山东省高密—景芝一带晚更新世以来沉积特征与沉积环境分析

孔祥超，卢文姬，孙景耀*，刘欢，鲁浩

(1.山东省第三地质矿产勘查院，山东 烟台 264000；2.中国冶金地质总局山东正元地质勘查院，山东 济南 250000)

0 引言

第四系是气候变化、沉积作用、地貌过程等信息的载体，也是第四纪古地理、古环境变化研究的关键[1]，而第四纪沉积物具有广泛性、多样性的特点，多以松散碎屑沉积物为主，因此需要更为细致的研究方法和更全面的采样测试分析[2-5]。

本文依托山东省1∶5万景芝、康庄幅区域地质调查项目，在野外地质调查的基础上，对第四系岩心资料对比研究，通过系统采集孢粉、粒度、14C、自然重砂等样品，确立了研究区第四纪格架，对第四纪沉积特征进行研究和探讨。

1 研究区概况

研究区横跨山东省潍坊市下辖的高密市、诸城市及安丘市，地势上表现为西北高、东南低的特点，区内潍河、渠河及五龙河等河流自南西向北横穿而过，第四纪松散沉积物在研究区大面积分布(图1)。构造单元属于华北板块(Ⅰ)胶辽隆起区(Ⅱ)胶莱盆地西部(Ⅲ)高密-诸城断陷(Ⅳ)高密-景芝凹陷(Ⅴ)区。区域上处于沂沭断裂带北段[6-8]，昌邑-大店断裂及景芝断裂在研究区断续展布，出露的前第四纪地层为莱阳群及青山群[9]。

1—白云湖组；2—黑土湖组；3—临沂组；4—方戈庄组；5—石前庄组；6—八亩地组；7—后夼组；8—田家楼组；9—水南组；10—杜村组；11—杨家庄组；12—止凤庄组；13—英安斑岩；14—钻孔编号及位置；15—断裂构造；16—研究区位置；17—高密-景芝凹陷；18—金冢子凹陷；19—胶州-兰底凹陷

研究区横跨丘陵和河流平原两大地貌单元。受河流冲刷改造及气候变化等影响，第四纪沉积物类型复杂，岩性岩相多变，地层结构局部变化明显。

2 地层特征

2.1 岩石地层

根据沉积物岩性、沉积类型、时代以及叠置关系等，将研究区第四系自下而上划分为羊栏河组、于泉组、大站组、临沂组、黑土湖组、沂河组及白云湖组7个地层单位，其中地表可见临沂组、黑土湖组及白云湖组。羊栏河组岩性为灰白色、浅灰色含砾黏土、含砾含钙质结核粉砂质黏土、含砾粉砂质黏土等，为冲洪积相。于泉组地表无出露，多分布于古河流流经区域，岩性为粉砂质细砂、含黏土细砂、粗砂、含砾粗砂、含粉砂黏土等，粒度具下部粗上部细的正粒序层理。大站组分布面积较为广泛，岩性为黄棕色、棕色黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂为主，局部夹有砂层，偶见砾石层，广泛发育钙质结核等特征，为风成沉积，区域上与马兰黄土相当，其分布与晚更新世以来古地理环境的变迁关系密切。临沂组在研究区中部山前平原区大面积出露，主要沿河流两侧分布，形成河流的Ⅰ级阶地，为河流相，具二元结构。黑土湖组与白云湖组均为湖沼相沉积，岩性为灰—深灰色黏土、粉砂质黏土。沂河组主要为现代河道沉积，沉积物多为冲积形成的砾石、中粗砂及黏土等。

2.2 年代地层

研究区主要以晚更新世—全新世以来沉积为主，考虑到第四纪松散沉积物的特殊性质，故本次采用14C测年法进行地层测年。其年龄数据为研究区全新世以来，尤其是MIS3阶段以来地层的划分对比提供了直接的依据。共采集样品10件，样品全部采自钻孔岩心，采样深度及岩性见表1。通过样品分析，有6件样品年龄值介于1208～1926BP，2件年龄样品介于2064～2716BP，1件样品年龄介于3000～4000BP,1件样品介于9965～10154BP，时代均属晚更新世-全新世。其中，样品ZK37-1取自于黑土湖组，取样位置为3.3～4.0m处，岩性为含生物碎屑黏土，颜色呈灰、深灰色，测试年龄为10154～9965BP，表明黑土湖组沉积期早于10154BP；而该样品周边采集的14C样品，如ZK33-1、ZK27-1，其年龄多为1600-3500BP，说明黑土湖组沉积受地形影响较大，沉积范围较小，呈不连续带状展布；依据样品ZK5-1、ZK5-2及样品ZK10-1，采样深度分别为1.3m、19.9m、14.5m，而样品测试年龄仅相差仅100年左右，说明其物质来源较充足，具快速堆积特点。

表1 研究区14C数据一览表

2.3 气候特征

第四纪是离人类最近的一个全球性寒冷气候期，气候变化研究从气候标志入手，可以推断第四纪不同时间尺度的气候性质等，在第四纪气候变化影响下，植物群会发生纬向或高度的迁移，所以根据植物(孢粉)类型的演替可以推断古气候的演化[10-11]。本次选取代表性钻孔(ZK4)中系统采集的孢粉样品分析(图2)，可将研究区气候划分为3个相带：Ⅲ带包含1件样品，样品编号为ZK4BF10，采样深度为18.30m，样品含木本植物花粉为松属、栎属和榆属等，草本植物花粉主要为菊科和藜科，另外样品中出现了藻类盘星藻属，推测当时出现水体，植被以落叶阔叶林为主，气候整体上温凉偏干；Ⅱ带包含7件样品，样品编号为ZK4BF09-ZK4BF03，采样深度为4.8～15.9m。木本植物以栎属、榆属为主，松属含量与Ⅲ带相比有所下降，并且出现了喜暖乔木枫香属，草本植物主要为蒿属，部分样品中出现了葎草属、蓼科和湿生草本香蒲属等，该带部分样品含藻类盘星藻属，气候环境相对温暖湿润；Ⅰ带包含2件样品，编号分别为ZK4BF01-ZK4BF02，采样深度分别为2.1m、4.2m，包含木本植物主要榆属。样品ZK4BF01中木本植物花粉类型相对丰富，同时出现了松科、桦木属等，草本植物主要为藜科、菊科、毛茛科等，推测气候环境趋于温凉。结合岩性、孢粉保存状态及气候年代学，样品的沉积时代为晚更新世--全新世。

图2 研究区ZK4综合钻孔柱状图

2.4 粒度分析

粒度分析作为研究沉积环境的重要手段之一，可以对其物质来源、沉积区水动力环境、输移能力、路线、物质运输方式和沉积环境进行综合反映[12-14]，本次在于泉组中采集粒度样品28件，对其沉积环境进行分析。

结果显示，于泉组沉积物粒度变化较大，介于0.075～20mm之间，可分为砂砾、粗砂、中--细砂及粉砂4组，其中中--细砂占比最高，根据样品采样深度及特征，总体具有下粗上细的特点，指示早期水动力较强，晚期水动力较弱。

样品频率分布曲线均呈单峰态(图3)，表明沉积物成分相对单一，沉积环境相对稳定，水动力条件较简单。砂砾组样品粒径峰值集中在-1～1φ段，频率曲线均呈正偏态，细砾部分“拖尾”明显，说明该组样品以粗砾组分为主，分选性较差。粗砂组样品粒径峰值同样集中在-1～1φ段，但其<1φ段含量明显低于砂砾组，且1～2φ段含量较砂砾组略高，频率曲线呈正偏态，细粒部分有一“拖尾”，指示该组样品仍以粗粒组分为主。中--细砂组样品粒径峰值多集中在1～2φ段和-1～1φ段两个区间内，频率曲线多呈正态或者略正偏态，个别样品出现细粒“拖尾”现象，说明该组样品沉积物粒度变化较小，分选性相对较好。粉砂组样品粒径峰值集中在2～4φ段，曲线呈明显负偏态，说明该组样品以细粒组分为主，分选型较差。

图3 于泉组频率累计分布曲线图

从累积曲线上来看，砂砾组和粗砂组样品呈现二段式，分为跳跃组分和悬浮组分，缺少推移组分；样品跳跃组分分选较好，含量较高，最高达到90%，悬浮组分分选较差，占比较低，说明沉积物粒度分布广泛，粗粒组分含量多于细粒组分，总体粒度偏粗，对应高能水动力条件。中--细砂组样品累积曲线大多呈二段式，个别样品呈三段式，总体来看，中--细砂组同样显示出跳跃组分含量高于悬浮组分，二者占比大概为8∶2，说明样品粒度总体偏粗。粉砂组样品累积曲线总体呈现三段式，跳跃组分粒径分布范围为1～4φ，含量占优，推移组分含量低于5%，悬浮组分含量较其他组样品增加，样品整体分选性优于其他3组。

通过频率分布直方图(图4)，可以得出各组样品的众数值，砂砾组和粗砂组样品的众数值均为-1～1φ区间内，中--细砂组样品众数值大多在1～2φ区间内，少数样品在-1～1φ区间内，粉砂组样品众数值在2～4φ区间内。根据样品众数值分布特征，可以看出于泉组沉积物粒度整体偏粗，对应中高水动力的沉积环境。结合研究区野外特征及样品粒度频率分布曲线、累积曲线等特征，于泉组下部沉积物自下而上依次为砂砾、含砾粗砂、粗砂、中--细砂、粉砂，频率曲线均表现为单峰态，概率累计曲线以二段式为主，总体指示了简单高能的沉积环境；上部沉积物主要为砂质黏土，主要由极细砂、粗粉砂及黏土组成，认为该段为复杂中低能沉积环境。综合分析，于泉组上细下粗，沉积物组成复杂，水动力条件相对单一，判断其沉积环境为河床--河漫滩环境。

图4 于泉组频率分布直方图

在临沂组样品粒度从下至上整体由粗变细，其中，下部主要为粗砂质，上部主要为泥质及粉砂成分，为一套正韵律沉积旋回。临沂组下部为河床亚相边滩沉积微相，上部为河漫亚相河漫滩沉积微相，大致经历了由简单高能—复杂中能—中低能—简单中低能—复杂中低能的水动力沉积环境变化。

2.5 重砂分析

重矿物耐磨蚀，稳定性强，能够保留较多的地质信息，在盆地分析、物源分析、地层划分与对比等方面可广泛应用。重矿物属碎屑物质的重要组成部分，伴随其他一些碎屑物质产生、搬运、沉积的全部过程，因此重矿物分析是最直观、有效揭示源区母岩、构造、沉积过程等重要信息的一种手段[15-16]。研究区内选择了6个钻孔10件样品，统计各样品中重矿物重量、体积百分比及特征。常见重矿物主要为锆石、金红石、榍石、重晶石、白钛矿、钛铁矿、磁铁矿、赤铁矿、绿帘石、黝帘石、电气石等10余种矿物，单斜辉石、蓝晶石、角闪石、绿泥石、海绿石、矽线石等含量较低。

锆石、金红石、电气石、锐钛矿等稳定性较强的矿物在样品中普遍存在，多呈柱状、次棱角状，磨圆度较差，晶型相对较好，说明这些矿物来自于研究区南侧胶南基岩隆起区，搬运距离较短。大部分样品中都可以见到重晶石，呈白色板状或次棱角状，粒度相对较粗，与研究区白垩纪重晶石矿脉有关。

磁铁矿、赤铁矿、钛铁矿、板钛矿形态和粒度变化较大，显著遭受过磨蚀，亦有尚保存部分晶形或未曾磨蚀的，其来源主要是基岩地层，可能包含着原始机械沉积、化学沉积(赤铁矿)及变质成因(部分磁铁矿、钛铁矿、板钛矿)；这些矿物含量相对较高，多可占重矿物部分的20%～40%，个别样品高达70%。反映了研究区内近代氧化作用强烈的气候特点。褐铁矿、白钛矿具有半金属光泽、油脂光泽、土状光泽，粒径变化较大，主要是由含铁、钛的矿物或岩石氧化形成的次生矿物，尽管分布较普遍，但不能指示原岩具体特征性，物源不定。样品中普遍存在绿帘石和黝帘石，含量较高，并且样品之间矿物含量基本接近，另外部分样品中见透闪石、阳起石等蚀变矿物，说明物源区原岩经历过一定程度的热液蚀变作用。石榴石均呈浅粉色、橙红色，为铁铝石榴石系列，是典型的变质矿物，常见于各种片岩和片麻岩中。结合钻孔分布情况可以看出，自北向南石榴石含量逐渐降低，说明沉积物源区可能来自研究区北部的粉子山群。另外，个别样品中见少量单斜辉石、角闪石、黑云母，可能来自于区内青山群中基性火山岩；个别样品中见少量海绿石，指示物源区原岩部分为海相沉积岩；ZK39ZR01样品中少量矽线石的存在，说明原岩经历了高温变质作用，可能与区域上郯庐断裂带有关。

3 沉积相特征

在地表调查的基础上，利用大量露头剖面及第四系钻孔资料，通过岩石地层、年代地层对比分析，再以粒度、孢粉分析结果做进一步修订，建立了研究区第四纪沉积格架。依据岩石组合特征，结合区域地质成果，研究区主要发育曲流河相、风成相、冲洪积相及湖沼相。

高密一带钻孔位于研究区中东部，即康庄—阚家镇一带，上部岩性多以黏土、含砾粉砂质黏土为主，色调上呈灰—深灰色，为白云湖沉积，沉积厚度为0.5～1.5m，沉积相为湖沼相；白云湖组下部为临沂组沉积，岩性为黏土质粉砂、粉细砂夹少量的中粗砂，以河漫滩沉积为主，沉积厚度自南向北逐渐增厚；中部为大站组沉积，沉积厚度以10～15m为主，且呈连续带状展布，前人对该风成黄土成因进行过大量研究表明[17-22]：该套黄土物源为海退期裸露的陆架海相沉积土，形成于晚更新世中晚期，年龄距今15～80kaBP，相当于第四纪末次冰期；下部为羊栏河组。该区地形整体呈东西部高，中间低的特点，水系以五龙河为主，河流规模较小，且为季节性河流，沉积环境与水系分布及地形地貌有密切关系。而根据研究区第四系等厚图可知，其沉积厚度变化呈一“U”字型，即第四系沉积厚度由两侧向中间逐渐增厚，且由南向北厚度递增，沉积厚度最厚位置位于仁和村一带，最厚可达30.6m，表明沉积中心位于研究区东北角一带。参考邻区成果及高密县志记载资料，现今仁和村以北一带为古高密湖位置。而河流由南向北流经该区，受地形制约，研究区第四纪以来，无明显古河道变迁(图5)。

1—砾石层；2—含砾中细砂；3—细砂；4—含砾粉砂质黏土；5—粉砂质黏土；6—黏土；7—前第四系；8—地表浮土；9—湖沼相；10—河漫滩相；11—风成相；12—边滩沉积；13—河床滞留沉积；14—冲洪积相

景芝一带钻孔位于研究区景芝幅东北，跨渠河、潍河，剥除地表浮土，上部岩性以粉砂质黏土、黏土质粉砂为主，为临沂组河漫滩及边滩沉积；中部岩性则主要为含钙质结核粉砂质黏土、中细砂及含砾粗砂等，分别为大站组及于泉组断续沉积；下部岩性为含砾粉砂质黏土、中细砾石层等(图6)。

1—粉砂质黏土；2—含砾粉砂质黏土；3—细砂；4—粗砂；5—含砾粗砂；6—砾石层；7—地表浮土；8—河漫滩沉积；9—边滩沉积；10—风积相；11—河床滞留沉积；12—前第四纪

景芝地貌上以低山丘陵及冲积平原为主，其中在巴山、临甘泉村及城阳村一带，第四系沉积厚度较薄，由于潍河下游处于沂沭断裂带内的地堑构造中，且地堑构造内基底呈阶梯状向北降低，新生代以来地堑沉积厚度不断加大，形成了潍北凹陷，潍河在这一狭长地带区域内左右摆动，形成了巨厚的冲洪积扇体[6]。在渠河及潍河流经区域第四系厚度由中心位置向两侧递减，其沉积物来源主要为潍河、渠河冲积沉积(图7)。沉积厚度最厚部位位于南张洛村一带，沉积厚度大于23m，自南向北沉积厚度逐渐增厚，其潍河河道有向东迁移趋势。

1—莱阳群砾岩；2—莱阳群含砾砂岩；3—砂岩；4—冲积扇；5—现代河床；6—湖沼相

4 结论

(1)研究区晚更新世—全新世沉积类型较丰富，发育有早期的冲洪积相，中期风成相，晚期以曲流河和湖沼相为主；其中，东北区风成相及湖沼相发育，西南区受潍河等影响，河流相发育。

(2)研究区晚更新世—全新世气候大致经历了三期，分别为早期的温凉偏干燥性气候，中期较温暖湿润，晚期气候趋于温凉。

(3)研究区粒度分析结果表明于泉组沉积环境为河床--河漫滩沉积；临沂组为河漫滩沉积，1500～3500BP为主要沉积时期。

致谢：感谢张增奇研究员对本文提出宝贵修改意见。