高 文，賈大成，李桐林，王澤光，姜琦剛，劉春茹，張 瀟，姜 濤

1.吉林大學地球探測科學與技術學院，長春 130026

2.河北省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第四地質大隊，河北 承德 067000

3.中國地震局地質研究所/地震動力學國家重點實驗室，北京 100029

0 引言

松遼平原是我國第四系非常發(fā)育的地區(qū)之一，具獨特的沉積地層組合，隸屬于東北第四紀地層區(qū)。松遼平原由于沉積環(huán)境的差異，大致以雙遼－扶余－肇州－北安一線為界，可以分為松遼西部和松遼東部第四紀地層小區(qū)。松遼西部長期處于沉降狀態(tài)，更新世地層多被埋藏；而松遼東部介于松遼西部沉降帶與東部山區(qū)的過渡地帶，由于構造掀斜作用，更新世地層在階地或臺地出露。因受到地層剖面出露條件的限制和缺少可靠定年數(shù)據(jù)，致使對松遼平原東部更新世地層的劃分，尤其是中、晚更新世的界限尚未形成統(tǒng)一認識［1－4］。國際地科聯(lián)（IUGS）2009年正式批準的國際地層委員會（ICS）提案：將早更新世下界定為2.58Ma BP，相當于古地磁松山反向/高斯正向界線；中更新世下界為0.78Ma BP，相當于古地磁松山反向/布容正向界線；晚更新世下界為0.128Ma BP［5］。此劃分是否適合于松遼盆地實際情況需進一步檢驗。筆者在進行東北地區(qū)第四紀遙感環(huán)境調查中，于黑龍江省方正縣發(fā)現(xiàn)了出露比較好的更新世地層剖面，通過對剖面沉積物研究、光釋光（optically simulated luminescenc，OSL）定年和主要氧化物、稀土及微量元素分析，認為該剖面中、晚更新統(tǒng)界限比較清楚，在界限處不同元素表現(xiàn)出明顯變化，沉積環(huán)境差異明顯，比較適合確定中、晚更新世的地層界限。該剖面不僅可以為建立松遼平原東部中、晚更新世的地層界限成型剖面提供參考，而且可以為了解中、晚更新世沉積環(huán)境提供地質依據(jù)。

1 中、晚更新世沉積剖面地質特征

剖面位于黑龍江省方正縣寶興鄉(xiāng)蓮花磚廠，地理坐標為東經(jīng)128°44.862′，北緯45°48.278′（圖1），剖面發(fā)育在松花江二級階地或臺地上。

剖面出露厚12.0m，深部未見底，以亞黏土和黃土堆積為主，依據(jù)沉積物特征可以分為6層（圖2），由下至上為：

圖1 寶興鄉(xiāng)蓮花磚廠采樣位置示意圖Fig.1 Sampling site of the Lianhua brickyard in Baoxing Town

（1）黃褐色細砂層：由細砂、粉砂組成，具有斜層理、水平層理，出露厚2.5m，深部未見底；

（2）灰色－灰白色亞黏土層：由黏土組成，具水平層理，貝殼狀斷口，厚1.0m；

（3）黑色黏土層：由黏土組成，具水平層理，可見植物根莖殘留，厚3.5m；

（4）黃土狀亞黏土層：由亞黏土組成，具不清楚的水平層理，可見鐵錳結核，厚2.0m；

（5）黃土層：由結構松散的亞黏土組成，具柱狀層理，厚2.5m；

（6）黑土層：為現(xiàn)代黑土，空隙發(fā)育，具有現(xiàn)代植物根系，厚0.5m。

圖2 寶興鄉(xiāng)蓮花磚廠第四系剖面Fig.2 The Quaternary section of the Lianhua brickyard in Baoxing Town

從剖面可以看出，各層之間沉積物差異比較明顯：下部（1）層以具有斜層理的細砂為主，構成河流相沉積，明顯不同于其他層位；（2）、（3）、（4）層以黏土、亞黏土沉積為主，依據(jù)殘留植物根莖、鐵錳結核以及水平層理，推測為漫灘湖沼相沉積，受沉積環(huán)境影響，沉積物顏色有變化；（5）層為黃土堆積，現(xiàn)代黑土壤層（6）直接發(fā)育在黃土堆積物之上?？傮w上可以分為下部河流細砂巖，中部湖沼亞黏土和上部黃土堆積等3個沉積物組合層位。

2 光釋光測年和樣品化學分析

光釋光樣品采自剖面（1）層，使用直徑為10cm的鋼管打入采樣層位，采樣后立即用錫箔紙封口避免受陽光照射。樣品測定是在中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所光釋光室完成，測得樣品的環(huán)境劑量：w（U）為1.53×10－6、w（Th）為4.11×10－6、w（K2O）為2.37%，得到光釋光年齡結果（表1）?；瘜W分析樣品分別采自各層，對各樣品同時進行主要氧化物、微量元素和稀土元素分析，樣品分析在吉林大學分析測試中心完成。主要氧化物分析方法為X－熒光分析，分析儀器為X－射線熒光光譜儀，氧化物分析精度優(yōu)于5%。微量元素和稀土元素分析方法為ICP-MS，儀器型號為美國安捷倫7500型ICP-MS，分析精度優(yōu)于2%。通過測試獲得各層沉積物主要氧化物、微量元素和稀土元素分析結果（表2）。

表1 細砂樣品OSL年齡測定結果Table 1 The OSL dating of fine sand samples

3 中、晚更新世地層界線及其沉積環(huán)境分析

3.1 中、晚更新世地層劃分與地層界線

松遼平原東部邊緣的中、晚更新世地層發(fā)育在波狀山前臺地或河流Ⅲ級階地上，沉積物以河湖及沼澤相的砂、亞砂土、亞黏土和黃土為主。對于這套地層，在黑龍江省劃分為下荒山組、上荒山組、哈爾濱組和顧鄉(xiāng)屯組［1］，而在吉林省劃分為荒山組、東風組、顧鄉(xiāng)屯組及群力組［2］。下荒山組和上荒山組源自裴文中［6］首先使用的“黃山組”一詞，建組剖面為荒山剖面，原荒山組剖面分為上、下兩段：下段為河流相、湖濱相、湖相沉積，為灰黃色、灰白色粗砂夾小礫石、青灰色及紫褐色黏土、黃砂、亞砂土；上段為黃色亞砂土、黃土沉積。1997年地層編表時將下段劃為下荒山組，上段劃為上荒山組，兩者之間為平行不整合接觸。下荒山組距頂界3m處為B/M界面，其時代相當于730ka，下部出現(xiàn)相當于900～970ka的加拉米洛事件，古地磁時限為600～1 200ka，因此其形成時代為早更新世的晚期。上荒山組頂界熱釋光年齡為（230±11.5）ka，底部熱釋光年齡為（430±21.6）ka，古地磁相當于布容正極性，古地磁時限為240～500ka，其形成時代為中更新世早期，上荒山組和下荒山組之間可能沉積間斷100～150 ka。上荒山組之上被哈爾濱組平行不整合，哈爾濱組位于荒山剖面上部，由灰黃色到灰棕色均質無層理、垂直節(jié)理發(fā)育的黃土和具有微層理并含錳質結核和豆狀結構的黃土狀土組成，稱為“哈爾濱黃土”；該組中熱釋光年齡為（126±6.3）ka，相當于晚更新世早期。哈爾濱組之上為顧鄉(xiāng)屯組，是著名的猛犸象－披毛犀動物群的產(chǎn)地，在哈爾濱閻家崗出土古人類化石，人骨14C年齡為（22.37±0.30）ka，自從1976年沈陽東北區(qū)域地層編表會議以后，便確立了顧鄉(xiāng)屯組是東北晚更新世標準地層［7］。顧鄉(xiāng)屯組頂部夾有兩層黑色古土壤，這兩層埋藏黑土14C年齡分別為（33.66±3.27）ka BP和（30.20±0.87）ka BP［8］。顧鄉(xiāng)屯組之上覆蓋晚更新世馬蘭黃土。從上述更新世地層可以看出，下荒山組、上荒山組和顧鄉(xiāng)屯組的頂、底界限都比較明確，唯獨哈爾濱組底界不是很清楚，雖然該組中熱釋光年齡（126±6.3）ka接近于國際地層委員會（ICS）提出的晚更新世下界128ka的年齡值［5］，但由于該年齡并非在晚更新世地層底部所采，因此不宜作為松遼平原東部中更新世和晚更新世的界限年齡。

表2 方正剖面各層沉積物中元素質量分數(shù)測試結果Table 2 Compositions of elements in sediment of Fangzheng section

作為中、晚更新世界限性地層除了年齡值以外，沉積物特征、巖相變化和沉積環(huán)境及古地磁等都是重要的標志。方正剖面位于荒山剖面東約13km，地理位置比較接近，可與荒山剖面互補，為松遼平原東緣中、晚更新世地層界限提供佐證。方正剖面底部出現(xiàn)的河流相細砂與其上部黏土、亞黏土、黃土在沉積物組成上明顯不同。從沉積環(huán)境角度分析，底部河流相反映為溫暖濕潤的環(huán)境，其上灰白色黏土層以富鋁的黏土為主，推測為化學風化比較強烈的環(huán)境，黑色黏土層具水平層理和植物根莖殘留反映沼澤沉積環(huán)境，黃土狀亞黏土層具弱水平層理和鐵錳結核反映沼澤抬升接受氧化的漫灘環(huán)境，而上部的黃土為干冷氧化環(huán)境?？梢姡懈率乐饕獮闇嘏睗癍h(huán)境，而晚更新世開始由殘留的沼澤向干冷環(huán)境轉變，這期間沉積環(huán)境變化是明顯的。由于本次在底部河流相頂部所測細砂光釋光年齡為149.6 ka，可將其視為中更新世頂部的年齡，其上部的黏土、亞黏土和黃土層可以作為晚更新世的底部層位，其中亞黏土和黃土層與荒山剖面的哈爾濱組相當，由此顯示在哈爾濱組黃土之下應該有一套黑色黏土層和黃土狀亞黏土層，代表由河流相向黃土的過渡?？紤]到中更新世頂部年齡149.6ka和哈爾濱組（126±6.3）ka的年齡值，以及哈爾濱組下部可能存在的亞黏土層，認為將松嫩平原東部的中、晚更新世界限年齡置于140ka更符合地層實際情況。界限地層層位置于方正剖面河流相細砂層與其上部灰白色黏土層之間。

在松遼平原與方正剖面可以對比的是吉林省榆樹縣東崗村剖面。剖面位于榆樹縣周家油坊秀水河三級階地上，剖面下部為東崗組，上部相當于哈爾濱組。東崗組為沖積物地層，主要沉積物為灰綠色黏性土和黃砂等河湖相沉積，厚10～20m，東崗組上界處熱釋光年齡為（143±7.15）ka BP，下界處為（179±8.90）ka BP，其時限約為150～200ka［8］。剖面上部哈爾濱組為淡棕黃色黃土，其頂部熱釋光年齡為（85±4.25）ka BP，估計此處哈爾濱黃土時限約為80～140ka間。由此可以看出，東崗組為中更新世，其上界處熱釋光年齡143ka與方正剖面河流相的熱釋光年齡149.6ka非常接近，進一步證明將140ka作為松遼盆地東部中、晚更新世地層界限年齡是可行的。另外在長春地區(qū)的陶家園子地層剖面可以見到哈爾濱組超覆到下白堊統(tǒng)泉頭組之上（圖3），在其底部的熱釋光年齡為134.53ka［9］，這也說明將140ka作為松遼平原東部中、晚更新世地層的界限年齡是合理的。

3.2 沉積環(huán)境地球化學特征

由于某些氧化物、微量元素和稀土元素在沉積物中的含量受沉積環(huán)境制約，因此沉積物中元素含量變化可以反映沉積環(huán)境的差異［10－15］。從方正剖面不同沉積層氧化物、微量元素和稀土元素含量變化曲線可以明顯反映出在中、晚更新世地層界限處，即河流相的細砂層到灰色黏土層，元素都出現(xiàn)轉折性變化，一般由細砂層到灰色黏土層元素突然增高或降低，而后在灰色黏土層到黃土層變化不大，體現(xiàn)出前后兩個差異較大的環(huán)境，而在該處恰是上述光釋光年齡和沉積物所確定的中、晚更新世地層界限，表明中更新世末、晚更新世初沉積環(huán)境發(fā)生了明顯變化（圖4）。

圖3 陶家園子地層剖面素描圖（底圖據(jù)文獻［9］）Fig.3 The stratigraphic section drawing in Taojiayuanzi（base map from reference［9］）

主要氧化物Al2O3和Fe2O3在表生條件下比較穩(wěn)定，MgO、CaO、Na2O、K2O比較活動而易于遷移，它們之間的比值可以用于反映環(huán)境變化。在方正剖面［CaO/（MgO＋Al2O3）］×10和SiO2/MgO值突然下降，而（Fe2O3＋Al2O3）/（MgO＋CaO＋Na2O＋K2O）和 Al2O3/（CaO＋Na2O）值突然上升（圖4）。Ti、Mn、Fe是在風化殘積物中比較穩(wěn)定的元素，從圖4中可以看出，河流相砂層含量較低，到灰色黏土層突然增高并達到一定的穩(wěn)定，這可能與灰色黏土層所處的較強烈的化學風化環(huán)境吻合。微量元素 Rb、Cr、V、Zn、Li、Ni、Co、Y、Cu、Pb、As、Cs、Cd和Rb/Sr值從河流相砂層到灰色黏土層突然增高，然后達到一定的穩(wěn)定區(qū)間，而微量元素Sr和Sr/Ba值則相反（圖4），這種變化除與黏土礦物的吸附有關外，在一定程度上也受到沉積環(huán)境變化的影響，更重要的是這種變化體現(xiàn)在地層界限處。

稀土元素作為一組地球化學性質相近、地球化學行為惰性的元素組合，不僅在巖漿演化和巖石成因方面具有示蹤意義，而且也具有古氣候、古環(huán)境的指示意義［16］。方正剖面球粒隕石標準化的稀土配分模式為輕稀土富集的右傾型，重稀土基本一致，但河流相細砂層輕稀土富集的程度相對較低，低于上地殼平均值，不出現(xiàn)負Eu異常；而其他黏土層和黃土層具有一致的輕稀土富集程度，并與上地殼平均值非常接近，具有弱的負Eu異常，輕稀土元素對環(huán)境的反應比較靈敏［17］。可見剖面底層的河流相砂層與其上部層位存在較明顯的環(huán)境差異。另外，黏土層和黃土層與上地殼平均值具有一致的分布形式，表明其沉積物來源主要是上地殼的風化物質（圖5a）。

圖4 方正剖面各沉積層元素變化曲線圖Fig.4 The element change curve drawing of each sedimentary sequences in Fangzheng section

方正剖面北美頁巖標準化的稀土配分模式各層分布總體上具有相似性，基本為近水平分布，但可以進一步詳細分為3種分布形式（圖5b）：一是河流相細砂層，其稀土總量水平低，均低于北美頁巖，基本沒有負Ce異常，出現(xiàn)明顯的正Eu異常和正Ho異常；二是灰色黏土層，其稀土總量較高，接近于北美頁巖，出現(xiàn)弱的負Ce異常，具有較明顯的正Eu和Sm異常和正Ho異常；三是黑色黏土層及其以上的層位，其稀土總量最高，一般高于北美頁巖，出現(xiàn)弱的負Ce異常，具有較明顯的正Eu和Sm異常和正Ho異常。3種不同的分布形式體現(xiàn)出沉積環(huán)境的差異。Ce是變價元素，源區(qū)的風化作用環(huán)境是制約沉積物Ce異常的一個重要因素：在弱酸性、氧化的風化過程中Ce3＋被氧化成Ce4＋，Ce4＋極易水解而形成沉淀，使風化的源區(qū)富集Ce，而淋出液貧Ce，在沉積區(qū)產(chǎn)生Ce負異常；相反，在強堿性、還原條件下，Ce4＋易被還原成Ce3＋，易遭受淋濾而發(fā)生遷移，使風化的源區(qū)虧損Ce，而淋出液富集Ce，在沉積區(qū)產(chǎn)生Ce正異常。中更新世晚期河流相砂層不出現(xiàn)負Ce異常，說明其當時可能處于近中性的表生環(huán)境，而晚更新世早期各層均出現(xiàn)負Ce異常，說明其當時環(huán)境可能轉變?yōu)槿跛嵝?、氧化的表生環(huán)境。另外，∑REE、LREE和δEu由河流相砂層到灰色黏土層也出現(xiàn)明顯的突變（圖4），這種環(huán)境的轉變可以為中、晚更新世界限性地層劃分提供依據(jù)。

圖5 方正剖面球粒隕石標準化稀土配分模式圖（a）和北美頁巖標準化稀土配分模式圖（b）Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns of Fangzheng section（a）and NASC-normalized REE distribution patterns of Fangzheng section（b）

4 結論

1）方正剖面為跨越中、晚更新世地層的剖面，在中更新世頂部細砂層中獲得149ka光釋光年齡，與中更新世東崗組上界處143ka熱釋光年齡非常一致，與陶家園子剖面超覆于泉頭組之上晚更新世哈爾濱組底部134.53ka熱釋光年齡協(xié)調銜接，因此將松遼平原東部中、晚更新世的界限年齡置于140 ka。

2）由于方正剖面沉積環(huán)境發(fā)生了明顯變化，致使主要氧化物、微量元素和稀土元素含量在中、晚更新世的界限處都發(fā)生了明顯突變。其中：中更新世以河流湖泊發(fā)育的溫暖濕潤環(huán)境為主，晚更新世以沼澤漫灘過渡到風沙發(fā)育的干旱涼冷為主。從地球化學角度應將環(huán)境指示元素含量發(fā)生明顯變化處作為中、晚更新世界限。

3）通過方正剖面與榆樹東崗村剖面地層的對比，認為方正剖面更適合為松遼盆地東部建立中、晚更新世的界限性成型剖面提供參考，同時也可以為分析中、晚更新世沉積環(huán)境提供地質依據(jù)。

中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所王成敏研究員和趙華研究員在樣品分析過程中給予的幫助，在此表示感謝。

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）：

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