苏北盆地TZK9孔磁性地层及重矿物组合特征研究

程 瑜，李向前，赵增玉，张祥云，郭 刚

(江苏省地质调查研究院，南京 210049)

苏北盆地TZK9孔磁性地层及重矿物组合特征研究

程 瑜，李向前，赵增玉，张祥云，郭 刚

(江苏省地质调查研究院，南京 210049)

通过对苏北盆地TZK9孔的磁性地层和重矿物组合分析，探索了该地区晚上新世以来沉积物的物源变化特征。古地磁结果显示，TZK9孔的M/G界线位于250.3 m，B/M界线位于78.5 m，并很好记录了2次正极性亚时(Jaramillo和Olduvai)，分别位于129.0～150.2 m与172.55～192.80 m，通过沉积速率外推获得该钻孔的底界年龄约为3.0 Ma。对TZK9孔重矿物组合、特征指数进行分析，并结合淮河及长江下游的重矿物组合特征，揭示在距今3.0～2.6 Ma其沉积物主要来自于淮河流域。而相比晚上新世，第四纪的磷灰石、锆石、金红石、电气石含量增加，表明该地区开始受到了长江流域的影响，而第四纪以来重矿物特征指数(ZTR)逐渐增大可能主要受控于全球气候变化。

晚上新世；磁性地层；重矿物；苏北盆地

0 引言

苏北盆地位于江苏省东北部，包括里下河平原和苏北滨海平原，总面积约3.28×104km2。苏北盆地是晚中生代以后发育的大型沉积盆地[1～3]，历史时期内长江、黄河和淮河携带的大量物质在此沉积了数千米厚的河湖相地层[4～6]，其沉积物很好地记录了长江、黄河和淮河的演化过程，是追踪源和汇过程的理想区域。关于苏北平原的物质来源，前人的研究主要集中在全新世[7～9]，对长尺度的物源变化研究较少，仅苏强等[10]利用XH-1孔的粒度和磁化率的相关性进行了初步分析。

重矿物耐磨蚀、稳定性强，能较多地保留其母岩的信息，在沉积物物源分析中占有重要地位[11～13]。本文通过对苏北平原地区TZK9孔系统的磁性地层学研究，结合重矿物组合及特征指数分析结果，并与长江、淮河流域的重矿物组合进行对比，探讨该地区晚上新世以来沉积物的物质来源特征和水系变迁。

1 区域地质概况

苏北盆地东临黄海，西接宁镇扬丘陵岗地区，北面为徐淮黄泛平原区，南面与长江三角洲平原区相连，介于32°10′—35°05′N、118°40′—120°30′E之间。苏北盆地大地构造位置上属于扬子陆块的东北缘，西以郯庐断裂为界，东面延伸入黄海，北接苏鲁造山带，南邻通扬隆起。晚白垩世—古近纪，随着太平洋板块向东亚板块俯冲，中国东部区域应力背景、应变方式均发生了根本性改变，在构造作用下，整体呈现“两坳夹一隆”的构造格局(即盐阜坳陷-建湖隆起-东台坳陷)。新近纪以来，全区持续拗陷，在河流、湖泊、海洋等外部营力的作用下，形成了连续的、巨厚的新生代地层，地貌上逐渐由盆地发展为平原。

2 样品采集及测试

2.1 剖面特征

TZK9孔(32°35′N，120°6′E)位于江苏省泰州市东北约20 km处(见图1)。钻孔所处地区属东亚季风气候，雨热同期，夏季高温多雨，冬季寒冷干旱，年均降水量1038 mm左右，年平均气温14～15 ℃。

图1 钻孔位置图Fig.1 Position of core TZK9

钻探进尺共286.86 m，依据岩性特征，可将钻孔自上而下分为16层：

(1)0～3.33 m，灰色、灰黑色黏土层，零星见钙质结核；

(2)3.33～8.46 m，灰黄色、黄灰色黏土、粉砂质黏土、含黏土粉砂、黏土质粉砂，局部富集锈黄色铁锰质斑点；

(3)8.46～16.2 m，灰色黏土、黏土质粉砂与黏土混层、含粉砂黏土、黏土质粉砂；

(4)16.2～37.55 m，灰色、灰绿色、棕黄色黏土、含黏土粉砂、黏土质粉砂；

(5)37.55～76.1 m，以灰色为主，零星见棕黄色、灰绿色，岩性为含黏土粉砂、黏土、黏土质粉砂、含粉砂黏土、粉砂质黏土，零星见钙质结核，局部富集贝壳碎片；

(6)76.1～171.2 m，以灰黄、棕黄色为主，局部段为灰色，岩性为黏土、含粉砂黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂、含黏土粉砂、粉砂，局部夹灰绿色根痕及斑块，零星见钙质结核、白色螺壳碎片及黑色、锈黄色铁锰质斑点、结核；

(7)171.2～179.5 m，浅灰色中砂、粗砂、含砾粗砂、砾质粗砂、砂砾层，上部为深灰色粉砂夹灰褐色黏土，砾石砾径0.2～0.5 cm不等，分选中等，为次磨圆—次棱角状，主要成分为石英；

(8)179.5～180.12 m，浅灰色—灰白色含砾黏土质粉砂，风化强烈，胶结作用强，砾石砾径小(0.2～0.5 cm之间)，磨圆、分选中等；

(9)180.12～183.85 m，灰色含砾中粗砂、含砾中砂，分选较差，粒径0.2～4.0 cm；

(10)183.85～184.68 m，浅灰色黏土，顶部为不整合面，风化强烈，可见少量小的砾石和钙质结核；

(11)184.68～245.3 m，以棕黄色、棕红色、灰黄色为主，局部见灰色，岩性为黏土、含粉砂黏土、含钙质结核含粉砂黏土、黏土质粉砂、粉砂等；

(12)245.3～254.15 m，以黄灰色为主，局部段为灰黄色、灰色，岩性为粉砂—粉细砂，局部夹黏土质粉砂及黏土团块，其中可见少量钙质结核；

(13)254.15～268.1 m，由3个由粗至细的沉积旋回组成，自下而上分别为中细砂—中粗砂夹黏土、砾质中粗砂—含砾中粗砂—细砂、砂砾层—中砂—含黏土粉砂；

(14)268.1～274.25 m，黄灰色黏土质粉砂—粉砂、粉砂—粉细砂，局部段钙质胶结成砂盘，顶部为灰绿色黏土；

(15)274.25～280.8 m，棕黄—棕红色含钙质结核黏土，灰绿色淋滤条带发育，钙质结核较小；

(16)280.8～286.86 m，黄灰色粉砂质黏土—黏土质粉砂、粉砂—粉细砂，局部钙质胶结。

2.2 样品采集及测试方法

钻孔岩心以30 cm间距采集古地磁定向样品共805块，样品测试在南京大学古地磁实验室完成。热退磁前首先测试了所有样品的天然剩磁，根据不同的岩性按照0.3～0.6 m间距对382块样品用TD-48全自动热退磁仪以15～100 ℃间隔进行了系统热退磁，退磁温度分别为100 ℃，200 ℃，250 ℃，300 ℃，340 ℃，380 ℃，420 ℃，460 ℃，500 ℃，525 ℃，550 ℃，565 ℃，580 ℃；将剩磁超过20%的样品进行进一步加热，温度分别为610 ℃、640 ℃、670 ℃、690 ℃。在表征退磁结果的剩磁矢量正交投影图(见图2)上，所有样品的剩磁均有2个分量——次生粘滞剩磁分量及原生特征剩磁分量，大部分样品退磁效果较好，在低温(小于300 ℃)分量获得特征剩磁方向，退磁曲线基本呈线性且趋向原点。剩磁在2G-755型超导磁力仪上进行测试。

图2 TZK9孔典型样品热退磁的剩磁矢量正交投影图Fig.2 Orthogonal demagnetization plots diagram of typical normal and reversed samples from core TZK9

3 测试结果

3.1 磁性地层

对于钻孔样品而言，由于北方向不确定，磁性地层的确立往往重点考虑磁倾角的变化特征。泰州TZK9孔的磁性地层结果如图3所示。

图3 TZK9岩石地层及磁性地层Fig.3 Lithostratigraphy and magnetostratigraphy of sediments from the core TZK9

磁性地层结果显示，M/G界限位于钻孔250.3 m处，B/M界线位于78.5 m，129～150.2 m和172.55～192.8 m，分别对应Jaramillo和Olduvai正极性亚时。以古地磁界限作为年龄控制点，计算出每个序列的沉积速率(见图4)。从图4可以看出，中更新世以来的沉积速率为0.1 mm/a，0.78～1.07 Ma的沉积速率较高，为0.24～0.26 mm/a，1.07～2.58 Ma的沉积速率较低，为0.031～0.12 mm/a，根据1.945～2.58 Ma的平均速率0.09 mm/a推算出钻孔的底界年龄约为3.0 Ma。根据极性倒转界限年龄进行线性内插获得该钻孔的时间标尺。

图4 TZK9孔的深度-年龄关系图Fig.4 Relationship between age and depth of sediments in core TZK9

3.2 重矿物

在相似的水动力条件下，重矿物特征指数(ATi指数、GZi指数、ZTR指数、风化指数)可以很好反映物源特征[15]。ATi指数(磷灰石/(磷灰石+电气石)×100)和GZi指数(石榴子石/(石榴子石+锆石)×100)分别反映磷灰石的风化程度及变质岩源区的变化特征[16～17]，ZTR指数(锆石+电气石+金红石)和风化指数(较稳定矿物与不稳定矿物之和/极稳定矿物与稳定矿物之和)代表矿物的成熟度，ZTR值越大，风化指数越小，则矿物的成熟度越高[18～19]。TZK9孔沉积物中的重矿物主要为钛铁矿和绿帘石，含有少量的锆石、磷灰石、金红石、白钛石、石榴子石、电气石、赤褐铁矿、榍石、磁铁矿、辉石、角闪石，蓝晶石、锐钛矿、黄铁矿只在少数样品中出现。

根据自上而下的重矿物组合特征，可将TZK9孔分为2个阶段(见表1、表2)。

表1 TZK9孔中主要重矿物含量(%)的垂向变化特征

表2 TZK9孔中主要重矿物含量及特征参数的变化

阶段一：3.0～2.6 Ma(285.5～253.3 m)，以钛铁矿-绿帘石-磁铁矿-石榴子石-锆石为主，钛铁矿和绿帘石的含量较高，分别为32.56%～51.73%和16.13%～28.11%，磁铁矿、石榴子石、锆石的含量大部分低于10%，分别为4.71%～10.75%、4.38%～6.86%、1.96%～5.13%，还见少量的磷灰石(0.34%～2.06%)、金红石(0.19%～0.48%)、白钛石(0.32%～1.30%)、赤褐铁矿(2.27%～6.86%)、榍石(0.17%～1.55%)，电气石、辉石、角闪石、蓝晶石、锐钛矿、黄铁矿出现在局部层位，含量<2%。ATi指数位于63.43～100之间，表明沉积物源成分中磷灰石经历弱风化；GZi指数的变化范围为46.02～77.81，平均值为61.34，表明来自变质岩的石榴石比来自中酸性火成岩的比例高；ZTR指数的值较低，变化范围为2.31～6.63，平均值为4.36；风化指数285.5 m处较低，为0.22，其余2个点为0.47、0.55，风化程度较高，以极稳定矿物和稳定矿物为主，沉积物经过了较长的搬运距离和长期的风化剥蚀。

阶段二：2.6～0 Ma(253.3～0 m)：以钛铁矿-绿帘石-锆石-磷灰石-石榴子石-磁铁矿为主，相比上一阶段，锆石、磷灰石、金红石含量增加，分别为3.32%～10.34%、1.22%～10.30%、0.47%～4.41%，石榴子石、白钛石和赤褐铁矿含量降低，分别为0.95%～7.52%、0.09%～2.13%和1.15%～10.98%，磁铁矿含量变化范围较大，为0～14.38%，角闪石的含量略有增加，为0～4.58%，在0～0.38 Ma(0～37.8 m)，角闪石消失。相比上一阶段，ATi指数变化不明显；GZi指数变小，变化范围11.48～68.47，平均值31.47，表明变质岩源区的范围有所减小，而中酸性的源区有所扩张；ZTR指数值增大，变化范围4.34～14.47，平均值10.49；风化指数变化较小，矿物成熟度增加。

4 讨论

综上所述，晚上新世以来，TZK9孔的重矿物组合以中基性岩浆岩的钛铁矿、岩浆期后接触变质矿物绿帘石、典型变质岩矿物石榴子石、酸性—中酸性火成岩矿物锆石、磷灰石、磁铁矿、强氧化自生矿物赤褐铁矿为主，而典型的变质岩矿物蓝晶石分布不稳定；ATi指数在50.97～100之间，GZi指数位于11.48～77.81，表明沉积物来源为变质岩与基性、中酸性岩浆岩的混合。

距今3.0～2.6 Ma，TZK9孔重矿物组合为钛铁矿-绿帘石-磁铁矿-石榴子石-锆石，与位于研究区西部丘陵地带山前淮河流域的的JH孔(180～268 m)在此时期的重矿物组合为钛铁矿-绿帘石-赤褐铁矿-磁铁矿-石榴子石-锆石-磷灰石[20]相似，而长江中下游地区的岩石以中酸性岩浆岩和沉积岩为主，重矿物组合以角闪石-绿帘石-赤褐铁矿-磁铁矿-辉石-石榴子石-锆石为主[21]，与TZK9孔存在极大差异。因此，在该时段，研究区主要受淮河流域的影响。

距今2.6～0 Ma，TZK9孔重矿物组合的钛铁矿-绿帘石-锆石-磷灰石-石榴子石-磁铁矿，相比上一阶段，石榴子石含量减少，锆石、磷灰石、电气石、金红石含量增加，表明源区变质岩收缩而中酸性岩扩张；而JH孔相对于上一时段，这几种矿物并没有明显的变化[20]，表明这几种重矿物含量的变化并不是由淮河流域引起的。研究区位于苏北盆地的南侧，长江河床来回摆动影响到该地区，南京—镇江一带发育的中酸性岩浆岩[22]，为该地区提供了一部分物源。因此，在该时段，该地区的物质来源仍以淮河为主，但也有一部分沉积物来自于长江下游，第四纪以来该地区开始受到长江流域的影响。

第四纪以来，全球氧同位素值从～3.3‰升高至现在的～4‰，表明全球气候逐渐变冷[23～24]。在寒冷期，热带辐合带(ITCZ)向南迁移，导致东亚夏季风减弱[25～26]，从赤道地区向研究区输送的水汽和热量相对减少[27]。而晚上新世以来全球海平面下降[28]，导致输送水汽和热量的距离增加，研究区的降水减少，地表径流减弱。但另一方面，海平面下降致使河谷下切，河流侵蚀作用增强，其影响大于地表径流减弱带来的影响，沉积物的搬运能力和距离增加，分选作用增强，沉积物矿物成熟度增大，此结果与长江三角洲末次盛冰期ZTR指数特征[29]相符。因此，第四纪以来TZK9孔的ZTR指数的逐渐增高主要受控于全球气候变化。

5 结论

本文对长江三角洲北翼TZK9孔的古地磁和重矿物组合进行了系统研究。研究结果表明，TZK9孔记录了距今3.0 Ma以来苏北平原沉积物的变化，第四纪的底界位于250.3 m，B/M界线位于78.5 m；晚上新世以来，研究区的源岩为变质岩、中基性岩浆岩、中酸性岩浆岩的混合，3.0～2.6 Ma的重矿物组合为钛铁矿-绿帘石-磁铁矿-石榴子石-锆石，主要受淮河流域的影响，2.6～0 Ma重矿物组合为钛铁矿-绿帘石-石榴子石-锆石-磷灰石-磁铁矿，中酸性岩成分磷灰石、锆石、电气石、金红石含量的增加，是因为长江流域影响到了该地区；第四纪以来ZTR指数的逐渐增加可能是受控于全球气候变化。

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MAGNETOSTRATIGRAPHY AND HEAVY MINERALS RECORDS OF TZK9 CORE IN SUBEI BASIN

CHENG Yu， LI Xiang-qian， ZHAO Zeng-yu， ZHANG Xiang-yun， GUO Gang

(TheInstituteofGeologicalSurveyofJiangsuProvince，Nanjing210049，China)

The core TZK9 is located in the northeast Taizhou city (N 32°35′，E120°6′)，the south of Subei Basin. The main kinds of lithology in the core are clay and silty clay. Some silt, sand and coarse sand are also found. In this study, 382 samples at 30～60 cm intervals were taken for paleomagnetic measurements，and 17 samples for heavy minerals test. Magnetostratigraphic results show that, the M/G and B/M are found at the depth of 250.3 and 78.5 m, respectively. Extrapolation with accumulation rates suggest that the basal ages for sediments in this core is about 3.0 Ma. ATi index was from 50.97 to 100，while GZI index was 11.48 to 77.81，indicating that the source was metamorphic and igneous rocks. During 3.0～2.6 Ma, the main heavy minerals of TZK9 core were ilmenite, epidote, magnetite, garnet and zircon. Comparing the heavy minerals of the TZK9 core with Huai river and Yangtze river，it shows that the sediment came from the Huai river during this time. During 2.6～0 Ma, the main heavy minerals are ilmenite, epidote, zircon, apatite, garnet and magnetite. The content of zircon, apatite, tourmaline, rutile increases compared to the previous period, and it indicates that the Yangtze river begin to influence this area in this period. And the ZTR index gradually increased since 2.6 Ma, which may be related to the change of global climate.

Late Pliocene; magnetic stratigraphy; heavy minerals; the Subei Basin

1006-6616(2016)04-0994-10

2016-06-16

中国地质调查局地质调查项目“特殊地质地貌区填图试点”(DD20160060)、“江苏1∶5万港口、泰县、张甸公社、泰兴县、生祠堂镇幅平原区填图试点”(12120114042901)

程瑜(1989-)，女，助理工程师，主要从事古环境研究工作。E-mail：ftchengyu@msn.com

P539.3；P534.63

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