济宁市平原区地砂地质特征及成因分析

郑国栋, 肖华, 李传夏,卢国宏

(山东省鲁南地质工程勘察院，自然资源部采煤沉陷区综合治理工程技术创新中心，山东省地质矿产勘查局采煤塌陷地综合治理工程技术研究中心，山东 济宁 272100)

0 引言

济宁市是我国重要的能源基地和鲁南经济带中心城市，近年来城市化进程和基础设施建设不断加快，砂石资源需求量猛增。加之生态环境保护和安全监管要求的日益严格，导致济宁市出现砂石资源供给紧张的局面，制约了重点工程和民生工程的有效实施，影响了经济社会发展。

大量基础地质、煤田地质、水文地质、工程勘察以及其他矿产勘查工作发现[1-10]，济宁中西部平原区第四系松散沉积浅部广泛发育砂质沉积，具有较好的利用价值，目前已有部分开采用做建设用砂，当地俗称为“地砂”。

本文所指的地砂是埋藏于平原区地下第四系松散沉积中、经人工开采和筛选达到建设用砂国标[11]要求的砂质沉积，不包括河砂和山砂。根据国标其粒径介于0.075～4.75mm之间，因此，主要包括地质分类中的细砂、中砂、粗砂和砾砂等。2018年，济宁市首次开展了地砂资源调查，调查范围为任城区、北湖新区、高新区和经济开发区4区。在此次工作的基础上，笔者结合汶上、兖州相关地质工作，以济宁市中西部平原区为研究区，分析了地砂的地质特征，探讨了地砂的成因，为济宁市地砂资源勘查、开发提供了基础数据，对提高济宁市砂石资源市场供给能力、平衡砂石资源市场供需具有重要的现实意义。

1 研究区第四系划分

济宁市第四系分布广泛，主要发育于中西部平原区和东部丘陵区山间洼地及河谷地带(图1)，成因类型繁多，岩性复杂多变。

1—黄河组；2—沂河组；3—临沂组；4—山前组；5—研究区

研究区第四系厚度大、分布广，一般在150～220m，岩性以褐黄—棕褐色黏土、砂质黏土、黏土质砂和砂、砾石为主。区内第四系划分长期存在繁琐、不统一的问题，张增奇等[12]指出“黄泛平原区第四纪全新世岩石地层，采用宜粗不宜细的宽泛的划分原则”，加之工作实际，该次借鉴王世进等[13]的划分体系：以南四湖—京杭运河一线为界，将研究区划分为湖西区和湖东区，分别对应原体系中的平原区和山丘区；以全新统下部黑土湖组湖沼沉积作为标志层，其上湖西区为黄河组，指黄河早期冲积物及现代黄河和其他河流河床、漫流沉积，其上湖东区划分为临沂组和沂河组，临沂组主要为分布于现代河流I级阶地和高河漫滩之上的河流沉积，沂河组指现代河流中的河床及低河漫滩沉积；更新统统一划为平原组(表1)。

表1 研究区第四系划分表(据王世进等[12]修改)

2 地砂的地质特征

需要说明的是，受现有采砂技术限制，本次主要分析埋深50m以浅的地砂特征。

2.1 地砂赋存层位及分布

研究区第四系上部普遍发育黑灰色—灰黑色淤泥质沉积，即全新世黑土湖组，一般埋深2～6m。以黑土湖组为标志层，发现湖西区、湖东区地砂赋存层位、标高、埋深及粒度等特征存在明显差异。钻孔柱状对比图及地砂分布图见图2、图3。

(1)湖西区

钻探揭露，湖西区黑土湖组一般埋深2.0～4.0m，厚度一般介于0.5～1.0m(图2)，其上黄河组主要以黄褐色—褐黄色黏土、粉质黏土、粉砂夹细砂为主，大多数砂质沉积粒度较细、黏土含量高，难以满足建设用砂要求，仅在疃里略有分布(图3a)。

地砂主要赋存于黑土湖组之下的平原组，以细砂为主，一般发育1～2层，多呈透镜状产出，延伸较近、稳定性差，埋深较大，一般在20.0m以深，分布零星、面积较小，在疃里和喻屯有小范围分布(图3b)，总体资源潜力相对有限、开发利用价值较小。

(2)湖东区

湖东区地砂明显较湖西区发育，但赋存及分布特征也较之复杂。钻探和剖面揭露，湖东区黑土湖组埋深变化较湖西区大，一般埋深2.0～6.0m，厚度从几十厘米至3.0m左右均有分布，局部不发育。

地砂在黑土湖组之上的临沂组及其下的平原组均有发育。临沂组一般发育1层地砂(图2)，埋深较浅，多数小于6.0m，厚度较大，一般1.0～4.0m，呈近水平条带状或透镜状，横向延伸一般15.0～50.0m左右、稳定性一般，主要分布于济宁主城区北部及兖州、汶上等地(图3a)，由于其埋深浅、厚度大、易开采，是目前开采利用的主要层位。平原组一般发育1～3层地砂，埋深相对较深，一般大于15m，厚度变化较大，从0.5m到数米均有发育，主要集中在1.0～3.0m(图2)，形态与临沂组地砂类似，分布范围较其更广(图3b)，但横向延伸和稳定性变化大，埋深、粒度、厚度及层数变化亦较明显，整体由东北向西南埋深变深、粒度变细、厚度变薄、层数减少，由于埋深较大，目前仅在局部埋深较浅地段进行开采。

1—填土；2—黏土；3—淤泥质黏土；4—粉砂质黏土；5—粉砂；6—细砂；7—中砂；8—粗砂

2.2 矿物成分和化学成分

地砂主要矿物成分为石英(60%～75%)和长石(15%～30%)，角闪石、黑云母、黏土等含量少。

据光谱分析结果(表2、图4)，地砂主量元素氧化物中以SiO2百分含量最高，Al2O3次之，Na2O，K2O，CaO，Fe2O3，MgO再次之。其中，SiO2百分含量为65.01%～78.39%，平均73.97%；Al2O3百分含量为7.96%～14.75%，平均10.96%；Na2O平均3.07%，K2O平均2.88%，CaO平均2.08%，Fe2O3平均1.74%，MgO平均0.42%。

1—SiO2：2—Al2O3；3—Fe2O3；4—CaO；5—MgO；6—K2O；7—Na2O；8—其他

2.3 结构特征

岩心观察发现，地砂细砂—砾砂均有发育，以中砂、粗砂为主，呈颗粒支撑，磨圆次棱角—次圆状、分选一般—较差。筛分析结果显示，地砂样品粒径主体在0.1～2.0mm之间，以中砂、粗砂为主，约占80%。其中如图5，中砂样品中砂粒级含量30%～50%，呈单峰式，峰值突出，代表中高水能的沉积环境；粗砂样品粗砂粒级含量30%～60%，单峰、双峰式均有分布，峰值更突出，代表相对较高水能的沉积环境。

图5 地砂样品粒度分布直方图(筛分析完成于山东省鲁南地质工程勘察院实验测试中心)

2.4 沉积构造特征

沉积构造是沉积物在搬运和沉积的过程中，经介质作用形成的成分、结构、颜色等的不均一性而表现出来的宏观特征，是沉积物最常见、最直观的主要特征[14]。

地砂沉积构造主要发育有大中型交错层理和冲刷面(图6)。交错层理较发育，可进一步分为楔状交错层理和槽状交错层理。楔状交错层理(图6a)层系界面较平直，层系厚主要介于0.2～0.6m，前积纹层呈“S”形或下凸状收敛于层系下界面，以中—粗粒和砾粒为主，可见砾石呈叠瓦状分布，见泥砾(图6c)，呈扁平椭圆状顺纹层面分布，大者长轴达6cm。槽状交错层理(图6b)在横切面上，层系界面和纹层均呈弧形，纹层与层系界面斜交，以中—粗粒和砾粒为主，层系厚度0.1～0.4m，见泥砾。

冲刷面(图6b)上下粒度、颜色等特征明显不同，整体较平直，截切下部沉积，之上见砾石分布。

a—楔状交错层理、冲刷面，临沂组，李营马庄，镜头指向西；b—槽状交错层理、冲刷面，临沂组，李营林屯，镜头指向北；c—泥砾，临沂组，李营马庄

3 讨论

3.1 风化作用及气候条件

风化作用可以视为搬运作用和沉积作用的前提条件，分为物理风化、化学风化和生物化学风化。化学风化使岩石发生化学成分的改变、分解，形成地表条件下稳定的新生矿物。Nesbitt和Young[15]在计算长石类矿物风化成黏土矿物的程度时提出的化学蚀变指数(CIA)，已成为判断沉积物物源区化学风化程度的重要指标，其计算式为：

CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+K2O+Na2O)]×100

式中：各氧化物含量均为摩尔百分含量，CaO*仅为硅酸盐矿物中的摩尔百分含量。一般情况下，CIA值越大，反映化学风化程度越强。CIA值介于50～65之间，指示寒冷干燥气候条件下的低等化学风化作用；CIA值在65～85之间时，指示温暖湿润气候条件下的中等化学风化作用；CIA介于85～100之间，指示炎热潮湿气候条件下的高等化学风化作用。

经计算，地砂样品CIA值均小于70，大多数小于65(图7a)。同时结合A-CN-K(A2O3-CaO*+Na2O-K2O)三角图(图7b)，发现地砂样品投点远离A点，靠近A-CN线，经修正后的地砂样品CIA值集中在低等化学风化区间，表明地砂沉积时期气候寒冷干燥、化学风化程度低。

图7 地砂样品CIA变化图(a)和A-CN-K三角图(b)

3.2 古水流分析

在沉积作用过程中古水流信息被记录在沉积构造中，因此沉积构造成为恢复古水流的重要依据[16]，砾石排列、粒径趋势也可用于古水流分析[17]。

(1)水动力条件

地砂主要发育大中型交错层理(图6)，其中前积纹层呈“S”形或下凸状收敛于层系下界面，反映沉积水动力条件较强；粒径较粗，以中砂、粗砂为主，同样反映较强的沉积水动力条件。此外，图6b中交错层理前积纹层形态和粒径变化均指示沉积水动力条件呈减弱趋势。

(2)水流方向

一般楔状交错层理前积纹层的倾向以及槽状交错层理槽轴所在面的汇聚方面代表古水流方向[16,17]。本次野外剖面(图6a，图6b)中交错层理和砾石叠瓦状排列方向所指示古水流方向大致由北向南。但是两处剖面距离较近(约2km)、野外剖面数量较少，仅反映出局部古水流方向，不能全面反映区域古水流方向。不过，由于地砂沉积距今时间相对较近，研究区以北、以东的鲁西隆起区(即泰沂山区)于新近纪已形成现代隆起轮廓[18]，南四湖—京杭运河一带分布有宽浅的古湖(群)，区域古地形与现代基本一致，东高西低、北高南低，古水流应由北部、东部隆起区向西南的古湖(群)汇集，粒径趋势也证明了这一点。

3.3 成因分析

根据地砂沉积特征及测试分析结果，结合区域地质构造特征，认为地砂的成因类型为河床和辫状河三角洲沉积砂。

湖西区第四纪中更新世以来明显受黄河冲积影响，普遍认为黄河中更新世流经山东[1]、黄河冲积扇前缘向东大致延伸至南四湖—京杭运河一线[1,19]，由于频繁改道、泛滥，大量泥沙沉积于湖西区，形成了分布广泛的以黏土夹粉砂为主体的细粒沉积，地砂基本不发育，仅在疃里、喻屯一带略有分布。由于黄河的影响，造成南四湖—京杭运河一带的宽浅古湖(群)逐步萎缩、解体。

更新世以干冷气候为主，湖东区以北、以东的鲁西隆起区(即泰沂山区)，继续遭受以物理风化为主的强烈风化剥蚀作用，为湖东区第四纪沉积提供了丰富的物源供给，水流携带大量粗碎屑物质于山前地带形成洪积扇后，继续向宽缓地带前进，一直延伸注入古湖(群)，形成辫状河三角洲沉积。地砂主要发育于其中的分流河道和水下分流河道，随着构造活动、湖泊水体以及流水季节性的变化，辫状河分流河道的长期摆动游荡、三角洲沉积体系不断进退，逐渐沉积形成湖东区分布较广、厚度较大的平原组地砂，其分布已越过南四湖—京杭运河一线，在湖西区靠近南四湖—京杭运河一线亦有分布。全新世早—中期，区内气候变暖，河流普遍沼泽化，形成淤泥质黑土湖组，之后气候又向冷干变化[20]，河流继续发育，但此时的河流规模已经与更新世无法相提并论，同时南四湖—京杭运河一带北段古湖(群)逐渐消失、南段古湖(群)不断萎缩，加之人类活动影响，临沂组地砂主要发育在河床中，分布范围较平原组明显缩小。

4 结论

(1)地砂以中砂和粗砂为主，主要矿物为石英(60%～75%)和长石(15%～30%)，主量元素以SiO2和Al2O3为主，发育有大中型交错层理和冲刷面。

(2)以南四湖—京杭运河一线为界，湖西区地砂分布零星、面积较小，资源潜力有限、开发利用价值较小。湖东区临沂组一般发育1层地砂，埋深较浅、厚度较大，呈近水平条带状或透镜状，横向延伸相对较远、稳定性较好，是目前开采利用的主要层位；平原组一般发育1～3层地砂，埋深相对较深、厚度变化较大，横向延伸和稳定性变化大，整体由东北向西南埋深变深、粒度变细、厚度变薄、层数减少，目前仅在局部地段进行开采。

(3)地砂的成因类型为河床和辫状河三角洲沉积砂，沉积时期气候寒冷干燥、化学风化程度低，水动力条件较强，古水流方向总体由东北至西南，主要发育于晚更新世辫状河三角洲沉积和全新世河床沉积。

济宁市平原区第四系沉积普遍认为主要为河流冲积，但对其形成缺乏进一步的划分和认识。本文次结合地砂地质特征和成因分析，发现该区晚更新世发育辫状河三角洲沉积、全新世发育河床沉积，对提升该区第四系研究程度具有一定意义。

致谢：孔令广高级工程师和王志亮高级工程师在文章撰写过程中给予了指导，王君高级工程师对文中图件进行了清绘，审稿专家对文章提出了宝贵意见，在此一并表示感谢。