河北三河上更新統(tǒng)-全新統(tǒng)磁化率變化旋回分析

劉智榮,沈 軍,王昌盛

(1.防災(zāi)科技學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,廊坊 065201；2.臨沂大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,臨沂 276000)

河北三河地處北京平原東部,屬潮白河沖積體系[1],上更新統(tǒng)由含礫中細(xì)砂、細(xì)粉砂、黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土和黏土組成3個韻律明顯的沉積旋回[2-4]。1679年的三河-平谷大地震使得該區(qū)成為活動斷裂研究熱點地區(qū),夏墊斷裂是三河-平谷大地震的發(fā)震斷裂,也是華北平原區(qū)的一條重要的發(fā)震斷裂,眾多學(xué)者對夏墊斷裂的第四紀(jì)活動特征及1679年8級地震的發(fā)震構(gòu)造進(jìn)行了研究[4-14],研究內(nèi)容側(cè)重夏墊斷裂構(gòu)造活動性研究。而斷層兩側(cè)地層沉積特征是斷層存在與否及其活動性定量評價的重要參考依據(jù)。且準(zhǔn)確的年齡約束是開展斷裂構(gòu)造活動性研究的重要前提條件,前人地質(zhì)年齡的獲得主要依靠14C[8-11]、熱釋光(thermo luminescence,TL)[9-10]和光釋光(optically stimulated luminescence,OSL)[13-14]等測年手段。目前天文年代的興起,為地層年齡的測定提供了另外一種方法,并被廣泛應(yīng)用到新生代地層年齡測定中[15-22]。該方法與古地磁、放射性同位素和生物地層學(xué)測年方法相結(jié)合,大大提高了年代地層劃分和對比的精度[23-24]。

地球自轉(zhuǎn)軸和公轉(zhuǎn)軌道的周期性旋回變化引起顯著地表日照量的差異[25]。根據(jù)緯度和季節(jié)的不同,歲差能夠引起最大日照量變化可達(dá)20%。由此產(chǎn)生的氣候變化會影響地球表面的風(fēng)化、剝蝕,并記錄在不同沉積環(huán)境的沉積地層內(nèi)[25-26]?，F(xiàn)對河流沉積物磁化率的垂向變化進(jìn)行分析,開展天文年代學(xué)研究,以期獲得精細(xì)天文年代格架,分析古氣候、古環(huán)境變化。

1 實測剖面

研究地點位于北京東部大廠凹陷及通縣隆起的交界位置,夏墊斷裂上盤位于大廠凹陷,下盤位于通縣隆起,研究的陡坎剖面位于潘各莊村北,屬于夏墊斷裂的下盤,距地表斷裂水平距離約30 m,地理坐標(biāo)為39°58′27.64″N,116°55′53.17″E(圖1),高程12 m,垂向高度為9.87 m。根據(jù)沉積物的顏色、顆粒大小、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造等特征,將剖面自下至上分為17層。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)地貌Fig.1 Geological and geomorphological of the study area

實測地層剖面顯示該剖面巖性主要為粉砂質(zhì)黏土、黏土、黏土質(zhì)粉砂和細(xì)砂(圖2)。剖面自下而上地層分別為:①灰色、深灰色黏土層,頂界面為一沖刷面,凹凸不平[圖2(a)],可見厚度6 cm；②灰色、灰白色中細(xì)砂層[圖2(b)],發(fā)育斜層理,含較多的云母碎片,底部發(fā)育薄層黃褐色細(xì)砂[圖2(a)],厚78 cm；③黏土質(zhì)粉砂層,含鐵銹斑點[圖2(b)、圖2(c)],局部夾泥礫,發(fā)育斜層理,厚38 cm；④黃褐色中細(xì)砂層[圖2(d)],發(fā)育斜層理[圖2(e)下部],厚19 cm；⑤粉砂質(zhì)黏土層,見淡水螺殼及褐色管狀條帶[圖2(f)],厚218 cm；⑥土黃色黏土層,風(fēng)干后呈蒜瓣狀,吸水性較強。橫向連續(xù)性好,厚30 cm；⑦土黃色含粉砂質(zhì)黏土層,粉砂呈塊狀[圖2(g)],大小不一,厚31 cm；⑧土黃色含粉砂質(zhì)黏土層,含鐵銹斑點,有類似植物根莖的黃褐色管狀條帶,局部含薄層黏土,厚68 cm；⑨土黃色黏土層與薄層粉砂互層[圖2(h)],厚35 cm；⑩黏土質(zhì)粉砂層,厚40 cm；土黃色粉砂質(zhì)黏土層,含鐵銹斑點,厚30 cm；黏土質(zhì)粉砂層,含鐵銹斑點,有類似植物根莖的黃褐色管狀條帶,厚 190 cm；灰色黏土層,含鐵銹斑點,風(fēng)干后呈蒜瓣狀[圖2(i)],在區(qū)內(nèi)連續(xù)性較好,中間夾5 cm的粉砂層,厚20 cm；含鐵銹斑點黏土質(zhì)粉砂層[圖2(j)],厚145 cm；黏土層,風(fēng)干后呈蒜瓣狀,橫向連續(xù)性好,厚 7 cm；黏土質(zhì)粉砂層,含鐵銹斑點,厚20 cm；黏土層,風(fēng)干后呈蒜瓣狀,厚12 cm,受人為改造影響,側(cè)向厚度分布不均勻,局部完全剝蝕。

圖2 剖面地層巖性照片F(xiàn)ig.2 Lithological photographs of the section

2 樣品的采集、處理與測試

磁化率作為一種能夠反映過去氣候變化的重要環(huán)境指標(biāo),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種沉積環(huán)境中[21,27-28],基于磁化率變化的天文旋回地層學(xué)研究正逐漸引起廣泛的注意。為了保證磁化率樣品測試的準(zhǔn)確性,將剖面表層清除,取新鮮面的樣品,取樣間距為1 cm,共采集987個樣品；取樣工具使用無磁性的陶瓷制品。樣品自然風(fēng)干后裝入2 cm×2 cm×2 cm 的立方體塑料盒以備測試。磁化率實驗在中國地質(zhì)大學(xué)(北京)科學(xué)研究院古地磁實驗室完成。

3 地層年齡框架

統(tǒng)計了研究區(qū)附近東柳河屯、齊心莊、大胡莊、潘各莊斷裂下盤地層沉積物年齡,并據(jù)此計算出沉積區(qū)相應(yīng)的平均沉積速率(表1)。由于楊曉平等[14]13.1、13.5、19.4 m處年齡值相差太大且存在倒置現(xiàn)象,將這3個值剔除后對所有年齡值進(jìn)行綜合分析作圖(圖3),獲得地層平均沉積速率。表1和[圖3(a)]顯示深度4 m以上地層平均沉積速率較低,4 m以下沉積速率增大。由于實測剖面位于斷層的下盤,斷層下盤為上升盤,受地表風(fēng)化剝蝕作用及人類改造較強,表層地層存在缺失,綜合前人研究結(jié)果認(rèn)為陡坎剖面平均沉積速率介于 20～25 cm/ka。

表1 地質(zhì)年齡統(tǒng)計Table 1 Geological age statistics of former researches

圖3 地層深度-年齡圖Fig.3 Depth-age maps of strata

4 分析結(jié)果與討論

4.1 旋回分析方法

應(yīng)用多窗口頻譜分析法[27]、演化諧波分析及快速傅里葉變化等分析方法[28]對零均值磁化率序列進(jìn)行分析,結(jié)合區(qū)域平均沉積速率確定天文旋回參數(shù)。運用高斯帶通濾波將已定天文旋回進(jìn)行分離后,與標(biāo)準(zhǔn)的天文曲線進(jìn)行對比,確定其天文旋回參數(shù)。

4.2 磁化率分析結(jié)果與討論

研究區(qū)沉積環(huán)境為細(xì)粒的河流相沉積,其中下部地層粒度較粗,為河流砂壩沉積,上部沉積物較細(xì)為泛濫平原沉積[3][圖4(a)]。磁化率測試結(jié)果顯示該剖面磁化率集中在0～6.421×10-6m3/kg,剖面下部磁化率值高,最高可達(dá)9.36×10-6m3/kg[圖4(b)]。磁化率與巖性、粒度對比結(jié)果顯示剖面8.5 m以下沉積物粒度較粗主要為細(xì)砂[圖2(a)、圖2(b)、圖2(d)]和粉砂[圖2(c)],磁化率也相對較高[圖4(b)],其平均粒徑值介于(2～5)Φ[圖4(c)]。上部沉積物以黏土質(zhì)粉砂[圖2(h)、圖2(j)]、粉砂質(zhì)黏土[圖2(f)、圖2(g)]和黏土層[圖2(i)]為主,平均粒徑在5～7Φ[圖4(c)]，磁化率相對較低。從而可以確定,在本剖面中粒徑與磁化率之間具有一定的正相關(guān)性,即粒度大磁化率高,粒度小磁化率低。這一結(jié)論與劉智榮等[3]的結(jié)論一致,泛濫平原沉積水體能量相對較低,外來碎屑沉積物的補給少,沉積物粒度細(xì),環(huán)境中自生及外來鐵磁性礦物較少,磁化率低；而河流砂壩水體能量較高,帶來較多的外來風(fēng)化碎屑物質(zhì)和鐵磁性礦物,磁化率高。

圖4 地層剖面及磁化率分析Fig.4 Stratigraphic section and magnetic susceptibility analysis

4.3 旋回分析結(jié)果與討論

深度域磁化率的頻譜分析[圖4(d)]和滑動演化譜分析[圖4(e)]表明,在該剖面有兩個明顯的旋回,一個旋回周期為5.12 m,其置信度達(dá)到99%,另一個旋回周期為1.71 m,置信度在80%以上。根據(jù)前面分析所得該區(qū)平均沉積速率,推斷5.12 m/周期為23 ka的歲差旋回。以5.12 m/周期為基準(zhǔn),帶寬為0.01,應(yīng)用高斯帶通濾波的方式進(jìn)行濾波獲取剖面歲差旋回曲線,與理論歲差旋回(Analyseries 2.0)進(jìn)行對比,得到剖面的天文地質(zhì)年代序列[圖4(f)]。地質(zhì)年代序列頻譜分析結(jié)果顯示[圖4(g)、圖4(h)]其具有明顯21 ka的旋回,與第四紀(jì)標(biāo)準(zhǔn)23 ka歲差旋回存在誤差。產(chǎn)生誤差的原因主要有2個,一是剖面相對較短,分析結(jié)果顯示其僅包括 2個完整的歲差周期旋回,造成一定的誤差；二是沉積速率的影響,旋回分析是根據(jù)沉積物的平均沉積速率進(jìn)行計算,而整個剖面堆積速率并非完全相同。旋回分析結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)歲差曲線對比[圖4(f)]顯示歲差高值時地層的磁化率較高,歲差低值時地層的磁化率較低,而磁化率與粒度具有正相關(guān)性的特點。根據(jù)粒度、磁化和歲差的相互關(guān)系可以確定,歲差高值時大氣降水增多,河流流水補給量增多,帶來較多的外來風(fēng)化碎屑,進(jìn)而提高了沉積物中磁性礦物的含量；歲差低值時大氣降水少,泛濫平原一直處于靜水沉積環(huán)境,外來碎屑物質(zhì)補給較少,磁化率較低。

由于剖面較短,未在剖面中識別出更長周期的斜率和偏心率旋回。根據(jù)歲差尺度旋回分析推導(dǎo)出該陡坎剖面為晚更新世晚期至全新世早期沉積,沉積時限為41 ka,平均沉積速率為24 cm/ka[圖3(b)]。除歲差尺度旋回,該剖面同時存在1.71 m和不明顯的0.41 m高頻旋回,可能為地層環(huán)境周期性變化引起的自旋回,后期將進(jìn)行詳細(xì)研究。

5 結(jié)論

(1)地層磁化率主要在10-6數(shù)量級內(nèi)變化,總體變化幅度不大。磁化率與沉積物平均粒度具有正相關(guān)特征,表明磁化率能夠反映沉積環(huán)境的變化。

(2)零均值磁化率頻譜分析和演化譜分析顯示地層具有5.12 m歲差尺度旋回,說明河北三河沖積沉積記錄了米蘭科維奇旋回周期,為沖積沉積古氣候和古環(huán)境研究提供新的方法和思路。

(3)根據(jù)旋回分析結(jié)果推算陡坎剖面的年齡為4～45 ka,平均沉積速率為24 cm/ka,為地質(zhì)年齡確定提供新的約束手段。

(4)由于受剖面長度的限制,得到的歲差旋回與理論歲差旋回存在誤差,且未識別出斜率和偏心率旋回,后續(xù)工作將進(jìn)行長尺度剖面研究。