王海峰　楊劍萍　龐效林,3　陳　飛　梁　旭　賈軍濤

(1.中海油研究總院　北京　100028；2.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院　山東青島　266580；

3.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司　濟(jì)南　250101)

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魯北平原晚第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)及沉積演化

王海峰1楊劍萍2龐效林2,3陳飛1梁旭1賈軍濤2

(1.中海油研究總院北京100028；2.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院山東青島266580；

3.山東正元地球物理信息技術(shù)有限公司濟(jì)南250101)

摘要以54個(gè)淺層新鉆孔和多個(gè)野外露頭為研究對(duì)象，綜合沉積物粒度、薄片、微體古生物、孢粉、14C測(cè)年及靜力觸探等資料，分析了魯北平原晚第四紀(jì)的地層結(jié)構(gòu)和沉積類型，總結(jié)了晚更新世晚期以來的沉積演化。研究表明，末次冰期盛冰期到冰后期，受地勢(shì)、氣候條件控制的黃河河道遷移和海水進(jìn)退是影響地層結(jié)構(gòu)和沉積特征的主要因素，南北地層結(jié)構(gòu)差異明顯，發(fā)育古河道、湖沼、黃土、三角洲、潮坪和濱淺海等沉積類型，其中古河道分布面積最廣，自下而上可劃分為三期。晚更新世晚期至早全新世早期，受干冷氣候影響，發(fā)育第Ⅰ期古河道，小清河以南沉積黃土層；早全新世晚期至中全新世，氣候轉(zhuǎn)暖導(dǎo)致海平面升高，沿海地區(qū)形成海侵層和三角洲，內(nèi)陸地區(qū)繼承性發(fā)育第Ⅱ期古河道和湖沼沉積；中全新世末期或晚全新世以來，受黃河泛濫影響，沉積第Ⅲ期古河道和現(xiàn)代黃河三角洲。地層結(jié)構(gòu)和沉積物分布的研究對(duì)于分析地下水位的變化規(guī)律，以及選擇合適的地震激發(fā)層等均有重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞魯北平原晚更新世地層結(jié)構(gòu)沉積演化

0引言

晚第四紀(jì)以來，魯北平原地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)較弱，整體處于沉降并接受沉積狀態(tài)[1]。受冰期與間冰期交替、冰期向冰后期轉(zhuǎn)化等影響，晚第四紀(jì)中國東部氣候出現(xiàn)多次冷暖變化，海平面隨之升降[2-3]，魯北平原成為河流、海洋、風(fēng)和湖泊等地質(zhì)外力共同作用的場(chǎng)所，經(jīng)歷了頻繁的河道遷移、海水進(jìn)退、黃土沉積、湖泊消亡等過程[4-17]。在多種外動(dòng)力地質(zhì)作用下，該區(qū)沉積物類型豐富，地層結(jié)構(gòu)及沉積特征復(fù)雜。

國內(nèi)對(duì)魯北平原晚第四紀(jì)地質(zhì)研究程度較高，有記錄的鉆孔達(dá)百余個(gè)，涉及黃河河道遷移、古河道分布、三角洲形成[4-8]，數(shù)次海水進(jìn)退、海岸線變遷、海陸交替的地層格架[9-12]，濱海和魯中山前黃土分布、粒度特征、成因機(jī)理[13-16]，以及小清河流域湖泊的繁盛與消亡等[17]，而對(duì)整個(gè)魯北平原晚第四紀(jì)的地層特征和沉積演化的研究成果卻鮮有報(bào)道。本文以54個(gè)淺層新鉆孔和多個(gè)野外露頭為研究對(duì)象，綜合沉積物粒度、薄片、微體古生物、孢粉、14C測(cè)年及靜力觸探等資料的研究，全面揭示魯北平原晚第四紀(jì)的地層結(jié)構(gòu)和沉積演化。

1魯北平原地質(zhì)概況

魯北平原位于魯中山地以北，西鄰河南、北接河北，向東為渤海，大致呈北東向的長(zhǎng)方形(圖1)，屬華北平原的一部分，行政區(qū)劃上覆蓋山東省濟(jì)南、淄博、東營(yíng)、濱州、德州、聊城等地，超過全省面積的四分之一，構(gòu)造位置含渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷，地下油氣資源豐富。區(qū)內(nèi)地勢(shì)自南西向北東逐漸降低，海拔由30 m下降到0 m，現(xiàn)今有黃河和小清河兩條大型河流穿過，北東流向。

晚更新世晚期以來，黃河在北到天津、南至蘇北的范圍內(nèi)多次遷移，形成面積廣闊的黃河古三角洲和多期古河道，對(duì)魯北平原晚第四紀(jì)沉積貢獻(xiàn)巨大。魯北平原古河道自南西向北東呈帶狀分布，大致可分為北、中、南三支，單條河道帶寬度7～20 km，底面埋深30～60 m之間，自南西向北東，埋深逐漸變淺，厚度逐漸變薄，垂向上整體可見三個(gè)正韻律[5-6]。利用貝殼堤等恢復(fù)海侵時(shí)的古岸線，可準(zhǔn)確恢復(fù)出7 ka B.P.以來的利津、黃驊、岐口、墾利、蘇北等9個(gè)黃河古三角洲[12]。

末次冰期是距今最近的一次冰期，先后經(jīng)歷三個(gè)亞冰期和兩個(gè)間冰期，在晚更新世晚期的25～15 ka B.P.進(jìn)入盛冰期，大約10 ka B.P.冰期結(jié)束。魯北平原東臨渤海，受冰期氣候影響，晚第四紀(jì)沿海地區(qū)經(jīng)歷了頻繁的海水進(jìn)退，影響較大的海侵有三次，分別是全新世8～3.5 ka B.P.的墾利海侵(也稱黃驊海侵)，以及晚更新世40～25 ka B.P.的廣饒海侵(也稱獻(xiàn)縣海侵)和125～70 ka B.P.的沾化海侵(也稱滄州海侵)，其中墾利海侵在黃河三角洲地區(qū)平均沉積厚度12 m，海岸線到達(dá)天津—黃驊—沾化—壽光一帶[7,11]。受海進(jìn)海退影響，魯北平原沿海地區(qū)淺層呈現(xiàn)海陸交替的地層格局。

圖1　魯北平原地理位置Fig.1　Position of Lubei Plain

2魯北平原淺層地層結(jié)構(gòu)及沉積類型

魯北平原地勢(shì)較低，晚第四紀(jì)河流、海洋、風(fēng)等地質(zhì)作用將大量沉積物搬運(yùn)至此，沉積物類型多樣，沉積相類型豐富，沉積速率不一，致使魯北平原區(qū)地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜。本次研究布置深度24～50 m的鉆孔54個(gè)，深度24～30 m的靜力觸探點(diǎn)千余個(gè)，考察野外露頭多處(圖1)，獲取了詳盡的樣品資料(圖2)。鉆孔和野外露頭特征典型，具有良好的代表性，以此分析魯北平原淺層地層結(jié)構(gòu)及沉積特征。

2.1臨邑—商河—惠民地區(qū)

該區(qū)位于魯北平原的內(nèi)陸地區(qū)，分布30～36 m深的鉆孔18個(gè)，沉積物粒度普遍較粗，以黃褐色和灰色的粉砂和細(xì)砂為主(圖2A)，最粗達(dá)中砂，自下而上粒度整體呈現(xiàn)由粗變細(xì)的趨勢(shì)，泥質(zhì)層集中在鉆孔中上部(圖2B)，沉積物中含有Ilyocyprissp.、Candonasp.、Candoniellasp.等介形類化石和雙殼類、腹足類化石，均為陸相淡水種屬。野外露頭出露較少，離地表5～10 m，沉積物以黃褐色粉砂層和泥質(zhì)層交互出現(xiàn)為特征，粉砂中發(fā)育平行層理和槽狀交錯(cuò)層理。

砂質(zhì)沉積物粒度概率累積曲線多呈兩段式，懸浮次總體與跳躍次總體發(fā)育，跳躍次總體占50%～70%，斜率在65°～80°，懸浮次總體占30%～50%，傾斜度較低，兩者交截點(diǎn)在2.5～3.7 φ之間；沉積物C-M圖呈“S”形，其中QR段平行于C=M基線，且QR、RS段發(fā)育，而N-O-P段發(fā)育較差，與華北平原黃河、漳河及清河等典型古河道沉積物C-M圖有很好的一致性，是典型的曲流河沉積[18]。

總體上該區(qū)淺層沉積物以中細(xì)砂、粉砂和泥質(zhì)的交替發(fā)育為特征，旋回性明顯，表現(xiàn)為三個(gè)下粗上細(xì)的河流沉積正韻律，單個(gè)韻律均具有曲流河的二元結(jié)構(gòu)。以此為基礎(chǔ)，利用粒度、孢粉、14C測(cè)年等資料，并與禹城、沾化等地的鉆孔資料對(duì)比，可以將該區(qū)淺層的古河道自下而上劃分為三期(圖3)。下部第Ⅰ期古河道粒度最粗，以中細(xì)砂為主，平均粒徑Mz=2.41 φ，顆粒以推移質(zhì)和躍移質(zhì)為主，泥質(zhì)含量較少，孢粉中草本植物以旱生蒿屬、藜科和麻黃屬為主，濕生的莎草科和香蒲屬較少，屬針葉林—草原植被，鉆孔未鉆穿該期古河道；中部第Ⅱ期古河道以細(xì)砂和粉砂為主，Mz=3.50 φ，顆粒中躍移質(zhì)占優(yōu)，孢粉中有較多的香蒲、莎草科濕生草本植物，木本植物仍以松屬為主，但云杉、冷杉屬大大減少，屬針、闊葉林—草原植被，與下部第Ⅰ期古河道大致以18～25 m深度為界；上部第Ⅲ期古河道接近地表，以粉砂和泥質(zhì)粉砂等為主，粒度最細(xì)，懸移質(zhì)含量增多，孢粉中針葉樹多于闊葉樹，且以松屬為主，草本植物大大超過木本，大部分為旱生蒿屬，該期受地表植被和人類活動(dòng)影響較大，與中部第Ⅱ期古河道大致以7～11 m深度為界。

圖2　魯北平原淺層沉積物類型(鉆孔直徑10 cm)A.褐色中細(xì)砂，LN1孔，17.9 m；B.棕紅色泥，LN3孔，10.6 m；C.灰黑色泥質(zhì)粉砂，YD7孔，15.4 m；D.深灰色砂泥互層，YD12孔，14.7 m；E.貝殼層，YD6孔，18.0 m；F.泥炭層，YD13孔，21.2 m；G.黃色泥質(zhì)粉砂(黃土)，C1孔，24.0 m；H.鈣質(zhì)結(jié)核，C1孔，25.3 m。Fig.2　Sediment types of shallow layer in Lubei Plain(The borehole diameter is 10 cm)

圖3　臨邑—商河—惠民地區(qū)淺層綜合柱狀圖(測(cè)年資料據(jù)文獻(xiàn)[5])Fig.3　Comprehensive stratigraphic column of shallow layer in Linyi-Shanghe-Huimin area (dating from reference[5])

三期古河道的劃分與前人對(duì)魯北平原古河道的認(rèn)識(shí)基本一致，第Ⅰ期和第Ⅱ期稱為淺埋古河道，第Ⅲ期稱為地面古河道[5]。根據(jù)商河和惠民地區(qū)鉆孔的14C測(cè)年資料判斷，第Ⅰ期古河道底界年代約25～24 ka B.P.，向上與第Ⅱ期古河道的年代界線約10～9 ka B.P.，第Ⅱ期與第Ⅲ期的界線約5～4 ka B.P.，即三期古河道分別形成于晚更新世晚期至早全新世早期、早全新世至中全新世、晚全新世[6]。

結(jié)合古氣候和粒度資料可以推斷，晚更新世晚期至早全新世早期，正值末次冰期盛冰期，氣候寒冷干燥，海平面大幅下降，海水退出黃渤海陸架，河流侵蝕基準(zhǔn)面下降，河流侵蝕下切作用強(qiáng)烈，水動(dòng)力條件較強(qiáng)，該時(shí)期河流沉積物以中細(xì)砂為主，沉積厚度大，河道相對(duì)較穩(wěn)定；早全新世至中全新世，冰期氣候結(jié)束并逐漸過渡為冰后期，氣候溫暖濕潤(rùn)，海平面上升，形成全新世海侵，海岸線到達(dá)現(xiàn)今的天津—黃驊—沾化—壽光一帶，該期河道繼承性發(fā)育，由于海平面上升導(dǎo)致河流走水不暢，水動(dòng)力條件較弱，河道沉積物粒度變細(xì)，受濕潤(rùn)氣候下的豐富降水等影響，在河漫灘較低洼地帶，形成大規(guī)模的湖沼沉積，該特點(diǎn)在小清河流域尤為明顯[17]；中全新世末期或晚全新世以來，氣候和海平面逐漸過渡到現(xiàn)今水平，黃土高原為黃河下游提供大量的物源供應(yīng)，黃河持續(xù)泛濫、頻繁改道，難以發(fā)育固定河道，該期古河道沉積物與現(xiàn)代黃河相似，整體粒度較細(xì)，以粉砂和泥質(zhì)為主。三期古河道之間發(fā)育泥質(zhì)層，為湖沼沉積，分布較廣泛。

古河道沉積是魯北平原淺層分布最廣的沉積類型，河道帶呈網(wǎng)狀遍布全區(qū)，整體呈南西—北東方向展布，是晚更新世晚期至今，黃河河道不斷遷移、沉積的結(jié)果。

2.2沾化—河口地區(qū)

沾化—河口地區(qū)處于魯北平原沿海地帶，地表發(fā)育現(xiàn)今的黃河三角洲，地勢(shì)較低，地質(zhì)歷史時(shí)期受海侵影響較大。區(qū)內(nèi)分布24～30m深的鉆孔17個(gè)，沉積物粒度較細(xì)，以黃褐色、灰黑色的粉砂、泥質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)泥為主，細(xì)砂主要分布在19 m以下深度，黃褐色，中砂只在沾化地區(qū)較深層位局部可見?；液谏^細(xì)粒沉積物多集中在鉆孔中部(圖2C，D)，含有大量海相有孔蟲和介形蟲等微體古生物化石，如Ammoniasp.、Spiroloculinasp.、Elphidiumsp.、Quinqueloculinasp.、Sinocytherideasp.等，豐度高，分異度大。河口地區(qū)發(fā)育兩個(gè)貝殼層(圖2E)，深度約5～7 m和18～20 m，多為雙殼類和腹足類，貝殼層多形成于潮坪相或?yàn)I岸相，是海陸狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)的產(chǎn)物，可指示海進(jìn)和海退時(shí)期的岸線位置。

受全新世海侵和黃河河道遷移影響，該區(qū)淺層沉積物自下而上顏色呈現(xiàn)黃—灰(灰黑)—黃、粒度呈現(xiàn)粗—細(xì)—較粗的變化，反映晚更新世晚期以來沉積環(huán)境的陸—?！懙慕惶孢^程。全新世海侵層在沾化地區(qū)厚5～8 m，河口地區(qū)平均厚12 m，從沾化到河口方向海侵層厚度變大，沉積物粒度變細(xì)，泥質(zhì)含量明顯增加。

根據(jù)河口地區(qū)15個(gè)鉆孔中沉積物類型、微體古生物組合、生物擾動(dòng)強(qiáng)度、貝殼層發(fā)育程度和沉積構(gòu)造等因素，將淺部地層劃分為五個(gè)單元，基本對(duì)應(yīng)黃河三角洲地區(qū)的上更新統(tǒng)+墾利組、五號(hào)樁組一段、二段、三段、釣口組。五號(hào)樁組地層厚度大、粒度細(xì)、顏色深，海相微體古生物豐度高、分異度大，是全新世的海侵層，構(gòu)成黃河三角洲地區(qū)晚第四紀(jì)地層的主體；底部墾利組和上更新統(tǒng)地層粒度最粗，主要為細(xì)砂，見麗蚌等淡水種屬雙殼類化石，陸相特征明顯；頂部釣口組地層沉積物與現(xiàn)今黃河泥沙無異，是海退后黃河河道遷移至此形成。

結(jié)合14C測(cè)年、孢粉和古氣候等資料，分析認(rèn)為，與五個(gè)地層單元相對(duì)應(yīng)，河口地區(qū)晚更新世末期以來的沉積經(jīng)歷五個(gè)階段(圖4)。

晚更新世末期至早全新世早期，約12.0～9.0 ka B.P.，末次冰期基本結(jié)束，氣候溫涼偏干，海平面較低，發(fā)育河流，垂向上見明顯的正韻律特征，沉積物主要為黃褐色細(xì)砂和粉砂，粒度最粗，粒徑集中在3.0～4.0 φ。根據(jù)沉積物特征、沉積相類型和發(fā)育的地質(zhì)歷史時(shí)期判斷，該沉積階段為魯北平原晚第四紀(jì)淺層第Ⅰ期古河道的上部在北東方向的延伸。

進(jìn)入冰后期，氣候轉(zhuǎn)暖，海平面升高并越過河口地區(qū)，形成全新世海侵層。早全新世晚期，約9.0～8.0 ka B.P.，發(fā)育潮坪相，沉積物粒度細(xì)，貝殼層和泥炭層常見(圖2E，F(xiàn))，可見明顯的生物鉆孔和脈狀層理(圖2D)等沉積構(gòu)造；中全新世，約8.0～3.0 ka B.P.，海平面較現(xiàn)今高約4～5 m，海岸線到達(dá)沾化一帶，河口地區(qū)發(fā)育淺海相，沉積物較復(fù)雜，顏色以灰黑色、黑色為主，粉砂、泥質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)泥和泥均有發(fā)育，粒度較細(xì)，海相微體古生物豐度高、分異度大，由于小規(guī)模海退影響，部分鉆孔的該期地層中可見海陸過渡相特征；晚全新世早期，約3.0～1.3 ka B.P.，海平面逐漸降低，又形成一期潮坪相，沉積物以灰黑色、黑色的粉砂、泥質(zhì)粉砂為主，出現(xiàn)貝殼層，受黃河河道遷移至此的影響，粒度較早全新世晚期的潮坪相粗，集中在3.0～5.0 φ。

晚全新世后期，海水全部退出河口地區(qū)，退至現(xiàn)今的海岸線，1855年黃河自蘇北改道魯北至今，現(xiàn)代黃河三角洲逐漸發(fā)育形成，由于分流河道的不斷遷移擺動(dòng)，至今已形成10個(gè)朵葉，整個(gè)三角洲以2～3 km/a的速度向渤海推進(jìn)[8]。

圖4　河口地區(qū)淺層綜合柱狀圖(測(cè)年及古氣溫資料據(jù)文獻(xiàn)[9])Fig.4　Comprehensive stratigraphic column of shallow layer in Hekou area(dating and ancient temperature from reference[9])

圖5　魯北平原SW—NE方向淺層沉積相圖Fig.5　Shallow sedimentary facies diagram of SW-NE direction in Lubei Plain

臨邑—商河—惠民地區(qū)和沾化—河口地區(qū)的晚第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)和沉積物分布主要受黃河河道遷移和全新世海侵影響，具有明顯的繼承性，發(fā)育古河道、海侵和三角洲等沉積類型，其沉積特征在魯北平原黃河以北地區(qū)具有代表性(圖5)。古河道是主要的沉積類型，自臨邑，經(jīng)商河和惠民，到沾化，地表地勢(shì)逐漸降低，古河道沉積厚度逐漸變薄，沉積物粒度逐漸變細(xì)，以底部第Ⅰ期古河道砂層為例，商河地區(qū)平均粒徑Mz=2.18 φ，沾化地區(qū)Mz=3.15 φ，自南西到北東方向，推移質(zhì)含量降低，懸移質(zhì)含量升高，體現(xiàn)單向水流特征。

2.3鄒平—高青地區(qū)

該地區(qū)位于魯北平原南部的小清河流域，地勢(shì)南高北低，南部是魯中山地北側(cè)山前的傾斜平原，北部與黃河流域相接。區(qū)內(nèi)小清河兩岸分布深36～50 m的鉆孔15個(gè)，沉積物較復(fù)雜，泥、粉砂質(zhì)泥、泥質(zhì)粉砂、粉砂和細(xì)砂等均有發(fā)育，小清河以南和以北地區(qū)的沉積物巖石學(xué)特征差異明顯，自南向北粒度逐漸變粗，細(xì)砂只有最北部的S4和S6孔底部發(fā)育。

小清河以南的鄒平地區(qū)有鉆孔8個(gè)，沉積物主要為黃色的泥質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)泥和泥，鉆孔和剖面中可見明顯的沉積旋回，表現(xiàn)為深褐色的粉砂質(zhì)泥和黃色的泥質(zhì)粉砂交替出現(xiàn)(圖2G、圖6)，褐色泥質(zhì)層可見明顯的古土壤結(jié)構(gòu)，含豐富的鈣質(zhì)結(jié)核(圖2H)，而黃色泥質(zhì)粉砂層質(zhì)地均一，無成層性，滲水性強(qiáng)，該旋回是黃土特有的黃土—古土壤沉積旋回，在黃土高原的洛川和山東青州等地的黃土剖面中都有發(fā)育[19-20]。鈣質(zhì)結(jié)核呈淺黃色，多發(fā)育在古土壤層中，同時(shí)可見蝸?；?，兩者均是風(fēng)成黃土中的標(biāo)志物[21]。

前人對(duì)山東地區(qū)黃土的研究多集中在青州、張夏、平陰等魯中山前地帶以及萊州灣南岸、廟島群島等濱海和島嶼區(qū)[13,16]，而對(duì)鄒平地區(qū)黃土研究較少。以C1孔為例，其沉積物平均粒徑在16～23 μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差1.6～1.9，偏度0.3～0.7；粒度頻率累計(jì)曲線平滑，呈兩段式，拐點(diǎn)均在10 μm附近，粒度大于拐點(diǎn)的為懸浮顆粒組，約70%，占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，小于拐點(diǎn)的是次要組分，為夾帶顆粒組，約30%；粒度頻率曲線呈雙峰形態(tài)，粒度分布在0～100 μm之間，主峰分布在30～50 μm，以此為眾數(shù)中心向粗粒和細(xì)粒方向減小，呈典型的負(fù)偏態(tài)非對(duì)稱分布，次峰在1 μm左右，大于100 μm的顆粒極少，具有中國黃土粒度的雙峰特征(圖6)。整體而言，該孔沉積物粒度特征與青州黃土非常相似，平均粒徑稍大，具有典型的風(fēng)成黃土粒度特征[16]。

小清河以北的高青地區(qū)有鉆孔7個(gè)，其中A13、A20等5個(gè)鉆孔中沉積物特征與C1孔相似，粒度較之稍粗，鈣質(zhì)結(jié)核數(shù)量減少，具備黃土的特征，同時(shí)也發(fā)育粉砂等河流相的較粗粒沉積物。最北部的S4和S6孔沉積物粒度最粗，發(fā)育大量粉砂和細(xì)砂，不含鈣質(zhì)結(jié)核，自下而上發(fā)育三個(gè)下粗上細(xì)的正韻律，具有典型的河流相特征，即遍布于整個(gè)魯北平原的三期古河道沉積。

圖6　鄒平地區(qū)淺層綜合柱狀圖Fig.6　Comprehensive stratigraphic column of shallow layer in Zouping area

圖7　鄒平—高青地區(qū)淺層沉積相圖Fig.7　Shallow sedimentary facies of Zouping-Gaoqing area

據(jù)鉆孔沉積物特征判斷，鄒平地區(qū)發(fā)育風(fēng)成黃土，向北到高青地區(qū)逐漸過渡為古河道沉積，小清河以北A13等5個(gè)鉆孔的位置，即黃土與古河道的過渡帶(圖7)。該區(qū)自南向北由黃土向古河道的演變，與其南高北低的地勢(shì)有密切關(guān)系。

山東地區(qū)黃土的物源具有多樣性，濱渤海黃土帶物源主要為末次冰期出露的渤海陸架物質(zhì)，西北氣流攜帶的內(nèi)陸遠(yuǎn)源物質(zhì)占次要地位；濰坊、青州等地黃土受末次冰期時(shí)冬季風(fēng)影響，物源主要來自北部出露的渤海灣，向西過渡至淄博、濟(jì)南等地黃土則主要物源為西北內(nèi)陸的風(fēng)塵物質(zhì)[13,22]。

晚更新世以來，渤海灣和萊州灣沿岸地區(qū)經(jīng)歷了數(shù)次大規(guī)模的海侵，沉積大量的海相細(xì)粒沉積物，冰期時(shí)海退后陸架發(fā)生風(fēng)化并遭受剝蝕，為山東地區(qū)風(fēng)成黃土的沉積提供了充足的物源。鄒平地區(qū)位于青州以北，地理位置介于青州黃土和其主要物源區(qū)之間，以中國北方常年盛行的西北風(fēng)和東北風(fēng)為搬運(yùn)動(dòng)力，物源區(qū)為青州等地提供沉積物的同時(shí)，也為距離物源區(qū)更近的鄒平地區(qū)提供物源，這一認(rèn)識(shí)與鄒平地區(qū)黃土的粒度略粗于青州黃土、具有近物源性的事實(shí)相符合。風(fēng)成沉積物在搬運(yùn)過程中，遇到山脈等的阻擋時(shí)，風(fēng)速減弱，搬運(yùn)能力降低，大量的沉積物就會(huì)在山前堆積，鄒平地區(qū)矗立著一系列山脈，如玉皇山、龍山、孤山、印臺(tái)山、會(huì)仙山、貓頭山、原山、盤頂山、方山、黑山等，海拔均在500 m以上，季風(fēng)攜帶的渤海陸架松散沉積物以及高空氣流攜帶的少量西北內(nèi)陸細(xì)粒物質(zhì)能夠在山前沉積下來，形成黃土堆積。

小清河流域鄒平地區(qū)黃土沉積之上普遍發(fā)育1～2 m的灰黑色泥質(zhì)層，埋深約5～7 m，14C測(cè)年(4 518±110) a B.P.[17]，微體古生物資料顯示為湖沼沉積，該泥質(zhì)層在小清河以南廣饒地區(qū)的野外剖面連續(xù)出現(xiàn)，并向西延伸至壽光、博興等地，在小清河以北即第Ⅱ期、第Ⅲ期古河道之間的河漫湖沼泥質(zhì)層。結(jié)合第Ⅰ期、第Ⅱ期古河道之間河漫湖沼泥質(zhì)層的測(cè)年約10～9 ka B.P.，認(rèn)為小清河流域的湖泊大致開始形成于全新世早期，主要發(fā)育時(shí)期為中全新世[5,17]。

2.4廣饒地區(qū)

廣饒地區(qū)位于萊州灣南岸平原的西側(cè)，是魯中山前的丘陵沖積平原向?yàn)I岸海積平原過渡的地帶，地質(zhì)歷史時(shí)期數(shù)次黃河改道均未波及此處，受黃河影響較小。該區(qū)分布30 m深的鉆孔4個(gè)。

沉積物粒度較細(xì)，以粉砂、泥質(zhì)粉砂等為主，細(xì)砂較少，在底部零星發(fā)育。沉積物特征在該區(qū)南北差異較大，北部CQ1孔主要發(fā)育黃褐色粉砂、泥質(zhì)粉砂和泥，見下粗上細(xì)的河流二元結(jié)構(gòu)及黃土—古土壤旋回，6～7 m和17～24 m發(fā)育黃褐色、灰黑色粉砂等細(xì)粒沉積物，含大量雙殼類、腹足類貝殼碎片，海相微體古生物化石大量出現(xiàn)，即河流沉積和黃土沉積中夾兩個(gè)海相層(圖8)；南部CQ3和CQ4孔整體發(fā)育黃褐色粉砂、粉砂質(zhì)泥等，泥質(zhì)層含鈣質(zhì)結(jié)核，發(fā)育古土壤結(jié)構(gòu)，黃土特征明顯，不發(fā)育海相層，底部見棕黃色粉細(xì)砂，屬河道沉積；中部CQ2孔特征介于兩者之間，以黃土沉積為主，在19～20 m處發(fā)育一個(gè)海相層。

通過對(duì)鉆孔沉積物分析，廣饒地區(qū)淺層自北向南呈現(xiàn)由海向陸的地層特征(圖9)，北部為海陸交互作用帶，受海侵影響大，見兩個(gè)海侵層；中部為海向陸過渡區(qū)，黃土層變厚，上部海侵層尖滅，只發(fā)育下部海侵層；南部為陸相的黃土沉積區(qū)，海相層完全尖滅。

晚更新世以來的數(shù)次海侵對(duì)萊州灣南岸平原產(chǎn)生了較大影響，尤其是晚更新世晚期的獻(xiàn)縣海侵和全新世的黃驊海侵，最大海侵面時(shí)分別到達(dá)廣饒、博興地區(qū)，前人在萊州灣南岸平原的黃金寨9孔、喬家莊10孔等鉆孔以及牛莊、王家崗等處做了大量有益的工作，對(duì)兩次海侵的年代、埋深、地層特征等形成了較一致的認(rèn)識(shí)[23-24]。廣饒地區(qū)北部淺層發(fā)育兩個(gè)海相層，上部海相層埋深6～7 m，CQ1孔鉆遇，沉積物為灰黑色粉砂、粉砂質(zhì)泥，含大量貝殼碎片，微體古生物以AmmoniatepidaCushman、AmmoniaannectensParkerandJones、AmmoniaflevensisHofker、Quinqueloculinaaknerianarotunda、CribrononionincertumWilliamson等有孔蟲群為主，表明該期海侵的沉積環(huán)境是水深小于15 m的潮間帶—淺海；下部海相層埋深17～24 m，CQ1和CQ2孔均鉆遇，粒度較粗，沉積物主要是黃褐色、灰黑色粉砂，貝殼層極發(fā)育，微體古生物以AmmoniatepidaCushman、CribrononionincertumWilliamson、ElphidiummangellanisumHeron-AllenandEarland、QuinqueloculinabellatulaBandy、ElphidiumadvenumCushman等淺海有孔蟲群為主，表明該期海侵比上部海侵水體深，影響范圍大。通過14C測(cè)年分析，并與萊州灣南岸平原已有鉆孔中海相層的期次、埋深、厚度等對(duì)比，認(rèn)為上部海侵層即10～4 ka B.P.的全新世黃驊海侵，下部海侵層即40～28 ka B.P.的晚更新世晚期獻(xiàn)縣海侵[25-26]。

山東地區(qū)黃土主要?jiǎng)澐譃檠驒诤咏M和大站組，其中羊欄河組年代較老，以多個(gè)黃土—古土壤旋回為特征，底部見礫石層，在青州地區(qū)厚24.3 m，熱釋光年齡顯示形成時(shí)間大致為793～227 ka B.P.，即中更新世，羊欄河組由魯中山前延伸到沿海蓬萊一帶；大站組以土黃色、灰黃色的粉砂、泥質(zhì)粉砂為特征，古土壤層較少，厚度較小，形成時(shí)間大致為110～10 ka B.P.，即晚更新世。廣饒南部地區(qū)黃土屬于山東濱海及島嶼區(qū)黃土帶，將其與周邊青州、臨淄、蓬萊等地的黃土對(duì)比分析認(rèn)為，該區(qū)17 m以下黃土粒度較粗，夾幾期河道沉積，發(fā)育棕紅色古土壤，測(cè)年資料顯示為中更新世，符合羊欄河組特征，故將廣饒南部黃土層以17 m為界劃分為兩部分：5～17 m為大站組，黃土層發(fā)育；17～30 m為羊欄河組，以黃土—古土壤旋回為特征，未見底。

圖8　廣饒地區(qū)CQ1孔綜合柱狀圖Fig.8　Comprehensive stratigraphic column of Borehole CQ1 in Guangrao area

圖9　魯北平原S—N方向淺層沉積相圖Fig.9　Shallow sedimentary facies of S-N direction in Lubei Plain

廣饒地區(qū)和沾化—河口地區(qū)的黃土層、海侵層和古河道砂層構(gòu)成了魯北平原東部自南向北方向的地層格架(圖9)，地勢(shì)南高北低，主要的地質(zhì)外力從南向北逐漸由風(fēng)過渡為河流和海，沉積物搬運(yùn)介質(zhì)的不同導(dǎo)致沉積類型和沉積速率的差異，黃土層沉積速率遠(yuǎn)小于海侵層和古河道。南部廣饒地區(qū)屬于萊州灣南岸平原，以黃土和海侵沉積為主，黃土層主要是中更新世以來數(shù)次冰期時(shí)裸露的渤海陸架沉積物經(jīng)冬季的東北和西北季風(fēng)搬運(yùn)至此形成，30 m深的鉆孔鉆遇全新世和晚更新世晚期兩個(gè)海侵層，海侵層超覆于南部黃土層中，與黃土層呈不等時(shí)接觸；沾化—河口地區(qū)屬于渤海灣西岸黃河三角洲地區(qū)，地勢(shì)相對(duì)較低，黃河攜帶大量沉積物在此處卸載，沉積速率較快，淺部地層形成于晚更新世末期和全新世，30 m深的地層發(fā)育全新世一個(gè)海侵層，自下而上發(fā)育陸相河流—海侵層—過渡相三角洲。

3魯北平原晚第四紀(jì)沉積演化

魯北平原南靠魯中山地，東臨渤海，黃河從中穿過，受地形和古氣候條件影響，晚更新世以來該區(qū)成為河流、海洋、湖泊、風(fēng)等多種地質(zhì)外力共同作用的場(chǎng)所，發(fā)育了古河道、湖沼、黃土、三角洲、潮坪和濱淺海等多種沉積類型。

末次冰期持續(xù)時(shí)間約為110～10 ka B.P.，在晚更新世晚期的25～15 ka B.P.進(jìn)入盛冰期，最低溫度出現(xiàn)于18 ka B.P.，中國東部海平面約為-130 m，海水退出黃渤海陸架，海岸線到達(dá)黃海中部，渤海全部裸露；進(jìn)入全新世冰期結(jié)束并向冰后期轉(zhuǎn)化，氣候轉(zhuǎn)暖，中全新世魯北平原平均氣溫14.83℃～15.03℃，較現(xiàn)今高2℃～3℃[9,27]，海平面在6.5 ka達(dá)到最高，高于現(xiàn)今海平面4～5 m，形成全新世海侵。黃河最晚在晚更新世貫通三門峽并東流入海，此后黃河攜帶大量泥沙在相當(dāng)長(zhǎng)的地質(zhì)歷史時(shí)期內(nèi)在魯北平原，乃至華北平原頻繁改道、遷移，該區(qū)也成為世界上河道遷移和三角洲活動(dòng)、廢棄最為復(fù)雜的地區(qū)[12,28]。末次冰期盛冰期到冰后期，受地勢(shì)、氣候條件控制的黃河河道遷移和海平面升降是影響魯北平原地層結(jié)構(gòu)和沉積演化的主要因素。

晚更新世晚期至早全新世早期，正值末次冰期盛冰期，氣候寒冷干燥，海平面降低，黃渤海陸架裸露，同時(shí)冬季風(fēng)強(qiáng)盛，在整個(gè)魯北平原北部發(fā)育了大范圍的古河道沉積，即第Ⅰ期古河道，河道一直延伸至渤海陸架；同時(shí)大量的陸架沉積物風(fēng)化，在強(qiáng)勁的冬季風(fēng)的搬運(yùn)下，沉積到地勢(shì)較高的小清河南岸山前傾斜平原以及黃河影響較小的萊州灣南岸平原，形成風(fēng)成黃土沉積(圖10A)。

早全新世晚期至中全新世，氣候由末次冰期進(jìn)入冰后期，逐漸轉(zhuǎn)暖，海岸線一度到達(dá)天津—無棣—墾利—利津—壽光一帶，跨過魯北平原的河口、沾化、廣饒等地區(qū)，形成了大面積的海侵地層；小清河以北的大片平原區(qū)由于地勢(shì)較低，古河道繼承性發(fā)育，形成第Ⅱ期古河道；小清河以南地區(qū)地勢(shì)較高，海平面升高導(dǎo)致內(nèi)陸河流走水不暢，淤積形成湖沼沉積；在海陸交界處，黃河攜帶的泥沙堆積，形成一部分三角洲沉積(圖10B)。

中全新世末期或晚全新世以來，氣候又轉(zhuǎn)為溫涼偏干，逐漸過渡到現(xiàn)今水平，海岸線隨之退后到現(xiàn)今岸線水平，黃河在魯北平原頻繁改道、泛濫，形成遍布全區(qū)的河流以及三角洲沉積，即第Ⅲ期古河道和現(xiàn)代黃河三角洲(圖10C)。

4地質(zhì)意義

魯北平原淺層沉積類型多樣，其沉積物的礦物成分、孔隙結(jié)構(gòu)、分布規(guī)律等對(duì)地下水的賦存、地震波能量的傳播等有較大影響，研究地層結(jié)構(gòu)和沉積特征對(duì)于分析地下水位的變化規(guī)律，以及選擇陸上油氣勘探的地震激發(fā)層等，均有重要意義。

圖10　魯北平原晚第四紀(jì)沉積演化(古河道據(jù)[5])A.晚更新世晚期至早全新世早期；B.早全新世晚期至中全新世；C.晚全新世Fig.10　Sedimentary evolution during Late Quaternary in Lubei Plain (paleochannels from reference[5])

魯北平原淺層地下水主要是賦存在沖積、海積層中的松散鹽類孔隙水，古河道砂層、海侵層是主要賦存介質(zhì)。不同類型沉積物的地下水賦存能力差異明顯，小清河以北地區(qū)地勢(shì)較低且平坦，古河道大面積分布，河道砂的孔隙度大且滲透性好，對(duì)地下水的賦存能力強(qiáng)，大量地下水賦存于其中，自內(nèi)陸向沿海地下水由淺到深呈現(xiàn)全淡、淡—咸—淡、咸—淡的遞變規(guī)律，淡水埋深逐漸增加[29]；小清河以南的黃土具有多孔性且垂直節(jié)理極發(fā)育，透水性強(qiáng)，對(duì)地下水的賦存能力差，地下水主要局限在黃土中的古河道砂層，水位較深，其中廣饒及沿海地區(qū)的黃土層中古河道相對(duì)發(fā)育，含水層較厚且淺層地下水豐富，而內(nèi)陸鄒平等地的地勢(shì)較高，黃土層中古河道稀少，淺層地下水相對(duì)缺乏。整體而言，魯北平原的小清河以南和以北地區(qū)地下水存量和水位存在明顯差異。

地震勘探是目前最有效的陸上油氣資源勘探方法，長(zhǎng)期實(shí)踐表明，在基底巖性、構(gòu)造特征等相同的情況下，地震激發(fā)效果明顯受淺部激發(fā)層質(zhì)量的影響，理想的激發(fā)層應(yīng)具備在潛水面以下、沉積物分布穩(wěn)定、粒度較細(xì)、泥質(zhì)含量高且膠結(jié)程度好等幾個(gè)條件[30-31]。魯北平原構(gòu)造位置屬渤海灣盆地濟(jì)陽坳陷，油氣資源儲(chǔ)量豐富，但地下構(gòu)造特征極其復(fù)雜，分析該區(qū)淺層的沉積物分布規(guī)律對(duì)于獲得高分辨率的地震資料具有重要的指導(dǎo)意義。小清河以北地下潛水面較高，在黃河三角洲地區(qū)據(jù)地表僅2 m，內(nèi)陸地區(qū)埋深18～25 m的第Ⅰ、Ⅱ期古河道界限以及黃河三角洲地區(qū)埋深12～18 m的全新世海侵層均以泥質(zhì)層為主，黏土礦物含量高，是良好的地震激發(fā)層；而小清河以南地區(qū)相同深度地層以黃土層為主，地下潛水面較低，黃土中的柱狀節(jié)理和鈣質(zhì)結(jié)核都能導(dǎo)致地震波能量的快速散失，不具備作為激發(fā)層的條件，湖沼層沉積物粒度較細(xì)且含水量相對(duì)較高，但由于深度太淺，也不適合作為激發(fā)層。

5結(jié)論

(1) 受地勢(shì)、氣候條件控制的黃河河道遷移和海水進(jìn)退是影響魯北平原晚第四紀(jì)地層結(jié)構(gòu)和沉積特征的主要因素，以小清河為界，南北地層結(jié)構(gòu)差異明顯，發(fā)育古河道、湖沼、黃土、三角洲、潮坪和濱淺海等沉積類型，其中古河道分布面積最廣，自下而上可劃分為三期。

(2) 晚更新世晚期至早全新世早期，魯北平原發(fā)育第Ⅰ期古河道，小清河以南沉積黃土層；早全新世晚期至中全新世，受海平面升高影響，沿海地區(qū)形成海侵層和三角洲，內(nèi)陸地區(qū)繼承性發(fā)育第Ⅱ期古河道和湖沼沉積；中全新世末期或晚全新世以來，黃河頻繁改道、泛濫，沉積第Ⅲ期古河道和現(xiàn)代黃河三角洲。

(3) 研究魯北平原淺層的地層結(jié)構(gòu)和沉積物分布對(duì)于分析地下水位的變化規(guī)律，以及選擇合適的地震激發(fā)層等均有重要意義。

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Stratigraphic Structure and Sedimentary Evolution during Late Quaternary in Lubei Plain

WANG HaiFeng1YANG JianPing2PANG XiaoLin2,3CHEN Fei1LIANG Xu1JIA JunTao2

(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China;2. School of Geosciences, China University of Petroleum, Qingdao, Shandong 266580, China;3. Shandong Zhengyuan Geophysical Information Technology Limited Company, Jinan 250101, China)

Abstract:Based on 54 new drilled holes in shallow layer and a plurality of outcrops, combined with grain size of sediments, thin sections, microfossils, plant pollen,14C dating, and static cone penetration test, stratigraphic structures and sedimentary types during late Quaternary in Lubei Plain was studied, and sedimentary evolution after terminal late Pleistocene was summarized. The results showed that, from pleniglacial of the last glacial period to the post glacial period, sea transgression and regression and channel migration of the Yellow River affected by topography and climate change were the main factors influencing shallow stratigraphic structures and sedimentary characters. Differences between the southern and northern stratum structure were obviously. Paleochannels, lakes and marshes, loess, deltas, tidal flats, and littoral-neritic sea developed. The distribution area of paleochannels was largest among them, which were divided into three layers. From terminal late Pleistocene to the early stage of early Holocene, influenced by the dry and cold climate, the first period paleochannels developed, and loess deposited to the south of Xiaoqing River. From the late stage of early Holocene to the middle Holocene, transgression layer and deltas developed in the coastal area, while lakes and marshes and the second period paleochannels developed successively in the inland area. After the last stage of middle Holocene or the late Holocene, influenced by flood of Yellow River, the third period paleochannels and the modern Yellow River delta deposited. The studies of stratigraphic structures and sediments distribution have important guide significance to the analysis on the changes of underground water level and selecting the appropriate seismic excitation layer.

Key words:Lubei plain; Late Pleistocene; stratigraphic structure; sedimentary evolution

中圖分類號(hào)P512.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

作者簡(jiǎn)介第一王海峰男1987年出生碩士沉積巖石學(xué)及巖相古地理E-mail: whfupc@sina.cn

基金項(xiàng)目：國家油氣重大專項(xiàng)(2011ZX05006-002)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202126)；山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(ZR2012DQ014)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(12CX04013A，13CX02039A)[Foundation: National Oil and Gas Major Project, No.2011ZX05006-002; National Natural Science Foundation of China, No.41202126; Natural Science Foundation of Shandong Province, No.ZR2012DQ014; Fundamental Research Funds for the Central Universities,No.12CX04013A, 13CX02039A]

收稿日期：2015-03-16； 收修改稿日期： 2015-05-08

doi:10.14027/j.cnki.cjxb.2016.01.008

文章編號(hào)：1000-0550(2016)01-0090-12