第四纪地层划分对于第四纪地质研究具有重要意义。磁性地层学是第四纪地层划分的重要依据(安芷生等，1979；李龙吟等，1994；刘进峰等，2005；乔彦松等，2006；朱日祥等，2007；赵勇等，2013；张磊等，2016；陈宏强等；2021)，前人通过北京凹陷新5孔(栾英波等，2011；郭高轩等，2013)、廊固凹陷G01孔(代鹏等，2019)、大厂凹陷S9孔(石光耀等，2021)研究，认为磁性地层学是第四纪年代地层划分的有效方法。大兴凸起位于河北平原北部，前人对其第四纪地层划分研究较少，赵勇等(2019)通过大兴凸起南部PGZ05钻孔磁性地层学研究，建立了大兴凸起南部第四纪地层格架。目前，大兴凸起内第四系钻孔数量较少，对应的年代学研究薄弱，导致该区的第四纪地层格架还未建立，而且大兴凸起北部相对于南部，受局部断裂影响，该区域为大兴凸起上更凸起的地区，因此北部第四纪地层相对于南部应该存在差异。为了建立大兴凸起第四纪地层格架，并为大兴凸起和邻区的地层划分及对比提供基础数据，本文以大兴凸起北部D1钻孔岩心为研究对象，结合¹⁴C、光释光、磁性年代学测试结果，对D1钻孔开展地层学和年代学研究，建立了D1钻孔第四纪地层格架，以期为该区第四纪区域地层划分和对比研究提供参考资料。

1.   钻孔岩心特征及沉积相划分

钻孔D1在构造上位于大兴凸起北部，夏垫断裂上盘(图 1)，潮白河冲洪积扇及河流多期冲洪积作用的叠加是该区域第四纪沉积物的主要成因。钻孔坐标为北纬39°54'40″、东经116°52'02″(河北省三河市燕郊镇小石各庄村南)，孔口高程19.07 m，孔深203 m。D1钻孔取心率大于90%，岩心直径110 mm，取心率和岩心状况满足磁性地层的研究。

图  1  D1钻孔位置及构造简图

Figure  1.  The location of borehole D1 and tectonic sketch map

下载: 全尺寸图片 幻灯片

D1钻孔沉积物岩性主要由粘土、粉砂、细砂、中砂、粗砂、含砾砂等组成，钻孔编录将D1孔岩心划分为176个层位，以沉积物的颜色、沉积构造、沉积旋回等特征为主要依据，同时参考钻孔综合测井结果(图 2)，将D1钻孔岩心划分为3套沉积物组合。

图  2  D1钻孔岩性柱、电阻率测井曲线及沉积环境解释

Figure  2.  The lithological column, step resistivety logging curves and sedimentary environment interpretation in the borehole D1

下载: 全尺寸图片 幻灯片

186.6~203 m：该段沉积物为一套浅棕色、棕黄色、橘黄色，粉砂、粘土质粉砂组合。沉积物中普遍含有姜结石颗粒，整体具有“硬、脆”特征，轻微弱固结，底部粉砂及粘土质粉砂中可见2层钙质固结层，厚5~8 cm。视电阻率曲线呈低幅锯齿状。沉积物整体上反映一种干燥、暴露的氧化沉积环境，该段应属洪积扇扇缘沉积。

186.6~153.9 m：该段沉积物为一套棕黄色、棕灰色中细砂、细粉砂、粉砂、粘土质粉砂组合。以砂为主，粘土较少，不具备河流二元结构特征。该段共发育3个沉积旋回。视电阻率曲线反映单个旋回下部呈箱型、钟形，上部呈低幅锯齿状，下部沉积物厚度大于上部，沉积物以砂为主，推测此处应为洪积扇向曲流河过渡的扇上河道沉积。

0~153.9 m：该段沉积物主要由灰色、浅灰色、棕灰色、棕黄色粗砂、中砂、细砂、粉砂夹灰色、棕灰色、棕黄色粘土质粉砂、粘土组成。局部可见水平层理、平行层理及粒序层理，该段整体表现为多个沉积旋回(砂-粉砂-粘土)，曲流河二元沉积结构特征明显，属河流相沉积。根据沉积物特性及测井曲线特征，将该阶段沉积物组合进一步划分为两部分。

(1) 91.4~153.9 m：该部分主要由灰色、浅灰色中砂、细砂及浅灰色、棕灰色、棕黄色粉砂、粘土质粉砂、粉砂质粘土组成。粉砂、粘土质粉砂及粉砂质粘土中普遍含有小颗粒姜结石，具有“干、硬、脆”特征。该段可划分为2个沉积旋回，每个旋回上部以发育粉砂、粘土质粉砂、粉砂质粘土的泛滥平原沉积为主，下部以发育细砂、中细砂的河床沉积为主，二元结构上部沉积厚度远大于下部。单个旋回视电阻率曲线下部呈钟形，上部呈低幅锯齿状，上部厚度远大于下部，整体表明该段岩性相对单一，以细颗粒沉积物为主，推断此处应为缺水的河间地带，总体上属于暴露的氧化沉积环境。

(2) 0~91.4 m：该部分主要由灰色、浅灰色、浅棕黄色中砂—细砂及浅灰色、棕灰色、棕黄色粉砂、粘土质粉砂及粘土组成。其中，粉砂、粘土质粉砂及粘土不具有“干、硬、脆”特征，粉砂及粘土质粉砂相对松散，粘土具有软塑性，常见炭质斑点、锈染等，部分粘土中潴育化作用强烈。视电阻率曲线反映河流二元结构显著，下部呈箱形、钟形，上部呈低幅锯齿状。该段可划分为9个沉积旋回，每个旋回上部以发育粉砂、粘土质粉砂、粉砂质粘土的河漫滩、河漫湖泊沉积为主，下部以发育细砂、中细砂的边滩沉积为主，呈现上细下粗的正粒序沉积。二元结构上部沉积厚度小于下部沉积，整体显示曲流河沉积特征。

2.   测试方法

本次研究分别在D1钻孔埋深6.2 m、9.4 m处取得2件¹⁴C样品；埋深10.3~32.3 m处取得4件光释光样品。¹⁴C样品测试在北京大学考古文博学院¹⁴C加速实验室完成，实验采用加速器质谱法(AMS)，所用¹⁴C半衰期为5568 a，树轮校正所用曲线为IntCal13 atmospheric curve，数据处理所用程序为OxCal v4.2.4。光释光测年在北京光释光科技有限公司完成，实验仪器为Daybreak 2200光释光仪，所有样品采用细颗粒简单多片再生法获得等效剂量值，采用饱和指数方法进行拟合。

古地磁样品的野外采集质量是高质量古地磁极性柱建立的重要保障(Deng et al., 2006；范友良等，2017；刘运明，2017)。古地磁样品采集的沉积物可分为2类：细碎屑沉积物(粘土、粉砂质粘土、粘土质粉砂、粉砂)和粗碎屑沉积物(细、中砂和粗砂)。古地磁样品采样时，粗碎屑沉积物采样间隔约为1 m，细碎屑沉积物采样间隔约为0.5 m。在野外现场将D1钻孔岩心对半劈开，标定顶底方向，然后采集样品，采用2 cm×2 cm×2 cm的无磁塑料盒对砂类松散样品进行采集，粘土类样品在标定方向后加工成2 cm×2 cm×2 cm的土块。D1钻孔共采集古地磁样品211件(塑料盒77件，土块134件)。样品测试在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁实验室完成。对砂类沉积物(塑料盒样品)采用交变退磁处理，粘土类沉积物(土块样品)采用交变、热退混合退磁处理。实验仪器为2G-760R低温超导磁力仪，粘土类样品先进行热退磁(室温约120℃)，仪器为TD-48热退磁炉，然后进行交变退磁处理，再进行热退磁(200~690℃)；砂类样品直接进行交变退磁处理。使用PaleoMag软件对测试数据进行筛选，最终选出174个数据(82%)(图 3)。详细的野外取样过程及试验流程见石光耀等(2021)。

图  3  D1钻孔代表性样品正交矢量投影图

M/Mmax—剩磁强度/最大剩磁强度比值；NRM—天然剩磁；TD—热退磁；AD—交变退磁

Figure  3.  Orthogonal vector plots showing the results of representative specimens from the borehole D1

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   测试结果

¹⁴C样品测试结果为16875±40 a B.P.、22400±70 a B.P.(表 1)，光释光样品测试结果分别为30.2±2.4 ka、45.8±2.6 ka、73.2±5.1 ka、109.6±5.5 ka(表 2)。

表  1  D1钻孔¹⁴C样品信息及测年数据

Table  1.  Statistics of information and dating data of the ¹⁴C specimens in the borebole D1

样品编号	样品深度/m	样品岩性	14C年龄/a B.P.	树轮校正后年龄/a B.P.
				1σ(68.2%)	2σ(95.4%)
D114C-1	6.2	粘土	16875±40	20458(68.2%)20270	20528(95.4%)20161
D114C-2	9.4	粉砂质粘土	22400±70	26863(68.2%)26512	27053(95.4%)26406
注：树轮校正后年龄分别为2个误差范围，以概率的形式给出；B.P.为距1950年的年代

下载: 导出CSV 

| 显示表格

表  2  D1钻孔光释光样品信息及测年数据

Table  2.  Statistics of information and dating data of the OSL specimens in the borebole D1

样品编号	样品深度/ m	U/10-6	Th/10-6	K/%	含水量/%	等效剂量/Gy	年龄/ka
D1OSL-1	10.3	1.69	9.53	2.17	16.9	105.59±7.32	30.2±2.4
D1OSL-2	18.5	1.62	5.00	2.82	15.0	167.72±6.84	45.8±2.6
D1OSL-3	26.35	0.64	3.38	2.93	9.0	249.50±14.23	73.2±5.1
D1OSL-4	32.3	0.86	3.89	2.59	12.3	343.93±10.58	109.6±5.5

下载: 导出CSV 

| 显示表格

利用古地磁测试数据建立D1钻孔的古地磁极性柱，并且与标准古地磁极性柱对比(Cande et al., 1995)。由图 4可见，D1钻孔0~89.50 m段以正极性为主，其间夹有几个较薄的负极性漂移，该段为布容(Brunhes)正极性带；89.50~132.25 m段以负极性为主，该段为松山(Matuyama)负极性带，其中96.45~108.50 m段为正极性亚带，沉积物厚度约为12.05 m，沉积速率远大于Jaramillo(0.99~1.07 Ma)极性亚时沉积速率，因此判断为Olduvai(1.77~1.95 Ma)正极性亚时沉积；132.25~143.5 m段以正极性为主，为高斯(Gauss)正极性带。由于D1钻孔构造位置位于大兴凸起，且为凸起上相对凸起的位置，推测在高斯极性时和松山极性时剥蚀作用较强烈，导致这2个时期的沉积物厚度较薄。

图  4  D1钻孔钻磁性地层与标准极性柱对比图

Figure  4.  The contrast diagram of magnetostraphy of the borehole D1 with standard polarity zones

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   讨论

本次研究以钻孔岩性为基础，同时使用古地磁确定第四纪更新世早期地层和更新世中期地层底界；采用光释光法测年确定更新世晚期地层底界；采用¹⁴C法结合光释光法测年确定全新世地层底界。据此，笔者对D1钻孔进行了年代地层划分。

4.1   第四系底界

根据D1钻孔古地磁数据，M/G界线位于132.25 m左右。根据钻孔沉积物特征，在137.9 m处沉积物物理性质发生显著改变，颜色由棕灰色向棕黄色、橘黄色转变，固结程度增加，硬度增强。因此，笔者将早更新统底界定在137.9 m。受地层岩性、磁性、电性等多种属性的影响，古地磁界线与岩性界线并不完全一致(胡云壮等；2014)。对比PGZ05孔(图 5)，PGZ05孔在构造上位于大兴凸起南部，第四纪沉积物主要来源于永定河冲积、冲洪积扇(陈望和，1987；石光耀等，2021)，第四系底界181.35 m；D1钻孔与PGZ05孔在沉积物颜色、组成和成因上相似，但是在第四系划分上存在差异。2个钻孔虽然都处于大兴凸起，但D1钻孔构造位置位于大兴凸起上相对凸起的位置，在高斯极性时和松山极性时剥蚀作用较强烈，导致这2个时期沉积物厚度较薄。另外，在PGZ05钻孔第四系之下深度185~248 m处存在一套杂色泥质砾石层，D1钻孔与PGZ05孔在沉积物组成和沉积相上相似，推测D1钻孔中也存在该套杂色泥质砾石层。同时北京新5孔(栾英波等，2011；郭高轩等，2013)、固安G01孔(代鹏等，2019)及三河S9孔(石光耀等，2021)在第四系以下发育一套厚20~80 m的泥砾和砂砾层，在横向上具有对比性，该套泥砾、砂砾层可作为区域对比的一个标志层，对第四系底界的确定起到重要作用。

图  5  D1钻孔与北京PGZ05钻孔古地磁极性柱对比

Figure  5.  Geomagnetic polarity timescale comparison of the borehole D1 with Beijing PGZ05 borehole

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.2   中更新统底界

古地磁数据的B/M界线对应中更新统底界。根据古地磁数据，D1钻孔在89.5 m处发生大极性时转换，因此将B/M界线划在89.5 m左右。同时根据钻孔沉积物特征，91.4 m为一个重要的岩性界面，上下沉积物组合具有明显差别，界线以上为河流相沉积，发育多个沉积旋回，河流二元结构清晰，而界线以下沉积环境发生改变，主要为一套粘土质粉砂、粉砂质粘土组合，普遍含有姜结石，具有“硬、脆”特征，处于一种暴露环境，应属曲流河河间地带。由此认为中更新统底界为91.4 m。

4.3   上更新统底界

根据深海氧同位素曲线与区域地层的响应关系可知，上更新统底界对应深海氧同位素MISS5阶段(高秀林等，1986；王强, 1999, 卢海峰等，2014；Toker et al., 2015)，之后沉积的地层以发育潴育化、潜育化作用的“杂色”粘土，或地层中含钙质结核为特征(刘运明，2017；赵勇等；2018)。本次在D1钻孔采集了4件光释光测年样品，取样深度为10.3~32.3 m，年龄为30.2~109.6 ka。该孔10.1~18.65 m为一套以棕灰色、浅灰色中细砂为主的河流相沉积，在10.30 m处取得的光释光测年样品年龄为30.2±2.4 ka，对应深海氧同位素MISS3阶段晚期，此时气候温暖湿润。在18.50 m处的光释光测年样品年龄为45.8±2.6 ka，相当于深海氧同位素第4阶段和第3阶段早期，此时气候较寒冷。25.2~34.4 m为一套棕黄色、棕灰色河流相中细砂，在26.35 m处取得的光释光测年样品年龄为73.2±5.1 ka，32.3 m处光释光年龄为109.6±5.5 ka，对应深海氧同位素MISS5阶段，该套黄色、棕灰色河流相中细砂组合在周边钻孔中普遍发育，可作为区域性洪泛事件的指示。因此，笔者认为晚更新统底界为34.4 m。

4.4   全新世底界

王强(1995)认为，含有机质层位的出现为北方地区全新世的开始。通过河北1:5万大厂回族自治县等三幅第四系覆盖区地质填图项目，笔者对大厂、三河一带进行了综合研究，全新世沉积物主要分布在潮白河和泃河河道带附近及其古河道。D1钻孔位于潮白河和泃河河间地带，地势较高，同时在三河翟各庄村附近剖面1.8 m处获得的光释光年龄为23.8±1.1 ka，在潘各庄村附近剖面3.0 m处获得的光释光年龄为18.7±0.9 ka，为晚更新世沉积。因此，笔者认为该区域无全新世沉积物。

在D1钻孔中5.5~9.45 m的沉积物为浅灰色、浅灰棕色粘土、粉砂质粘土，为明显的含有机质层位，在6.2 m、9.4 m处获得的¹⁴C测年结果分别为16875±40 a B.P.、22400±70 a B.P.，表明该套含有机质层位的沉积时代为晚更新世。该层之上0.4~4.6 m为棕黄色、土黄色氧化粘土质粉砂和粉砂质粘土，含有明显的铁锰质结核、钙质结核，根据¹⁴C测年结果，并结合前人研究，可将其视为末次盛冰期末的硬土层(王强等, 2008, 2009)。因此，笔者认为D1钻孔中没有全新世沉积物。

综合岩石地层和年代地层研究，最终建立了D1钻孔第四纪地层年代格架。D1钻孔早更新世地层为91.4~137.9 m、中更新世地层为34.4~91.4 m、晚更新世地层为0~34.4 m，钻孔无全新世地层。

5.   结论

(1) 将大兴凸起北部D1钻孔岩心划分为3套岩性组合：186.6~203 m沉积物为一套浅棕色、棕黄色、橘黄色，粉砂、粘土质粉砂组合，代表了洪积扇沉积；186.6~153.9 m沉积物为一套棕黄色、棕灰色中细砂、细粉砂、粉砂、粘土质粉砂组合，代表了扇上河道沉积；0~153.9 m沉积物主要由灰色，浅灰色、棕黄色粗砂、中细砂、粉砂夹粘土质粉砂、粘土组成，河流二元结构清晰，代表了河流相沉积。

(2) D1钻孔古地磁样品的测试结果显示，古地磁极性带的布容正极性时、松山反极性时和高斯正极性时对应的钻孔岩心深度分别为0~89.5 m、89.5~132.25 m和132.25~143.5 m。

(3) 根据D1钻孔的磁性地层、光释光和¹⁴C测年结果，结合钻孔沉积物特征，认为D1钻孔第四系底界为钻孔深度137.9 m处，中更新统底界为钻孔深度91.4 m处，上更新统底界为钻孔深度34.4 m，钻孔无全新统。