山东程戈庄—铺集地区第四纪地层划分及地质特征

支成龙，尚振，王彩，安茂国，高燕，姜腾飞，韩宗瑞

(山东省鲁南地质工程勘察院(山东省地质勘查开发局第二地质大队)，山东 兖州 272100)

0 引言

我国第四系研究主要集中于北京平原、河北黄骅北部地区及渤海湾西部地区[1-4]，依据各地区钻孔岩心样品古地磁、微体古生物、孢粉地层学研究等手段探讨了布容/松山极性带界线、MIS3以来沉积作用对孢粉和海侵的记录。相比之下胶莱盆地第四系研究程度较低。

作者依据“山东省1∶5万程戈庄、铺集幅区域地质调查”施工钻孔及采取的古地磁、微体古生物、孢粉样品为基础，结合前人对第四系科研钻探工作方法及成果总结的经验[5-10]，对研究区内岩石地层及年代学进行研究，以期为区域第四系研究提供基础资料。

1 地貌及第四系概况

研究区构造区划属于华北板块(Ⅰ)胶辽隆起区(Ⅱ)胶莱盆地(Ⅲ)高密-诸城断陷(Ⅳ)诸城凹陷(Ⅴ)及高密-景芝凹陷(V)构造单元[11](图1)。早更新世区内主要以风化剥蚀为主，中更新世以来升降运动主要表现为形成许多深切河谷、河流阶地及夷平面，并在山前、河谷和沿海边带形成松散堆积物。由于区外营力的不断作用，山区不断地遭受剥蚀，改变着原有地貌景观，形成了现有的低山丘陵区，流水搬运的大量泥沙在低洼处堆积形成了冲积—洪积平原。

研究区横贯东西的百尺河断裂为区内重要的地貌分界线，北侧以低矮丘陵为主，南侧以低缓平原为主。丘陵地区主要以白垩纪莱阳群地层风化剥蚀为主，南部低缓平原则形成第四纪河流冲积相及湖沼相沉积。其他大部分地区属于波状平原，属胶莱冲积平原西南部的潍河平原。区内河流主要为潍河、百尺河及胶河等，水流方向自南向北，且多为宽浅季节性河流，夏季雨量大且集中，易成水灾，因此区内第四系沉积主要受河流河道变迁及洪水泛滥沉积影响。本次工作中，通过地面调查及视电阻剖面测量，系统控制了区内基岩区脆性断裂及第四系覆盖区隐伏断裂的具体位置。由第四系等厚图看出区内河流展布同样受区内脆性断裂影响，其中潍河及百尺河河道分别受井沟-诸城断裂及安丘-辛兴断裂所控制。

1—第四系；2—临朐群；3—王氏群；4—大盛群；5—青山群；6—莱阳群；7—马家沟群；8—九龙群；9—粉子山群；10—荆山群；11—傲徕山序列二长花岗岩；12—崂山序列正长花岗岩；13—崂山序列二长花岗岩；14—雨山序列花岗闪长斑岩；15—雨山序列石英二长斑岩；16—埠柳序列石英二长岩；17—玲珑序列二长花岗岩；18—铁山序列正长花岗质片麻岩；19—月季山序列二长花岗质片麻岩；20—月季山序列二长质片麻岩；21—荣成序列二长花岗质片麻岩；22—荣成序列斜长花岗质片麻岩；23—荣成序列闪长质片麻岩；24—梭罗树序列变辉长岩；25—研究区范围图1 研究区区域地质图

2 岩石地层及沉积相分析

2.1 地层单元划分方案

在钻孔综合研究的基础上，编制第四系综合柱状图，对代表性钻孔进行详细划分并进行第四纪地层对比，建立研究区第四纪地层层序及填图单元划分方案。本次工作共实施56个钻孔，累计岩心长度600.20m。根据沉积物岩性、成岩类型、时代以及相互关系，将研究区划分为于泉组、大埠组、大站组、黑土湖组、临沂组及沂河组6个组级地层单位，其中于泉组、大埠组、大站组、黑土湖组、临沂组在第四系钻孔中均有揭露。

2.2 岩石地层

2.2.1 于泉组

区内于泉组一般角度不整合于下伏基岩之上，上覆地层为大埠组或大站组，厚度一般2～10m不等，地表未见出露。总体岩性为一套红色黏土质胶结的砂砾层，上部为棕红色、棕黄色砂质黏土，下部为棕红色、棕黄色含砾砂、砾质砂、砂砾层、砾石层，为一套河流冲积相沉积。根据钻孔资料，区内于泉组广泛分布于潍河、百尺河、胶河一带。

2.2.2 大埠组

大埠组为河流冲积沉积物，岩性为黄棕色、浅黄棕色、灰棕色含砾中细砂、砾质砂，砂砾层，具下粗上细的粒序层理特征。沉积厚度2～8m不等，该组与下伏于泉组为整合接触关系，上覆地层为黑土湖组或大站组。区内大埠组未在地表出露，根据钻孔资料，主要分布在潍河及百尺河一带。

2.2.3 大站组

区内大站组一般不整合于大埠组、于泉组或者下伏基岩之上，上部与黑土湖组整合接触，厚度一般2～10m不等，呈弯曲的带状展布于程戈庄幅北部潍河西侧，出露面积较少。其成因以风积为主，后发生1次或多次的近原地冲洪积搬运，造成局部发育洪积相的楔子状、透镜状砾石层。总体以黄色调、层理不发育、含大量钙质结核及少量铁锰质结核为特点。岩性以黄棕色、灰黄色、灰色、红棕色黏土、含粉砂黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂为主，分选很好，常夹数层不规则砾石层，底以砾石层为界与下伏岩层分界。

2.2.4 黑土湖组

黑土湖组以湖沼相沉积为主，色调以灰黑色、黑棕色、灰棕色易于区分，含有机质和丰富的孢粉及软体动物壳，岩性以灰黑色、灰棕色黏土、砂质黏土、粉砂质黏土为主，有时含砾石和铁锰质结核。研究区黑土湖组沉积厚度较薄，从几十厘米至2～3m不等，仅在程戈庄幅北部潍河西侧少量分布。

2.2.5 临沂组

临沂组在调查区中南部山麓丘陵区与山前平原区大面积出露，出露面积约379km2。岩性为灰黄色、浅黄棕色黏土、粉砂质黏土及中细砂、含砾粗砂，临沂组分布于区内河流的Ⅰ级阶地及高河漫滩之上，常形成冲积平原，为河流相沉积。地表多改造为耕植土，粒度较细，以土黄色、灰黄色含砂质粉砂、砂质黏土为主，下部有时可见粗砂、砾石层。下伏层位不稳定，常见的是沉积在黑土湖组之上，厚度较小，多在1～3m。

2.2.6 沂河组

沂河组为现代河流沉积物，在区内潍河、百尺河、胶河出露。岩性为灰黄色含砾粗砂堆积物，构成河床及低河漫滩，厚度小于10m，具交错层理。总体上该组岩性较复杂，各种粒级、成分皆有，一般为砂级以上粗碎屑堆积，多局限于丘陵地区河床内。

2.3 地层单元及沉积相

区内6个第四纪地层单位中(表1)，沂河组为现代河流沉积物，在区内潍河、百尺河、胶河出露。岩性为灰黄色含砾粗砂堆积物，构成河床及低河漫滩，厚度小于10m，具交错层理。另外5个地层单元选取揭露地层较为齐全的基准孔JZK16(图2)及JZK22(图3)进行沉积相分析，钻孔位置见图1。第四系发育以来沉积环境以河流相为主，发育大面积的河流边滩及泛滥平原相沉积，根据河道滞留沉积厚度判断JZK16及JZK22附近中更新世至晚更新世早期为主河道，晚更新世中期、晚期为支流河道，至全新世早期历经河漫滩低洼地区、河漫湖泊、泛滥平原。总体粒度自下往上显示粒度变细，揭露了古河道的变迁，另外晚更新世期间发育风成沉积，其后为河流相沉积物充填。

图2 JZK16第四系钻孔柱状图

图3 JZK22第四系钻孔柱状图

表1 研究区第四系沉积物分组

2.3.1 JZK16孔沉积相分析

0～1.00m为暗黄棕色含砾黏土质粉砂、极暗灰棕色黏土及暗棕色含砾黏土质粉砂，均未见层理，判断为洪水泛滥时期形成的广阔平坦的河漫沉积区，沉积物以泥质为主，这时堤岸亚相与河漫亚相已无区别，故统称为泛滥平原沉积，归为临沂组。

1.00～2.13m为湿草甸黑土层，为暗棕色黏土，砂以粉砂为主，含量极少，在5%以下，黏土含量达95%以上，见少量铁锰质结核，分布较少，大小为1mm左右，铁锰浸染结核呈锈黄色，大小亦为1mm左右。以黏土沉积为主，层理发育不好，在干旱气候条件下，地下水面下降，表面急速蒸发，多见铁锰质结核，可形成丰富的有机质沉积，多见保存完整的微体古生物化石，以陆相介形虫、腹足类化石为主，判断为河漫湖泊微相。

2.13～3.49m为棕色，粉砂质黏土，砂以粉砂为主，含量约30%，黏土含量70%以上，未见层理，见铁锰质结核大量分布，大小4～5mm为主。砾石极少见，3.20～3.30m处见弱潜育化，为还原环境。在平原地区的曲流河中，当河床因天然堤和本身沉积作用而逐渐抬升时，河床往往在河岸两侧地形较高的冲脊上流动，洪水期后，河漫滩低洼地区积水，该层判断为积水洼地环境，为形成河漫湖泊早期的长期积水低洼地带。

3.49～4.35m为黄棕色粉砂质黏土为主，该层未见层理。3.68～3.87m处见极少量铁锰质结核，大小达1～2mm，为局部突变的干旱气候条件影响，该层粉砂质黏土主要为风积黄土，见钙质结核分布，对应LGM(MIS2)硬土层。

4.35～11.25m多为砂砾层，为晚更新世河床相砂、砂砾石层沉积。

其中4.35～8.73m多为黄棕色含砾中—粗砂、红棕色砾质粗砂及红黄色砂砾层。砾石大小以2～5mm为主，个别可达2～4cm左右，砾石成分以砂岩、石英岩为主，磨圆度较好，以次棱角状—次圆状为主；砂以中粗砂为主，成分主要为长石、石英等，分选性较好。以砂质沉积物为主，大致为自下而上出现由粗至细的粒度或岩性正韵律，主要为平行层理，可见交错层理。判断为河流边滩沉积微相。对应晚更新世大埠组上部。

8.73～9.68m为深橄榄棕色黏土、红黄色含砾中粗砂及深棕色含砾粉砂质黏土。砾石砾径以2～5mm居多，砾石磨圆度一般，以次棱角状为主，分选性较好，较集中于与上层界线附近。其中8.80～9.0m为略具有有机质的黏土层，见介形虫类化石分布。判断该层为河漫滩沉积微相，对应晚更新世大埠组中部。

9.68～11.25m为黄棕色砂砾层，砾石砾径0.05～1cm为主，个别可达3～4cm，磨圆度较好，以次圆状为主，砾石成分为紫红色长石砂岩、石英岩、泥岩等，砂以粗砂为主，粒径1mm以上，砾石含量达35%以上，其他组分为粗砂为主，另见少量粉砂、黏土，含量2%左右。未见层理，切面粗糙。10.57～10.71m处夹中粗砂层。主要为砾石等粗碎屑物，细砂、粉砂极少，源区砾石居多，多呈透镜状展布，向上过渡为河漫滩沉积微相，判断该层为河流边滩沉积微相,对应晚更新世大埠组下部。

11.25～12.37m主要为黄棕色粉细砂、棕黄色含黏土砂砾层及棕黄色含砾粉砂质黏土，未见层理，切面粗糙，砾石成分主要为砂岩、石英颗粒等，磨圆度较好。判断该层为河漫滩沉积微相，为于泉组。

12.37～15.20m为棕黄色砂砾层，砾石大小2～5cm不等，以2mm左右居多，以次圆状为主，成分为泥岩、长石砂岩等，含量达45%左右，砂以粗砂为主，粒径达1mm左右，含量达50%以上，该层未见层理，14.32～15.20m处砾石砾径变小，以2mm居多，少见1cm以上者。以砾石等粗碎屑颗粒为主，分选及磨圆都较好，显示源区砾石居多。判断为河道滞留沉积，为于泉组。

2.3.2 JZK22孔沉积相分析

0～2.73m为棕色粉砂质黏土及深灰黑色黏土，含铁锰质结核，未见层理，判断为洪水泛滥时期形成的广阔平坦的河漫沉积区，沉积物以泥质为主，次为粉砂。判断为泛滥平原沉积，为临沂组。

2.73～5.92m深灰黑色黏土，含铁锰质结核，未见砾石，无层理。指示地下水位抬升，加之降水逐渐增加，在盛冰期硬黏土之上出现了积水洼地，以黏土沉积为主，层理发育不好，积水洼地环境中，可形成丰富的有机质沉积。判断为湖沼湿地沉积，为黑土湖组。

5.92～6.64m为黄棕色黏土质粉砂，砂以粉砂为主，含量达60%左右，未见砾石，黏土含量达40%左右，该层未见层理，6.36～6.43m处见黏土层，黏土层内见少量铁锰质结核，为局部突变的干旱气候条件影响，地下水面下降，表面急速蒸发。该层粉砂质黏土主要为风积黄土，见钙质结核分布，主要为风成沉积，对应LGM(MIS2)硬土层，为大站组。

6.64～17.22m多为砂砾层，为晚更新世河床相砂、砂砾石层沉积。

其中6.64～11.35m多为含砾砂、砾质砂、砂砾层。砾石大小以2～5mm为主，个别可达2cm，砾石成分以石英、长石、砂岩为主，磨圆度较差，以次棱角状为主；砂以粗砂为主，成分主要为长石、石英等，分选性较好。以粗砂、砾石等粗碎屑沉积物为主，细砂、粉砂极少，砾石分布均匀，多呈透镜状展布。判断为河流边滩沉积微相，为晚更新世大埠组。

11.35～12.98m主要为含砾含粗砂黏土、细砂及砾石层，砾石大小以2～5mm为主，个别可达1cm，成分主要为砂岩、石英颗粒变质岩等，磨圆度较好，以次圆状为主。砂以细砂为主，含少量粗砂及粉砂，成分主要为石英、长石颗粒。局部见中粗砂夹层，底部见细砂与粉砂互层。判断该层为河漫滩沉积微相，为于泉组顶部。

12.98～17.22m以砂砾层为主，砾石大小2～5cm不等，个别可达3～5cm，磨圆度较好，以次圆状为主，分选差，成分为石英颗粒、长石砂岩等。砂以粗砂为主，未见层理，16.67～16.80m处见极暗灰棕色炭化现象。以砾石等粗碎屑颗粒为主，磨圆度较好，显示源区砾石居多。判断为河道滞留沉积，归为于泉组。

3 年代地层划分

《中国地层表》(全国地层委员会，2014)规定[12]，采用2.588Ma做第四纪下限年代[13-15]，以0.781Ma为中更新世开始的时间，0.126Ma为晚更新世开始的时间，10 ka为全新世开始的时间[16]。本次工作中第四系定年采用14C测年及磁性地层学分析。因14C测年对于早35ka年龄有系统性误差[17]，结合区内地层特征，14C测年主要测定全新世炭质黏土年龄，相比之下磁性地层学测年范围较为广泛。

3.1 14C测年

本次14C样品分析主要部署于钻孔中，共采集8件，岩性为炭质黏土、黏土，取样厚度0.05～0.15m。本次样品分析测试工作由北京光释光实验室科技有限公司承担。14C测年结果显示区内第四系仅在全新世时期发育泥炭、有机质黏土，即仅在黑土湖组及临沂组呈夹层状，有效区分了临沂组及黑土湖组的时间界定。

从测试结果可以看出(表2)，研究区沼泽相、湖沼相的沉积环境多集中全新世1043～8710yr，其中JZK24及JZK55孔中样品所在层位划分为黑土湖组，其余样品所在层位被划分为临沂组夹层。其中JZK66样品年龄为419yr，年龄较小，不排除人类耕作活动所导致。根据区内钻孔JZK55及JZK24孔14C测年样品结果，区内临沂组底界年龄应在8000～9000yr左右。

表2 第四系钻孔14C同位素测年结果表

3.2 磁性地层

本次工作对研究区14个代表性钻孔307件样品进行了古地磁及磁化率测试，完成了古地磁极性柱年代对比。本次主要采取钻孔中的黏土层位进行测试，砂层未采取样品，黏土层位样品平均相隔0.2m。所有样品使用无磁性的2cm×2cm×2cm的塑料盒进行采样。采集的样品在中国地质大学(北京)古地磁与环境磁学实验室研究磁组构和剩磁测试。磁组构由捷克产KLY-4S卡帕桥测定。剩磁实验使用D-2000交变退磁仪进行交变退磁，所有样品退磁步骤为17步，分别为5mT，10mT，15mT，20mT，25mT，30mT，35mT，40mT，45mT，50mT，60mT，70mT，80mT，90mT，100mT，120mT，140mT退磁；经交变退磁后，获得样品的天然剩余磁场要素(磁倾角)，确定地磁极性方向变化。

经岩石地层及年代地层综合分析，区内第四系主要为中更新世以来的松散堆积物沉积，形成年限均晚于0.781Ma，因此区内磁性地层特征均符合布容期磁性地层特征。本次选取钻孔古地磁样品退磁效果较好的ZK64孔进行分析研究，多数钻孔砂层较厚未采样且采集样品退磁效果不佳，可能因退磁方法及地层所含磁性矿物性质所导致。ZK64磁化率和天然剩磁测试结果显示，天然剩磁(NRM)的强度范围为7.298×10-7～1.215×10-4m/A。磁化率值的范围为4.608×10-5～8.578×10-5。天然剩磁与磁化率值之间均有较好的相关性，表明天然剩磁主要受磁性矿物含量控制。天然剩磁和磁化率的变化与沉积物岩性特征及粒度也大致相对应。由下至上其天然剩磁和磁化率都略有升高，呈正态分布趋势。

根据20个样品的磁倾角变化，可将ZK64钻孔岩心划分出3个极性带，可对应布容期时的极性特征(表3，图4)。所测磁倾角绝大部分为正值，除ZK64-6样品为-26.10，其他样品变化范围为5.14～77.51。ZK64-6样品属黑土湖组，磁倾角为负可能因样品含磁矿物性质或后期构造活动所导致，其他样品的正磁极性特点符合布容正极性带特征，钻孔并未记录0.128Ma的Blake负极性事件。此外，晚更新世与全新世地层厚度大于中更新世地层厚度，如不考虑沉积间断，表明晚更新世以来，第四系沉积速率有所加快。

表3 ZK64孔样品天然剩磁及剩余磁化率结果表

图4 ZK64钻孔第四系地层序列与古地磁极性年表对比

4 地层格架

本次第四纪地层格架是在地表调查的基础上，利用大量露头剖面及第四系钻孔，建立第四系钻孔剖面，重点分析区内潍河第四系格架，分别为诸城市解留社区—团结村第四系剖面(图5)、胶州市胡家村—谭家村第四系剖面(图6)。以前文述及的岩性标志层进行对比，将剖面涉及的不同时期岩性组合进行沉积相判别，从而大致建立了研究区第四纪的沉积格架。研究区第四纪以来以静水环境为主，相应沉积物以砂砾层为主，中更新世及晚更新世发育河流冲积相，河道相及河漫滩相沉积，全新世多发育湖泊相沉积。沉积环境总体上以河流相、湖泊相沉积为主。潍河在研究区以下游河段为主，河流下切作用减弱，水动力变弱，沉积物在此堆积，沉积物粒度亦较细。

4.1 诸城市解留社区—团结村第四系剖面

该剖面横穿潍河及支流百尺河，潍河以西，第四系较薄，主要为晚更新世末期的风成沉积及全新世的湖沼相沉积。潍河以东，第四系变厚，中更新世河流冲积相发育广泛，中更新世末期普遍发育一期棕红色、棕黄色砂质黏土层。晚更新世早期以河流边滩沉积物为主，晚期以风积相为主，后发生1次或多次的近原地冲洪积搬运，造成局部发育洪积相的楔子状、透镜状砾石层，广泛发育钙质结核及铁锰质结核的黏土层。全新世以河流相、湖沼相沉积为主，其中河流相具二元结构，湖沼相主要为一套灰黑色黏土。

1—粉砂质黏土；2—黏土质粉砂；3—黏土；4—含砾砂；5—砂砾层；6—含钙质结核粉砂黏土；7—长石砂岩；8—泥质粉砂岩；9—砂岩；10—粉砂岩；11—泥岩；12—组界线；13—现代河床；14—泛滥平原；15—潮沼湿地；16—风积；17—河流边滩；18—河漫滩；19—河道滞留；20—沂河组；21—临沂组；22—黑土湖组；23—大站组；24—大埠组；25—于泉组；26—红土崖组；27—钻孔位置及编号图5 诸城市解留社区—团结村第四系剖面图

1—粉砂质黏土；2—黏土质粉砂；3—黏土；4—含砾砂；5—砂砾层；6—含钙质结核黏土质粉砂；7—含砾粉砂岩；8—含砾砂岩；9—砾岩；10—组界线；11—现代河床；12—泛滥平原；13—湖沼湿地；14—风积；15—河道滞留；16—沂河组；17—临沂组；18—黑土湖组；19—大站组；20—于泉组；21—红土崖组；22—钻孔位置及编号图6 胶州市胡家村—谭家村第四系剖面图

4.2 胶州市胡家村—谭家村第四系剖面图

该剖面横穿胶河及周阳河，中段较深，由东向西变浅，从剖面图上可以看出，胶河下切作用强烈。中更新世河流冲积相发育广泛，晚更新世发育含钙结核黏土，为干冷期的风成沉积。全新世以河流相、湖沼相沉积为主。剖面西段中更新世及晚更新世缺失，剖面东段中更新世缺失。

5 结论

(1)通过第四系钻孔及垂直剖面的测量和研究，查明了研究区第四系基本特征、厚度变化和分布规律。区内第四系分布主要受潍河、百尺河及胶河所影响，厚度均小于20m。区内潍河及其支流百尺河流域第四系厚度整体大于胶河流域，第四系厚度呈现由南至北逐渐变厚的趋势。

(2)将区内第四系划分为6个组级单位，从下往上分别发育于泉组、大埠组、大站组、黑土湖组、临沂组及沂河组，其中于泉组、大埠组为隐伏地层，地表未见出露。研究表明：沂河组属现代河床沉积；临沂组属河流泛滥平原沉积；黑土湖组为湖泊或沼泽湿地沉积；大站组属寒冷干燥气候下的风积相沉积；大埠组属河床及边滩沉积；于泉组上部属河漫滩沉积，下部属河道滞留沉积。

(3)根据磁性地层及14C测年研究结果表明：区内第四系形成年龄均晚于0.781Ma，其中临沂组底界年龄与黑土湖组顶界应在8000～9000yr左右。