济宁市中心城区第四纪地层划分及地质结构特征

徐书名 张岩 李森 胡波 王夏夏 张孝坡 黎逢良

收稿日期：20240115；修订日期：20240322；编辑：王敏

基金项目：济宁市财政项目，济宁市城市地质调查项目（SZBM-2021-G0024）

作者简介：徐书名（1987—），男，山东济宁人，工程师，主要从事水工环地质工作；Email：404081724@qq.com

*通讯作者：李森（1988—），男，山东邹城人，注册土木工程师（岩土），主要从事水工环地质工作；Email：876579189@qq.com

摘要：济宁市中心城区第四纪地层广泛分布，是影响城市发展建设的重要地质因素。长久以来，区内第四纪地层划分的研究薄弱，各单位划分标准不统一，地层划分混乱，相关地质资料通用性差。本文依托“济宁市城市地质调查项目”，采用多种测年手段进行地质年代测定，并与工程地质钻探、岩土工程勘察相结合，对第四纪地层进行了研究划分。结果表明，全新世与晚更新世地层界线为黑土湖组；晚/中更新世地层界线埋深约为20.0～28.0m，为一层钙质结核富集黏土层；中/早更新世地层界线亦为钙质结核富集黏土层，埋深约在50.0～65.0m。第四系厚度一般90.0～130.0m，与新近纪馆陶组呈不整合接触，二者地层特征差异明显。本次研究工作可为济宁市中心城区地质调查、岩土工程勘察等工作提供参考依据，弥补了以往研究的不足。

关键词：第四纪地层划分；测年；岩土工程勘察；济宁市

中图分类号：P544    文献标识码：A    doi：10.12128/j.issn.16726979.2024.05.001

引文格式：徐书名，张岩，李森，等.济宁市中心城区第四纪地层划分及地质结构特征［J］.山东国土资源，2024，40（5）：19.XU Shuming， ZHANG Yan， LI Sen， et al. Quaternary Stratigraphy Division and Geological Characteristics in Central Urban District of Ji'ning City［J］.Shandong Land and Resources，2024，40（5）：19.

0  引言

济宁市中心城区位于鲁西南腹地，地处黄淮海平原与鲁中南山地交接地带，地貌类型以冲洪积平原为主，第四纪地层厚度一般在90～130m之间，仅在兖州区嵫阳山基岩出露区附近未沉积。由于区内的第四纪地层划分研究尚不完善和深入，地勘行业、单位之间存在着地层划分不统一、更新统不再细分的问题，给地质工作者之间的交流造成不便，不利于地质资料的再利用。

在收集、整理研究区已有的各类地质、物化探、遥感及钻孔资料的基础上，同时结合前人对区域第四系调查研究成果资料进行综合分析［19］，本文对研究区地貌、第四纪地层结构及沉积物类型、古河道走向及古湖泊分布有一个总体的了解。“济宁市城市地质调查项目”在区内布设实施第四系科研钻孔7个，分别为P12、P62、P108、P115、P151、G6、P142孔，进尺850m，其中基准孔为P108；另施工了标准统一且精细化编录的382个工程地质钻孔［10］，钻孔间距1～2km（图1）。本研究通过运用14C同位素测年、光释光测年、电子自旋共振（ESR）测试、古地磁测试等手段，对地层年代进行判定，并与工程地质钻孔及收集挑选的261个岩土工程勘察钻孔进行地质特征比对及系统分析，对第四纪地层进行了研究及划分，旨在为城市规划建设和区域第四系研究提供基础资料。

1  研究区概况

中心城区位于济宁市中部、南四湖以北，涉及任城区、兖州区、高新区、经开区、太白湖新区行政管辖范围内的主要城镇建设区域。在山东大地构造单元划分中，研究区位于华北板块（Ⅰ级）、鲁西隆起区（Ⅱ级）、鲁西南潜隆起（Ⅲ级）、菏泽兖州潜断隆（Ⅳ级）构造单元内。

1—地层界线； 2—第四系；3—寒武奥陶系；4—新太古代晚期侵入岩；5—中心城区范围；6—科研孔及编号；7—工程地质钻孔；8—岩土工程勘察钻孔。图1  济宁市中心城区地质简图

中心城区大部被第四系覆盖，仅在嵫阳山存在基岩出露区（图1）。平原区分为汶泗河冲洪积平原和黄河冲积平原，大致以老运河为界。汶河和泗河分别自宁阳县、曲阜市防山镇以下成扇形平原展开，二者在研究区北部合二为一，组成联合冲洪积平原［11］。区内的黄河冲积平原是黄河下游冲积大平原的一部分，又称黄泛平原。

研究区处于前述东西两大冲洪积平原交叠范围。汶河、泗河等河流携带东部丘陵的侵蚀剥蚀碎屑物向区内大量冲刷堆积，黄河携带中上游和早期冲积物质在此冲积、泛淤［12］。沉积物料来源和环境变化大，增加了第四系划分的复杂性。

2  岩石地层及沉积相分析

2.1  地层单元划分方案

研究区属华北地层区——鲁西地层分区［13］，第四纪地层划分为平原组、黑土湖组、临沂组、黄河组、沂河组、白云湖组6个组级岩石地层单位（表1）。

2.2  岩石地层

研究区早更新世以来沉积环境以河流相为主，次之为湖泊相沉积（表2）。

2.3  沉积相分析

本文选取基准孔P108进行沉积相分析（表3）。根据河流边滩沉积厚度判断P108附近早中更新世期间靠近主河道，晚更新世至全新世历经边滩、河漫滩、河漫湖泊。总体粒度自下往上粒度变细，揭露了古河道的变迁。

3  年代地层划分

3.1  年代地层划分方案

《中国地层表》规定，采用2.588Ma做第四纪下限年代（即原定为2.48Ma的古地磁松山—高斯极性时界线，简称古地磁M/G界线），以0.781Ma（即原定为0.69Ma或0.73Ma的古地磁布容—松山极性时界线，简称古地磁B/M界线）为中更新世开始的时间，相当于深海氧同位素的19/20阶。以大致相当深海氧同位素5阶段开始的0.126Ma为晚更新世开始的时间。以相当深海氧同位素1阶段开始的10ka为全新世开始的时间［14］，划分方案如表4所示。

为进行年代地层划分研究，共采取14C同位素测年样品6件，光释光测年样品7件，ESR测试样品18件，古地磁测试样品170件，测试由北京锆年领航科技有限公司完成。

3.2  14C同位素测年

14C同位素测年上限约为5万年，本次14C测年样品仅用于判别区内全新世与晚更新世地层的界线，取样位置集中在界线附近且具有代表性的地层中。根据14C样品测年结果及地区经验，各样品的分组判定结果见表5。

区内第四系全新世及晚更新世发育泥炭、有机质黏土，均存在沼泽相、湖沼相沉积环境，14C测年结果显示黑土湖组年龄底界应在6000～8000a左右。由于黑土湖组灰—灰黑色湖沼相沉积物在全区普遍分布，这也说明研究区在全新世区内存在大面积湖泊沼泽。

3.3  光释光及ESR测年

研究区内更新统地层以往测年工作很少，本次工作针对性的选用了光释光和电子自旋共振（Electron Spin Resonance）测年对更新世地层开展测年工作。

光释光测年物质主要是石英和长石，在沉积地层中含量丰富，可广泛应用，其测年范围一般在十几万年，最高可达70多万年［1516］。针对光释光测年样品，优先在预期的晚/中更新世地层分界位置采取代表性样品。

电子自旋共振简称ESR，多数学者认为ESR定年的上限在2Ma左右［1718］。其测年范围基本可以覆盖整个第四纪，目前较少应用于前第四纪地层的测年。ESR测试样品主要在预期的中/早更新世地层界线处采取。

P108孔光释光和ESR样品测试结果（表6）表明，中/早更新世地层界线在51.59～54.30m之间，晚/中更新世的地层界线在25.25～28.40m之间。

3.4  磁性地层

本次工作对基准孔P108进行了古地磁及磁化率测试，取样深度0.56～76.80m，取样间距一般0.15～0.50m，完成了古地磁极性柱年代对比。通过对天然剩磁、磁化率、磁倾角等数据的综合分析，得到P108钻孔磁性地磁结果（图2）。自左至右依次为磁倾角、筛选磁倾角、其他测年结果（14C、OSL和ESR）、磁极性柱、标准磁极性柱、最大磁偏差角。由于在岩心钻取过程中，对钻孔并未进行水平定向，只是对岩心进行了上下方向定向。因此，钻孔岩心样品的磁偏角并不能反映沉积物沉积时的地磁场偏角特征，最大角偏差由磁偏角和磁倾角联合计算得出，只具相对意义［19］。

图2  P108钻孔古地磁结果

由于实验得到的钻孔岩心磁极性方向曲线变化比较频繁，无法很好地与标准极性年表进行对比。综合参考其他测年手段获得的年代结果，其中，12m时，14C年龄约为30ka；14.5m时光释光年龄已约为60ka；在16.5m，光释光年龄约86ka，更深样品的光释光信号趋于饱和（等效剂量大于300Gy），表明地层年龄超过100ka，而光释光年龄都是最小值，地层实际年龄要比光释光年龄大。在33.53m时，ESR年龄为430ka，在51～58m ESR年龄为约756～810ka。在这些测年结果中，前4个可参考的数据显示地层时代不老于中更新世，而后2个测年数据指示地层已进入早更新世，因此可判断钻孔岩心沉积相可能存在沉积间断。结合ESR年龄结果和地磁极性曲线在约55.8m的极性转换特征，可初步判断可能为B/M界线，67.30～72.55m可能为Jaramillo正极性亚时，但因数据点较少并存在数据缺失，极性亚时证据稍显牵强。基于以上判断，在约76.8m处，可认为钻孔年代结束于约1000ka前后。因此，本钻孔B/M界线可能位于55.8m左右，年代约780ka，为中/早更新世的界线。

4  第四纪地层的划分与讨论

4.1  全新世与晚更新世地层界线

全新世与晚更新世地层界线为黑土湖组，界线标高如图3所示，区域上研究资料较多，二者界线明显。黑土湖组以河漫湖泊沉积为主，厚度一般1～2m，埋深一般＜6m，以灰黑色、黑棕色、灰棕色有机质黏土、粉质黏土为主，偶见软体动物贝壳，易于区分，具有区域性标志层意义。与下伏平原组地层为整合接触关系。

1—中心城区边界；2—全新世/晚更新世地层界线标高（m）等值线。图3  全新世/晚更新世地层界线标高等值线分区图

4.2  晚/中更新世地层界线

4.2.1  光释光测年

光释光测年结论表明，P108孔晚/中更新世的地层界线在25.25～28.40m之间。考虑到光释光测年取样间距、测年误差对结果的影响，本文认为，P108孔晚/中更新世的界线在22.3～28.4m之间。

4.2.2  地层比对划分

通过对比分析P108钻孔、其他科研钻孔、工程地质钻孔及收集的岩土工程勘察报告钻孔的地层特征，在中心城区埋深大约20～28m之间发育有一层钙质结核富集黏土层，与P108孔22.80～23.90m相似，其平面分布范围广，厚度约1～3m。钙质结核的显著富集显示该地质时期曾经历强烈的半干旱气候条件，其中蒸发与淋滤作用活跃，可能存在频繁的沉积间断过程。其标高、埋深与光释光测年结论的晚/中更新世地层界线吻合。该层上下大约5m之内不发育或少发育其他含钙质结核层，易于区分，具有标志性意义。据土工试验及原位测试的结果，地层的物理力学性质在该层上下也明显不同（表7）。

中心城区确定二者界线时，可将埋深20～28m处钙质结核富集黏土层的底界作为参考进行划定。界线标高如图4所示，晚更新世地层厚度在研究区内一般在15～25m。

1—中心城区边界；2—晚/中更新世地层界线标高（m）等值线。图4  晚/中更新世地层界线标高等值线分区图

4.3  中/早更新世地层界线

4.3.1  ESR测年及磁性地层

根据ESR样品的测试结果，P108孔中/早更新世的地层界线应在51.59～54.30m之间。

中/早更新世地层的界线为B/M界线，古地磁测试表明，P108孔的B/M界线位于55.8m左右，年代约780ka。考虑到取样间距、误差等因素，ESR和古地磁测试的结果吻合度较好。

4.3.2  地层比对划分

P108孔55.8m处，为一层钙质结核富集黏土层结束的位置，该层与下部相邻黏土层颜色、包含物、物理力学性质等相似，为同一工程地质层。颜色在58.6m处由黄褐色夹兰灰条纹变为棕黄色，下部地层明显偏深，颜色变化大，铁锰质结核含量明显增高，易于辨别。

经与其他种类钻孔对比分析地层特征，中心城区埋深50～65m范围内普遍发育该含钙质结核黏土层，钙核含量不均，分布较普遍，与下部地层之间颜色，包含物种类及含量差异明显，与P108孔相似。

因此，在判定研究区内中/早更新世地层界线时，可根据上述地质特征依据进行划分。界线标高如图5所示，中更新世地层厚度在研究区内一般在20～35m。

4.4  第四系与新近系界线

古地磁取样深度最深为76.8m，地层年代约为1000ka。ESR测年取样深度最深处为92.8m，地层年代在1137ka左右。未测取到第四系底界。

通过深入研究与梳理区域地质文献资料，馆陶组为灰白色砾状砂岩、细砂岩，灰绿色细砂岩和棕红色泥岩的间互沉积。上段为含砾砂岩、砂岩与泥岩互层，下段为厚层—块状砂砾岩夹泥岩，底部为含石英、黑色燧石的砂砾岩、砾状砂岩，局部为玄武岩。经对比分析，P108孔114.61m以下地层在岩性、颜色、包含物等地质特征上符合馆陶组的特点，第四系在114.61m处结束，进入新近系。

在二者界线处，岩性、颜色、物理力学性质变化明显。第四系下限一般为杂色、黄褐色中粗砂，含砂黏性土。黏性土包含物以中粗砂、钙质结核、铁锰质结核为主，钙核含量＜20％，直径一般＜5cm，铁锰质结核普遍分布。馆陶组以灰白色、灰绿色粗砂岩、泥岩为主。泥岩包含物以粗砾砂、钙质结核为主，钙核含量一般＜80％，最高100％，直径一般3～10cm，极少见铁锰质结核，局部夹淡水灰岩。可根据以上地质特征，对二者的界线进行了划分。界线标高如图6所示，早更新世地层厚度一般在40～60m。

1—中心城区边界；2—第四系/新近系界线标高（m）等值线。图6  第四系/新近系界线等值线标高分区图

5  结论

（1）通过14C同位素测年，测得临沂组炭质黏土年龄为（1300±25）a，黑土湖组炭质黏土年龄为（6150±30）a～（8100±80）a。测年结论为黑土湖组作为全新统底界提供了数据支撑，丰富了区域地质资料。全新世与更新世地层界线由研究区东北向西南倾斜，界线标高逐渐递减，全新统厚度一般在3～6m。

（2）根据光释光测年结论和钻孔地层地质特征，将研究区埋深在20.0～28.0m之间的钙质结核富集黏土层底部作为晚/中更新世之间的界线。钙质结核富集黏土层特征明显，易于鉴别，具有标志性意义。晚/中更新世地层界线标高自研究区东北向西南方向逐渐递减，晚更新世地层厚度一般在15.0～25.0m左右。

（3）依据ESR（电子磁旋共振）与古地磁测试的综合数据分析，结合钻孔地层的具体地质特征证据，本文将研究区内埋深50.0～65.0m之间的钙质结核富集黏土层底部作为中/早更新世的地层界线。中更新世地层厚度在研究区内一般在20.0～35.0m之间。

（4）经分析测年数据及深入研读区域地质文献资料，并邀请领域内专家进行实地考察和专业指导后，本文初步划分了第四系与新近纪地层之间的界面位置。并通过地层地质特征对比分析，总结出该界线处蕴含的地质规律特点。早更新世地层厚度在研究区内一般在40～60m之间，第四系厚度一般90～130m，底界在区内自东向西倾斜。为确保第四系底界划分的准确性和科学性，尚需进一步进行更为系统和完善的测年工作加以验证。

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Quaternary Stratigraphy Division and Geological Characteristics in Central Urban District of Ji'ning City

XU Shuming1，2， ZHANG Yan1，2， LI Sen3， HU Bo1，2， WANG Xiaxia3， ZHANG Xiaopo3， LI Fengliang1，2

（1. Lunan Geo-engineering Exploration Institute（No.2 Geological Brigade of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources ），Shandong Ji'ning 272100，China；2. Key Laboratory of Karst Geology of Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Shandong Ji'ning 272100，China；3. Shandong Provincial Geology Construction Limited Corporation，Shandong Ji'ning 272100，China）

Abstract：Quaternary deposits are widely distributed in the central urban district of Ji'ning city. It play a significant role as geological constraints in affecting urban development and construction. For a long time， study on stratigraphic division of Quaternary in this area is weak. Standards for dividing various units are inconsistent， stratigraphic classification is in confusion， and related geological data has poor generalizability .In this paper， based on "Urban Geology Survey Project in Ji'ning City "， by using multiple dating techniques ， geological ages have been determined. Combining with engineering geological drilling and geotechnical investigations， classification on Quaternary strata have been studied. It is indicated that the boundary between Holocene and late Pleistocene strata is Heituhu formation. The burial depth of late and middle Pleistocene stratigraphic boundary is calcareous nodule enriched clay layer with the depth of about 20.0～28.0m. The boundary between the middle and early Pleistocene strata is also a clay layer enriched with calcium nodules. The burial depth is approximately 50.0～65.0m. The thickness of Quaternary system is generally 90.0～130.0m. It is in unconformity contact with Neogene Guantao formation with significant differences in stratigraphic characteristics between the two. This research work can provide reference basis for geological surveys， geotechnical engineering surveys， and other work in the central urban area of Ji'ning city.

Key words：Quaternary stratigraphic division; dating; geotechnical engineering investigation; Ji'ning city