地质力学学报  2019, Vol. 25 Issue (2): 249-256
引用本文
李瑞杰, 赵勇, 魏波, 孙永华, 王强. 永定河中下游廊固凹陷北部ACX02钻孔地层年代学研究[J]. 地质力学学报, 2019, 25(2): 249-256.
LI Ruijie, ZHAO Yong, WEI Bo, SUN Yonghua, WANG Qiang. STRATIGRAPHIC GEOCHRONOLOGY OF ACX02 BOREHOLE IN THE MIDDLE AND LOWER REGION OF THE YONGDING RIVER, THE NORTH OF THE LANGGU DEPRESSION[J]. Journal of Geomechanics, 2019, 25(2): 249-256.
永定河中下游廊固凹陷北部ACX02钻孔地层年代学研究
李瑞杰1 , 赵勇1 , 魏波1 , 孙永华1 , 王强2     
1. 北京市地质调查研究院 北京 100195;
2. 中国地质调查局天津地质调查中心 天津 300170
摘要:第四纪地层年代学格架的建立对于区域地层对比及古地理环境演化研究具有重要意义。通过分析永定河中下游地区廊固凹陷北部后王各庄村ACX02钻孔378 m岩芯沉积物的结构构造、岩性组合特征,应用测井曲线及古地磁、AMS14C、OSL测年方法,对ACX02钻孔剖面进行详细地层划分、沉积相研究及地层年代学格架的建立。结果表明,岩芯记录了布容正向极性时、贾拉米洛极性亚时、奥尔都维极性亚时和高斯正极性亚时,地层从老到新依次为:下更新统(Qp1)以河道相、泛滥平原相沉积为主,底界260 m;中更新统(Qp2)以湖沼相沉积为主,底界76.7 m;上更新统(Qp3)主要为河道相沉积,底界59.7 m;全新统(Qh)主要为泛滥平原相沉积,底界15.45 m。
关键词AMS14C    磁性地层    年代地层    廊固凹陷北部    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2019.25.02.024     文章编号:1006-6616(2019)02-0249-08
STRATIGRAPHIC GEOCHRONOLOGY OF ACX02 BOREHOLE IN THE MIDDLE AND LOWER REGION OF THE YONGDING RIVER, THE NORTH OF THE LANGGU DEPRESSION
LI Ruijie1 , ZHAO Yong1 , WEI Bo1 , SUN Yonghua1 , WANG Qiang2     
1. Beijing Geological Survey Institute, Beijing 100195, China;
2. Tianjin Geological Survey Centre, China Geological Survey, Tianjin 300170, China
Abstract: The establishment of quaternary stratigraphic chronology framework is of great significance to the study of regional stratigraphic correlation and paleogeographic environment evolution. The structural construction and lithological composition characteristics of the 378m core sediments of the ACX02 borehole in Houwanggezhuang village in the north of the Langgu depression in the middle and lower reaches of Yongding river were analyzed. Using methods of well logging, paleomagnetism, AMS14C and OSL dating, detailed stratigraphic division, study of sedimentary facies, and establishment of stratigraphic chronology framework were carried out for ACX02 borehole profile. The results show that:the core records the sub-time of positive polarity of bujong, jaramillo, ordovi and gauss; The strata from old to new are:the lower pleistocene (Qp1) is dominated by fluvial and flood plain facies with a bottom boundary of 260 m; the middle pleistocene (Qp2) is dominated by limnetic sedimentary with a bottom boundary of 76.7 m; the upper pleistocene (Qp3) is dominated by fluvial facies with a bottom boundary of 59.7 m; the holocene (Qh) is dominated by flood plain facies with a bottom boundary of 15.45 m.
Key words: AMS14C    magnetostratigraphy    chronostratigraphy    the north of the Langgu Depression    

永定河是北京的母亲河,也是流经北京区域的最大河流,自西北流向东南,最后经海河汇入渤海。永定河冲积平原是永定河多期改道冲积形成的,受构造、古地形、古气候等因素影响,地层复杂,不同地区第四纪地层岩性、岩相的横纵向变化明显,沉积物厚度从山前到平原一般由几十米到数百米不等,给第四纪的地层划分带来困难。随着1970年代末古地磁和测年技术的广泛应用,北京地区永定河[1~3]、古环境气候[4~5]、第四纪地层[6~8]和活动断裂[9~10]相关研究工作取得了众多进展,相继报道数个钻孔古地磁研究成果。但永定河中下游地区第四纪地层、古地磁及年代学研究工作较少[11]。文章以北京琉璃河、庞各庄、安次县3幅1:5万区调项目中ACX02钻孔岩心资料为基础,分析其沉积物结构构造特征,配合AMS 14C、OSL测年,在该区建立第四纪地层剖面,并开展磁性地层学及年代地层学研究,以期为该区域第四纪地质、古地理环境演化提供基础资料。

1 钻孔地层及沉积环境 1.1 钻孔概况

ACX02钻孔位置(39°34′56.14″N,116°40′20.55″E),在构造上属廊(坊)—固(安)凹陷东北部(图 1)。该孔孔口标高18.12 m,采用油压式钻机取芯378 m,岩心直径90 mm,全孔取心率达90%以上。取芯率和岩芯完整度满足研究要求。

图 1 构造纲要及ACX02钻孔位置图 Fig. 1 Schematic map of tectonic and the location of the ACX02 borehole
1.2 地层特征

ACX02钻孔岩芯沉积物有粘土、粉质粘土、粘质粉砂、粉砂、中细砂、粗砂、砂砾石,岩性复杂,含钙质、铁锰质结核,炭斑,锈斑,腹足类、介形类残片,发育层理、侵蚀不整合面等构造现象,沉积环境复杂多变。以每米30个点和20个点的间距对ACX02孔进行测井测试,获得了自然伽马、自然电阻率、梯度电阻率三条测井曲线,经对比其形态基本吻合,对自然伽马和电阻率曲线镜像处理分析后可知,砂泥含量变化基本同步,测井曲线标示的岩性变化点深度与野外现场岩性描述相差不大(图 2),二者对比局部岩性段有差异,造成此结果的重要原因有仪器自身误差、岩芯局部变形或残余泥浆。基于对岩性特征分析,结合测井成果,该钻孔岩芯自上而下可以划分为8个层段(图 2)。

图 2 ACX02钻孔岩性柱、自然伽马、电阻率测井曲线及沉积环境解释 Fig. 2 The lithological column, natural gama and step resistivety logging curves as well as sedimentary environment interpretation in the borehole ACX02

第1岩性段:孔深0~15.45 m。

中下部以灰色、灰褐色、灰黑色粘质粉砂、粉质粘土、粘土、淤泥质等为主,粒度较细,以湖沼相为主;上部沉积物较下部颜色逐渐演变为黄褐色,岩性以粉砂、粘质粉砂为主,属于泛滥平原沉积环境。

第2岩性段:孔深15.45~59.7 m。颜色以褐色、褐黄色、灰色为主,主要为细砂、中砂和粘土层,总体上发育砂—粘土级3个明显沉积旋回,以河流相沉积为主,夹泛滥平原沉积。地层厚度达44.25 m。

第3岩性段:孔深59.7~76.7 m。以灰褐色、黄褐色、棕色、灰色、灰黑色粉砂质粘土、粘土为主,属湖沼沉积环境。该层段地层厚度达17 m。75.2 m处发育一个不规则侵蚀面,上部灰褐色中细砂侵蚀下部浅棕色块状粘土,且粘土中含钙质结核。

第4岩性段:孔深76.7~175 m。上部76.7~140 m是一套灰褐色、棕色、灰色粘土、亚粘土沉积物,泛滥平原沉积环境,夹河流相和湖沼相沉积。下部140~175 m以一套灰褐色、黄褐色砂层夹黄褐色、棕色细粒粘土沉积为主,属于近等频次的河道沉积环境。该层段地层厚度达98.3 m。

第5岩性段:孔深175~226 m。上部175~200 m总体以细粒沉积物为主,岩性有黄褐色、褐色、棕色粘土—粉砂质粘土,该段总体属泛滥平原沉积环境,在180 m上下灰绿色、灰色地层中发育有介形类化石及其残片,为湖相沉积。下部200~226 m岩性为黄褐色、灰褐色粉细砂、中粗砂,局部含砾石和粘土层,砂层见斜层理、交错层理,属河道沉积环境。该层段地层厚度达51 m。

第6岩性段:孔深226~260 m。沉积物颜色多呈棕红色、黄褐色,以细颗粒粘土、砂质粘土等为主,夹薄层粉细砂,属泛滥平原夹小型河道沉积环境。

第7岩性段:孔深260~352 m。在顶部260~260.5 m为棕红色粘土,半固结状,发育大量钙质结核,其粒径0.2~1 cm大小不等,显示经历了湿热化作用。该段为一套黄褐色、灰褐色砂层、棕色、棕红色、黄褐色粘土、粘质粉砂,局部固结呈岩状。呈现明显的4个由砂层—粘土层变化的序列,总体属于河道和泛滥平原沉积环境体系。

第8岩性段:孔深352~378 m。主体为黄褐色砂层为主,夹薄层粘土类沉积为主,总体属河道沉积,底部泥岩为泛滥平原沉积。

2 采样与实验 2.1 古地磁取样与实验

对ACX02孔378 m岩芯共采取古地磁样品596块,采用2 cm×2 cm×2 cm取样且标明顶底方向,粘土类细粒沉积物取样间距1 m取4~6个,粉砂层取样间距1 m取3~4个,粗粒沉积物中粗砂、砂砾石层、扰动岩芯以及缺失层位不取样。样品测试在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成;试验仪器为GSD-2型交变退磁仪,测试环境为磁屏蔽屋内零磁空间(<300 nT),测试方法是应用5 mT、7.5 mT、10 mT、12.5 mT、15 mT、20 mT、25 mT、30 mT、35 mT、40 mT、45 mT、50 mT、55 mT、60 mT、70 mT和80 mT的退磁间隔依次对样品进行交变退磁[12];此外在2G-760 U-Channel岩石超导磁力仪上进行剩磁测量。

2.2 古地磁结果分析

数据处理和分析结果如代表性样品的剩磁矢量正交投影图(图 3)所示,在12.5~15 mT条件下大部分样品已洗去次生粘滞剩磁分量,此后剩磁保持稳定且逐步趋向原点,可代表了原生特征剩磁的方向。在20~50 mT磁场中交变退磁样品可获得稳定的特征剩磁。测试结果表明形成于强氧化环境且含钙质结核样品的测试数据质量较差,大部分淡灰色沉积物样品剩磁弱,不具备参考价值。因此筛选出347件优质样品数据进行磁倾角曲线编绘[12]

图 3 ACX02钻孔代表样品的退磁强度衰减曲线及Z矢量图 Fig. 3 Orthogonal(Zijderveld) vector plots of representative specimens from the ACX02 borehole
3 结果与讨论 3.1 古地磁极性柱的建立

利用古地磁测试结果中磁倾角数据建立ACX02钻孔古地磁磁性柱子,结果显示该钻孔古地磁极性具有比较规则的排列顺序,对比标准古地磁极性柱[13~14]后,可将该钻孔古地磁磁性柱从上到下依次分为3个较明显极性带(图 4)。①夹有几个较薄的负极性漂移且以正极性为主的Brunhes极性带(0~76.7 m);②负极性为主的Matuyama极性带(76.7~260.0 m),其中86.4~96.3 m为Jaramillo亚时,110~122.6 m为CobbMountain亚时,219.8~230.5 m为Olduvai亚时;③正极性为高斯(Gauss)极性带(260.0~378.0 m),321.0~330.8 m为Kaena亚时,345.0~353.5 m为Mammoth亚时。

图 4 ACX02钻孔磁性地层图 Fig. 4 magnetostratigraphy of ACX02 borehole
3.2 第四纪地层底界厘定

(1) 全新统底界

采集ACX02孔7.00 m、10.30 m和21.80 m的3个含有机质沉积物样品,由美国Beta实验室完成AMS14C测年;采集17.2 m的沉积物样品由中国地质大学(武汉)构造与油气资源教育部重点实验室完成OSL测试。(表 1)。

表 1 14C和OSL测年数据 Table 1 14C dating and OSLdata from the borehole ACX02

全新世开始的标志之一为贫营养湖沉积、泥炭发育及含有机质层位的出现[15]。ACX02孔(图 2)岩芯9.5~15.45 m沉积物为灰色、深灰色、灰黑色粘土、粉砂质粘土,为明显的含有机质层位,其中15.00~15.45 m浅灰色粉砂、灰褐色细砂层应为全新世早期河流沉积物;15.75 m之上发育30 cm厚灰褐色、褐黄色粘土,其发育厚约1 m褐黄色细砂,可视为冰后期转暖、降水增多的标志;16.80~17.65 m为棕黄色—浊橙褐色致密块状含钙质结核氧化粉砂质粘土层,且在17.20 m处、21.80 m处分别获取沉积物年龄15300±2100 a(OSL)和29870+/-170 a(14C),结合河北省黄骅和天津地区研究认识[16],将16.80~17.65 m粘土层定为末次盛冰期(LGM)硬粘土。综上所述,通过沉积物特征分析、区域标志性地层对比以及AMS 14C和OSL年龄约束,以15.45 m作为该孔全新统底界。

(2) 晚更新统底界

华北平原及渤海湾地区研究成果表明,晚更新世以来全球气候变化明显,在全球气候背景下,深海氧同位素曲线所反应的气候变化会在区域地层中有一定响应。晚更新世开始时限大致相当于深海氧同位素5阶段(MIS 5),此时期后沉积地层的特征之一为发育潴育化潜育化“杂色”粘土,或地层中含钙质结核[17~18]。依据这一见解,ACX02孔58.2~59.7 m为河流相灰褐色系砂层,可指示水文条件的好转;59.7~61.50 m为含钙质结核局部潜育化杂色粘土层,具有类似特征;且59.7 m处为明显侵蚀界面,因此可将59.7 m作为晚更新世地层的底界。

(3) 下更新统、中更新统底界

第四系更新统与新近系上新统的界限在古地磁极性柱上为2.58 Ma的M/G界面[13, 19~20],即ACX02孔第四系底界为260 m。中更新统底界为古地磁极性柱0.78 Ma的B/M界线,即该孔76.7 m深度处;但ACX02孔75.2 m处发育一个侵蚀面,沉积物具有以下特征:75.2 m下部为浅棕色粘土,致密块状,且在75.8 m处发育一个直径约4 cm的大钙质结核,75.2 m上部为河流相灰色、灰褐色砂层,基本对应天然伽马曲线所反映的一个沉积旋回底部。因此把ACX02孔75.2 m处作为中更新统底界更加合理。

4 结论

(1) 通过对比ACX02孔古地磁极性柱和标准极性柱,分析地层特征,将对应古地磁极性柱M/G界面的260 m作为下更新统底界,将与古地磁极性柱B/M界面相近且为地层侵蚀面的75.2 m作为中更新统底界;将上更新统底界划在59.7 m处;通过分析地层特征以及AMS 14C、OSL年龄约束,将全新统底界划在15.45 m处。

(2) 通过分析沉积物结构及组合特征,以及解释测井曲线,认为下更新统(Qp1)为一套河道相、泛滥平原相沉积物,对应第四、五、六岩性段;中更新统(Qp2)为一套湖沼相沉积物,对应第三岩性段;上更新统(Qp3)为河道相夹泛滥平原相沉积物,对应第二岩性段;全新统(Qh)为泛滥平原相沉积,对应第一岩性段。第七、八岩性段是以河道相、泛滥平原沉积为主的第三纪沉积物。

ACX02钻孔古地磁极性变化节点与地层变化界面基本一致,表明该区第四纪古地磁场变化、古气候以及沉积地层之间存在耦合关系。因此该成果可为北京平原、华北平原第四纪区域地层划分与对比、沉积环境及古地理演变等提供重要支撑。

致谢: 在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与环境磁学实验室邓成龙研究员和吴百灵博士的帮助下,古地磁测试与数据处理得以顺利进行,谨致谢忱。

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