臨河凹陷QK3鉆孔220 ka以來的沉積環境演變記錄

畢志偉， 楊振京*， 王利康， 寧 凱， 楊慶華， 劉 瑋

(1.中國地質科學院水文地質環境地質研究所，石家莊 050803； 2.中國地質調查局第四紀年代學與水文環境演變重點實驗室，石家莊 050803)

沉積環境的變化對沉積物粒度有著較大的影響，相應的沉積物粒度信息也記錄著沉積區的環境變化信息。沉積物粒度特征在判別沉積環境，確定沉積動力及動力大小，物質來源和氣候變化方面有著重要的意義[1-3]。通過分析沉積物粒度參數以及粒度組分的變化信息可以較好地識別出沉積環境的演變過程。在沉積物粒度分析沉積環境的研究工作中，前人積累了大量的研究經驗[4-6]。河套盆地內的臨河凹陷內發育了巨厚的沉積地層，是晚第四紀環境演變的理想場所。根據對盆地內部進行鉆孔研究，識別沉積環境的變化，建立高分辨率年齡框架和氣候代用指標研究，對該區域內的生態地質和水文地質研究具有重要意義。

1 國內研究概況

臨河凹陷是黃河中游的河套盆地的一部分，其分布范圍主要包括狼山山前斷裂以東、色爾騰山前斷裂以南，鄂爾多斯北緣斷裂以北，西山咀隆起，烏拉山北緣斷裂以西地區，是黃河中游段演化的關鍵區域[7-8]。該區域內的基礎地質研究較多，在第四紀地層方面也取得了一些成果，但多為地質普查資料，所進行的年代學、古氣候指標等的測試相對較少[9-10]。

近年來，許多學者對河套盆地湖相沉積地層[11-14]尤其是西部地區(磴口隆起、西山咀凸起)晚更新世以來沉積地層進行了相關研究[15-17]，對“吉蘭泰—河套”古大湖的形成演化進行了討論[18-19]。這些研究多在山前的沖洪積扇上開展相關研究，針對臨河凹陷內部的鉆探研究較少，并且缺乏精確的第四紀年代學研究，缺失年代學研究基礎的情況下很難進行精確的古氣候古環境的恢復。

基于此，現選取臨河凹陷內的QK3鉆孔中的沉積物粒度和光釋光研究作為研究對象。通過精確的年代數據建立年代框架，在年代框架的支撐下結合沉積物粒度的變化特征，探討并分析臨河凹陷內部沉積環境的演變特征。以期為恢復研究區中更新世晚期以來的沉積環境演變過程提供參考依據。

2 材料與方法

所分析的鉆孔位于巴彥淖爾市臨河古城鄉磚廠內(地理位置41°09′42.7″N,107°28′26.0″E)。如圖1所示，該鉆孔位于臨河凹陷內部，鉆孔終孔深度為225 m。共計采取粒度樣品95件，光釋光樣品14件。

圖1 研究區及鉆孔位置圖

樣品的測試分析工作均在中國地質科學院水文地質環境地質研究所第四紀年代學及水文環境演變重點實驗室完成。光釋光樣品測試采用簡單多片再生法對細顆粒石英組分進行測年[20-21]。數據的分析工作在Daybreak 2200光釋光儀上進行。粒度樣品測試使用鹽酸-雙氧水聯合法進行預處理，加入分散劑后超聲處理。完成前處理之后采用英國MALVERN公司生產的Mastersize 2000型激光粒度儀進行上機測試。

3 結果分析

3.1 巖石地層結果分析

通過對鉆孔進行了詳細的巖性編錄，結合區域地質志，對鉆孔進行了巖石地層學的劃分，如圖2所示，初步得到以下結果。

圖2 QK3鉆孔巖性柱

全新統地層巖性主要為淺灰黃色粉細砂、亞砂土、亞黏土，厚度15 m左右。五原縣以東以南地區地層巖性主要為淺灰黃色亞黏土、黏土沉積，見粉砂薄層，在山前地帶，顆粒較粗，以含礫中粗砂砂石為主，夾薄層粘砂土。

上更新統地層巖性主要為淺灰褐色、灰色粉細砂、中細砂、含礫粗砂。結構松散，無層理，局部含深灰色碳質淤泥。北部地區沉積厚度最大，最厚處大于240 m，地層巖性主要為淺灰褐色、深灰色亞砂土，間有較厚的粉細砂層段。中部古城鄉一帶以黏土、亞黏土為主，而西部沙海鎮與東部什巴鄉沉積物顆粒稍粗，以亞砂土為主，夾細砂層。

中更新統地層主要為亞砂土與亞黏土、黏土互層，亞砂土層一般為深灰色，較密實，多發育水平層理，局部有機質含量高。亞黏土、黏土層一般為淺灰褐色，結構致密，斷面光滑有光澤，多發育水平層理，局部見灰黑色有機質富集層，呈淤泥質黏土。臨河凹陷中部地區沉積物顆粒相對較細，以灰黑色淤泥質黏土為主，東西部地區沉積物粒度相對較粗，以青灰色亞砂土、粉細砂為主。地層頂板埋深在西部約240 m，向東逐漸變淺至150 m左右。

3.2 年代地層結果分析

QK3鉆孔的年代序列是依靠14個光釋光測年數據所建立年代數據之間根據線性內插的原理進行年代插值計算[22]。如圖3所示，通過數據分析可以得出QK3鉆孔225.1 m處年齡為220.26 ka.BP，大致為中更新世晚期。根據沉積速率及巖性變化，將全新世底界定在14.6 m處，晚更新世底界為151.5 m。

圖3 年代模型及沉積速率

3.3 粒度結果分析

3.3.1 粒度組分特征分析

粒度組分中黏土和砂含量變化規律可以較好地指示沉積水動力的變化。臨河凹陷QK3鉆孔采用國際標準伍登溫特華斯(Udden-Wentworth)分級標準進行粒度組分劃分，將沉積物粒度組分劃分為黏土(<4 μm)、粉砂(4～64 μm)和砂(>64 μm)三個標準[23]。

區域地質志顯示該區域多為河流相的沖洪積物，粉砂和砂含量占比較高。QK3鉆孔中砂含量相對較高，樣品中最高值可達96.8%，平均含量為41.67%，主要出現在鉆孔的中上部。其次是粉砂含量，介于2.46%～77.89%，平均含量為37.5%。QK3鉆孔中粉砂和砂含量占有優勢，是主要的粒徑組成部分。

3.3.2 粒度參數特征分析

沉積物粒度參數對于判別沉積物沉積環境有著重要的指示意義。粒度參數主要是指沉積物粒度數據中的標準差、偏度、尖度以及平均粒徑[24-26]。標準差一般指示的是沉積物粒徑的分選性，根據所測得粒度數據，經過計算可以得出沉積物的粒度參數[27]，并繪制曲線圖，如圖4和圖5所示。

圖4 QK3鉆孔沉積物粒度

LD為粒度

通過對QK3鉆孔的沉積物粒度數據計算和統計，粒度參數特征如圖所示，平均粒徑在(2.55～8.24)Φ，平均粒徑平均值為5.36Φ[Φ值為伍登-溫哥華粒級標準，Φ=-log2D(mm)]平均粒徑顯示QK3鉆孔的基本巖性為粉砂和細砂[3]。標準差介于0.89～2.81，分選相對較差。尖度介于1.62～17.18，變化幅度大，顯示沉積物峰值較尖銳。

3.3.3 QK3鉆孔沉積環境變特征分析

沉積物粒度組分和粒度特征的變化與沉積環境演變具有一致性。一般地，不同的沉積環境下會有不一樣的沉積物組成，沉積物的頻率分布曲線和概率累積曲線也會不同。由此可以根據沉積物粒度參數、粒度組分和粒度曲線將QK3鉆孔劃分為5個沉積階段。

第一階段：13.49 ka.BP至今(0～14.6 m)，該階段主要巖性為淺黃色、淺褐色粉砂及亞砂土，沉積物粒徑平均值介于(7.7～8.07)Φ，沉積物以粉細砂為主，黏土含量較高(多為46%～51%)，最高可達約51%，砂含量介于0%～2.07%，標準差1.53左右，尖度2.5左右，分選一般。頻率曲線以單峰為主，含有少量雙峰，正偏態，概率累積曲線以細一段型、細二段型為主。由此推斷該階段沉積環境較為簡單，沉積水動力條件弱，表現為河漫湖泊相沉積。

第二階段：13.49 ka.BP～38.5 ka.BP(14.6～50 m)，該階段巖性主要為灰色或灰褐色亞砂土、粉砂等，該階段中砂含量明顯增加，砂平均含量在60.66%，平均粒徑在32～147.23 μm，平均粒徑平均值為103.31 μm。標準差在1.78～2.54，分選差，偏度數據顯示呈正偏態分布，概累積曲線主要是粗二段型為主，主體粒徑為4.23Φ，反映了水動力條件較強的河流相邊灘沉積環境。

第三階段：38.5 ka.BP～117.47 ka.BP(50～140 m)，該組沉積物由多個沉積旋回組成，其中黏土含量最高可達48.64%，砂含量波動較大，黏土含量高的樣品頻率曲線以雙峰為主，次峰不明顯。正偏態，概率累積曲線以細二段型為主，主體粒徑在7.7Φ。；砂層含量高的層位上，最高含量可達96.87%，分選較差，頻率曲線以單峰為主，正偏態，概率累積曲線以粗二段型為主，主體粒徑在3.5Φ。該階段反映了水動力條件有著明顯的強弱變化過程，表現出河流邊灘和河漫湖泊交替沉積的過程。

第四階段：117.47 ka.BP～189.9 ka.BP(140～200 m)，該階段沉積物多為灰褐色粉砂及亞砂土，沉積物顆粒較為均一，標準差在1.25～2.56，分選一般。砂含量降低，約為26.13%。頻率分布曲線主要為雙峰型，次峰較為明顯，正偏態。概率累積曲線以二段型為主，主體粒徑在6Φ左右。表現為水動力較強的河流邊灘沉積。

第五階段：189.9 ka.BP～220.26 ka.BP(200～225.1 m)，該組沉積物主要為灰色、灰黑色粉細砂以及淤泥組成，沉積物顆粒普遍偏細，平均粒徑約為30.8 μm，黏土含量在1.84%～57.07%，平均含量為39.59%。砂含量變化較大。分選一般。頻率曲線以單峰為主，正偏態，概率累積曲線以細一段型為主，主體粒徑在7.01Φ。表現為水動力條件較弱的濱湖相沉積。

4 討論

根據QK3孔沉積物粒度特征，結合年代地層、巖石地層、生物地層等資料，該鉆孔反映的沉積環境在中更新世晚期以來主要為河湖相沉積。上部15 m為全新世沉積，以粉細砂為主，黏土含量較高。中部15～151 m，晚更新世沉積，以細砂為主，夾有多層黏土、亞黏土層，主要為水動力條件較強的河流相沉積環境。鉆孔底部至鉆孔151 m處，為中更新世沉積，以砂層為主，黏土含量波動較大，在10%～50%變化，主要為河流相、河漫湖泊相交替沉積，其主要特征為河湖相，在底部的灰黑色淤泥層，反映了濱湖相沉積。

綜合多個鉆孔資料，臨河凹陷中更新世晚期，已經由以湖相、淺湖相、湖沼洼地相為主過渡到以河流相為主的沉積環境。在QK3孔底部沉積了厚層的灰黑色淤泥層，反映出盆地內部湖相發育，之后沉積的黏土層厚度都較薄，顏色也多為灰褐色、灰色，砂層厚度明顯增加，這一變化也反映了黃河可能在中更新世晚期進入臨河凹陷。

晚更新世早期，河套盆地新構造運動處于相對穩定狀態，晚期新構造運動較強烈[28]，山前以沖洪積相為主，盆地內部主要為湖相沉積。晚更新世，臨河凹陷區氣候總體上較為干旱，西部地區早期植被發育，以針葉林為主，晚期孢粉極其貧乏，東部地區早期為荒漠草原植被，種類單一，中期植被較發育，山地以云杉、松為主，平原地區以菊科、禾本科為主，晚期又以草原為主，氣候較冷干。

河套盆地在全新世，地形的基本面貌與前期無重大變化，新構造運動仍較強烈，山體繼續抬升，遭受侵蝕—剝蝕，平原持續接受沉積[29]。

臨河凹陷全新世山前及近山前一帶主要以沖洪積相為主，沉積物主要為淺灰黃色粉細砂、亞砂土、亞黏土。整個平原區表現為以河流沖積相為主的地理環境，河道帶之間分布有零星的沼澤洼地，其巖性為灰褐色淤泥質亞黏土，個別地方還保存著淺湖和淺湖的遺跡，如烏梁素海。全新世氣候總體上為溫涼偏濕轉溫干，總體呈干旱趨勢，晚期形成了風積層，分布于烏蘭布和沙漠、庫布齊沙漠。西部地區植被稀疏，東部較為繁盛。

5 結論

(1)QK3孔年代學研究顯示，鉆孔全新統底界位于14.6 m，上更新統底界位于151 m，鉆孔未揭穿中更新統地層。

(2)沉積物粒度研究顯示，臨河凹陷QK3鉆孔220 ka.BP以來主要經歷了5個較大的沉積階段，第一階段為13.49 ka.BP以來表現為河漫湖泊相沉積環境，第二階段：13.49 ka.BP～38.5 ka.BP表現為河流邊灘相沉積環境，第三階段：38.5 ka.BP～117.47 ka.BP表現為河流邊灘和河漫湖泊的交替沉積環境，第四階段：117.47 ka.BP～189.9 ka.BP表現為河流邊灘沉積，第五階段：189.9 ka.BP～220.26 ka.BP表現為濱湖相沉積。

(3)中更新世晚期，臨河凹陷地區巖性由淤泥質黏土變為砂層，此一時期，湖水深度減小，由深湖逐漸變為淺湖，河流相沉積的出現說明黃河已經進入臨河凹陷，晚更新世，臨河凹陷山前以沖洪積相-湖相為主，其他區域以河流相為主，局部分布有沼澤洼地相。至全新世，臨河凹陷主要的沉積環境為山前的沖洪積相。