刘修锦 王永红 李广雪 孙 涛 张卫国
(1.中国海洋大学海洋地球科学学院 海底科学与探测技术教育部重点实验室 山东青岛 266100;2.河北省地矿局秦皇岛矿产水文工程地质大队 河北秦皇岛 066001;3.Exxon Mobil Upstream Research Company,Houston,Taxas,77098;4.华东师范大学河口海岸学国家重点实验室 上海 200062)
黄河三角洲是在弱潮、多沙条件下形成的扇形三角洲,属典型的河控型三角洲,其特点是:河流作用远超过海洋作用,河道摆动频繁,泥沙在河口迅速堆积,形成面积大、沉积厚的三角洲[1,2]。这种三角洲通常是良好的石油储存地,因此对此类三角洲地层全新世和现代不同时间尺度的演化研究具有重要的理论和实际意义。其中单流路河道形成的叶瓣沉积是构成整个三角洲的重要单元,因此对单流路地层层序研究可以更好地理解河控三角洲发育过程。
对于黄河三角洲长时间尺度和现代的沉积都有较多的研究成果,如研究发现黄河三角洲河口附近中更新世以来共有11个地层单元,包括其中6个海相层和5个陆相层[3];黄河三角洲北部埕岛海域晚第四纪演变历史包括滨浅海—前三角洲—滨浅海—前三角洲等四元层序[4]。对黄河三角洲东北部浅层沉积特征进行分析,发现沉积相带主要以河道、决口扇、泛滥平原、潮坪为主,垂向序列类型主要为河口砂席—三角洲侧缘型和河口砂席—三角洲侧缘—砂席型两种[5]。现代黄河三角洲刁口流路的发育过程可以分为漫流填湾淤高阶段—顺直外延下切阶段—弯曲出汊充填堆积阶段—蚀退成堤平衡阶段等四个阶段[6]。虽然每个黄河三角洲叶瓣的发育时间不同,但其叶瓣演化一般遵循开始生长—向海伸展—横行扩展—废弃蚀退成堤的规律[7]。这些成果虽然对黄河三角洲的地层有了很好的总结,但是对于单个流路河道不同时间尺度的发展过程仍然需要全面的研究。
黄河三角洲刁口叶瓣主要是黄河在1953~1964年神仙沟行水期和1964~1976年刁口河行水期带来的泥沙淤积而形成的。1976年黄河改道清水沟后,本区泥沙供应几乎断绝,海岸发生强烈的侵蚀后退[8]。本文通过对刁口叶瓣ZK10-3和ZK30两个钻孔的岩芯、粒度、磁性进行研究,结合搜集的刁口叶瓣ZK227、ZK1和ZK228三个钻孔,对刁口叶瓣的地层进行分析,阐明刁口叶瓣地区全新世以及现代沉积地层的发育演化过程。
2010年4月在刁口叶瓣开展陆上柱状样钻探工作,获得 ZK10-3 孔(38°03'06.3″N,118°46'24.8″E,高程1.337 m,孔深 10.3 m)和 ZK30孔(38°08'20.0″N,118°48'29.7″E,高程 0.279 m,孔深 30.4 m),为了更好的研究整个刁口叶瓣地区地层信息,另搜集了ZK227[6,9]、ZK1[10]、ZK228[11]三个钻孔,钻孔位置如图1。
图1 叶瓣划分及钻孔位置图①1855~1889②1889~1897③1897~1904④1904~1929⑤1929~1934⑥1934~1953(下)1934~1964(上)⑦1964~1976⑧1976至今Fig.1 The study area and position of cores
本文选用的岩芯表层约1 m以浅部分以2 cm间距取样,以深部分以5 cm间距取样,共857个样品。粒度测试在青岛海洋地质研究所使用激光粒度仪(英国Malvern2000型)进行测试,测量范围为0.02~2 000 μm,粒级分辨率为0.01 φ,重复测量相对误差小于3%。每个样品取0.5 g左右,加入10%的H2O2溶液,静置24小时除掉有机质后,上机完成粒度测试。
磁性参数测量在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室完成。样品在40℃低温环境下烘干后,用玛瑙研钵轻轻敲碎压磨成粉末状。取7 g左右样品装入样品盒内,依次测量:(1)磁化率(低频磁化率Χlf,0.47 kHz和高频磁化率 Χhf,4.7 kHz);(2)非磁滞剩磁(ΧARM,交变磁场峰值为100 mT,直流磁场为0.04 mT);(3)饱和等温剩磁(SIRM,磁场强度为1T);(4)具有饱和等温剩磁的样品在磁场强度分别为-100 mT,-300 mT环境中退磁后的等温剩磁(IRM-100mT和 IRM-300mT)。磁化率用英国 Bartington MS2磁化率仪测量,剩磁用Dtech2000交变退磁仪、MMPM10脉冲磁化仪和Molspin旋转磁力仪测量。
选取ZK30孔中两处有机质含量高的黑色厚层样品(孔深22 m和23.6 m),在青岛海洋地质研究所进行常规碳测年。另外在ZK10-3和ZK30孔深18 m内部分以1 m间距取样并适当加密,共37个样品,在华东师范大学河口海岸学国家重点实验室进行210Pb测定。
根据钻孔的岩性、粒度及磁性特征,将ZK10-3孔划分为4个沉积相(A-D)(图2),将ZK30孔划分为10个沉积相(A-J)(图3)。
ZK10-3孔以6.3 m为界分为上(A和B层)下(C和D层)两部分。
A(0.0~2.76 m):浅黄色粉砂,平行层理发育,河床及边滩沉积。B(2.76~6.30 m):浅黄色粉砂为主,夹黄褐色黏土质粉砂薄层,平行层理发育,属于河床沉积层(图2)。
这两层主要以砂和粉砂为主,中值粒径为4~6 φ(平均4.9 φ),砂、粉砂和黏土的平均含量分别为22.7%、68% 和9%。磁性方面,Χ、ΧARM均比较低,平均分别仅有35.3×10-8m3/kg和125.8×10-8m3/kg,是整个岩芯最低的部分,因为非磁滞剩磁ΧARM对稳定单畴亚铁磁性矿物颗粒非常敏感[13],说明这两层磁性矿物含量较低。SIRM波动较大,但各层的平均值变化不大,说明亚铁磁性矿物在整个岩芯的含量变化不是很大。S-300除该层个别样品外,其余样品值均高于90%,说明不完整反铁磁性矿物含量很少。Χfd%反应样品中SP颗粒的多寡,通常认为Χfd%值为5%左右时,就能说明 SP颗粒含量较高[14],与之相对,ΧARM/Χ和ΧARM/SIRM值则反映较粗的MD/PSD颗粒含量的多少,当它们分别<10和<60×10-5m/A时,指示样品中较粗的MD/PSD颗粒含量较高[15,16]。该层 Χfd%、ΧARM/Χ 和 ΧARM/SIRM均比较低,说明 SP颗粒很少,较粗的PSD/MD颗粒主导样品磁性。
C(6.30~7.10 m):黄褐色黏土质粉砂为主夹黄色粉砂薄层,漫流沉积。D(7.10~10.3 m):灰褐色黏土质粉砂为主,三角洲侧缘沉积(图2)。
这部分样品较上部细,以粉砂和黏土为主,中值粒径为6.5~7.2 φ(平均 6.9 φ),粉砂含量相对 A 和B层变化不大,平均为69%,但砂和黏土的平均含量分别为 1.8%和 29.3%。磁性方面,C层 Χ、ΧARM、Χfd%、ΧARM/Χ 和 ΧARM/SIRM 均有所增加,S-300平均为93%,说明磁性矿物以亚铁磁性矿物为主且含量比上层高,SP颗粒含量增加,PSD/MD颗粒含量减少。D 层的 Χ、ΧARM、Χfd%、ΧARM/Χ 和 ΧARM/SIRM 均达到岩芯的最高值,SIRM/Χ则出现最低值,S-300较上部变化不大,说明亚铁磁性矿物在整个岩芯中含量最高,且含有较多SP颗粒。
A(0.0~2.48 m):浅黄色粉砂夹黄褐色黏土质粉砂,为分流河道及边滩沉积。中值粒径主要集中在3.3~6.7 φ(平均 4.8 φ)。砂、粉砂和黏土的平均含量分别为27.5%、62.1% 和10.9%。(图3)。
B(2.48~6.06 m):灰黄色细砂为主,平行层理发育,属于河口坝沉积。该部分是岩芯中最粗的部分,中值粒径集中在 3.4~6.7 φ(平均 4.0 φ),砂含量为整个柱状样中最高的部分,平均为56%,粉砂和黏土的平均含量分别为38.1%和5.6%。。
这两层的Χ、ΧARM、SIRM都比较低,说明磁性矿物含量较少。S-300均大于90%,平均为92.7%,说明不完整反铁磁性矿物含量很少,亚铁磁性矿物主导样品的磁性。Χfd%平均仅有2%,说明较细的SP颗粒含量较少。ΧARM/Χ和ΧARM/SIRM也比较低,说明亚铁磁性矿物主要以较粗的PSD/MD颗粒为主。
C(6.06~7.17 m):红褐色黏土夹浅黄色粉砂,为漫流沉积。
D(7.17~11.30 m):黄褐色黏土质粉砂与粉砂为主,多种层理及构造,属于三角洲侧缘沉积。
E(11.30~14.9 m):黄褐色黏土质粉砂为主,见生物扰动构造,属远端坝沉积。
这三层的粒度变化较剧烈,但均值相近,中值粒径集中在 5~6.5 φ(平均 5.6 φ),砂的含量锐减,平均为12.1%。粉砂和黏土含量较上层均有所增加,粉砂含量平均为71.2%,黏土含量平均为16.7%。磁性方面,这三层除S-300外,其他参数波动均较大且规律相同。Χ、ΧARM和S-300较上层有所增加,说明亚铁磁性矿物含量比上层高。Χfd%平均值达到5.8%,说明含有一定量的SP颗粒,ΧARM/Χ和ΧARM/SIRM比上层高,说明较粗的PSD/MD颗粒含量有所降低。
F(14.9~16.20 m):黄褐色黏土质粉砂为主,属于前三角洲沉积。这部分样品是岩芯中最细的部分,中值粒径平均为7 φ,砂的含量极少,平均仅为0.8%,黏土含量发生突增,平均达到31%,是岩芯中黏土含量最高的部分。该层的各个参数值均比较高,除了SIRM/Χ,其余参数均达到整个岩芯的平均最高值,说明该层的亚铁磁性矿物在整个岩芯中的含量达到最高水平,不完整反铁磁性矿物含量很少,较细的SP颗粒含量较高,较粗的PSD/MD颗粒含量较少。
G(16.20~21.45 m):灰褐色黏土质粉砂为主,贝壳碎屑富集,为浅海—潮坪沉积。该层与C层粒度特征相似,中值粒径在4.3~7.5 φ之间(平均5.9 φ)。该层是整个岩芯磁性参数变化最复杂的一层,除了S-300和 SIRM/Χ,各个参数值波动均比较大。Χ、ΧARM、SIRM随深度增加而减小,说明磁性矿物含量随深度增加而降低。S-300较高,平均为93%,SIRM/Χ也仅有9.7,说明该层不完整反铁磁性矿物含量很少,亚铁磁性矿物含量较高。Χfd%也呈现出随深度的增加而减小的趋势,平均为6%,说明含有一定量的SP颗粒,且随深度增加含量逐渐降低,ΧARM/Χ和ΧARM/SIRM均较高且波动较大,说明较粗的PSD/MD颗粒含量很少且变化剧烈。
H(21.45~26.52 m):灰色和蓝色黏土质粉砂,在22 m和23.5 m处有两处黑色泥炭富集层,属于盐沼沉积。中值粒径集中在3.8~7.5 φ(平均5.5 φ),砂、粉砂和黏土的平均含量分别为 17.9%、65.6%和15.2%。该层磁性方面,除了Χfd%和S-300变化较剧烈外,其余参数波动均较小,且各磁性参数值均较低。Χ、ΧARM和SIRM的平均值均很低,说明磁性矿物含量很低。S-300也比较低,平均为77%,说明不完整反铁磁性矿物占有较大的比例且波动较大。Χfd%平均为-1.1%,说明几乎不含 SP颗粒。ΧARM/Χ 和 ΧARM/SIRM均较低,说明PSD/MD颗粒主导样品的磁性特征。
I(26.52~29.70 m):灰色细砂,平行层理发育,见黑色炭屑富集薄层,河湖相沉积层。这部分粒度参数保持着上细下粗的变化规律,但变化的更加迅速。中值粒径平均为4.4 φ,砂的含量比上层有较大的增加,平均达到44.1%,粉砂和黏土的含量均有所减少,平均分别为50%和8.5%。该层的Χ、ΧARM和SIRM虽然较F层略有增加,但仍处于较低水平,说明磁性矿物含量较F层有所增加,但含量仍比较低。S-300平均值达到91.5%,说明不完整反铁磁性矿物含量很少,亚铁磁性矿物主导样品的磁性。Χfd%平均值仅有0.3%,说明SP颗粒含量极少,ΧARM/Χ和ΧARM/SIRM值比较低,反映了PSD/MD颗粒占优势。
J(29.70~30.40 m):黄褐色压实致密土壤化沉积物,见细小的贝壳碎片,为浅海沉积。岩芯粒度在29.7 m处立即变细,中值粒径平均为6.5 φ,砂的含量锐减至平均仅有9.7%,粉砂和黏土含量均发生突增,平均分别为66%和24%。该层磁性特征与F层类似,但除了Χfd%,其他各磁性参数值比F层更低,甚至部分参数值达到整个岩芯的最低值。不完整反铁磁性矿物所占的比例最高,磁性矿物颗粒主要以PSD/MD为主,几乎不含SP颗粒(图3)。
在ZK30孔中两处有机质含量高的黑色厚层样品(孔深22 m和23.6 m)进行常规碳测年。以1950年为计时零年,半衰期取5 730年,测年结果分别为8 800±100 a B.P.和10 210±155 a B.P.(图3)。在ZK10-3 和ZK30孔深18 m内的37个样品进行210Pb测定,但样品中过剩210Pb太少,无法准确得到测年数据。
图2 ZK10-3综合柱状图Fig.2 Summary diagram of Core ZK10-3
图3 ZK30综合柱状图Fig.3 Summary diagram of Core ZK30
本区域水动力条件比较复杂,样品中剩余210Pb太少,用210Pb和137Cs等方法进行测年时,无法准确得到沉积物的年代。但可以通过岩性的突变或颜色等事件性的变化来反映。在钻孔剖面上如果发生岩性突变,便表明河口位置发生变化[17]。现代黄河分流河道有清楚的历史记录,特别是1934年以来的记录尤为清楚,三角洲的沉积物空间分布有明显的规律可循,分流河道频繁改动、沉积与侵蚀交替恰恰有利于年代的确定,因此对于现代黄河三角洲来说,这种方法的可靠性和精度以及费用低廉都好于210Pb测年[9]。薛春汀根据沉积物岩芯突变情况分析其形成时的河道摆动位置,确定黄河三角洲各叶瓣沉积物形成的年代[17]。ZK30孔岩芯在16.2 m处发生颜色突变,由灰黑色突变为黄褐色,同时黏土含量由20%增加到30%,砂的含量由12.2%锐减至0.8%,同时X、Xfd%、XARM等磁学参数值也均发生突增,而且16.2 m以深处有贝壳碎片富集,有生物扰动迹象,说明16.2 m以深部分为浅海沉积,随后被黄河改道带来大量细颗粒黄土堆积在此之上形成前三角洲沉积相,因此可以将该深度的年代确定为1855年。由于1964年改道初期,黄河漫流入海,流速减慢,因此在河口处沉积细颗粒物质,ZK30孔7.17 m处沉积物粒度也发生突然变细,黏土含量由14.4%增加至21.7%,中值粒径由 5.2 φ 增加至 6.0 φ,X、Xfd%、XARM等磁学参数值也均发生突变,沉积物由黄褐色粉砂变为红褐色黏土质粉砂,这也说明在7.17 m处开始接受刁口流路的沉积物。由图2和图3的粒度数据可以看出,1855年以来,黄河三角洲的粒度明显呈现下细上粗的河控型三角洲特征。
自1855年黄河改道以后黄河共经历7次大的改道,形成8 个叶瓣[9,17,18](图 1),每个叶瓣形成时间都较短,仅有几年到几十年。刁口叶瓣发育的12年间,其沉积量约为83×109t,其中陆上三角洲平原沉积量约34×109t,水下三角洲5 m以浅区域沉积量约27×109t,水深 5~20 m 区域沉积量约 22×109t[19]。通过5个孔的资料,可以发现每个演化阶段的沉积厚度各不相同(表1)。
结合搜集的刁口叶瓣三个典型钻孔 ZK227[6,9]、ZK1[10]和 ZK228[11,12],与本研究钻孔 ZK10-3 和 ZK30孔进行地层对比(图4)。按照年度及沉积相特征将该地区地层自下而上划分五个层:Ⅰ.浅海相沉积层;Ⅱ.河湖相沉积层;Ⅲ.浅海潮坪沉积层;Ⅳ.1855~1964年三角洲沉积层;Ⅴ.1964年以来三角洲沉积层。
结合五个钻孔地层特征对比分析,揭示刁口叶瓣地区全新世以来的地层演化(图4和图5)。该区域主要经历了两次海侵和两次海退事件,在大约距今2.3~3.5万年前,海平面较高[3],发育了Ⅰ层,主要为献县海侵时形成。该层沉积物颗粒较细,磁性矿物含量较低,主要以较粗的亚铁磁性矿物为主。之后开始进入末次冰期盛冰期,海平面下降100多米,该地区成为陆地,发育了一些宽缓的河流和浅水湖,湖泊淤积最后发育成盐沼,形成Ⅱ层,分别对22.0 m和23.5 m两处的黑色泥炭富集层进行14C测年,结果显示两处的年代分别为距今8 800±100 a B.P.和10 210±155 a B.P.,主要为全新世沉积。该层沉积物粒度底部较粗,自下而上呈现出变细的趋势,磁性矿物含量仍保持在较低水平,磁性矿物颗粒较粗,下部亚铁磁性矿物含量相对较高,上部不完整反铁磁性矿物含量相对较高。距今8 500年左右,气候变暖,海平面上升,发生黄骅海侵[23],发育了约5.2 m厚的Ⅲ层,该层主要为浅海—潮坪沉积层,沉积物颗粒较细,磁性矿物以亚铁磁性矿物为主,含量较高且向上有增大的趋势,磁性矿物颗粒向上也逐渐变细。该层上部发育了近现代黄河三角洲沉积层Ⅳ和Ⅴ层。Ⅳ层为1855~1964年发育的黄河三角洲沉积层,该层沉积物颗粒较细且变化较剧烈,磁性矿物以亚铁磁性矿物为主,含量较高,颗粒较细;Ⅴ层为1964年刁口河行水期间形成的三角洲沉积层,该层沉积物颗粒较粗,磁性矿物以亚铁磁性矿物为主,含量较低,颗粒较粗。
表1 1855年以来刁口叶瓣地区地层演化过程Table 1 Evolution processes of sedimentary sequence in the Diaodou lobe since 1855
图4 刁口叶瓣地区浅地层沉积序列对比Fig.4 The comparison of shallow sedimentary sequence in Diaokou lobe
图5 刁口叶瓣剖面图Fig.5 Profile of Diaokou lobe
以河流作用为主的现代黄河三角洲,其河道发育演变特征对三角洲的形成、发育和沉积作用具有重大作用。黄河三角洲属于浅水三角洲,有广大的分流系统,输沙量大(约为密西西比河的42倍),三角洲轮廓发育成扇形;而现代密西西比河的受水海域较深,三角洲属于深水三角洲,分流河道非常发育,但输沙量非常小,所以形成鸟足状的三角洲[24]。但两者的发展过程相似,都是由不同时期形成的叶瓣相互叠加而形成的,现代黄河三角洲自1855年来共形成8个叶瓣,平均每个叶瓣活动时间不到20年,如刁口叶瓣是到目前为止完整发育的最后一个叶瓣,发育仅有12年多。而密西西比河三角洲发育已有7 500多年的历史,共发育了七个大的三角洲叶瓣,每个叶瓣发育时间约 1 000~1 500 年[25,26],黄河三角洲变化如此剧烈,主要与尾闾河道宽浅,携带泥沙量大,泥沙淤积强烈有关,而密西西比河的河道窄深,携带泥沙量少,河道泄洪排沙能力较强,因此叶瓣摆动时间间隔长。
黄河三角洲其沉积结构在垂向依次发育是:陆架沉积、前三角洲沉积、远端坝沉积、三角洲侧缘沉积、漫流阶段沉积、河床及河口坝沉积、分流河道及边滩沉积。密西西比河三角洲垂向沉积序列依次发育:陆架沉积和崩塌块体沉积、前三角洲沉积、远端沙沉积、河口沙坝和河道沉积、漫滩冲积扇沉积、分流间湾沉积、决口扇沉积、海湾和沼泽沉积[27,28]。沉积物粒度特征也呈现出下细上粗的特征。二者的沉积模式非常相似,三角洲均是以沉积物较细的前三角洲沉积开始的,随着河道向前延伸,发育成三角洲前缘或侧缘,而后河道开始分汊,发育成分流河道,最后河道废弃并遭受冲刷侵蚀。但是黄河三角洲叶瓣发育初期没有固定河道,以漫流形式入海,因此在两个柱状样中均有漫流沉积记录,而密西西比河三角洲缺少漫流沉积记录,这可能是由于其含沙量少(黄河含沙量为25.2 kg/m3,密西西比河含沙量仅有 0.6 kg/m3)[26],漫流沉积记录不明显所致。黄河三角洲主要发育三角洲河口沙坝,并逐渐向海延伸覆盖前三角洲,从而形成沉积物向上变粗的层序,这是黄河三角洲垂向沉积序列模式的最主要的特征[26,29]。
总之,黄河三角洲发育模式为多沙河流三角洲发育的共同特征,它的形成与黄河携带的巨量泥沙和入海口水深较浅有关,加上该地区潮汐波浪作用不强,河口频繁改道等作用,所以形成了现在的朵状黄河三角洲。
(1)两孔粉砂含量均超过50%,部分段甚至达到70%。砂和黏土含量相对较少,且垂向变化较大。1855年以来,粒度呈现出下细上粗的特征,这一点与河控型三角洲特征相吻合。两孔主要以亚铁磁性矿物为主,仅ZK30的部分样品含有较多不完整反铁磁性矿物,磁性矿物主要为较粗的PSD和MD颗粒为主。
(2)通过磁性参数与粒度参数的对比以及岩性分析,对岩芯进行分层,推断该地区全新世以来依次经历了浅海—河湖—盐沼—浅海—三角洲等沉积过程。
(3)通过对1855年以来两孔的沉积物粒度、磁性等特征对比,建立两孔地层对应关系。结合另外搜集的三个钻孔资料分析发现该地区经历的三角洲沉积过程依次为前三角洲沉积、远端坝沉积、三角洲前缘沉积、漫流沉积、河床及河口坝沉积和分流河道及边滩。
(4)黄河三角洲沉积是复杂的多种沉积环境的组合,根据三角洲沉积物和沉积相的结构特征,可以将现代黄河三角洲刁口叶瓣发育划分为漫流淤积—单一河道沉积—出汊改道沉积—废弃蚀退四个阶段。
致谢 刘勇博士、徐继尚博士和高伟博士负责完成野外调查与采样、粒度及AMS14C测年,董辰寅等协助环境磁学测量实验,在此一并致谢!
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