渤海湾西MIS3阶段海侵边界探讨

鲁庆伟

(天津华北地质勘查局地质研究所，天津 300170)

0 引言

2020年4月30日自然资源部发布的《2019年中国海平面公报》[1]显示，1980—2019年中国沿海海平面上升速率为3.4 mm/a，预测未来30 a，中国沿海海平面将上升51～179 mm。《气候变化中的海洋和冰冻圈特别报告》[2]评估了区域海平面上升对低海拔(<10 m)沿海地区和社会的影响以及相关的风险[3]。因此，加强古环境、海平面变迁研究，对沿海城市防灾减灾具有很强的现实意义。引起海岸线大范围变化的原因主要有3个∶海面的变化、地壳的升沉与河流的堆积。国家海岸带和海洋地质计划认为，海岸带问题的解决需要向内陆扩展，向流域、山脉探寻地质作用根源[4]。研究区作为“源-汇”过程中的关键环节，是研究海侵和海平面变化的天然实验室，晚第四纪以来沉积地层中记录了具有古海岸线指示意义的3期海侵(自上而下依次为第1、2、3海侵层)[5-14]和贝壳堤地质遗迹[15-18]。对于全新世海侵边界(第1海侵层)追踪探讨已有相关研究： 李凤林[18]根据微地貌、微体古生物、考古学、地层及年代学进行地层对比，圈定了渤海湾西岸全新世海侵最大边界； 方晶等[19]通过钻孔黏土混浊水电导率，结合贝类及有孔虫鉴定等，探讨了天津市西南全新世最大海侵的特征； 刘艳霞等[20]结合钻孔与探地雷达的测量方法探测了渤海西南岸全新世最大海侵界线。然而，对于晚更新世海侵(第2、3海侵层)缺乏由海向陆的追踪研究。本文通过研究区ZKQ1孔和ZK1孔沉积特征、测年(AMS14C)及微体古生物(有孔虫、介形类)等综合分析，并与该区域前期3个钻孔(ZKQ4孔、CGZ5孔、CGZ7孔)进行联合追踪对比研究，探讨了MIS3阶段海侵(第2海侵)边界以及最大影响边界，为今后该区古地理演化、海平面变迁研究以及水工环地质勘查等提供重要的基础地学资料。

1 区域地质概况

研究区位于渤海湾西部、天津市南部平原区，北靠燕山，西为太行山，属中新生代断陷盆地。重力资料[21]显示，该断陷盆地存在NE向隆坳相间的构造格架，分别为冀中坳陷、沧县隆起和黄骅坳陷3个Ⅲ级构造单元(图1)。该区无基岩出露，钻孔揭露地层有新生界第四系、新近系和古近系以及更老地层。坳陷区和隆起区新生界底界埋深分别为3～4 km和1～2 km[22]。第四系底界埋深约在130～340 m[9，13-14]。受全球性气候变化引起的海平面波动和岸线的频繁迁移，研究区第四纪以来历经海陆的变化，形成了海相和陆相沉积物交替出现的地层以及贝壳堤遗迹[15-18]，为海侵事件、海岸线变迁及海面变化等研究提供了天然的理想实验室。

本文研究的ZKQ1孔(孔深400 m)和ZK1孔(孔深300 m)，分别位于天津市静海区西长屯村和三呼庄村，构造位置属于沧县隆起(图1)。两孔均选取50 m以浅地层进行研究，钻孔口径110 mm，取心率87%，孔斜<1°。

图1 钻孔位置、MIS3阶段海侵边界及构造分区

2 材料与实验流程

2.1 AMS 14C测年

在ZKQ1孔和ZK1孔中取3件样品(表1)。

表1 AMS 14C测年结果

采样对象为钻孔新鲜岩心中无污染的泥炭，及时密封并送至北京大学考古实验室完成测试。树轮校正所用曲线为IntCal13 atmospheric curve[23]，所用程序为OxCalv4.2.4。AMS14C测年结果见表1。

2.2 微体古生物鉴定

取样品20 g放入量杯中并用双氧水加水浸泡开，用280目筛淘洗，筛上物置于蒸发皿并放入烤箱烘干，利用显微镜分门别类挑选、鉴定和统计，包括有孔虫、介形类、双壳类以及腹足类等。制作统计曲线图(图2)，结合沉积特征进行沉积环境判别。

3 钻孔沉积环境分析

3.1 ZKQ1孔沉积环境分析

(1)0～2.90 m层段(U8)。黄棕色粉砂质黏土，为泛滥平原沉积。

(2)2.90～8.10 m层段(U7)。下部为锈黄色夹潜育化黏土质粉砂，波状层理; 上部为灰色、灰黑色粉砂质黏土，水平层理,含零星裂缝希望虫、丰满陈氏介以及小玻璃介、布氏土星介等广盐低盐种组合，指示有淡水注入的滨海湖沼相沉积。

(3)8.10 ～10.55 m层段(U6)。深灰色黏土质粉砂，波状层理，透镜状层理； 底部见生物潜穴，略显生物扰动，10.15 m处获得AMS14C校正年龄8 910 cal.a BP，时代属于中全新世(据国际年代地层表V2018/08); 含光滑九字虫、裂缝希望虫等有孔虫以及丰满陈氏介、典型中华美花介等海相介形类，为MIS1阶段海相(潮间带)沉积。

(4)10.55～13.10 m层段(U5)。浅灰色粉砂质黏土，水平层理; 含纯净小玻璃介、布氏土星介等非海相介形类以及白小旋螺等淡水腹足类; 为海侵发生之前贫营养湖沉积(U5至U6层位为贫营养湖→富营养湖→海侵沉积)。

(5)13.10～19.65 m层段(U4)。上部为锈黄色黏土质粉砂； 下部为黄色粉砂。波状层理，底部可见冲刷侵蚀面; 为分支河道沉积。

(6)19.65～29.10 m层段(U3)。上部为灰棕色粉砂质黏土，弱潴育化，局部可见近垂直的生物潜穴和生物轻扰动，见毛蚶和光滑河蓝蛤等海相生物，为高潮坪沉积； 中部为浅黄灰色粉砂质黏土，局部砂质含量略高，波状层理，含零星钙质结核和少量有机质斑点； 下部为灰色、灰黑色黏土质粉砂。28.30 m处获得AMS14C校正年龄29 460 cal.a BP，相当于MIS3阶段沉积。含光滑抱环虫、阿卡尼圆形五玦虫、光滑九字虫、裂缝希望虫、毕克卷转虫变种等有孔虫; 海相介形类以典型中华美花介为主且含少许中华洁面介、布氏纯艳花介、陈氏新单角介等； 含零星布氏土星介、柯氏土星介、双折土星介等非海相介形类； 见白小旋螺、副豆螺等淡水腹足类生物壳体，为滨海湖沼沉积。

(7)29.10～39.70 m层段(U2)。以黄色粉砂为主，上部黏土质粉砂，波状层理，底部可见冲刷侵蚀面，为河道沉积。

(8)39.70～50.00 m层段(U1)。上部为棕色粉砂质黏土，见生物扰动及生物潜穴被锈黄色粉砂充填； 中下部为黄棕色夹浅灰色粉砂质黏土，含零星布氏土星介和纯净小玻璃介等非海相介形类，泛滥平原夹湖(沼)相，MIS5阶段沉积。

3.2 ZK1孔沉积环境分析

(1)0～6.05 m(U8)。中上部为棕黄色黏土质粉砂，略显水平层理； 下部为棕色粉砂质黏土，块状构造，为泛滥平原沉积。

(2)6.05～13.10 m(U7)。浅灰色黏土质粉砂； 波状层理、交错层理； 含少量光滑九字虫、毕克卷转虫变种、有孔虫以及少量典型中华美花介、丰满陈氏介等海相介形类和零星疏忽玻璃介、布氏土星介等非海相介形类，以及豆螺未定种、白小旋螺等非海相腹足类，为滨海湖沼相沉积。

(3)13.10～13.85 m(U6)。灰色粉砂质黏土，波状层理、透镜状层理； 含较多光滑九字虫、毕克卷转虫变种； 少见粉砂充填的生物潜穴，底部见有机质泥炭层，获得AMS14C日历年龄7 930 cal. a BP，为MIS1阶段海相沉积。

(4)13.85～14.60 m(U5)。浅灰色黏土质粉砂，波状层理，含零星白小旋螺，为湖相沉积。海平面上升，末次盛冰期下切河谷(U4)首先接受沉积，自淡灰色(U5)到灰色、黑色(U6)，符合海侵发生之前，由贫营养湖因降水增大、有机质分解增强，逐渐积累到接近泥炭(即海侵层下伏的基底泥炭)的旋回。

(5)14.60～25.50 m(U4)。黄色粉砂，水平层理，局部见生物碎屑富集，底部可见冲刷侵蚀面，为分支河道沉积。

(6)25.50～30.10 m(U3)。浅灰色粉砂质黏土，局部夹棕色黏土和棕黄色黏土质粉砂； 水平层理、块状层理； 含淡水双壳类丽蚌，为MIS3阶段湖相沉积,并反映出湖水水位波动性。

(7)30.10～35.00 m(U2)。锈黄色黏土质粉砂，块状层理、透镜状层理，略具水平潴育化锈染，为泛滥平原沉积。

(8)35.00～50.00 m(U1)。棕黄色粉砂质黏土夹浅黄灰色—浅灰色粉砂质黏土，41.05～41.70 m处可见淡水双壳类丽蚌，应为湖相，下部灰色层位，未见生物壳体，块状层理，推测为积水洼地。总体为泛滥平原夹湖相沉积，属于MIS5阶段。

4 MIS3阶段海侵边界探讨

对于第2海侵的发生时间存在争议，依据有机质14C测年，其时代为MIS3阶段[7]，王福等[24]和商志文等[25]第在Ⅱ海相层获得的14C样品年龄均大于43.5 ka BP,形成于MIS3早期或MIS5。而依据光释光(Optically Stimulated Luminesecence,OSL)测年，其时代可能为MIS3或MIS5[26-29]； 依据地层和气候特征，其时代为MIS3阶段[10]。与全新世海侵层基底泥炭相似，第2海侵发生之前亦形成基底泥炭，是海面变化控制下的一个重要层位。ZKQ1孔28.30 m处获得AMS14C校正年龄29 460 cal. a BP(表1)，该研究青县滕庄子ZKT1孔[14]在25.35 m获得AMS14C校正年龄为 36 770 cal. a BP，在静海、唐官屯幅以及蔡公庄乡幅、南台幅、中旺镇幅 、太平镇幅四幅等1∶5万区调项目等20多个钻孔中，获得样品的AMS14C测年均在22～40 ka BP(表2)，可以笼统称为40 ka BP以来沉积[30]，应属于MIS3阶段。

表2 AMS 14C测年结果

关于MIS3阶段第2海侵最大影响边界，研究钻孔沉积特征表明，ZK1孔(25.50～30.10 m)U3层段为浅灰色粉砂质黏土，见较多淡水丽蚌生物壳体，为湖相沉积(图2)。ZKQ1孔19.65～29.10 m层段(U3)，上部为灰棕色潴育化粉砂质黏土，见近垂直的生物潜穴和生物扰动现象，为高潮坪沉积； 下部为灰色、灰黑色黏土质粉砂。含光滑抱环虫、阿卡尼圆形五玦虫、光滑九字虫、裂缝希望虫、毕克卷转虫变种等有孔虫。海相介形类以典型中华美花介为主，少许中华洁面介、布氏纯艳花介、陈氏新单角介等； 含零星布氏土星介、柯氏土星介、双折土星介等非海相介形类； 见白小旋螺、副豆螺等淡水腹足类生物壳体。为滨海湖沼沉积。由此可知，推测出MIS3阶段第2海侵最大影响边界在ZK1孔和ZKQ1孔之间，该位置即是现今黑龙港河一带，也曾是古河道故道，推测该期海侵影响范围受到了古河道制约。

同时，本次研究钻孔(ZKQ1，ZK1)与前期钻孔(CGZ7，CGZ5，ZKQ4)形成E→W(海→陆)区域联合钻孔对比剖面(图3)，对第2海侵边界进行追踪，MIS3海侵层位稳定[13-14]。其中CGZ7孔28.9～31.2 m有孔虫极丰富，以毕克卷转虫、光滑九字虫、光滑抱环虫为主，介形类主要有典型中华美花介和陈氏新单角介，为潮间带沉积。CGZ5孔28.90～31.60 m为黏土质粉砂，含蛏子、毛蚶等生物壳体，上覆河口相砂坝沉积，含较多光滑蓝蛤等，底部为还原环境的灰色粉砂，为潮间带沉积。ZKQ4孔24.60～27.60 m为棕黄色夹浅灰色粉砂质黏土，含零星毕克卷转虫变种等有孔虫和纯净小玻璃介、布氏土星介等非海相介形类，以及白小旋螺等,为滨海湖相沉积。

图3 MIS3阶段海侵钻孔对比剖面

综上钻孔地层沉积特征可知，该区域E→W方向MIS3海侵层位依次表现为海相(CGZ7孔、CGZ5孔)→过渡相(ZKQ4孔、ZKQ1孔)→陆相(ZK1孔)，推测该区MIS3阶段海侵边界应在静海区的东尚码头村(CGZ5孔)和高家庄(ZKQ4孔)之间一带。

5 结论

(1)通过ZKQ1和ZK1钻孔沉积特征、AMS14C测年及微体古生物和生物壳体等综合研究，推测该区MIS3阶段最大海侵影响边界在静海区西长屯至三呼庄一带(ZKQ1孔和ZK1孔之间)，且受到古河道制约。

(2)与该区域前期3个钻孔(ZKQ4孔、CGZ5孔、CGZ7孔)建立E→W(海→陆)联合钻孔海侵追踪对比剖面，表明该区MIS3海侵层位依次由滨海新区至静海区东尚码头的海相(CGZ7孔、CGZ5孔)→静海区的高家庄至西长屯西一带的过渡相(ZKQ4孔、ZKQ1孔)→静海区三呼庄的陆相(ZK1孔)相变，推测该区MIS3海侵边界应在静海区的东尚码头村(CGZ5孔)和高家庄(ZKQ4孔)之间一带。