〔作者简介〕 张玉芬, 女, 1957年生, 2000年于中国地质大学(武汉)获地球探测与信息技术专业博士学位, 教授, 博士生导师, 现主要研究方向为环境地球物理与环境地质, 电话: 18602744806, E-mail: zhyfcug@163.com。
武汉地区90%为第四系所覆盖, 但目前针对第四纪年代地层的研究严重滞后。文中在武汉市城市地质调查施工的数百个钻孔中选择了地层发育齐全、 适于进行磁性地层研究的SK2钻孔进行了古地磁极性测试和分析, 并重点对SK2钻孔进行了磁性地层的划分, 初步建立了武汉市第四纪磁性地层的年代序列。结果表明, SK2钻孔的布容与松山(B/M)界线位于孔深约29.6m处, 其古地磁年龄约0.78Ma; 松山反向带中的正极性亚时贾拉米洛(Jaramillo)、 奥杜威(Olduvai)、 留尼汪(Reunion)Ⅱ分别位于孔深38.2~39.8m、 66.5~71.9m和75.8~78.4m处。依据磁性地层结果对研究钻孔进行了第四纪地层划分, SK2钻孔的1.2~14.1m为上更新统, 15~29.6m为中更新统, 29.6~78.8m为下更新统。计算SK2钻孔地层的沉积速率后发现, 古地磁年代1.47~1.57Ma BP和1.07~1.21Ma BP为2个沉积速率相对增大的阶段。
With the lateral and vertical expansion of cities, urban geology becomes critical for urban construction. Wuhan City, as one of the largest cities in China, was chosen by China Geological Survey as pilot city to study multiple elements of urban geological survey. 90% of Wuhan area is covered by Quaternary strata, which means that most of the city is built on Quaternary sediments. The study of Quaternary stratigraphic structure of Wuhan area is a crucial groundwork for the urban geological survey of Wuhan. Due to the badly lagging of research on Quaternary stratigraphy of Wuhan area, this study selects four boreholes from hundreds of cores in this area in the project of Wuhan Urban Geological Survey for magnetic stratigraphic study and paleomagnetic analysis. This work mainly focuses on the borehole SK2 which possesses well-developed strata and is representative for magnetic strata division. Wuhan is located in the eastern Jianghan Basin where the Quaternary sediment has a fluctuant bottom edge, forming a half-graben shape boundary in large scale, as revealed by a large amount of boreholes. The borehole SK2 is located in the western Dongxi Lake depression. SK2 reveals continuous deep Quaternary sediment except for a short gap of late Pleistocen-early Holcene. Moreover, the grain size of drill core is generally smaller than other cores nearby, which is more suitable for paleomagnetic study.
In this study, we collected 117 samples with an interval of 0.25~0.30m from relative fine grain layers in the borehole for paleomagnetic study. Demagnetization and sample measurement were conducted in State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, CAS. By comparing with other well dated cores nearby, Wuhan's Quaternary magnetic stratigraphic chronology framework is initially established. Our data show that: 1)the Brunhes-Matsuyama boundary(B/M)of borehole SK2 is clear, locating at 29.6m, and sediment at 1.2~29.6m belongs to Bmnhes normal polarity chron; 2)Two polarity drifts at 9.3~9.6m and 14.1~15.0m are observed in Brunhes. These samples collected from the Xiashu Loess yield two polarity drifts, which can be compared with the Xiashu Loess at Nanjing. The comparison between Xiashu Loess from borehole SK2 and that at Nanjing suggests that negative polarity drift at 14.1~15.0m is the Blake reverse polarity subchron(0.104~0.128Ma BP)and the polarity drifts at 9.3~9.6m(0.07~0.08Ma BP)is Norwegian-Greenland Sea reversal-polarity subchron; 3)Three polarity drifts were observed in Matsuyama, which is comparable with the borehole at Zhoulao and the borehole R25 in the center of the Jianghan Basin. They are at 38.2~39.8m(Jaramillo: 0.99~1.07Ma BP), 66.5~71.9m(Olduvai: 1.77~1.95Ma BP)and 75.8m(Reunion: 2.01Ma BP); 4)Based on the forementioned paleomagnetic data, the depositional age structure of this borehole is: 1.2~14.1m(late Pleistocene), 15~29.6m(middle Pleistocene)and 29.6~78.8m(early Pleistocene); 5)Our data show that deposition rate increased during 1.47~1.57Ma BP(54.9~61.3m)and 1.07~1.21Ma BP(39.8~47.3m)because they are fluvial sediments. This study builds the Quaternary stratigraphy and timescale for Wuhan area for the first time. However, because of the complex Quaternary sediment type in Wuhan area and the coarse sediment in the Matuyama, more comprehensive study is needed in the future to test whether our Quaternary stratigraphy and timescale is the best.
近代以来, 武汉一直是具有国家战略意义的重要中心城市。当前, 武汉面临多重国家战略机遇, “ 一带一路” 倡议、 建设长江经济带、 “ 中部崛起” 等国家重大战略聚焦武汉。作为国家中心城市、 长江经济带超大城市等, 武汉在中国中部地区具有重要地位。近年来, 随着城市的建设, 特别是地下空间利用的快速发展, 城市地质问题不断出现, 城市地质调查引起了高度关注, 中国地质调查局将武汉列为 “ 多要素城市地质调查试点城市” 。武汉市近地表90%为第四系所覆盖(邓健如等, 1991), 即武汉市城市建设的主要承载地质体为第四系。因此, 第四纪地层研究已成为武汉市多要素城市地质工作中的一个非常重要的基础性工作。前人对武汉地区的第四纪地层(陈华慧等, 1987; 关康年等, 1990; 黄宁生等, 1993; 柏道远等, 2010; 田望学等, 2011)及年代学(康悦林, 1987; 杨勇等, 2008)等曾做过一些研究, 也取得了一定进展。但其中大部分为针对出露有限的地表露头的研究, 虽有钻孔研究, 也仅针对第四纪晚期的某一时段(林晓等, 2011; 霍炬, 2015), 已有研究结果无法满足多要素城市地质调查的需要。选择地层发育齐全的钻孔开展系统的地层序列研究, 特别是建立地层年代框架, 已成为当前三维城市地质和区域地壳稳定性评价工作的当务之急。
磁性地层学是当前建立第四纪年代地层框架的重要手段(Deng et al., 2019), 特别是在解决第四纪长时间尺度地层序列的时代划分和对比方面卓有成效。磁性地层年代学方法已经成为平原和盆地地区第四纪地层序列和年代框架研究的有效方法(安芷生等, 1979; 刘进峰等, 2005; 乔彦松等, 2006; 陈杰等, 2007; 王喜生等, 2007; 朱日祥等, 2007; 陈宇坤等, 2008; 肖国桥等, 2008; 张磊等, 2017)。本研究从近年来开展的武汉市城市地质调查一期施工的数百个钻孔中①(① 张玉芬等, 2015, “ 武汉城市地质调查第四纪地质专题调查与研究” 报告, 中国地质大学(武汉)。), 选择第四系厚度大、 地层发育具有代表性、 沉积连续性好、 粒度相对较细的SK2孔进行了磁性地层的划分, 首次建立了武汉地区第四纪磁性地层年代框架, 为武汉市多要素城市地质调查, 特别是地下空间利用研究提供了基础资料。
SK2孔位于武汉东西湖区柏泉街的冲积平原地貌区(图1), 通过与区内万余个钻孔进行比较后发现, 该钻孔厚度较大(超过以往研究得到的武汉市第四系厚度56m的认识), 沉积连续, 未发现明显的沉积间断; 地层发育齐全, 且细粒沉积层较多, 是目前在武汉地区开展第四纪磁性地层研究最理想的钻孔。依据岩心沉积物的岩性特征及其变化情况划分出39个岩性层, 为便于研究, 将其合并成4个岩性段, 自下而上各段岩性特征描述如下:
第一岩性段: 孔深78.8~46.0m, 沉积物以深褐色、 青灰色和深灰色为主, 岩性主要以粉砂、 细砂、 中砂、 砾石为主。中间夹有炭化木层, 纹路清晰。总体上构成了2个砂砾-粉砂黏土层互层的旋回沉积结构, 属河流与湖沼相交互沉积, 厚32.8m。
第二岩性段: 孔深46.0~21.3m, 沉积物以青灰色、 灰绿色、 深灰色为主, 岩性较为复杂, 主要为粉砂、 细砂、 中砂、 粗砂、 砾石, 正粒序特征比较明显, 总体上构成砂砾-粉砂的沉积序列, 属于平原河流相沉积, 厚24.7m。
第三岩性段: 孔深21.3~17.6m, 岩性主要为褐红色黏土, 夹有浅灰色、 灰白色高岭土条带, 偶见铁锰结核。属洪泛平原相沉积, 厚3.7m。
第四岩性段: 孔深17.6~0m, 岩性主要为褐黄色、 黄褐色黏土, 岩性和质地均一, 含铁锰结核, 发育有铁锰质氧化物胶膜。总体属于风积成因, 厚17.6m。
结合区域地质资料和钻孔岩性变化特征, 以0.25~0.3m为间距进行了古地磁样品的采集。采样的基本原则是: 在钻孔岩心较完整、 连续、 粒度较细的层位选择取样, 尽量避开粗砂和砾石层。进行采样时, 首先将钻机提取的岩心固定在PVC管中, 清除包裹的泥浆, 再用不锈钢刀将岩心破开, 并使平面与岩心轴平行; 然后取一个标有方向线的无磁圆柱形塑料盒(直径2.5cm, 高2.2cm)作为样品盒, 使其方向线与岩心的深度方向在同一直线上, 均匀用力垂直按下, 直至岩心充满整个塑料盒, 并在野簿上记录古地磁样品的编号和取样深度; 最后把样品取出, 写明样品编号, 用保鲜膜密封以防止失水造成沉积物松动, 并置放于不受强磁场干扰的容器中。本研究在SK2钻孔中共采集样品177个。
样品退磁和测试在中国科学院地球环境研究所(西安)黄土与第四纪地质国家重点实验室完成。古地磁实验在磁屏蔽室内(磁场强度< 300nT, 绝大部分空间< 100nT)进行, 其屏蔽材料可排除地磁场对实验仪器和所测样品的干扰, 以便获得可靠的实验结果。
首先用美国2G公司生产的2G-755R交变退磁仪对样品进行交变退磁处理, 测量剩磁退磁强度分别为0mT、 20mT、 50mT、 75mT、 100mT、 150mT、 200mT、 250mT、 300mT、 350mT、 400mT、 450mT、 500mT、 600mT、 700mT和800mT, 然后再使用2G-755R U-channel超导磁力仪测量样品的剩磁。超导磁力仪的测量范围是2.0× 10-12~2.0× 10-4Am2, 灵敏度为2.0× 10-12Am2。
本文使用Craig H J和Joya T编写的PaleoMag软件对退磁数据的正交投影图进行主成分分析, 得到每个样品各个退磁段的剩磁组分数据。通过最小二乘拟合法确定出剩磁组分数据新的坐标轴(Kirschvink, 1980; 金国海等, 1992; 黄宝春等, 1994), 并采用最大角偏差(MAD: The biggest angle deviation mad)判断一组数据是共线还是共面, 当其小于给定的MAD临界值(本文取15° )时认为其共线, 表示拟合较好, 结果可靠。由此得到每个样品逐步退磁的几何结构。其中, 通过原点的那条(段)退磁直线的方向就代表最稳定的剩磁组分方向, 其它退磁直线的方向则为稳定性较差的磁性组分方向; 当MAD超过临界值时, 表示拟合不佳, 退磁结果不可取。下面对SK2孔的实验结果进行分析与讨论。
通过对SK2钻孔的177个样品进行交变退磁处理, 获得了相应的交变退磁数据, 图 2为代表性样品的退磁正交投影图和剩余磁化强度衰减图。分析图 2可知SK2孔样品的退磁曲线具有如下几个特点: 1)大多数样品的退磁曲线为1条稳定下降的直线, 且指向原点, 表示只有1种磁组分被清洗掉(图2a, b), 且剩磁强度衰减曲线在0~150mT发生了快速下降, 又在200mT以后趋于平缓(图2 i, j), 此类样品能够获得稳定的特征剩磁方向。2)部分样品(如图2c— h所代表的样品)的退磁曲线具有大致相同的特点, 这些样品在150mT有明显的变化, 均显示出2个分量(图2c, h)。其中一部分样品的第一分量与现代地磁场方向一致(图2c, d, g, h), 而另一部分样品的第一分量与现代地磁场方向却相反(图2e, f)。第一分量代表次生粘滞剩磁, 一般在150mT前就可以被清洗掉。第二分量代表原生特征剩磁的方向, 在150~400mT内可获得稳定的特征剩磁的方向。3)少部分样品在0~150mT也表现出与现代地磁场方向一致的次生粘滞剩磁, 但在150mT后的退磁曲线并不趋向原点, 因此也未能获得代表当时地磁场方向的特征剩磁, 在进行数据分析时应当剔除。4)极少样品未能分离出特征剩磁, 在退磁过程中其剩磁方向极不稳定, 也应予以剔除。
总之, 大部分(> 70%)样品经过交变退磁处理后, 能获得代表当时地磁场方向的特征剩磁。从被剔除的样品比例和其在岩心中的分布来看, 被剔除的样品并不集中, 故根据解释数据中的磁倾角建立SK2孔的磁极性柱结果是可靠的。
图 3为基于得到的稳定特征剩磁样品的磁倾角数据建立的SK2钻孔磁极性柱与标准极性柱(Cande et al., 1995)的对比图。结果表明, SK2钻孔布容与松山(B/M)的界限位于29.6m深处, 其中1.2~29.6m深度范围内为布容正向极性时, 29.6~78.8m深度范围内为松山反向极性时。
在布容期(Brunhes)内存在2次负极性漂移事件, 分别位于深9.3~9.6m和14.1~15.0m处。从钻孔岩性变化上看, 1.0~17.6m深度范围内以褐黄色黏土为主, 铁锰质含量十分丰富, 而17.6~21.2m为褐红色黏土, 偶见铁锰结核。前者为上更新统下蜀组(
在松山期(Matuyama)内存在多次正极性漂移事件, 经与标准磁极性年表进行对比, 初步认为: 深度为38.2~39.8m的极性漂移事件为贾拉米洛(Jaramillo)正极性亚时, 地质年龄为0.99~1.07Ma; 深度为66.5~71.9m的极性漂移事件为奥杜威(Olduvai)正极性亚时, 地质年龄为1.77~1.95Ma; 深75.8m处的极性转换对应留尼汪(Reunion)Ⅱ 的上界, 地质年龄为2.01Ma, 钻孔底部仍位于留尼汪(Reunion)Ⅱ 内。另外, 在SK2钻孔中还发现位于孔深47.3~48.9m处的科布山(Cobb Mountain)正极性亚时, 地质年龄为1.20~1.21Ma; 在孔深54.4~54.9m处存在加德尔(Gardar)正极性事件, 地质年龄为1.47~1.48Ma; 孔深1.3~62.5m处存在吉尔萨(Gilsa)正极性事件, 地质年龄为1.57Ma。
古地磁年表的建立不仅可以为地层划分对比提供年代学依据, 而且可以反映出不同地质时期沉积厚度和沉积速率的变化, 从而为研究第四纪古地理的环境变化提供依据(范代读等, 1998)。
根据SK2孔地磁极性带的解释和界线年龄, 计算出各孔的沉积速率变化情况。具体做法为: 设相邻2个年龄控制点的埋深分别为为H1 和H2, 年龄分别为T1 和T2, 则2个年龄控制点之间的沉积厚度为H2-H1, 年代间距为T2-T1, 通过
从图 4中可以看出, SK2钻孔存在沉积速率明显增大的2个阶段: 阶段一位于孔深39.8~47.3m(年龄1.07~1.2Ma); 阶段二位于孔深54.9~61.3m(年龄1.48~1.57Ma)。从岩性上看, 阶段一下部为中砂夹砾石, 砾石磨圆分选差, 中部存在近4.0m厚的砾石层, 砾石磨圆一般, 次圆, 上部为青灰色粗砂混有砾石, 与深度> 47.3m的深褐色-褐灰色砂质黏土与粉砂互层(发育间隔约2mm的水平纹理)的沉积环境相比已经发生了剧烈变化, 表明水动力条件增强, 物源供给增多。结合前期的研究结果(Zhang et al., 2008)可知, 这可能与长江三峡的贯通有关。阶段二的下部以青色-灰绿色砂质黏土夹粉砂为主, 中部为青灰色中砂, 上部为青灰色粗砂夹砾石, 自下向上粒度逐渐变粗。从钻孔底部到孔深66.0m处, 沉积物岩性依次为青灰色中砂、 青灰色黏土、 砾石层、 青灰色中砂、 细砂、 炭化木层、 青灰色细砂, 为河湖相沉积。这可能与早更新世中期气温回升、 降雨量增加(陈华慧等, 1987)导致沉积环境发生明显变化有关。
极性时(磁性倒转)和极性亚时(漂移事件)的确立是磁性地层定年的前提和基础。一般而言, 地层的岩性、 连续性和沉积环境等均会影响极性时和极性亚时的确定, 即通过稳定沉积环境下不存在沉积间断且均一性较好的细粒沉积物可获得较理想的磁性地层定年效果。武汉地区位于江汉平原东缘, 为典型的陆相沉积环境, 这就决定了其磁性地层研究的相对复杂性(Zhang et al., 2008)。SK2孔位于武汉地区西部, 更靠近江汉平原腹地。大量的钻孔揭露武汉地区第四系基底起伏明显, 但总体上为一西深东浅的箕状洼地, SK2孔位于东西湖凹陷内, 钻孔附近的沉积除晚更新世末到全新世早期有一定间断外, 基本上是连续的, 同时, 钻孔所在位置也是东西湖凹陷内沉积物粒度相对较细的区域, 故对极性时和亚时的记录应该是完整的。对于极性时和亚时划定的可靠性, 尽管本次研究没有对岩心进行14C、 OSL、 ESR等绝对年代测定, 但仍可通过与已有的研究进行对比检验。SK2孔第三岩性段为武汉地区岩石地层中的辛安渡组(或王家店组), 其岩性特征为长江中下游广泛分布的网纹红土。网纹红土是长江中下游以南地区非常典型的第四纪土状堆积物, 前人的研究表明, 其古地磁年代属于布容极性时(蒋复初等, 1997; 李长安等, 1997; Qiao et al., 2003), 绝对年龄测定结果显示其主体形成于0.73~0.10MaiBP(杨浩等, 1996; 袁宝印等, 2008)。基于上述分析可知, 将B/M界限定在29.6m处是可行的。
布容期(Brunhes)的布莱克(Blake)负极性亚时位SK2孔深14.1~15.0m处。钻孔岩性(图3)显示自孔深17.6m向上岩性逐渐变为黄褐色沙质黏土, 同时铁锰结核和铁锰薄膜开始发育, 与区域岩性地层进行对比后认为其应属长江中下游广泛发育的下蜀黄土。据下蜀黄土的典型沉积地区— — 南京泰山新村剖面和燕子矶剖面的古地磁年代测定结果(武春林等, 2006)可知, 布莱克(Blake)亚时位于剖面中下部, 与本钻孔布莱克(Blake)亚时出现的层位大致相当。
松山期(Matuyama)亚时内有多个极性漂移事件(亚时), 其特征与江汉盆地的代表性钻孔— — 周老孔(Zhang et al., 2008)和R25孔(张景鑫, 1995)相似, 难以与标准极性柱准确地一一对应, 这可能与江汉盆地第四纪沉积粒度较粗有关。本文参考前人研究, 将极性亚时的特征(极性漂移持续时间等)与标准极性柱进行了对比, 其准确性有待测年研究进一步证实。
通过对武汉地区第四系代表性钻孔的岩心进行古地磁测试与极性分析, 初步建立了武汉地区第四纪地层序列和磁性地层年代框架, 获得的主要结论如下:
(1)SK2钻孔的样品的交变退磁处理结果表明, 约70%的样品经过交变退磁处理后可获得代表当时地磁场方向的特征剩磁, 并且一般能将样品的剩余磁化强度退至初始值的10%以下。
(2)SK2钻孔古地磁揭露的布容与松山(B/M)界线位于孔深29.6m处, 贾拉米洛(Jaramillo)正极性亚时位于38.2~39.8m处, 地层年龄为0.99~1.07Ma。奥杜威(Olduvai)正极性亚时位于孔深66.5~71.9m处, 地层年龄相当于1.77~1.95Ma。钻孔75.8m至孔底部对应留尼汪(Reunion)Ⅱ , 对应的年龄为2.01~2.04Ma, 但未出现松山与高斯(M/G)界线。
(3)由SK2钻孔的古地磁年代可将武汉市平原区第四纪地层划分为上更新统(孔深1.2~14.1m)、 中更新统(孔深15.0~29.6m)和下更新统(孔深29.6~78.8m), 下更新统底部的年龄约2.02Ma, 缺失早更新世早期沉积物。
(4)SK2钻孔的地层沉积速率表明, 在早更新世时期该区域的沉积速率均有2个相对增大的阶段, 古地磁年龄分别为1.47~1.57Ma和1.07~1.21Ma。这与前期得到的江汉平原钻孔的研究结果具有较好的一致性(Zhang et al., 2008)。
本文首次较系统地建立了武汉地区第四纪磁性地层年代框架, 弥补了武汉地区第四纪年代地层研究的不足, 为区域地层的划分和对比研究提供了参考数据。但由于武汉地区第四纪沉积物类型较复杂, 特别是早更新世地层粒度较粗, 所建立的磁性地层年代序列是否合理还有待进一步的验证和完善。
致谢 研究生杨明明、 常国瑞、 江华军等参加了野外古地磁样品的采集; 中国科学院地球环境研究所黄土与第四纪地质国家重点实验室协助完成了古地磁样品的测试; 审稿专家对论文提出了宝贵的修改意见及建议。在此一并表示感谢!
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