北京大兴凸起南部PGZ05钻孔剖面第四纪磁性地层学
【类型】期刊
【作者】赵勇，李瑞杰，魏波，王纯君，孙永华，方同明（北京市地质调查研究院）
【作者单位】北京市地质调查研究院
【刊名】现代地质
【关键词】 磁性地层；第四纪；大兴凸起南部；AMS14C测年
【资助项】中国地质调查局项目“北京1∶5万琉璃河、庞各庄、安次县幅区域地质调查”(12120114007701)
【ISSN号】1000-8527
【页码】P56-62
【年份】2019
【期号】第1期
【期刊卷】1;|7;|8;|4
【摘要】对北京大兴凸起南部PGZ05孔(孔深255 m)全孔岩心进行了磁性地层、岩石地层、AMS14C测年研究,在系统性的古地磁样品采集(440块岩样)、处理和测试基础上,分析认为255 m的岩心记录了布容正向极性时(Brunhes)、贾拉米洛(Jaramillo)极性亚时、奥尔都维(Olduvai)极性亚时和高斯正极性时(Gauss)。在此磁性年代框架上,结合AMS14C测年及岩性特征,对PGZ05钻孔剖面进行第四纪地层划分,确定下更新统、中更新统、上更新统和全新统的分布深度及年代,将更新统的底界(Q/N)定位于181. 35 m处,亦为一重要岩性(棕红色半固结黏土)界限,中更新统、上更新统、全新统的底界分别定位于75. 60 m、57. 20 m、17. 35 m处。研究成果为大兴凸起南部第四纪地层划分与对比、古地理环境演变及区域地层研究提供了可靠的地层年代学框架,具有重要地质意义。
【全文】 文献传递
北京大兴凸起南部PGZ05钻孔剖面第四纪磁性地层学
Magnetostratigraphy of Borehole PGZ05 in Southern Daxing Uplift, Beijing Plain
0 引 言
图1 北京平原构造纲要及PGZ05钻孔位置图
Fig.1 Schematic structural map of the Beijing Plain and the location of borehole PGZ05
在第四系覆盖平原区开展井下地层研究已成为现今第四纪地质研究的主要手段之一。迄今为止，北京平原区井下第四纪地层的研究在年代学上取得了众多进展。早期有顺义(顺5)、怀柔(HR88-1)钻孔古地磁研究 [1-2] ，近年来相继报道了北京平原北部数个第四纪钻孔古地磁研究成果[3-11]。上述第四纪磁性地层研究工作主要集中在北京平原区北部沙河、顺义等地，对南部大兴凸起第四纪磁性地层学研究工作则十分薄弱。本文以“北京1∶50 000琉璃河、庞各庄、安次县幅区域地质调查”项目PGZ05钻孔岩心资料为基础，在大兴凸起南部开展磁性地层学综合研究，结合地层岩性，配合AMS 14C测年，对该孔第四纪地层开展了精细年代学研究，首次在大兴凸起南部建立第四纪地层剖面，以期为区域上第四纪地质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
PGZ05钻孔位置为39°34′47.04″N、116°20′50.30″E，在构造上属大兴凸起南部(图1)。该区域第四系主要是源自永定河冲洪积环境下沉积而成，河流多期冲洪积作用的叠加，造成第四系成因类型复杂。PGZ05钻孔孔口海拔约28.30 m，孔深255 m，岩心采用油压式钻机，全孔取心率达90%以上，岩心直径可达90 mm。取心率和岩心状况满足磁性地层学研究的要求。
1.2 地层特征
PGZ05钻孔岩性复杂，有黏土、粉质黏土、黏质粉砂、粉砂、中细砂、粗砂、砂砾石，夹有钙质、黑色铁锰质结核和腹足类、介形类残片，是炭斑、锈斑等，见发育斜层理构造、侵蚀面现象等，可见钻孔沉积环境复杂多变。经对PGZ05自然伽马和电阻率测井曲线各自分别作镜像曲线后对比，曲线反映的砂泥含量变化基本同步，测井曲线标示的岩性变化深度与野外现场岩性记录描述基本一致(图2)。基于全孔岩性变化特征，结合测井曲线，钻孔自上而下可以划分为8个层段(图2)。
图2 PGZ05钻孔岩性柱、自然伽马、电阻率测井曲线及沉积环境解释(LGM为末次冰期冰盛期)
Fig.2 Lithological column, natural gamma and step resistivity logging curves, and sedimentary environment interpretation of borehole PGZ05
第1岩性段：孔深0～17.35 m。
该段下部13.55～17.35 m以黄褐色粉细砂夹粉质黏土为主；中部6.00～13.55 m以灰褐色、灰黑色黏质粉砂、黏土、淤泥质等为主，在9.50～13.10 m肉眼可见有白色螺类残片，以湖沼沉积环境为主；上部0～6.00 m沉积物颜色较下部发生明显的变化，逐渐演变为黄褐色，以粉砂为主，属泛滥平原沉积环境。
第2岩性段：孔深17.35～29.20 m，厚度11.85 m。
颜色以褐色、褐黄色，局部棕红色，主要为黏土类细颗粒沉积，在19.80～21.60 m为中粗砂层，主体为泛滥平原沉积环境夹分支河道沉积。
第3岩性段：孔深29.20～57.20 m，厚度28.0 m。
该段上部29.20～40.20 m，与下部颜色出现渐变，较下部颜色转深，以灰色黏土、黏质粉砂为主，属湖沼沉积环境，底部为锈黄褐色分支河道细砂沉积，与下部地层呈侵蚀面接触。下部40.20～57.20 m，以一套黄褐色、棕色细颗粒黏土类沉积为主，见大量锈斑、钙质结核或钙质雏形存在，其中在49 m处夹有一层约1 m的灰色、灰黑色黏土层，总体属于暴露环境下的氧化沉积，泛滥平原环境。
第4岩性段：孔深57.20～75.60 m，厚度18.40 m。
该段呈现2个沉积旋回。第1个沉积旋回在孔深64.00～75.60 m，由下至上为黄褐色含砾粗砂-锈黄色粉细砂-灰褐色含钙质结合黏土-棕色黏土构成的粒序层序沉积。第2个沉积旋回在孔深57.20～64.00 m，由下至上为黄褐色、灰褐色粉砂夹砂层-黄褐色黏质粉砂、粉质黏土-棕红色黏土构成的粒序层序沉积。层段顶部57.20～58.65 m为棕红色黏土，见有明显的钙质结核，大小一般在0.2 cm×0.4 cm左右。总体上为分支河道和泛滥平原沉积环境。
第5岩性段：孔深75.60～105.00 m，厚度29.40 m。
该段上部75.60～83.40 m，以棕色黏土、黄褐色粉砂为主；中部83.40～91.00 m，以灰色黏土、黏质粉砂为主；下部91.00～105.00 m，以黄褐色、锈黄色粉砂、棕色黏土为主，属分支河道、泛滥平原沉积环境，中部夹湖沼沉积环境。
第6岩性段：孔深105.00～131.40 m，厚度26.40 m。
该段主体为灰褐色、灰色、深灰色黏土、黏质粉砂沉积，夹有棕色黏土(可见含有钙质结核)、总体属于湖沼沉积环境，顶部过渡为泛滥平原沉积。
第7岩性段：孔深131.40～177.50 m，厚度46.10 m。
该段由下至上可划为3个沉积旋回。131.40～136.20 m由下至上为黄褐色粉细砂-黄褐色粉砂质黏土；136.20～165.50 m由下至上为灰褐色细砂、粉砂-灰褐色黏质粉砂-棕红色黏土；165.50～177.50 m由下至上为灰褐色细砂-锈黄色粉质黏土-棕红色黏土含钙质结核。该段属分支河道、泛滥平原沉积构成粒序层序沉积环境。
第8岩性段：孔深177.50～255.00 m，厚度77.50 m。
底部为泛滥平原沉积的半固结状紫红色、黄褐色泥岩，中部为一套冲洪积沉积环境的杂色泥包砾石层，顶部为分支河道砂层夹泛滥平原棕红色黏土沉积。
2 采样与实验
2.1 古地磁取样与实验
在野外钻探施工现场将PGZ05钻孔岩心从中间对半劈开，标明其顶底方向后，及时采样。采样间距一般在黏土类细粒沉积物中控制为4～6个/m，粉砂层为3～4个/m，中粗砂、砂砾石层及个别层位因岩心扰动或缺失时不取样。全孔共采得古地磁样品440块。
在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成测试。测试仪器均置于磁屏蔽屋内的零磁空间(<300 nT)中，使用GSD-2型交变退磁仪，对样品采用交变场退磁，退磁间隔依次为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；剩磁在2G-760 U-Channel 岩石超导磁力仪上测量。
2.2 古地磁结果分析
数据处理和分析采用古地磁软件进行，大部分样品的剩磁在12～15 mT下就可洗去次生粘滞剩磁分量，以后保持稳定，并逐步趋向原点，代表了原生特征剩磁的方向。代表性样品的剩磁矢量正交投影如图3所示。
退磁结果显示，交变退磁的样品一般在20～50 mT磁场之间获得稳定的特征剩磁。测试过程中发现，强氧化条件下形成多含钙质结核层位的样品，测试数据质量一般不高；淡灰绿色沉积物样剩磁较弱，故而最终筛选出247件高质量样品数据编绘磁倾角曲线。
3 讨 论
3.1 古地磁极性柱的建立
根据磁倾角的变化建立PGZ05钻孔的磁极倒转序列，钻孔剖面古地磁极性排列比较规则，可与标准古地磁极性柱[12]相对比，钻孔自上而下分为3个明显的极性带(图4)。即0～75.60 m以正极性为主的布容(Brunhes)极性带，其间夹有几个较薄的负极性漂移；75.60～181.35 m以负极性为主的松山(Matuyama)极性带，其中90.90～100.60 m为贾拉米洛(Jaramillo)亚时，149.70～165.50 m为奥尔都维亚带(Olduvai)；181.35～255.00 m正极性为高斯(Gauss)极性带。
图3 PGZ05钻孔代表样品的退磁强度衰减曲线及Z矢量图
(○为垂直分量；●为水平分量)
Fig.3 Orthogonal (Zijderveld) vector plots of representative samples from borehole PGZ05
3.2 第四纪地层划分
3.2.1 全新统底界
采集PGZ05孔12.20 m、31.45 m含有机质沉积物样品，在美国Beta实验室完成AMS 14C测年，测试数据如表1所示。
基于北方沿海末次冰消期以来气候转暖、陆域地下水水位亦随之上升、淡水湿地开始发育的特点，以贫营养湖沉积、含有机质层位的出现作为全新世的开始[13]。在PGZ05孔中6.00～13.55 m为明显的含有机质层位，13.55～17.35 m以河流相砂层与下伏黏土层接触；结合AMS 14C测年结果，以17.35 m为该孔全新统底界(图2)。17.35～18.75 m为棕黄色-浊橙褐色氧化粉砂质黏土层，含明显锈斑、铁锰质结核。仿照在河北省黄骅地区钻孔和天津地区钻孔的经验[14]，结合钻孔在31.45 m处年龄为(23 190±100) a BP，综合将其视为末次盛冰期末的硬黏土层。
3.2.2 上更新统底界
依据深海氧同位素曲线反映的气候变化解释全球气候背景下的区域地层响应，上更新统底界大致相当于深海氧同位素第5阶段(MIS 5)，海侵的发生与孢粉学确定的暖期气候基本相当[15-16]。这一界线下伏地层即是潴育化夹杂潜育化的“杂色”黏土沉积，且出现含钙质结核的层位。依据这一认识，发现PGZ05孔第4岩性段顶部57.20～58.65 m岩性及沉积物颜色等特征基本与之相符，故将57.20 m界限作为中更新统顶界，亦即上更新统底界。
3.2.3 中更新统、下更新统底界
中更新统底界应置于0.78 Ma的B/M界线，即孔深75.6 m处，与岩性层段描述特征相一致。下更新统底界即是第四系更新统与新近系上新统的界限[17]，即N/Q界限，古地磁界限2.58 Ma的M/G界面，即孔深181.35 m处。故将下更新统底界置于孔深181.35 m处，其岩性为棕红色半固结黏土，其下伏的杂色泥包砾石层为上新世晚期地层，与区域地层[18-19]具有较好的对比性。
图4 PGZ05钻孔磁性地层图
Fig.4 Magnetostratigraphic map of borehole PGZ05
表1 PGZ05钻孔样品14C测年数据
Table 1 14C dating data of samples from borehole PGZ05
样品号深度/m岩性年龄/a BPBeta-42805412.20含有机质黏土 2 370±30Beta-44003731.45含有机质硬黏土23 190±100
注： 14C半衰期为5 568 a。
4 结 论
(1)北京大兴凸起第四系底界应置于孔深181.35 m处；其下沉积物为半固结棕红色黏土，其上为河流相灰褐色砂砾石层沉积。PGZ05钻孔底部181.35～255.0 m沉积物应形成于上新世晚期。
(2)将中更新统底界置于75.6 m处。该界限取于0.78 Ma的B/M界限处，则钻孔的第5、6、7岩性段形成时限为2.58～0.78 Ma。
(3) 根据研究区邻区天津、河北地区上更新统与中更新统的界线划分依据， 0.126 Ma的上更新统底界与第3岩性段底界应一致，为57.2 m。
(4)据AMS 14C样品年龄测试结果，结合全新世沉积物岩性特征，将该区全新统底界划分在17.35 m处，与第1岩性段相对应。
PGZ05钻孔的古地磁极性变化界限与重要的岩性界面基本吻合，可作为大兴凸起南部第四系“金钉子”剖面，可为北京平原区第四纪构造单元内地层划分与对比、环境古地理演变提供重要参考。
致谢：在古地磁测试与数据处理中，承蒙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、吴百灵博士给予的帮助和支持，谨致谢忱。
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