松嫩平原东部中、晚更新世地层界限：光释光年龄及元素变化

高 文，贾大成，李桐林，王泽光，姜琦刚，刘春茹，张 潇，姜 涛

1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026

2.河北省地质矿产勘查开发局第四地质大队，河北 承德 067000

3.中国地震局地质研究所/地震动力学国家重点实验室，北京 100029

0 引言

松辽平原是我国第四系非常发育的地区之一，具独特的沉积地层组合，隶属于东北第四纪地层区。松辽平原由于沉积环境的差异，大致以双辽－扶余－肇州－北安一线为界，可以分为松辽西部和松辽东部第四纪地层小区。松辽西部长期处于沉降状态，更新世地层多被埋藏；而松辽东部介于松辽西部沉降带与东部山区的过渡地带，由于构造掀斜作用，更新世地层在阶地或台地出露。因受到地层剖面出露条件的限制和缺少可靠定年数据，致使对松辽平原东部更新世地层的划分，尤其是中、晚更新世的界限尚未形成统一认识［1－4］。国际地科联（IUGS）2009年正式批准的国际地层委员会（ICS）提案：将早更新世下界定为2.58Ma BP，相当于古地磁松山反向/高斯正向界线；中更新世下界为0.78Ma BP，相当于古地磁松山反向/布容正向界线；晚更新世下界为0.128Ma BP［5］。此划分是否适合于松辽盆地实际情况需进一步检验。笔者在进行东北地区第四纪遥感环境调查中，于黑龙江省方正县发现了出露比较好的更新世地层剖面，通过对剖面沉积物研究、光释光（optically simulated luminescenc，OSL）定年和主要氧化物、稀土及微量元素分析，认为该剖面中、晚更新统界限比较清楚，在界限处不同元素表现出明显变化，沉积环境差异明显，比较适合确定中、晚更新世的地层界限。该剖面不仅可以为建立松辽平原东部中、晚更新世的地层界限成型剖面提供参考，而且可以为了解中、晚更新世沉积环境提供地质依据。

1 中、晚更新世沉积剖面地质特征

剖面位于黑龙江省方正县宝兴乡莲花砖厂，地理坐标为东经128°44.862′，北纬45°48.278′（图1），剖面发育在松花江二级阶地或台地上。

剖面出露厚12.0m，深部未见底，以亚黏土和黄土堆积为主，依据沉积物特征可以分为6层（图2），由下至上为：

图1 宝兴乡莲花砖厂采样位置示意图Fig.1 Sampling site of the Lianhua brickyard in Baoxing Town

（1）黄褐色细砂层：由细砂、粉砂组成，具有斜层理、水平层理，出露厚2.5m，深部未见底；

（2）灰色－灰白色亚黏土层：由黏土组成，具水平层理，贝壳状断口，厚1.0m；

（3）黑色黏土层：由黏土组成，具水平层理，可见植物根茎残留，厚3.5m；

（4）黄土状亚黏土层：由亚黏土组成，具不清楚的水平层理，可见铁锰结核，厚2.0m；

（5）黄土层：由结构松散的亚黏土组成，具柱状层理，厚2.5m；

（6）黑土层：为现代黑土，空隙发育，具有现代植物根系，厚0.5m。

图2 宝兴乡莲花砖厂第四系剖面Fig.2 The Quaternary section of the Lianhua brickyard in Baoxing Town

从剖面可以看出，各层之间沉积物差异比较明显：下部（1）层以具有斜层理的细砂为主，构成河流相沉积，明显不同于其他层位；（2）、（3）、（4）层以黏土、亚黏土沉积为主，依据残留植物根茎、铁锰结核以及水平层理，推测为漫滩湖沼相沉积，受沉积环境影响，沉积物颜色有变化；（5）层为黄土堆积，现代黑土壤层（6）直接发育在黄土堆积物之上。总体上可以分为下部河流细砂岩，中部湖沼亚黏土和上部黄土堆积等3个沉积物组合层位。

2 光释光测年和样品化学分析

光释光样品采自剖面（1）层，使用直径为10cm的钢管打入采样层位，采样后立即用锡箔纸封口避免受阳光照射。样品测定是在中国地质科学院水文地质环境地质研究所光释光室完成，测得样品的环境剂量：w（U）为1.53×10－6、w（Th）为4.11×10－6、w（K2O）为2.37%，得到光释光年龄结果（表1）。化学分析样品分别采自各层，对各样品同时进行主要氧化物、微量元素和稀土元素分析，样品分析在吉林大学分析测试中心完成。主要氧化物分析方法为X－荧光分析，分析仪器为X－射线荧光光谱仪，氧化物分析精度优于5%。微量元素和稀土元素分析方法为ICP-MS，仪器型号为美国安捷伦7500型ICP-MS，分析精度优于2%。通过测试获得各层沉积物主要氧化物、微量元素和稀土元素分析结果（表2）。

表1 细砂样品OSL年龄测定结果Table 1 The OSL dating of fine sand samples

3 中、晚更新世地层界线及其沉积环境分析

3.1 中、晚更新世地层划分与地层界线

松辽平原东部边缘的中、晚更新世地层发育在波状山前台地或河流Ⅲ级阶地上，沉积物以河湖及沼泽相的砂、亚砂土、亚黏土和黄土为主。对于这套地层，在黑龙江省划分为下荒山组、上荒山组、哈尔滨组和顾乡屯组［1］，而在吉林省划分为荒山组、东风组、顾乡屯组及群力组［2］。下荒山组和上荒山组源自裴文中［6］首先使用的“黄山组”一词，建组剖面为荒山剖面，原荒山组剖面分为上、下两段：下段为河流相、湖滨相、湖相沉积，为灰黄色、灰白色粗砂夹小砾石、青灰色及紫褐色黏土、黄砂、亚砂土；上段为黄色亚砂土、黄土沉积。1997年地层编表时将下段划为下荒山组，上段划为上荒山组，两者之间为平行不整合接触。下荒山组距顶界3m处为B/M界面，其时代相当于730ka，下部出现相当于900～970ka的加拉米洛事件，古地磁时限为600～1 200ka，因此其形成时代为早更新世的晚期。上荒山组顶界热释光年龄为（230±11.5）ka，底部热释光年龄为（430±21.6）ka，古地磁相当于布容正极性，古地磁时限为240～500ka，其形成时代为中更新世早期，上荒山组和下荒山组之间可能沉积间断100～150 ka。上荒山组之上被哈尔滨组平行不整合，哈尔滨组位于荒山剖面上部，由灰黄色到灰棕色均质无层理、垂直节理发育的黄土和具有微层理并含锰质结核和豆状结构的黄土状土组成，称为“哈尔滨黄土”；该组中热释光年龄为（126±6.3）ka，相当于晚更新世早期。哈尔滨组之上为顾乡屯组，是著名的猛犸象－披毛犀动物群的产地，在哈尔滨阎家岗出土古人类化石，人骨14C年龄为（22.37±0.30）ka，自从1976年沈阳东北区域地层编表会议以后，便确立了顾乡屯组是东北晚更新世标准地层［7］。顾乡屯组顶部夹有两层黑色古土壤，这两层埋藏黑土14C年龄分别为（33.66±3.27）ka BP和（30.20±0.87）ka BP［8］。顾乡屯组之上覆盖晚更新世马兰黄土。从上述更新世地层可以看出，下荒山组、上荒山组和顾乡屯组的顶、底界限都比较明确，唯独哈尔滨组底界不是很清楚，虽然该组中热释光年龄（126±6.3）ka接近于国际地层委员会（ICS）提出的晚更新世下界128ka的年龄值［5］，但由于该年龄并非在晚更新世地层底部所采，因此不宜作为松辽平原东部中更新世和晚更新世的界限年龄。

表2 方正剖面各层沉积物中元素质量分数测试结果Table 2 Compositions of elements in sediment of Fangzheng section

作为中、晚更新世界限性地层除了年龄值以外，沉积物特征、岩相变化和沉积环境及古地磁等都是重要的标志。方正剖面位于荒山剖面东约13km，地理位置比较接近，可与荒山剖面互补，为松辽平原东缘中、晚更新世地层界限提供佐证。方正剖面底部出现的河流相细砂与其上部黏土、亚黏土、黄土在沉积物组成上明显不同。从沉积环境角度分析，底部河流相反映为温暖湿润的环境，其上灰白色黏土层以富铝的黏土为主，推测为化学风化比较强烈的环境，黑色黏土层具水平层理和植物根茎残留反映沼泽沉积环境，黄土状亚黏土层具弱水平层理和铁锰结核反映沼泽抬升接受氧化的漫滩环境，而上部的黄土为干冷氧化环境。可见，中更新世主要为温暖潮湿环境，而晚更新世开始由残留的沼泽向干冷环境转变，这期间沉积环境变化是明显的。由于本次在底部河流相顶部所测细砂光释光年龄为149.6 ka，可将其视为中更新世顶部的年龄，其上部的黏土、亚黏土和黄土层可以作为晚更新世的底部层位，其中亚黏土和黄土层与荒山剖面的哈尔滨组相当，由此显示在哈尔滨组黄土之下应该有一套黑色黏土层和黄土状亚黏土层，代表由河流相向黄土的过渡。考虑到中更新世顶部年龄149.6ka和哈尔滨组（126±6.3）ka的年龄值，以及哈尔滨组下部可能存在的亚黏土层，认为将松嫩平原东部的中、晚更新世界限年龄置于140ka更符合地层实际情况。界限地层层位置于方正剖面河流相细砂层与其上部灰白色黏土层之间。

在松辽平原与方正剖面可以对比的是吉林省榆树县东岗村剖面。剖面位于榆树县周家油坊秀水河三级阶地上，剖面下部为东岗组，上部相当于哈尔滨组。东岗组为冲积物地层，主要沉积物为灰绿色黏性土和黄砂等河湖相沉积，厚10～20m，东岗组上界处热释光年龄为（143±7.15）ka BP，下界处为（179±8.90）ka BP，其时限约为150～200ka［8］。剖面上部哈尔滨组为淡棕黄色黄土，其顶部热释光年龄为（85±4.25）ka BP，估计此处哈尔滨黄土时限约为80～140ka间。由此可以看出，东岗组为中更新世，其上界处热释光年龄143ka与方正剖面河流相的热释光年龄149.6ka非常接近，进一步证明将140ka作为松辽盆地东部中、晚更新世地层界限年龄是可行的。另外在长春地区的陶家园子地层剖面可以见到哈尔滨组超覆到下白垩统泉头组之上（图3），在其底部的热释光年龄为134.53ka［9］，这也说明将140ka作为松辽平原东部中、晚更新世地层的界限年龄是合理的。

3.2 沉积环境地球化学特征

由于某些氧化物、微量元素和稀土元素在沉积物中的含量受沉积环境制约，因此沉积物中元素含量变化可以反映沉积环境的差异［10－15］。从方正剖面不同沉积层氧化物、微量元素和稀土元素含量变化曲线可以明显反映出在中、晚更新世地层界限处，即河流相的细砂层到灰色黏土层，元素都出现转折性变化，一般由细砂层到灰色黏土层元素突然增高或降低，而后在灰色黏土层到黄土层变化不大，体现出前后两个差异较大的环境，而在该处恰是上述光释光年龄和沉积物所确定的中、晚更新世地层界限，表明中更新世末、晚更新世初沉积环境发生了明显变化（图4）。

图3 陶家园子地层剖面素描图（底图据文献［9］）Fig.3 The stratigraphic section drawing in Taojiayuanzi（base map from reference［9］）

主要氧化物Al2O3和Fe2O3在表生条件下比较稳定，MgO、CaO、Na2O、K2O比较活动而易于迁移，它们之间的比值可以用于反映环境变化。在方正剖面［CaO/（MgO＋Al2O3）］×10和SiO2/MgO值突然下降，而（Fe2O3＋Al2O3）/（MgO＋CaO＋Na2O＋K2O）和 Al2O3/（CaO＋Na2O）值突然上升（图4）。Ti、Mn、Fe是在风化残积物中比较稳定的元素，从图4中可以看出，河流相砂层含量较低，到灰色黏土层突然增高并达到一定的稳定，这可能与灰色黏土层所处的较强烈的化学风化环境吻合。微量元素 Rb、Cr、V、Zn、Li、Ni、Co、Y、Cu、Pb、As、Cs、Cd和Rb/Sr值从河流相砂层到灰色黏土层突然增高，然后达到一定的稳定区间，而微量元素Sr和Sr/Ba值则相反（图4），这种变化除与黏土矿物的吸附有关外，在一定程度上也受到沉积环境变化的影响，更重要的是这种变化体现在地层界限处。

稀土元素作为一组地球化学性质相近、地球化学行为惰性的元素组合，不仅在岩浆演化和岩石成因方面具有示踪意义，而且也具有古气候、古环境的指示意义［16］。方正剖面球粒陨石标准化的稀土配分模式为轻稀土富集的右倾型，重稀土基本一致，但河流相细砂层轻稀土富集的程度相对较低，低于上地壳平均值，不出现负Eu异常；而其他黏土层和黄土层具有一致的轻稀土富集程度，并与上地壳平均值非常接近，具有弱的负Eu异常，轻稀土元素对环境的反应比较灵敏［17］。可见剖面底层的河流相砂层与其上部层位存在较明显的环境差异。另外，黏土层和黄土层与上地壳平均值具有一致的分布形式，表明其沉积物来源主要是上地壳的风化物质（图5a）。

图4 方正剖面各沉积层元素变化曲线图Fig.4 The element change curve drawing of each sedimentary sequences in Fangzheng section

方正剖面北美页岩标准化的稀土配分模式各层分布总体上具有相似性，基本为近水平分布，但可以进一步详细分为3种分布形式（图5b）：一是河流相细砂层，其稀土总量水平低，均低于北美页岩，基本没有负Ce异常，出现明显的正Eu异常和正Ho异常；二是灰色黏土层，其稀土总量较高，接近于北美页岩，出现弱的负Ce异常，具有较明显的正Eu和Sm异常和正Ho异常；三是黑色黏土层及其以上的层位，其稀土总量最高，一般高于北美页岩，出现弱的负Ce异常，具有较明显的正Eu和Sm异常和正Ho异常。3种不同的分布形式体现出沉积环境的差异。Ce是变价元素，源区的风化作用环境是制约沉积物Ce异常的一个重要因素：在弱酸性、氧化的风化过程中Ce3＋被氧化成Ce4＋，Ce4＋极易水解而形成沉淀，使风化的源区富集Ce，而淋出液贫Ce，在沉积区产生Ce负异常；相反，在强碱性、还原条件下，Ce4＋易被还原成Ce3＋，易遭受淋滤而发生迁移，使风化的源区亏损Ce，而淋出液富集Ce，在沉积区产生Ce正异常。中更新世晚期河流相砂层不出现负Ce异常，说明其当时可能处于近中性的表生环境，而晚更新世早期各层均出现负Ce异常，说明其当时环境可能转变为弱酸性、氧化的表生环境。另外，∑REE、LREE和δEu由河流相砂层到灰色黏土层也出现明显的突变（图4），这种环境的转变可以为中、晚更新世界限性地层划分提供依据。

图5 方正剖面球粒陨石标准化稀土配分模式图（a）和北美页岩标准化稀土配分模式图（b）Fig.5 Chondrite-normalized REE distribution patterns of Fangzheng section（a）and NASC-normalized REE distribution patterns of Fangzheng section（b）

4 结论

1）方正剖面为跨越中、晚更新世地层的剖面，在中更新世顶部细砂层中获得149ka光释光年龄，与中更新世东岗组上界处143ka热释光年龄非常一致，与陶家园子剖面超覆于泉头组之上晚更新世哈尔滨组底部134.53ka热释光年龄协调衔接，因此将松辽平原东部中、晚更新世的界限年龄置于140 ka。

2）由于方正剖面沉积环境发生了明显变化，致使主要氧化物、微量元素和稀土元素含量在中、晚更新世的界限处都发生了明显突变。其中：中更新世以河流湖泊发育的温暖湿润环境为主，晚更新世以沼泽漫滩过渡到风沙发育的干旱凉冷为主。从地球化学角度应将环境指示元素含量发生明显变化处作为中、晚更新世界限。

3）通过方正剖面与榆树东岗村剖面地层的对比，认为方正剖面更适合为松辽盆地东部建立中、晚更新世的界限性成型剖面提供参考，同时也可以为分析中、晚更新世沉积环境提供地质依据。

中国地质科学院水文地质环境地质研究所王成敏研究员和赵华研究员在样品分析过程中给予的帮助，在此表示感谢。

（

）：

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