北京平原区中更新世晚期以来古环境演变

何付兵 马学利 吴超 刘振华 崔玉斌 牛文治 刘晓勇

摘 要：对位于北京平谷马坊村新生代Zk09孔沉积物磁化率、色度现场测试和碳十四、光释光年龄测试表明，北京平原区东北部65m深地层沉积稳定，沉积时代约为250ka以来。期间沉积地层磁化率、色度同岩性关系密切，主要受控于氧化-还原环境条件和水动力条件，即温度和降水古气候环境，可作为重要的古气候演化替代性指标。其沉积物地层年代-磁化率、色度曲线发育7次演化旋回，较好记录了MIS1—MIS7倒数第二次冰期间冰期以来的古气候环境演化过程。

关键词： Zk09钻孔;年代地层;现场测试;磁化率与色度;古环境;北京平谷

Abstract： Combining the results of carbon-14， luminescence and field tests， including magnetic susceptibility and chromaticity， from the Zk09 borehole in the Mafang area of Beijing， 65-m depth stratigraphic framework in the northeastern part of the Beijing sub-plain was firstly established. Our research shows： （1） its sedimentary dating is about since 250ka， and its depositional rate is basically stable. （2）The magnetic susceptibility and chromaticity of the sedimentary stratum are closely related to lithology， and are mainly controlled by the paleo-climate environment， including the oxidation-reduction environmental conditions （i.e. temperature） and hydrodynamic conditions （i.e. humidity）. Therefore， they could be used as important indicators of paleo-climate evolution. （3）The curves of the sedimentary stratigraphic vs. magnetic susceptibility and chromaticity have developed seven evolutionary cycles， which better record the evolution of the paleo-climatic environment from the MIS1 to MIS7 of the deep sea oxygen isotope stage.

Keywords： Zk09 borehole; Chronostratigraphy; Field test， Magnetic susceptibility and chromaticity; Paleo-environment; Pinggu district of Beijing

0 引言

沉積物色度通常被用来作为一种环境代用指标以揭示第四纪沉积物成分、结构特征，并用来开展区域地层对比，反映沉积古环境演化过程（丁国瑜等，1964; Helmke et al.，2002;彭淑贞等，2003）。在冲积平原区，陆相浅水沉积下频繁更替氧化-还原沉积条件，使得沉积物色度信息更加丰富，一定程度上能更好记录古气候、古沉积环境。而磁化率作为另一类辅助性代用指标也较好地揭示了古气候、古沉积环境演化，其在黄土、红土风力沉积和湖相沉积中得以较好利用（Yu et al.，1990;田庆春等，2011;孙思佳等，2019;熊平生等，2019）。冲积平原区，间歇性的泛滥沉积使得沉积地层中古土壤广泛分布，一定程度上可类比于黄土-古土壤沉积环境。张永栋等（2012）探讨了北京冲洪积平原沉积物磁化率和粒度组分关系，认为二者相关性虽然与黄土沉积刚好相反，但蕴涵着一定的古气候信息。

北京平原处于半湿润向半干旱过渡的灵敏区域，其特殊的地理位置能更好感应气候变化，甚至对全球气候变化有重要响应（倪志云等，2011）。为此许多学者运用粒度、磁化率、孢粉组合、δ13 Corg、地球化学等指标研究古环境（Zhao et al.， 1984;Yang et al.， 2009;倪志云等，2011;郭高轩等，2013;Jiang et al.，2016）。前人研究全部基于钻孔沉积物系统取样、室内分析，虽然测试精度较高，但受控于样品类型需细颗粒沉积物限制，使得区域古环境演变研究出现断代。本文运用现场连续测试Zk09钻孔沉积物色度、磁化率方法，恢复了北京平原区中更新世晚期以来的古环境演变序列，并同深海氧同位素等其它替代性指标揭示的古环境演化过程进行一一对比分析，通过对分析结果的对比，探讨该方法的可行性，为北京平原区古气候环境研究的新途径。

1 地质背景与钻孔岩性

研究区位于华北沉降带与燕山隆起区交汇的北京平原东北部，北依燕山山脉，西邻太行山，南为广阔平原。气候类型属于暖温带半湿润大陆性季风气候， 夏季炎热多雨， 冬季寒冷干旱（倪志云等，2011）。1971—2000年，年均气温 12.3℃，一月和七月均温分别为-3.7℃和26.2℃;年均降水量 571.8 mm，主要集中于七月、八月，极端降水7月份可达185.2mm（Jiang et al.，2016）。

北京平原区构造上隶属于古近系渤海湾盆地冀中凹陷，可划分为京西凸起、大兴凸起和北京凹陷、大厂凹陷、廊固凹陷等三凹二隆次级构造单元（鲍亦刚等，2001），它的形成与演化受制于冀中凹陷乃至整个渤海湾盆地（图1）。由于平原位于冀中凹陷山前地带，其类型属于陆相冲洪积平原，由永定河、潮白河、温榆河、大石河和河五大水系冲洪积形成。Zk09钻孔就位于今河水系冲积平原上，行政区划上隶属于北京平谷区马坊村。地理坐标116°59'19.4"E，40°2'40.7"N，孔口海拔 26.19m，孔深 246.6m（图1）。

Zk09钻孔山前快速沉积特征得以充分体现，全孔沉积物厚度较大、沉积速率快且粒径较粗。在钻孔65m深度以浅段，沉积物岩性为中砂、细砂、粉砂和粉砂质黏土、黏土交替产出。下粗上细二元结构特征明显，分选中等-差粗颗粒沉积层厚且发育斜层理或交错层理，而分选较好细颗粒沉积层较薄，发育水平层理，顶部如发育极细黏土层，还发育虫孔构造，说明不同沉积旋回间存在沉积间断或冲刷面，表现出典型辫状河沉积特征（陈建强等，2015），且发育为冲积扇扇缘位置辫状河沉积。

2 现场测试与样品采集

钻孔施工采用孔径130mm套管钠土护壁取芯，所取岩芯直径大于100mm以保障现场编录及测试要求。将岩芯从套管中取出后及时截取长约10cm岩芯段，使用PVC管和黑色塑料袋密实封存送样。而后对提取岩芯刮除表面钠土护壁，用陶瓷刀在岩芯表面铲出宽约4cm的平面，依次进行岩芯观察、分层编录、磁化率测试和沉积物色度提取。最后，在岩芯浅部深色岩芯饼中部使用陶瓷刀取约50g黏土或粉砂质黏土装入自封袋密封用于AMS 14C年龄测试，测试对象为全岩沉积物（图2）。

在7.85m和52.85m深度分别取褐灰色黏土质粉砂和黑色泥炭进行AMS 14C年龄测试。分别在4.3～4.4m、9.1～9.2m 、12.1～12.2m、16.6～16.7m、20.9～21m和39.6～39.7m取光释光样品6件，编号为OSL1～OSL6。碳十四样品测试在美国Bata实验室进行，光释光样品测试在中国地质科学院水文地质环境地质研究所光释光实验室进行。

磁化率测试使用捷克生产的SM-30型号手持磁化率仪现场进行测试，工作频率8KHz，仪器灵敏度为10-7SI。测试由浅表层向深部依次连续测试，测试3次取平均值。测试间隔约为10cm，对颜色变化频繁及薄层岩性层位适当增加测试密度。Zk09孔65m深岩芯共获取磁化率数据616组（图3）。

沉积物色度测试采用数字图像提取方法，拍摄数字图像见图2。将全孔岩芯按照由浅到深依次装入岩芯箱进行晾干，选择光照较好天气对岩芯集中数字图像拍摄，通过数字图像处理方法获取沉积物色度数据。岩芯拍照时，相机拍摄角度和距离岩芯箱距离尽量一致，10min内完成全部岩芯拍照，尽量减少因光源条件不同或拍摄角度差异等引起的光照不均匀现象（周战荣等，2007;张国际，2014），进而造成沉积物颜色色度误差。本次数字图像获取设备为尼康D3400相机，获取数字图像像素为3216×2136。数字图像色度提取采用Matlab小程序，具体操作步骤见何付兵等（2018）文献。

3 结果

3.1 地层年代序列

本次AMS 14C年龄测试获取的树轮校正年龄分别为22.89±0.1ka和>43.5ka。（表1）光释光获取年龄分别为17.4±1.1ka、25.6±1.2ka、20.7±0.8ka、60.9±2.6ka、81.5±4.4ka和142.2±6.5ka（表2）。其中，OSL3样品等效剂量同其它样品相比明显偏低，因此其年龄偏年轻。除OSL3年龄出现倒置外，其余年龄上新下老，且同碳十四年龄基本一致，测试结果可信度高。

虽然65m深度以浅地层沉积旋回间发育沉积间断面，但6个14C和OSL测年结果可建立钻孔浅部40m地层深度-年代曲线（图4）揭示，其曲线形态接近直线，可拟合直线y=3.7125x -2.5945（R2=0.9905）。因此，钻孔沉积旋回间沉积间断时间短，总体沉积速率稳定，沉积较为连续。基于此进一步采用线性差值法可建立Zk09钻孔岩性地层连续时代序列（图3），并适当外推至65m深度，计65m深度沉积时代限定约在0～250ka。

3.2 磁化率

Zk09孔65m 深岩芯共获取磁化率数据616组，建立其年代-磁化率曲线见图3。如图所示：（1）磁化率数值变化极大，最低值为43SI，最高值高达7680SI，均值为869SI;（2）磁化率值同沉积物颗粒粒级呈明显正相关关系（图3），颗粒粒级越大往往磁化率越高，且粗细沉积物岩性骤变时，磁化率值也发生骤变;（3）磁化率集中出现在两个区间，分别为100—899SI（407组）和1620—7680SI（74组），分别对应粉砂以细颗粒和粗砂颗粒;（4）磁化率曲线具有明显旋回性，250ka以来可划分出7期次正旋回（W1～W3和W4a～W4d）。每一个旋回特征相似，近等分成两段，即由下部高值区间段和上部低值区间段组合而成，同地层岩性特征变化完全一致。

3.3 色度

由于现场提取的亮度信息同室内测试差异较大（何付兵等，2018），分别建立的Zk09孔65m 深岩芯年代-色度a、b曲线见图3。（1）色度a值介于-3.48～21.14，均值为5.28揭示岩性略偏红色系。而色度b值介于-9.00～38.24，均值为15.94揭示岩性略偏黄色系。这一特征定量化揭示肉眼所观岩芯颜色特征，即總体颜色较为单一，以褐黄色或黄褐色色系为主夹褐灰色—浅灰色（局部深灰色—黑色）层（图2）;（2）与磁化率曲线特征相似，色度a、b两曲线形态相似，其值也同沉积物颗粒粒级呈正相关关系（图3），表现出颗粒粒级越大往往色度值越大特性。然而，不同于磁化率曲线特征在于粗细沉积物岩性骤变时，色度值仍呈现渐变过渡关系，其可能更好反映古气候真正演化;（3）还同磁化率曲线特征相似，a、b两色度曲线也具有明显旋回性。250ka以来可划分出4次数值由大向小转变的正旋回（W1～W4）。尤以W1～W3正旋回特征较为明显，可同磁化率W1～W3旋回相对应。而W4正旋回内部a、b值则呈波形降低，亦可划分为2期a、b数值先减小后增大的次级旋回，可同磁化率W4a～W4d一一相对应。

4 讨论

温暖湿润的沉积环境由于物理、化学、生物作用强烈，沉积水动力条件较强，颜色将变的较深、浓（陈宗颜等，2009），有许多细小（<0.03μm）的铁磁性矿物形成，磁化率会增高（刘秀铭等，1990）。而寒冷干旱沉积环境下，由于风化作用比较微弱，沉积水动力条件转强，成土作用较低，颜色将会较浅、淡（陈宗颜等，2009），磁化率会较低（刘秀铭等，1990）。沉积物颜色信息在海洋、湖泊和黄土、红土风力沉积，以及细颗粒陆地河流-湖泊相沉积中得以较好利用（何付兵等，2018）。引起磁化率变化的因素很多（Dearing，1986;吉云平等，2007;李志文等，2008;石培宏等，2010），其作为环境代用指标在恢复古环境古气候的过程中要慎重（田庆春等，2011）。但考虑Zk09孔临近山前，为恒定物源的外源陆相沉积，且沉积连续，浅部沉积物形成以后埋藏于地下，未受到成土作用与灼烧的影响，更也未经过成岩与变质作用，可以不考虑次生变化的影响。

Zk09孔色度、磁化率同沉积物组分、颗粒、沉积构造具有较好吻合性，同前人研究基本一致（杨晓强等，1999;田庆春等，2011;张永栋，2012），二者可作为古气候环境演化研究的替代性指标。当沉积物颜色偏浅时，磁化率值大，而沉积物往往岩性组成以砂类为主，粒度明显偏粗，交错层理或斜层理发育，且组分中多含钙质结核（可能碳酸镁和氧化镁含量高），这些沉积特征同温暖湿润古气候密切有关。因此，正是温暖湿润的古气候环境下形成较好氧化条件，沉积物颜色偏红、黄，色度值小。而湿润条件使得沉积水动力条件强，搬运外源碎屑物质能力也强，易产生磁化率值较高的磁性矿物，且容易将相对比重较大的磁性矿物搬运到沉积区沉积，势必导致的磁化率值明显升高。反之，而当沉积物颜色偏深时，磁化率值小，而沉积物往往岩性组成以黏土或黏土质粉砂为主，粒度明显偏细，水平层理发育，且组分中多含碳斑（有机质含量偏高），这些沉积特征同寒冷干旱古气候相对应。因此，Zk09钻孔色度和磁化率值高低变化主要取决于氧化-还原环境条件和水动力条件，即温度和降水古气候环境。

已有大量研究还表明冰芯和深海沉积是全球陆海古气候与古环境变化研究重要载体。深海沉积环境稳定，沉积过程也比较连续，它比陆地上能更完整地记录第四纪气候变化的历史（李腾飞，2014）。以不同大洋深海钻孔为代表的深海氧同位素曲线研究和氧同位素阶段的划分及年代界限的修正，为全球的第四纪气候变化提供了基本框架，并划分出个冰期间冰期旋回，成为了近年来第四纪古气候演变对比的参照和依据（李腾飞，2014）。深海氧同位素研究从2.6Ma至今己划分出114个气候阶段，相当于57个冰期间冰期旋回（李腾飞，2014）。

Zk09钻孔地层年代和沉积物磁化率、色度曲线具有明显旋回性，其同深海氧同位素阶段（Dansgaard et al.，1993;Martinson et al.，1987;Fuji et a1.，1988）还具有可对比性（图3）。基于磁化率、色度曲线与深海氧同位素等曲线旋回对比可进一步精细划分Zk09地层时代，记录了更为详细的古气候环境演化（图3）。65m 深Zk09钻孔地层较好揭示了北京平原区MIS1—MIS7阶段古气候环境演化过程：0～2.5m相当于MIS1阶段，为全新世暖期旋回，这一深度同前人在研究区测试全新世年龄深度基本一致（杨晓平等，2012;张超等，2014）。2.5～20.7m相当于MIS2—MIS4阶段，为末次冰期气候旋回。20.7～35.2m相当于MIS5阶段，为末次间冰期旋回，其包括早期温暖间冰期（5e）和向冰期过渡期（5a～5c）。35.2～50.4m相当于MIS6阶段，为倒数第二冰期气候旋回。而50.4～65m相当于MIS7阶段，为倒数第二冰期间冰期气候旋回。

5 结论

通过对位于北京平谷马坊村新生代Zk09孔沉积物磁化率、色度现场测试和碳十四、光释光年龄标定，建立研究区65m地层精细时代地层序列，探讨了一种基于现场测试研究古环境方法，并恢复了北京平原区中更新世晚期以来的古环境演变：

（1）65m厚Zk09钻孔地层沉积连续稳定，沉积主要受控于古气候环境，而沉积时代约为250ka以来。

（2）基于现场测试的Zk09钻孔磁化率、色度同沉积物岩性具有相关性，表现为温暖湿润古气候环境下沉积物颗粒偏粗，颜色偏红、黄（即色度值小），磁化率值較高，而寒冷干旱古气候环境下反之。这一特征揭示二者变化主要取决于氧化-还原环境条件和水动力条件，即温度和降水古气候环境，同样可作为重要的古气候演化替代性指标。

（3）65m深Zk09钻孔地层年代-磁化率、色度曲线记录了7次演化旋回，可同深海氧同位素等曲线MIS1～MIS7阶段一一对比，可用于定量建立连续地层序列，并恢复古气候环境演化过程。

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