劉文達，劉寒鵬

（天津城建大學(xué) 地質(zhì)與測繪學(xué)院，天津 300384）

渤海灣北岸在第四紀期間歷經(jīng)海陸的變化，形成了海相和陸相沉積物交替出現(xiàn)的地層，前人曾對渤海灣北岸做了大量的研究.楊子賡等分析歷史時期渤海灣北岸海陸相沉積物交替出現(xiàn)的地層演化過程[1]，李元芳等利用灤河三角洲地區(qū)的4個深鉆、9個淺鉆的微體化石數(shù)據(jù)對研究區(qū)第四紀海相地層進行劃分[2]，李華梅等根據(jù)渤海灣北岸柏3孔的古地磁數(shù)據(jù)對中國北方的第四紀地層劃分問題進行了相關(guān)討論[3]，趙華等利用光釋光（OSL）對天津大直沽ZH2鉆孔對研究區(qū)海侵狀況進行了年代學(xué)研究[4]，閻玉忠等利用加速器質(zhì)譜（AMS）14C技術(shù)等對渤海灣西北岸BQ1孔與BQ2孔進行地層對比分析和年代學(xué)研究[5]，胥勤勉等依據(jù)渤海灣北岸MT04孔的巖石磁學(xué)和古地磁數(shù)據(jù)進行了磁性地層年代學(xué)研究[6].本文研究的MT04孔位于渤海灣北岸的樂亭縣境內(nèi)，對該區(qū)域的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究和沉積相分析，可以為渤海灣北岸的第四紀地層剖面繪制補充可靠的基礎(chǔ)性地質(zhì)資料.

粒度參數(shù)可以反映沉積物粒度組成、沉積環(huán)境以及水動力強弱及變化狀態(tài)，是分析第四紀沉積物較直接的手段之一[7-8].在本孔已有古地磁年代學(xué)研究基礎(chǔ)上，利用室內(nèi)粒度數(shù)據(jù)和野外編錄資料對MT04孔晚更新世以來的沉積環(huán)境演化進行分析和研究.

1　區(qū)域地質(zhì)背景

渤海灣北岸第四紀時期為新生代早期裂陷后的加速沉降時期[9].渤海灣北岸的地層沉積以湖相和河流相沉積為主，同時含有海相層[6，10].第四紀以來，渤海灣北岸地區(qū)共發(fā)生了4次較大規(guī)模的海侵[11].在晚更新世晚期和全新世期間，渤海灣北岸主要為沙壩－澙湖海岸組成[12].由于走滑斷裂活動的影響，使得渤海灣北岸地區(qū)各次級構(gòu)造單元的沉積厚度有所差異[6].

鉆孔MT04位于樂亭縣馬頭營鎮(zhèn)南部，具體位置詳見圖1.研究區(qū)在構(gòu)造上處于黃驊坳陷中的馬頭營凸起，位于歷史早期的灤河三角洲上[13]，是17—18世紀時期的灤河河道的高漫灘[14]，在全新世中期渤海的第四次海侵的古海岸線附近[15].根據(jù)前人對該孔的古地磁年代學(xué)研究數(shù)據(jù)，本鉆孔自埋深83 m起為晚更新世以來沉積的松散堆積物[6]，本文僅對晚更新世以來的沉積物的沉積特征和粒度特征進行分析和研究.

圖1　渤海灣北岸構(gòu)造簡圖和MT04孔位置

2　地層巖性特征

埋深0～9.6 m，以橄欖灰色粉砂質(zhì)泥、粉砂質(zhì)砂和灰色粉細砂為主，呈厚層狀互層.可見海相貝殼及碎片，炭質(zhì)碎屑.頂部發(fā)育交錯層理，底部埋深9.6 m處可見泥炭層.

埋深9.6～37.2 m，橄欖灰色細砂，少量黃棕色中粗砂，可見泥礫和小礫石.

埋深37.2～49.2 m，橄欖灰色粉砂，含泥細砂.底部見泥炭層沉積，垂向上為正粒序?qū)有?

埋深49.2～63.6 m，淺黃棕色細砂，粉砂質(zhì)砂，夾部分黃色中砂.可見交錯層理，中部可見沖刷面.

埋深63.6～75.2 m，灰白色細砂，少量中砂.可見泥礫，部分深度可見斜層理，底部可見不整合接觸面.

埋深75.2～79.0 m，橄欖灰色粉砂質(zhì)砂，可見鈣質(zhì)結(jié)核、銹染、還原條帶.

埋深79.0～83.0 m，灰棕色粉砂質(zhì)砂夾黃棕色粉細砂.

3　樣品采集和粒度分析實驗

3.1　試樣采集

野外鉆探所得巖芯用鋼絲鋸劈開，裝在巖芯管中依次排開后進行野外編錄和拍照.隨后進行采樣，具體采樣位置以采得巖芯情況而定，盡量采集未摻雜泥漿的巖芯.本次共使用埋深在83 m以內(nèi)的176個土樣作為本次粒度實驗樣品.

3.2　粒度分析實驗

每個樣品各取3～5g，分別裝入標有編號的燒杯中，并記錄樣品燒杯編號對應(yīng)深度；向燒杯中加入10 mL濃度為3.31 mol/L過氧化氫溶液攪拌并加熱，待其不再產(chǎn)生大氣泡時停止加熱；再加入10 mL濃度為2.88 mol/L的稀鹽酸攪拌并加熱，反應(yīng)完全后停止加熱；待其冷卻后將燒杯注滿蒸餾水，靜置1 d，抽去上層清液；加入10 mL濃度為0.05 mol/L的六偏磷酸鈉分散劑，次日方可進行上機實驗.本次實驗采用英制Mastersizer2000粒度測試儀進行顆分試驗.該儀器有效測試范圍為0.2～2 000 μm.為了粒度測試的準確性上機實驗時勾選超聲波振蕩選項操作20 min后開始測量，使實驗結(jié)果更加準確.

4　粒度實驗結(jié)果分析

4.1　粒度參數(shù)分析

粒度分析結(jié)果的處理方法采用 McManus（1988）提出的矩法粒度參數(shù)計算公式[16].計算得到的沉積物的平均粒徑、分選系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)和峰態(tài)值隨深度變化的曲線與對應(yīng)深度地層的沉積物的巖性特征、沉積特征、構(gòu)造特征等詳見表1.

表1　MT04孔晚更新世以來綜合分析

本孔沉積物主要以砂和粉砂為主，粒徑范圍為0.8～7.1 Φ，平均粒徑為 4.2 Φ，標準差平均值為 1.7，標準差范圍為0.4～2.8，分選程度從極好到很差；偏度值平均值為1.7，偏度值范圍為-0.5～4.9，粒度曲線從微負偏到極正偏；峰度平均值為6，峰度值范圍為1.8～32.5，曲線峰型從很平坦到極尖銳；其中51.2%樣品中，砂的含量占主導(dǎo)地位，41.4%樣品中粉砂的含量最多，而黏土含量少見，在全段地層占比均低于21.3%.

4.2　粒度頻率曲線與概率曲線

本文從176個粒度測試樣品中，自下而上選取了26個來自各層位的具有代表性樣品的頻率曲線和概率曲線組合進行研究和分析.

典型樣品 1-4，埋深依次為 82.2，82.4，82.6，82.8 m.4個樣品頻率曲線均為典型的雙峰曲線（見圖2a），粒度范圍分布較廣，為0.5～10.5 Φ，主峰為細砂組分，峰值在2.5～3.5 Φ之間，次峰為細粉砂組分，峰值在7 Φ左右.粒度概率曲線為兩跳加一懸式（見圖2b），兩端斜率不同的跳躍組分，跳躍總體斜率45°～60°左右，占比 40%～60%，分選一般；跳躍次總體斜率 23°～25°左右，分選較差，占比30%～35%；懸浮組分30°左右，占比5%～15%，分選較差.

圖2　MT04-1至MT04-4粒度頻率曲線與概率曲線

典型樣品 5，6，7，埋深依次為 75.8，76.6，79.2m，3 個樣品頻率曲線均為典型的單峰曲線（見圖3a），粒度整體偏細，峰值在5.5 Φ左右波動，沉積物主要為粉砂或黏土.樣品5，6，7的粒度概率曲線為兩跳加一懸式（見圖3b）：滾動組分未發(fā)育，一段斜率45°左右跳躍組分，占比30%左右，分選較差；斜率30°～45°左右跳躍組分，占比50%～55%，分選一般；懸浮組分發(fā)育較好，斜率在20°～30°左右，占比約 20%～25%，分選較差.

圖3　MT04-5至MT04-7粒度頻率曲線與概率曲線

典型樣品 8，9，10，埋深依次為 64.2，66.6，68.2 m，3個樣品頻率曲線均為尖銳的單峰曲線（見圖4a），沉積物粒度較粗，主要為細砂、中砂，粒度范圍在1～2 Φ之間，峰值在1.5 Φ左右.粒度概率曲線為三段式（見圖4b），斜率在45°左右的滾動組分，約占30%，分選一般；斜率很高的跳躍組分，跳躍總體斜率70°左右，占比60%～65%，分選極好；幾乎未發(fā)育的懸浮組分，占比小于5%，分選較差.

典型樣品 11-14，埋深依次為 49.8，56.5，59.8，61.5 m，4個樣品頻率曲線均為典型的帶細尾的單峰曲線（見圖5a），沉積物多集中在細砂，粒度范圍0～3 Φ；尾部夾雜粉砂沉積，粒度范圍約為 3～9 Φ.樣品11-14的粒度概率曲線為四段式曲線（見圖5b），滾動組分未發(fā)育或占比小于20%，分選較差；一段斜率為70°～75°左右跳躍組分，占比 40%～45%，分選較好；一段斜率 45°～50°左右的跳躍組分，占比 10%～15%，分選一般；懸浮組分占比10%～20%，分選較差.

圖4　MT04-8至MT04-10粒度頻率曲線與概率曲線

圖5　MT04-11至MT04-14粒度頻率曲線與概率曲線

典型樣品 15-18，埋深依次為 37.3，39.2，45.2，48.6 m，4個樣品頻率曲線均為典型的單峰曲線（見圖6a），粒度集中在 4～8 Φ，峰值在 6.0 Φ 擺動，整體粒度較細，沉積物主要為粉砂組分.粒度概率曲線為兩跳加一懸式（見圖6b），跳躍組分次總體斜率較低，約為30°左右，占比20%～25%，分選一般；跳躍組分總體斜率較低，約為45°左右，占比50%～55%，分選一般；懸浮組分主體斜率在45°左右，分選一般，約占總體20%左右.

圖6　MT04-15至MT04-18粒度頻率曲線與概率曲線

典型樣品 19-22，埋深依次為 17.9，22.7，25.1，36.2 m，4個樣品頻率曲線均為尖銳的單峰曲線（見圖7a），沉積物主要峰值在1 Φ左右.沉積物主要為中細砂，水動力較強.粒度概率曲線為高斜兩段式（見圖7b），滾動組分占 70%～90%，斜率較高，約在 60°～70°左右，分選很好；少量的跳躍組分斜率較低，約在18°～20°左右，分選較差，占比小于5%，懸浮組分幾乎未發(fā)育.

典型樣品 23-26，埋深依次為 4.6，4.8，6.2，6.8 m，4個樣品頻率曲線均為典型的單峰加細尾的曲線（見圖 8a），粒度范圍分布較廣，為 0.5～10.5 Φ，主峰為細砂組分，峰值在1.5～2.5 Φ之間，懸浮細尾為粉砂組分，范圍在4～10.5 Φ.粒度概率曲線為四段式（見圖8b），滾動組分未發(fā)育或占比10%以下，分選較差；兩端斜率不同的跳躍組分，跳躍總體斜率較高，約65°左右，占比30%～45%，分選較好；跳躍次總體斜率45°～50°左右，分選一般，占比20%～35%，懸浮細尾約10%～15%，分選差.

圖7　MT04-19至MT04-22粒度頻率曲線與概率曲線

圖8　MT04-23至MT04-26粒度頻率曲線與概率曲線

5　沉積環(huán)境分析

5.1　沉積單元分析

本文根據(jù)沉積物的沉積特征、沉積構(gòu)造和沉積層序，結(jié)合粒度參數(shù)分布規(guī)律和粒度頻率曲線、概率曲線特征，可將MT04孔晚更新世以來的地層自下而上分為7個沉積單元.

5.1.1沉積單元I

埋深81.0～83.0 m，主要沉積物為粉砂夾部分極細砂沉積，垂向上為多個復(fù)合粒序旋回.平均粒徑為2.8～5.4 Φ，平均為 4.3 Φ；標準差為 1.7～2.3，分選從較差到差，平均為2.1；偏差平均為0.8，偏差值范圍為0.2～1.8，主要為微正偏態(tài)；峰態(tài)為 1.9～5.7，平均為 3.0，峰型較平緩.巖心樣品的粒度頻率曲線多為雙峰或多峰曲線（見圖2a），物源較多，沉積環(huán)境復(fù)雜.粒度概率曲線多為兩跳加一懸式（見圖2b），主要發(fā)育跳躍組分，跳躍組分分選差，水動力條件復(fù)雜，但總體較弱.樣品3，4的粒度主峰明顯要低于樣品1，2，代表粒度整體變細，水動力逐漸減弱.樣品3，4和樣品1，2相比分選性變差，懸浮組分增加，反映分支河流水動力減弱，洪泛過后，粗顆粒與細顆粒沉積物共存的粒度特征.同時在垂向?qū)有蛏嫌邢蛏献兗毜内厔荩ㄒ姳?），綜合該層位的沉積特征和粒度參數(shù)特征，判斷為河漫亞相中的河漫灘相.

5.1.2沉積單元II

埋深75.2～81.0 m，主要沉積物為粉砂.平均粒徑為 3.8～6.2 Φ，平均為 5.5 Φ；標準差為 1.2～2.3，分選從較差到差，平均為1.8；偏差平均為0.4，偏差值范圍為-0.3～1.8，主要為負偏態(tài)；峰態(tài)為 1.9～5.7，平均為2.7，峰型較平緩.巖心樣品的粒度頻率曲線多為較平緩的單峰正態(tài)曲線（見圖3a）.證明物源單一，峰值集中在粉砂沉積，整體粒度偏細，代表水動力較弱.巖心樣品的粒度概率曲線為兩跳加一懸式（見圖3b）.與上一沉積單元相比，懸浮組分增加，水動力偏弱.粒度概率曲線與上一層相比，分選性更差，懸浮組分增加，反映沉積環(huán)境水動力進一步減弱.且在該沉積單元可見鈣質(zhì)結(jié)核沉積（見表1），符合河流泛濫形成的河間洼地在干旱時期水體蒸發(fā)量增大，易形成鈣質(zhì)結(jié)核等沉積物的沉積特征.

5.1.3沉積單元III

埋深63.6～75.2 m，主要沉積物為灰色中砂、細砂.平均粒徑為 1.3～3.4 Φ，平均為 2.1 Φ；標準差為0.4～2.8，分選從較好到差，平均為1.4；偏差平均為2.3，偏差值范圍為 0.1～4.9，為正偏態(tài)；峰態(tài)為 2.1～30.9，平均為13.3，峰型多尖銳.巖心樣品的粒度頻率曲線為尖銳的單峰曲線（見圖4a），水動力環(huán)境單一且較強.粒度概率曲線多為三段式（見圖4b）.滾動組分發(fā)育較好，代表較高能的沉積環(huán)境.樣品10-8的平均粒徑遞增，遠高于沉積單元Ⅱ，且細尾組分遞減，代表水動力逐漸增強.樣品10，9，8跳躍組分占比遞增，懸浮組分代表沉積水動力環(huán)境逐漸趨于高能，垂向?qū)有蛏显摮练e單元為反粒序沉積（見表1），結(jié)合該沉積單元的沉積特征，推斷為湖相沉積中的濱湖亞相.

5.1.4沉積單元IV

埋深49.2～63.6 m，主要沉積物為黃棕色細砂、極細砂夾中砂顆粒.平均粒徑為1.7～5.1 Φ，平均為2.7 Φ；標準差為0.9～2.6，分選從中等到極差，平均為1.7；偏差平均為2.3，偏差值范圍為0.2～3.9，全部為正偏態(tài)；峰態(tài)為2.6～21.0，平均為10.3，峰型多尖銳.巖心樣品的粒度頻率曲線多為較尖銳的單峰曲線（見圖5a），沉積環(huán)境較高能，粒度概率曲線多為四段式（見圖5b）.樣品14，13的粒度明顯要低于樣品12，11，代表這期間水動力逐漸增強.樣品14至11反映出水動力條件由弱到強最后又逐漸減弱的變化，推斷河流入湖后水動力逐漸減弱，垂向?qū)有蛏显摮练e單元為多個復(fù)合粒序沉積（見表1）.綜合該沉積單元的沉積特征和粒度參數(shù)特征，判斷該沉積單元為沖積扇扇緣.

5.1.5沉積單元V

埋深37.2～49.2 m，主要沉積物為橄欖灰色粉砂.平均粒徑為 2.1～6.8 Φ，平均為 5.2 Φ；標準差為1.1～2.5，分選從中等到差，平均為1.8；偏差平均為0.6，偏差值范圍為-0.5～2.1，大部分為負偏態(tài)；峰態(tài)為2.0～11.1，平均為3.3，峰型多平緩.巖心樣品的粒度頻率曲線多為矮單峰曲線（見圖6a），整體粒度較細，水動力較弱.粒度概率曲線多為兩跳加一懸式（見圖6b）.懸浮組分發(fā)育良好，代表水動力環(huán)境偏低能.垂向方向上樣品的峰度值逐漸增加，代表該沉積單元粒度逐漸變粗，水動力逐漸增強的趨勢.垂向方向上樣品的懸浮組分逐漸減少，本沉積單元整體粒度較細，黏土組分發(fā)育，底部可見泥炭層，綜合該沉積單元的沉積特征和粒度參數(shù)特征，判斷該沉積單元為淺湖相沉積.

5.1.6沉積單元VI

埋深9.6～37.2 m，主要沉積物為灰色中砂、細砂.平均粒徑為 0.8～6.1 Φ，平均為 2.3 Φ；標準差為 0.4～2.5，分選從較好到差，平均為1.3；偏差平均為2.2，偏差值范圍為-0.1～4.1，大部分為正偏態(tài)；峰態(tài)為1.8～32.5，平均為12.2，峰型多尖銳.巖心樣品的粒度頻率曲線多為尖銳的單峰曲線（見圖7a），代表高能的沉積環(huán)境.粒度概率曲線多為高斜兩段式（見圖7b）.滾動組分較多，懸浮組分幾乎未發(fā)育，整體沉積環(huán)境偏高能，垂向方向上樣品的峰態(tài)值逐漸增加，滾動組分占比增加，代表該沉積單元粒度逐漸變粗，水動力逐漸增強的趨勢.本沉積單元水動力高能，在垂向?qū)有蛏蠟?個復(fù)合粒序旋回，且可見粗砂、礫石沉積，綜合該沉積單元的沉積特征和粒度參數(shù)特征，判斷該沉積單元為湖相三角洲沉積.

5.1.7沉積單元VII

埋深0～9.6 m，主要沉積物灰色粉砂和少量細砂互層.平均粒徑為 2.5～7.1 Φ，平均為 4.7 Φ；標準差為1.2～2.4，分選從較差到差，平均為 1.8；偏差平均為0.9，偏差值范圍為-0.3～2.5，主要為微正偏態(tài)；峰態(tài)為2.0～8.6，平均為3.9.巖心樣品的粒度頻率曲線多為單峰加細尾或不明顯的雙峰曲線（見圖8a），物源較多，沉積環(huán)境復(fù)雜.粒度概率曲線多為四段式（見圖8b）.發(fā)育滾動組分，水動力較強；跳躍組分分段且斜率不同，代表水動力條件復(fù)雜.樣品23，24的粗粒組分明顯要少于樣品25，26，代表粒度整體變細，水動力逐漸減弱.樣品23，24和樣品25，26相比分選性變差，側(cè)面證明水動力環(huán)境逐漸趨于低能.本沉積單元可見海相貝殼碎片和泥炭層，頂部可見交錯層理發(fā)育，綜合該沉積單元的沉積特征和粒度參數(shù)特征，判斷該沉積單元可能為第四次海侵期間形成的淺海相沉積.當(dāng)時的氣候趨于溫暖，海洋生物得以較好地繁殖，因此形成了大量顆粒較細的高含碳量的粉砂質(zhì)、淤泥質(zhì)沉積[2].

5.2　沉積演化分析

埋深75.2～83.0 m，沉積單元Ⅰ和沉積單元Ⅱ構(gòu)成了河漫灘—河漫湖的沉積旋回.反映了研究區(qū)于冰期—間冰期轉(zhuǎn)化期間，氣候逐漸由寒冷干旱趨暖濕的過程，此時河流水量逐漸增大，河間洼地被填充成小型的河漫湖泊，形成了泛濫平原的沉積旋回.埋深45.5～75.2 m，沉積單元Ⅲ和沉積單元Ⅳ構(gòu)成了濱湖相—沖積扇相交互沉積旋回，反映了在渤海灣沿岸地區(qū)西高東低的構(gòu)造背景下，燕山東部T3階地形成[17]，且渤海灣盆地仍處于坳陷期，湖盆受構(gòu)造控制，加速接受河流的沉積物，在交替演化過程中逐漸被填充.埋深0～45.5 m，沉積單元Ⅴ、沉積單元Ⅵ、沉積單元Ⅶ構(gòu)成了淺湖相—湖相三角洲—淺海相的沉積旋回，反映了在晚第四紀期間渤海灣盆地繼續(xù)沉降背景下，研究區(qū)湖泊繼續(xù)接受河流沉積，且間冰期氣候逐漸趨于溫暖[18]，全球海平面上升，后期遭遇全新世海侵的沉積演化過程[2].

6　結(jié)論

MT04孔自晚更新世以來的地層巖性主要為橄欖灰色砂質(zhì)粉砂、粉細砂、細砂夾棕黃色粉砂質(zhì)砂、泥質(zhì)細砂.該孔可以分為7個沉積單元，這些沉積單元構(gòu)成了3個沉積旋回，自下而上分別為：河漫灘—河漫湖的泛濫平原沉積旋回、濱湖相—沖積扇相的湖與河流相的交互沉積旋回，淺湖相—湖相三角洲—淺海相的沉積旋回.總體上反映了研究區(qū)在氣候和構(gòu)造耦合作用下，湖泊逐漸接受河流沉積物并在海侵作用的共同作用下，逐漸被填充的過程.