2016, Vol.35
② 国土资源部海洋油气资源与环境地质重点实验室, 青岛海洋地质研究所, 青岛 266071;
③ 中国科学院地球环境研究所, 中国科学院黄土与第四纪地质国家重点实验室, 西安 710061)
1 引言
渤海是一个典型的半封闭陆架浅海,由辽东湾、 渤海湾、 莱州湾、 中央盆地和渤海海峡组成,平均水深18m,最深处只有83m,水深大于30m的海域集中于老铁山水道。渤海第四系厚度介于300~600m,海陆交互沉积是这一地质时期的重要沉积特征[1]。它构造上位于新生代的裂陷盆地—北华北盆地,新近纪以来新构造活动渐趋强烈[2],陆源物质供应丰富,黄河、 辽河、 滦河等河流入海带来的巨量陆源碎屑物质在渤海陆架堆积[3]。而第四纪冰期-间冰期转换引起的海平面波动与气候变化控制着渤海的沉积格局。复杂的海洋过程以及频繁的海平面变化使得渤海陆架沉积蕴含了丰富的地质和古环境信息。因而,渤海独特的地理位置与环境特征使其成为研究第四纪陆架沉积地层与古环境演化的典型区域之一。
近年来,不同学者针对渤海海域及邻近地区开展了一些磁性地层学研究[4, 5, 6, 7, 8],取得了初步的研究成果。然而,由于多方面的原因,前期研究成果多集中在渤海周边陆域,海区的研究重点主要在晚第四纪,且在一些主要的时间界限上存在争议,对于第四纪更长时间序列的研究报道则较少。本文旨在通过对渤海西部海域TJC-1孔的磁性地层特征的研究,建立渤海海域第四纪高分辨率地层框架。
2 材料与方法 2.1 样品采集与实验方法TJC-1孔位于渤海中西部,地理坐标 38°43'55.72″N,118°57'09.75″E; 水深约26m,钻孔深(海底下)200.3m,岩芯总长159.83m,取芯率79.8[WTB3]％[WTBZ],是渤海海域深度仅次于Bc-1、 BH08孔(见图1钻孔位置)的第四纪研究钻孔。该样品由国土资源部青岛海洋地质研究所于2013年9月利用"勘407轮"在渤海西部海域采集,共213管,均采用U-Channel 无磁塑料管直接取自钻孔岩芯。对其进行了连续低场磁化率测量和古地磁交变场退磁测定,测量间距为2cm。所有实验均在中国科学院地球环境研究所环境磁学实验室完成。
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图1 TJC-1钻孔及其他邻近钻孔位置示意图(正方形表示钻孔) Fig.1 Locality map of the Bohai Sea,the studied core(TJC-1)and other cores(square)mentioned in the text |
本次实验利用英国BARTINGTON仪器公司生产的Bartington MS2磁化率仪(简称MS2磁化率仪),与2G-755R U-Channel岩石超导磁力仪联机在线测量了样品的低场磁化率。对样品采用逐步交变退磁法进行磁清洗,然后采用2G超导磁力仪进行剩磁强度测量。设定的交变退磁场的天然剩余磁化强度(NRM)分别为0mT、 2mT、 5mT、 7.5mT、 10mT、 15mT、 20mT、 25mT、 30mT、 35mT、 40mT、 45mT、 50mT、 60mT、 70mT和80mT,共分16步。
2.2 实验数据分析 2.2.1 测试数据质量控制为确保数据可靠性,采用了严格的古地磁研究步骤,所有试验均在零磁空间中进行。首先对所有定向样品进行交变退磁,再采用低温超导磁力仪进行剩磁测量,最后采用严格的标准,选择可靠的特征剩磁。为保证特征剩磁的可靠性,采用主成分分析法对分离出的特征剩磁(ChRM)进行分析。选取至少4个连续的剩磁分量投影点进行特征剩磁(ChRM)方向拟合,剔除位于岩芯各回次两接头处样品后,选择最大角偏差(MAD)<15°的样品建立磁极性序列。
2.2.2 剩磁特征通过系统交变退磁,在去掉次生剩磁组分后,成功分离出了特征剩磁组分。利用PaleoMag软件进行主成分分析,并通过最小二乘法拟合计算得到样品的特征剩磁方向。所有样品均进行了0~80mT的交变场退磁,退磁曲线表明大多数样品均包括原生和次生两种磁性组分。大部分样品显示0~15mT和15~80mT两个分量,第一个分量不能拟合出特定的方向,而第二个分量较稳定,为特征剩磁分量。用主成分分析法对前述16个步骤中20mT、 25mT、 30mT、 35mT、 40mT、 45mT、 50mT、 60mT、 70mT、 80mT这第7~16步退磁数据进行拟合,最后得到样品的特征剩磁方向,所有数据使用PaleoMag程序分析完成。由于在岩芯钻取过程中,对钻孔并未进行水平定向,只是对岩芯进行了上下方向的相对定向。因此,钻孔岩芯的磁偏角并不能反映沉积物沉积时的地磁场偏角。
2.3 TJC-1孔岩芯沉积物特征孔深(海底下)200.3m的岩芯从上至下的沉积物特征如下:
(1)0~2.03m为黄褐色粘土质粉砂、 黄褐色粉砂质粘土,夹粉砂透镜体或薄层,可见交错层理和脉状层理;
(2)2.03~16.19m为黄褐色、 灰褐色细砂,灰褐色粉砂质粘土与细砂互层,夹粘土质粉砂透镜体和灰黑色泥炭层,可见交错层理,水平层理,脉状层理,虫孔构造和炭质斑点;
(3)16.19~17.66m为黄褐色粉砂、 黄褐色细~中砂,夹有机质薄层,可见脉状层理,虫孔构造,水平层理和有机质透镜体;
(4)17.66~25.86m为灰黑色粘土、 浅棕黄色粘土,夹粉砂透镜体和粉砂薄层,水平层理和透镜状层理发育;
(5)25.86~28.37m为黄褐色细粉砂、 粉砂,岩性均一,见植物根茎及虫孔构造,还可见细小的贝壳碎片;
(6)28.37~30.30m为浅黄色、 黄棕色、 黄褐色、 灰褐色中砂,见细小贝壳碎片、 虫孔构造和植物根茎团粒夹层;
(7)30.30~36.00m为灰黑色、 深灰黑色粘土,在35.18m处夹贝壳碎片层;
(8)36.00~43.50m为粉~细砂和细~中砂相间分布,见虫孔构造和贝壳碎片;
(9)43.50~48.40m为灰褐色细砂,夹红褐色细砂垂直脉状体,见脉状层理和虫孔构造,该层段底部分布有浅灰黑色中砂,其中夹灰褐色粘土质粉砂脉状体;
(10)48.40~50.50m为灰黑色粘土,底部与细粉砂互层,见水平层理和虫孔构造。
(11)50.50~52.59m为灰褐色细~中砂,夹灰黑色粘土贝壳层,见虫孔构造和贝壳碎片;
(12)52.59~56.00m为灰黑色粉砂质粘土,夹贝壳碎片和垂直红褐色细砂透镜体,见交错层理和虫孔构造;
(13)56.00~61.55m为黄褐色、 黄棕色粉~细砂,含有机质,见水平层理;
(14)61.55~88.60m为灰褐色细~中砂,见泥质条带,在68.60~69.78m处含有较多贝壳碎片,而且岩性相对较细;
(15)88.60~200.30m黄棕色细粉砂和粘土相间分布,块状构造发育,见粉砂透镜体、 结壳体、 植物根茎、 虫孔构造和粘土脉状体。
3 实验结果总计213管样品用于建立磁性地层序列,由于钻探过程中岩芯已转动,故钻孔岩芯的磁偏角无实际意义,仅利用倾角建立磁性柱,且连续两个以上的样品出现反极性时,定义一次漂移或极性亚时,5个以上样品出现反极性时定义一次极性时。图2和图3为典型样品的退磁曲线。
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图2 TJC-1孔典型样品的归一化剩磁强度衰减图 Fig.2 Normalized decay curves of magnetization of typical samples in core TJC-1 |
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图3 TJC-1孔典型样品的正交矢量投影图 Fig.3 Orthogonal vector projection curve of typical samples in core TJC-1. |
将TJC-1钻孔磁极性结果与标准地磁极性年表(GPTS)[9, 10, 11]对比,本钻孔主要包含了Brunhes正极性时和Matuyama负极性时时段极性特征,可能结束于Matuyama负极性时底部,B/M界限位于71.48m。其中,Brunhes正极性时共有3个可能的负极性事件,R1(8.92~9.32m)、 R2(37.62~38.92m)和R3(46.78~47.04m); 在Matuyama负极性时,存在7个可能的正极性亚时或可能极性事件,分别为N1(85.30~90.38m)、 N2(98.56~99.50m)、 N5(154.76~169.38m)和N6(185.04~188.34m),而N3、 N4和N7均不能确定为可靠的极性事件(图4)。
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图4 TJC-1孔岩石地层和磁性地层分析结果及与地磁极性年表[9, 10, 11]关系图 Fig.4 Lithology and magnetostratigraphy of core TJC-1 and correlation with geomagnetic polarity timescale[9, 10, 11]. (a)lithology(C:clay; Si: silt; FS:fine sand,MS:medium sand),(b)magnetic susceptibility,(c)magnetic inclination,(d)magnetic polarity sequence of the core,(e)GPTS[9, 10, 11],and (f) the maximum magnetic deviation angle |
TJC-1孔顶部为现代海相沉积。全新世的海相层明显,位于Brunhes正极性时,埋深为0~3.0m; 3.0~200.3m段为更新世地层,位于Brunhes正极性时和Matuyama负极性时。Olduvai正极性亚时持续时间长,而且强度大,在渤海海域及渤海湾沿岸其他钻孔(如BZ2孔[4]、 BZ1孔[5]和S3孔[7]等)中均有出现,因此,推断N5为Olduvai正极性亚时; N5和N6分别对应Olduvai事件和Reunion正极性亚时; N1、 N2分别对应Jaramillo和Cobb Mtn正极性亚时; R1、 R2和R3分别对应Blake、 BiwaⅢ和Big Lost极性事件(图4d)。
由于TJC-1孔Olduvai正极性亚时(154.76~169.38m)以下的地层为黄棕色细粉砂和粘土相间分布,为漫滩相沉积,沉积环境相对稳定,沉积速率相对均匀,故利用Olduvai与Reunion亚时(185.04~188.34m)为年代控制点外推计算钻孔的底界年龄。众所周知,Olduvai和Reunion亚时的底界年龄分别为1.945Ma和2.148Ma[9, 10, 11],它们分别位于本钻孔的169.38m和188.34m处,即0.203Ma的沉积厚度为18.96m; 而TJC-1孔的底界深度为200.3m,由此外推计算获得该孔的底界年龄约为2.28Ma。
根据岩性和磁性特征,TJC-1孔可划为3个沉积阶段: 阶段Ⅰ年龄为0~0.781Ma,埋深0~71.48m,沉积物以粉、 细砂为主,磁化率的变化范围为3×10-6~59.05×10-6 SI,平均值为28.43×10-6 SI,位于Brunhes正极性时,包括Blake、 Big Lost等极性事件,其在渤海的BH08孔中也有发现[6],而BC-1孔只发现有Blake极性事件[1](图5); 阶段Ⅱ年龄为0.781~1.068Ma,埋深71.48~91.31m,沉积物以细、 中砂为主,磁化率的变化范围为4.88×10-6~82.02×10-6 SI,平均值为26.56×10-6 SI,在0.96~0.98Ma存在高值,位于Matuyama负极性时,Jaramillo正极性亚时分布其间,BZ2钻孔中也有分布[4]; 阶段Ⅲ年龄为1.068~2.280Ma,埋深91.31~200.3m,沉积物主要为粉砂和粘土相间分布,磁化率的变化范围为1.75×10-6~51.55×10-6 SI,平均值为9.73×10-6 SI,在约1.40~1.46Ma、 1.64~1.67Ma和1.81~1.82Ma存在小幅的高值波动,位于Matuyama负极性时,包括Olduvai和Reunion正极性亚时,其中Olduvai正极性亚时在BZ1孔[5]和BZ2孔[4]中均有分布。
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图5 TJC-1孔(c)与渤海及周边区域钻孔(a[1],b[6],d[5],e[4],f[9, 10, 11])古地磁极性柱对比图 Fig.5 Comparison of the magnetostratigraphy of core TJC-1 with other cores from the Bohai Sea and adjacent areas |
BC-1孔(39°9'N, 119°54'E) 和BH08孔(38°16'48″N,119°59'24″E) 是渤海海域研究程度较高、 实测年龄数据较丰富的两个钻孔,与本文的TJC-1孔呈北西-南东向分布(见图1)。TJC-1孔B/M界限深度位于71.48m,而BH08孔位于125.66m[6],BC-1孔极性柱则未钻遇B/M界限。造成B/M界限深度差异的原因,可能是钻孔所处构造位置的差异所致[12]。TJC-1孔位于渤中凸起,BC-1孔位于埕宁隆起中的石臼坨凸起,BH08孔则位于渤中坳陷中的渤南凸起。
BZ2孔(39°01'48.8″N,117°8'11.0″E) 和BZ1孔(38°51'10.3″N,117°23'23.6″E) 是渤海湾西岸研究程度较高的两个钻孔(见图1钻孔位置),前者B/M界限深度位于56.2m[4],后者孔位于102.43m[5],将TJC-1孔与这两孔进行比较,TJC-1孔B/M底界较BZ2孔略深,而明显较BZ1孔浅(图5)。考虑到第四纪早期该区域为冲积平原,两地地形差异不会很大,因此布容期以来两钻孔沉积物的厚度差异可能体现了两个构造单元的相对运动,即在此期间黄骅坳陷相对沧县隆起可能下沉了40余米,暗示着约1.0Ma以来该区构造作用下的加速下沉的趋势。因此推测,这很有可能与该时期我国大规模的构造运动相关[8, 13]。如据前人研究,燕山和太行山等山地在0.7Ma时快速隆升[14],三门古湖也在1.2Ma时构造活动加强[15],大同盆地和无棣大山等火山约在0.7~1.0Ma喷发[16],这些均与中国西部的昆黄运动时代一致[17]。昆黄运动时期(1.2~0.6Ma B[DK].P. ),青藏高原向东北方向挤出,鄂尔多斯地块幕式挤压隆升,三门峡盆地形成挤压褶皱[18],黄河小浪底地区下切贯通东流入海[19, 20],山西盆地则因隆升而发生湖退[21],太行山、 燕山地区也在青藏高原的隆升效应的影响下发育阶地[14, 22],渤海湾盆地加速沉降,快速堆积厚层连续的沙层。因此,TJC-1孔沉积阶段Ⅱ的岩性主要以细、 中砂为主,这也说明在盆地构造沉降之后,坳陷的沉降幅度较大,可容空间大于沉积物的补给通量。沉积阶段Ⅰ和阶段Ⅲ处于相对构造稳定期,沉积过程主要受气候条件的控制,故这两个阶段在岩性特征上表现为粒度较细,主要以粉砂、 细砂和粘土为主。TJC-1孔与上述周边钻孔B/M界限深度有较大的差别,排除了在实验过程中可能存在的样品剩磁清洗不彻底以及未能清除次生粘滞剩磁,可能存在以下几个方面的原因:1)自更新世以来,由于频繁的海陆变化,渤海海域不同地区相同地质单元沉积厚度的空间变化可能很大; 2)某些主要的极性时或者极性亚时形成的地层,因构造活动而缺失,使得在与标准极性柱对比时存在较大的不确定性[4,7,23~30]。因此,有必要将来结合地球物理、 微体古生物、 地球化学等测试指标做进一步的分析和研究。
5 结论(1)对渤海西部海域孔深200.30m TJC-1孔的古地磁研究结果表明,该孔记录了Brunhes正极性时至Matuyama负极性时之间的沉积,钻孔底部年龄约为2.28Ma。
(2)根据沉积特征和磁化率变化特征,TJC-1孔可分为3个沉积阶段: 阶段Ⅰ年龄为0~0.781Ma,埋深0~71.48m,位于Brunhes正极性时; 阶段Ⅱ年龄为0.781~1.068Ma,埋深71.48~91.31m,位于Matuyama负极性时; 阶段Ⅲ年龄为1.068~2.280Ma,埋深91.31~200.30m,位于Matuyama负极性时。
(3)钻孔所处构造部位的不同可能是造成B/M界限埋藏深度存在差异的主要原因,如TJC-1孔位于渤中凸起,BC-1孔位于埕宁隆起中的石臼坨凸起,BH08孔则位于渤中坳陷中的渤南凸起,其B/M界限深度各不相同。
致谢 感谢采集TJC-1孔岩芯的中石化上海海洋石油局第一海洋地质调查大队"勘407轮"全体科学家及船员,感谢中国科学院地球环境研究所何占怀老师在实验过程中提供的帮助和指导。特别感谢匿名评审人提出的宝贵意见。
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② The Key Laboratory of Marine Hydrocarbon Resources and Environmental Geology, Ministry of Land and Resources, Qingdao Institute of Marine Geology, Qingdao 266071;
③ State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi'an 710061)
Abstract
The Bohai Sea is considered as a typical area for Quaternary stratigraphy and sedimentary process due to its uniqueness in geographic, sedimentary and tectonic background, and there have been arguments regarding the buried depths of some important geologic events(e.g.B/M boundary)during Quaternary in Bohai Sea.
A 200.3m-long sediment core TJC-1(213 samples), obtained from the western Bohai Sea (38°43'55.72"N, 118°57'09.75"E) with an average recovery of 79.8 % at water depth of 26m, was analyzed for palaeomagnetic characteristics to document the Quaternary magnetostratigraphy of the region.From the results of palaeomagnetic experiment of the core, it shows that the interval 0~71.48m belongs to the Brunhes normal polarity epoch, and the interval 71.48~200.30m belongs to the Matuyama reverse polarity epoch.It also shows that the deposition started at about 2.28Ma B.P.Major polarity excursions, such as Blake(8.92~9.32m)、Big Lost(51.02~51.32m)etc. are identified in the Brunhes normal polarity epoch.And the major polarity excursions, such as Jaramillo(85.30~90.38m)、Olduvai(154.76~169.38m)and Reunion(185.04~188.34m)are identified in the Matuyama reverse polarity epoch.Through an integrated analysis of sedimentary features and palaeomagnetic measurements of the core, we give a preliminary stratigraphic division: the interval 0~3m belongs to Holocene Series and the interval 3.0~200.3m belongs to Pleistocene Series.Furthermore, three sedimentary phases are identified on the basis of the paleomagnetic characteristics: phase Ⅰ (0~0.781Ma)with a sedimentation rate of 82.236m/Ma which indicates a stable tectonic period and climate controlled sedimentary process; phase Ⅱ (0.781~1.068Ma)with a sedimentation rate of 128.40m/Ma; and phase Ⅲ (1.068~2.280Ma)with a sedimentation rate of 87.936m/Ma.Stratigraphic correlation analysis among cores in western Bohai Sea and its adjacent areas is also carried out.Our results show that the buried depth of the B/M boundary in core TJC-1(71.48m)is remarkably different from that of other cores(e.g. BC-1)in the area.This might be due to the differences of sedimentary thickness between identical geological units, which are in turn constrained by varied tectonic settings in the study area since Quaternary period.