濟寧市平原區地砂地質特征及成因分析

鄭國棟, 肖華, 李傳夏,盧國宏

(山東省魯南地質工程勘察院，自然資源部采煤沉陷區綜合治理工程技術創新中心，山東省地質礦產勘查局采煤塌陷地綜合治理工程技術研究中心，山東 濟寧 272100)

0 引言

濟寧市是我國重要的能源基地和魯南經濟帶中心城市，近年來城市化進程和基礎設施建設不斷加快，砂石資源需求量猛增。加之生態環境保護和安全監管要求的日益嚴格，導致濟寧市出現砂石資源供給緊張的局面，制約了重點工程和民生工程的有效實施，影響了經濟社會發展。

大量基礎地質、煤田地質、水文地質、工程勘察以及其他礦產勘查工作發現[1-10]，濟寧中西部平原區第四系松散沉積淺部廣泛發育砂質沉積，具有較好的利用價值，目前已有部分開采用做建設用砂，當地俗稱為“地砂”。

本文所指的地砂是埋藏于平原區地下第四系松散沉積中、經人工開采和篩選達到建設用砂國標[11]要求的砂質沉積，不包括河砂和山砂。根據國標其粒徑介于0.075～4.75mm之間，因此，主要包括地質分類中的細砂、中砂、粗砂和礫砂等。2018年，濟寧市首次開展了地砂資源調查，調查范圍為任城區、北湖新區、高新區和經濟開發區4區。在此次工作的基礎上，筆者結合汶上、兗州相關地質工作，以濟寧市中西部平原區為研究區，分析了地砂的地質特征，探討了地砂的成因，為濟寧市地砂資源勘查、開發提供了基礎數據，對提高濟寧市砂石資源市場供給能力、平衡砂石資源市場供需具有重要的現實意義。

1 研究區第四系劃分

濟寧市第四系分布廣泛，主要發育于中西部平原區和東部丘陵區山間洼地及河谷地帶(圖1)，成因類型繁多，巖性復雜多變。

1—黃河組；2—沂河組；3—臨沂組；4—山前組；5—研究區

研究區第四系厚度大、分布廣，一般在150～220m，巖性以褐黃—棕褐色黏土、砂質黏土、黏土質砂和砂、礫石為主。區內第四系劃分長期存在繁瑣、不統一的問題，張增奇等[12]指出“黃泛平原區第四紀全新世巖石地層，采用宜粗不宜細的寬泛的劃分原則”，加之工作實際，該次借鑒王世進等[13]的劃分體系：以南四湖—京杭運河一線為界，將研究區劃分為湖西區和湖東區，分別對應原體系中的平原區和山丘區；以全新統下部黑土湖組湖沼沉積作為標志層，其上湖西區為黃河組，指黃河早期沖積物及現代黃河和其他河流河床、漫流沉積，其上湖東區劃分為臨沂組和沂河組，臨沂組主要為分布于現代河流I級階地和高河漫灘之上的河流沉積，沂河組指現代河流中的河床及低河漫灘沉積；更新統統一劃為平原組(表1)。

表1 研究區第四系劃分表(據王世進等[12]修改)

2 地砂的地質特征

需要說明的是，受現有采砂技術限制，本次主要分析埋深50m以淺的地砂特征。

2.1 地砂賦存層位及分布

研究區第四系上部普遍發育黑灰色—灰黑色淤泥質沉積，即全新世黑土湖組，一般埋深2～6m。以黑土湖組為標志層，發現湖西區、湖東區地砂賦存層位、標高、埋深及粒度等特征存在明顯差異。鉆孔柱狀對比圖及地砂分布圖見圖2、圖3。

(1)湖西區

鉆探揭露，湖西區黑土湖組一般埋深2.0～4.0m，厚度一般介于0.5～1.0m(圖2)，其上黃河組主要以黃褐色—褐黃色黏土、粉質黏土、粉砂夾細砂為主，大多數砂質沉積粒度較細、黏土含量高，難以滿足建設用砂要求，僅在疃里略有分布(圖3a)。

地砂主要賦存于黑土湖組之下的平原組，以細砂為主，一般發育1～2層，多呈透鏡狀產出，延伸較近、穩定性差，埋深較大，一般在20.0m以深，分布零星、面積較小，在疃里和喻屯有小范圍分布(圖3b)，總體資源潛力相對有限、開發利用價值較小。

(2)湖東區

湖東區地砂明顯較湖西區發育，但賦存及分布特征也較之復雜。鉆探和剖面揭露，湖東區黑土湖組埋深變化較湖西區大，一般埋深2.0～6.0m，厚度從幾十厘米至3.0m左右均有分布，局部不發育。

地砂在黑土湖組之上的臨沂組及其下的平原組均有發育。臨沂組一般發育1層地砂(圖2)，埋深較淺，多數小于6.0m，厚度較大，一般1.0～4.0m，呈近水平條帶狀或透鏡狀，橫向延伸一般15.0～50.0m左右、穩定性一般，主要分布于濟寧主城區北部及兗州、汶上等地(圖3a)，由于其埋深淺、厚度大、易開采，是目前開采利用的主要層位。平原組一般發育1～3層地砂，埋深相對較深，一般大于15m，厚度變化較大，從0.5m到數米均有發育，主要集中在1.0～3.0m(圖2)，形態與臨沂組地砂類似，分布范圍較其更廣(圖3b)，但橫向延伸和穩定性變化大，埋深、粒度、厚度及層數變化亦較明顯，整體由東北向西南埋深變深、粒度變細、厚度變薄、層數減少，由于埋深較大，目前僅在局部埋深較淺地段進行開采。

1—填土；2—黏土；3—淤泥質黏土；4—粉砂質黏土；5—粉砂；6—細砂；7—中砂；8—粗砂

2.2 礦物成分和化學成分

地砂主要礦物成分為石英(60%～75%)和長石(15%～30%)，角閃石、黑云母、黏土等含量少。

據光譜分析結果(表2、圖4)，地砂主量元素氧化物中以SiO2百分含量最高，Al2O3次之，Na2O，K2O，CaO，Fe2O3，MgO再次之。其中，SiO2百分含量為65.01%～78.39%，平均73.97%；Al2O3百分含量為7.96%～14.75%，平均10.96%；Na2O平均3.07%，K2O平均2.88%，CaO平均2.08%，Fe2O3平均1.74%，MgO平均0.42%。

1—SiO2：2—Al2O3；3—Fe2O3；4—CaO；5—MgO；6—K2O；7—Na2O；8—其他

2.3 結構特征

巖心觀察發現，地砂細砂—礫砂均有發育，以中砂、粗砂為主，呈顆粒支撐，磨圓次棱角—次圓狀、分選一般—較差。篩分析結果顯示，地砂樣品粒徑主體在0.1～2.0mm之間，以中砂、粗砂為主，約占80%。其中如圖5，中砂樣品中砂粒級含量30%～50%，呈單峰式，峰值突出，代表中高水能的沉積環境；粗砂樣品粗砂粒級含量30%～60%，單峰、雙峰式均有分布，峰值更突出，代表相對較高水能的沉積環境。

圖5 地砂樣品粒度分布直方圖(篩分析完成于山東省魯南地質工程勘察院實驗測試中心)

2.4 沉積構造特征

沉積構造是沉積物在搬運和沉積的過程中，經介質作用形成的成分、結構、顏色等的不均一性而表現出來的宏觀特征，是沉積物最常見、最直觀的主要特征[14]。

地砂沉積構造主要發育有大中型交錯層理和沖刷面(圖6)。交錯層理較發育，可進一步分為楔狀交錯層理和槽狀交錯層理。楔狀交錯層理(圖6a)層系界面較平直，層系厚主要介于0.2～0.6m，前積紋層呈“S”形或下凸狀收斂于層系下界面，以中—粗粒和礫粒為主，可見礫石呈疊瓦狀分布，見泥礫(圖6c)，呈扁平橢圓狀順紋層面分布，大者長軸達6cm。槽狀交錯層理(圖6b)在橫切面上，層系界面和紋層均呈弧形，紋層與層系界面斜交，以中—粗粒和礫粒為主，層系厚度0.1～0.4m，見泥礫。

沖刷面(圖6b)上下粒度、顏色等特征明顯不同，整體較平直，截切下部沉積，之上見礫石分布。

a—楔狀交錯層理、沖刷面，臨沂組，李營馬莊，鏡頭指向西；b—槽狀交錯層理、沖刷面，臨沂組，李營林屯，鏡頭指向北；c—泥礫，臨沂組，李營馬莊

3 討論

3.1 風化作用及氣候條件

風化作用可以視為搬運作用和沉積作用的前提條件，分為物理風化、化學風化和生物化學風化。化學風化使巖石發生化學成分的改變、分解，形成地表條件下穩定的新生礦物。Nesbitt和Young[15]在計算長石類礦物風化成黏土礦物的程度時提出的化學蝕變指數(CIA)，已成為判斷沉積物物源區化學風化程度的重要指標，其計算式為：

CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+K2O+Na2O)]×100

式中：各氧化物含量均為摩爾百分含量，CaO*僅為硅酸鹽礦物中的摩爾百分含量。一般情況下，CIA值越大，反映化學風化程度越強。CIA值介于50～65之間，指示寒冷干燥氣候條件下的低等化學風化作用；CIA值在65～85之間時，指示溫暖濕潤氣候條件下的中等化學風化作用；CIA介于85～100之間，指示炎熱潮濕氣候條件下的高等化學風化作用。

經計算，地砂樣品CIA值均小于70，大多數小于65(圖7a)。同時結合A-CN-K(A2O3-CaO*+Na2O-K2O)三角圖(圖7b)，發現地砂樣品投點遠離A點，靠近A-CN線，經修正后的地砂樣品CIA值集中在低等化學風化區間，表明地砂沉積時期氣候寒冷干燥、化學風化程度低。

圖7 地砂樣品CIA變化圖(a)和A-CN-K三角圖(b)

3.2 古水流分析

在沉積作用過程中古水流信息被記錄在沉積構造中，因此沉積構造成為恢復古水流的重要依據[16]，礫石排列、粒徑趨勢也可用于古水流分析[17]。

(1)水動力條件

地砂主要發育大中型交錯層理(圖6)，其中前積紋層呈“S”形或下凸狀收斂于層系下界面，反映沉積水動力條件較強；粒徑較粗，以中砂、粗砂為主，同樣反映較強的沉積水動力條件。此外，圖6b中交錯層理前積紋層形態和粒徑變化均指示沉積水動力條件呈減弱趨勢。

(2)水流方向

一般楔狀交錯層理前積紋層的傾向以及槽狀交錯層理槽軸所在面的匯聚方面代表古水流方向[16,17]。本次野外剖面(圖6a，圖6b)中交錯層理和礫石疊瓦狀排列方向所指示古水流方向大致由北向南。但是兩處剖面距離較近(約2km)、野外剖面數量較少，僅反映出局部古水流方向，不能全面反映區域古水流方向。不過，由于地砂沉積距今時間相對較近，研究區以北、以東的魯西隆起區(即泰沂山區)于新近紀已形成現代隆起輪廓[18]，南四湖—京杭運河一帶分布有寬淺的古湖(群)，區域古地形與現代基本一致，東高西低、北高南低，古水流應由北部、東部隆起區向西南的古湖(群)匯集，粒徑趨勢也證明了這一點。

3.3 成因分析

根據地砂沉積特征及測試分析結果，結合區域地質構造特征，認為地砂的成因類型為河床和辮狀河三角洲沉積砂。

湖西區第四紀中更新世以來明顯受黃河沖積影響，普遍認為黃河中更新世流經山東[1]、黃河沖積扇前緣向東大致延伸至南四湖—京杭運河一線[1,19]，由于頻繁改道、泛濫，大量泥沙沉積于湖西區，形成了分布廣泛的以黏土夾粉砂為主體的細粒沉積，地砂基本不發育，僅在疃里、喻屯一帶略有分布。由于黃河的影響，造成南四湖—京杭運河一帶的寬淺古湖(群)逐步萎縮、解體。

更新世以干冷氣候為主，湖東區以北、以東的魯西隆起區(即泰沂山區)，繼續遭受以物理風化為主的強烈風化剝蝕作用，為湖東區第四紀沉積提供了豐富的物源供給，水流攜帶大量粗碎屑物質于山前地帶形成洪積扇后，繼續向寬緩地帶前進，一直延伸注入古湖(群)，形成辮狀河三角洲沉積。地砂主要發育于其中的分流河道和水下分流河道，隨著構造活動、湖泊水體以及流水季節性的變化，辮狀河分流河道的長期擺動游蕩、三角洲沉積體系不斷進退，逐漸沉積形成湖東區分布較廣、厚度較大的平原組地砂，其分布已越過南四湖—京杭運河一線，在湖西區靠近南四湖—京杭運河一線亦有分布。全新世早—中期，區內氣候變暖，河流普遍沼澤化，形成淤泥質黑土湖組，之后氣候又向冷干變化[20]，河流繼續發育，但此時的河流規模已經與更新世無法相提并論，同時南四湖—京杭運河一帶北段古湖(群)逐漸消失、南段古湖(群)不斷萎縮，加之人類活動影響，臨沂組地砂主要發育在河床中，分布范圍較平原組明顯縮小。

4 結論

(1)地砂以中砂和粗砂為主，主要礦物為石英(60%～75%)和長石(15%～30%)，主量元素以SiO2和Al2O3為主，發育有大中型交錯層理和沖刷面。

(2)以南四湖—京杭運河一線為界，湖西區地砂分布零星、面積較小，資源潛力有限、開發利用價值較小。湖東區臨沂組一般發育1層地砂，埋深較淺、厚度較大，呈近水平條帶狀或透鏡狀，橫向延伸相對較遠、穩定性較好，是目前開采利用的主要層位；平原組一般發育1～3層地砂，埋深相對較深、厚度變化較大，橫向延伸和穩定性變化大，整體由東北向西南埋深變深、粒度變細、厚度變薄、層數減少，目前僅在局部地段進行開采。

(3)地砂的成因類型為河床和辮狀河三角洲沉積砂，沉積時期氣候寒冷干燥、化學風化程度低，水動力條件較強，古水流方向總體由東北至西南，主要發育于晚更新世辮狀河三角洲沉積和全新世河床沉積。

濟寧市平原區第四系沉積普遍認為主要為河流沖積，但對其形成缺乏進一步的劃分和認識。本文次結合地砂地質特征和成因分析，發現該區晚更新世發育辮狀河三角洲沉積、全新世發育河床沉積，對提升該區第四系研究程度具有一定意義。

致謝：孔令廣高級工程師和王志亮高級工程師在文章撰寫過程中給予了指導，王君高級工程師對文中圖件進行了清繪，審稿專家對文章提出了寶貴意見，在此一并表示感謝。