北京平原區(qū)中更新世晚期以來古環(huán)境演變

何付兵 馬學利 吳超 劉振華 崔玉斌 牛文治 劉曉勇

摘 要：對位于北京平谷馬坊村新生代Zk09孔沉積物磁化率、色度現(xiàn)場測試和碳十四、光釋光年齡測試表明，北京平原區(qū)東北部65m深地層沉積穩(wěn)定，沉積時代約為250ka以來。期間沉積地層磁化率、色度同巖性關(guān)系密切，主要受控于氧化-還原環(huán)境條件和水動力條件，即溫度和降水古氣候環(huán)境，可作為重要的古氣候演化替代性指標。其沉積物地層年代-磁化率、色度曲線發(fā)育7次演化旋回，較好記錄了MIS1—MIS7倒數(shù)第二次冰期間冰期以來的古氣候環(huán)境演化過程。

關(guān)鍵詞： Zk09鉆孔;年代地層;現(xiàn)場測試;磁化率與色度;古環(huán)境;北京平谷

Abstract： Combining the results of carbon-14， luminescence and field tests， including magnetic susceptibility and chromaticity， from the Zk09 borehole in the Mafang area of Beijing， 65-m depth stratigraphic framework in the northeastern part of the Beijing sub-plain was firstly established. Our research shows： （1） its sedimentary dating is about since 250ka， and its depositional rate is basically stable. （2）The magnetic susceptibility and chromaticity of the sedimentary stratum are closely related to lithology， and are mainly controlled by the paleo-climate environment， including the oxidation-reduction environmental conditions （i.e. temperature） and hydrodynamic conditions （i.e. humidity）. Therefore， they could be used as important indicators of paleo-climate evolution. （3）The curves of the sedimentary stratigraphic vs. magnetic susceptibility and chromaticity have developed seven evolutionary cycles， which better record the evolution of the paleo-climatic environment from the MIS1 to MIS7 of the deep sea oxygen isotope stage.

Keywords： Zk09 borehole; Chronostratigraphy; Field test， Magnetic susceptibility and chromaticity; Paleo-environment; Pinggu district of Beijing

0 引言

沉積物色度通常被用來作為一種環(huán)境代用指標以揭示第四紀沉積物成分、結(jié)構(gòu)特征，并用來開展區(qū)域地層對比，反映沉積古環(huán)境演化過程（丁國瑜等，1964; Helmke et al.，2002;彭淑貞等，2003）。在沖積平原區(qū)，陸相淺水沉積下頻繁更替氧化-還原沉積條件，使得沉積物色度信息更加豐富，一定程度上能更好記錄古氣候、古沉積環(huán)境。而磁化率作為另一類輔助性代用指標也較好地揭示了古氣候、古沉積環(huán)境演化，其在黃土、紅土風力沉積和湖相沉積中得以較好利用（Yu et al.，1990;田慶春等，2011;孫思佳等，2019;熊平生等，2019）。沖積平原區(qū)，間歇性的泛濫沉積使得沉積地層中古土壤廣泛分布，一定程度上可類比于黃土-古土壤沉積環(huán)境。張永棟等（2012）探討了北京沖洪積平原沉積物磁化率和粒度組分關(guān)系，認為二者相關(guān)性雖然與黃土沉積剛好相反，但蘊涵著一定的古氣候信息。

北京平原處于半濕潤向半干旱過渡的靈敏區(qū)域，其特殊的地理位置能更好感應(yīng)氣候變化，甚至對全球氣候變化有重要響應(yīng)（倪志云等，2011）。為此許多學者運用粒度、磁化率、孢粉組合、δ13 Corg、地球化學等指標研究古環(huán)境（Zhao et al.， 1984;Yang et al.， 2009;倪志云等，2011;郭高軒等，2013;Jiang et al.，2016）。前人研究全部基于鉆孔沉積物系統(tǒng)取樣、室內(nèi)分析，雖然測試精度較高，但受控于樣品類型需細顆粒沉積物限制，使得區(qū)域古環(huán)境演變研究出現(xiàn)斷代。本文運用現(xiàn)場連續(xù)測試Zk09鉆孔沉積物色度、磁化率方法，恢復(fù)了北京平原區(qū)中更新世晚期以來的古環(huán)境演變序列，并同深海氧同位素等其它替代性指標揭示的古環(huán)境演化過程進行一一對比分析，通過對分析結(jié)果的對比，探討該方法的可行性，為北京平原區(qū)古氣候環(huán)境研究的新途徑。

1 地質(zhì)背景與鉆孔巖性

研究區(qū)位于華北沉降帶與燕山隆起區(qū)交匯的北京平原東北部，北依燕山山脈，西鄰太行山，南為廣闊平原。氣候類型屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候， 夏季炎熱多雨， 冬季寒冷干旱（倪志云等，2011）。1971—2000年，年均氣溫 12.3℃，一月和七月均溫分別為-3.7℃和26.2℃;年均降水量 571.8 mm，主要集中于七月、八月，極端降水7月份可達185.2mm（Jiang et al.，2016）。

北京平原區(qū)構(gòu)造上隸屬于古近系渤海灣盆地冀中凹陷，可劃分為京西凸起、大興凸起和北京凹陷、大廠凹陷、廊固凹陷等三凹二隆次級構(gòu)造單元（鮑亦剛等，2001），它的形成與演化受制于冀中凹陷乃至整個渤海灣盆地（圖1）。由于平原位于冀中凹陷山前地帶，其類型屬于陸相沖洪積平原，由永定河、潮白河、溫榆河、大石河和河五大水系沖洪積形成。Zk09鉆孔就位于今河水系沖積平原上，行政區(qū)劃上隸屬于北京平谷區(qū)馬坊村。地理坐標116°59'19.4"E，40°2'40.7"N，孔口海拔 26.19m，孔深 246.6m（圖1）。

Zk09鉆孔山前快速沉積特征得以充分體現(xiàn)，全孔沉積物厚度較大、沉積速率快且粒徑較粗。在鉆孔65m深度以淺段，沉積物巖性為中砂、細砂、粉砂和粉砂質(zhì)黏土、黏土交替產(chǎn)出。下粗上細二元結(jié)構(gòu)特征明顯，分選中等-差粗顆粒沉積層厚且發(fā)育斜層理或交錯層理，而分選較好細顆粒沉積層較薄，發(fā)育水平層理，頂部如發(fā)育極細黏土層，還發(fā)育蟲孔構(gòu)造，說明不同沉積旋回間存在沉積間斷或沖刷面，表現(xiàn)出典型辮狀河沉積特征（陳建強等，2015），且發(fā)育為沖積扇扇緣位置辮狀河沉積。

2 現(xiàn)場測試與樣品采集

鉆孔施工采用孔徑130mm套管鈉土護壁取芯，所取巖芯直徑大于100mm以保障現(xiàn)場編錄及測試要求。將巖芯從套管中取出后及時截取長約10cm巖芯段，使用PVC管和黑色塑料袋密實封存送樣。而后對提取巖芯刮除表面鈉土護壁，用陶瓷刀在巖芯表面鏟出寬約4cm的平面，依次進行巖芯觀察、分層編錄、磁化率測試和沉積物色度提取。最后，在巖芯淺部深色巖芯餅中部使用陶瓷刀取約50g黏土或粉砂質(zhì)黏土裝入自封袋密封用于AMS 14C年齡測試，測試對象為全巖沉積物（圖2）。

在7.85m和52.85m深度分別取褐灰色黏土質(zhì)粉砂和黑色泥炭進行AMS 14C年齡測試。分別在4.3～4.4m、9.1～9.2m 、12.1～12.2m、16.6～16.7m、20.9～21m和39.6～39.7m取光釋光樣品6件，編號為OSL1～OSL6。碳十四樣品測試在美國Bata實驗室進行，光釋光樣品測試在中國地質(zhì)科學院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所光釋光實驗室進行。

磁化率測試使用捷克生產(chǎn)的SM-30型號手持磁化率儀現(xiàn)場進行測試，工作頻率8KHz，儀器靈敏度為10-7SI。測試由淺表層向深部依次連續(xù)測試，測試3次取平均值。測試間隔約為10cm，對顏色變化頻繁及薄層巖性層位適當增加測試密度。Zk09孔65m深巖芯共獲取磁化率數(shù)據(jù)616組（圖3）。

沉積物色度測試采用數(shù)字圖像提取方法，拍攝數(shù)字圖像見圖2。將全孔巖芯按照由淺到深依次裝入巖芯箱進行晾干，選擇光照較好天氣對巖芯集中數(shù)字圖像拍攝，通過數(shù)字圖像處理方法獲取沉積物色度數(shù)據(jù)。巖芯拍照時，相機拍攝角度和距離巖芯箱距離盡量一致，10min內(nèi)完成全部巖芯拍照，盡量減少因光源條件不同或拍攝角度差異等引起的光照不均勻現(xiàn)象（周戰(zhàn)榮等，2007;張國際，2014），進而造成沉積物顏色色度誤差。本次數(shù)字圖像獲取設(shè)備為尼康D3400相機，獲取數(shù)字圖像像素為3216×2136。數(shù)字圖像色度提取采用Matlab小程序，具體操作步驟見何付兵等（2018）文獻。

3 結(jié)果

3.1 地層年代序列

本次AMS 14C年齡測試獲取的樹輪校正年齡分別為22.89±0.1ka和>43.5ka。（表1）光釋光獲取年齡分別為17.4±1.1ka、25.6±1.2ka、20.7±0.8ka、60.9±2.6ka、81.5±4.4ka和142.2±6.5ka（表2）。其中，OSL3樣品等效劑量同其它樣品相比明顯偏低，因此其年齡偏年輕。除OSL3年齡出現(xiàn)倒置外，其余年齡上新下老，且同碳十四年齡基本一致，測試結(jié)果可信度高。

雖然65m深度以淺地層沉積旋回間發(fā)育沉積間斷面，但6個14C和OSL測年結(jié)果可建立鉆孔淺部40m地層深度-年代曲線（圖4）揭示，其曲線形態(tài)接近直線，可擬合直線y=3.7125x -2.5945（R2=0.9905）。因此，鉆孔沉積旋回間沉積間斷時間短，總體沉積速率穩(wěn)定，沉積較為連續(xù)。基于此進一步采用線性差值法可建立Zk09鉆孔巖性地層連續(xù)時代序列（圖3），并適當外推至65m深度，計65m深度沉積時代限定約在0～250ka。

3.2 磁化率

Zk09孔65m 深巖芯共獲取磁化率數(shù)據(jù)616組，建立其年代-磁化率曲線見圖3。如圖所示：（1）磁化率數(shù)值變化極大，最低值為43SI，最高值高達7680SI，均值為869SI;（2）磁化率值同沉積物顆粒粒級呈明顯正相關(guān)關(guān)系（圖3），顆粒粒級越大往往磁化率越高，且粗細沉積物巖性驟變時，磁化率值也發(fā)生驟變;（3）磁化率集中出現(xiàn)在兩個區(qū)間，分別為100—899SI（407組）和1620—7680SI（74組），分別對應(yīng)粉砂以細顆粒和粗砂顆粒;（4）磁化率曲線具有明顯旋回性，250ka以來可劃分出7期次正旋回（W1～W3和W4a～W4d）。每一個旋回特征相似，近等分成兩段，即由下部高值區(qū)間段和上部低值區(qū)間段組合而成，同地層巖性特征變化完全一致。

3.3 色度

由于現(xiàn)場提取的亮度信息同室內(nèi)測試差異較大（何付兵等，2018），分別建立的Zk09孔65m 深巖芯年代-色度a、b曲線見圖3。（1）色度a值介于-3.48～21.14，均值為5.28揭示巖性略偏紅色系。而色度b值介于-9.00～38.24，均值為15.94揭示巖性略偏黃色系。這一特征定量化揭示肉眼所觀巖芯顏色特征，即總體顏色較為單一，以褐黃色或黃褐色色系為主夾褐灰色—淺灰色（局部深灰色—黑色）層（圖2）;（2）與磁化率曲線特征相似，色度a、b兩曲線形態(tài)相似，其值也同沉積物顆粒粒級呈正相關(guān)關(guān)系（圖3），表現(xiàn)出顆粒粒級越大往往色度值越大特性。然而，不同于磁化率曲線特征在于粗細沉積物巖性驟變時，色度值仍呈現(xiàn)漸變過渡關(guān)系，其可能更好反映古氣候真正演化;（3）還同磁化率曲線特征相似，a、b兩色度曲線也具有明顯旋回性。250ka以來可劃分出4次數(shù)值由大向小轉(zhuǎn)變的正旋回（W1～W4）。尤以W1～W3正旋回特征較為明顯，可同磁化率W1～W3旋回相對應(yīng)。而W4正旋回內(nèi)部a、b值則呈波形降低，亦可劃分為2期a、b數(shù)值先減小后增大的次級旋回，可同磁化率W4a～W4d一一相對應(yīng)。

4 討論

溫暖濕潤的沉積環(huán)境由于物理、化學、生物作用強烈，沉積水動力條件較強，顏色將變的較深、濃（陳宗顏等，2009），有許多細小（<0.03μm）的鐵磁性礦物形成，磁化率會增高（劉秀銘等，1990）。而寒冷干旱沉積環(huán)境下，由于風化作用比較微弱，沉積水動力條件轉(zhuǎn)強，成土作用較低，顏色將會較淺、淡（陳宗顏等，2009），磁化率會較低（劉秀銘等，1990）。沉積物顏色信息在海洋、湖泊和黃土、紅土風力沉積，以及細顆粒陸地河流-湖泊相沉積中得以較好利用（何付兵等，2018）。引起磁化率變化的因素很多（Dearing，1986;吉云平等，2007;李志文等，2008;石培宏等，2010），其作為環(huán)境代用指標在恢復(fù)古環(huán)境古氣候的過程中要慎重（田慶春等，2011）。但考慮Zk09孔臨近山前，為恒定物源的外源陸相沉積，且沉積連續(xù)，淺部沉積物形成以后埋藏于地下，未受到成土作用與灼燒的影響，更也未經(jīng)過成巖與變質(zhì)作用，可以不考慮次生變化的影響。

Zk09孔色度、磁化率同沉積物組分、顆粒、沉積構(gòu)造具有較好吻合性，同前人研究基本一致（楊曉強等，1999;田慶春等，2011;張永棟，2012），二者可作為古氣候環(huán)境演化研究的替代性指標。當沉積物顏色偏淺時，磁化率值大，而沉積物往往巖性組成以砂類為主，粒度明顯偏粗，交錯層理或斜層理發(fā)育，且組分中多含鈣質(zhì)結(jié)核（可能碳酸鎂和氧化鎂含量高），這些沉積特征同溫暖濕潤古氣候密切有關(guān)。因此，正是溫暖濕潤的古氣候環(huán)境下形成較好氧化條件，沉積物顏色偏紅、黃，色度值小。而濕潤條件使得沉積水動力條件強，搬運外源碎屑物質(zhì)能力也強，易產(chǎn)生磁化率值較高的磁性礦物，且容易將相對比重較大的磁性礦物搬運到沉積區(qū)沉積，勢必導(dǎo)致的磁化率值明顯升高。反之，而當沉積物顏色偏深時，磁化率值小，而沉積物往往巖性組成以黏土或黏土質(zhì)粉砂為主，粒度明顯偏細，水平層理發(fā)育，且組分中多含碳斑（有機質(zhì)含量偏高），這些沉積特征同寒冷干旱古氣候相對應(yīng)。因此，Zk09鉆孔色度和磁化率值高低變化主要取決于氧化-還原環(huán)境條件和水動力條件，即溫度和降水古氣候環(huán)境。

已有大量研究還表明冰芯和深海沉積是全球陸海古氣候與古環(huán)境變化研究重要載體。深海沉積環(huán)境穩(wěn)定，沉積過程也比較連續(xù)，它比陸地上能更完整地記錄第四紀氣候變化的歷史（李騰飛，2014）。以不同大洋深海鉆孔為代表的深海氧同位素曲線研究和氧同位素階段的劃分及年代界限的修正，為全球的第四紀氣候變化提供了基本框架，并劃分出個冰期間冰期旋回，成為了近年來第四紀古氣候演變對比的參照和依據(jù)（李騰飛，2014）。深海氧同位素研究從2.6Ma至今己劃分出114個氣候階段，相當于57個冰期間冰期旋回（李騰飛，2014）。

Zk09鉆孔地層年代和沉積物磁化率、色度曲線具有明顯旋回性，其同深海氧同位素階段（Dansgaard et al.，1993;Martinson et al.，1987;Fuji et a1.，1988）還具有可對比性（圖3）。基于磁化率、色度曲線與深海氧同位素等曲線旋回對比可進一步精細劃分Zk09地層時代，記錄了更為詳細的古氣候環(huán)境演化（圖3）。65m 深Zk09鉆孔地層較好揭示了北京平原區(qū)MIS1—MIS7階段古氣候環(huán)境演化過程：0～2.5m相當于MIS1階段，為全新世暖期旋回，這一深度同前人在研究區(qū)測試全新世年齡深度基本一致（楊曉平等，2012;張超等，2014）。2.5～20.7m相當于MIS2—MIS4階段，為末次冰期氣候旋回。20.7～35.2m相當于MIS5階段，為末次間冰期旋回，其包括早期溫暖間冰期（5e）和向冰期過渡期（5a～5c）。35.2～50.4m相當于MIS6階段，為倒數(shù)第二冰期氣候旋回。而50.4～65m相當于MIS7階段，為倒數(shù)第二冰期間冰期氣候旋回。

5 結(jié)論

通過對位于北京平谷馬坊村新生代Zk09孔沉積物磁化率、色度現(xiàn)場測試和碳十四、光釋光年齡標定，建立研究區(qū)65m地層精細時代地層序列，探討了一種基于現(xiàn)場測試研究古環(huán)境方法，并恢復(fù)了北京平原區(qū)中更新世晚期以來的古環(huán)境演變：

（1）65m厚Zk09鉆孔地層沉積連續(xù)穩(wěn)定，沉積主要受控于古氣候環(huán)境，而沉積時代約為250ka以來。

（2）基于現(xiàn)場測試的Zk09鉆孔磁化率、色度同沉積物巖性具有相關(guān)性，表現(xiàn)為溫暖濕潤古氣候環(huán)境下沉積物顆粒偏粗，顏色偏紅、黃（即色度值小），磁化率值較高，而寒冷干旱古氣候環(huán)境下反之。這一特征揭示二者變化主要取決于氧化-還原環(huán)境條件和水動力條件，即溫度和降水古氣候環(huán)境，同樣可作為重要的古氣候演化替代性指標。

（3）65m深Zk09鉆孔地層年代-磁化率、色度曲線記錄了7次演化旋回，可同深海氧同位素等曲線MIS1～MIS7階段一一對比，可用于定量建立連續(xù)地層序列，并恢復(fù)古氣候環(huán)境演化過程。

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