北京地區新5孔晚新生代沉積物中的地球化學特征及古環境意義

欒英波，郭 莉，郭高軒

（1.北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195；2.北京市地質調查研究院，北京102206；3.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

北京地區新5孔晚新生代沉積物中的地球化學特征及古環境意義

欒英波1，郭 莉2，郭高軒3

（1.北京市地質礦產勘查開發局，北京 100195；2.北京市地質調查研究院，北京102206；3.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195）

通過對新5鉆孔晚新生代地層中的主要氧化物、微量元素和主要元素比值的變化特點進行研究分析。表明該地區自新近紀以來該地區氣候總體趨勢是由溫暖濕潤向溫和干旱氣候方向發展。其中經歷了3個較大的氧化階段。本文綜合分析磁化率、古地磁和孢粉等資料。分析了主要氧化物、微量元素在不同地層中的分布特征。從地球化學角度把新5鉆孔的沉積環境分為6個變化波動區間。揭示該地區晚新生代以來的氣候經歷了溫暖濕潤-溫和濕潤—溫和偏干—溫暖濕潤—溫涼濕潤—溫和偏干的氣候波動。

晚新生代；地球化學特征；古氣候波動；北京地區

2004年國土資源部與北京市政府合作開展了城市地質調查。為進一步研究北京平原區新生界地層層序、古地理演化和構造演化特征。北京市地勘局等單位實施了新5鉆孔，對晚新生代沉積中物的地球化學特征進行了專題研究，從元素地球化學的角度探討了北京地區古氣候和古環境的變遷。

1 北京區域地質背景及地質剖面

（1）區域地質背景

北京位于華北平原西北角，其北部、東北部、西部為群山環繞、東南為山前平原，由永定河、潮白河、溫榆河等河流沖洪積扇構成。新5孔布置在順義凹陷四級構造單元內（見圖1），其北部和南部邊界分別由順義斷裂和南口-孫河斷裂控制，在地貌上屬于永定河晚更新世沖洪積臺地。

圖1 新5孔及重要鉆孔地理位置示意圖

（2）新5孔地質剖面

根據古地磁測年、地層和孢粉資料[1]。該孔的沉積物從下至上可分為上新統、下更新統、中更新統、上更新統和全新統地層。

上新統：孔深248.3～322m，主要以黃棕色粉質粘土、砂質粘土、粉砂、細砂、中砂和含礫粗砂組成。粘類土中含有僵石，砂層具有水平層理，分選性差，呈次棱角或圓狀，以正極性帶為主，對應高斯正極性時。其地質時代為2.58～3.22Ma左右。

下更新統：孔深97.4～248.3m，主要為黃棕色、濁棕色和灰棕色粉砂質粘土、粉質粘土、粉砂、細砂、中砂和粗砂組成。96.59～246.79m以反極性帶為主，對應松山反極性時。其地質時代為0.78～2.58Ma。

中更新統：孔深17.23～97.4m，主要為黃棕色、濁黃棕色中砂、砂礫石、粗砂、粉砂質粘土組成，大致可以分為4個旋回。鉆孔巖芯剖面0～96.59m以正極性帶為主，總體對應國際地磁極性年表的布容正極性時，其地質時代為0.128～0.78Ma。

上更新統：孔深1～17.23m，為黃棕色粉砂質粘土、粉質粘土，細胞狀結構，粒徑粗細不一。古地磁測試結果表明深度15.85m處大約對應地質年代0.128Ma。

全新統：孔深0～1m，主要為濁黃棕色回填土。其成分為粉砂質粘土類及建筑垃圾(大小不一的碎磚塊。混凝土塊)和碎石等組成。頂部植物根系發育，底部見有少量的黑色煤渣。

2 新5孔晚新生代地球化學特征分析

新5孔不同地層松散沉積物中SiO2、Fe2O3、MgO、NaO等主要氧化物和Rb、Cr、V、Se等微量元素含量差異較大，反映不同地質時期不同沉積地層中地球化學元素的分布差異。新5鉆孔主要氧化物地球化學成分與微量元素含量分布表現出一定的規律性，并具有較好的相似性（見圖2）。SiO2從上往下表現為低 高低的特征，Fe2O3表現特征與SiO2恰好相反，Al2O3從上到下表現為低 高的特征，MgO與NaO整體從上到下表現為由高 低。但在100～120m之間MgO出現了較低的異常，NaO出現了較高的異常值。SiO2/( Al2O3+ Fe2O3)與Fe2O3/ FeO比值不僅具有較好變化周期，而且均與Fe2O3相關，Fe2O3/ FeO在300～320m出現了較高的異常值。

從表1中可以看出Q3、Q2、Q1、 N主要氧化物（SiO2＋Al2O3＋ Fe2O3＋FeO ＋CaO＋ MgO ＋ K2O＋ Na2O）百分含量為88.86%、89.72%、91.03%、89.75%，它們在不同時代主要氧化物含量變化十分接近，反映出沉積環境十分相似，主要物質來源相同。Fe2O3與FeO百分含量成負相關性，在上新世時Fe2O3百分含量達到5.80%,FeO百分含量達到0.38%,反映出新5鉆孔氧化環境逐步在加強。CaO、Na2O平均百分含量從上新世逐漸升高，反映出當時的氣候條件逐漸向干旱氣候條件發展。北京新5孔剖面中晚更新世除SiO2以外，Al2O3、 Fe2O3、FeO 、CaO、MgO 、K2O、Na2O平均百分含量介于陜西洛川黃土和安徽宣城風成堆積之間，反映出北京地區氣候條件介于兩者之間,氣候、風化條件較陜西洛川較高。

圖2 北京地區新5鉆孔常量、微量元素特征曲線圖

表1 北京新5鉆孔化學元素平均含量與洛川黃土[1]、安徽宣城風塵堆積[2]對比 （%）

3 地球化學元素與古環境意義研究

研究表明,不同氣候條件下存在著一定的與之相適應的沉積物,這些沉積物與它所處環境之間的適應或者平衡關系是通過沉積物及元素重新組合、產生新礦物來實現的。因而,他們不但具有原巖的組成特征,而且記錄著它們形成時的氣候環境[3]。陳駿〔4〕等人對陜西洛川黃土剖面的Rb/Sr值及其氣候進行了研究,研究表明Rb/Sr值可以作為東亞夏季風環流強度變化較為敏感的替代指標。元素Na、K、Mg等化學活動性強,且Na的化學活動性較K強,Ni、Cu、Cr等化學活動性較Fe和Al強[5]。在溫暖潮濕的氣候條件下,水介質為酸性,沉積物中易溶元素溶解遷移,而Al2O3相對富集,在干旱條件下相對含量則降低。干冷氣候條件下的黃土較形成于溫暖濕潤條件下的黃土中的CaO3含量較高[6]，CaO含量越高指示氣候環境越干冷[7]等為本次研究分析晚新生代古地理環境提供了科學依據。

322～248.3m：上新世沉積物，上部為棕色粉砂質粘土、黃棕色粗砂、細砂及粘土互層沉積物，最下部為灰黃棕色、棕色、紅棕色、雜色，分選性差泥礫巖，卵石磨圓較好，大部分呈半風化至全風化狀，輪廓清晰，手觸成泥，卵石表面有黃色膜及氧化鐵染。該段各元素含量和比值明顯增加，尤其是Al2O3和Fe2O3含量、Fe2O3/ FeO比值達到全孔的最高值。SiO2/( Al2O3＋Fe2O3)比值、Na2O含量也達到了最低。從各元素和比值情況，反映出當時地層遭受化學作用較強，具有較強氧化環境，氣候較為溫暖濕潤的環境特征。

248.3～190m：早更新世沉積物，總體上SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO 、 MgO、 Na2O、Ba、Cl、F、Co、Ra、Sr、V各元素含量波動范圍較大。有明顯的富集和散失現象，而Ba本段平均含量為1095 10-6mg/kg遠高出鉆孔平均含量749 10-6mg/Kg，Na2O含量較高，SiO2/( Al2O3＋ Fe2O3)比值以高值為特征， Rb/Sr本段比值為0.41高于平均值0.37，Fe2O3/ FeO比值較低。暗示著當時為還原環境，當時氣候溫和濕潤。

190～132m：早更新世沉積物主要以粉質粘土為主，總體上Ba、Co、Rb、Sr、V、Sc、Ga各元素含量變化較大, 有明顯富集現象。Ba含量較低，含量為549.5 10-6mg/kg遠低于鉆孔平均含量749 10-6mg/kg，SiO2/( Al2O3＋ Fe2O3)比值較低，Fe2O3/ FeO比值較高，綜合微量元素和常量元素分析，可以看出當時主要環境為氣候條件為溫和偏干的氧化環境。

132～76m：早更新世沉積物，主要以砂質粘土為主。總體上各元素含量波動較大, 各元素有明顯富集和散失現象。MgO和 Na2O 在115m左右出現異常值。Rb/Sr、Fe2O3/ FeO比值較高。表明當時該地區盡管氣候有波動較大，總趨勢氣候溫暖濕潤，呈現出較強的氧化環境。

76～45m：中更新世沉積物，總體上Ba、、Rb、Sr、V、Fe2O3/ FeO各元素含量波動范圍較大，各元素明顯的富集和散失現象。 Rb/Sr比值較上一階段有所增加，SiO2/( Al2O3＋ Fe2O3)比值與Fe2O3/ FeO比值均較低。V元素平均含量在本段較高100.1 10-6mg/kg。反應該地區生物化學作用與風化作用明顯,氣候溫涼濕潤的環境。

0～45m:總體上各元素含量均降低的趨勢, 大部分元素沒有明顯富集現象，暗示著物源區地表溫度較低，雨量較少，整體上地球化學風化、生物作用較弱，各元素難以以溶解離子遷移富集。氣候主要以溫和偏干的環境。1-3m以上主要為回填土，元素含量和比值變化較大。尤其是Sr、Ba、F、Cl等元素異常較高。反映出由于受人類活動影響，沉積環境的變化劇烈。

4 結論

(1)從新5孔中主要元素氧化物平均含量變化來看，反映出上新世以來本地區氣候環境從溫暖濕潤逐漸向溫和偏干發展。對微量元素和主要氧化物分析研究，可以作為本地區氣候環境、地層劃分的輔助依據。

(2)北京市平原區新5鉆孔剖面松散沉積物中微量元素以及主要氧化物的分布與變化，與第四紀以來沉積環境和古氣候變化密切相關，通過對各元素含量變化及比值可將晚新生代古氣候劃分為溫暖濕潤 溫和濕潤 溫和偏干 溫暖濕潤 溫涼濕潤 溫和偏干的6個氣候波動帶。

(3)從Fe2O3/ FeO比值上來看，上新世以來北京地區古地理氧化過程經歷3個較強的氧化階段。

[1]文啟忠等.中國黃土地球化學.北京：科學出版社1989.

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[3]張虎才，李吉均，馬玉貞等.騰格里沙漠南緣武威黃土沉積元素地球化學特征.沉積學報.15（4）152～158.

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[5]劉英俊，曹勵明.元素地球化學.北京：科學出版社.1984.

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[7]劉東生等.黃土與環境.北京：科學出版社,1985.

The Geochemistry Characteristics and the Paleo-environmental Significance on the Late Cenozoic Sediments in the Beijing Xin-5 Borehole

LUAN Yingbo1, GUO Li2, GUO Gaoxuan3

(1. Beijing Geology Prospecting & Developing Bureau, Beijing 100195; 2. Beijing Geological Survey, Beijing 102206; Hydrogeology and Engineering Geological Team of Beijing, Beijing 100195)

In this paper, the characteristics of the main oxidants, trace elements and rate of main elements in the Late Cenozoic in the Xin-5 borehole are analyzed. It s concluded that the overall climate changed from warm and humid to temperate and dry in the target area since Neocene, and three dominant oxidization phrases were experienced. Also the distribution of the main oxidants, trace elements and rate of elements among different strata are studied, combining with the magnetic susceptibility, paleomagnetism and sporopollenin. Based on the geochemical properties, the sedimentary environments of the Xin-5 borehole can be divided into six successive environmental zones to refect the paleo-climatic fuctuations since Cenozoic, such as warm and moist, temperate and subhumid, cool and moist, temperate and dry, warm and moist, temperate and dry, temperate and moist, temperate and dry, temperate and dry.

Late Cenozoic；Geochemistry Characteristics；Paleo-environment；Beijing

P594

A

1007-1903(2011)01-0022-04