2019, Vol.39
2 天津市地质调查研究院, 天津 300191)
第四纪地层的划分是第四纪地质研究的重要部分，是研究区域地质、活动构造、岩相古地理、环境演变的基础。早期对河北平原的研究主要集中在平原区地层系统中的高山区和近海三角洲平原区。丁国瑜等[1~2]将第四纪沉积物颜色特征作为河北平原山前地带第四纪分层的主要标志。前人通过对河北平原区近海三角洲平原古气候、海进海退的研究探讨了第四纪下限确定的问题[3~4]。河北平原区第四纪地层的划分曾经出现过不同的观点，主要以3种观点为主：1)在第四纪下限年代以1.80 Ma，其主要依据地层岩性、电性明显变化以及古地磁奥杜威正极性亚时(Olduvai)开始的时间1.80 Ma[5]；2)2.58 Ma, 即原定为2.48 Ma的松山-高斯极性时界限，简称古地磁M/G界限[6~7]；3)3.06 Ma, 以第三纪以来气候显著变冷为标志[4, 8]。2001年，第四系下限(N/Q界线)被确定为古地磁松山-高斯极性时界线(即2.58 Ma)[9]；至此，对第四纪地层时代的确定才有了较为统一的标准。王强等[10]和刘立军等[11]在磁性地层学基础上引入沉积地层学、生物地层学和气候地层学等方法综合研究讨论河北平原区第四纪地层划分，对河北平原区第四纪地层的划分和对比有一定的参考意义。随着测量技术的进步和岩石磁学理论的发展，研究区北部北京平原已建立了多个钻孔的磁性地层年代框架，证实了磁性地层学是建立第四纪地层年代框架的有效手段[12~19]。在建立北京平原年代地层格架的基础上，李龙吟和陈华慧[12~13]引入了生物地层学方法，发现其与年代地层格架的关联性；李长安[14]通过结合14C测年等方法，细化了第四纪全新世地层的划分；栾英波等[17]结合了化学地层学方法，探讨了第四纪古气候的演化。
对于河北平原区北部广大的冲积、冲洪积平原区的磁性地层研究还不够完善，虽然在固安组建组的固2孔曾做过古地磁的测试，但是限于当时技术水平的局限和采样密度的影响，固2孔600 m孔深中只取了79个古地磁样品，只是初步对古地磁M/B以及G/M界限进行了探讨[8]。以上研究成果对河北平原区第四纪地层研究奠定了基础，但是，目前对河北平原区特别是河北平原区北部冲积、冲洪积平原第四纪地层精细划分和对比还未建立起来，主要原因是区内第四系钻孔数量有限以及相应的年代学研究比较欠缺。
为了建立河北平原区北部广大冲积、冲洪积平原第四纪地层划分、对比的标准钻孔，为河北平原区和邻区的地层划分、对比提供参考，我们在廊固凹陷内开展工作并取得了固安G01钻孔岩芯，本文应用碳十四、磁性地层学技术，对G01孔第四纪地层开展了精细的年代研究和地层划分，从而为河北平原区第四纪区域地层对比、古环境演化研究提供可靠的依据。
1 钻孔地质特征2017年中国地质调查局制定的1 ︰ 50000区域地质调查规范(试行征求意见稿)中，将区域地质调查的标准孔定义为：主要目的是为了建立一个地区地层的划分对比标准，用以进行地层、岩(土)层、水文单元层等的划分、对比、地质时代和沉积环境研究的钻孔，称为标准孔。固安G01标准孔的设计，旨在探究河北平原区第四纪地层情况，钻孔位于河北固安西位村西南文化广场西侧(39°26′45″N，116°15′18″E)，在构造上属于廊固凹陷(图 1)，廊固凹陷第四纪沉积物主要来源于永定河冲积、冲洪积扇[3]。G01钻孔孔口海拔22 m，设计孔深400 m，实际孔深415.5 m，整孔取芯率在90 %以上，岩芯直径100 mm。良好的取芯率和岩芯状况为磁性地层的研究奠定了基础。
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图 1 河北平原区北部构造单元及钻孔位置图 Fig. 1 Structure unit map of North Hebei Plain and the location of G01 borehole |
G01孔岩性包括粘土、粉砂质粘土、粘土质粉砂、粉砂、细砂、中砂、粗砂、砂砾石，局部见钙质结核、锰质结核、螺类化石、炭质斑点等，钻孔沉积相较为复杂。野外现场的精细编录将G01孔自上而下编录成400多个自然层位，为满足室内研究的需求，将岩性相同、成分相近、分层过薄且没有明显标志的一些层进行合并，分成108个层位，再根据沉积物颜色、沉积环境和沉积构造等特点，将G01孔揭示的松散沉积物分为9大岩性段。
第1岩性段：孔深0~21.45 m，上部(0~5.8 m)岩性为灰黄色粉砂质粘土，厚层状，局部见棕红色锈染斑点与锰铁质结核，水平层理发育；中部(5.8~13.2 m)岩性为灰黑色粘土质粉砂，厚层状，局部见粉砂质粘土薄层，底部裂隙较发育；下部为灰黑色中砂，分选、磨圆一般，见大量贝壳碎屑，局部夹薄粘土层。属河漫滩沉积和河道沉积。
第2岩性段：孔深21.45~42.10 m，岩性为黄灰色粉砂质粘土层，巨厚层状，切面光滑，粘性较高，局部夹灰色粘土层，钙质结核较发育。
第3岩性段：孔深42.1~59.2 m，上部(42.1~46.3 m)岩性为灰黄-灰黑色粉砂到粗砂，粒度由上到下逐渐变大，较松散，下部分选差，磨圆较好，见少量贝壳碎屑，局部含少量绿黄色砂质粘土团块；下部(46.3~59.2 m)为灰黄-灰黑色粘土、粉砂质粘土、粉砂、中砂，沉积物颗粒由上到下逐渐变大。
第4岩性段：孔深59.2~80.1 m，岩性表现为灰黄-灰绿色粘土-粉砂质粘土-细砂，厚层-巨厚层状，较松散，偶见贝壳碎屑与螺状化石，局部见锈染、锰染。
第5岩性段：孔深80.1~105.5 m，上部(80.1~89.7 m)岩性为灰黄色粉砂质粘土，巨厚层状，块状层理，底部见波状层理、交错层理，刀切面平整光滑，手感细腻，内混0.5~3.0 cm直径砂砾；下部(89.7~105.5 m)岩性为灰黄色中砂，较松散，分选性较好，磨圆度较好，内混0.5~2.0 cm粒径不等的砾石，见波状层理。
第6岩性段：孔深105.5~154.9 m，岩性表现为灰黄-棕黄色粉砂、细砂与粘土质粉砂、粉砂质粘土互层，中厚-巨厚层状，粘土质粉砂与粉砂质粘土中见大量钙质结核与炭质斑点，细砂中偶见螺状化石，偶见锰染、锈染。
第7岩性段：孔深154.9~185.0 m，岩性较为复杂，沉积物颜色也较为多样。包括4个灰黄-棕褐色粉砂质粘土-细砂组成的沉积旋回，锰染、锈染斑点与炭质斑点大量发育，见少量螺状化石、贝壳碎屑。发育河道沉积。
第8岩性段：孔深185.0~272.6 m，颜色较为复杂，表现为灰黄-黑灰色，上部(185.00~229.05 m)表现为灰黄-黄棕色的粘土质粉砂-粗砂组成的沉积旋回，发育粒序层理和斜层理，偶见锈染斑点、炭质斑点、贝壳碎屑、钙质胶结层，偶含少量棕红色粘土质团块；下部岩性为粉砂质粘土、粘土、细砂、砾石，由上到下沉积物粒度整体变大，偶见钙质结核、锰铁质结核、炭质斑点，底部泥砾、砂砾层分选性差、磨圆度较好、厚约20 m。发育河床滞留沉积。
第9岩性段：孔深272.6~415.5 m，岩性以棕红-棕黄色粘土、粉砂质粘土、粘土质粉砂为主，夹少量粉砂、细砂层，偶见钙质结核、锰铁质结核、炭质斑点，局部见厚度不等的砾石层，厚0.9~12.0 m不等。
2 磁性地层划分 2.1 样品采集、测试古地磁样品的野外现场采集是建立高质量古地磁极性柱的重要前提[20~26]。在采样之前首先要对工作区区域地质资料进行分析，对钻孔所在第四纪地层厚度进行初步确定，然后根据钻孔钻取的岩芯实际岩性变化确定采样密度进行采样，密度为1~2件/m，对粘土、粘土质粉砂、粉砂质粘土、粉砂、细砂宜以0.5 m间隔取样，中砂、粗砂以1 m间隔取样，对于较难获取古地磁标准样品的砂砾层可以不取样。在岩芯取出后，按照一致的顶底方向摆放岩芯并对方向进行标定，刮去表面泥浆，立即进行古地磁采样，规格一般为2×2×2 cm，采样时尽量获取岩芯中部的样品，固安G01孔古地磁样品取样深度412.9 m，共采集663块样品进行测试。
实验在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室完成。该实验室拥有国际领先的古地磁实验仪器和国际先进的大型磁屏蔽室，所有的实验操作都在磁屏蔽室内完成，保障了古地磁实验在无磁的环境中进行，保证样品不受周边磁场环境影响，最大限度的保障了实验结果的精度和可靠性。实验的剩磁和退磁过程在集成于一体的2 G-760 U channel岩石超导磁力仪中进行，其测量范围：2.0×10-12~ 2.0×10-4 Am2，灵敏度2.0×10-12 Am2，测量样品的含磁量大多在10-6~ 10-4 Am2之间，可以很好的满足实验要求，剩磁量的测量误差控制在2×10-8 Am2以内。
2.2 磁性地层特征对每组古地磁样品进行系统交变退磁，步长为5~10 mT，最大交变退磁场为70 mT。对古地磁实验结果数据的分析，采用最新版本的PaleoMag古地磁专用数据处理软件，绘制退磁衰减曲线和正交投影图(图 2)，采用主成分分析的方法并通过原点线性拟合得到特征剩磁方向，统计结果至少采用4个连续的数据点，同时，特征剩磁方向清晰、逐渐趋向于原点，对于最大角偏差(MAD)大于13°的样品予以剔除，共获得可靠特征剩磁165个。从正交投影图中可以看出，在20 mT以上的磁场作用下基本可以分离出特征剩磁。如图 2c所示，交变退磁场达到20 mT后，剩磁方向基本稳定趋向原点，剩磁强度随着交变退磁场强度的增大而逐步减小。根据G01孔磁倾角的变化特征建立G01孔极性倒转序列(图 3)，由图 3中可以看出G01孔的极性倒转序列比较规则，通过与国际标准古地磁极性柱[27~28]进行对比，钻孔自上而下可分为3个明显的极性时。
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图 2 G01钻孔代表样品退磁强度衰减曲线及正交投影图 Fig. 2 The intensity of demagnetization and orthogonal projection of representative specimens from G01 borehole |
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图 3 固安G01孔岩性地层、磁性地层及其地磁极性时间 Fig. 3 Lithology and magnetostratigraphy of G01 borehole in Gu'an area in the Hebei Plain and their correlations with the geomagnetic polarity timescale |
布容正极性时(Brunhes)：对应孔深0~105.5 m，表现为正极性时，其地质时代为0~0.78 Ma，属全新世和中晚更新世。
松山反极性时(Matuyama)：对应孔深105.5~183.7 m，以反极性时为主，其地质时代为0.78~2.58 Ma，属早更新世。通过与国际标准古地磁极性柱相比[27~28]，其中147.3~150.2 m处正极性时厚度相对较大，与松山反极性时的奥杜威正极性亚时(Olduvai)对应，地层年代相当于1.77~1.95 Ma。
高斯正极性时(Gauss)：对应孔深183.7 m以下，表现为正极性时，其代表的是2.58 Ma以前的第四纪地层。
3 讨论以磁性地层为主导，以岩性地层特征和14C测年数据为辅对固安G01孔岩性地层进行初步划分。
(1) 第四系(Q)底界面的确定：由古地磁极性倒转序列松山反极性时和高斯正极性时(M/G)的时间，将G01孔的第四系底界确定为183.7 m。其与第7岩性段185 m的界限并不完全一致(图 4b)，出现了穿时现象，这是由于地层的岩性、磁性、电性等多种属性的不同造成的[17]。通过与邻区北京、天津平原地区的钻孔进行对比(图 5)，G01孔第四系底界埋深深度与北京、天津具有一定的继承性和相似性，但又有其不同之处[16, 29~32]。天津BZ2钻孔[29]位于沧县隆起西部，第四系底部沉积物主要为浅棕-棕褐色粘土、粉砂质粘土，表现为湖沼相的沉积，与G01孔灰黄-棕褐色粉砂质粘土-细砂的河道沉积在沉积物颜色、组成和沉积相上有较大的差异，说明河北平原区和天津平原区虽然所处构造位置相近，但其第四纪地层的划分有一定的差异；北京新5孔[16, 30]位于北京凹陷东部、大兴凸起西侧，在地貌上属于永定河晚更新世冲洪积台地上，第四系底界246.8 m，其与G01孔的沉积物组成具有一定的相似性，且G01孔与新5孔[16, 33]在第四系以下(约3.30~3.58 Ma)均有一层厚约20~80 m的泥砾、砂砾层，在横向上具有对比性，可作为河北平原广大冲积、冲洪积平原的一个标志层[16]，对第四系底界面的确定起到参考作用。
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图 4 典型界限处岩芯特征 Fig. 4 Core characteristics of typical lithologic boundaries |
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图 5 固安G01孔与天津BZ2孔[29]、北京新5孔[16]地磁极性时间对比 Fig. 5 Geomagnetic polarity timescale comparison of Gu'an G01 borehole, Tianjin BZ2 borehole, Beijing Xin 5 borehole |
(2) 中更新统(Qp2)底界面的确定：由古地磁极性倒转序列布容正极性时和松山反极性时(B/ M)的时间，其对应孔深为105.5 m，恰好为G01孔岩芯上一个重要的岩性界面(第5岩性段底界面)，界线上下的沉积物和沉积组合具有明显的差别，上部(第5岩性段底部)为粒度由细变粗的粉砂到中砂，发育波状层理和交错层理，下部(第6岩性段和第7岩性段)为粉砂、细砂与粘土质粉砂、粉砂质粘土互层，分别表现出河道沉积和河漫滩沉积的特征，因此下更新统的深度为105.5~183.7 m。
(3) 上更新统(Qp3)底界面和全新统(Qh)底界面的确定：在上更新统和全新统地层的粘土层中，采集了两块样品在北京大学考古文博院第四纪年代测定实验室进行了14C测年，测试结果见表 1。深度5.9 m处的样品年代距今约8 ka，深度35.1 m处的样品年代距今约34 ka。在46.3~59.2 m处为灰黄-灰黑色粘土、粉砂质粘土、粉砂、中砂，粒序层理发育，且于下部粘土呈突变接触，按照沉积速率推算及明显的岩性差异特征分析[19]，0.13 Ma的上更新统底界与第3岩性段底界(59.2 m)应一致。结合河北平原区及钻孔北部北京平原区全新世沉积物厚度分布以及岩性岩相变化特征[34]，第1岩性段灰黑色粘土及灰黑色中砂，与整个华北平原代表性的全新世暖期有机质富集的地层一致[8, 35]，将G01孔全新统底界面划在孔深21.45 m处，对应钻孔第1岩性段(图 4a)。
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表 1 固安G01钻孔14C测年表 Table 1 14C dating of Gu'an G01 borehole |
(1) 通过对固安G01孔古地磁样品的测试、分析得出，0~105.5 m为古地磁极性带的布容正极性时，105.5~183.7 m为古地磁极性带的松山反极性时，183.7~415.5 m为古地磁极性带的高斯正极性时。
(2) 以磁性地层为主导，以岩性地层特征和14C测年数据为辅对固安G01孔岩性地层进行初步划分，将第四纪地层划分为下更新统、中更新统、上更新统和全新统，其对应深度分别为：下更新统183.7~105.5 m，中更新统105.5~59.2 m，上更新统59.2~21.45 m，全新统21.45~0 m。
(3) G01孔的古地磁极性带分界与重要的岩性界面基本吻合的现象，基本反映了研究区第四纪古地磁场的变化、古气候变化和沉积物岩性变化之间的一些联系。G01孔可作为河北平原区广大冲积平原的一个参照剖面，对河北平原区第四纪地层划分和对比、活动断裂研究、构造单元划分、古地理环境演变研究提供重要参考。
致谢: 中国地质调查局一级项目《基础性公益性地质矿产调查》下设二级项目《永定河冲积平原区域地质调查》为本文的研究提供了丰富的基础资料，北京大学考古文博院第四纪年代测定实验室对14C样品进行了测年实验，中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与年代学实验室秦华锋、段宗奇、沈中山对实验操作和数据处理进行了耐心指导，在此致以诚挚的谢意。
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2 Tianjin Institute of Geological Survey, Tianjin 300191)
Abstract
The lithofacies of Hebei Plain was dominated by the thick alluvial and diluvial deposit with a complex lithological change. However, it is difficult to establish a representative stratigraphic sequence solely by analyzing the lithological combination and sedimentary facies in the borehole. The advancement of test methods and research precision makes it possible to establish a standard stratum sequence for the extensive alluvial plain of Hebei Plain. Based on observing the cores of the standard Quaternary borehole G01 (39°26'45"N, 116°15'18"E; 415.5 m in depth) in Gu'an County, this paper focused on dividing the loose sediments of it into nine major lithological sections, according to the sediment color, sedimentary environment, sedimentary cycle and structure. The 1st lithological segment mainly consists of gray-black clay and sand, which was interpreted as the river bank deposition and channel deposition. The 2nd~5th lithological segment is mainly composed of gray-yellow and gray-green clay, silty clay and silty with the structures of horizontal bedding and massive bedding as well as current bedding, represents alluvial deposits; The 6th~9th lithological segment is dominated by gray-yellow and brown-red clay, silty clay, clayey silty sand, fine sand and gravel layer. It represents the beach, channel and riverbed deposition. The results of the paleomagnetic test show that the intervals of 0~105.5 m is Brunhes normal polarity chron, from 105.5 m to 183.7 m is Matuyama reversed polarity chron, from 183.7 m to 415.5 m is Gauss normal polarity chron. According to the magnetostratigraphy, combined with the lithostratigraphic property and 14C dating data, we can divide the Quaternary strata into the Lower Pleistocene series, the Middle Pleistocene series, the Upper Pleistocene series and the Holocene series, with the depth of 183.7~105.5 m, 105.5~59.2 m, 59.20~21.45 m and 21.45~0 m, respectively.