靜力觸探在萊州灣冰后期三角洲層序地層學研究中的應用

徐建國, 劉中業, 陶有兵, 徐 華, 紀汶龍, 張春池

山東省地質調查院, 山東濟南 250013;山東省土地質量地球化學與污染防治工程技術研究中心, 山東濟南 250013

萊州灣沿岸冰后期沉積是工程建設的主要利用層, 也是與該區咸水入侵、土地鹽漬化、軟土地基、砂土液化等地質環境問題密切相關的地層,1970年以來有關學者對該沉積層作了大量的古生物、14C測年等分析測試, 對冰后期沉積環境演變作了較系統的研究, 但這些工作大多是對局部地區、少量第四紀地質孔的分析研究(鄭守儀等, 1978; 莊振業和李建華, 1986; 林防等, 2005; Yi et al., 2015;郭飛等, 2016; 姜興鈺等, 2016; 李守軍等, 2017),區域性研究工作較少。薛春汀和丁東(2008)首次對萊州灣南岸全新世沉積開展系統研究, 提出了萊州灣南岸發育典型河流三角洲的觀點, 并指出該三角洲是由多條河流共同塑造的集群河流三角洲, 但受鉆孔資料限制, 并未對海平面變化背景下冰后期三角洲的沉積結構進行更深入的研究; 徐建國等(2018, 2019)基于研究區1:5萬第四紀地質、工程地質調查中形成的大量鉆孔巖芯、微體古生物、14C測年等資料, 證實萊州灣沿岸晚更新世以來歷次海侵中均發育河流三角洲, 并對冰后期三角洲開展了巖石地層、生物地層、年代地層和氣候地層研究, 但并未開展三角洲的沉積層序研究。

靜力觸探試驗(CPT)是用靜力將一定規格的圓錐探頭以一恒定的貫入速率壓入土中, 并測定探頭阻力的原位測試方法, 自 1950年以來被廣泛應用于工程地質調查, 主要用于巖性劃分和地基承載力計算。由于泥質海岸帶第四紀沉積物大多為巖性變化較小的細顆粒堆積, 在鉆孔巖芯編錄中通過肉眼識別巖性變化有時難度較大, 但靜力觸探試驗參數對巖性較敏感, 可以反映巖性的細微變化, 在巖性剖面劃分上有其獨特優勢, 近些年也被應用于海岸帶晚第四紀沉積地層學研究。林春明(1995)將靜力觸探數據應用于錢塘江口全新統超淺層天然氣勘探,利用觸探曲線劃分巖性、判別古河口灣的存在;Styllas(2014)通過對希臘阿克蒙河全新世三角洲平原靜力觸探試驗資料與相鄰鉆孔編錄資料的對比分析, 劃分了該三角洲沉積體的層序地層單位, 建立了晚第四紀地層模型; 但這兩項研究僅限于通過靜探參數值大小識別巖性, 進而開展海岸帶沉積相分析, 可能受所利用靜探和巖芯資料不足的影響, 并未建立起不同沉積相的靜探參數曲線形態識別模式。

本文充分利用研究區 249個全取芯鉆孔-靜力觸探孔組資料, 結合對微體古生物、14C測年資料的分析, 針對萊州灣冰后期三角洲開展層序地層學研究, 建立冰后期沉積環境的靜力觸探參數曲線識別模式, 該研究成果在同類地區具有潛在應用價值。

1 研究區地質背景

萊州灣沿岸發育一系列入海河流, 自東往西主要有膠萊河、濰河、白浪河、彌河、小清河等, 徑流量、輸沙量以濰河最高, 彌河次之。地勢上總體表現為向海傾斜的緩坡地形, 地形起伏受到地貌類型影響, 濰河、白浪河、彌河沖積扇以及近代黃河三角洲呈扇形高地, 而濱海低地、沖積扇前緣和扇間地帶表現為低平洼地(圖1)。

圖1 研究區地勢及冰后期沖積扇分布圖Fig. 1 Topography and distribution of Holocene alluvial fans in the study area

研究區在大地構造分區上橫跨濟陽坳陷、魯西隆起和魯東隆起三個Ⅲ級構造單元, 濟陽坳陷與魯西隆起以柳疃斷裂—侯鎮北斷裂(齊廣斷裂)為界,安丘—莒縣斷裂為魯東隆起與濟陽坳陷分界線。濟陽坳陷本區第四系厚度 130～230 m, 說明坳陷區第四紀構造運動以繼承性沉降為主, 沉降幅度 130 m以上; 魯西隆起、魯東隆起第四系厚度0～130 m, 變化較大, 向坳陷區方向厚度增大, 說明第四紀時期也發生了一定程度的沉降, 沉降幅度向坳陷區逐漸增加。

研究區大部分地區為全新世海侵區, 最大海侵線大致與4 m高程線(國家1985高程)吻合, 海侵范圍內地面高程一般1～4 m, 海侵線以南的山前傾斜平原高程一般4～78 m, 與1947年希臘人克雷陀普(P. Christopoulos)在其“華北大平原的生成”一文提出的 4 m等高線可作為史前海岸線的觀點相吻合(趙松齡, 1986)。

2 冰后期三角洲沉積結構

萊州灣冰后期三角洲南界位于寒橋—固堤—昌邑一線, 東界位于官莊—土山一帶, 西界可達研究區外的廣饒縣花官一帶, 北界靠近現代黃河入?？?薛春汀和丁東, 2008), 依據沉積條件差異可劃分為三角洲主體區和側翼區兩個地層分區(圖 2), 主體區位于萊州灣南岸, 北以老彌河為界, 南到冰后期沉積邊界, 側翼區位于萊州灣西岸, 主體區外圍。垂向上冰后期三角洲沉積由下而上分為前三角洲、三角洲前緣(潮坪)和三角洲平原三個沉積單元。

圖2 萊州灣沿岸冰后期三角洲沉積分區圖Fig. 2 Zoning map of post glacial delta deposits along the coast of Laizhou Bay

(1)前三角洲沉積單元

沉積厚度0～13.7 m。由下而上依次為河流相、濱海湖沼相, 巖性主要為黏性土、粉土、粉砂。河流相沉積一般不含或含極少量有孔蟲、介形類, 殼體顯示出搬運再堆積特征; 濱海湖沼相沉積咸水、半咸水種有孔蟲含量變化較大(0～555枚/(20 g干樣)),種數0～16, 介形類含量0～210枚/(20 g干樣)。

(2)三角洲前緣(潮坪)沉積單元

沉積厚度0～14.7 m。三角洲主體區發育三角洲前緣席狀砂體, 厚度0～12 m, 巖性以粉砂、粉土為主, 僅在昌邑市柳疃東側濰河古河口附近為中粗砂、礫砂; 潮坪沉積發育于三角洲側翼區, 巖性為黏性土與粉土、粉砂互層, 紋層發育, 類似于“千層餅”構造。該沉積單元含豐富的微體古生物殼體,其中咸水、半咸水種有孔蟲12～2672枚/(20 g干樣),種數 3～37; 介形類為咸水種和淡水種混雜, 含量11～1280枚/(20 g干樣), 種數2～22。

(3)三角洲平原沉積單元

沉積厚度 0～8.5 m。三角洲主體區、側翼區分別發育河流相和近代黃河三角洲沉積, 巖性主要為黏性土、粉土、粉砂。該沉積單元不含或含極少量微體古生物殼體, 其中有孔蟲 0～8枚/(20 g干樣),介形類0～8枚/(20 g干樣)。

3 研究方法

本文利用了近年施工的 249個工程地質鉆孔-靜力觸探試驗孔組的資料, 每個孔組由 1個工程地質鉆孔和1個靜力觸探孔組成, 孔距2～5 m。工程地質鉆孔均為全取芯孔, 部分鉆孔開展了生物地層學、年代地層學研究; 靜力觸探試驗孔主要揭露全新世和晚更新世地層, 提供的參數包括雙橋探頭的錐尖阻力值 qc(單位 MPa)、側壁摩阻力值 fs(單位kPa)和摩阻比 Rf(以%表示), 其中 qc、fs為實測參數, Rf為計算參數, 計算公式如下:

靜力觸探試驗參數在巖性劃分上具有獨特的優勢, 可進行巖性剖面分析, 將其應用于沉積相研究的基本依據是巖性特征及其在垂向上的各種組合所構成的不同旋回、韻律特征, 而這些特征可以反映同一地區不同時期的古沉積環境, 所以在沉積相分析中旋回、韻律分析具有舉足輕重的作用(潘懋和徐建紅, 1993)。

本文的研究思路是以巖芯編錄、微體古生物鑒定、14C測年數據的綜合分析為基礎, 首先建立萊州灣冰后期沉積相的靜探參數曲線劃分模式, 然后通過對靜探參數曲線形態識別進行細分沉積相的研究,劃分冰后期三角洲沉積序列, 建立沉積旋回、重要地質界面的空間格架。

本文中14C測年數據引自近年萊州灣地區第四紀地質研究成果(田立柱等, 2016; 徐建國等, 2018,2019)。

4 研究結果

4.1 巖性識別

研究區工程地質孔-靜力觸探孔組的巖性、靜探參數值的對比分析表明, 三個靜探參數中, qc、Rf受巖性影響較明顯, 而fs值則影響不大(圖3)。以中粗砂、礫砂和一般黏性土為例, 前者的qc平均值是后者的8.7倍, 后者的Rf平均值是前者的6.9倍, 而fs平均值前者僅為后者的1.5倍(表1), 所以在巖性劃分中qc、Rf是兩個常用參數。

表1 不同巖性靜力觸探參數值統計表Table 1 Statistical table of static sounding parameters of different lithologic characteristics

圖3 萊州灣沿岸晚第四紀沉積不同巖性的靜探參數分布圖Fig. 3 Distribution of static sounding parameters for different lithologic characteristics of Late Quaternary sediments along Laizhou Bay

一般情況下, qc的增大代表土的粒度變粗, 而Rf增大則主要反映黏粒含量的增高, 總體上砂土一般具有較高的qc值和較低的Rf值, 而黏性土則相反(圖 4)。

圖4 靜探參數隨巖性變化的典型鉆孔剖面Fig. 4 Typical borehole profile for variation of static sounding parameters with lithology

研究區軟土是具有高含水率、大孔隙比、高壓縮性和低強度等特點的特殊性土(杜東菊等, 2012),巖性以黏性土為主, 軟土的qc值一般小于0.7 MPa(鐵道第四勘察設計院, 2003)。軟土與一般黏性土的靜探參數值不同, 飽和狀態下qc、fs、Rf值均呈現低值, 而非飽和帶則表現為qc值低而fs、Rf值相對較高的特點(圖5)。

圖5 軟土靜探參數的典型鉆孔剖面Fig. 5 Typical borehole profile for static parameters of soft soil

4.2 沉積相識別

(1)靜探參數曲線基本形態

① 錐尖阻力值曲線形態

qc曲線基本形態主要有鐘型、漏斗型、箱型、平直型和齒型5種。鐘型曲線反映粒度自下而上逐漸變細, 屬正粒序結構、退積型沉積序列, 曲線底部往往出現參數值突變, 說明沉積過程中水動力能量由強而弱、水深加大, 物源供給逐漸減少; 漏斗型曲線反映粒度由下而上逐漸變粗, 屬逆粒序結構、進積型沉積序列, 曲線頂部往往出現參數值突變, 說明沉積過程中水動力能量由弱而強、水深變淺, 物源供給逐漸增多; 箱型曲線反映粒度由下而上變化不大, 屬均質粒序結構、加積型沉積序列,曲線頂底界均出現參數值突變, 說明沉積過程中水動力能量穩定、物源補給較豐富; 平直型曲線幅值整體偏低, 曲線平直, 偶爾出現小峰, 反映粒度整體偏細且土質均勻, 屬均質粒序結構, 說明沉積過程處于低能量環境且物源供給條件差; 齒型曲線反映粒度由下而上呈韻律性變化, 說明其沉積過程中水動力條件頻繁交替變化。

qc曲線幅度是曲線形態的重要特征之一, 幅度的大小可以反映沉積過程中水動力條件的強弱, 幅度大說明沉積環境水動力能量強, 物源供給充沛,顆粒較粗, 黏粒含量低; 幅度小說明沉積過程中水動力能量低, 物源供給不足, 顆粒較細, 黏粒含量高。幅度可以采用砂土的 qc峰值與黏性土基線qc值的差值(△)表示, 根據萊州灣地區統計數據, 按差值大小分為低幅(△＜5 MPa)、中幅(5＜△＜15)和高幅(△＞15)。

②摩阻比曲線形態

Rf曲線基本形態與 qc曲線相似。鐘型曲線反映黏粒含量由下而上逐漸增高, 粒度自下而上逐漸變粗; 漏斗型曲線反映黏粒含量由下而上逐漸減小,粒度自下而上逐漸變細; 箱型曲線為黏性土特征曲線, 幅值較高; 平直型曲線為均質砂土特征曲線,幅值偏低, 曲線平直齒型曲線反映土的粒度呈韻律性變化。

(2)不同沉積相的靜探曲線形態特征

巖相分析對于層序地層研究至關重要, 因為它構成了古環境重建的基礎, 有助于識別地層界線和體系域, 不同沉積環境具有不同的水動力特征, 在沉積物粒度、黏粒含量等方面存在差異。通過靜探曲線與鉆孔巖芯資料對比分析可以進行沉積相鑒別(表2)。

表2 不同沉積相靜探曲線要素特征表Table 2 Features of static cone penetration curve of different sedimentary facies

①河流相

研究區河流相主要包括河道帶、河漫灘和決口扇亞相, 末次冰盛期以來河道帶巖性涉及粉砂-礫砂各種粒級的砂, 一般表現為粒度向上變細, 底部多發育沖刷面; 中、厚層河道帶砂 qc曲線一般為中、高幅鐘型或箱型, Rf曲線為平直型(圖6a, b), 薄層河道帶砂的 qc曲線、Rf曲線常表現為齒型(圖6c)。河漫灘亞相巖性通常為黏性土和粉土, 總體上粒度向上變細, qc曲線常為中、低幅齒化平直型, 幅度由下而上漸小, Rf曲線常為齒化箱型(圖6c, d)。決口扇亞相巖性主要為粉土、黏性土, 粒度向上變粗, qc曲線為中、高幅齒化漏斗型, Rf曲線為齒化鐘型(圖 6d)。

②三角洲相

研究區三角洲前緣亞相為大型席狀砂體, 巖性以粉砂、粉土為主, qc曲線形態通常為中、高幅鐘型、漏斗型和箱型, 箱型曲線常與鐘型、漏斗型曲線構成組合曲線; Rf曲線一般為平直型(圖7a, b)。

三角洲平原亞相巖性較復雜, qc曲線一般呈低、中幅齒型, 與其下的三角洲前緣砂體曲線呈突變或漸變性接觸; Rf曲線以齒化鐘型、漏斗型常見(圖6d, 圖7b)。

圖6 河流相沉積靜探曲線典型鉆孔剖面Fig. 6 Typical borehole profile for static sounding curve of fluvial facies deposit

圖7 三角洲前緣亞相靜探曲線典型鉆孔剖面Fig. 7 Typical borehole profile for static sounding curve of delta front subfacies

潮坪亞相沉積較三角洲前緣亞相粒度更細, 多為細粒砂土(粉土、粉砂)與黏性土互層沉積, 其中砂土形成于大潮期, 黏性土則形成于小潮期(李鐵松和李從先, 1995)。潮坪沉積qc曲線一般為低、中幅齒型, 反映出潮汐環境中水動力條件頻繁交替變化的特點, 根據沉積序列的幅值變化可劃分為正粒序齒型、逆粒序齒型, 分別對應海進和海退序列(圖8a, b)。Rf曲線以齒化箱型、齒型常見, 說明潮坪沉積黏粒含量較高。

③濱海湖沼相

研究區濱海湖沼相一般由灰色調軟黏性土組成,qc曲線為低幅平直型曲線, 局部出現小的齒峰, 曲線形態與河漫灘相相似, 但幅值較后者稍低; Rf曲線則為齒化箱型(圖8a)。

圖8 潮坪亞相靜探曲線典型鉆孔剖面Fig. 8 Typical borehole profile for static sounding curve of tidal flat subfacies

4.3 層序界面識別

層序界面識別是層序地層學研究的重要內容之一, 也是建立層序格架的難點, 在界面識別中單純依據某一方面的資料或某一地段的資料都不是合理有效的方法, 本文采用鉆孔巖芯與靜探試驗資料相結合的方法判別層序界面。

(1)層序底界面(SB)

末次冰盛期(MIS2)全球氣溫降低, 海水退出渤海, 海平面下降約130 m, 整個渤海陸架變為陸地(李培英等, 2008), 其間萊州灣地區古地貌類型為向渤海盆地緩傾的泛濫平原地貌, 地形坡度變化小,第Ⅱ海侵層(MIS3a)砂體地表裸露, 受末次冰盛期古風暴的強烈吹蝕, 第Ⅱ海侵層砂體上部大部被侵蝕,形成沉積間斷面, 該間斷面為末次冰盛期的泛濫平原面, 在空間上具有可追索性, 總體上由南往北埋深逐漸增大, 構成冰后期三角洲的層序底界面, 該界面在鉆孔巖芯和靜探參數曲線上均有所體現。

在鉆孔巖芯上, 第Ⅱ海侵層的三角洲前緣砂普遍呈氧化色, 顯示曾出露或接近地表; 頂部常見針狀大孔隙、鈣質結核及網紋狀鐵質銹染, 應為古土壤層, 可作為末次冰盛期沉積間斷面的判斷標志。以GK231孔為例, 該界面以上為還原色且含腐植質的粉質黏土,14C年齡(5390±30) a B.P., 界面以下為氧化色且含海相貝殼碎片的粉砂,14C年齡(40 930±620) a B.P., 說明在第Ⅱ海侵層與全新世中期濱海湖沼相沉積間存在沉積間斷(圖9)。

圖9 萊州灣沿岸冰后期三角洲層序界面典型鉆孔對比剖面Fig. 9 Typical borehole correlation profile of delta sequence boundary along Laizhou Bay in post glacial period

在靜力觸探參數方面, 由于層序底界面上、下出現沉積環境突變, 巖性變化使得靜探曲線形態、參數值大小出現突變。界面以上濱海湖沼、河漫灘相沉積, 巖性以黏性土為主, qc曲線一般為低幅平直型形態, Rf曲線一般為齒化箱型或齒化鐘型形態;界面以下第Ⅱ海侵層三角洲前緣相砂體 qc曲線一般為中、高幅鐘型或箱型形態, Rf曲線一般為低幅平直型形態, 顯示為海進型三角洲前緣砂, 上覆的海退型三角洲砂體在沉積間斷期被侵蝕。

(2)初始海泛面(FFS)

距今8.0 ka開始, 海水抵達萊州灣現今海岸線位置并向陸地持續推進, 首先在高潮位附近形成濱海湖沼相沉積, 其后很快被三角洲前緣相或潮坪相砂層覆蓋(徐建國等, 2018), 在海侵砂與濱海湖沼相沉積間存在海侵沖刷面, 該界面即為初始海泛面,是低水位體系域和海侵體系域的分界面。初始海泛面在鉆孔巖芯上特征明顯, 界面以下為濱海湖沼相暗色調黏性土沉積, 常見淡水螺殼和植物腐根; 界面以上為含海相貝殼的三角洲前緣或潮坪沉積, 界面處可見圓礫、姜石狀礫石及牡蠣殼碎片。

初始海泛面在靜探參數上往往表現為曲線形態的改變和參數值大小的突變。界面以下以黏性土為主的濱海湖沼相、泛濫平原相沉積的qc曲線形態通常為低幅平直型, Rf曲線形態一般為齒化箱型或齒化鐘型。界面以上三角洲前緣砂性土沉積的qc曲線形態一般為中、高幅鐘型、箱型, Rf曲線形態一般平直型; 界面以上潮坪沉積的 qc曲線形態一般為中、低幅齒型, Rf曲線形態一般為齒型。

初始海泛面具有穿時性。圖10是利用近年萊州灣地區全新統14C測年數據繪制的冰后期三角洲主體區沉積物年齡與高程關系圖, 顯示在濱海湖沼和三角洲前緣沉積間存在分界線(初始海泛面), 其形成時間為距今8.0 ～ 5.0 ka, 由老到新高程由–16 m增加到4 m,反映出隨著海岸線向陸地推進, 濱海湖沼沉積環境不斷向陸地方向遷移, 初始海泛面標高也隨之增加。

圖10 萊州灣沿岸冰后期三角洲主體區沉積年齡-高程關系圖Fig. 10 Relationship between sedimentary age and elevation in the main area of Laizhou Bay coastal delta in post glacial period

(3)最大海泛面(MFS)

距今6.0～4.0 ka為冰后期海平面高位穩定期(王強等, 1986), 是整個海侵過程中水深最大、沉積速率最低、沉積物顆粒最細的階段, 該沉積層厚度不大, 其中部即為最大海泛面, 是分隔海侵體系域和高水位體系域的物理界面。

最大海泛面在鉆孔巖芯上較細的粒級和較高的黏粒含量, 雖然在三角洲前緣砂體中界面附近有時會出現海相貝殼碎片富集層, 但多數情況下僅通過鉆孔巖芯確定界面位置難度較大, 而配合靜探參數曲線則可以顯著提高最大海泛面識別的準確性。

隨著冰后期海岸線的進退, 水深經歷了“淺—深—淺”的變化過程, 沉積物粒度相應地發生了“粗—細—粗”的變化, 最大海泛面是正粒序結構向逆粒序結構轉換的分界面, 在靜探參數曲線上特征明顯。qc曲線自下而上由鐘型(或齒化鐘型)、箱型(或齒化箱型)向漏斗型(或齒化漏斗型)轉換, 轉換界面附近表現為較低的qc值和較高的Rf值(圖7, 圖8),該界面即為最大海泛面。

4.4 體系域的確定

(1)低水位體系域(LST)

末次冰盛期至冰后期早期(距今23 ～ 8 ka), 是海平面持續低位—快速上升階段, 其間海水尚未抵達萊州灣現代海岸線位置, 研究區處于陸相沉積環境, 該階段的河流相、湖沼相沉積構成冰后期三角洲低水位體系域, 上、下界面分別為初始海泛面和冰后期三角洲層序底界面。

低水位體系域沉積物組成及厚度隨古地形起伏而變化, 研究區東部的魯東隆起區, 由于古地形較高, 沉積物可容空間較小, 以侵蝕或過路沉積為主,一般僅保留薄層濱海湖沼相沉積或沉積物完全缺失(圖 11); 西部的濟陽坳陷區由于古地形保持在相對較低位, 沉積物可容空間相對較大, 沉積厚度相對較大, 一般在2～14 m。

圖11 萊州灣沿岸冰后期三角洲主體區沉積層序及年代地層剖面(2-2')Fig. 11 Sedimentary sequence and chronostratigraphic section (2-2') in the main area of Laizhou Bay coastal delta in post glacial period

在靜探參數上, 低水位體系域靜探曲線形態符合河漫灘相、湖沼相沉積特征, qc值普遍較低, 范圍值0.31～3.73 MPa, 平均值1.11 MPa(表3), 其中河漫灘相沉積中的粉土、粉砂夾層常表現為qc值的小峰; Rf值離散性較大, 范圍值 0.93%～11.1%, 平均值 3.14%, 其大小與黏性土含水率有關, 軟土的 Rf值偏低。

表3 冰后期三角洲沉積層靜力觸探參數值統計表Table 3 Statistics of static sounding parameters of delta deposits in post glacial period

(2)海侵體系域(TST)

冰后期中期(距今 8～6 ka)為全球海平面低速上升階段, 萊州灣沿岸海陸過渡相沉積的形成標志著該區進入海水淹沒階段。隨著海岸線逐步向陸地遷移, 濱海湖沼相沉積和三角洲前緣、潮坪沉積也同步向陸地推進, 形成向陸域退積的海侵體系域。

從海陸過渡相相沉積的空間分布看, 其沉積標高由–16 m左右快速升至–4 m左右, 反映出河流入海沉積物的分布隨海岸線向陸地方向推移而變化(圖 10); 從垂向粒序變化看, 該體系域無論是三角洲前緣還是潮坪沉積, 總體上都表現出向上細化的正粒序結構, 頂部沉積物以顆粒偏細、富含有機質、海相貝殼含量較高為特征。

在靜探參數上, 靜探曲線形態隨沉積部位的不同而變化。三角洲主體區的三角洲前緣相qc曲線形態通常為中、高幅的鐘型、箱型或齒化鐘型、箱型,qc值一般較高, 范圍值 1.83～18.58 MPa, 平均值8.61 MPa, 呈向上減小趨勢; Rf曲線形態一般為低幅平直型, Rf值普遍較低(0.47%～2.62%)。三角洲側翼區的潮坪相qc曲線形態一般為由下而上由中幅向低幅轉化的齒型, qc值一般較低, 范圍值0.8～7.55 MPa,平均值 3.81 MPa, 總體上呈向上減小趨勢; Rf值亦總體較低(1.01%～2.07%), 曲線形態一般為齒型。

(3)高水位體系域(HST)

冰后期晚期(距今6 ka后)為全球海平面高位穩定—小幅下降階段。距今6.0～4.0 ka海平面保持在3.0 m左右的高位, 為海平面高位穩定期; 距今4.0 ka后海平面小幅下降并波動于現代海平面上下(韓有松和孟廣蘭, 1984), 為海平面小幅下降期。從高位穩定期開始河流進積作用逐漸增強, 形成向海域進積的高水位體系域, 該體系域主要發育三角洲前緣、潮坪和三角洲平原三個沉積亞相。

從高水位體系域沉積物的空間分布看, 海陸過渡相沉積標高均在–4 m以上, 平均標高在0 m上下,相較于海侵體系域標高變化不大, 說明該體系域沉積體在整體三角洲區大致水平展布(圖10)。從沉積物垂向粒序變化看, 整體表現出向上粗化的逆粒序結構, 說明沉積過程中水深逐漸變淺。

在靜探參數上, 靜探曲線形態隨沉積相的不同而變化。三角洲主體區的三角洲前緣相qc曲線形態一般為中、高幅漏斗型或齒化漏斗型, qc值一般較高,范圍值1.19～15.27 MPa, 平均值6.40 MPa, 呈向上增大趨勢; Rf曲線形態一般為低幅平直型, Rf值普遍較低(0.56%～3.02%)。三角洲側翼區的潮坪相qc曲線形態一般為中、低幅齒型, qc值范圍值1.26 ～ 4.68 MPa,平均值 2.82 MPa, 總體上呈向上增大趨勢; Rf曲線形態一般為低幅齒型, Rf范圍值1.15%～1.95%。

高水位體系域上部的三角洲平原相qc值一般較下伏的三角洲前緣相低, 其范圍值0.50 ～ 6.76 MPa,平均值2.47 MPa, 由于黏粒含量較高, 其Rf值較三角洲前緣相高, 范圍值0.84%～5.11%。

5 討論

5.1 冰后期海侵的沉積層序

盡管萊州灣海岸線彎曲度較小且沒有向海突出的形態, 三角洲形態不明顯, 但近年來大量的鉆孔巖芯和微體古生物資料均表明, 區內晚更新世以來歷次海侵中均發育河流三角洲, 其中冰后期沉積為一套完整的海侵序列, 主要由海水自淺到深的海進序列和由深到淺的海退序列組成。由于沉積物粒序具有記錄沉積環境中水動力條件、水體深度、沉積物物源供給能力變化的能力, 萊州灣沿岸冰后期濱海沉積物粒序所呈現出的“粗—細—粗”的變化規律正是海平面變化的物理表現(圖12)。

圖12 萊州灣沿岸三角洲典型鉆孔粒序結構剖面Fig. 12 Grain size structure profile of typical boreholes in the coastal delta of Laizhou Bay

鑒于靜探試驗參數值對沉積物粒度敏感性高,研究區靜探參數數據在冰后期沉積物粒序變化規律的分析中具有鉆孔巖芯無法替代的優勢。以萊州灣南岸三角洲前緣砂體為例, 該砂體巖性主要為粉砂、粉土, 由下而上沉積物粒度變化不大, 巖芯編錄中對巖性變化的識別難度大, 而在較多的鉆孔中開展顆粒分析的密集采樣又面臨成本過高的問題,利用靜探參數數據進行沉積層序分析成效明顯。三角洲前緣砂體qc曲線多為漏斗型、鐘型曲線的組合型即“啞鈴型”曲線, 下部的鐘型曲線表現為向上變細的正粒序結構, 為海進型三角洲前緣砂體(海侵體系域), 上部的漏斗型曲線則表現為向上變粗的逆粒序結構, 為海退型三角洲前緣砂體(高水位體系域), 漏斗型與鐘型曲線的交接部位即為最大海泛面(MFS)(圖13)。

圖13 萊州灣南岸晚第四紀地質剖面(1-1')Fig. 13 Late Quaternary geological section (1-1') on the south bank of Laizhou Bay

與三角洲主體區的前緣相砂體不同, 三角洲側翼區潮坪相砂泥互層沉積的 qc曲線為一般為齒型,但 qc參數的垂向變化規律與三角洲主體區是同步的(圖 14), 即下部為參數值向上減小的齒型曲線,為海進型潮坪沉積(海侵體系域), 上部為參數值向上增大的齒型曲線, 為海退型潮坪沉積(高水位體系域), 二者的交接部位即為最大海泛面。

由此可見, 靜探參數數據很好地記錄了萊州灣冰后期海侵沉積的粒序變化規律, 該地層存在“海進—海退”的完整沉積旋回, 但在冰后期三角洲的邊緣地帶, 如圖14中的靜探孔J200、J223, 由于海侵影響滯后, 海侵層下部的海進型沉積缺失, qc參數曲線僅保留漏斗型或似漏斗齒型曲線段。

5.2 冰后期海侵最大古水深估算

(1)估算方法

古水深確定是沉積學分析中的難點問題, 目前古水深研究應用較多的是以遺跡化石、微體古生物化石為代表的古生物學方法, 即主要依據遺跡化石、有孔蟲、介形類與水深的對應關系, 而這一方法存在很大的不確定性, 因為對于某些生物而言,其生存的水深空間也可以變化很大(Ekdale, 1988),因此該方法估算精度偏低。

由于最大海泛面是三角洲沉積層序的關鍵地質界面, 也是通過靜探參數曲線和鉆孔巖芯比較容易識別的物理界面, 該界面具有近等時性, 形成于海侵高海面期, 大體相當于高海面期海底地形面, 最大海泛面在空間形態上隨沉積部位的不同而起伏變化。以沿現海岸線靜探孔參數曲線編制的層序結構剖面為例(圖 14), 高海面期三角洲軸部海底地形最高, 而三角洲側翼區海底地形相對偏低。

圖14 萊州灣海岸線層序地層結構剖面(3-3')Fig. 14 Sequence stratigraphic structure profile (3-3') of Laizhou Bay

海侵期間高海面期水深即為最大古水深, 可以利用不同地段最大海泛面資料估算最大古水深。在估算最大古水深時除了要考慮最大海泛面標高和形成時間外, 還需評估高海面期以來地殼沉降速律,可采用以下公式估算:

S= H－M－ν·A

式中: S—最大古水深(m);

H—高海面期海平面標高(m);

M—最大海泛面標高(m);

ν—冰后期地殼沉降速率(m/ka);

A—最大海泛面形成年齡(ka)。

距今6.0～4.0 ka為海平面高位穩定期(施雅風等,1992), 也是萊州灣冰后期三角洲最大海泛面形成期, 不同沉積部位最大海泛面形成時間略有變化,總體上由陸向海方向形成時間呈由老漸新的趨勢(圖 11); 對于不同部位最大海泛面形成時間可以充分利用研究區冰后期沉積物測年資料, 結合鉆孔地質剖面綜合標定。關于冰后期地殼沉降速率,在萊州灣地區通過對濱海湖沼相沉積的空間分布和年齡測試資料的對比分析, 可以對冰后期地殼沉降速度進行估算(徐建國等, 2018)。關于冰后期最大海平面標高, 1980年代以來有關學者通過在我國東部不同地區的研究工作都給出了高出現代海平面3 m左右的相似結論(王靖泰和汪品先, 1980; 韓有松等,1992; 趙希濤和王紹鴻, 1992; 李廣雪等, 2014; 田立柱等, 2016), 本次估算取3 m。

(2)估算結果

選取 8個代表性工程地質孔-靜探孔孔組采用上式進行最大古水深估算, 結果表明研究區冰后期高海面期古水深在0.1～6.3 m, 由陸地向海岸線方向古水深加大, 最大古水深最高值出現在研究區西北的濱岸鉆孔GK138孔(表4)。GK209孔位于全新世最大海侵線附近, 計算結果為該位置高海面期古水深為0.1 m, 由于最大海侵線是0 m古水深線, 說明計算結果與全新世古地理研究成果相符, 本估算方法可靠。

表4 典型鉆孔冰后期海侵最大古水深估算表Table 4 Estimation table for maximum paleodepth of post glacial transgression in typical boreholes

由此可以判定, 冰后期海侵過程中萊州灣沿岸最大古水深不超過10 m, 較前人估計的10～20 m淺(鄭守儀等, 1978; 王紹鴻, 1979), 說明海侵區沉積環境始終為潮坪環境, 與目前萊州灣海域沉積環境相似, 因為現狀萊州灣海域水深大部分小于10 m(中國海灣志編纂委員會, 1991)。

6 結論

(1)萊州灣冰后期三角洲是多條河流共同塑造的集群三角洲, 形成于8500 a B.P.以來的海侵過程,大致以老彌河為界分為三角洲主體區和側翼區兩個沉積分區, 二者沉積物巖性差異明顯。冰后期三角洲堆積體厚度 2.0～29.0 m, 垂向上分為前三角洲、三角洲前緣(潮坪)、三角洲平原三個沉積單元。

(2)綜合研究萊州灣沿岸鉆孔巖芯、微體古生物資料與靜力觸探試驗數據, 建立了冰后期三角洲地區河道帶、河漫灘、決口扇、三角洲前緣、潮坪、三角洲平原和濱海湖沼相的靜探曲線沉積相識別模式, 并將靜探參數數據分析應用于冰后期三角洲沉積層序劃分, 建立了三角洲層序地層空間格架, 取得了理想的效果。

(3)萊州灣沿岸冰后期海侵開始于距今 8.5 ka,其后海平面繼續上升, 沿海低平原逐漸為海水淹沒,在距今5 ka左右海平面達高位穩定期, 其間海侵區水深不足10 m, 屬于潮坪環境。

(4)靜力觸探試驗用于編制巖性剖面是應用已久的傳統方法, 相較于地質鉆探, 靜力觸探參數對巖性的靈敏度較高, 施工快速高效、費用低廉, 并且常有大量試驗數據可供收集利用, 應用于海岸帶地區晚第四紀地質研究具有良好的前景。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. 1212011220001 and 12120114033801).