河北三河上更新统-全新统磁化率变化旋回分析

刘智荣,沈 军,王昌盛

(1.防灾科技学地球科学学院,廊坊 065201；2.临沂大学资源与环境学院,临沂 276000)

河北三河地处北京平原东部,属潮白河冲积体系[1],上更新统由含砾中细砂、细粉砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土和黏土组成3个韵律明显的沉积旋回[2-4]。1679年的三河-平谷大地震使得该区成为活动断裂研究热点地区,夏垫断裂是三河-平谷大地震的发震断裂,也是华北平原区的一条重要的发震断裂,众多学者对夏垫断裂的第四纪活动特征及1679年8级地震的发震构造进行了研究[4-14],研究内容侧重夏垫断裂构造活动性研究。而断层两侧地层沉积特征是断层存在与否及其活动性定量评价的重要参考依据。且准确的年龄约束是开展断裂构造活动性研究的重要前提条件,前人地质年龄的获得主要依靠14C[8-11]、热释光(thermo luminescence,TL)[9-10]和光释光(optically stimulated luminescence,OSL)[13-14]等测年手段。目前天文年代的兴起,为地层年龄的测定提供了另外一种方法,并被广泛应用到新生代地层年龄测定中[15-22]。该方法与古地磁、放射性同位素和生物地层学测年方法相结合,大大提高了年代地层划分和对比的精度[23-24]。

地球自转轴和公转轨道的周期性旋回变化引起显著地表日照量的差异[25]。根据纬度和季节的不同,岁差能够引起最大日照量变化可达20%。由此产生的气候变化会影响地球表面的风化、剥蚀,并记录在不同沉积环境的沉积地层内[25-26]。现对河流沉积物磁化率的垂向变化进行分析,开展天文年代学研究,以期获得精细天文年代格架,分析古气候、古环境变化。

1 实测剖面

研究地点位于北京东部大厂凹陷及通县隆起的交界位置,夏垫断裂上盘位于大厂凹陷,下盘位于通县隆起,研究的陡坎剖面位于潘各庄村北,属于夏垫断裂的下盘,距地表断裂水平距离约30 m,地理坐标为39°58′27.64″N,116°55′53.17″E(图1),高程12 m,垂向高度为9.87 m。根据沉积物的颜色、颗粒大小、结构、构造等特征,将剖面自下至上分为17层。

图1 研究区地质地貌Fig.1 Geological and geomorphological of the study area

实测地层剖面显示该剖面岩性主要为粉砂质黏土、黏土、黏土质粉砂和细砂(图2)。剖面自下而上地层分别为:①灰色、深灰色黏土层,顶界面为一冲刷面,凹凸不平[图2(a)],可见厚度6 cm；②灰色、灰白色中细砂层[图2(b)],发育斜层理,含较多的云母碎片,底部发育薄层黄褐色细砂[图2(a)],厚78 cm；③黏土质粉砂层,含铁锈斑点[图2(b)、图2(c)],局部夹泥砾,发育斜层理,厚38 cm；④黄褐色中细砂层[图2(d)],发育斜层理[图2(e)下部],厚19 cm；⑤粉砂质黏土层,见淡水螺壳及褐色管状条带[图2(f)],厚218 cm；⑥土黄色黏土层,风干后呈蒜瓣状,吸水性较强。横向连续性好,厚30 cm；⑦土黄色含粉砂质黏土层,粉砂呈块状[图2(g)],大小不一,厚31 cm；⑧土黄色含粉砂质黏土层,含铁锈斑点,有类似植物根茎的黄褐色管状条带,局部含薄层黏土,厚68 cm；⑨土黄色黏土层与薄层粉砂互层[图2(h)],厚35 cm；⑩黏土质粉砂层,厚40 cm；土黄色粉砂质黏土层,含铁锈斑点,厚30 cm；黏土质粉砂层,含铁锈斑点,有类似植物根茎的黄褐色管状条带,厚 190 cm；灰色黏土层,含铁锈斑点,风干后呈蒜瓣状[图2(i)],在区内连续性较好,中间夹5 cm的粉砂层,厚20 cm；含铁锈斑点黏土质粉砂层[图2(j)],厚145 cm；黏土层,风干后呈蒜瓣状,横向连续性好,厚 7 cm；黏土质粉砂层,含铁锈斑点,厚20 cm；黏土层,风干后呈蒜瓣状,厚12 cm,受人为改造影响,侧向厚度分布不均匀,局部完全剥蚀。

图2 剖面地层岩性照片Fig.2 Lithological photographs of the section

2 样品的采集、处理与测试

磁化率作为一种能够反映过去气候变化的重要环境指标,已经广泛应用于各种沉积环境中[21,27-28],基于磁化率变化的天文旋回地层学研究正逐渐引起广泛的注意。为了保证磁化率样品测试的准确性,将剖面表层清除,取新鲜面的样品,取样间距为1 cm,共采集987个样品；取样工具使用无磁性的陶瓷制品。样品自然风干后装入2 cm×2 cm×2 cm 的立方体塑料盒以备测试。磁化率实验在中国地质大学(北京)科学研究院古地磁实验室完成。

3 地层年龄框架

统计了研究区附近东柳河屯、齐心庄、大胡庄、潘各庄断裂下盘地层沉积物年龄,并据此计算出沉积区相应的平均沉积速率(表1)。由于杨晓平等[14]13.1、13.5、19.4 m处年龄值相差太大且存在倒置现象,将这3个值剔除后对所有年龄值进行综合分析作图(图3),获得地层平均沉积速率。表1和[图3(a)]显示深度4 m以上地层平均沉积速率较低,4 m以下沉积速率增大。由于实测剖面位于断层的下盘,断层下盘为上升盘,受地表风化剥蚀作用及人类改造较强,表层地层存在缺失,综合前人研究结果认为陡坎剖面平均沉积速率介于 20～25 cm/ka。

表1 地质年龄统计Table 1 Geological age statistics of former researches

图3 地层深度-年龄图Fig.3 Depth-age maps of strata

4 分析结果与讨论

4.1 旋回分析方法

应用多窗口频谱分析法[27]、演化谐波分析及快速傅里叶变化等分析方法[28]对零均值磁化率序列进行分析,结合区域平均沉积速率确定天文旋回参数。运用高斯带通滤波将已定天文旋回进行分离后,与标准的天文曲线进行对比,确定其天文旋回参数。

4.2 磁化率分析结果与讨论

研究区沉积环境为细粒的河流相沉积,其中下部地层粒度较粗,为河流砂坝沉积,上部沉积物较细为泛滥平原沉积[3][图4(a)]。磁化率测试结果显示该剖面磁化率集中在0～6.421×10-6m3/kg,剖面下部磁化率值高,最高可达9.36×10-6m3/kg[图4(b)]。磁化率与岩性、粒度对比结果显示剖面8.5 m以下沉积物粒度较粗主要为细砂[图2(a)、图2(b)、图2(d)]和粉砂[图2(c)],磁化率也相对较高[图4(b)],其平均粒径值介于(2～5)Φ[图4(c)]。上部沉积物以黏土质粉砂[图2(h)、图2(j)]、粉砂质黏土[图2(f)、图2(g)]和黏土层[图2(i)]为主,平均粒径在5～7Φ[图4(c)]，磁化率相对较低。从而可以确定,在本剖面中粒径与磁化率之间具有一定的正相关性,即粒度大磁化率高,粒度小磁化率低。这一结论与刘智荣等[3]的结论一致,泛滥平原沉积水体能量相对较低,外来碎屑沉积物的补给少,沉积物粒度细,环境中自生及外来铁磁性矿物较少,磁化率低；而河流砂坝水体能量较高,带来较多的外来风化碎屑物质和铁磁性矿物,磁化率高。

图4 地层剖面及磁化率分析Fig.4 Stratigraphic section and magnetic susceptibility analysis

4.3 旋回分析结果与讨论

深度域磁化率的频谱分析[图4(d)]和滑动演化谱分析[图4(e)]表明,在该剖面有两个明显的旋回,一个旋回周期为5.12 m,其置信度达到99%,另一个旋回周期为1.71 m,置信度在80%以上。根据前面分析所得该区平均沉积速率,推断5.12 m/周期为23 ka的岁差旋回。以5.12 m/周期为基准,带宽为0.01,应用高斯带通滤波的方式进行滤波获取剖面岁差旋回曲线,与理论岁差旋回(Analyseries 2.0)进行对比,得到剖面的天文地质年代序列[图4(f)]。地质年代序列频谱分析结果显示[图4(g)、图4(h)]其具有明显21 ka的旋回,与第四纪标准23 ka岁差旋回存在误差。产生误差的原因主要有2个,一是剖面相对较短,分析结果显示其仅包括 2个完整的岁差周期旋回,造成一定的误差；二是沉积速率的影响,旋回分析是根据沉积物的平均沉积速率进行计算,而整个剖面堆积速率并非完全相同。旋回分析结果与标准岁差曲线对比[图4(f)]显示岁差高值时地层的磁化率较高,岁差低值时地层的磁化率较低,而磁化率与粒度具有正相关性的特点。根据粒度、磁化和岁差的相互关系可以确定,岁差高值时大气降水增多,河流流水补给量增多,带来较多的外来风化碎屑,进而提高了沉积物中磁性矿物的含量；岁差低值时大气降水少,泛滥平原一直处于静水沉积环境,外来碎屑物质补给较少,磁化率较低。

由于剖面较短,未在剖面中识别出更长周期的斜率和偏心率旋回。根据岁差尺度旋回分析推导出该陡坎剖面为晚更新世晚期至全新世早期沉积,沉积时限为41 ka,平均沉积速率为24 cm/ka[图3(b)]。除岁差尺度旋回,该剖面同时存在1.71 m和不明显的0.41 m高频旋回,可能为地层环境周期性变化引起的自旋回,后期将进行详细研究。

5 结论

(1)地层磁化率主要在10-6数量级内变化,总体变化幅度不大。磁化率与沉积物平均粒度具有正相关特征,表明磁化率能够反映沉积环境的变化。

(2)零均值磁化率频谱分析和演化谱分析显示地层具有5.12 m岁差尺度旋回,说明河北三河冲积沉积记录了米兰科维奇旋回周期,为冲积沉积古气候和古环境研究提供新的方法和思路。

(3)根据旋回分析结果推算陡坎剖面的年龄为4～45 ka,平均沉积速率为24 cm/ka,为地质年龄确定提供新的约束手段。

(4)由于受剖面长度的限制,得到的岁差旋回与理论岁差旋回存在误差,且未识别出斜率和偏心率旋回,后续工作将进行长尺度剖面研究。