化率各向 异 性（）在 捷 克 公 司 生 产 的 卡帕桥磁化率仪上测量。采用交变退磁方法，使用 型交变退磁仪和 岩石超导磁力仪进行剩磁测量。测试环境为零磁空间（），交变退磁场最大为，其中交变退磁场 的步长间隔为，的步长间隔为，以上的步长间隔为。粒度测试在中国地质科学院地质研究所第四纪实验室完成。上机测试前，需对测试样品进行预处理，排除非测试因素对实验结果的影响。将容量 的烧杯洗净并编号，然后按照顺序排放，把 样品放入烧杯中，颗粒较细的样品需减少质量，较粗的样品可适当增加质量；向烧杯中加入 双氧水（），静置，待反应完全，晃动不再冒泡，加热到 ，待充分反应，以去除样品中的有机质；加入 稀盐酸（），静置，使样品中的碳酸盐充分反应溶解；加入去离子水至杯满，静置，样品充分沉淀，用吸管吸出蒸镏水，再次稀释样品至少次，直至 值呈中性，确保酸性离子已去除干净；在不扰动烧杯底部样品的情况下，倒掉其上部液体或者用吸管把清液吸入废水池中，向样品中加入 六偏磷酸钠（），放入超声波振荡器中振荡 ，使样品颗粒分散，这样即可上机测试。本次粒度测试使用马 尔 文 激 光 粒 度 分 析 仪 进行，与传统的粒度分析仪相比，该仪器具有动态测量粒径范围宽、误差小、重复性好、自动化水平高、质量保证体系强、测试时间短等特点，可以满足对钻孔 样品分析的需求。测试所得的粒径单位为，需要通过求对数的形式将粒径单位转化为。采用 提出的四分位离差计算公式 得到分选系数，并将分选系数分 为 个 等 级；采 用 等 提 出 的 计 算 公式，将偏度分为个等级，峰态分为个等级。地层年代特征钻孔 地层年代框架主要依据 测年及古地磁测年方法建立。测年钻孔 样品均为褐色粉砂质黏土，有机质含量较高，测试结果见表。通过 软件，选取 树轮曲线进行日历年龄校正。基于 日 历 年 龄，推 测 全 新 世 的 界 限 位 于 深度段。深度处出现黄色细颗粒粉砂质黏土，与上覆砂层出现较明显的相变，故将 深度处作为全新统底界。古地磁极性柱的建立 测年结果表明，大部分样品的最大轴（）和中间轴（）倾角较大，而最小轴（）倾角较小，证明多数样品有正常的原始沉积结构，样品大多处于扁平形区域，磁面理发育，说明钻孔 沉积物受后期地质活动影响较小（图）。将可能受扰动影响的样品在退磁数据处理时进行剔除，最后剩余样品 件。根据 测年结果（表），钻孔 在 深度处地层形成年代约为 ，浅部第一个正极性为布容正极性。钻探结果还显示，该钻孔地层新近纪以来沉积连续，未见明显的沉积间断。因此，可同标准古地磁极性柱 进行精细对比，建图钻孔 磁化率各向异性分布 第期倪敬波，等：北京平原区东南缘钻孔 第四纪地层划分与沉积特征立钻孔 的古地磁极性柱。磁性地层对比表明：界 线 深 度 约 为 ，段深度为 ，段深度为 ，界线深度约为 （图）。钻孔 在 深度处出现块状、切面光滑的棕色粉砂质黏土，见大量锈斑及钙质结核，对比上覆中砂层发生明显相变。结合古地磁测年结果与 岩 性 地 层 编 录，对 比 北 京 平 原 区 南 部 钻 孔 、永 定 河 中 下 游 廊 固 凹 陷 北 部 钻 孔 及永定河冲洪积平原南部钻孔 资料，将 深度处定为上更新统底界，确定中更新统底界深度为 ，第四系底界深度为 。粒度特征研究第四纪碎屑沉积物粒度特征对判定碎屑颗粒搬运方向、搬运方式及水动力条件的变化，推测沉积环境有重要的指示作用 。本文对钻孔 沉积物进行粒度特征分析，以期为还原北京平原区标准古地磁极性柱引自文献 图钻孔 磁性地层特征 地球科学与环境学报 年东南缘第四纪沉积演化过程提供依据。粒度组分粒度分析结果表明，钻孔 沉积物粒度主要分布在 ，其中黏土组分（粒径低于 ）占 ，粉砂组分（粒径为 ）占 ，砂组分（粒径为 ）占 。粒径分级曲线见图。粒度参数 中值粒径钻孔 沉积物中值粒径为 ，平均值为 。沉积物中值粒径自下而上可以分为个层段，即下段（深度段）、中下段（深度段）、中上段（深度段）、上段（深度段）。各层段的中值粒径变化明显。下段中值粒径为 ，整体粒径较粗，波动较大；中下段中值粒径较细，变化较小，除约 和 两 个 深 度 处 出 现 较 大 粒 径 外，其 余 为 ；中 上 段 中 值 粒 径 为 ，呈规律性变化，整体波动较大，与 深度段中值粒径逐渐增大，其中在约 和 两个深度处达到最大值；上段中值粒径为 ，整体变化较大，无明显规律性（图）。分选系数沉积物的分选程度与沉积环境的水动力条件及沉积物搬运距离有着密切关系，因此，分选性常作为水流动能中，、分别指类型、类型、类型、类型和类型，详见表图钻孔 沉积物粒度参数特征 第期倪敬波，等：北京平原区东南缘钻孔 第四纪地层划分与沉积特征沉积环境判别的重要标志。经统计，钻孔 沉积物样品分选系数共分布在个区间：分选很好（分选系数为），共计 件；分选好（），共计 件；分选中等（），共计 件；分选差（），共计 件（图）。其中，深度段沉积