魯西汶東凹陷Qk203鉆孔黏土礦物特征及其古環境

劉偉,閻海青,孫天河,靳立杰*,周永剛,于松,楊帆,江振國

(1．山東省第一地質礦產勘查院,山東 濟南 250100;2．山東省富鐵礦勘查技術開發工程實驗室,山東 濟南 250100;3．中國冶金地質總局山東局集團測試有限公司,山東 濟南 250100)

0 引言

近年來,以黏土礦物為手段來恢復古氣候的方法受到世界各國學者的普遍關注,并被運用于從土壤風化產物、冰川作用、風力沉積、河流沉積、湖泊沉積到海洋沉積物,從寒武紀到第四紀廣泛時空分布的氣候重建研究[1-2]。

黏土礦物是在一定的地質環境和氣候條件下形成的,產生并廣泛分布于地表,存在于各種類型的沉積物中,其形成和轉化與氣候,特別是溫度和濕度有十分密切的關系[3]。不同的黏土礦物含量、組合、特征參數、形態代表著不同的古氣候環境,利用黏土礦物的這些特征,對其進行分析對比,可以對該區域古氣候環境進行分析研究[4-5]。

山東省地處北溫帶,保留了大量蘊含古氣候信息的第四紀沉積物,在研究我國季風演化規律與古氣候環境變化中占有重要的地位[6]。前人對山東地區的古氣候環境信息做了大量的研究[7-14],成果多集中在山東半島和魯北平原地區,而利用黏土礦物學手段系統地開展魯西地區中新生代斷陷盆地古氣候的研究比較薄弱。

本文依托1∶5萬大汶口、樓德幅區域地質調查項目,采用AMS14C測年和半定性定量的方法對汶東凹陷鉆孔Qk203沉積物中黏土礦物組合及含量變化進行詳細分析,揭示該地區第四紀沉積物晚更新世以來黏土礦物特征及其所記錄的古氣候演變歷史,為魯西地區的古環境、古氣候恢復提供基礎資料。

1 研究區概況

汶東凹陷地處魯西隆起區魯中隆起的北部,泰山山脈的南麓,是一個典型的斷陷盆地[15]。凹陷北部以徂徠山斷裂為界與新甫山凸起相接,凹陷南部古近紀地層上翹,超覆在蒙山凸起之上,整體呈北斷南超的箕狀構造格局。西以磁窯斷裂為界,與大汶口凹陷相連,東以羊流斷裂為界,與蒙陰凹陷相接,凹陷被中部NW 315°走向的蒙山斷裂劃分為東、西兩部分(圖1)。受構造影響,凹陷呈南北短、東西長、西寬東窄的瓢狀展布。凹陷的基底為古生界石炭-二疊系沉積地層;出露地層主要為古近系官莊群,新近系黃驊群及第四系大站組、臨沂組。研究區年平均氣溫13℃,年平均降水量697mm,主要集中于6—9月,屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候。

1—第四紀地層;2—寒武紀—奧陶紀地層;3—二級斷裂;4—三級斷裂;5—不整合接觸;6—鉆孔位置及編號。圖1 汶東凹陷構造位置簡圖(據高明波[16]修改)

2 材料與方法

2.1 鉆孔基本情況

本文所研究的Qk203鉆孔位于汶東凹陷的西緣,鉆孔坐標為X:514947.01,Y:3979049.17,H:106.40,孔深37.70m,巖心直徑為110mm,全孔取心率100%。Qk203孔位于柴汶河東岸,周圍未見基巖出露,為第四系松散沉積物覆蓋,主要為臨沂組、平原組。

2.2 樣品采集與測試

在Qk203孔埋深22.40m和31m處采集14C樣品2件(編號Qk203-C1和Qk203-C2),Qk203-C1巖性為棕色塊狀黏土,Qk203-C2巖性為深灰色塊狀黏土。14C年代學由北京大學加速器質譜實驗室與第四紀年代測定實驗室測試。校正年齡系以CALIB7.0.4軟件計算所得,采用INTCAL13校正曲線,該曲線可對0～46400cal. a BP范圍內的年齡進行校正,其中0～12500cal. a BP基于樹輪校正,超過12500cal. a BP者以海洋珊瑚與紋泥數據進行校正。

本文對Qk203孔整個巖心柱的黏土礦物分析,去除表層土后在深度0.70m處采集第一個樣品,之后以大約1m間隔取樣,共采集29件典型黏土樣品進行X射線衍射分析。將樣品置于室溫條件下自然風干;取適量樣品置于瑪瑙研缽中研磨,研磨至無顆粒感;取一定量的樣品粉末,用刮片法制成測試片。

粉晶X射線衍射分析(XRD)在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室的X射線粉晶衍射實驗室中完成。采用的儀器為日本理學Dmax-ⅢA型X射線衍射儀,入射光源為CuKα輻射,Ni片濾波,X光管工作電壓為35kV,電流為30mA;光闌系統為DS=SS=1°,RS=0.3mm。連續掃描,速度為4°/min,掃描范圍為3°～65°。

沉積物中黏土礦物的鑒定主要根據其在XRD圖譜中不同的特征峰值來判別。黏土礦物相對質量分數計算方法的基本原理為衍射強度越大,對應的礦物質量分數越高[17]。各黏土礦物組分的相對百分含量選取自然干燥片(NG),運用Kahle[18]提出的“100%歸一化法”計算獲得。

3 分析結果

3.1 巖石地層劃分

Qk203孔揭露巖性主要為黏土、粉砂質黏土、黏土質粉砂、含黏土粉砂,少量砂礫石夾層,野外編錄分成132個自然層位,通過對沉積物的巖性、顏色、沉積組合和沉積相分析,將其分為11大巖性段(圖2),自上而下分別為:

1—黏土;2—含粉砂黏土;3—黏土質粉砂;4—粉砂;5—鈣質結核;6—礫石。圖2 鉆孔Qk203巖性柱狀圖、黏土礦物相對含量變化特征與深海氧同位素數據[19]對比圖

(1)0～0.60m:人工回填土層。

(2)0.60～2.15m:沉積物以含礫石的粉砂和黏土交替發育為特征,表現為下粗上細的河流沉積正韻律,具有曲流河的二元結構。下部巖性主要為棕黃色黏土質粉砂和粉砂質黏土,向上逐漸過渡為黃棕色、深黃棕色含砂黏土,層內礫石發育,成分以長英質為主,多為次棱角狀,大小2～7mm,個別可達15mm。該層為典型的河流相沉積。

(3)2.15～8.36m:該層沉積物整體以黏土為特征,上部2.15～6.30m主要表現為黃棕色含鈣質結核黏土夾綠灰色、淺綠色黏土條帶、斑塊,鈣質結核局部富集呈條帶狀,寬2～4cm,綠灰色、淺綠色黏土條帶和斑塊代表了局部的還原環境,上部巖心局部黑色炭質斑點雜亂分布,大小多在1mm左右。中部6.36～6.44m為一礫石層,礫石次棱角狀—次圓狀;下部6.44～8.36m主要表現為黃棕色、棕黃色與綠灰色黏土相間發育的特征,鈣質結核含量明顯降低,局部黑色炭質斑點雜亂分布。該段自下而上分別為河漫灘相—邊灘相—河漫灘相沉積。

(4)8.36～11.50m:巖性主要為棕黃色、黃棕色夾綠灰色粉砂、含黏土粉砂、粉砂質黏土、黏土,偶見鈣質結核和黑色炭質斑點,自下而上表現出5個下粗上細的沉積韻律組合,為河漫灘相沉積。

(5)11.50～15.35m:巖性主要為棕黃色、黃棕色黏土與綠灰色、灰色黏土互層,整體質地均勻,偶見鈣質結核和黑色炭質斑點發育;該層為河漫湖泊沉積。

(6)15.35～17.00m:巖性主要為綠灰色、淺棕色、黃棕色含黏土粉砂、粉砂夾薄層黏土,底部偶見黑色炭質斑點,大小多在2mm以內;該層為天然堤沉積。

(7)17.00～18.70m:巖性為棕黃色黏土夾灰色粉砂、含黏土粉砂,偶見黑色炭質細點發育,整體沉積物粒度較細,質地均勻,表現為河漫灘相沉積。

(8)18.70～23.78m:巖性主要為棕黃色、灰色黏土質粉砂、粉砂與黏土互層,沉積物粒度整體較細,自下而上表現出4個粉砂—黏土下粗上細的沉積韻律組合,為河漫灘沉積。

(9)23.78～30.20m:巖性主要為黏土,致密塊狀,質地均勻,顏色自下而上由深灰色、藍灰色、綠灰色逐漸變為黃棕色、淺黃棕色、灰色,代表了由還原向氧化沉積環境的轉變;25.30～25.70m、27.24～27.71m和29.00～29.20m處夾有3層粉砂,該層為河漫湖泊沉積。

(10)30.20～33.00m:巖性主要為極深灰色、藍灰色、橄欖棕色黏土質粉砂夾多層黏土,整體代表了還原環境;在39.95m處見一厚5cm棕黃色含鈣質結核黏土,偶見炭質斑點發育;該層為湖相沉積。

(11)33.00～37.70m:灰色、極深灰色泥巖,湖相沉積。根據劉旭鋒等[20]研究成果,該層為湖相沉積。

3.2 AMS14C測年

鉆孔Qk203 AMS14C測年樣品均為灰色黏土,有機質含量較高,分析結果顯示(表1):Qk203孔埋深22.40m、31.20m處年齡分別為19850cal. a BP和30937cal. a BP,時代均為晚更新世。2.15m深度處開始出現黃棕色鈣質結核黏土夾綠灰色、淺綠色黏土,與上覆含礫粉砂出現較明顯的相變,根據AMS14C測年結果和巖性組合特征,并與山東南四湖周邊地區[21]和魯北平原南部[22]第四紀巖石地層對比分析,將Qk203孔0～2.15m劃分為臨沂組,2.15～33.00m劃分為平原組。

表1 鉆孔Qk203 14C測年數據一覽表

3.3 黏土礦物特征

鉆孔Qk203代表性樣品粉晶X射線衍射圖譜顯示(圖3),汶東凹陷內沉積物礦物組成主要有石英(4.25?、3.33?)、方解石(3.02?)、長石(3.24?、3.19?)、白云石(2.88?)以及黏土礦物等,不同層位各礦物含量有所差別。黏土礦物主要為蒙脫石、高嶺石和伊利石,占整個鉆孔樣品的43%。粉晶X射線衍射圖譜中普遍顯示穩定的3.33?、5.0?、10.0?特征衍射峰,說明樣品普遍含有伊利石;粉晶X射線衍射圖譜中普遍存在7.16?與3.58?的衍射峰,說明樣品中存在高嶺石;在粉晶X射線衍射圖譜中可以見到15.2?處出現較強的衍射峰,說明樣品中蒙脫石的存在。

Q—石英;Or—正長石;Pl—斜長石;Cc—方解石;Do—白云石;I—伊利石;S—蒙脫石;K—高嶺石;Qk203-30—樣品編號。圖3 鉆孔Qk203代表性樣品的粉晶X射線衍射分析圖譜

表2顯示了鉆孔Qk203樣品中黏土礦物的半定量結果。黏土礦物主要為蒙脫石、高嶺石及少量的伊利石,其中蒙脫石相對含量(25%～100%,平均為48%)占優勢,高嶺石(0%～50%,平均為36%)次之,伊利石(0%～38%,平均為16%)含量最少。

表2 鉆孔Qk203黏土礦物X射線衍射分析結果

4 討論

4.1 汶東凹陷第四紀氣候演化

黏土礦物主要指粒度d<2μm的層狀含水硅酸鹽礦物,它們對于環境的冷熱干濕變化極為敏感。大多數的黏土礦物是由母巖在地表條件下經由風化作用形成的。在這一過程中,地表環境的溫度、濕度、酸堿介質環境等的變化,對于最終形成的黏土礦物的種類與數量有著密切的聯系。

伊利石形成于溫暖或寒冷少干的氣候條件下,由長石、云母等鋁硅酸鹽礦物在強物理風化和弱淋濾作用下脫K+時形成,其晶格間層的K+不斷流失,伊利石可向蒙脫石轉化。如果氣候轉為濕熱,化學風化將進行的更加徹底,則層間堿金屬(主要是K+)繼續流失,伊利石將進一步分解而形成高嶺石[23-24]。因此,氣候干燥、淋濾作用弱對伊利石的形成和保存有利,伊利石可作為干冷氣候的指示標志礦物[25]。蒙脫石形成于偏堿性的環境中,其形成一般跟水解程度增強有關,所以在季節性的溫暖、潮濕的氣候條件下,有利于蒙脫石的形成[26]。高嶺石形成于溫暖潮濕的氣候條件下,由富含鋁硅酸鹽礦物(輝石、長石、云母等)的火成巖或者變質巖在酸性介質經強烈淋濾形成,是強化學風化的產物,和蒙脫石相比,高嶺石的形成比蒙脫石需要更高的溫度和濕度[27]。例如,Cruz[28]在研究西班牙坎波直布羅陀地區的復理石層中的黏土礦物組合時,發現該地層中的黏土礦物主要為高嶺石,同時含有綠泥石、伊利石,指示著氣候條件由溫暖潮濕變為相對冷干。

除了黏土礦物本身可以指示環境條件外,黏土礦物的某些含量比值和化學指標也具有一定的環境指示意義。代表冷干氣候的伊利石和綠泥石與代表暖濕氣候的高嶺石和蒙脫石,二者之間的比值V(Ch+I)/V(Kao+S),在一定程度上可以代表物理風化與化學風化的強度比值。這個比值越大,說明氣候較為寒冷干燥;比值越小,說明氣候較為溫暖濕潤。

依據黏土礦物組合及含量變化特征,參考V(Ch+I)/V(Kao+S)比值,將汶東凹陷Qk203孔晚更新世以來氣候演化劃分為5個階段(圖2)。

階段Ⅴ(孔深31.22～29.33m):高嶺石含量在33%～44%之間變化,平均含量38%,含量較平穩;蒙脫石含量在29%～41%之間變化,平均含量34%;伊利石含量18%～38%,平均含量28%。該階段整體表現為高嶺石、蒙脫石相對含量下降而伊利石相對含量上升的趨勢,V(Ch+I)/V(Kao+S)指數由0.22上升至0.62,表明該時期降雨量減少,化學淋濾作用減弱,水解作用降低,機械風化作用增強,氣溫下降,總體指示相對冷干的氣候條件。

階段Ⅳ(孔深29.33～24.73m):蒙脫石含量在41%～54%之間變化,平均含量45%,含量中等且平穩;高嶺石含量在33%～43%之間變化,平均含量39%,含量中等平穩;伊利石含量在13%～20%之間變化,平均含量16%,含量較低且平穩;V(Ch+I)/V(Kao+S)指數在0.15～0.24之間變化,平均為0.19。與階段Ⅰ相比,該階段高嶺石及蒙脫石相對含量上升,伊利石相對含量下降,各黏土礦物相對質量分數波動較小,同時V(Ch+I)/V(Kao+S)指數整體偏小,指示氣候總體由階段Ⅰ的相對冷干向暖濕氣候的轉變,化學風化程度較階段I有明顯加強。

階段Ⅲ(孔深24.73～15.64m):蒙脫石相對含量在30%～61%之間變化,含量變化較大,平均含量43%;高嶺石含量在29%～48%之間變化,平均含量38%,含量中等且平穩;伊利石含量在0～30%之間變化,含量變化明顯,平均含量19%,總體含量中等偏低;V(Ch+I)/V(Kao+S)指數在0～0.42之間變化。該階段黏土礦物各組分含量出現較大波動,特別是伊利石與高嶺石含量出現此消彼長的對應關系,但伊利石整體含量較上一階段有所增加,指示氣候條件由階段Ⅱ的溫暖濕潤逐漸轉變為相對干涼,且期間存在多期干濕交替氣候。

階段Ⅱ(孔深15.64～2.15m):蒙脫石相對含量在25%～63%之間變化,含量變化較大,平均含量45%;高嶺石含量在36%～50%之間變化,平均含量42%,含量中等且平穩;伊利石含量在0～25%之間變化,平均含量13%,總體含量偏低;V(Ch+I)/V(Kao+S)指數在0～0.33之間變化,平均僅為0.16。與階段Ⅲ相比,該階段伊利石相對含量下降,蒙脫石和高嶺石的含量相對持平,指示氣候條件由階段Ⅲ的相對干涼轉變為溫暖濕潤。

階段Ⅰ(孔深2.15～0m):蒙脫石相對含量在55%～100%之間變化,含量變化較大,平均含量73%,總體含量較高;高嶺石含量在31%～67%之間變化,平均含量22%;伊利石含量在0～14%之間變化,平均含量5%,總體含量偏低;V(Ch+I)/V(Kao+S)指數在0～0.16之間變化,平均僅為0.05。該階段伊利石含量驟降,蒙脫石和高嶺石含量上升明顯,指示氣候進一步向溫暖潮濕演變。

4.2 汶東凹陷對全球氣候變化的響應

對比趙井東[19]和施雅風[29]對中國第四紀冰期劃分與改進建議,結合鉆孔Qk203 AMS14C測年結果與黏土礦物指示的氣候演化特征,可以確定,鉆孔Qk203晚更新世Ⅴ～Ⅱ氣候演化階段對應于深海氧同位素MIS2階段(末次冰盛期),氣候整體表現為干涼特征,全新世氣候演化階段Ⅰ對應于深海氧同位素MIS1階段(冰后期),氣候逐漸回暖。橫向對比同時期全球性的氣候可知,在末次冰盛期,盡管本質上在中、高緯度地區是寒冷的氣候條件,但是其中也存在著多次短期的溫暖的間冰階氣候條件時期[30]。例如Shackleton[31]將東太平洋沉積物巖心V19～30獲取的底層氧同位素記錄反映的海平面波動與新幾內亞海岸階地推斷的海平面變化進行對比,發現60～20ka時間段內至少存在6次同位素值從輕變重的偏移,表明全球氣候在該時期冷暖波動的特征。郭盛喬等[32]通過對華北平原寧晉泊南王莊剖面孢粉、碳酸鹽、有機碳含量(TOC)及C/N值的高分辨率分析與綜合判識,表明末次冰盛期并不是一個持續的干冷時期,而是存在從涼濕—冷偏濕—冷干的波動變化過程。楊劍萍[33]等采用現代測試技術和地層對比的方法,將山東廣饒地區晚更新世以來氣候演變劃分為6個期次:干冷期、溫暖濕潤期、干冷偏涼期、溫暖期、潮濕濕潤期和現代氣候期,對應不同的沉積演化特征。張祖陸[17]等依據山東南四湖周邊地區7個鉆孔的孢粉組合特征,認為該區晚更新世晚期經歷了冷而偏干—冷而偏濕—冷而略偏濕的演化過程,也證實了在晚更新世晚期冰期期間的氣候波動變化的特點。

本次研究表明,汶東凹陷作為魯西地區中新生代斷陷盆地,在末次冰盛期整體表現為干冷的氣候特征,并且經歷了干冷—暖濕—干涼—暖濕的氣候波動變化過程,與前人研究結果均具極好的對比性,說明末次冰盛期以來的氣候變化具有全球性,但在不同地區會有所差異,一定程度上響應于全球古氣候和中國東部古氣候的變化,同時表明全球性的氣候變遷對我國第四紀氣候的演變起到一定控制作用,而且我國獨特的構造運動也在一定程度上影響著局部氣候演化進程。

5 結論

(1)對魯西汶東凹陷晚更新世以來沉積物進行X粉晶衍射分析,其結果顯示沉積物中主要的黏土礦物為蒙脫石、高嶺石和伊利石。根據黏土礦物組合及含量變化特征,將汶東凹陷氣候演化劃分為5個階段:階段Ⅴ(孔深31.22～29.33m)顯示汶東凹陷氣候為冷干;階段Ⅳ(孔深29.33～24.73m)顯示汶東凹陷氣候溫暖濕潤;階段Ⅲ(孔深24.73～15.64m)顯示汶東凹陷氣候整體為相對干涼,存在多期干濕交替氣候;階段Ⅱ顯示(15.64～2.15m)汶東凹陷氣候逐漸趨向于暖濕;階段Ⅰ(2.15～0m)顯示汶東凹陷進一步向暖濕氣候演變。其中,階段Ⅴ～Ⅱ時代為晚更新世,對應于深海氧同位素MIS2(末次冰盛期),階段Ⅰ時代為全新世,對應于深海氧同位素MIS1(冰后期)。

(2)魯西汶東凹陷晚更新世氣候以干冷為背景的大環境下,經歷了冷干—暖濕—干涼—暖濕的交替變化,表明末次冰盛期并不是一個持續的干冷時期,而是存在氣候冷暖波動變化,與前人研究結果均具極好的對比性,在一定程度上響應于全球古氣候和中國東部古氣候的變化。