河北唐山西部PZK14孔晚新生代沉積演化特征

陳宏強， 楊 瑞， 李慶喆， 趙華平， 段炳鑫， 劉蓓蓓， 專少鵬， 陳 超

(河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院，河北 廊坊 065000)

0 引言

唐山地區(qū)地處冀東平原灤河沖積扇之上，第四系總體發(fā)育較為完整，分布廣泛。自1976年唐山大地震后，唐山地區(qū)針對新構(gòu)造運動開展了大量的相關(guān)研究工作，眾多專家學(xué)者圍繞著第四紀(jì)斷裂活動與發(fā)震構(gòu)造等[1-3]做了大量的研究。唐山西部受豐臺—野雞坨斷裂控制，兩側(cè)地層的沉積厚度、沉積物類別差異巨大： 斷裂以西第四系厚200～400 m，全新統(tǒng)厚6～15 m，斷裂以東第四系厚100～200 m，全新統(tǒng)發(fā)育較少[4]。

晚新生代沉積相與沉積環(huán)境重建是認(rèn)識現(xiàn)代環(huán)境變化和趨勢預(yù)測的基礎(chǔ)，尤其是了解地質(zhì)歷史時期的山前沖積平原的沉積演化，對于指導(dǎo)現(xiàn)代地質(zhì)環(huán)境演化研究至關(guān)重要。唐山地區(qū)地處古灤河沖積扇—三角洲體系之上，燕山山脈階段性抬升造成的灤河改道和變遷，控制和影響著整個唐山地區(qū)沉積物的分布、沉積相組合及變化[5-7]。近年來，不同學(xué)者針對唐山東部及渤海灣西岸陸續(xù)開展了大量的晚新生代地層沉積特征研究[8-12]，并取得了豐富的研究成果，但唐山西部地區(qū)一直缺少對晚新生代地層沉積特征的研究。

本文對位于唐山西部的PZK14孔開展了測井曲線、粒度和色度特征的研究，結(jié)合沉積相的變化，揭示了唐山西部地區(qū)晚新生代以來的沉積環(huán)境演化過程。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

唐山地區(qū)基巖古地貌受北部燕山山脈的控制，其第四系厚度有明顯的從北至南逐漸加大的規(guī)律。市區(qū)北部至陡河水庫、豐潤一線，由于受古地貌隆起影響，第四系發(fā)育較薄，厚度為50～100 m，往西南方向延伸第四系厚度可達400 m。研究區(qū)位于燕山山前地帶，玉田—豐潤以北地貌類型屬低山丘陵區(qū)，以南屬平原區(qū)(圖1)。不同的地貌類型發(fā)育不同成因類型的第四紀(jì)堆積物。第四系成因類型較為多樣，主要以沖積、洪積、沖洪積為主，兼有殘坡積和湖積等類型。

圖1 唐山西部地區(qū)地貌簡圖及PZK14孔位置

2 PZK14孔基本情況與采樣測試

2.1 PZK14孔樣品采集與測試

PZK14鉆孔位于河北省唐山市玉田縣豐登塢鎮(zhèn)莊兒口村(圖1)，孔口標(biāo)高4.4 m，孔深540 m，全孔平均取心率大于85%，自下而上分為273層，共采集粒度樣品192件、色度樣品353件。

色度樣品在溫室條件下自然風(fēng)干，在不損壞自然顆粒結(jié)構(gòu)的前提下?lián)v碎磨細，約200目篩。取少量樣品平攤于白紙上，在避光的室內(nèi)用SPAD-503便攜式色度儀進行測量，每個樣品測量3次，計算平均值，分別記錄樣品的亮度(L*)、紅度(a*)和黃度(b*)。粒度分析測試由泰山學(xué)院實驗室測試完成，測試采用英國產(chǎn)Mastersizer 2000粒度分析儀，計算出樣品的平均粒徑、標(biāo)準(zhǔn)差等參數(shù)。

2.2 實驗結(jié)果分析

沉積物顏色取決于沉積物的礦物組成和有機質(zhì)含量, 能反映沉積物形成時的環(huán)境及當(dāng)時環(huán)境下的氧化—還原程度。L*、a*、b*是CIE1976標(biāo)色系統(tǒng)中用來描述均勻連續(xù)顏色空間的參量，它強調(diào)顏色的定量描述，減少人為因素對顏色判斷的失誤[13-17]。a*>2.5、b*>13為河流或沖積扇相沉積環(huán)境，a*<2.5、b*<13為湖相或海相沉積[12]。

沉積物粒度是判別沉積環(huán)境的一個重要物理指標(biāo)，廣泛應(yīng)用于沉積環(huán)境演變研究[18-22]。測井曲線中，自然伽馬與視電阻率曲線直接反映地層的粒度和泥質(zhì)含量等，自然伽馬數(shù)值越大，表明地層中泥質(zhì)含量越高； 視電阻率數(shù)值越大，表明沉積物粒度越粗[23-25]。

3 沉積相分析

利用色度、粒度結(jié)果與測井曲線特征，將PZK14孔由下而上分為15個沉積相(圖2)。

(1)沖積扇相(386.35～540.00 m)。礫石層、含礫粗砂—中細砂，礫石呈次棱角狀、次圓狀，直徑大多為1～3 cm，大者可達10 cm以上，巖性主要為花崗巖、流紋巖、正長斑巖、石英砂巖等。視電阻率曲線呈現(xiàn)出高幅度指形、漏斗形、鐘形等變化特征，表明沉積過程中能量變化大，沉積物粒徑較粗，在局部可見水動力由強減弱、由弱到強的特點，指示沖積扇的能量不穩(wěn)定。

(2)三角洲相(335.05～386.35 m)。巖性為暗灰色、暗灰棕色黏土夾少量粉細砂、砂礫石，黏土固結(jié)程度較好，呈弱固結(jié)—半固結(jié)狀，零星可見黑色錳質(zhì)斑點； 礫石磨圓度好，呈次圓狀、次棱角狀，大小為1～3 cm。電阻率曲線呈微齒形，表明沉積物來源較穩(wěn)定； 自然伽馬曲線呈齒形，齒中線呈平行式，表明水動力相對穩(wěn)定。L*平均值為56.30，a*平均值為3.58，b*平均值為13。平均粒徑的均值為5.90，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為3.57，偏態(tài)平均值為0.10，峰態(tài)平均值為0.29，砂含量為1.47%。

(3)河流相(317.95～335.05 m)。該段為一套具有明顯“二元結(jié)構(gòu)”的河流相沉積地層，下部為河道滯留沉積，巖性為砂礫石； 中部為天然堤沉積，巖性為淡黃棕色、暗黃棕色細砂夾黏土； 上部為河漫湖泊、河漫灘沉積，巖性為深暗灰色、淡黃棕色黏土。電阻率曲線呈齒形，表明沉積環(huán)境變化大，周期性短，脈動性強，符合河床沉積的特征。自然伽馬曲線呈指形，泥質(zhì)含量的大幅度變化反映沉積過程中水動力變化大。

(4)三角洲相(306.90～317.95 m)。下部(314.20～317.95 m)電阻率和自然伽馬曲線均呈微齒形，表明水動力條件相對穩(wěn)定；L*平均值為60.4，a*平均值為3.27，b*平均值為14.3； 平均粒徑的均值為6.38，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為5.44，偏態(tài)平均值為-0.02，峰態(tài)平均值為0.17，表明其為前三角洲—三角洲前緣沉積。上部(306.90～314.20 m)巖性為砂礫石，礫石磨圓度中等，大多呈次棱角狀，直徑為1～3 cm； 電阻率曲線呈齒形、指形，自然伽馬曲線呈箱形—齒形，表明沉積環(huán)境變化大，周期性短、脈動性強，符合三角洲平原分流河道沉積的特征。

(5)河流相(281.15～306.90 m)。巖性為黃棕色含黏土粉砂、黏土、細砂、砂礫石，黏土質(zhì)密堅硬，可見黑色錳質(zhì)斑點。電阻率曲線變化幅度逐漸減小，指示了水動力逐漸變小。自然伽馬曲線呈指形，說明泥質(zhì)含量變化較大。L*平均值為62.18，a*平均值為3.63，b*平均值為13.52。平均粒徑的均值為5.29，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為4.89，偏態(tài)平均值為0.06，峰態(tài)平均值為0.10，砂含量為36.15%。

(6)湖泊相(250.10～281.15 m)。巖性為深暗綠灰色、暗灰色黏土，粉細砂，含黏土細砂等，黏土中可見銹黃色條帶狀鐵質(zhì)浸染斑、黑色錳質(zhì)斑點和灰白色鈣質(zhì)結(jié)核。電阻率曲線呈低幅微齒形，齒中線呈水平平行式，指示沉積物粒度較細，沉積過程中水動力較穩(wěn)定。自然伽馬曲線呈指形—齒形，齒中線呈水平平行式，表明其泥質(zhì)含量變化較大。L*平均值為59.36。a*平均值為1.37，b*平均值為9.92；a*<2.5，b*<13，證實了其屬于湖泊沉積環(huán)境。

(7)三角洲相(209.10～250.10 m)。電阻率曲線上部呈箱型，下部呈中幅指形，且上部電阻率值小，下部值大； 自然伽馬曲線為齒形，呈水平平行式，中部值大，上下值相對較小。表明上部水動力變化較小，泥質(zhì)含量相對較少； 中部水動力小，泥質(zhì)含量多； 下部水動力變化較大且水動力呈勻速變化，物源較穩(wěn)定，脈動性較差。

如圖3所示，231～250 m整體呈現(xiàn)出逆粒序的特點。下部a*<2.5，b*<13，表明為還原環(huán)境； 測井曲線與粒度分析表明黏土含量較高，粉砂、砂含量較低，為三角洲前緣-前三角洲亞相。上部a*>2.5，b*>13，表明為氧化環(huán)境； 測井曲線與粒度分析表明黏土含量較低，粉砂、砂含量較高，頂部為砂礫層，為三角洲平原的陸上天然堤與分流河道微相。

圖3 三角洲相測井曲線、粒度參數(shù)曲線、色度曲線特征

(8)湖泊相(202.09～209.10 m)。巖性為深暗綠灰色、綠灰色、深暗灰色黏土以及粉砂、含黏土細砂等。電阻率曲線呈低幅微齒形，齒中線呈水平平行式，指示沉積過程中水動力較穩(wěn)定； 自然伽馬曲線呈高幅指形，并有一個先減小后增大的趨勢，表明其泥質(zhì)含量先減少后增多。L*平均值為55.78，a*平均值為1.06，b*平均值為8.48；a*<2.5，b*<13，表明其為還原沉積環(huán)境。平均粒徑的均值為4.99，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為3.60，偏態(tài)平均值為0.28，峰態(tài)平均值為0.60。

(9)三角洲相(174.10～202.09 m)。巖性以淡黃色、淡橄欖黃色黏土，細砂，中砂，含礫粗砂和砂礫石為主，黏土中可見銹黃色條帶狀鐵質(zhì)浸染斑和黑色錳質(zhì)斑點。電阻率曲線呈齒化指形，電阻率值先增大后減?。?自然伽馬曲線呈齒形，先減小后增大，表明該段沉積環(huán)境水動力變化較大。L*平均值為69，a*平均值為2.48，b*平均值為12.8。平均粒徑的均值為3.12，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為4.26，偏態(tài)平均值為0.71，峰態(tài)平均值為2.95。

(10)湖泊相(154.36～174.10 m)。巖性為暗灰色、暗綠灰色、深暗灰色黏土，以及粉砂、含黏土粉砂、中細砂等。電阻率曲線呈低幅微齒形，齒中線呈水平平行式，指示沉積物粒度較細，沉積過程中水動力較穩(wěn)定； 自然伽馬曲線呈高幅指形，并有一個由高到低的趨勢，表明其泥質(zhì)含量變化較大，總體上呈現(xiàn)出逐漸減少的特征。L*平均值為57.9，a*平均值為1.05，b*平均值為9.14；a*<2.5，b*<13，表明其為還原沉積環(huán)境。

(11)三角洲相(114.25～154.36 m)。巖性為深暗灰色、淺棕黃色、淺棕色黏土，粉砂，中細砂，粗砂，含礫粗砂和砂礫石，黏土中零星可見灰白色鈣質(zhì)斑點、黑色錳質(zhì)斑點和銹黃色鐵質(zhì)斑點。電阻率曲線呈高—低幅指形，且中部電阻率最高，下部次之，上部最低； 自然伽馬曲線呈高幅指形，由下向上總體呈現(xiàn)減小的趨勢，表明水動力變化大。L*平均值為59.29，a*平均值為3.36，b*平均值為13.31。平均粒徑的均值為4.21，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為6.62，偏態(tài)平均值為0.09，峰態(tài)平均值為0.16，砂含量為56.38%。

(12)湖泊相(99.05～114.25 m)。巖性為深暗灰色黏土、粉砂，黏土質(zhì)密，粘塑性強，有機質(zhì)含量高，可見黑色錳質(zhì)條帶、錳質(zhì)薄層。電阻率曲線呈微齒形，表明其水動力變化小； 自然伽馬曲線呈高幅指形變化，向上經(jīng)歷2次先增大后減小過程，表明其沉積過程中泥質(zhì)含量變化大，指示著湖泊2次由擴張到萎縮的過程。L*平均值為54.1，a*平均值為1.13，b*平均值為9.37；a*<2.5，b*<13，表明其為還原沉積環(huán)境。平均粒徑的均值為4.49，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為4.39，偏態(tài)平均值為0.19，峰態(tài)平均值為0.37。

(13)三角洲相(71.80～99.05 m)。巖性為淺棕黃色、淺棕色黏土，中細砂，粗砂，含礫粗砂和砂礫石，黏土中零星可見灰白色鈣質(zhì)斑點、黑色錳質(zhì)斑點和銹黃色鐵質(zhì)斑點。電阻率曲線呈高—低幅指形，且中部電阻率最高，下部次之，上部最低； 自然伽馬曲線呈高幅指形，由下向上總體呈現(xiàn)減小的趨勢。L*平均值為59.29，a*平均值為3.36，b*平均值為13.31。平均粒徑的均值為4.21，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為6.62，偏態(tài)平均值為0.09，峰態(tài)平均值為0.16，砂含量為56.38%。

(14)湖泊相(39.46～71.80 m)。巖性為深暗綠色、深暗灰色、深暗灰綠色黏土，以及粉砂、中砂、含礫粗砂，黏土質(zhì)密，粘塑性強，有機質(zhì)含量高，可見黑色錳質(zhì)條帶、錳質(zhì)薄層。電阻率曲線總體呈微齒，中部呈高幅齒形，表明其上部和下部水動力變化小。L*平均值為54.74；a*值平均值為1.35；b*平均值為8.88；a*<2.5，b*<13，表明其為還原沉積環(huán)境。平均粒徑的均值為4.64，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為5.50，偏態(tài)平均值為0.11，峰態(tài)平均值為0.19。

如圖4所示， 31～50 m下部為湖泊相，上部為河流相，接觸部位發(fā)育侵蝕面。下部色度a*<2.5，b*<13，表明為還原環(huán)境； 測井曲線與粒度分析表明黏土含量較高，粉砂、砂含量較低，平均粒徑較大，表明沉積物顆粒較細，綜上分析為湖泊相。上部a*>2.5，b*>13，表明為氧化環(huán)境； 測井曲線與粒度分析表明黏土含量較低，粉砂、砂含量較高，砂層中發(fā)育斜層理，綜上分析為河流相。

圖4 湖泊相-河流相測井曲線、粒度參數(shù)曲線、色度曲線特征

(15)河流相(0～39.46 m)。巖性為深灰棕色、深灰色黏土，黏土質(zhì)粉砂和中粗砂，黏土中可見銹黃色鐵質(zhì)浸染斑、灰白色鈣質(zhì)結(jié)核。電阻率曲線呈低幅齒化，總體上呈下高上低的特征； 自然伽馬曲線呈高幅齒形，先減小后增大。曲線的特征分析表明該段沉積環(huán)境總體上能量不高，但是水動力變化較頻繁。L*平均值為60.7；a*平均值為2.53；b*平均值為13.0。平均粒徑的均值為6.91，標(biāo)準(zhǔn)差平均值為2.62，偏態(tài)平均值為0.13，峰態(tài)平均值為0.45。

4 討論

4.1 PZK14孔沉積速率

從PZK14孔的沉積速率-年齡圖(圖5)中可以看出，自約2.5 Ma以來，主要極性帶界線之間的平均沉積速率均在100 m/Ma以上，沉積速率相對較大； 2.52～1.95 Ma期間，深度317.95～386.11 m層段平均沉積速率約為111.2 m/Ma； 1.77～1.95 Ma期間，深度289.26～317.95 m層段平均沉積速率約為194.0 m/Ma； 0.78～1.77 Ma期間，深度113.58～289.26 m層段平均沉積速率約為169.7 m/Ma； 0～0.78 Ma期間，深度0～113.58 m層段平均沉積速率約為145.62 m/Ma。早更新世—中更新世平均沉積速率沒有顯著變化，反映了該孔所在的燕山山前，古灤河沖積扇區(qū)較為穩(wěn)定單一的沉積環(huán)境。值得注意的是: 晚更新世—全新世平均沉積速率為563.49 m/Ma，該段地層沉積時間較短，埋深較淺，受上覆巖層壓實作用小，所以其壓縮固結(jié)量小，沉積厚度相對較大，沉積速率較快。

圖5 PZK14孔沉積速率-年齡圖

第四紀(jì)以來燕山山脈步入快速隆升時期[26-27]，古灤河沖積扇攜帶了大量的碎屑物質(zhì)由山區(qū)流入平原，塑造了山前第四紀(jì)的地貌形態(tài)。研究區(qū)始終處于構(gòu)造沉降背景下，PZK14鉆孔在第四紀(jì)各個時期的沉積速率均較高，與濱海地帶相差無幾[7-9]。燕山山脈的構(gòu)造抬升對冀東平原地區(qū)松散堆積物的沉積與地貌塑造起到了至關(guān)重要的作用。

4.2 PZK14孔沉積演化

根據(jù)孔內(nèi)15個沉積相的劃分，結(jié)合其所在的地理位置判斷，PZK14孔北部為古灤河沖積扇，南部為湖盆。由于第四紀(jì)以來燕山正處于穩(wěn)定隆升階段，孔內(nèi)各個時期的沉積速率變化較小，此時構(gòu)造對沉積速率控制較弱。推測氣候是影響沉積相發(fā)育的主要因素: 氣候溫暖潮濕時渤海灣地區(qū)發(fā)生海侵，內(nèi)陸泄水不暢引起湖盆擴張，發(fā)育湖相地層； 氣候寒冷干燥時海退，湖盆收縮，發(fā)育三角洲相、河流相沉積。

根據(jù)PZK14孔磁性地層與年代地層劃分[4]，鉆孔底部厚約153 m的泥礫石層為上新世沉積。進入第四紀(jì)，早更新世早期發(fā)育三角洲相，隨著氣候轉(zhuǎn)暖，古灤河沖積扇第一次退積，三角洲相轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿飨啵?1.77 Ma氣候開始轉(zhuǎn)暖，湖盆擴張，發(fā)育湖相沉積。早更新世中—晚期，發(fā)育3個湖泊-三角洲相旋回，暗示早更新世經(jīng)歷了3個冷暖交替的氣候變化，古灤河沖積扇發(fā)生了3次較大的沖洪積事件； 中更新世發(fā)育1個湖泊-三角洲相旋回； 晚更新世開始，渤海灣沿岸發(fā)生海侵，沉積了渤海灣沿岸第Ⅲ海侵層，PZK14孔處泄水不暢，沉積的湖相沉積對應(yīng)MIS5階段沉積物。隨著氣候轉(zhuǎn)冷，海侵結(jié)束，發(fā)育河流相。全新世渤海灣沿岸在8.0～9.0 ka B.P.受到海侵，PZK14孔以河間洼地沉積為主。

5 結(jié)論

(1)第四紀(jì)各個時期的沉積速率均大于110.0 m/Ma，其中，奧杜威極性亞時(1.95～1.77 Ma)沉積速率最大，約為194.0 m/Ma； 2.52～1.95 Ma沉積速率最小，約為111.2 m/Ma。通過對比第四紀(jì)各個時期的沉積速率，該孔所在的古灤河沖積扇區(qū)為較為穩(wěn)定單一的沉積環(huán)境，構(gòu)造對該地區(qū)沉積速率的控制較弱。

(2)通過對唐山西部地區(qū)PZK14孔晚新生代沉積特征的研究，確定了該地區(qū)沉積演化規(guī)律： 上新世晚期發(fā)育沖積扇相； 進入第四紀(jì)，早更新世早期發(fā)育三角洲相，隨著氣候轉(zhuǎn)暖，古灤河沖積扇第一次退積，三角洲相轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿飨啵绺率乐小砥?，發(fā)育3個湖泊-三角洲相旋回； 中更新世發(fā)育1個湖泊-三角洲相旋回； 晚更新世發(fā)育湖相、河流相； 全新世以河間洼地沉積為主。

致謝：感謝天津市地質(zhì)調(diào)查研究院王家兵教授級高級工程師，河北省地質(zhì)調(diào)查院肖文暹教授級高級工程師，中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心袁桂邦教授級高級工程師、胥勤勉研究員在野外工作中給予的幫助。