河北平原北部D1孔第四紀(jì)以來的古氣候演化

張金龍　李慶喆　潘志龍　張歡

［摘要］通過恢復(fù)、重建河北平原北部第四紀(jì)以來的古氣候演化過程，可以科學(xué)預(yù)測未來氣候演化方向，更好促進(jìn)人與自然和諧相處。本文在結(jié)合D1孔巖石地層和年代地層劃分成果基礎(chǔ)上，通過研究鉆孔沉積物中的孢粉分布規(guī)律，進(jìn)一步將其劃分為３個(gè)孢粉組合。研究表明：該區(qū)孢粉組合總體以嵩、藜等灌木和草本花粉為主，喬木及蕨類少量，整體表現(xiàn)為稀樹草原植被環(huán)境。早更新世時(shí)期，區(qū)內(nèi)古氣候具有寒冷干旱向溫和偏干轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)；中更新世時(shí)期具有溫涼潮濕的氣候特征；進(jìn)入晚更新世，區(qū)內(nèi)整體表現(xiàn)為溫涼濕潤的氣候特征。本區(qū)的孢粉組合反映的第四紀(jì)以來古氣候演化規(guī)律與河北平原其余地區(qū)古氣候變化規(guī)律具有較好的可比性。

［關(guān)鍵詞］河北平原；第四紀(jì)；孢粉組合；古氣候

隨著近年來各種極端天氣的出現(xiàn)，人們越來越重視氣候問題。第四紀(jì)作為與人類活動(dòng)關(guān)系最緊密的時(shí)期，對(duì)其古氣候演化的探討對(duì)于未來的氣候的研究具有重大的意義。而孢粉分析作為一種成熟的第四紀(jì)古氣候重建和古環(huán)境分析方法，因其高靈敏度和準(zhǔn)確性等優(yōu)勢而得到了廣泛的應(yīng)用。本次研究區(qū)所處的河北平原北部區(qū)域，受燕山山脈的影響，其氣候變化敏感，環(huán)境效應(yīng)顯著，并且復(fù)雜的第四紀(jì)沉積物中也蘊(yùn)含著豐富的地質(zhì)演化信息。雖然前人在河北平原東南部進(jìn)行了眾多孢粉研究，但是平原北部的研究甚少。而趙勇、石光耀等人雖然通過對(duì)大興凸起構(gòu)造單元上的PGZ05、D1鉆孔進(jìn)行了年代地層學(xué)研究，建立了該單元的第四紀(jì)地層格架，但是缺乏孢粉方面的研究。因此通過對(duì)鉆孔沉積物中孢粉組合的分析，對(duì)于恢復(fù)和重建河北平原北部第四紀(jì)以來的植被類型和古氣候演化提供了重要基礎(chǔ)資料。

１ 區(qū)域地質(zhì)概況

工作區(qū)位于河北平原北部，北側(cè)緊鄰燕山山脈，地處冀中坳陷東北部的大興凸起、大廠凹陷和寶坻凸起三個(gè)構(gòu)造單元交匯處，本次施工的D1鉆孔則位于大興凸起的北部，夏墊斷裂下盤（圖１）。鉆孔揭示該構(gòu)造單元自第四紀(jì)以來主要以河流相沉積環(huán)境為主，地表則主要是由潮白河與？河共同作用形成的沖積、洪積平原，地形相對(duì)較平坦，最大高差26ｍ，總體呈北西高、南東低的地勢特點(diǎn)。

D1鉆孔位于河北省三河市燕郊鎮(zhèn)小石各莊村南（圖１），鉆孔孔口高程19.07ｍ，鉆孔進(jìn)尺203ｍ，野外共分為176層。鉆機(jī)采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械鉆，巖芯管直徑110ｍｍ，全孔的取芯率大于90％，巖心直徑110ｍｍ，取芯率和巖心狀況均滿足地質(zhì)編錄以及地層研究等方面的需求。

２ 鉆孔巖心特征

D1鉆孔位于潮白河附近，鉆孔中的第四紀(jì)沉積物的形成與潮白河及其他河流的多期次沖洪積作用的疊加密切相關(guān)。該孔的沉積物巖性主要以粘土、粉砂、細(xì)砂、中－ 粗砂和含礫砂等為主，地層序列自下至上分別為：上新世明化鎮(zhèn)組、早更新世饒陽組、中更新世肅寧組和晚更新世西甘河組（圖２）。其中，明化鎮(zhèn)組為一套棕紅色、棕黃色雜淺灰色曲流河相泥砂質(zhì)沉積，局部見辮狀河相厚層、巨厚層砂礫沉積。饒陽組下部為黃棕色、灰棕色細(xì)砂、中砂夾薄層狀粘土；中部為棕、深棕色粘土、粉砂質(zhì)粘土夾粉細(xì)砂、中砂，常含鈣質(zhì)結(jié)核；上部為淺灰色、綠灰色粉砂、細(xì)砂。整體分選及磨圓中等，常發(fā)于水平層理、平行層理（圖３）。肅寧組為灰色、棕灰色、棕黃色中細(xì)砂、粉砂、粉砂質(zhì)粘土及淤泥質(zhì)粘土組合，頂部常含大量鐵錳質(zhì)結(jié)核（圖４）。西甘河組為棕灰色、棕黃色為主的含礫粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂以及粉砂質(zhì)粘土等，粉砂質(zhì)粘土中常發(fā)育大量銹染及鈣質(zhì)結(jié)核，局部潴育化作用強(qiáng)烈。

根據(jù)鉆孔中沉積物的顏色、沉積構(gòu)造以及沉積旋回等特征，并結(jié)合鉆孔測井曲線，本文將鉆孔巖心自下至上劃分成了兩套沉積物組合，并進(jìn)一步劃分為四部分：

沉積物組合Ⅰ（深度153.9～203ｍ）：該套沉積物組合主要為洪積扇沉積成因，根據(jù)沉積物巖性組合以及測井曲線特征，進(jìn)一步將該段沉積物劃分為兩部分。下部（深度186.6～203ｍ）為一套棕黃－橘黃色的粉砂和粘土質(zhì)粉砂巖性組合，視電阻率曲線呈低幅的鋸齒狀。該部分弱固結(jié)，具有“硬、脆”的特征，尤其底部的粉砂及粘土質(zhì)粉砂中發(fā)育２套薄層狀的鈣質(zhì)層，厚度為５～8ｃｍ。該段沉積物的顏色及巖性組合整體反映當(dāng)時(shí)為一種干旱暴露的氧化環(huán)境，可與洪積扇的扇緣沉積環(huán)境進(jìn)行對(duì)比。上部（深度186.6～153.9ｍ）的沉積物以砂為主，粘土夾層較少，主要為一套棕黃－棕灰色的中－細(xì)砂、粉砂夾粘土質(zhì)粉砂的巖性組合，其視電阻率曲線表明該段沉積物具有兩個(gè)清晰的沉積旋回，并且單個(gè)旋回的視電阻率曲線下部呈箱型、鐘形，而上部呈低幅的鋸齒狀，并且下部沉積物厚度明顯大于上部，與巖心揭示的巖性特征一致。推測該段形成于洪積扇的扇上河道沉積環(huán)境。

沉積物組合Ⅱ（深度０～153.9ｍ）：該套沉積物組合普遍呈灰色、棕灰色、棕黃色色調(diào)，巖性以粗－中砂、細(xì)粉砂為主，可見灰色、棕灰色的粘土質(zhì)粉砂或粘土的夾層，普遍發(fā)育侵蝕構(gòu)造、粒序?qū)永?、平行層理和水平層理等沉積構(gòu)造，“二元結(jié)構(gòu)”特征明顯，為典型曲流河沉積環(huán)境的產(chǎn)物。根據(jù)沉積物巖性組合以及測井曲線特征，進(jìn)一步將該段沉積物劃分為兩部分。下部（深度91.4～153.9ｍ）主要為一套灰－淺灰色的中細(xì)砂夾淺灰色、棕黃色粉砂、粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土的巖性組合，其中粉砂和粘土中常發(fā)育細(xì)小的鈣質(zhì)結(jié)核。結(jié)合該段沉積物巖性和測井曲線特征可進(jìn)一步劃分為３ 個(gè)大的沉積旋回，單個(gè)旋回的下部巖性以河床沉積的中、細(xì)砂為主，上部則以泛濫平原沉積粉砂、粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土為主，而視電阻率曲線下部多呈鐘形，上部為低幅鋸齒狀，并且上部厚度遠(yuǎn)大于下部，與巖心揭示的巖性特征一致，具有典型的“二元結(jié)構(gòu)”特征，為較穩(wěn)定氣候環(huán)境下形成的曲流河沉積環(huán)境的產(chǎn)物。上部（深度０～91.4ｍ）為一套灰色、棕黃色中、細(xì)砂夾淺灰色、棕黃色粉砂、粘土質(zhì)粉砂和粘土的巖性組合。該段沉積物可進(jìn)一步劃分為９個(gè)沉積旋回，旋回的下部以邊灘沉積的砂為主，上部以漫灘沉積的粉砂、粘土為主，且粉砂質(zhì)粘土及粘土層中常發(fā)育炭質(zhì)斑點(diǎn)及繡染等現(xiàn)象，部分粘土層具有明顯的潴育化特征。該段視電阻率曲線下部多呈箱形或鐘形，上部呈低幅鋸齒狀，與巖心揭示的巖性特征一致，具有清晰的“二元結(jié)構(gòu)”特征，整體形成于水量充沛、頻繁改道的曲流河沉積環(huán)境。

３ 測試方法與結(jié)果

３.１ 測試方法

本次工作從D1孔第四紀(jì)沉積物中，共采集了73件孢粉樣品，采集范圍為０～187ｍ，孢粉樣品的巖性主要為灰黃色黏土、粉砂質(zhì)黏土以及黏土質(zhì)粉砂。

本次所有的樣品分類整理、孢粉鑒定以及統(tǒng)計(jì)等工作，均是在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心完成的。實(shí)驗(yàn)方法采用目前國際最常用的酸泡－ 篩濾法，首先選取適量無污染的樣品放入烘箱內(nèi)烘干，然后放入瑪瑙研缽中進(jìn)行研磨、粉碎，粉碎后稱取粉砂－ 砂類樣品30～50ｇ，粘土類樣品10～30ｇ。之后在裝有樣品的燒杯中加入一粒石松孢子，再將400ｍl質(zhì)量濃度為30％的鹽酸溶液注入孢粉樣品中浸泡三至四天，除去樣品中的碳酸鹽成分，隨后用蒸餾水反復(fù)清洗數(shù)次至中性后，轉(zhuǎn)移至塑料燒杯中；用300～400ｍl質(zhì)量濃度90％以上的氫氟酸溶液浸泡四至五天，除去樣品中的硅質(zhì)成分，用蒸餾水清洗數(shù)次至中性；用超聲波震蕩過孔徑８μｍ 篩，篩除小于孢粉體積的顆粒殘?jiān)浑x心后置于冰箱內(nèi)冷藏保存；最后制作固定片和活動(dòng)片，并在光學(xué)顯微鏡下觀察，完成鑒定以及數(shù)目統(tǒng)計(jì)工作。

３.２ 測試結(jié)果

本次在D1鉆孔中采集的73件孢粉樣品中，僅在40件樣品中獲得150～350 粒不等的孢子花粉粒，平均211粒／樣品，其他33個(gè)樣品基本未見到孢粉顆粒，或少量樣品中僅發(fā)現(xiàn)零星孢子花粉顆粒，但由于孢粉數(shù)量極少，不具有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)意義，未計(jì)入孢粉譜分析。本次研究總共分析鑒定出51個(gè)孢子花粉類型，全部孢子和花粉總數(shù)被用來計(jì)算每個(gè)類型的百分含量。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鉆孔沉積物中的孢粉組合總體以灌木和草本花粉為主，含量為48.85%～95.33%，平均為78.31%。灌木和草本花粉以嵩（Artemisia）、藜（Chenopodiaceae）和禾本科（Gramineae）為主，其他類型還有莎草科（Cyperaceae）、蓼科（Polygonaceae）、菊科（Compositae）、百合科（Liliaceae）、麻黃（Ephedra）等。喬木花粉整體上含量低，僅僅在部分層段的樣品中含量較高，含量變化較大。落葉闊葉樹花粉介于1.08%～30.7%，平均9.48%，以櫟屬（Quercus），榆（Ulmus），胡桃（Juglans），山核桃（Carya），眼子菜科（Podocarpus）等常見。針葉樹花粉介于0%～31.6%，平均9.63%。針葉樹花粉以松屬含量較高為特征，其他針葉樹花粉類型還有鐵杉（Tsuga）、羅漢松（Podocarpus）、落葉松（Larix）、柏科（Cupressaceae）、杉科（Taxodiaceae）等。其他見有少量的濕生蕨類植物孢子以及水生藻類分子，含量0%～10.83%，平均2.57%，蕨類植物孢子主要為水龍骨孢（Polypodiaceae）、鳳尾蕨科（Pterisisporites）和里白科（Gleicheniaceae）；水生藻類分子有盤星藻（Pediastrum）、環(huán)紋藻（Concentricystis）和雙星藻（Zygnema）。

３.３ 孢粉組合劃分

基于孢粉主要組分含量變化，以鉆孔深度為縱坐標(biāo)，將所有樣品的孢粉屬種含量作為橫坐標(biāo)，繪制了孢粉譜圖（圖５）。根據(jù)孢粉主要種屬沿深度的變化，我們將該孔自下而上劃分３ 個(gè)孢粉組合，并將孢粉組合Ⅱ進(jìn)一步劃分為Ⅱ－１和Ⅱ－２兩個(gè)亞組合。其特征分述如下：

孢粉組合Ⅰ（深度128.8～186.7m）：該組合總體特征以灌木和草本花粉含量較高為特征，平均占67.33%，針葉類花粉含量居次，平均占20.8%。落葉闊葉類花粉含量較少，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%）為主。禾本科（Gramineae）較低，平均僅8.83%。其他類型還有莎草科（Cyperaceae）、菊科（Compositae）、百合科（Liliaceae）、麻黃（Ephedra）、香蒲（Typha）等。針葉樹花粉以松屬含量占絕對(duì)優(yōu)勢，平均15.66%。同時(shí)見少量鐵杉（Tsuga）、落葉松（Larix）、柏科（Cupressaceae）和杉科（Taxodiaceae）。落葉闊葉樹花粉以榆（Ulmus）（平均4.75%）最多，眼子菜科（Potamogetonaceae）花粉（平均1.7%）居次，此外見極少量的櫟屬（Quercus）、山核桃（Carya）、胡桃（Juglans）等。蕨類孢子平均僅見2.72%．主要為水龍骨科（Polypodiaceae）（平均1.1%）和里白科（Gleicheniaceae）（平均1.14%），未見藻類分子。

孢粉組合Ⅱ（深度43.75～128.8m）：與上一組合相比，本組合以灌木和草本花粉含量明顯增加（平均86.48%）而針葉類花粉含量顯著降低（平均6.06%）為特征。落葉闊葉類花粉含量略微降低．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%）為主，且均較上一組合略增加。禾本科（Gramineae）（平均16.75%）和菊科（Compositae）（平均12.53%）均較上一組合明顯增加。出現(xiàn)極少量狐尾藻（Myriophyllum）和唇形科（Labiatae）花粉。針葉樹花粉仍以松屬含量占絕對(duì)優(yōu)勢（平均5.58%），但較上一組合明顯降低。其他針葉樹花粉類型如鐵杉（Tsuga）、羅漢松（Podocarpus）、落葉松（Larix）和柏科（Cupressaceae）均上一組合略微降低，落葉闊葉樹花粉仍以櫟屬（Quercus）（平均1.37%）、榆屬（Ulmus）（平均2.83%）為主，且榆屬花粉含量較上一組合合降低，此外還見少量的眼子菜科（Potamogetonaceae）、山核桃（Carya）、胡桃（Juglans）、椴屬（Tilia）、榛屬（Corylus）等。蕨類孢子較上一組合略低，平均僅見1.71%，且未見藻類分子。其中喜濕潤的水龍骨科（Polypodiaceae）明顯降低，平均0.52%。本文根據(jù)該孢粉組合中孢粉的整體變化趨勢，進(jìn)一步劃分為孢粉亞組合Ⅱ-1（深度91.4-128.8m）和孢粉亞組合Ⅱ-2（深度43.75-91.4m）。

孢粉組合Ⅲ（深度0～43.75m）：該組合灌木和草本花粉含量再次減少（平均70.44%），而落葉闊葉類花粉含量迅速增加，平均16.2%。針葉類花粉含量較少，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(yōu)勢，且均較上一組合略微降低。菊科（Compositae）（平均3.9%）和麻黃（Ephedra）（平均1.94%）較上一組合減少，此外還含有少量莎草科（Cyperaceae）、百合科（Liliaceae）、香蒲（Typha）等，較上一組合略微增加。落葉闊葉樹花粉以榆（Ulmus）（平均9.42%）最多，較上一組合明顯增加。櫟屬（Quercus）、眼子菜科（Potamogetonace-ae）、山核桃（Carya）、胡桃（Juglans）等均見少量。針葉樹花粉以松屬含量較高為特征，平均7.73%，較上一組合略微增加。同時(shí)見少量鐵杉（Tsuga）、落葉松（Larix）、柏科（Cupressaceae）和杉科（Tax-odiaceae）。蕨類孢子和藻類分子較少，平均僅占4.01%，但較上一組合明顯增加，以水龍骨科（Pol-ypodiaceae）（平均1.24%）和雙星藻（Zygnema）（平均1.17%）為代表，其他還見有極少量鳳尾蕨科（Pterisisporites）、里白科（Gleicheniaceae）、膜蕨科（Hymenophyllaceae）、蚌殼蕨科（Dicksoniace-ae）、瘤足蕨科（Plagiogyriaceae）以及環(huán)紋藻（Con-centricvstis）。

４ 討論

植被的生長和發(fā)育與生態(tài)環(huán)境密切相關(guān)，通過對(duì)孢粉組合特征的分析，有利于恢復(fù)和重建古環(huán)境。本文通過對(duì)Ｄ1鉆孔孢粉組合的研究，初步重建了河北平原北部第四紀(jì)以來的植被類型以及古氣候演化規(guī)律。

上新世末期－早更新世初期，孢粉組合Ⅰ中含量較高的灌木和草本花粉驟然降低，反映出當(dāng)時(shí)向寒冷干旱氣候轉(zhuǎn)變的特征。在進(jìn)入早更新世后，孢粉亞組合Ⅱ－１中的蒿、藜等灌木－草本花粉含量明顯增加，而針葉類花粉含量顯著降低，如松、鐵杉、羅漢松等，其次可見少量以櫟屬、榆屬等為主的落葉闊葉樹花粉和蕨類及喜濕的水龍骨科等。上述孢粉組合反映早更新世時(shí)期區(qū)內(nèi)氣候經(jīng)歷了由寒冷干旱到溫和偏干轉(zhuǎn)變的特點(diǎn)。

中更新世時(shí)期，孢粉亞組合Ⅱ－２ 中蒿、藜等灌木－草本花粉，松、鐵杉等針葉類花粉，蕨類以及喜濕的水生藻類等，含量均比亞組合Ⅱ－１ 略高，由此推斷該時(shí)期區(qū)內(nèi)氣候整體具有相對(duì)溫涼潮濕的特征。

晚更新世，孢粉組合Ⅲ中以蒿、藜、喬本等為主的灌木－草本花粉和以松屬為主的針葉類花粉含量減少，以榆屬為主的落葉闊葉類花粉含量迅速增加，同時(shí)喜濕潤的蕨類和水生藻類植物也有所增加，總體反映了當(dāng)時(shí)一種溫涼濕潤的氣候特征，與呂可欣等人的認(rèn)識(shí)具有可比性。

綜上所述，Ｄ1鉆孔中孢粉的組合特征指示，區(qū)內(nèi)整體為疏林草原植被類型，以灌木和草本植物含量占優(yōu)勢，其次為水生濕生植物、木本植物，此外見少量喜濕潤的蕨類植物及水生藻類植物。自早更新世至晚更新世氣候波動(dòng)較大：區(qū)內(nèi)氣候具有寒冷干旱到溫和偏干→ 溫涼潮濕→ 溫涼濕潤的變化趨勢。這與前人關(guān)于河北平原第四紀(jì)以來的植被組合與古氣候演化較一致。

５ 結(jié)論

（１）據(jù)大興凸起構(gòu)造單元之上的Ｄ1 鉆孔揭示，鉆孔中的孢粉可劃分為３ 個(gè)孢粉組合，總體反映該區(qū)為疏林草原植被類型。

（２）早更新世時(shí)期，研究區(qū)為寒冷干旱向溫和偏干轉(zhuǎn)變的氣候環(huán)境；進(jìn)入中更新世，整體具有溫涼潮濕的氣候特點(diǎn)；晚更新世以來氣候逐漸向溫涼濕潤轉(zhuǎn)變。