淺談第四系“姜結石、鐵錳結核”形成與分布的關系

季 虹

（河北省區域地質調查院，河北 廊坊 065000）

第四系是地質歷史演化新生代最新的一個系，它是在新生代新近系的基礎上形成的，是地殼的表層部分。由海相、陸相和海陸交叉相互沉積作用形成的沉積物組成。巖性有礫、砂礫、粗砂、中砂、細砂、粉砂、粉砂質粘土、粘土質粉砂和粘土等，同時含有姜結石和鐵錳結核。不同時代形成的第四系沉積物巖性、巖性組合和所含姜結石、鐵錳結核的多少存在一定的差異，反映了不同時代地質的差異以及當時氣候變化和活動特點。

由上可知，第四系的形成是在新生代新近系的基礎上形成的。新近紀早期至中期地殼運動處于隆升、剝蝕時期，地球表面較平坦，形成廣闊的臺地，局部伴有基性火山巖漿噴溢，形成火山臺地或火山熔巖被。在新近紀晚期，地殼運動處于下降狀態，并接受沉積，因而形成了規模宏偉開闊的主要由陸源沉積物組成的沉積盆地。巖性組成主要為粉砂巖、砂巖和礫巖等，顏色多呈紫色，反映了當時氣候變化的特點。

1 第四系及河北第四系劃分及其特征

第四系按時間可以劃分為更新統和全新統。前者又可以劃分為下更新統、中更新統、上更新統。其沉積特征和物質組成等存在一定的差異。華北平原下更新統地層固安組[1]，中更新統地層為楊柳青組，上更新統地層為歐莊組。全新統因沉積物松散、未固結成巖尚無組的劃分，僅按成因類型劃分。

全新統：現代地貌已經形成。山區只在沿溝谷、洼地堆積砂、土、礫石層和風成砂丘；平原區為河流、沼澤相砂土、粘土質砂土、粘土和風成砂。

更新統：區域差異上升運動仍然活動，如華北平原西部和北部山區繼續上升，變得更加巍峨壯觀，低山、丘陵綿延起伏，形態多姿；平原區快速堆積、洼地填平，平原地貌初現。具體特征是：

下更新統：山區進一步升高，形成階梯地形；平原區持續下降，遭受海侵。在山間盆地中沉積了泥河灣組，為一套河湖相的砂礫石、粘土、亞粘土（粉砂質粘土）層夾鈣質結核（姜結石）和石膏。平原區沉積了固安組，為一套沖積、洪積、冰川—冰水堆積及沖湖積粘土、亞粘土（粉砂質粘土）夾砂礫石堆積，普遍含鐵錳結核。

中更新統：在山間盆地、溝谷兩側，沉積了赤城組，為一套洪積紅色含鈣質結核的亞粘土（粉砂質粘土）、粘土及粉砂質礫石層。在平原區沉積了楊柳青組，為一套沖、洪積與冰川—冰水堆積及沖湖積含砂亞粘土（粉砂質粘土）夾礫石層堆積。

上更新統：山區沉積了馬蘭組，其下部為沖洪積或冰水冰緣成因的黃土礫石層，沿溝谷及山麓邊緣分布，平行不整合在赤城組之上；中部為洪、風積成因的典型黃土層，覆蓋在中新統及更老的地層之上，經常掩蓋了較低的分水嶺、山坡和洼地；上部為沖洪積、洪坡積、或冰水、冰緣成因的次生黃土夾砂、礫層，分布范圍與黃土層一致。平原區沉積了歐莊組，為一套沖積、洪積和湖積粉砂質粘土、粘土夾砂礫石層。

2 華北平原第四系“姜結石、鐵錳結核”形成與分布

以華北平原某地第四系鉆孔為例，就華北平原第四系“姜結石、鐵錳結核”形成、分布與氣候的關系加以總結。該鉆孔孔深402.7m。其中315.50m是第四系沉積物與新近系沉積物分界處。新近系主要由含礫粘土、粉砂巖、砂巖、礫石層、卵石層組成。屬河流相和湖泊相形成的產物，鐵錳結核較少。

2.1 華北平原第四系基本特征

該鉆孔第四系形成的產物較為復雜，形成的巖性、巖性組合多樣，姜結石和鐵錳結核含量存在一定的差異。由地表到地下孔深315.50m可劃分為全新統地層（0m～12.35m）、上更新統地層（12.35m～46.45m）、中更新統地層（46.45m～84.00m）、下更新統地層（84.00m～315.50m）。

全新統地層：主要沉積物為棕黃色粘土質粉砂、棕黃色土黃色粉砂、深棕色青灰色粘土，其中部分粘土含有大量的銹斑、炭屑以及螺化石，并夾2層淤泥質粘土。地層分布均勻，厚度變化較小，一般在6m～12m之間，由西北向東南呈逐漸增厚趨勢。底部以棕紅色含姜結石粘土層與下伏晚更新世歐莊組為界。

上更新統地層：上部為灰黃色、灰褐色粘土、粘土質粉砂，淺灰色粉砂夾薄層粘土，發育水平層理，普遍含鈣質結核（姜結石），中部為灰棕色、棕黃色粘土夾薄層粉砂；下部為灰黑色、灰褐色粉細砂、中砂、含礫中砂、淤泥質粉砂夾薄層粘土。底部以一層灰色粘土與下伏中更新世楊柳青組為界。姜結石可見6層，鐵錳結核1層（同生結核），屬歐莊組。

中更新統地層：上部為棕紅色、灰綠色厚層狀粘土、粉砂質粘土、淤泥質粘土，含大量鐵錳結核；中部為淺灰色黃色粉砂、粘土質粉砂、細砂、中細砂，粒序層理發育；下部為棕黃色、灰褐色粘土，富含鐵錳結核，局部夾薄層粉砂。底部以一層潴育化棕紅色含鈣質結核粘土與下伏早更新世固安組為界。姜結石可見11層，鐵錳結核6層（同生結核），屬楊柳青組。

下更新統地層：上部為淺灰、灰綠色粉砂、細砂，平行層理發育；中部深棕色、灰黑色粘土、粉砂質粘土夾粉細砂、中砂，普遍含鈣質結核；下部為黃棕色、灰棕色細砂、中砂夾薄層粘土。底部以一層淺灰色、灰棕色中砂與下伏第三紀（新近紀）上新世明化鎮棕紅色含砂粘土為界。

姜結石可見16層，鐵錳結核1層（同生結核），屬固安組。

圖1 第四系地層平面變化圖

2.2 華北平原第四系“姜結石、鐵錳結核”形成、分布與氣候的關系

由上可知，第四系全新統含少量姜結石，不含鐵錳結核。而上更新統地層、中更新統地層和下更新統地層均含有姜結石和鐵錳結核，由下更新統到上更新統，姜結石含量由多變少，鐵錳結核以中更新統最多，達6層。無論是姜結石的形成與分布，還是鐵錳結核的形成均與當時的氣候息息相關。

2.2.1 姜結石的形成、分布與氣候的關系

姜結石指風化作用下巖石中的鈣（Ca）被分解出來，不溶于水，隨水介質運移，形成膠體溶液，在沉積作用過程中逐漸凝聚形成狀似生姜的結核，因為其外形和顏色均神似生姜，故名為“姜結石”。其形成與分布主要與干旱的氣候風化作用有關和潮濕的氣候導致雨水增多形成水流（面流）搬運，干濕氣候交替，導致“潴育化”作用形成的結果。由此可知，由下更新統到上更新統，姜結石含量由多變少是“潴育化”作用由強逐漸減弱，由炎熱干旱氣候氧化環境向低溫潮濕還原環境轉變。炎熱干旱氣候氧化環境導致鈣質成分結晶增多，低溫潮濕還原環境導致巖石中鈣質成分分解，并隨水介質遷移，形成膠體溶液，補充已有姜結石形成的物質成分來源，使其體積變大。在靠近河流一帶或古河道處，姜結石分布較多，主要見于河流相、河漫灘相粉砂、細砂、中砂等中。

2.2.2 鐵錳結核的形成、分布與氣候的關系

指風化作用下巖石中的鐵（Fe）、錳（Mn）被分解出來，不溶于水，隨水介質運移，形成膠體溶液，在沉積作用過程中逐漸凝聚形成各種形狀的結核，呈球狀、橢圓狀、馬鈴薯狀、葡萄狀、扁平狀、爐渣狀等。是鐵、錳氧化物的集合體。呈黑色和褐色。直徑的大小從幾微米到幾厘米。其形成與分布同樣主要與干旱的氣候風化剝蝕作用有關（風化剝蝕作用提供了物質來源）和潮濕的氣候導致雨水增多形成水流搬運，干濕氣候交替，導致“潴育化”作用形成的結果。由此可知，由下更新統到上更新統，鐵錳結核由少增多到減少，反映了氣候由較高溫干旱氧化環境向低溫潮濕還原環境轉變，最終向較高溫干旱氧化環境演化。同樣是炎熱干旱氣候氧化環境導致鐵質、錳質成分結晶增多，低溫潮濕還原環境導致巖石中鐵質、錳質成分分解，并隨水介質遷移，形成膠體溶液，補充已有鐵、錳結核形成的物質成分來源，使其體積變大。主要分布在湖相粘土和粉砂質粘土中。

3 結論

綜上所述，華北平原第四系“姜結石、鐵錳結核”形成、分布與氣候的關系密切。姜結石形成與分布主要與干旱的氣候風化剝蝕作用有關和潮濕的氣候導致雨水增多形成水流（面流）搬運，干濕氣候交替，導致“潴育化”作用形成的結果。鐵錳結核形成與分布同樣主要與干旱的氣候風化作用有關和潮濕的氣候導致雨水增多形成水流搬運，干濕氣候交替，導致“潴育化”作用形成的結果。因此，研究華北平原第四系“姜結石、鐵錳結核”形成、分布與氣候的關系，對于研究該區第四系的形成、發展、演化和古氣候、古環境變化具有一定的指示意義。