河北白洋淀全新統沉積特征與地層劃分

王 永, 閔隆瑞, 董 進, 姚培毅, 遲振卿

中國地質科學院地質研究所, 北京 100037

河北白洋淀全新統沉積特征與地層劃分

王 永, 閔隆瑞, 董 進, 姚培毅, 遲振卿

中國地質科學院地質研究所, 北京 100037

通過對河北白洋淀老河頭剖面全新世沉積物巖性特征、地層層序、粒度組成及微體古生物組合等進行綜合研究, 重建了白洋淀全新世以來的環境演變過程。全新世以來白洋淀沉積特征所反映的氣候環境特征表現為早期開始出現湖沼相沉積, 氣候寒冷偏濕; 中期湖泊沉積發育, 氣候溫暖濕潤; 晚期湖泊退縮,以河流-沼澤相沉積為主, 氣候向涼干轉變。綜合沉積特征、環境演變階段與加速器質譜(AMS)14C測年資料對白洋淀全新統沉積序列進行系統分析, 并將全新統劃分為三段: 下全新統(11000—8500 a)以灰黃色粉砂質粘土、粉砂為主, 夾黑色粘土, 沖積-湖沼相沉積發育; 中全新統(8500—3200 a)為灰黑色粘土夾粘土質粉砂, 湖沼相沉積發育; 上全新統(3200 a~)以黃色、褐黃色粉細砂、粘土質粉砂為主, 沖積-沼澤相沉積發育。白洋淀全新統中段含有黑色粘土沉積和大量微體與腹足、雙殼類等古生物化石, 為華北地區全新世地層的劃分及區域對比提供了依據。

白洋淀; 全新統; 沉積特征; 地層劃分; 粒度; 雙殼類

圖1 研究區地理位置圖(據Wu et al., 1996a, b簡化)Fig.1 Geographic map showing the study area (modified after Wu et al., 1996a, b)

目前對白洋淀全新世地層的時代劃分、沉積環境和地貌發育尚有不同意見(陳望和和倪明云, 1987;《中國地層典》編委會, 2000; 劉立軍等, 2010)。本文對河北保定市安新縣老河頭剖面進行了詳細測量,并系統采集了粒度、微體古生物、地球化學等樣品,根據部分測試結果對白洋淀老河頭剖面全新統的沉積特征進行了較系統的分析, 進行了地層初步劃分與對比。

1 沉積特征

全新世地層露頭主要為取土或制磚開挖形成的人工剖面, 在白洋淀的不同部位均有出露, 如安新縣和任丘市等地。

1.1 巖性特征

老河頭剖面位于保定市老河頭鎮東約2 km, 白洋淀西側(N 38°50'1.00", E 115°45'4.10"; 圖1)。根據老河頭剖面的巖性特征, 自上而下分層描述如下:

1)黃色、淺黃褐色粉砂、粘土質粉砂, 分選較好, 無層理,頂部有草根, 底部呈黃色 50 cm

2)褐黃色、淺褐色含粘土粉細砂, 粘土質粉砂, 零星見細小礫石44 cm

3)土黃色粉砂, 粘土質粉砂, 發育水平層理 30 cm 4)褐色粉砂質粘土夾黃色粉砂 76 cm 5)黑色、灰褐色粘土, 中部夾黃褐色粘土, 含豐富的腹足類及雙殼類72 cm

6)灰黃色粉砂質粘土17 cm 7)淺褐黃色粘土質粉砂, 中部含豐富的腹足類及雙殼類40 cm

8)灰褐色粘土質粉砂, 粉砂質粘土夾黑色粘土59 cm 9)褐黃色、灰黃色粉砂, 粘土質粉砂。近底部含草根 52 cm

1.2 粒度組成與沉積環境

粒度分析結果表明, 老河頭剖面沉積物粒度主要分布在 0~250 μm, 其中粘土組分(<3.9 μm)占6.32%~96.21%, 細 粉 砂 組 分 (3.9~31 μm)占2.96%~74.85%, 粗 粉 砂 組 分 (16~62.5 μm)占0~41.23%, 細砂組分(62.5~250 μm)占0~47.25%。中值粒徑(MZ)介于 0.26~51.31 μm 之間, 平均為17.28 μm(另文詳述)。

沉積物中值粒徑自下而上可以分為三個層段: 290—440 cm、200—290 cm、0—200 cm。各個層段的中值粒徑變化明顯。下段中值粒徑5.82~48.82 μm,波動較大; 中段中值粒徑變化較小, 介于3.83~10.62 μm; 上段中值粒徑變化最大0.26~ 51.31 μm。

老河頭剖面沉積物的粒度頻率曲線特征顯示,剖面下段表現為雙峰或多峰, 負偏態, 峰值粒徑分別為0.7~10 μm與50~80 μm, 底部為多峰負偏態, 主要峰值為50~80 μm; 中部主要峰值位于10 μm左右,上部為多峰負偏態, 主峰值為 50~80 μm, 反映出該沉積物為兩種或兩種以上不同營力共同作用下的產物。白洋淀周圍有永定河、唐河、滹沱河等水系, 位于沖積扇的尾端(Wu et al., 1996a, b), 湖水主要來源于各水系的注入, 因此湖區沉積物同時受湖泊水體及河流等多種動力條件控制, 為河湖相沉積環境。

剖面中段頻率曲線特征表現為單峰近對稱分布, 峰值粒徑為 7~10 μm, 較穩定, 反映出該沉積物為單一營力作用下的產物, 為相對穩定的低能環境, 屬于典型的湖相沉積。

上段沉積物頻率曲線特征表現為單峰負偏態或多峰態, 單峰態峰值粒徑為30~60 μm, 136 cm處沉積物表現為多峰態, 峰值粒徑分別為 0.7 μm, 8~12 μm和260～420 μm。峰值粒徑明顯偏粗, 表明晚期白洋淀地區沉積物受較強動力條件影響, 來源于多種營力作用, 為河湖相沉積環境。

1.3 古生物特征

老河頭剖面采集的介形類鑒定結果表明, 剖面中見有介形蟲化石共計8屬19種, 化石較豐富, 分異度均較低。

上段(0—50 cm), 含介形類: Candoniella albicins, Candoniella candida, Ilyocypris biplicata, Ilyocypris dunschanensis, Candona youheensis, Cypria sp., Ilyocypris kaifengensis, Leucocythere plethora等。所見介形類化石屬種單調、數量少、受環境條件限制使其存活率低, 保存差, 而特征種Leucocythere plethora數量稀少, 它既能生活在淡水、半咸水又能生活在超鹽水的湖泊中, 為廣鹽性屬種, 表明為河流-沼澤相沉積環境。

中段(200—290 cm)灰褐色、黑色粘土中含介形類: Candoniella albicins, Candoniella candida, Candona youheensis, Ilyocypris cornea, Ilyocypris kaifengensis。為湖沼相沉積環境，可能受弱河流作用影響。

下段(330—380 cm)黑色粘土、灰褐色粘土質粉砂中含介形類: Candona planus, Candona jucundus, Cyprinotus sp., Cyprinotus faveolus, Ilyocypris manasensis。Candoniella candida, Lishania resisa。所見介形類化石屬種單調、數量較少、保存差。而Eucypris inflata特征種生活在少鹽-超鹽水的湖泊、沼澤、和池塘中。而中鹽水是最適宜于胖真星介的繁生環境,該種在此段數量很少, 表明該段為湖泊-沼澤相沉積環境。

同時, 在老河頭剖面中段(200—330 cm)采集到豐富的雙殼類化石, 主要有 Unio douglasiae, Arconaia mutica, Arconaia lanceolata, Cuneopsis capitata(Heude), Lamprotula Leai和Lamprotula zonata等。這些雙殼類化石仍有現生種, 主要分布在我國安徽、江蘇、浙江和江西等省(林振濤和劉月英, 1963;劉月英等, 1965)。

2 全新世地層劃分

對老河頭剖面不同深度沉積物及所含螺、雙殼類等進行AMS14C測年, 經過Calpal在線校正為日歷年齡(表1), 并根據測年數據進行內插計算不同巖性界面的年齡, 獲得了剖面的年代框架。

2.1 全新世底界的確定

老河頭剖面底部以388 cm為界, 之下為粉砂、粘土質粉砂, 粒度特征顯示為沖積相沉積, 之上為粉砂質粘土夾黑色粘土, 粒度特征指示有沖積-湖相沉積, 含較豐富的介形類化石, 表明氣候環境明顯好轉, 該界限年齡約為10.6 cal ka B.P.。與目前國際上根據格陵蘭冰芯多種環境指標及年紋層計數確定的全新世底界年齡11700 cal yr b2k(距公元 2000年的年代)(Walker et al., 2009)較接近。因此白洋淀全新統以出現湖沼相沉積開始作為其下限, 這一界限的確定在整個華北地區均可以找到證據, 該界限不僅是巖性、巖相變化界限, 也是沉積環境、古氣候變化的轉折點, 在野外易于識別。

位于白洋淀南端梁莊附近的白4號孔, 在孔深6—6.15 m處淤泥質亞砂土測年為距今(11280±350) a (許清海和吳忱, 1986)。曲周地區在約10210~10000 a B.P.氣候溫暖濕潤(王紅亞等, 2002)。華北平原在(10530±120)~(9500±40) a B.P.存在洪水-沼澤沉積旋回(殷春敏等, 2001)。北京房山區墳莊4.5—5 m淤泥和6.84—6.89 m泥炭樣品年齡為(10120±150) aB.P.和(11850 ±200) aB.P, 屬全新世初期的沉積(仇士華和蔡蓮珍, 1992)。華北平原第一期古河道屬于晚更新世末期至全新世早期(吳忱等, 1986)。這些研究表明,華北地區全新世以來氣候開始轉暖, 其底界年齡約10~11 ka, 在區域上可以進行對比。

表1 老河頭剖面AMS14C測年數據Table 1 AMS14C dating results of Laohetou section

2.2 全新世內部界線的劃分

國際上全新世內界劃分主要是以氣候地層為依據, 以往以孢粉和植物殘體為依據的布列特-色爾南德氣候分期為基礎, 我國多采用該劃分方案,即早全新世(距今 10000—7500 a)、中全新世(距今7500—2500 a)和晚全新世(距今2500年至今)。目前國際上全新統擬采取三分, 主要依據氣候事件進行劃分, 以8.2 ka和4.2 ka為界劃分為早全新世、中全新世和晚全新世, 但這一方案還在討論中(Walker et al., 2012)。

早全新世早期白洋淀沉積由沖積相向湖相轉變, 氣候逐漸變得溫暖濕潤, 晚期又轉變為河流相,氣候也變為涼干。在區域上均有相似的反映, 如河北任丘剖面反映出早全新世經歷了短暫濕潤期后,晚期湖泊嚴重收縮(崔建新等, 2005), 并可能造成新石器早中期之間的文化缺環(崔建新和周尚哲, 2011); 曲周地區在10000~8500 a B.P., 氣候涼干(王紅亞等, 2002); 孢粉記錄顯示河北全新世早期氣候以溫涼半干早為主(童國榜等, 1983), 北京地區泥炭孢粉記錄表明, 早全新世初期氣候好轉, 晚期較暖偏干(嚴富華等, 1981)。

中全新世白洋淀地區普遍發育黑色粘土/泥炭(童國榜等, 1983; 崔建新等, 2005), 富含雙殼類化石(林振濤和劉月英, 1963; 郭書元等, 2014)。該時期白洋淀出現現今生長于我國南方的楓楊、楓香等亞熱帶成分(王會昌, 1983); 在河北任丘剖面經歷了2次湖泊擴張時期(崔建新等, 2005); 在8500~5000 a B.P.時, 寧晉泊為穩定的湖泊環境(郭盛喬等, 1998);曲周也有2次氣候溫暖濕潤期(王紅亞等, 2002)。孢粉組合特征表明華北平原大部分地區中全新世為溫暖濕潤期(賈蘭坡等, 1977; 周昆叔等, 1978; 陳方吉, 1979; 嚴富華等, 1981; 孔昭宸等, 1982; 童國榜等, 1983; 李文漪和梁玉蓮, 1985; An et al., 2000), 并廣泛發育泥炭, 如渤海灣全新統底泥炭層14C年齡為(8530±108) a(李鳳林等, 2005)。同時期的雙殼類組合分異度較低, 其中的麗蚌化石完整未破損, 屬原地堆積(吳忱和許清海, 1998), 其組合面貌與現代長江中下游地區太湖、鄱陽湖和洞庭湖流域的組合面貌相似, 反映為濕熱氣候條件下的湖泊環境, 可與河南、山東等地中全新世早期的麗蚌動物群對比(郭書元等, 2014)。含雙殼類化石層的底界與全新世大暖期開始的時間(8.5 ka)界線一致, 也可以與華北平原海陸過渡相地層進行對比, 相當于高灣組, 屬于中全新統。因此, 可以將8.5 ka作為中全新世的底界年齡。

晚全新世白洋淀沉積環境發生顯著變化, 由湖泊沉積轉變為沖積相。約3000 aBP是華北地區氣候變化的開始(童國榜等, 1983; 吳忱和魏福利, 2003), 北京地區的泥炭大部分停止堆積(嚴富華等, 1981; 張子斌, 1984)。華北平原在(3470±125) aB.P.沼澤相沉積結束, 在 3500—3000 aBP有過兩次洪水期(姚魯峰, 1991; 殷春敏等, 2001; 吳忱和魏福利, 2003)。晚全新世初期河北山前平原堆積了大量沖積扇及泛濫平原, 致使中全新世形成的沼澤洼地被分解成三個大洼地群(吳忱等, 1992)。中全新世后期和晚全新世早期, 黃河北支分流沿太行山東麓沖積扇前緣注入古白洋淀, 因河流泥沙不斷淤積, 使古白洋淀的水域不斷退縮, 導致其逐漸消亡(張淑萍和張修佳, 1989)。晚全新世的底界置于 3500—3000 aBP。

2.3 白洋淀全新統劃分與區域對比

根據老河頭剖面巖性特征、粒度組成、古生物及14C年齡結果, 將全新統劃為三段(圖2):

全新統下段(388—330 cm): 約10.6~8.5 ka, 為灰褐色粘土質粉砂、粉砂質粘土夾黑色粘土。中值粒徑平均為11.97 μm, 標準偏差為1.5~1.9, 分選較差。介形類化石以Candoniella albicins, Candoniella candida, Candona youheensis, Candona jucundus, Candona planus Cyprinotus faveolus, Eucypris inflata , Ilyocypris cornea, Ilyocypris biplicata, Ilyocypris dunschanensis, Ilyocypris manasensis, Ilyocypris kaifengensis, Lishania resisa等為組合。

全新統中段(330—200 cm): 約 8.5~3.2 ka, 下部(290—330 cm, 約8.5~7.4 ka)為淺褐黃色粘土質粉砂, 粉細砂, 中值粒徑平均為 29.37 μm, 標準偏差為 1.5~1.9, 分選較差; 上部(200—290 cm, 約7.4~3.2 ka)為黑色、灰褐色粘土夾灰色、黃褐色粉砂質粘土, 中值粒徑平均為 6.93 μm, 標準偏差為1.2~1.7, 分選中等。該段僅零星發現介形類Candoniella albicins, Candoniella candida。含較豐富的雙殼類 Unio douglasiae, Arconaia mutica, Arconaia lanceolata, Cuneopsis capitata, Lamprotula Leai和Lamprotula zonata等

全新統上段(200—0 cm): ~3.2 ka, 為黃褐色、淺褐黃色粉砂、粘土質粉砂、褐黃色含粘土粉砂、細砂。下部為粉砂質粘土、粘土質粉砂, 中值粒徑平均為10.98 μm, 標準偏差為0.35~3.42, 分選較好至很差。上部粘土質粉砂、粉細砂, 含細小礫石, 中值粒徑平均為28.09 μm, 標準偏差為1.5~2, 分選較差。介形類化石以Candoniella albicins, Candoniella candida, Candona youheensis, Ilyocypris biplicata, Ilyocypris dunschanensis, Ilyocypris kaifengensis, Leucocythere plethora等為組合。

河北白洋淀地區全新統中段以黑色粘土或泥炭發育為特征, 富含生物化石, 標志層顯著, 氣候特征以暖濕為主, 其頂底界限年齡比較清楚, 在區域上具有代表性, 建議命名為“白洋淀組”。

根據巖性特征、地層層序、環境指標等組合特征分析, 結合14C測年等, 利用地層層序和年代學對比方法, 提出河北平原全新世地層劃分和對比方案(圖3)。全新世地層劃分采用目前國內外使用的三分方案。

圖2 白洋淀老河頭剖面綜合柱狀圖Fig.2 Sedimentary characteristics and stratigraphic division of Laohetou section

圖3 河北平原全新世地層劃分與對比Fig.3 Holocene stratigraphic division and correlation in Hebei plain

3 結論

(1)白洋淀地區全新統發育較完整, 分布比較廣泛, 厚度也較穩定。根據老河頭剖面全新統沉積物的粒度、古生物及14C測年等綜合研究, 以氣候分期為依據, 以全新世氣候適宜期的起止時間(8.5 ka, 3.0—3.5 ka)為界限, 可以將白洋淀全新統分為三段。下段, 約 10.6~8.5 ka, 白洋淀開始出現湖沼相沉積; 中段, 約 8.5~3.2 ka, 普遍為黑色粘土/泥炭,含豐富的雙殼類化石, 湖泊沉積為主; 上段, 約3.2 ka, 沉積環境變化較頻繁, 以河流-沼澤相沉積為主。

(2)白洋淀地區全新世中部廣泛發育黑色粘土/泥炭, 為典型的湖沼相沉積, 富含陸相介形類及雙殼類化石, 反映氣候溫暖濕潤, 為全新世氣候適宜期的沉積, 可以作為區域地層劃分與對比的標志層,建議命名為“白洋淀組”, 可以作為陸相中全新統的代表。中全新世湖相白洋淀組的建立, 將為研究華北地區全新世湖泊演化、氣候與環境變化、古地理變遷、地層劃分與對比等提供新的證據。

致謝:中國地質科學院水文地質環境地質研究所林芳鑒定了介形類化石, 中國地質大學(北京)楊慧君完成了粒度分析實驗, 筆者在此表示謝意。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos.1212011120142 and 12120113005600).

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Sedimentary Characteristics and Stratigraphic Division of Holocene Series in Baiyang Dian, Hebei Provence

WANG Yong, MIN Long-rui, DONG Jin, YAO Pei-yi, CHI Zhen-qing
Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037

Through a comprehensive study of the lithology, stratigraphic sequence, grain sizes, and microfossil assemblages of sediments from Laohetou section in Baiyang Dian, Hebei Province, the authors reconstructed the Holocene environmental evolution in Baiyang Dian.During the early Holocene, the climate conditions became cold and wet.Limnological conditions changed significantly after middle Holocene, and then lake retreated at the late stage of the Holocene.Based on the analysis of sedimentary features, environmental evolution and AMS14C dating data of Laohetou section in Baiyang Dian, the authors detected significant variation in sediments of Laohetou section related to sedimentary facies and climate change.Holocene Series in Baiyang Dian can be divided into three stages.Early Holocene (11000–8500 a) was alluvial and limnological facies of yellow silty clay, silty sand; Middle Holocene (8500–3200 a) was a climate optimum for the development of limnological facies of black clay and clayey silt; Late Holocene (3200 a~) was characterized by the development of alluvial, swamp facies.Middle Holocene contains black clay deposits in Baiyang Dian and provides a basis for the Holocene division and regional correlation in North China.

Baiyang Dian; Holocene; sedimentary characteristics; stratigraphic division; grain size; bivalve

P534.63; P532

A

10.3975/cagsb.2015.05.07

2015-05-04; 改回日期: 2015-06-18。責任編輯: 閆立娟。

王永, 男, 1968年生。研究員。主要從事第四紀地質和新構造研究。通信地址: 100037, 北京西城區百萬莊大街26號。電話: 010-68999683。E-mail: wangyong@cags.ac.cn。來的沖積-河湖相沉積, 其地層出露完整、厚度較大,是研究華北平原全新世地層及古氣候變遷的理想地區。對白洋淀的地貌發育、沉積環境、地層劃分、古人類等均進行了較詳細的研究(王會昌, 1983; 許清海等, 1988; 何乃華和朱宣清, 1992; Wu et al., 1996a, b; Xu et al., 1996; 吳忱和許清海, 1998; 李月叢等, 2000; 郭書元等, 2014)。全新世地層劃分的主要依據是巖性組合特征, 而詳細的年代地層劃分比較薄弱, 沉積特征(巖性)的描述偏于定性, 缺乏定量性的數據資料(如粒度等)。前人以布列特-色爾南德氣候分期為依據, 將河北省全新世地層自上而下劃分為岐口組(2500 aB.P.至今)、高灣組(7500—2500 aB.P.)和楊家寺組(10000—7500 aB.P.)(陳望和和倪明云, 1987; 《中國地層典》編委會, 2000)。也有人認為白洋淀地區的全新世地層可以劃分為四期(許清海等, 1988)。河北平原全新世地層劃分, 主要依據近海平原地區的鉆孔資料,全新統建組剖面以海陸過渡相沉積為主, 缺乏對陸相沉積的系統研究, 不利于區域地層對比。由于地層與古生物發育的區域差異, 建立中國不同時代地層劃分格架和大區域地層對比關系, 可以為地學研究和地質調查與資源勘查提供地層劃分對比的標準(王澤九等, 2014)。因此有必要對河北平原西部及東南部大面積分布的陸相全新統進行系統劃分, 特別是巖石地層單位的沉積相分析, 可以為區域地層劃分和對比提供依據。

河北白洋淀位于華北平原東南部, 屬于永定河沖積扇與滹沱河沖積扇的前緣低洼區(圖 1; Wu et al., 1996a, b), 是華北平原最大的淡水湖泊, 主體位于安新縣境內, 總面積約366 km2(王會昌, 1983)。年均氣溫 6.8~12.7?C, 屬于溫帶大陸性季風氣候(Guo et al., 2012)。白洋淀地區廣泛發育著全新世以

本文由中國地質調查局地質調查項目(編號: 1212011120142; 12120113005600)資助。