北京地區(qū)新5孔晚新生代沉積物中的地球化學(xué)特征及古環(huán)境意義

欒英波，郭 莉，郭高軒

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京102206；3.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

北京地區(qū)新5孔晚新生代沉積物中的地球化學(xué)特征及古環(huán)境意義

欒英波1，郭 莉2，郭高軒3

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，北京 100195；2.北京市地質(zhì)調(diào)查研究院，北京102206；3.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195）

通過對(duì)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(diǎn)進(jìn)行研究分析。表明該地區(qū)自新近紀(jì)以來該地區(qū)氣候總體趨勢(shì)是由溫暖濕潤(rùn)向溫和干旱氣候方向發(fā)展。其中經(jīng)歷了3個(gè)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(xué)角度把新5鉆孔的沉積環(huán)境分為6個(gè)變化波動(dòng)區(qū)間。揭示該地區(qū)晚新生代以來的氣候經(jīng)歷了溫暖濕潤(rùn)-溫和濕潤(rùn)—溫和偏干—溫暖濕潤(rùn)—溫涼濕潤(rùn)—溫和偏干的氣候波動(dòng)。

晚新生代；地球化學(xué)特征；古氣候波動(dòng)；北京地區(qū)

2004年國(guó)土資源部與北京市政府合作開展了城市地質(zhì)調(diào)查。為進(jìn)一步研究北京平原區(qū)新生界地層層序、古地理演化和構(gòu)造演化特征。北京市地勘局等單位實(shí)施了新5鉆孔，對(duì)晚新生代沉積中物的地球化學(xué)特征進(jìn)行了專題研究，從元素地球化學(xué)的角度探討了北京地區(qū)古氣候和古環(huán)境的變遷。

1 北京區(qū)域地質(zhì)背景及地質(zhì)剖面

（1）區(qū)域地質(zhì)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(huán)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(gòu)成。新5孔布置在順義凹陷四級(jí)構(gòu)造單元內(nèi)（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(tái)地。

圖1 新5孔及重要鉆孔地理位置示意圖

（2）新5孔地質(zhì)剖面

根據(jù)古地磁測(cè)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(tǒng)、下更新統(tǒng)、中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全新統(tǒng)地層。

上新統(tǒng)：孔深248.3～322m，主要以黃棕色粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)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(duì)應(yīng)高斯正極性時(shí)。其地質(zhì)時(shí)代為2.58～3.22Ma左右。

下更新統(tǒng)：孔深97.4～248.3m，主要為黃棕色、濁棕色和灰棕色粉砂質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、粉砂、細(xì)砂、中砂和粗砂組成。96.59～246.79m以反極性帶為主，對(duì)應(yīng)松山反極性時(shí)。其地質(zhì)時(shí)代為0.78～2.58Ma。

中更新統(tǒng)：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(zhì)粘土組成，大致可以分為4個(gè)旋回。鉆孔巖芯剖面0～96.59m以正極性帶為主，總體對(duì)應(yīng)國(guó)際地磁極性年表的布容正極性時(shí)，其地質(zhì)時(shí)代為0.128～0.78Ma。

上更新統(tǒng)：孔深1～17.23m，為黃棕色粉砂質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土，細(xì)胞狀結(jié)構(gòu)，粒徑粗細(xì)不一。古地磁測(cè)試結(jié)果表明深度15.85m處大約對(duì)應(yīng)地質(zhì)年代0.128Ma。

全新統(tǒng)：孔深0～1m，主要為濁黃棕色回填土。其成分為粉砂質(zhì)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(fā)育，底部見有少量的黑色煤渣。

2 新5孔晚新生代地球化學(xué)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(zhì)時(shí)期不同沉積地層中地球化學(xué)元素的分布差異。新5鉆孔主要氧化物地球化學(xué)成分與微量元素含量分布表現(xiàn)出一定的規(guī)律性，并具有較好的相似性（見圖2）。SiO2從上往下表現(xiàn)為低 高低的特征，F(xiàn)e2O3表現(xiàn)特征與SiO2恰好相反，Al2O3從上到下表現(xiàn)為低 高的特征，MgO與NaO整體從上到下表現(xiàn)為由高 低。但在100～120m之間MgO出現(xiàn)了較低的異常，NaO出現(xiàn)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(guān)，F(xiàn)e2O3/ FeO在300～320m出現(xiàn)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?cè)诓煌瑫r(shí)代主要氧化物含量變化十分接近，反映出沉積環(huán)境十分相似，主要物質(zhì)來源相同。Fe2O3與FeO百分含量成負(fù)相關(guān)性，在上新世時(shí)Fe2O3百分含量達(dá)到5.80%,FeO百分含量達(dá)到0.38%,反映出新5鉆孔氧化環(huán)境逐步在加強(qiáng)。CaO、Na2O平均百分含量從上新世逐漸升高，反映出當(dāng)時(shí)的氣候條件逐漸向干旱氣候條件發(fā)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(fēng)成堆積之間，反映出北京地區(qū)氣候條件介于兩者之間,氣候、風(fēng)化條件較陜西洛川較高。

圖2 北京地區(qū)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(xué)元素平均含量與洛川黃土[1]、安徽宣城風(fēng)塵堆積[2]對(duì)比 （%）

3 地球化學(xué)元素與古環(huán)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(yīng)的沉積物,這些沉積物與它所處環(huán)境之間的適應(yīng)或者平衡關(guān)系是通過沉積物及元素重新組合、產(chǎn)生新礦物來實(shí)現(xiàn)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(shí)的氣候環(huán)境[3]。陳駿〔4〕等人對(duì)陜西洛川黃土剖面的Rb/Sr值及其氣候進(jìn)行了研究,研究表明Rb/Sr值可以作為東亞夏季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)度變化較為敏感的替代指標(biāo)。元素Na、K、Mg等化學(xué)活動(dòng)性強(qiáng),且Na的化學(xué)活動(dòng)性較K強(qiáng),Ni、Cu、Cr等化學(xué)活動(dòng)性較Fe和Al強(qiáng)[5]。在溫暖潮濕的氣候條件下,水介質(zhì)為酸性,沉積物中易溶元素溶解遷移,而Al2O3相對(duì)富集,在干旱條件下相對(duì)含量則降低。干冷氣候條件下的黃土較形成于溫暖濕潤(rùn)條件下的黃土中的CaO3含量較高[6]，CaO含量越高指示氣候環(huán)境越干冷[7]等為本次研究分析晚新生代古地理環(huán)境提供了科學(xué)依據(jù)。

322～248.3m：上新世沉積物，上部為棕色粉砂質(zhì)粘土、黃棕色粗砂、細(xì)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(fēng)化至全風(fēng)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(dá)到全孔的最高值。SiO2/( Al2O3＋Fe2O3)比值、Na2O含量也達(dá)到了最低。從各元素和比值情況，反映出當(dāng)時(shí)地層遭受化學(xué)作用較強(qiáng)，具有較強(qiáng)氧化環(huán)境，氣候較為溫暖濕潤(rùn)的環(huán)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(dòng)范圍較大。有明顯的富集和散失現(xiàn)象，而Ba本段平均含量為1095 10-6mg/kg遠(yuǎn)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，F(xiàn)e2O3/ FeO比值較低。暗示著當(dāng)時(shí)為還原環(huán)境，當(dāng)時(shí)氣候溫和濕潤(rùn)。

190～132m：早更新世沉積物主要以粉質(zhì)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(xiàn)象。Ba含量較低，含量為549.5 10-6mg/kg遠(yuǎn)低于鉆孔平均含量749 10-6mg/kg，SiO2/( Al2O3＋ Fe2O3)比值較低，F(xiàn)e2O3/ FeO比值較高，綜合微量元素和常量元素分析，可以看出當(dāng)時(shí)主要環(huán)境為氣候條件為溫和偏干的氧化環(huán)境。

132～76m：早更新世沉積物，主要以砂質(zhì)粘土為主。總體上各元素含量波動(dòng)較大, 各元素有明顯富集和散失現(xiàn)象。MgO和 Na2O 在115m左右出現(xiàn)異常值。Rb/Sr、Fe2O3/ FeO比值較高。表明當(dāng)時(shí)該地區(qū)盡管氣候有波動(dòng)較大，總趨勢(shì)氣候溫暖濕潤(rùn)，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的氧化環(huán)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(dòng)范圍較大，各元素明顯的富集和散失現(xiàn)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(yīng)該地區(qū)生物化學(xué)作用與風(fēng)化作用明顯,氣候溫涼濕潤(rùn)的環(huán)境。

0～45m:總體上各元素含量均降低的趨勢(shì), 大部分元素沒有明顯富集現(xiàn)象，暗示著物源區(qū)地表溫度較低，雨量較少，整體上地球化學(xué)風(fēng)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(huán)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(dòng)影響，沉積環(huán)境的變化劇烈。

4 結(jié)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(qū)氣候環(huán)境從溫暖濕潤(rùn)逐漸向溫和偏干發(fā)展。對(duì)微量元素和主要氧化物分析研究，可以作為本地區(qū)氣候環(huán)境、地層劃分的輔助依據(jù)。

(2)北京市平原區(qū)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(jì)以來沉積環(huán)境和古氣候變化密切相關(guān)，通過對(duì)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(rùn) 溫和濕潤(rùn) 溫和偏干 溫暖濕潤(rùn) 溫涼濕潤(rùn) 溫和偏干的6個(gè)氣候波動(dòng)帶。

(3)從Fe2O3/ FeO比值上來看，上新世以來北京地區(qū)古地理氧化過程經(jīng)歷3個(gè)較強(qiáng)的氧化階段。

[1]文啟忠等.中國(guó)黃土地球化學(xué).北京：科學(xué)出版社1989.

[2]李徐生，楊達(dá)源，鹿化煜.皖南風(fēng)塵堆積序列氧化物地球化學(xué)特征與古氣候記錄.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì)1999.11.19（4）75～81.

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[7]劉東生等.黃土與環(huán)境.北京：科學(xué)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