渤海灣西第四紀以來差異性沉積特征及其構造指示

摘 要：基于滄縣隆起400 m ZKQ1孔沉積特征、綜合測井、測年（AMS14C、光釋光）以及磁性地層等綜合研究，并與前期6個鉆孔磁性地層對比，表明該區域前中更新世盆—山快速發育，黃驊坳陷和滄縣隆起兩大Ⅲ級構造單元以及次一級構造單元（里坦凹陷、天津西凹槽、板橋凹陷和港西凸起）均存在較高的沉積速率和明顯的差異性沉積演化。中更新世時期，該區存在沉積間斷，各構造單元差異性沉積不明顯，趨于準平原化，僅局部殘留少許的沉積物容納空間，證實了該區滄東斷裂、天津斷裂及大城斷裂等主干隱伏斷裂上延至中更新世地層。晚更新世以來，該區域發育3期區域性的“面狀分布”的海侵層，其層位、沉積厚度及沉積速率穩定，整體處于穩定沉降期。

關鍵詞：渤海灣西;構造;第四系;差異性沉積;磁性地層;滄縣隆起;黃驊坳陷

Abstract： Based on the study of the sedimentary characteristics， comprehensive logging ，dating （AMS14C， OSL） and magnetic strata of 400 m ZKQ1 hole in Cangxian Uplift， and the comparison with the previous 6 paleomagnetic borehole magnetic strata， this paper shows that there are obvious differences in sedimentary evolution between different tectonic units （Huanghua Depression， Cangxian Uplift） and different parts of the same tectonic unit （Litan Sag， Tianjin Groove， Banqiao Sag and Gangxi High）. In the Middle Pleistocene， there was sedimentary discontinuity with no evident difference deposition for different tectonic units， tending to be peneplain with only a little local residual sediment space in this region. This shows that the main buried faults， such as Cangdong Fault， Tianjin Fault and Dacheng Fault， extend to the Middle Pleistocene strata. Since the late Pleistocene， there have been 3 regional "planar distribution" transgression layers in this region， with generally stable horizon， thickness and rate of deposition indicating that the whole area stays in the stable sedimentation period.

Keywords： western Bohai Bay; structure; Quaternary; sedimentary differences; magnetic strata; Cangxian Uplift; Huanghua Depression

渤海灣西天津南部平原區為第四系厚層松散沉積物所覆蓋，無基巖出露。鉆孔揭露地層有新生界第四系、新近系和古近系以及更老地層，地質構造主要依靠地震、重力、電磁法等物探手段進行推斷，劃分了天津市域構造單元（天津市地質礦產局，1992189-216）。研究區主要涉及滄縣隆起和黃驊坳陷等兩大Ⅲ級構造單元，二者以滄東斷裂為界。且各構造單元內存在多個次一級構造單元（天津市地球物理勘探中心，2008156-196）。構造單元控制邊界多以隱伏斷裂為主，且以北東-北北東向和北西-北北西向斷裂最為發育，橫向上表現為隆凹相間的構造格架，局部呈棋盤狀。第四系隱伏斷裂是城市安全發展的重要制約因素，同時也是該區物探解譯隱伏斷裂上斷點問題之嚴重不足。因此，第四系鉆孔，特別是長尺度磁性地層研究、對比，為反演基底構造以及不同構造單元差異性沉積特征及構造指示提供了一種重要手段。而古地磁研究鉆孔多集中在渤海灣西、北岸的黃驊坳陷（李華梅等，1983;施林峰等，2009;袁桂邦等，2014285-286;肖國強等，20141643;胥勤勉等，2014;裴艷東等，2016;高峰等，2017）。且隨著古地磁鉆孔積累研究，進一步證實了黃驊坳陷北東向傾向，沉降中心在渤海灣北的南堡凹陷（胡云壯等，2014;Xu et al.， 2018）。相比較而言，滄縣隆起構造部位古地磁鉆孔研究工作嚴重不足，前期僅有BZ2孔（姚政權等，20069-15）。近5年來，隨著項目組在該區域第四系調查工作的開展，已在滄縣隆起獲得了2個高精度的第四系磁性地層鉆孔（400 m CGZ5孔、350 m ZKT1孔）（魯慶偉等，2018667-670/202099-100），以及黃驊坳陷1個500 m TPZ1古地磁孔（魯慶偉等，2018667-670）。通過本次工作將進一步彌補、精細化渤海灣西不同構造單元橫向磁性地層研究鉆孔少且對比精度低的不足。

另外，該區域晚更新世以來普遍發育3期海侵層（趙松齡等，1978;汪品先等，1981;王強等，2009;胥勤勉等，2011;陳永勝等，2012），為第四紀不同構造單元沉積地層對比研究提供了重要的標志層位。

本文通過400 m ZKQ1孔沉積特征、測年（AMS14C、光釋光）以及磁性地層等研究，并與該區前期鉆孔磁性地層及海侵層（標志層）進行對比，對渤海灣西滄縣隆起和黃驊坳陷等兩大Ⅲ級構造單元第四紀以來地層差異性沉積及構造演化進行了探討，為今后該區域開展水工環地質調查、新生代盆地演化研究以及國土空間規劃“雙評價”等工作提供地學參考。

1 ZKQ1孔基本情況及地層特征

1.1 鉆孔基本情況

ZKQ1孔位于天津市靜海區西長屯村西，構造位置屬于渤海灣西滄縣隆起（圖1）。該鉆孔孔口標高2.94 m，孔深400.18 m，口徑110 mm，全孔取芯率達86.35%。

1.2 鉆孔地層特征

根據ZKQ1孔巖性沉積特征，將該孔地層劃分為15個層段，其中U1—U7層段為3期海陸交互作用;U8—U10層段為泛濫平原為主夾湖沼、分支河道沉積環境;U11層段為曲流河發育層段;U12—U15層段為湖相三角洲（圖2）。各層段分述如下：

0～2.9 m（U1），為黃棕色粉砂質黏土。

2.9～10.55 m（U2），上部為灰黑色黏土，3.10 m處獲得AMS 14C日歷年齡為 2840 cal. a BP。中部為厚0.2～1 cm的棕色黏土與厚0.2～0.5 cm的灰色粉砂互層，下部為深灰色粉砂質黏土。含裂縫希望蟲、光滑九字蟲等有孔蟲，以及豐滿陳氏介、典型中華美花介等海相介形類和小玻璃介、布氏土星介等非海相介形類。

10.55～13.10 m（U3），為淺灰色粉砂質黏土，含純凈小玻璃介、布氏土星介等非海相介形類以及淡水腹足類白小旋螺等。

13.10～19.85 m（U4），為銹棕黃色（黏土質）粉砂，局部夾淺灰色粉砂質黏土，中下部砂質含量較高處含光滑河藍蛤等較多生物碎片。18.25 m處取OSL樣品2017A096，獲得年齡50 ka，該層段相當于末次盛冰期沉積，獲得OSL測年年齡偏老，應為異地再搬運所致，故舍棄。

19.85～29.10 m（U5），上部為銹棕黃色粉砂質黏土，可見生物潛穴，含毛蚶、光滑河藍蛤、白小旋螺等生物殼體及碎片。下部為淺灰色—灰黑色黏土質粉砂;含光滑抱環蟲、阿卡尼圓形五蟲、光滑九字蟲、裂縫希望蟲、清晰希望蟲、畢克卷轉蟲變種等有孔蟲;典型中華美花介為主，少許中華潔面介、布氏純艷花介、陳氏新單角介等海相介形類，以及布氏土星介、柯氏土星介、雙折土星介等非海相介形類。27.85 m、28.30 m處分別獲得AMS 14C日歷年齡為26 440 cal. a BP、29 460 cal. a BP。

29.10～39.70 m（U6），下部為淺黃色粉砂，含藍蛤生物碎片。上部為銹棕黃色含鈣質結核的粉砂質黏土。37.20 m處獲得OSL年齡83.5 ka。

39.70～50.30 m（U7），為銹黃棕色粉砂質黏土夾3層淺灰色—灰色粉砂質黏土。局部鈣質結核較發育;頂部見生物潛穴，生物擾動強，含布氏土星介和純凈小玻璃介等非海相介形類。

50.30～110.00 m（U8），為粉砂質黏土，下部為棕黃色，中部為淺棕灰色，上部為黃棕色;其中66.00～70.20 m、95.30～100.40 m處為淺黃色粉砂，波狀層理。夾6處淺灰色—灰色粉砂質黏土。第3海侵層位之下68.10 m處獲得OSL年齡101.3 ka，明顯偏新（B/M界線位于62.80 m），應舍棄。

110.00～115.10 m（U9），為淺黃色粉砂，夾2處厚約0.5 m棕黃色粉砂質黏土。與下伏地層沖刷侵蝕接觸。

115.10～146.20 m（U10），為淺黃棕色含鈣質結核發育的潛育化潴育化粉砂質黏土，125 m、135 m處見厚約1～2 m的淺灰色粉砂質黏土。

146.20～240.00 m（U11），為黃（綠）色粉細砂—中細砂與黃棕色粉砂質黏土不等厚互層，為8期曲流河發育層段。

240.00～325.20 m（U12），為灰色粉細砂—中細砂發育層段，含麗蚌;夾6層淺棕黃色粉砂質黏土。

325.20～362.0 m（U13），為黃棕色粉砂質黏土，鈣質結核雛形發育，潴育化潛育化。局部夾厚約3 m的灰色粉細砂。

362.0～381.35 m（U14），為黃綠色粉細砂—中細砂。

381.35～400.00 m（U15），為灰色粉細砂;局部夾0.3～1.0 m不等略固結鈣質結核雛形發育的淺灰綠色黏土質粉砂。

2 ZKQ1孔取樣與測試

2.1 AMS14C取樣與測試

取鉆孔巖芯中無污染的泥炭AMS 14C樣品5件，測試工作由北京大學承擔完成，測試結果見表1。

2.2 光釋光（OSL）取樣與測試

在該孔深度18.25 m、37.20 m和68.10 m處取光釋光砂質樣品3件，測試工作由自然資源部海洋地質實驗檢測中心承擔完成，測試結果見表2。

2.3 古地磁取樣與測試

在無擾動的巖芯新鮮面上，以2個 / m 間隔取古地磁樣品（砂層除外），去除包裹泥漿后加工成2 cm ×2 cm ×2 cm，共計323塊，測量天然剩磁后，分別按80、150、200、250、300、350、400、450、500、525、550、585、610、630、640、650、670、680、690℃等各個階段在TD48全自動熱退磁儀中進行系統熱退磁。剩磁測量在美國2G ENT ERPRISES 公司生產的2G-755超導磁力儀上進行。測試數據代表性樣品的剩磁矢量正交投影圖如圖3所示。測試工作在中國科學院地質與地球物理研究所古地磁實驗室完成。

3 ZKQ1孔磁性地層劃分

對該孔分離出穩定特征剩磁方向的230塊樣品建立磁性地層序列，繪制了磁傾角曲線（圖4）。連續2個樣品出現反極性時（地層厚度大于1 m），定義一次漂移或極性亞時，3個及以上樣品出現反極性時定義一次極性時。ZKQ1孔共有16個極性時，其中8個正極性時，分別為N1（0～62.80 m）、N2（101.73～103.60 m）、N3（130.60～138.46 m）、N4（155.92～163.95 m）、N5（179.82～185.21 m）、N6（200.80～210.81 m）、N7（233.17～307.19 m）和N8（327.77～336.58 m）;8個負極性時，分別為R1（64.36～95.21 m）、R2（107.15～122.14 m）、R3（140.05～154.77 m）、R4（165.36～173.76 m）、R5（191.36～197.75 m）、R6（224.20～332.75 m）、R7（310.16～327.40 m）和R8（339.54～361.13 m）。

與標準極性柱GPTS（2004）進行對比（圖4），ZKQ1孔巖芯的地磁極性事件與該標準極性柱有很明顯的可對比性。N1（0～62.80 m）為正極性時段顯然對應C1n，為Brunhes（布容）極性時。R1—R2（62.80～130.60 m）以負極性時為主，對應于Matuyama（松山）極性時，其間包含深度為 70.10～72.00 m的正極性亞時段和101.73～103.60 m的正極性時段，分別對應于賈拉米洛（Jaramillo）和奧爾都維（Olduvai）亞極性時。N3—N8（130.60～336.58 m）以正極性時為主，對應Gauss（高斯）極性時。故該孔磁性地層B / M界線為62.80 m、M / G界線為130.60 m。另外362～400 m由于存在大段砂層，未獲得穩定特征剩磁的樣品。與同處滄縣隆起的鄰孔CGZ5（魯慶偉等，2018667-668）對比，推測該孔底界年齡不大于3.6 Ma。

4 區域古地磁鉆孔對比與差異性沉積、構造指示探討

4.1 區域古地磁鉆孔對比與差異性沉積

7個鉆孔位置及M / G、B / M界線等情況見表3，其中ZKQ1孔、ZKT1孔、BZ2孔和CGZ5孔同處于滄縣隆起構造單元;CQJ4孔、BZ1孔和TPZ1孔同處于黃驊坳陷構造單元。建立該區不同構造單元橫向聯合鉆孔磁性地層對比剖面（圖5），將鉆孔剖面中的M / G、B / M界線連接起來，其高低起伏形態能夠反映出隆凹相間的基底構造及邊界主干斷裂對不同構造單元沉積地層的控制，與該區域物探資料解譯結果基本一致（天津市地球物理勘探中心，2008106-117）。

ZKQ1孔與ZKT1孔M / G界線埋深高差約6 m，二者B / M界線埋深高差約8 m。表明滄縣隆起上次一級構造單元里坦凹陷的沉積中心第四紀以來由南向北遷移，至中更新世時表現為北深南淺的箕狀構造。同時也反映出里坦凹陷西側控制邊界的大城斷裂分段性差異性斷陷。與天津西凹槽中的BZ2孔和CGZ5孔M / G界線埋深高差分別約30 m和90 m;3孔（ZKT1孔、BZ2孔和CGZ5孔）B / M界線基本趨于一致，而與ZKQ1孔B / M界線略有高差（小于8 m），說明滄縣隆起至前中更新世次一級構造單元里坦凹陷和天津西凹槽之間存在較大的差異性沉積，而同處于天津西凹槽中的BZ2孔和CGZ5孔M / G界線埋深高差約60 m，應為該區北西向斷裂錯斷北東向斷裂造成的棋盤狀構造格架的反映（天津市地球物理勘探中心，2008156-178），本次進一步證實了天津西凹槽的控制邊界天津斷裂具有分段性及斷陷差異性。中更新世時滄縣隆起差異性沉積不明顯，趨于準平原化（魯慶偉等，2020100）。說明大城斷裂和天津斷裂上斷點延伸至中更新世地層。

物探資料（天津市地質礦產局，1992215-216）顯示滄縣隆起和黃驊坳陷控制邊界為滄東斷裂，該斷裂總體走向NE30°，傾向南東東，正斷層性質，控制了中、新生代盆地的發育。斷裂附近板橋凹陷明顯受其控制，該構造單元的CQJ4孔、BZ1孔B / M界線埋深高差約30 m，BZ1孔未揭露第四系下界;CQJ4孔、BZ1孔與滄縣隆起上的古地磁鉆孔M / G界線埋深高差約100 m ;而B / M界線高差約20 m，BZ1孔處高差最大，約40 m。據天津市區域地質志（1992）黃驊坳陷北東向傾伏，渤海灣北Bg10孔（袁桂邦等，2014291）第四系底界界線在477.7 m。推測板橋凹陷前中更新世沉積環境與黃驊坳陷一致。該時期滄東斷裂仍是主控沉斷裂，其上斷點已進入中更新世地層，與該區中塘村淺層人工地震勘探剖面（TJ23）解譯一致。

港西凸起中的TPZ1孔與板橋凹陷中的CQJ4孔M / G界線埋深高差約130 m，二者B / M界線高差不足10 m，而與板橋凹陷BZ1孔B / M界線埋深高差約40 m。表明TPZ1孔處沉積厚度明顯受到港西凸起基底構造的控制，而滄東斷裂和港西凸起之間的板橋凹陷為該區前中更新世的一個重要沉積物容納空間。

4.2 差異性沉積與構造指示探討

上新世（3.6 Ma～2.58 Ma），該區域無論是滄縣隆起還是黃驊坳陷構造部位均有相對較高的沉積速率（達200 m·Ma-1）。ZKQ1孔下部為湖相三角洲（U12—U15）。測井曲線（梯度電阻率、自然電位等）表現為鋸齒箱狀（圖4），沉積物為灰色粉細砂—中細砂夾7層黃棕色粉砂質黏土，反映出湖水具有周期性波動。上部為8期曲流河相發育層段（U11）。測井曲線表現為多個明顯的正圣誕樹型，沉積物為黃（綠）色粉細砂—中細砂與黃棕色粉砂質黏土不等厚互層。而黃驊坳陷中段G2孔（肖國強等，20141648-1649）和北段次一級構造單元南堡凹陷中的Bg10孔（袁桂邦等，2014294）在該時期的沉積速率也均較高，沉積速率分別大于200 m·Ma-1、130 m·Ma-1。這一時期恰逢印度板塊俯沖，青藏運動A幕時期;華北克拉通沿邊緣地帶即太行山區陸內造山，東、西側構造沉降，形成新生代斷陷盆地。孟元庫（2015）等對太行山西側沁水盆地與東側石家莊—邢臺地區磷灰石裂變徑跡分析認為現今的太行山新近紀開始隆升，快速隆升期為上新世以來，平均隆升速率180 mm·Ma-1。考慮到沉積物壓實、固結、剝蝕等因素的影響，山體隆升速率和渤海灣盆地沉降速率近似相當。因此，該區此時期較高的沉積速率應是山體的強烈隆升造成剝蝕的大量碎屑物質通過河流系統搬運到盆地區沉積下來造成的。由此可知，研究區域上新世以來相對較高的沉積速率為太行山快速隆升的直接響應，間接受控于青藏運動的遠程響應。

早更新世（2.58～0.78 Ma），該研究區域沉積速率總體較為穩定。ZKQ1孔測井曲線（梯度電阻率、自然電位等）相對平直（圖4），鋸齒狀波動不大，局部夾指狀和鐘型，巖性以黃棕色粉砂質黏土為主，局部夾黃色（黏土質）粉砂或淺灰色粉砂質黏土（U8—U10）。為泛濫平原為主夾湖沼、分支河道沉積環境。隆起區平均沉積速率約90 m·Ma-1，坳陷區G2孔（肖國強等，20141649）平均沉積速率為114 m·Ma-1。但是期間約1.0 Ma左右，進入Jaramillo極性亞時氣候變暖（鄭國璋等，2005）;燕山、太行山不斷隆升（徐杰等，2005），認為0.7 Ma為其快速隆升期，袁桂邦等（2014294-295）認為是1.2 Ma。夏季風增強、降水增加，海平面上升，渤海灣沿岸沉積空間加大，沉積速率加快，約190 m·Ma-1，沉積了較厚的早更新世地層。和昆黃運動相對應，和三門古湖構造活動加強期大體相一致（王蘇民等，2001）。

中更新世（0.78～0.126 Ma），該研究區域在“源到匯”（滄縣隆起與黃驊坳陷）過程中并沒有太多的物質堆積下來，更多的可能是在海盆邊緣的濱海平原發生了過路作用，沉積物搬運到了古渤海海域、甚至更遠（魯慶偉等，2018676）。在巴哈馬近海碳酸鹽臺地斜坡末次盛冰期以來沉積作用研究中，已經發現在斜坡上沒有留下相應的沉積物，視為過路作用所致（Wunsch et al.， 2017）。另外，中更新世為氣候轉型，全球氣候主導周期從41 ka轉變為100 ka。轉型原因推測為大冰蓋與構造隆升等。大冰蓋導致全球氣候變干冷，沉積速率變得極為緩慢。同時，中更新世處于喜山運動第二幕，與第一幕時期不同的是應力場發生了改變。第一幕時期受到印度板塊俯沖，軟流圈的東擴張效應和太平洋俯沖帶的躍遷式東撤的聯合效應導致測區受到NE向擠壓應力場與NWW向拉張應力場的雙層疊加作用。第二幕時期，太平洋板塊俯沖對華北地區的NW擠壓，測區處于NW擠壓應力場與NE拉張應力場。滄東斷裂張性—壓扭性，控沉作用及控沉幅度遠小于早更新世。

晚更新世—全新世（0.126 Ma以來），渤海灣西岸記錄了晚更新世以來3期“面狀分布”的海侵層（天津市地質礦產局，1992）。測井曲線受咸水影響層段，波動不明顯（圖4），為3期海陸交互演化沉積地層（U1—U7）（魯慶偉等，2018;2020）。依據微體古生物組合及沉積地層確定的MIS3階段第2海侵層基本穩定，與天津地區、河北黃驊地區大體在30 m深度上下見該層沉積的普遍認識相符（王強等，2008）。7孔及前期鉆孔海侵層研究證實第3海侵層底板埋深由大港區的55 m±延伸至靜海區50 m±，以及全新世海侵層位穩定且總體厚度變化不大（除遇下切河谷處）（魯慶偉等，2017）。3期海侵層總體呈向海傾的“楔形體”，與現代微地貌基本一致。張蕾等（2013）通過對太行山河流階地的研究認為，太行山自晚更新世以來經歷了3次間歇性的抬升，第1次抬升，抬升26～42 m，抬升速率1.11～1.79 mm·a-1，年代9.7萬a;第2次抬升11～27 m，抬升速率0.43～1.05 mm·a-1，年代7.4萬a;第3次抬升16～39 m，抬升速率0.35～0.85 mm·a-1，年代4.8萬a。前2次構造隆升年代大致相當于MIS5階段;第3次抬升大致相當于MIS3階段。不同時期隆升幅度和隆升速率呈現逐漸減小的趨勢。說明晚更新世以來渤海灣西不同構造部位沉積環境趨于一致，為穩定下沉趨勢。

5 結論

詳細的ZKQ1孔沉積特征、綜合測井、測年（AMS14C、光釋光）以及磁性地層研究，表明該孔M / G、B / M界線分別位于130.60 m、62.80 m;鉆孔底部年齡不大于3.6 Ma。通過與渤海灣西該區域前期鉆孔磁性地層、沉積特征等橫向對比，揭示了該區域前中更新世盆—山快速發育期，受基底構造及滄東斷裂、天津斷裂和大城斷裂等邊界主干隱伏斷裂控制，黃驊坳陷和滄縣隆起兩大Ⅲ級構造單元以及次一級構造單元（里坦凹陷、天津西凹槽、板橋凹陷和港西凸起）均存在較高的沉積速率和明顯的差異性沉積演化。M / G、B / M界線高低起伏形態表現出該區隆凹相間的基底構造，與區域物探資料認識一致。中更新世，受構造—氣候雙重影響，造成地層沉積間斷，不同構造單元差異性沉積不明顯，趨于準平原化，該區域“源到匯”過程中發生過路作用，僅局部殘留少許的沉積物容納空間。從沉積地層角度進一步證實了該區滄東斷裂、天津斷裂及大城斷裂等主干隱伏斷裂上延至中更新世地層。晚更新世以來，發育3期區域性的“面狀分布”的海侵層，沉積物層位、厚度及沉積速率較穩定，該區域整體處于穩定沉降期。

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