地质通报  2020, Vol. 39 Issue (10): 1580-1588  
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张云, 吕敦玉, 刘长礼, 刘松波, 张建羽, 王翠玲, 孟舒然, 谢芷锋. 复杂沉积环境下松散地层层序简易划定方法[J]. 地质通报, 2020, 39(10): 1580-1588.
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Zhang Y, Lü D Y, Liu C L, Liu S B, Zhang J Y, Wang C L, Meng S R, Xie Z F. A discussion on a simple method for sequence delimitation of loose strata in complex sedimentary environment[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(10): 1580-1588.
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基金项目

中国地质调查局项目《郑州城市地质调查》(编号:DD20189262)

作者简介

张云(1963-), 男, 高级工程师, 从事工程地质、环境地质、环境微生物应用研究。E-mail:zhangyun9198@sohu.com

通讯作者

吕敦玉(1984-), 男, 副研究员, 从事环境地质、城市地质研究。E-mail:lvdunyu@foxmail.com

文章历史

收稿日期: 2019-08-19
修订日期: 2020-06-05
复杂沉积环境下松散地层层序简易划定方法
张云1,2, 吕敦玉1,2, 刘长礼1,2, 刘松波1,2, 张建羽1,2, 王翠玲1,2, 孟舒然1,2, 谢芷锋3    
1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061;
2. 中国地质科学院第四纪年代学与水文环境演变重点实验室, 河北 正定 050803;
3. 河北省地矿局第九地质大队, 河北 邢台 054000
摘要: 第四系松散地层对工程建设、城市发展等影响较大,一些地区的沉积环境较复杂,给划分了解其地层层序变化带来很大困难。借助有限测年资料等,仅能反映样点附近情况,且费用很高。以郑州航空港北部一带为例,在深入分析其地质调查资料并结合对周边地质环境的成熟认知,以及现有关于第四纪时代划分与冷、暖气候变化认识等基础上,改进了一套由一系列关键划定步骤接续组成的,以侧重反映地层成因、岩性特征、沉积旋回变化,并含括地质构造运动、气候变化、地层年代信息等内容的地层层序划定方法,解决了上述难题。新方法划定结果符合区域地质环境的演进特征。一些特征明显的地层可在认识成熟的周边地区或地层组中找到印证,连同其他重要地质信息,可基本控制满足地层划分对地质年代的精度要求。
关键词: 复杂沉积环境    松散地层层序    简易划定方法    地层成因    岩性特征    
A discussion on a simple method for sequence delimitation of loose strata in complex sedimentary environment
ZHANG Yun1,2, Lü Dunyu1,2, LIU Changli1,2, LIU Songbo1,2, ZHANG Jianyu1,2, WANG Cuiling1,2, MENG Shuran1,2, XIE Zhifeng3    
1. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Science, Shijiazhuang 050061, Hebei, China;
2. Key Laboratory of Quaternary Chronology and Hydro-Environmental Evolution Chinese Academy of Geological Sciences, Zhengding 050803, Hebei, China;
3. Hebei Bureau of Geology 9th Geological Brigade, Xingtai 054000, Hebei, China
Abstract: Quaternary loose strata play an important role in engineering construction and urban development.The complex sedimentary environment in some areas makes it difficult to divide and understand the stratigraphic sequence changes.With the help of limited dating data, the methodspreviously used can only reflect the situation near the sample points and is expensive.Taking the north of Zhengzhou Airport Area as an example, this paper discusses and improves a stratigraphic sequence delineation method, which is composed of a series of key division steps to focus on reflecting the formation genesis, lithological characteristics and sedimentary rotation changes of the strata, also including geological tectonic movement climate rotation changes and stratigraphic age information.The method was applied to the division of loose stratigraphic sequence in this area.This method can solve the existent problems very well.In addition, the delimitation results are in line with the evolution characteristics of geological environment in the working area.Some strata with obvious characteristics can be found in the adjacent areas and, in combination with other information indicators, the method can meet the accuracy requirements of stratigraphic sequence division in geological scale.
Key words: complex sedimentary environment    loose stratigraphic sequence    simple delimitation    Formation genesis    lithologic characteristics    

第四系松散地层对工程建设、城市发展等影响较大,一些地区的沉积环境较复杂,给划分了解地层层序变化带来很大困难。

郑州航空港区为国家级航空港经济实验区,建设发展需要大量地质信息资料作支撑。但由于该区曾地处偏僻,地质工作程度不高,涉及的重要研究认识仅有一些1:5万环境地质、工程地质图幅说明书-,以及涵盖研究区的有关环境地质、环境监测、第四纪地质、区域地质等方面的研究报告、文献[1-2]-等,且工作精度不高。尤其在涉及该区第四系地层成因、时代、层序变化方面认识较薄弱,存在许多分歧,减弱了对工程、水文、环境地质、城市建设发展等的支持与支撑作用。原因是,该区地处山前多变地带,受山前冲积扇与山前诸河、黄河冲积,以及扇间洼地湖沉积等多重影响,沉积地层变化复杂,但支撑认识的钻孔资料偏少,且多数孔深不大,不足以充分反映该区复杂的沉积环境变化。此外,现有相关地层研究方法[3-7],除采用直接测试手段外(但成本高昂、繁琐),较难在复杂的沉积环境下应用,亟待探索一套方便有效的方法。

为此,本文以郑州航空港北部一带(八岗镇以北区域)为例,结合新取得的调查资料及对周边地质环境的成熟认知,以及现有关于第四纪时代划分与冷、暖气候变化认识等,提出一套适用于复杂沉积环境下松散地层层序的简易划定方法。新方法划定结果,可提供较准确、详实的地质资料,为类似复杂沉积环境下的地层层序划分提供方法借鉴。

1 研究区地质环境简况

研究区位于郑州市南偏东部的山前缓斜平原地带,地形较平坦、开阔,地面分布有构造剥蚀-侵蚀平地、残丘、残岗,以及季节性小河仗八沟、南水北调干渠等,地表出露冲洪积粉土、亚粘土、砂土、风积粉细砂层等,地下地层结构复杂。

该区西侧为嵩箕山地及其前缘斜坡地带,地形起伏较大,地势高耸,出露震旦系、寒武系、石炭系、二叠系等坚硬地层及新近系碎屑岩和第四系黄土地层等;北、东、南方向为大片广阔的黄淮平原,地形平坦开阔,地表分布有冲积、冲洪积粉土、亚粘土、粉细砂类、风积相类地层等(图 1)。地质构造位于华北断坳的西南部,与嵩箕台隆接壤,北缘靠近开封凹陷,沉积有巨厚的新近系与第四系松散地层,并有十几条北西向、近南北向隐伏断层分布,贾鲁河、七里河、运粮河、马家河和系列干渠向东南流过,黄河从北边自西向东流过(图 1)。

图 1 研究区地质环境简况图 Fig.1 Geological environment map of the study area
2 研究区松散地层层序的划定 2.1 研究区沉积建造影响

研究区一带跨越了黄河、淮河两大水系区域。据相关文献揭示,古近纪—新近纪研究区一带处于东西向的通许高地上[8],分布坚硬地层类,它的横亘不断垫高流水侵蚀的下切深度,使曾自北向南流淌的黄河极易受阻,成为黄河与淮河水系的分水岭地带。另据黄河水利委员会的研究,黄河向南流入黄海的历史仅可追索至近代南宋时期,且大多时期向北流入渤海,这或许是上述区域基底构造影响的结果。此外,《水经·渠水注》等记载,郑州市及东部、东南部发育“荥泽古大湖”(图 1),许多学者通过地层研究,也发现在郑州及东部分布湖相与湖沼相沉积地层。最新的地质调查揭示,郑州黄河以南区域100 m深成片分布厚-巨厚的灰黑色、浅灰黑色、青灰色、浅青灰色、褐灰色等湖湘、湖沼相地层,埋深多在5~70 m之间,少数5~100 m,证明了上述湖湘、湖沼相地层及“荥泽古大湖”的存在。古湖后来因多种原因消亡,并形成向南流入淮河水系的诸多支流。而且在一些偏南钻孔的70 m深一带,大多已见到早更新统的棕红色、棕黄色+灰白色钙质冲洪积+坡洪积地层。这些均对本区已广泛遭受到黄河冲积影响的议论构成了质疑,表明黄河的冲积影响,或许只涉及浅部5~10 m深范围,其余多数地层受贾鲁河等淮河水系的冲积及存有争议古大湖的沉积、淤积等影响。本文研究区地处以上古大湖区的南外侧山前缓斜地带(图 1),黄河冲积影响可能更小。该地带沉积建造主要受山前冲洪积扇及扇间洼地湖积与山前诸河冲积、风积等的影响。

2.2 研究区松散地层层序划定分析及方法思路

从研究区位置与地质环境特征看,一些潜在因素对其地层层序划分较有利:①对该区第四纪经历的地质构造运动与气候变化事件已有较成熟的认识[1, 3-7, 9-10],可在地层时代、成因、沉积变化等方面提供参考;②研究区一带地处山前平原,第四纪以沉降作用为主,第四系发育较齐全,一些层位可与其他许多认识成熟的相似地层进行类比[1-2, 8]-;③钻孔揭露地层反映,该地带一定深度的岩相古地理环境为山前缓斜地带,其坡洪积与冲洪积地层,可与西侧山区及其他山区的相应认知成熟的地层进行类比[1, 8]-;④很多新钻孔孔深较大,揭露地层丰富,其中的一些河湖相地层,可与开封凹陷等的武陟组、开封组、周口组、新蔡组、太康组,以及三门组、陕县组、午城黄土等相关地层[1, 8]-进行类比。

因此,对该区的地层层序划分,可结合以上有利因素,在综合考量最新取得的调查资料,以及对周边邻区地质条件有成熟认知基础上,按改进的地层层序划定方法要求推进完成。

改进地层层序划定方法:先梳理分析与地层层序划定相关的若干关键节点信息内容,并依照各节点信息间的相关性,逐个、分步建立独立的信息集合群(包括信息内容、技术方法、实现步骤等);再按一定的关联顺序连接这些独立信息集合群,形成划定地层层序的可执行流程,按此流程及涉及的关键信息集合,逐个、分步推进实施及完善,完成对地层层序的便捷划定。

该方法侧重反映地层成因、岩性特征、沉积旋回变化,包括地质构造运动、气候变化、地层年代信息等内容。

3 第四系地层层序简易划定的应用 3.1 研究区第四系地层层序的简易划定

结合研究区及其周边的地质环境特点[1-2, 8]-,按照上述思路及以下系列关键步骤接续组合的划定方法,进行该区第四系地层层序的简易划定。

(1) 建立第四纪地层的“简分时代框架”。根据研究区一带岩性分布及所处山前平原特点,以及所在大区域第四纪的地质构造运动、气候旋回变化特点等,该区域地层不应出现较大的沉积间断(除部分抬升地带外)。结合钻孔地层地质测年数据及参考具广泛影响的《国际地层时代对比表》[10]和许多权威学者的相关研究认识[3-7, 11],可将区域第四系变化,按“(上、下)全新统(0.011 MaBP)/(上、下)上更新统(0.128 MaBP)/(上、下)中更新统(0.78 MaBP)/(上、中、下)下更新统(2.58 MaBP)”的递变框架架构,形成对应第四系的“简分时代框架”,作为该区域地层时代的粗线条界线参考。

(2) 建立第四纪地层的“成因变化序列框架”。根据前人研究认识,研究区及周边在第四纪曾受喜马拉雅运动“第五幕”、“第六幕”、“第七幕”地质构造旋回及气候波动变化[1, 8]的影响,地层成因变化极大。其中,在新近纪末—泥河湾早期,构造活动强烈,山前地区隆起,剥蚀、侵蚀加剧,形成深红色坡洪积相地层;部分低洼地带形成冲湖积相粘土、亚粘土夹亚砂土与粉细砂、中细砂的交叠堆积地层。受第Ⅰ冰期气候影响,形成砂砾石层、灰绿色-棕红色粘土砾石层及灰绿色-棕黄色混粒结构粘性土层等冰水相地层。泥河湾中期,气候转暖,山前地带形成棕红色冲洪积相粗砂砾石、粘性土地层,扇间洼地形成灰绿色-灰褐色冲湖相粘性土地层。泥河湾晚期,受第Ⅱ冰期气候影响,形成冰水相及冰水扇洼地湖沼相地层。周口店早期,山前地带形成冲洪积相砂砾石、亚砂土、亚粘土地层和部分深红色残坡积风化层,以及少量浅湖、洼地地层。周口店期晚期,气候变冷(第Ⅲ冰期),新构造运动活跃增大,山前地区再次隆起,形成褐黄色冲积-洪积相黄土状土、砂砾石、亚粘土、亚砂土地层,以及少量浅灰色-灰褐色湖沼相地层等。萨拉乌苏期早期气候转暖,形成褐黄色-棕黄色冲积-洪积相地层与黄土状土地层。萨拉乌苏期晚期,气候波动剧烈(第Ⅳ冰期),新构造活动强烈,山前地区隆起,地层遭受剥蚀,仅在一些低洼地带有灰黄色冲洪积-风积相黄土状土、粘性土、砂土及灰褐色湖沼相粘性土地层分布。全新世时期,气候转暖,但黄河以南山区与山前地带继续抬升、剥蚀,形成残陵、残岗等[1, 8]。这些地层变化复杂,根据该地带地形地貌及钻孔岩性、颜色、沉积韵律等变化特点,可划分为坡洪积、冲洪积、湖积-湖沼积、风积4类成因,它们对该区地层层序的划分产生较大影响。依据它们的对应时代,经部分测年数据修正后,可分别插入上述“简分时代框架”中,建立研究区一带的地层“成因变化序列框架”,指导相应地层层序的划分。若出现2种成因时序矛盾问题,根据它们在有联系区段内的上、下压盖关系确定。同时,区内分布的断层,可为相关构造活动影响提供变化着力点。

(3) 建立第四纪地层的“部分可对比层序框架”。根据研究区钻孔地层特征(岩性、颜色、结构、状态、层理、包含物、生物化石等),确定每一层位地层的成因环境(应与前述确定成因环境基本相同),并与其他地区相似的成熟认知地层进行类比,以确定它们的时代、沉积旋回及相对层位。可从相似层位最多地带开始对比,直至所有相似层位对比完毕。如坡洪积相、风积相地层,可与其西侧山区的第四系黄土、坡洪积粘性土、钙质粘土、泥灰岩风化地层及三门组、午城黄土、陕县组等的亚粘土、钙灰质亚粘土、含钙核(亚粘土、粉土、亚砂土)地层进行类比确定。而冲洪积、冲积、湖积-湖沼相等地层,可与武陟组、开封组、周口组、新蔡组、太康组等相应地层进行类比确定。对于找不到类比地层的剩余层位,可再圈出分布广或有标志性的影响层,与以上可类比层位一起,对应插入上述“成因变化序列框架”中,形成研究区一带第四纪地层的“部分可对比层序框架”,进一步指导地层层序划分。

(4) 建立第四纪地层的“群孔地层划分排序框架”。结合研究区地层勘探资料,将上述“部分可对比层序框架”地层逐一对应到每个钻孔地层里,并作标记,将每一钻孔地层划分为若干待细分段架构。对每个待细分段,按其所处时代、成因、地层特征,遵循上新、下老压盖关系,以及同旋回、同层并合原则,进一步作划层、排序标记,但不编号。这样便形成每个钻孔的“单孔地层划分框架”。再以包含成因、时代地层最多的那个“单孔地层划分框架”为基础,让其他“单孔地层划分框架”逐一与之对比,能对应的层位加注标记后删除掉;不能对应的,按其所处时代、成因段位置及地层特征,插入到“单孔地层划分框架”中与之紧邻的那个能对应的层位上面或下面,其余则按序自然插入。这样不断反复,即可完成全部“单孔地层划分框架”的总体排序。再自上而下,由小到大按序编号,形成研究区第四系的“群孔地层划分排序框架”。该排序框架将研究区一带全部钻孔的地层情况概括其中,具普适性。

(5) 概化、连接地层剖面和修善划定地层层序。先用上述“群孔地层划分排序框架”,对全部钻孔资料进行逐孔、逐层对比概化(能对应上的保留地层及编号,不能对应上的删掉),形成各孔概化地层。再将这些概化地层连成纵、横剖面(图 2图 3),以及根据剖面层序变化趋势、特征,作进一步的修改及重新编号,最终完成对研究区一带第四系地层的层序划定。这个划定层序综合反映了全部钻孔的地层信息特征及成因变化。

图 2 研究区主要地质剖面变化 Fig.2 The main geological section in the study area a—Ⅰ-Ⅰ剖面;b—Ⅱ-Ⅱ剖面; 1—细砂;2—粉砂;3—粉土;4—亚粘土;5—泥质细砂;6—轻亚粘土;7—重亚粘土;
8—含渣花斑亚粘土;9—钙结岩土(砂);10—钙质结核;11—地层层位;12—地层成因时代符号(中更新统下段沉积-湖积地层)
图 3 地质测年钻孔分析与复杂变化对比图 Fig.3 Geological dating borehole analysis and complex change contrast
3.2 研究区浅部松散地层层序的划定变化

经按上述方法步骤划分及结合相关地质测年探孔资料和大量钻孔资料综合分析,将研究区100 m以浅松散地层综合划定为21组、69个层位变化序列,涉及主要地质剖面变化见图 2,地层自上而下、由新至老变化如下。

Ⅱ.上更新统

1.风积相组(Q32eol)

① 粉细砂层:褐黄色-浅金黄色,稍密    0~9.3 m

2.冲洪积相组(Q32al-pl)

② 轻亚粘土层:黄褐色、浅黄灰色-浅灰色-灰黑色,硬塑    2~3 m

3.冲洪积相组(Q31al-pl)

③ 粉土,黄褐色-浅褐黄色,较密    1~5.1 m

④ 细砂:褐黄色,稍密    5.6~9.2 m

4.风积-湖沼相组(Q31eol- h)

⑤ 轻亚粘土:黄褐色,硬塑,具针孔,偶见钙核    1.8~4.2 m

⑥ 轻亚粘土:浅蓝灰色,硬塑,见钙核    0~8.8 m

5.冲洪积相组(Q31al-pl)

⑦ 粉砂、细砂:棕褐色-褐黄色、浅褐黄色-浅棕褐色、锈黄色、浅金黄色,较密    2~9 m

⑧ 粘质粉细砂:暗橘红色,粘性大,较密,干硬,湿软,下部含钙核    0~2 m

Ⅲ.中更新统

6.冲洪积相组(Q22al-pl)

⑨ 亚粘土:棕黄色、棕红色,硬塑, 少量钙核    0~8.8 m

⑩ 细砂:黄褐色,密实,砂质,较均匀    6.7~7.4 m

7.风积-冲洪积相组(Q22eol- al)

⑪ 粉土:褐黄色,密实,局部含钙核    0~5.0 m

8.湖沼相组(Q22l-h)

⑫ 轻亚粘土:浅灰色-灰褐色,可塑-硬塑,少量钙核    0~4.1 m

⑬ 细砂:灰褐色-棕灰色,中密-密实    4.5~8.6 m

⑭ 细砂:浅灰色-灰黑色,中密    0.5~6.4 m

9.湖沼-冲湖积相组(Q22h-al-l)

⑮ 粉土:灰褐色-灰黑色、褐黄色,密实,含钙核与黑锰斑点    0~4.5 m

⑯ 细砂:浅棕灰色、浅灰色-灰黑色,密实,分选较差    5.1~5.7 m

10.冲积相组(Q21al)

⑰ 轻亚粘土:浅棕红色,硬塑,偶含钙核    0~9.2 m

⑱ 粉土:褐黄色,密实    0~2.4 m

⑲ 细砂:褐黄色,密实    0~10.6 m

⑳ 轻亚粘土:褐黄色,硬塑,少量钙核    1.9~5.0 m

㉑ 粉砂:黄褐色,密实,级配差    0~4.3 m

㉒ 亚粘土:浅棕黄色-棕红色,硬塑,龟裂发育,含大量钙核及黑色锰斑点,间夹0.4 m厚钙结岩土层    0~4.9 m

㉓ 亚粘土:黄褐色-褐黄色,硬塑    0~6.1 m

㉔ 钙结岩土:灰白色、灰褐色,钙泥质胶结土,短柱状,坚硬    0~3.5 m

㉕ 细砂:褐黄色,密实,夹5 cm长钙结岩土    1.6~11.5 m

11.湖沼相组(Q21l)

㉖ 细砂:浅灰色-灰黑色,密实    5.1~9.6 m

12.冲积相组(Q21al-eol)

㉗ 轻亚粘土:黄褐色-褐黄色,硬塑,含20%钙核    0~6.3 m

㉘) 粉土:褐黄色,密实    0~2.9 m

13.冲湖积相组(Q21al-l)

㉙ 亚砂土:灰黄色-褐黄色,硬塑,少量钙核    0~6.1 m

㉚ 钙结岩砂:灰白色、灰褐色,钙质胶结砂,短柱状,坚硬    0.5 m

㉛ 细砂:褐黄色,密实    0~4.8 m

㉜ 粉土:褐黄色,密实    0~5.9 m

㉝ 亚粘土:褐红色,硬塑    0~3.1 m

㉞ 轻亚粘土:褐黄色、棕黄色、黄褐色,硬塑,含钙核    0~3.9 m

㉟ 细砂:褐黄色,密实,分选性差    0~6.3 m

Ⅳ.下更新统

14.冲积-冲湖积相组(Q13al-l)

㊱ 亚粘土:褐红色,土体散碎、硬塑,含灰白色、褐灰色、暗灰绿色风化渣土及钙核

㊲ 钙结岩土:灰白色, 钙质胶结土,坚硬    1.05 m

㊳ 轻亚粘土:褐红色,土体散碎,含50%灰白色风化渣土    2.0 m

㊴ 细砂):褐黄色、棕红色、褐灰色,含泥,密实    0~2.1 m

㊵ 钙结岩砂:灰白色、灰褐色,钙质胶结土,短柱状,坚硬    0~3.2 m

15.冲积-冲湖积相组(Q13al-l)

㊶ 亚粘土层(Q13al-l):黄绿色、棕黄色夹棕红色,硬塑,土层散块,含10~20%灰白色风化渣土,及灰绿色团块、锈黄斑、灰白斑0~8.3 m

㊷ 亚粘土(Q13al-l):棕黄色,硬塑    0~5.9 m

㊸ 钙结岩砂(Q13al-l):灰白色、褐棕色,钙质胶结土,短柱状,坚硬    0~3.5 m

㊹ 粉土(Q13al-l):褐黄色,密实    0~3.2 m

㊺ 粉砂(Q13al-l):浅棕红色-黄褐色,稍密    0~5.1 m

16.风积相组(Q13eol)

㊻ 亚粘土层(Q13eol):浅棕红色、棕黄色、红褐色,硬塑,含铁锰质斑点及10%钙核,局部夹钙结岩薄层    0~9.3 m

17.冲积相组(Q12al)

㊼ 细砂:褐红色,密实,含砾石    0~1.0 m

18.冲洪积相组(Q12al-pl)

㊽ 粉渣状风化土:灰白色-褐黄色,含20%灰白色风化渣土    1~1.8 m

㊾ 细砂:褐红色-褐黄色,密实    0~2.8 m

㊿ 粉渣状风化土:灰白色-黄褐色,含30%灰白色风化渣土    0~5.8 m

亚粘土:棕红色杂灰绿色,硬塑,龟裂发育,局部夹钙结岩薄层    0~14.1 m

钙结岩砂:灰白色、灰褐色,钙质胶结土,碎块状,坚硬    0~2.2 m

亚粘土:棕红色-棕黄色,硬塑,含铁锰质斑块、斑点及3~5%钙核    0~6.2 m

亚粘土:褐红色、棕红色-褐黄色杂灰绿色,硬塑,含灰绿斑块及黑锰斑点,钙核与8%~15%灰白色风化渣土    0~14.7 m

19.冲湖积相组(Q12al-l)

粉细砂:褐红色,密实,含泥质    0~1.8 m

钙结岩土与亚粘土互层:灰白色、灰褐色与棕红色,钙质胶结土,短柱状,坚硬,棕红色,硬塑    0~8.9 m

粉砂:黄棕色,密实    0~2.9 m

亚粘土:褐黄色,硬塑,含灰白色风化渣土    0~5.6 m

中砂:棕褐色-黄褐色,稍密,含泥    0~6.3 m

钙结岩土夹亚粘土:灰白色、灰褐色与棕红色,钙结岩土,短柱状,坚硬,厚0~2.7 m,亚粘土,硬塑    1.2 m

20.冲洪积相组(Q12al-pl)

亚粘土:灰绿色杂浅棕红色、棕黄色、灰白色、黄褐色,或浅棕红色夹杂灰绿色、灰白色、棕黄色,表观花斑状等,硬塑,上部含很多灰白色风化渣土,下部龟裂纹发育    0~17.1 m

亚粘土:棕红色、棕褐色,硬塑,含钙核    0~19.3 m

21.冲湖积相组(Q12al-l)

钙结岩土夹亚粘土:灰白色、灰褐色与棕褐色,岩心块、短柱状,坚硬,锤轻击难碎,亚粘土,棕红色、硬塑、较薄    0~4.7 m

细砂:褐红色,较密实,含泥    0~2.3 m

重亚粘土:棕红色-浅棕红色,硬塑,岩芯短柱状,风干易裂    0~10.3 m

细砂:黄褐色,密实    0~9.8 m

重亚粘土:棕红色、褐黄色,硬塑,下部土柱呈块体泥糊状    0~14.7 m

粉细砂:棕黄色,密实    0~4.58 m

重亚粘土:棕红色-褐红色、褐黄色,未见底

这个沉积序列变化地层可为工程地质应用层组划分提供依据。

4 讨论

以上用改进方法划分的地层层序,总体变化符合研究区的地质环境演进特征,且一些特征明显层位可在认识成熟的周边地区或地层组中找到印证。但地层变化复杂,地质测年信息仅能反映局部的地质现象特征,较难反映全区的复杂沉积环境。

4.1 地层层序划分符合研究区的地质环境演进特征

上述地层层序划分总体符合研究区的地质环境演进特征,体现在:①地层的时序变化合理,除受晚更新世末构造抬升影响缺失全新统外,几乎包含前全新统沉积地层。且其早更新统发育总厚度大,中、晚更新统发育总厚度小。符合沉积时长与地层发育厚度一般呈正比的沉积原理认识。②地层的层序变化,基本反映了该区第四纪的气候波动变化特点[1, 3-9]。其在干冷气候期,多发育风积相地层,土质偏细、颗粒均匀、粘粒少、含钙质结核;以及发育一套混粒结构、绿红色相杂的亚粘土、亚砂土、砂砾石互层的冰水相地层。在暖湿气候期,发育河、湖相地层,土质粗、细皆有,粘粒多,层理构造明显。在间歇干热期,发育冲积、冲湖积黏性土和红色粗碎屑地层,土质较均匀,为阳光充足暴晒产物。而在一些特殊地带(如突起的缓斜坡带),地势稍高而较平缓,堆积物长期经受湿热气候作用,各类矿物颗粒先后发生风化及侵染作用,形成一些颜色斑杂、土质较不均匀的粗、细碎屑风化地层[1, 8], 。③地层层序变化,基本反映了地质构造运动[1, 8]引起的沉积环境变化特点。在泥河湾早期、中期,地壳剧烈隆升[1, 8],山前地带跟随一起隆起,先前的河湖环境,部分转变为缓斜坡地或平地,形成一套深红色坡积-坡洪积相地层和棕红色冲洪积相粗砂砾石、粘性土地层。在周口店早期与晚期,山区抬升较显著[1, 8],山前地带亦随之一起隆起,形成一套深红色-砖红色夹灰绿色、棕红色-浅棕红色、黄绿色夹红色等冲洪积相砂砾石、亚砂土、亚粘土地层,以及少量浅灰色-灰褐色、灰黑色湖沼相地层等。在萨拉乌苏晚期,山区再次大幅隆升,带动山前地带隆起,伴随进入末次间冰期,早期堆积物遭受大量剥蚀、缺失,形成一些残留丘陵、岗地与剥蚀老地层[1, 8], ;而在一些低洼地带有灰黄色冲洪积-风积相黄土状土、粘性土、砂土及灰褐色、灰黑色湖沼相砂土地层分布。在全新世,黄河以南山区及山前地带继续抬升、剥蚀,缺失全新统[1, 8], ,表明研究区地层变化深受地质构造运动影响而改变。

4.2 一些特征层位可在周边地区或地层组中找到印证

(1)下更新统特征层位对比印证

研究区划定层序的下更新统地层第㊶层黄绿色-棕黄色夹棕红色钙质亚粘土(武陟组上段)、第㊻层浅棕红色-棕黄色-红褐色亚粘土层和灰白色钙核层(午城黄土)、第层棕红色杂灰绿色亚粘土层(开封凹陷)、第层棕红色-褐黄色杂灰绿色钙质亚粘土层(邓县盆地)、第层灰绿色杂棕红色-棕黄色-灰白色灰质亚粘土层(开封武陟组中段、三门组)、第层暗棕红色-棕褐色亚粘土(开封武陟组中段)等特征明显地层,可分别在武陟组、三门组、午城黄土及开封凹陷、邓县盆地地层中找到对应层位[1-2, 8], 印证。指示当时研究区与这些地区共同经历了冲湖积、山麓冲洪积、风积等沉积环境,形成了特征相近的地层。但对于其中的第B38层棕黄色、浅红色含钙核粘土层和第㊱层褐红色含50%灰白色钙渣土轻亚粘土层,特征非常显著,却未找到对应层位印证。

(2)中更新统特征层位对比印证

研究区划定层序的中更新统地层第B12层浅灰色-灰褐色轻亚粘土、第㉒层棕黄色-棕红色钙质亚粘土、第B26层黄褐色-褐黄色含20%钙核轻亚粘土、第㉙层棕黄色-灰黄色含钙核亚砂土层等,特征明显,可分别在周口组、开封组、陕县组中找到对应层位[1-2, 8]印证。同样指示当时研究区与这些地区共同经历了冲洪积-风积、平原河湖积等沉积环境,形成了特征相近地层。

(3)晚更新统特征层位对比印证

研究区划定层序的晚更新统地层第⑤层黄褐色轻亚粘土、第⑥层浅蓝灰色轻亚粘土、第⑨层浅褐黄色-浅棕褐色粉细砂等,可在新蔡组、太康组地层中找到对应层位[1-2, 8]印证。也指示当时研究区与这一地区共同经历了河湖环境,形成了特征相近的地层。

以上表明,研究区地层划定层序中的许多特征层位,可在周边地区或地层组中找到印证,说明用上述改进方法划定的研究区地层层序基本合理。同时,改进方法以可在周边地区或地层组中找到印证层位为控制骨架,划定的地层层序变化,可基本满足地层划分对地质年代的精度要求。且该方法简便易行,容易取得划分结果。因此,便于推广应用,解决实际问题。

4.3 地质测年方法较难适应该区复杂的沉积环境变化

针对该区的复杂沉积环境变化,应用第四纪测年方法确定地层时代可能效果不佳。笔者等通过选定适当位置,结合钻孔地层,作了初步的第四纪测年应用探索(图 1图 3)。通过古地磁、光释光法、粒度分析等测试分析,初步获得该点附近的第四纪地层年代变化和测年效果认识,如图 3所示。

(1) 该点及附近缺失全新统,上更新统仅10 m左右厚。其光释光样品测试在6.91 m、9.8 m深处的地层时代分别为74.58 kaBP和74.58 kaBP,这与该点一带的沉积环境基本相符,结果可信。但其0.4 m深处的地层时代为53.50 kaBP,由于受到耕植活动的强烈干扰,该结果与该点一带的沉积环境相差较大,故暂不采用。

(2) 古地磁等测试结果揭示,测点一带古地磁地层的布容/松山分界(B/M界线)定在41 m深一线较合适,正好处于极性柱布容正向期的下边缘地带(图 3);而古地磁地层松山/高斯分界(M/G界线)定在136.6 m深一线合适,正好处于极性柱嵩山反向期的下边缘地带(图 3)。此两界线大致代表了测点一带地层中更新统(0.78 MaBP)/下更新统(2.58 MaBP)/新近系(23.03 MaBP)区段的时代分界线,与该点一带钻孔岩性和周边岩性的变化特征大致相符,结果可信。

(3) 从与该测评钻孔相距60 m远的5#孔看,两孔沉积地层差异很大(图 3),代表该地带浅部第一套灰黑色-青灰色湖沼相地层(主要为粉细砂、粘性土层),在两孔中分布埋深相差10~20 m。变化大,反映该地带沉积环境复杂多变,任何一个点的地质信息仅能代表该点附近特征,它们的资料信息难以相互验证、支撑。尤其是地层测年分析,干扰因素复杂,需依赖大量样本测试,并结合其他资料综合分析,才能得出较可信的结论,但成本高昂、划分繁杂,不利于在此复杂沉积环境下应用。

因此,地质测年方法较难适应该区复杂的沉积环境变化。本文提出的简易划定方法可对复杂环境下的地层划定缺位形成有益的补充,且划定层位符合岩相成因与沉积韵律的变化。

5 结论

针对复杂沉积环境下松散地层层序难以划定问题,本文以郑州航空港北部一带为例,在深入分析其地质调查资料并结合周边地质环境的成熟认知,以及现有关于第四纪时代划分与冷、暖气候变化认识等基础上,改进提出了一套由一系列关键划定步骤接续组成的,以侧重反映地层成因、岩性特征、沉积旋回变化,并含括地质构造运动、气候变化、地层年代信息等内容的地层层序划定方法,解决了上述难题。新方法划定结果符合该区地质环境的演进特征。一些特征明显的地层可在认识成熟的周边区域或地层组中找到印证,它们连同其他重要地质信息一起,可基本控制满足地层划分对地质年代的精度要求。方法简便易行,便于推广应用,有望成为划定复杂沉积环境下松散地层层序的利器。

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