第四纪研究  2020, Vol.40 Issue (3): 751-763   PDF    
滦河三角洲晚全新世地层和演化过程
程丽玉1,2, 胥勤勉2,1, 郭虎2, 李敏1,2, 杨宁3, 刘建兵4, 赵建军1, 郭进京1     
(1 天津城建大学地质与测绘学院, 天津 300384;
2 中国地质调查局天津地质调查中心, 天津 300170;
3 河北省区域地质调查院, 河北 廊坊 065000;
4 河北省地矿局第二地质大队, 河北 唐山 063000)
摘要:为了更好地理解滦河三角洲晚全新世沉积演化过程,本文对8个钻孔进行了年代学、沉积学、微体古生物学的研究,并结合1984~2016年研究区的遥感影像特征,恢复了滦河三角洲晚全新世发育过程和模式。2.7 ka B. P.以前,研究区发育湖相三角洲前缘,包括河床和水下河道相;2.7~1.0 ka B. P.,伴随着海平面上升,海岸线达到现今滦河三角洲一带,姜各庄林场以西区域发育湖相三角洲,包括湖沼相、湖滨相和分支河道、河间洼地等,东部形成海侵型砂坝-潟湖海岸地貌沉积体系;约1.0 ka B. P.以来研究区域普遍成陆,西部主要为决口扇和河间洼地相,东部多分支河道相;17~19世纪,翡翠岛-姜各庄林场一带形成海岸沙丘,并造成二滦河、老米沟等河流由东折向南入海;1915 A.D.,滦河冲开姜各庄林场至翡翠岛的海岸沙丘,形成现今波浪型三角洲。研究区经历了3期地貌沉积组合:晚全新世组合包括西部湖相三角洲和东部海侵型砂坝-潟湖海岸地貌沉积体系;17~19世纪的组合包括三角洲平原和翡翠岛-七里海海侵型砂坝-潟湖海岸地貌沉积体系;1915 A.D.后的组合包括三角洲平原、翡翠岛-七里海海侵型砂坝-潟湖海岸地貌沉积体系和滦河波浪型三角洲。
关键词滦河三角洲    晚全新世    湖相三角洲    海侵型砂坝-潟湖地貌沉积体系    波浪型三角洲    
中图分类号     P343.5;P512.2                     文献标识码    A

0 引言

中国东部三角洲多是由全新世海平面变化和河流的共同作用塑造而成,由于它们形成的时间不同,河流类型不同,因此所具有的模式也不尽相同[1],例如黄河三角洲包含着不同的三角洲朵体和贝壳堤[2~4]、长江三角洲具有特殊的下切河谷充填模式[5~7]、珠江三角洲则是海平面上升期沿下切河谷发生海侵形成的[8~9]。而渤海湾北部的滦河三角洲作为典型的波浪型三角洲,其研究主要集中于海岸带砂坝-潟湖地貌类型[10~12]以及其与三角洲体系的对应关系[13],并在此基础上讨论冲积扇-三角洲在不同时期的范围、类型和演化过程[14~16]、河道变迁及与构造活动的关系[17~21],以及生态水文等方面[22~23]。总之,滦河三角洲的研究主要集中在地貌和第四纪地层方面,其全新世地层的研究也仅局限在描述不同期次三角洲的沉积特征[13~14],并未对沉积过程和三角洲发育模式进行探讨,这也限制了理解未来全球变化下滦河三角洲的响应过程。

因此,本文利用滦河三角洲(广义的三角洲,包括历史时期和现代的滦河三角洲)的8个钻孔,首先根据沉积特征、粒度和微体古生物确定其沉积相,再组成钻孔联合剖面,进而分析其晚全新世地层,恢复其演化过程;另外,结合1984~2016年遥感影像特征,分析现代滦河口及附近的演化过程;将晚全新世和现代过程相结合,探讨其演化模式。

1 区域地质概况

滦河发源于河北省丰宁县巴延图尔山麓,经燕山山脉注入渤海,在历史时期经历了多次改道,形成了以汀流河、迁安,滦县等为顶点的、规模不同的冲积扇-三角洲[11~13]。滦河冲积扇-三角洲北依燕山,南临渤海,在构造背景上位于黄骅坳陷与燕山隆起带的过渡区域[24~26]。新生代以来持续沉降,古近纪主要为断陷时期,新近纪和第四纪主要为裂陷时期[27~28]。晚第四纪滦河因构造活动改道,在不同的区域和湖、海相互作用共同塑造了滦河冲积扇-三角洲[1, 11~13]

滦河三角洲地区第四纪地层厚300~400 m[29~31],以海陆交替沉积为主[32~33],其中存在4个海相地层[34]。滦河冲积扇-三角洲区域以滦河和溯河为界,东部和西部均为冲积扇,中部为三角洲平原。末次冰盛期之后冲积扇形成海进河床和河流层序,三角洲发育浅海-近岸浅水-三角洲平原的组合[13]。三角洲平原上发育溯河、大清河、老米沟等,其海岸带主要分布砂坝,包括蛇岗、灯笼铺、打网岗和石臼坨等(图 1)。

图 1 滦河三角洲地貌和钻孔分布图 ①—LQZ20;②—LZK01;③—LZK04;④—LQZ26;⑤—JZK13;⑥—LQZ30;⑦—LQZ14;⑧—LQZ29 Fig. 1 Geomorphplogical map of the Luanhe River Delta and the location of boreholes

该区为平原地貌,地势十分平缓[35],气候属于温带大陆性气候[36],多年平均降水量390~800 mm,但季节分配不均[20~21]。滦河三角洲区的潮汐运动受渤海北部潮波运动控制,一部分来自渤海湾,一部分来自辽东湾;潮流属半日潮流,流速较小,一般0.5~1.0 km/h;滦河口沿海波浪主要为风浪,具有明显的季节变化[37]

2 研究方法

本次选用中国地质调查局天津地质调查中心实施1 ︰ 50000刘台庄幅、乐亭幅、姜各庄幅地质调查项目中的8个钻孔,其中TZK01、TZK04和JZK13孔深为75~101 m,LQZ14、LQZ20、LQZ26、LQZ29和LQZ30孔深为3~5 m(表 1)。本次研究以晚全新世地层为主,其中TZK01、TZK04和JZK13这3个孔仅选用埋深10.0 m以浅的岩芯。

表 1 滦河三角洲各钻孔位置、高程和孔深 Table 1 Location, elevation and depth of each boreholes in the Luanhe River Delta

野外调查利用1 ︰ 50000地形图、岩性和2016年资源3号遥感影像,划分地质地貌单元。调查发现滦河和南部二滦河之间的姜各庄林场为沙丘,岩性为细砂,宽约4 km,最高处约5 m,其宽度和岩性均与滦河北部翡翠岛沙丘类似。利用滦河口及附近1984~2016年Google Earth影像特征,分析现代的地质过程。

2.1 微体古生物样品分析

LQZ14、LQZ26和LQZ30钻孔沉积物共27个样品进行了有孔虫和介形类微体古生物化石分析和定量统计,从每个沉积物样品中称取20 g干样(对于含水分较多的样品取20~25 g),用纯净水浸泡,再加入几滴双氧水(H2O2),待样品充分散开后,用纯净水在孔径0.065 mm标准铜筛上过筛冲洗,筛上部分在温度为50 ℃的烘干箱内烘干,烘干后在双目实体显微镜下进行挑选、鉴定与统计。有孔虫鉴定标准主要参考汪品先等[38]、郑守仪等[39]和何炎等[40]文献,介形类鉴别标准主要参考侯佑堂和勾韵娴[41]《中国介形类化石(第二卷)》。LQZ26和LQZ30钻孔样品内没有微体古生物化石,LQZ14钻孔内数量较多,采用了缩分法进行鉴定统计。

2.2 粒度样品测量

LQZ14、LQZ26和LQZ30钻孔沉积物共52个样品进行粒度测试分析。样品在泰山学院测试,首先用10 %的双氧水(H2O2)去除有机质,再用10 %的盐酸(HCl)去除样品中钙质结核和贝壳碎屑;测试仪器为英国产Mastersizer2000粒度仪,测试范围为0.2~2000 μm,重复测量的相对误差 < 3 %。采用McManus[42]矩法计算沉积物粒径参数,计算了沉积物的平均粒度、分选系数、偏度和峰态,并用福克沉积物分类体系对沉积物进行命名。

2.3 年龄测试

选取钻孔中有机质含量较多的样品,利用纯净水浸泡分散,不易分散的样品用超声波清洗机震荡分散,样品充分分散后用纯净水过180目筛冲洗掉泥质部分,筛上部分在双目实体显微镜下挑选其中的植物残体,送往美国BETA实验室进行AMS 14C测年,采用INTCAL04校准(1 ka B. P.=1000 cal.a B. P.)[43]。本次共在LZK01、LZK04和LQZ26孔测试了7个样品(表 2)。

表 2 滦河三角洲各钻孔14C年龄 Table 2 List of 14C ages from boreholes in the Luanhe River Delta
3 结果 3.1 钻孔沉积相

滦河三角洲地区全新世最大海侵在马头营-姜各庄一线的东南侧[34]。滦河三角洲地区在末次冰盛期后先形成海进河床充填层序,扇缘宽60 km,岩性为灰白色砂层和灰色、灰黑色砂质粉砂;之后发育河流相和三角洲相[13]。丰南至滦南和昌黎一带滦河冲积扇早全新世也发育灰色、灰白色砂层[44~45]。据此统计,渤海湾北岸滦河冲积扇-三角洲早全新世形成宽100 km的灰色砂层[13, 44~45]。因此,本次将其划分为湖相沉积,分选较好的砂层为水下河道,岩性较细、分选较差的为湖相砂坝。

3.1.1 LQZ14钻孔沉积相

LQZ14孔孔口高程1.8 m,孔深4.0 m,位于东部滦河冲洪积物和侵蚀沙丘混合堆积处,其西侧和姜各庄林场沙丘隔一条滦河废弃河道。根据岩性、粒度、微体和沉积构造特征,LQZ14孔包含4个沉积单元,自上而下分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ(图 2a2b)。

图 2 LQZ14、LQZ26和LQZ30钻孔综合柱状图 Fig. 2 Summary profile of LQZ14, LQZ26 and LQZ30 boreholes in the Luanhe River Delta

沉积单元Ⅰ埋深0~1 m,为浅黄棕色粉细砂夹砂质粉砂,砂质粉砂含锈染;平均粒度为4.2~5. 6 ϕ,平均4.75 ϕ,向上粒度逐渐减小;分选系数为1. 0~2. 1,平均1.60,向上逐渐增大,分选变差;偏度为0~1.5,平均0.80,峰态为2.1~6.9,平均3. 60。粉砂为优势组分,含量为49.6 % ~87.0 %。该层未见微体化石。该段沉积物的沉积和粒度特征,均指示其为河间洼地。但该段顶部0.5 m,偏度仅为0~0.5,峰态约为2.0,平均粒径4~5 ϕ,这些均显示其为细颗粒沉积物;但其分选系数却为1.9~2. 1,而且砂的含量为30 % ~50 %,显示了细颗粒沉积物中含有砂。这些砂应该来源于海岸沙丘,被风力搬运进入河间洼地,并导致沉积物分选系数变差。

沉积单元Ⅱ埋深1.0~1.8 m,为灰黄色细砂,与下伏地层渐变。平均粒度为1.9~3.1 ϕ,平均2. 43 ϕ,分选系数为1.0~1.5,平均1.30,分选较好,偏度为1.1~3.2,平均2.30,峰态为4~16,平均9. 96。砂含量为70.9 % ~94.1 %,粘土含量在2 %以下。该层未见微体化石。该段沉积物岩性较为均一,粒径变化较小,不具有河流相的向上逐渐减小的特征,且和下伏地层为渐变,据此推断为海岸沙丘,与姜各庄林场沙丘为一体。

沉积单元Ⅲ埋深1.8~2.9 m,上段1.8~2.2 m,灰黑色泥质粉砂,粉砂含量为80.8 % ~88.1 %;下段2.2~2.9 m,灰黑色泥质粉细砂,有机质含量较高,见大量海相贝壳碎片,与下伏地层渐变;砂组分为优势组,含量为30.5 % ~100.0 %。该段沉积物平均粒度为2.0~6.8 ϕ,平均4.6 ϕ,向上变细,为正粒序;分选系数为0.4~2.1,平均1.44,下段分选差,上段分选较好;偏度为- 0.1~0.9,平均0.32,峰态为2.1~3.7,平均2.84;在该沉积单元的2.3 m、2.5 m和2.7 m处含有微体古生物,共见有孔虫15属45种(图 2a),以嗜温卷转虫(Ammonia tepida (Cushman))、异地希望虫(Elphidium advenum (Cushman))、多变假小九字虫(Pseudononionella variabilis (S.Y.Zheng))、高锅卷转虫(Ammonia takanabensis (Ishizaki))、毕克卷转虫(Ammonia beccarii (Linné))、亚棱先希望虫(比较种)(Protelphidium cf. subcarinatum (Seguenza))为优势种(图 3),其他常见种有少室卷转虫(Ammonia pauciloculata (Phleger and Parker))、显孔鼓室希望虫(Elphidium hughesi foraminosum (Cus.))、塔斯曼星九字虫(Astrononion tasmanensis (Carter))等。介形虫有8属13种(图 2a),以眼点弯贝介(Loxoconcha ocellata(Ho))、滨海弯贝介(Loxoconcha binhaiensis)、网纹半美花介(Hemicytheridea reticulata(Kingma))、台湾弯贝介(Loxoconcha taiwanensis(Zhao))为优势种(图 3),其他常见种有凹陷中华美花介(Sinocytheridea impressa (Brady))、中华洁面介(Albileberis sinensis (Hou))、梯形奇美花介(Perissocytheridea trapeziformis (Hou et Chen))、丰满陈氏介((Tanella opima (Chen))。

图 3 滦河三角洲晚全新世地层常见有孔虫和介形类化石 1. Ammonia flevensis(Hofker),背视;2. Ammonia flevensis(Hofker),腹视;3. Elphidium incertum (Williamson),腹视;4. Elphidium advenum (Cushman),背视;5. Elphidium advenum (Cushman),侧视;6. Pseudononionella variabilis (S. Y. Zheng),背视;7. Rectoelphidiella aplata(Ho,Hu et Wang),侧视;8. Ammonia beccarii (Linné),腹视;9. Ammonia takanabensis (Ishizaki),背视;10. Ammonia takanabensis (Ishizaki),腹视;11. Loxoconcha binhaiensis,背视;12. Perissocytheridea trapeziformis (Hou et Chen),背视;13. Hemicytheridea reticulata (Kingma),背视;14. Sinocytheridea impressa (Brady),背视;15. Albileberis sinensis (Hou),背视 Fig. 3 The common foraminiferal and ostracod species of Late Holocene strata in the Luanhe River Delta

毕克卷转虫是世界上分布最广的广盐性种类,多见于滨海边缘环境[46~47];异地希望虫也是广温广盐种,主要生活在沿岸浅海环境。多变假小九字虫是低盐度的半咸水种[48]。优势种弯贝介、半美花介、洁面介均属于海相介形类,常见种中的丰满陈氏介则属于半咸水,广盐种,反映的是滨海湖沼相沉积环境[49]。所有微体古生物壳体较完整(图 3),说明当时沉积动力较弱。结合岩性和粒度,该沉积单元应为潟湖相。

沉积单元Ⅳ埋深2.9~3.8 m,为灰色泥质细砂,未见生物碎片;平均粒度为2.5~3 ϕ,平均2. 75 ϕ,分选系数为1~2,平均1.70,分选较差,偏度为1~2,平均1.50,峰态为4.5~5.5,平均4.90,砂组分含量较高,为77.4 % ~80.7 %。在该沉积单元的2.9 m和3.8 m处发现有微体古生物化石,3.8 m处只有有孔虫,未发现介形类,共见有孔虫13属29种(图 2a),以Ammonia beccarii (Linné)、扁平直小希望虫(Rectoelphidiella aplata(Ho,Hu et Wang))、显脐卷转虫(Ammonia flevensis(Hofker))、具瘤先希望虫(Protelphidium tuberculatum(d'Orbigny))、Elphidium hughesi foraminosum (Cus.)、Astrononion tasmanensis (Carter)为优势种,其他常见种有Ammonia takanabensis (Ishizaki)、Elphidium advenum (Cushman)、易变希望虫(Elphidium incertum (Williamson))、洞穴希望虫(Elphidium excavatum (Terquem))。具瘤先希望虫会在大潮、特大潮或风暴潮中被带至海陆交互相沉积环境中[49~50]、显孔鼓室希望虫属于滦河河口优势种,多位于河床以及边滩[50~51]。介形类只在2.9 m处存在,共见4属5种(图 2a),以Loxoconcha binhaiensisLoxoconcha ocellata(Ho)为主(图 3),其他的还有Albileberis sinensis (Hou)、Hemicytheridea reticulata (Kingma)和大海花介(Pontocyhere spatiosus (Hou)),均属于海相属种。本层中有孔虫有位于滦河口附近的特有种,以及海相介形虫的从有到无,皆反映了海陆过渡的沉积特征。综合以上特征,该沉积单元为与海水相通的潮沟。

3.1.2 LQZ26钻孔沉积相

LQZ26孔孔口高程5.9 m,孔深5.0 m,位于三角洲平原上,地表岩性以砂质粉砂为主,全孔均不含有孔虫和介形类微体古生物化石。根据岩性、粒度和沉积构造特征,LQZ26孔包含4个沉积单元,自上而下分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ(图 2c)。

沉积单元Ⅰ埋深0~1.0 m,为黄棕色砂质粉砂、粉砂质砂,正粒序,与下伏地层渐变。沉积物平均粒度为4.7~5.8 ϕ,平均5.10 ϕ,向上变细;分选系数为1.2~1.6,平均1.40,向上增大,分选变差;偏度为- 0.3~1.3,平均0.60,峰态为2.8~5.0,平均3.70。粉砂为优势组分,含量为67.0 % ~78.1 %。该段为滦河三角洲平原中的河间洼地相。

沉积单元Ⅱ埋深1.0~2.5 m,为黄棕色砂质粉砂、粉砂质砂,夹少量粉细砂,含锈染和黑色铁锰结核;和下伏地层渐变;该段沉积物的平均粒度为4.7~6.1 ϕ,平均5.50 ϕ;分选系数为1.3~1.4,向上逐渐减小,分选一般;偏度为- 0.2~1.2,平均0.40,峰态为2.3~3.9,平均3.10。粉砂组分含量较高,为62.0 % ~85.1 %。该段和下伏沉积单元Ⅲ颜色和岩性明显不同,和上覆沉积单元Ⅰ相似,也判断为河间洼地相。但该段少一些粉细砂层,指示了河流洪积作用较弱,可能远离河道。

沉积单元Ⅲ埋深2.5~4.5 m,为灰色、橄榄灰色粉砂质泥,上部含锈染,软塑性,下部有机质含量较高,与下伏地层渐变;该段沉积物平均粒度为5.9~7.3 ϕ,平均6.50 ϕ,分选系数为1.1~1.3,平均1.20,分选较好;偏度为- 0.9~0.3,平均- 0.20,峰态为2.3~4.3,平均2.90。粉砂组含量较高,为64.6 % ~85.8 %。埋深3.3 m处植物残体的14C年龄是1.71~1.57 cal. ka B. P.,埋深4.3 m处植物残体的14C年龄是1.19~1.06 cal. ka B. P.(与埋深3.3 m处测试年龄倒置)。该段为湖沼相。

沉积单元Ⅳ埋深4.5~5.0 m,为灰黑色粉砂质砂,平均粒度为5.3~5.4 ϕ,平均5.35 ϕ,分选系数为1.3,分选一般,偏度为0.8,峰态为3.15。粉砂组含量较高,为83.4 % ~88.1 %。该段为水下河道。

3.1.3 LQZ30钻孔沉积相

LQZ30孔孔口高程3.9 m,孔深5.0 m,位于三角洲平原和姜各庄林场沙丘之间。全孔均不含有孔虫和介形类微体古生物化石。根据岩性、粒度和沉积构造特征,LQZ30孔包含4个沉积单元,自上而下分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ(图 2d)。

沉积单元Ⅰ埋深0~0.8 m,为灰棕色砂质粉砂,和下伏地层突变;平均粒度约为6.20 ϕ,分选系数为1.4~2.3,平均1.85,分选较差;偏度为- 0.6~0.8,平均- 0.18;峰态为2.5~3.1,平均2.83。粉砂为优势组分,含量为38.5 % ~85.3 %。该沉积单元为三角洲平原的河间洼地相。

沉积单元Ⅱ埋深0.8~4.0 m为灰黄色泥质粉细砂、黄灰色粉细砂,含珠状砂;上部多见锈染,以粉砂为主,含量为58.2 % ~76.4 %;下部以砂为主,含量为63.5 % ~88.2 %;和下伏地层突变。平均粒度为3.1~5.2 ϕ,平均4.30 ϕ,向上减小;分选系数为1.0~1.4,平均1.20,向上变差;偏度为0.6~2.5,平均1.46,峰态为3.1~11.6,平均5.77。该段沉积物较粗,其分选好,含“珠状砂”,且具有河流相的正粒序层序,下部颜色渐深,为弱还原环境,判断为入湖的分支河道相。

沉积单元Ⅲ埋深4.0~4.2 m,为灰黑色粉砂质泥,有机质含量高,与下伏地层渐变。平均粒度为6.30 ϕ,分选系数为1.4,分选一般,偏度为- 0.7,峰态为3.7,粉砂组分含量达到80.0 %。该段为湖沼相。

沉积单元Ⅳ埋深4.2~5.0 m,为灰色粉细砂,平均粒度为3.60 ϕ,分选系数为1.2,分选较好,偏度为1.4~2.1,平均1.75,峰态为5.9~8.2,平均7.00,砂组分为优势组分,含量为66.6 % ~79.8 %。该段应为水下河道相。

3.2 钻孔联合剖面

在对LQZ14、LQZ26和LQZ30进行粒度、微体、年代和沉积分析的基础上,结合区域的LQZ20、LZK01、LZK04、JZK13和LQZ29等钻孔,组成联合剖面(图 4),分析晚全新世滦河三角洲地区的地层和演化过程。

图 4 滦河三角洲晚全新世钻孔联合剖面沉积、地层特征(图例同图 2) Fig. 4 Sedimentary facies and stratigraphic characteristics of boreholes joint profile in Late Holocene of the Luanhe River Delta(legends are the same as in Fig. 2)

LQZ20孔埋深0~3.5 m为黄棕色砂质粉砂夹粉砂质砂,多见锈染,为河间洼地相。埋深3.5~5.0 m为黄色细砂,向下粒度渐粗,该层富水,为分支河道相。

LZK01孔埋深0~4.0 m为黄棕、灰棕色砂质粉砂夹少量灰色粉砂质泥,多锈染,少量钙质淀积,为河间洼地相;埋深1.4 m处腐殖质泥的14C年龄为1708~1564 cal.a B. P.。埋深4.0~6.0 m为暗灰色粉砂质泥,为湖沼相;埋深4.1 m和5.5 m处的植物残体14C年龄分别为2541~2357 cal.a B. P.和2750~2693 cal.a B. P.。埋深6.0~12.0 m为卵砾石层,为河床相。

LZK04孔埋深0~2.0 m为黄棕色粉砂质砂夹少量粉细砂,为决口扇相;埋深2.0~5.7 m为黄灰色砂质粉砂夹粉砂质砂,含锈染,为湖滨相;埋深5.7~9.0 m为灰色、暗灰色粉砂质泥,多有机质,为湖沼相;其中埋深7.7 m和8.1 m处的植物残体14C年龄分别为2063~1898 cal.a B. P.和2119~1946 cal.a B. P.。埋深9.0~10.0 m为灰色粉细砂、细砂,为湖相砂体或水下河道。

JZK13孔埋深0~4.2 m为黄棕色粉细砂,松散,为河床相;埋深4.2~5.5 m为暗灰色泥质粉细砂,多有机质,为湖相砂坝;埋深5.5~10.0 m为浅灰色粉细砂,分选、磨圆均较好,为水下河道。

LQZ29孔埋深0~1.0 m为黄棕色粉砂质砂夹少量砂质粉砂,1.0~3.0 m为黄棕色粉细砂,分选磨圆均较好,含珠状砂,为河床相。

LQZ20孔埋深0~3.5 m的河间洼地相、LZK01孔埋深1.3~6.0 m的河间洼地和湖沼相、LZK04孔埋深2.0~9.0 m的湖滨和湖沼相、LQZ26孔埋深1.0~4.5 m的湖滨和湖沼相、JZK13孔埋深4.2~5.5 m的湖相砂坝、LQZ30孔4.0~4.2 m的湖沼相,依据地层叠置关系,这几个孔的河间洼地和湖沼相应为同期的陆地至湖泊之间的不同类型的沉积相(图 4),其时代约为2.7~1.6 ka B. P.。LQZ14孔埋深1.8~2.9 m为潟湖相,依据其北侧4 km滦河岸边地层剖面,潟湖相形成于西汉时期的海平面波动,结束于唐代,被砂丘覆盖[52]。研究区晚全新世湖沼相和潟湖相应为同期异相沉积。

4 讨论 4.1 晚全新世沉积演化过程

2.7 cal. ka B. P.以前,滦河北部冲积扇、溯河西部冲积扇均已形成[1, 11],而全新世最大海侵也仅到马头营和现代滦河三角洲外侧[16, 34]。LQZ20孔位于冲积扇的边缘,也已成陆,发育分支河道。LZK01至LQZ30孔位于两个冲积扇和海岸线之间所夹的低洼区域,形成湖泊(图 5a)。同时,滦河开始汇入该湖泊,其中LZK01孔为主河床,形成卵砾石沉积,其余多为水下河道。LQZ14为潮沟或潮控河道,说明研究区为滨海区域,受到较弱的海洋作用。

图 5 滦河三角洲晚全新世岩相古地理 Fig. 5 The paleogeography near the Luanhe River Delta since the Late Holocene

2.7~1.0 ka B. P.,研究区海平面缓慢上升[53],海岸线达到现今滦河三角洲一带,LQZ14孔形成潟湖相(图 5b)。2.7~1.6 ka B. P.,LZK01至LQZ30孔均形成湖沼相,仅JZK13孔为湖相砂坝(图 4)。约1.6~1.0 ka B. P.,LZK01孔逐渐成陆,并形成河间洼地;LZK04和LQZ26孔形成湖滨相。JZK13和LQZ30孔为湖相和潟湖之间的过渡区域,但被后期河流侵蚀,其如何过渡却未知。该时期,LQZ20至LQZ26孔之间均为细颗粒沉积物,厚度为3.5~7.0 m,而东部各孔厚度仅0.5~1.0 m,说明滦河沉积物主要堆积在西部区域,其水沙通量减少,侵蚀冲积扇上沉积物,在湖泊内形成细颗粒沉积物。

约1.0 ka B. P.以来,海平面上升速率缓慢,滦河向海进积,区域普遍成陆,其中西部LQZ20至LQZ26孔沉积量较少,厚度仅为0~2 m,且主要为决口扇相和河间洼地,地表高程为5~10 m,现今地表河道多为侵蚀性河流。东部JZK13至LQZ29孔均为河床相或分支河道相,厚度为2~4 m,明显较西部沉积量大,地表高程为2~5 m,现今地表河道发育天然堤和心滩等少量堆积地貌。研究区西部约1.0 ka B. P.形成三角洲平原(图 5b5c),历史时期,滦河发育多条分支河道[18],对西部冲积平原具有侵蚀作用,在东部地势较低的区域堆积,并发育河床相。JZK13孔和LQZ30孔中的分支河道应为同期,时代为1813~1883 A.D.[18];LQZ29孔为现代滦河沉积物,形成于1915 A. D.[18, 54](图 5d5e5f)。

老米沟、二滦河在入海附近均由东折向南,说明东侧应该有地势较高的阻挡。现今滦河向东流入海,对翡翠岛南部具有冲刷侵蚀作用。现今滦河南部也发育海岸沙丘,应是与北部翡翠岛相连的,在1915 A. D.被滦河冲开。同时,现今滦河南部的海岸沙丘也是阻挡二滦河入海的屏障。海岸沙丘应形成二滦河发育之前,且西侧覆盖在河间洼地之上,东侧LQZ14显示其直接覆盖在潟湖之上,说明在1813 A. D.之前区域已经成陆。马头营区域为17世纪以来滦河入海的主要区域[18, 55](图 5d),气候为小冰期最强盛期,滦河入海泥沙、强盛的冬季风和LQZ14孔外侧的砂坝在18世纪不断向陆迁移,在翡翠岛—姜各庄林场一带形成海岸沙丘。

4.2 现代滦河三角洲演化过程

17~19世纪,海岸沙丘在三角洲平原上形成,并阻挡滦河入湖。滦河于1915 A. D.冲开海岸沙丘入海,并侵蚀携带沙丘沉积物入海形成滨外砂坝,而沙丘冲裂口形成沟口扇,堆积大量细沙类沉积物(图 5f)。1984~2000年,滦河在海岸沙丘的冲裂点形成的沟口扇逐渐减小,被侵蚀冲积入海。此时,滦河口南侧、北侧的滨外砂坝均处于增长阶段,滦河口外在1996年也出现两个弧形河口砂坝(图 6a~6e)。1984~2000年,滦河三角洲基本处于自然演化过程,入海水沙量锐减,但三角洲整体处于增长阶段,这应该是沟口扇被冲刷侵蚀所致。

图 6 现代滦河三角洲1984~2016年影像特征 Fig. 6 Remote sensing images of the modern Luanhe River Delta during 1984~2016

另外,1996年,滦河口外河口砂坝的增长,应该是和1994~1996年流域洪水相关[20]。2000~2004年,滦河沟口扇基本消失,河口砂坝也被海水侵蚀向内迁移,至2008年已逐渐和口门外缘相连(图 6e~6g)。2000~2016年,三角洲南侧滨外砂坝处于向海迁移阶段,而北侧则是被海水蚀退(图 6e~6i);滦河河床砂明显减少,应该是夏季洪水期被冲刷侵蚀入海,并被沿岸流带至滦河口南侧堆积。

现代滦河三角洲发育经历3个阶段:1)1915~ 1984年,滦河切穿海岸沙丘,冲刷侵蚀大量沉积物入海,形成滨外砂坝,冲裂点外形成沟口扇;2)1984~ 2000年,沟口扇被侵蚀,三角洲缓慢增长;3)2000~ 2016年,滦河河床被侵蚀,三角洲北侧和河口区侵蚀后退,南翼向外淤积。

4.3 滦河三角洲演化模式

LQZ20孔为分支河道和河间洼地,属于三角洲平原相。研究区西部LZK01至LQZ26孔发育湖相三角洲,下部为水下河道,上部为湖沼相、湖滨相、河间洼地和决口扇相,为一套反粒序旋回,反映了河流进积的特征,主要为三角洲前缘相和平原相。JZK13和LQZ30孔下部为水下河道,上部为分支河道,同样为三角洲前缘相和平原相,只是平原相和西部有差异,多为分支河道。LQZ14孔2~1 ka B. P.发育潮沟、潟湖,则外侧发育砂坝,形成海侵型砂坝-潟湖的地貌沉积体系。晚全新世,研究区西部发育湖相三角洲,东部沿海区域发育海侵型砂坝-潟湖的地貌沉积体系。

17~19世纪,翡翠岛-姜各庄林场一带形成海岸沙丘,其内侧七里海一带被冲积扇、三角洲和翡翠岛围成沼泽洼地,后发育为潟湖;形成现今滦河口北侧的海侵型砂坝-潟湖的地貌沉积体系。海侵型砂坝-潟湖地貌沉积体系中砂坝多为高大沙丘,最宽约1.8~3.0 km,高约6~10 m,最高达44 m。

滦河在1915年冲开海岸沙丘后,侵蚀冲刷沙丘、河床等,浅海区域形成现今滦河三角洲,并发育砂坝-潟湖地貌沉积体系,为波浪型三角洲。滦河波浪型三角洲中滨外砂坝多呈线性,宽仅100 m,高程和平均高潮线相当,约2 m。

5 结论

依据渤海湾北岸分布的一系列砂坝-潟湖,滦河三角洲被总结为波浪型海相三角洲,但其内部为何种地层结构、何种发育模式,却鲜有研究和报道。本文利用滦河三角洲平原的8个钻孔,进行沉积特征、粒度和微体古生物等分析,确定其沉积相,组成钻孔联和剖面,进而分析滦河三角洲晚全新世演化过程。

2.7 ka B. P.以前,滦河北部冲积扇、溯河西部冲积扇均已形成,研究区西部边缘位于冲积扇边缘,发育分支河道,中部则形成湖泊,滦河在该时期开始汇入此湖泊;此时乐亭以北区域发育三角洲平原,以南区域为湖相三角洲前缘;2.7~1.0 ka B. P.,伴随着海平面上升,海岸线达到现今滦河三角洲一带,西部区域发育湖沼相,为湖相下三角洲;约1.6~1.0 ka B. P.,西部逐渐成陆,并形成河间洼地,中部开始由湖泊向湖滨过渡,东部已出现潟湖相;此时西部内陆区域为湖相三角洲的平原相,东部形成海侵型砂坝-潟湖的海岸地貌沉积体系。约1.0 ka B. P.以来,研究区域普遍成陆,西部主要为决口扇相和河间洼地,形成三角洲平原;由于滦河的多个分支对西部平原的侵蚀作用,导致滦河的堆积物在东部地势较低的区域堆积,并发育河床相。17~19世纪,翡翠岛-姜各庄林场一带形成海岸沙丘。1813~1883 A.D.,滦河在东部入海前,由于受到姜各庄林场海岸沙丘的阻挡,而由东折向南。1915 A.D.,滦河冲开姜各庄林场至翡翠岛的海岸沙丘,形成现今滦河三角洲。

晚全新世,测区姜各庄林场以西区域为湖相三角洲,发育三角洲前缘相、湖沼相、湖滨相、河间洼地相和决口扇相;姜各庄林场以东区域为海侵型砂坝-潟湖的海岸地貌沉积体系。17~19世纪,翡翠岛-姜各庄林场海岸沙丘和七里海组成第二期海侵型砂坝-潟湖的海岸地貌沉积体系。1915 A.D.后,滦河冲开海岸沙丘形成波浪型三角洲。波浪型三角洲和海侵型砂坝-潟湖地貌沉积体系中砂坝的规模、高程和形态具有显著差异。

致谢: 聊城大学刘开明参加野外工作,河北省水文工程地质勘察院左丽明教授级高工提供部分钻孔。感谢匿名审稿人对本文提出的修改意见,中国科学院海洋研究所于晓晓博士告知不同时期Google Earth影像。

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The Late Holocene stratum and evolution in the Luanhe River Delta
Cheng Liyu1,2, Xu Qinmian2,1, Guo Hu2, Li Min1,2, Yang Ning3, Liu Jianbing4, Zhao Jianjun1, Guo Jinjing1     
(1 School of Geology and Geomatics, Tianjin Institute of Urban Construction, Tianjin 300384;
2 Tianjin Center, China Geological Survey, Tianjin 300170;
3 Hebei Regional Geological Survey, Langfang 065000, Hebei;
4 The Second Geological Brigade of Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources, Tangshan 063000, Hebei)

Abstract

The Luanhe River originates from the foothills of Bayantuer in Fengning County in Hebei Province, and empties into the Bohai Sea through the Yanshan Mountains. It had undergone many diversions during the historical period, forming alluvial fan-delta in different scales with apex in Tingliuhe, Qian'an and Luanxian. The alluvial fan-delta of the Luanhe River is adjacent to Yanshan in the north and the Bohai Sea in the south. It is structurally located in the transitional zone between the Huanghua Depression and the Yanshan Uplift Belt. By analyzing the sedimentary process and development pattern of the Luanhe River Delta in the Late Holocene, we can understand the response process of the Luanhe River Delta under future global changes better.In order to understand the sedimentary evolution process in the Luanhe River Delta in the Late Holocene better, eight boreholes were analyzed in chronology, sedimentology, micropaleontology and grain size. Boreholes LQZ14, LQZ20, LQZ26, LQZ29 and LQZ30 with lengths ranging from 3 m to 5 m were obtained by the Eijkelkamp manual sampling drill. Sediments with depth of 0~10 m in boreholes LZK01, LZK04 and JZK13 with lengths ranging from 50 m to 75 m are analyzed in this study, because that the depth of the Holocene strata is approximately 10~20 m. 27 samples for micropaleontology and 52 samples for grain size analysis were used to establish sedimentary facies, 7 AMS 14C ages used to establish era framework. And based on the characteristics of the remote sensing image of the study area from 1984 to 2016, the development process and the pattern of the Luanhe River Delta in the Late Holocene were recovered.Before 2.7 cal. ka B. P., the lacustrine delta front, including the riverbed facies and the underwater channel facies, had developed in the study area. During 2.7~1.6 cal. ka B. P., with the sea level rising, the coastline had reached the present-day Luanhe River Delta. The western area of the Jianggezhuang Forest Farm had developed the lower delta facies of the lacustrine delta and deltaic plain facies, including the lacustrine facies, marsh facies, the lakeside facies, branch channel facies and the crevasse splay, respectively. And in the east it had formed the transgressive barrier-lagoon geomorphic sedimentary system. Since 1.0 cal. ka B. P., the study area had generally formed lands, the western areas were mainly the interfluvial lowland and the crevasse splay, and most of the eastern areas were branch channel facies. From the 17th century to the 19th century, coastal dunes had formed around the area of Feicuidao-Jianggezhuang Forest Farm, and had caused the rivers such as Erluanhe River and Laomigou to turn from the east to the south. The Luanhe River rushed apart the coastal dunes of Feicuidao-Jianggezhuang Forest Farm and formed the current wavy delta in 1915 A.D. The study area has experienced three-phase geomorphic sedimentary combinations. The Late Holocene combination included the western lacustrine delta and the eastern transgressive barrier-lagoon geomorphic sedimentary system. The combination from the 17th century to the 19th century included the delta plain and the transgressive barrier-lagoon geomorphic sedimentary system of Feicuidao-Qilihai. The combination after 1915 A.D. included the delta plain, the transgressive barrier-lagoon geomorphic sedimentary system of Feicuidao-Qilihai and the wavy delta.
Key words: LuanheRiver Delta    Late Holocene    lacustrine delta    transgressive barrier-lagoon geomorphic sedimentary system    wave-dominated delta