临河凹陷QK3钻孔220 ka以来的沉积环境演变记录

毕志伟， 杨振京*， 王利康， 宁 凯， 杨庆华， 刘 玮

(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄 050803； 2.中国地质调查局第四纪年代学与水文环境演变重点实验室，石家庄 050803)

沉积环境的变化对沉积物粒度有着较大的影响，相应的沉积物粒度信息也记录着沉积区的环境变化信息。沉积物粒度特征在判别沉积环境，确定沉积动力及动力大小，物质来源和气候变化方面有着重要的意义[1-3]。通过分析沉积物粒度参数以及粒度组分的变化信息可以较好地识别出沉积环境的演变过程。在沉积物粒度分析沉积环境的研究工作中，前人积累了大量的研究经验[4-6]。河套盆地内的临河凹陷内发育了巨厚的沉积地层，是晚第四纪环境演变的理想场所。根据对盆地内部进行钻孔研究，识别沉积环境的变化，建立高分辨率年龄框架和气候代用指标研究，对该区域内的生态地质和水文地质研究具有重要意义。

1 国内研究概况

临河凹陷是黄河中游的河套盆地的一部分，其分布范围主要包括狼山山前断裂以东、色尔腾山前断裂以南，鄂尔多斯北缘断裂以北，西山咀隆起，乌拉山北缘断裂以西地区，是黄河中游段演化的关键区域[7-8]。该区域内的基础地质研究较多，在第四纪地层方面也取得了一些成果，但多为地质普查资料，所进行的年代学、古气候指标等的测试相对较少[9-10]。

近年来，许多学者对河套盆地湖相沉积地层[11-14]尤其是西部地区(磴口隆起、西山咀凸起)晚更新世以来沉积地层进行了相关研究[15-17]，对“吉兰泰—河套”古大湖的形成演化进行了讨论[18-19]。这些研究多在山前的冲洪积扇上开展相关研究，针对临河凹陷内部的钻探研究较少，并且缺乏精确的第四纪年代学研究，缺失年代学研究基础的情况下很难进行精确的古气候古环境的恢复。

基于此，现选取临河凹陷内的QK3钻孔中的沉积物粒度和光释光研究作为研究对象。通过精确的年代数据建立年代框架，在年代框架的支撑下结合沉积物粒度的变化特征，探讨并分析临河凹陷内部沉积环境的演变特征。以期为恢复研究区中更新世晚期以来的沉积环境演变过程提供参考依据。

2 材料与方法

所分析的钻孔位于巴彦淖尔市临河古城乡砖厂内(地理位置41°09′42.7″N,107°28′26.0″E)。如图1所示，该钻孔位于临河凹陷内部，钻孔终孔深度为225 m。共计采取粒度样品95件，光释光样品14件。

图1 研究区及钻孔位置图

样品的测试分析工作均在中国地质科学院水文地质环境地质研究所第四纪年代学及水文环境演变重点实验室完成。光释光样品测试采用简单多片再生法对细颗粒石英组分进行测年[20-21]。数据的分析工作在Daybreak 2200光释光仪上进行。粒度样品测试使用盐酸-双氧水联合法进行预处理，加入分散剂后超声处理。完成前处理之后采用英国MALVERN公司生产的Mastersize 2000型激光粒度仪进行上机测试。

3 结果分析

3.1 岩石地层结果分析

通过对钻孔进行了详细的岩性编录，结合区域地质志，对钻孔进行了岩石地层学的划分，如图2所示，初步得到以下结果。

图2 QK3钻孔岩性柱

全新统地层岩性主要为浅灰黄色粉细砂、亚砂土、亚黏土，厚度15 m左右。五原县以东以南地区地层岩性主要为浅灰黄色亚黏土、黏土沉积，见粉砂薄层，在山前地带，颗粒较粗，以含砾中粗砂砂石为主，夹薄层粘砂土。

上更新统地层岩性主要为浅灰褐色、灰色粉细砂、中细砂、含砾粗砂。结构松散，无层理，局部含深灰色碳质淤泥。北部地区沉积厚度最大，最厚处大于240 m，地层岩性主要为浅灰褐色、深灰色亚砂土，间有较厚的粉细砂层段。中部古城乡一带以黏土、亚黏土为主，而西部沙海镇与东部什巴乡沉积物颗粒稍粗，以亚砂土为主，夹细砂层。

中更新统地层主要为亚砂土与亚黏土、黏土互层，亚砂土层一般为深灰色，较密实，多发育水平层理，局部有机质含量高。亚黏土、黏土层一般为浅灰褐色，结构致密，断面光滑有光泽，多发育水平层理，局部见灰黑色有机质富集层，呈淤泥质黏土。临河凹陷中部地区沉积物颗粒相对较细，以灰黑色淤泥质黏土为主，东西部地区沉积物粒度相对较粗，以青灰色亚砂土、粉细砂为主。地层顶板埋深在西部约240 m，向东逐渐变浅至150 m左右。

3.2 年代地层结果分析

QK3钻孔的年代序列是依靠14个光释光测年数据所建立年代数据之间根据线性内插的原理进行年代插值计算[22]。如图3所示，通过数据分析可以得出QK3钻孔225.1 m处年龄为220.26 ka.BP，大致为中更新世晚期。根据沉积速率及岩性变化，将全新世底界定在14.6 m处，晚更新世底界为151.5 m。

图3 年代模型及沉积速率

3.3 粒度结果分析

3.3.1 粒度组分特征分析

粒度组分中黏土和砂含量变化规律可以较好地指示沉积水动力的变化。临河凹陷QK3钻孔采用国际标准伍登温特华斯(Udden-Wentworth)分级标准进行粒度组分划分，将沉积物粒度组分划分为黏土(<4 μm)、粉砂(4～64 μm)和砂(>64 μm)三个标准[23]。

区域地质志显示该区域多为河流相的冲洪积物，粉砂和砂含量占比较高。QK3钻孔中砂含量相对较高，样品中最高值可达96.8%，平均含量为41.67%，主要出现在钻孔的中上部。其次是粉砂含量，介于2.46%～77.89%，平均含量为37.5%。QK3钻孔中粉砂和砂含量占有优势，是主要的粒径组成部分。

3.3.2 粒度参数特征分析

沉积物粒度参数对于判别沉积物沉积环境有着重要的指示意义。粒度参数主要是指沉积物粒度数据中的标准差、偏度、尖度以及平均粒径[24-26]。标准差一般指示的是沉积物粒径的分选性，根据所测得粒度数据，经过计算可以得出沉积物的粒度参数[27]，并绘制曲线图，如图4和图5所示。

图4 QK3钻孔沉积物粒度

LD为粒度

通过对QK3钻孔的沉积物粒度数据计算和统计，粒度参数特征如图所示，平均粒径在(2.55～8.24)Φ，平均粒径平均值为5.36Φ[Φ值为伍登-温哥华粒级标准，Φ=-log2D(mm)]平均粒径显示QK3钻孔的基本岩性为粉砂和细砂[3]。标准差介于0.89～2.81，分选相对较差。尖度介于1.62～17.18，变化幅度大，显示沉积物峰值较尖锐。

3.3.3 QK3钻孔沉积环境变特征分析

沉积物粒度组分和粒度特征的变化与沉积环境演变具有一致性。一般地，不同的沉积环境下会有不一样的沉积物组成，沉积物的频率分布曲线和概率累积曲线也会不同。由此可以根据沉积物粒度参数、粒度组分和粒度曲线将QK3钻孔划分为5个沉积阶段。

第一阶段：13.49 ka.BP至今(0～14.6 m)，该阶段主要岩性为浅黄色、浅褐色粉砂及亚砂土，沉积物粒径平均值介于(7.7～8.07)Φ，沉积物以粉细砂为主，黏土含量较高(多为46%～51%)，最高可达约51%，砂含量介于0%～2.07%，标准差1.53左右，尖度2.5左右，分选一般。频率曲线以单峰为主，含有少量双峰，正偏态，概率累积曲线以细一段型、细二段型为主。由此推断该阶段沉积环境较为简单，沉积水动力条件弱，表现为河漫湖泊相沉积。

第二阶段：13.49 ka.BP～38.5 ka.BP(14.6～50 m)，该阶段岩性主要为灰色或灰褐色亚砂土、粉砂等，该阶段中砂含量明显增加，砂平均含量在60.66%，平均粒径在32～147.23 μm，平均粒径平均值为103.31 μm。标准差在1.78～2.54，分选差，偏度数据显示呈正偏态分布，概累积曲线主要是粗二段型为主，主体粒径为4.23Φ，反映了水动力条件较强的河流相边滩沉积环境。

第三阶段：38.5 ka.BP～117.47 ka.BP(50～140 m)，该组沉积物由多个沉积旋回组成，其中黏土含量最高可达48.64%，砂含量波动较大，黏土含量高的样品频率曲线以双峰为主，次峰不明显。正偏态，概率累积曲线以细二段型为主，主体粒径在7.7Φ。；砂层含量高的层位上，最高含量可达96.87%，分选较差，频率曲线以单峰为主，正偏态，概率累积曲线以粗二段型为主，主体粒径在3.5Φ。该阶段反映了水动力条件有着明显的强弱变化过程，表现出河流边滩和河漫湖泊交替沉积的过程。

第四阶段：117.47 ka.BP～189.9 ka.BP(140～200 m)，该阶段沉积物多为灰褐色粉砂及亚砂土，沉积物颗粒较为均一，标准差在1.25～2.56，分选一般。砂含量降低，约为26.13%。频率分布曲线主要为双峰型，次峰较为明显，正偏态。概率累积曲线以二段型为主，主体粒径在6Φ左右。表现为水动力较强的河流边滩沉积。

第五阶段：189.9 ka.BP～220.26 ka.BP(200～225.1 m)，该组沉积物主要为灰色、灰黑色粉细砂以及淤泥组成，沉积物颗粒普遍偏细，平均粒径约为30.8 μm，黏土含量在1.84%～57.07%，平均含量为39.59%。砂含量变化较大。分选一般。频率曲线以单峰为主，正偏态，概率累积曲线以细一段型为主，主体粒径在7.01Φ。表现为水动力条件较弱的滨湖相沉积。

4 讨论

根据QK3孔沉积物粒度特征，结合年代地层、岩石地层、生物地层等资料，该钻孔反映的沉积环境在中更新世晚期以来主要为河湖相沉积。上部15 m为全新世沉积，以粉细砂为主，黏土含量较高。中部15～151 m，晚更新世沉积，以细砂为主，夹有多层黏土、亚黏土层，主要为水动力条件较强的河流相沉积环境。钻孔底部至钻孔151 m处，为中更新世沉积，以砂层为主，黏土含量波动较大，在10%～50%变化，主要为河流相、河漫湖泊相交替沉积，其主要特征为河湖相，在底部的灰黑色淤泥层，反映了滨湖相沉积。

综合多个钻孔资料，临河凹陷中更新世晚期，已经由以湖相、浅湖相、湖沼洼地相为主过渡到以河流相为主的沉积环境。在QK3孔底部沉积了厚层的灰黑色淤泥层，反映出盆地内部湖相发育，之后沉积的黏土层厚度都较薄，颜色也多为灰褐色、灰色，砂层厚度明显增加，这一变化也反映了黄河可能在中更新世晚期进入临河凹陷。

晚更新世早期，河套盆地新构造运动处于相对稳定状态，晚期新构造运动较强烈[28]，山前以冲洪积相为主，盆地内部主要为湖相沉积。晚更新世，临河凹陷区气候总体上较为干旱，西部地区早期植被发育，以针叶林为主，晚期孢粉极其贫乏，东部地区早期为荒漠草原植被，种类单一，中期植被较发育，山地以云杉、松为主，平原地区以菊科、禾本科为主，晚期又以草原为主，气候较冷干。

河套盆地在全新世，地形的基本面貌与前期无重大变化，新构造运动仍较强烈，山体继续抬升，遭受侵蚀—剥蚀，平原持续接受沉积[29]。

临河凹陷全新世山前及近山前一带主要以冲洪积相为主，沉积物主要为浅灰黄色粉细砂、亚砂土、亚黏土。整个平原区表现为以河流冲积相为主的地理环境，河道带之间分布有零星的沼泽洼地，其岩性为灰褐色淤泥质亚黏土，个别地方还保存着浅湖和浅湖的遗迹，如乌梁素海。全新世气候总体上为温凉偏湿转温干，总体呈干旱趋势，晚期形成了风积层，分布于乌兰布和沙漠、库布齐沙漠。西部地区植被稀疏，东部较为繁盛。

5 结论

(1)QK3孔年代学研究显示，钻孔全新统底界位于14.6 m，上更新统底界位于151 m，钻孔未揭穿中更新统地层。

(2)沉积物粒度研究显示，临河凹陷QK3钻孔220 ka.BP以来主要经历了5个较大的沉积阶段，第一阶段为13.49 ka.BP以来表现为河漫湖泊相沉积环境，第二阶段：13.49 ka.BP～38.5 ka.BP表现为河流边滩相沉积环境，第三阶段：38.5 ka.BP～117.47 ka.BP表现为河流边滩和河漫湖泊的交替沉积环境，第四阶段：117.47 ka.BP～189.9 ka.BP表现为河流边滩沉积，第五阶段：189.9 ka.BP～220.26 ka.BP表现为滨湖相沉积。

(3)中更新世晚期，临河凹陷地区岩性由淤泥质黏土变为砂层，此一时期，湖水深度减小，由深湖逐渐变为浅湖，河流相沉积的出现说明黄河已经进入临河凹陷，晚更新世，临河凹陷山前以冲洪积相-湖相为主，其他区域以河流相为主，局部分布有沼泽洼地相。至全新世，临河凹陷主要的沉积环境为山前的冲洪积相。