張 平 李向前 潘明寶 宗開紅 苗巧銀 李永祥 歐 健 馮文立 季文婷 劉維明

(1.江蘇省地質調查研究院國土資源部地裂縫地質災害重點實驗室 南京 210018;2.南京大學地球科學與工程學院 南京 210093 3.中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所山地災害與地表過程重點實驗室 成都 610041)

0 引言

印度板塊和歐亞板塊的碰撞是地球新生代歷史中的重大構造事件之一，由其所導致的青藏高原的隆升不僅引起了全球氣候的深刻變化，而且也對沉積物從源到匯的地表過程產(chǎn)生了深遠影響［1］。作為青藏高原遭受風化、剝蝕物質匯聚地之一的長江三角洲是記錄地表過程對青藏高原構造隆升響應的理想地區(qū)［2］。同時長江三角洲地區(qū)不僅是東亞季風氣候影響顯著的區(qū)域，而且是連接海洋與內陸的關鍵地段，除了受到青藏高原隆升的環(huán)境效應影響外，我國大陸邊緣海的形成過程，冰期旋回中大幅度的海進與海退、西太平洋暖池的形成與發(fā)展、南中國海形成演化等也勢必會對該區(qū)產(chǎn)生重要的影響［3，4］?？梢姡搮^(qū)是海洋—陸地—大氣耦合作用影響最為顯著的地區(qū)，是研究海洋—陸地—大氣耦合作用過程與遙相關的理想場所。

自20世紀50年代以來，不同學者對長江三角洲新生代沉積物進行了大量的研究。其中，長江三角洲鉆孔巖芯的磁性地層研究始于20世紀70年代中后期。迄今該區(qū)已有多個鉆孔古地磁年代的報道［5，6］。這些資料為我國大河口三角洲的環(huán)境演變研究提供了寶貴資料和年代控制。然而，目前對長江三角洲沉積物年代學研究仍存在很多爭議，特別是由于受河流—海洋多因素綜合作用的影響，幾個主要的古地磁極性界限劃分還存在很大分歧［7～11］，給該區(qū)的地層劃分和古環(huán)境演化研究帶來不確定性［10～14］，也使得研究者對長江貫通時間的認識出現(xiàn)分歧［2，15～18］;并且該區(qū)構造單元發(fā)育復雜，地層對比困難，構造單元間的相對運動量及構造活動時間無法確定;另外該區(qū)內地面沉降災害、水文地質層劃分、對比等研究需要以準確地質年代為依據(jù)［5］;因此建立可靠的地層年代框架是研究和解釋長江三角洲地區(qū)新生代以來多個地質問題的前提和基礎，但區(qū)內專門針對某一鉆孔的系統(tǒng)磁性地層研究相對較少［13］。因此，本文通過對蘇州SZ04鉆孔進行沉積物磁性地層學研究，分析建立該區(qū)的磁極性地層年代框架，為該區(qū)沉積環(huán)境演化、物源變化、長江貫通等研究提供較精確的年代地層標尺。

1 鉆孔基本情況及沉積特征

長江三角洲SZ04孔位于蘇州市相城區(qū)北橋鎮(zhèn)(圖1)，于2010年3月實施鉆探取樣，鉆探進尺269.2 m，揭露基巖為晚白堊紀赤山組棕紅色夾棕黃色含礫砂巖，巖芯采取率＞80%。取樣巖芯管直徑108 mm，實際巖芯直徑可達100 mm。取芯率和巖芯狀況滿足磁性地層學研究的要求。

SZ04孔巖性以粉砂質黏土、黏土質粉砂、粉砂及細砂為主，局部層位夾薄層礫與粗砂。

依據(jù)巖性特征可將鉆孔從上到下大致劃分為27層:

(1)0～4.0 m，灰黃、青灰、灰褐色粉砂質黏土、黏土質粉砂。

(2)4.0～14.55 m，青灰色，灰綠色粉砂、黏土質粉砂，顯水平層理，底部見波狀層理，具貝殼碎片，見植物殘體。

(3)14.55～19.0 m，灰褐色淤泥質黏土，見淺灰黃色泥鈣質結核，含有機質斑點。

(4)19.0～26.9 m，青灰色、淺灰綠色粉細砂、黏土質粉砂，見水平層理，含腐木，見動物遺跡。

圖1 SZ04孔及文中涉及鉆孔位置Fig.1 Locations of the SZ04 and the involved drilling

(5)26.9～28.8 m，灰黃色粉砂、黏土質粉砂，中部為粉砂與黏土互層，見水平層理。

(6)28.8～36.35 m，青灰色、灰色粉細砂、黏土質粉砂、粉砂質黏土、黏土，沉積韻律為正旋回，水平層理發(fā)育，局部見波狀層理和交錯層理。

(7)36.35～42.15 m，青灰色、灰色粉細砂、粉砂，局部夾薄層黏土，水平層理發(fā)育，見黑色有機質斑點。

(8)42.15～50.7 m，下部青灰色含礫粉砂、粉砂，礫石磨圓度好，多為堅硬泥礫;上部為灰色黏土與粉砂互層，水平層理發(fā)育。

(9)50.7～54.2 m，灰綠色黏土。

(10)50.7～67.65 m，下部為青灰色粉砂夾黏土，上部為灰、灰褐色粉砂質黏土夾粉砂，水平層理發(fā)育，含黑色有機質條帶。

(11)67.65～90 m，下部為青灰、灰色粉砂、細砂，局部含磨圓好的小礫石，中上部灰褐色、灰綠色黏土，灰褐色黏土中見生物遺跡和植物根莖。

(12)90～100.5 m，下部為灰色細砂、粉砂，含白色螺殼碎片，底部夾薄層礫石，中部為灰、灰褐色黏土夾粉砂、黏土質粉砂，水平層理發(fā)育，頂部為灰綠色黏土。

(13)100.5～108.85 m，下部為灰色、灰黃色粉砂、細砂，中部為灰色、灰黃色黏土，上部為灰色、暗灰色含黏土粉砂，頂部為深灰綠色黏土。

(14)108.85～124.45 m，下部為灰黃色黏土質粉砂、黏土，含鐵錳質結核及鈣質結核，見蘭灰色淋濾條帶;上部為灰黃色粉細砂、黏土，正韻律沉積旋回。

(15)124.45～133.3 m，自下而上為灰色、灰黃色砂礫層、黏土夾粉砂、粉砂夾黏土，見水平層理，頂部0.35 m為鈣質結核層。

(16)133.3～142.3 m，底部為灰色細砂與灰白色礫石互層，往上為灰色細砂、粉細砂，含礫石。

(17)142.3～145.35 m，底部為礫石層，往上為灰色粉細砂、粉砂，夾黏土，自下往上沉積物顆粒變細。

(18)145.35～150.45 m，自下而上為藍灰色黏土質粉砂、銹黃色粉砂質黏土、灰黃色黏土、灰綠色粉砂質黏土，含藍灰色條帶和銹黃色鐵錳質結核及斑點。

(19)150.45～154.95 m，自下而上為灰色含礫中粗砂、砂礫層、細砂、粉細砂、粉砂質黏土夾粉砂、灰綠色黏土，正韻律沉積旋回，黏土中見動植物遺跡，砂層中見水平層理。

(20)154.95～180.0 m，灰黃色、棕黃色、棕褐色，局部夾藍灰色、紫紅色及棕紅色黏土，局部夾粉砂，含白色鈣結核和黑色鐵錳質結核，結核大小不一;該大套黏土層接受的淋濾作用明顯。

(21)180.0～187.0 m，自下而上為雜色鈣質黏土，銹黃色、藍灰色黏土質粉砂，藍灰色、銹黃色黏土，含鈣結核和鐵錳質結核，上部鈣質結核和鐵錳質結核似層狀分布。

(22)187.0～198.2 m，底部為棕紅、灰綠色黏土，中部夾中粗砂，局部含細小礫石，上部為灰色、銹黃色細砂、粉砂。

(23)198.2～210.5 m，白色鈣層，見大量藍灰色淋濾條帶，見大量黑色、銹黃色鐵錳質斑點及薄膜，整體顯豆腐渣狀，局部鈣質成分較純。

(24)210.5 ～229.75 m，灰綠、棕黃、紫紅、灰白色礫石、中粗砂、細砂和粉砂等與黏土互層，含鈣質結核和鐵錳質斑點，見較多小的沉積間斷面。

(25)229.75～236.95 m，礫石層，磨圓度一般，次圓狀—次棱角狀，礫石最大為10×7×5 cm，平均為8×5×3 cm，分選一般。

(26)236.95～240.5 m，自下而上為灰綠、灰、灰黃色礫石層、含礫中粗砂、粉砂質黏土，風化強烈，礫石磨圓度一般，呈次棱角狀。

(27)240.5～269.2 m，強風化基巖，棕紅、灰白色粉砂巖與礫巖互層。

2 樣品的采集及實驗測試

2.1 樣品的采集

對巖芯進行剖開、修平，拍照，巖性描述和采樣。古地磁樣品利用具有方向標記的2×2×2 cm3的塑料盒完成。采樣點的確切位置視巖芯狀況而定，盡量采集鉆探過程中無擾動巖芯，共采集樣品503塊。樣品以細粒級的黏土和黏土質粉砂為主，部分層位為粉砂或細砂。采樣間距控制在0.5 m以內，個別層位因巖性擾動采樣間距超過1 m。

光釋光和電子自旋共振測年樣品利用黑色塑料袋采集8～10 cm長度的整塊巖芯，裝入鐵皮盒，利用膠帶及石蠟封閉密實，表明方向和樣號。樣品以氧化色的粉砂—細砂為主。樣品的采集要注意避光和保水。

2.2 實驗測試

2.2.1 古地磁測量

選擇代表層位的209塊樣品進行古地磁測量。其中，根據(jù)樣品粒級粗細及含砂量的不同，分別進行交變退磁和熱退磁的測量。剩磁測量分以下步驟來完成。在對樣品剩磁的系統(tǒng)測量之前，先選取不同巖性(如黏土，粉砂，細砂，粉砂質黏土，黏土質粉砂等)且層位上有代表性的樣品做系統(tǒng)退磁以便了解不同巖性樣品的退磁特征，從而確定相應的磁清洗方案對其他樣品退磁。交變退磁使用Molspin交變退磁儀來完成的，所加的交變場強度通常以每步增加10 mT的幅度增加至90 mT或100 mT。熱退磁是用ASC Scientific Inc公司的TD-48熱退磁儀來完成的。退磁溫度從室溫以每步增加50℃或100℃的幅度逐步增加。所有樣品的剩磁測量是在南京大學古地磁實驗室的磁屏蔽室(背景場 ＜300 nT)內進行。剩磁的測量是用美國2G公司生產(chǎn)的755R、三軸、高靈敏度超導磁力儀完成。

2.2.2 磁化率測量

磁化率主要用來衡量不同層位樣品中磁性礦物含量多少。磁化率不僅在古氣候古環(huán)境演化的研究中得到廣泛應用［19～21］，而且在湖相沉積物地層對比［22，23］及盆地構造演化［24］的研究中也獲得了應用。對SZ04孔的503個樣品的磁化率進行測量。在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成，利用的儀器為AGICO Inc公司的KLY-3 Kappabridge磁化率儀，其靈敏度為2×10-8(SI)，文中測試結果為體積磁化率，單位為國際單位SI。

2.2.3 絕對測年樣品的測量

光釋光樣品的測試在國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心完成，測試儀器為Daybreak 2200光釋光儀(美國)。

電子自旋共振樣品的測試在地震動力學國家重點實驗室完成，測試儀器為 BRULER EMS-6/1型ESR信號測量譜儀(德國)。

2.3 數(shù)據(jù)分析

通過對不同巖性樣品的系統(tǒng)交變退磁，發(fā)現(xiàn)多數(shù)樣品在交變場增加至70 mT左右時其剩磁強度衰減至10%以下。黏土的熱退磁效果較好，但含砂黏土，粉砂，細砂熱退磁曲線不穩(wěn)定。圖2為SZ04孔代表性樣品的退磁結果的 Z氏圖［25］。其中，圖2A和圖2B為代表性的交變退磁結果，退磁結果較好，軌跡趨向原點。熱退磁數(shù)據(jù)揭示SZ04孔的黏土樣品通常有2個剩磁分量，低溫分量(＜200℃)被除去后，高溫分量趨于原點(2C，2D)，代表了樣品的特征剩磁分量。部分樣品的退磁結果并不能分離出特征剩磁分量，對于這些不可靠、不能分離出特征剩磁分量的數(shù)據(jù)予以剔除。對于退磁效果好，能分離出特征剩磁分量的結果運用主成分(PCA，Principal Component Analysis)分析法［26］來確定特征剩磁分量的方向。用來衡量退磁結果穩(wěn)定性的統(tǒng)計參數(shù)—最大角偏差(MAD)控制在＜15。

2.4 實驗結果

SZ04孔的磁性地層結果如圖3所示，相應的磁性年代柱是根據(jù)與標準地磁極性年代柱［27］對比來建立的，并綜合了鉆孔的絕對測年。SZ04孔磁性地層顯示，0～100 m正極性段顯然對應于布容極性世，其間53 m處的負極性漂移事件可能代表Black極性事件，53m處光釋光測年結果為100.7±6.1 ka;100～155 m以負極性為主，對應于松山極性世，107.40 m處灰黃色粉細砂樣品的電子自旋共振測年(ESR)為898±107 ka，其中深度為114～124 m和134～140 m的正極性段，分別對應于賈拉米洛和奧爾都維亞極性世;155～189 m以正極性為主，對應于高斯極性世，其間包含深度為164～165.5 m和174.5～176.5 m的負極性段，分別對應于Kaena和Mammoth亞極性世。189 m以下數(shù)據(jù)資料較少，結果可能不夠準確，但能大體劃分出極性倒轉事件，并根據(jù)鉆孔高斯極性世頂?shù)捉绲貙映练e速率外推，能夠確定鉆孔底部碎屑沉積物的形成年齡大于5.23 Ma。

SZ04孔磁化率特征:155 m上下磁化率特征存在明顯差異，0～155 m磁化率存在6個峰值和5個谷值，總體磁化率值較高(圖3);155～240 m值較低，但也存在兩個相對高值區(qū)，分別為155～178 m和220～240 m，一個低值區(qū)為178～220 m。

3 討論

3.1 磁化率指標的意義

圖2 SZ04孔代表性樣品退磁結果Fig.2 The demagnetization results of the representative samples from the SZ04 drilling

圖3 SZ04孔巖石地層和磁性特征基于與Dy03孔［13］的對比Fig.3 The lithostratigraphic and magnetostratigraphic features of the SZ04 drilling based on comparison with Dy03 hole ［13］

雖然磁化率變化機制與地質環(huán)境過程有密切關系［28］，但區(qū)域性的地質環(huán)境過程基本相似，因此在長江三角洲地區(qū)進行地層的磁化率對比是可行的。SZ04 孔與 J9 孔［29］、Dy03 孔［13］及 F4 孔［10］磁化率特征對比顯示四鉆孔磁化率特征極為相似:2.58 Ma以前磁化率值較低波動平穩(wěn)，0.78～2.58 Ma存在2個谷值，2個峰值，0～0.78 Ma存在4峰值夾3個谷值。并且四個鉆孔地層界線均對應相似的磁化率變化位置(圖4，表1):例如全新統(tǒng)底界位于第1個峰值的下部，上更新統(tǒng)底界位于第2個峰值下部，中更新統(tǒng)底界位于第4個峰值的下部，下更新統(tǒng)底界位于第6個峰值的下部，古地磁測定的Jaramillo和Olduvai亞極性事件分別位于磁化率的第4谷值區(qū)和第5峰值區(qū)。

圖4 XH-1 孔［33］，J9 孔［29］，SZ04 孔，SG7 孔［30］，DY03 孔［13］和 F4 孔［10］磁性地層對比Fig.4 The magnetostratigraphic correlation among the XH-1［33］，J9［29］，SZ04，SG7［30］，DY03［13］ and F4［10］

表1 SZ04 孔，J9 孔［29］，DY3 孔［13］和 F4 孔［10］時代地層界線Table 1 Chronostratigraphic boundarys of the SZ04，J9［29］，DY3 ［13］ and F4［10］ holes

以上結果證明了長江三角洲地區(qū)利用磁化率進行地層劃分的可靠性，利用磁化率對比可以確定地層的時代。陶士康和王張華等分別把長江三角洲地區(qū)SG7孔第四系底界定于204 m 和284 m 處［17，30］。利用SG7孔的磁化率變化特征可以確定其第四系的底界應在204 m處。

3.2 地層對比標志層

SZ04孔2.58 Ma附近上下地層特征差異明顯，新近系頂部以黃褐、棕紅、青灰、灰黃、灰綠、藍灰等大套雜色黏土—粉砂質黏土為主，堅硬，局部含白色鈣質和黑色鐵錳質結核，結核大小不一，垂直層理發(fā)育的藍灰色條帶多見，表明淋濾作用明顯，局部夾粉砂層;第四系底部自下而上出現(xiàn)一套正韻律沉積旋回，為灰色含礫中粗砂、砂礫層、細砂、粉細砂、粉砂質黏土夾粉砂、灰綠色黏土，黏土中見動植物遺跡，砂層中見水平層理。第四紀地層整體表現(xiàn)為灰色等還原色層明顯增加的特征(圖5)。綜合 J9孔［29］，DY03孔［13］和 SG7孔［30］地層特征對比發(fā)現(xiàn) SZ04孔第四紀界線附近巖性特征在長江三角洲地區(qū)鉆孔中普遍存在，可作為地層劃分的重要標志層。

前人的大量研究表明，長江三角洲地區(qū)普遍發(fā)育硬黏土層，其中第一硬黏土層和第二硬黏土層的頂界分別為全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)的底界［13，31，32］。但本次研究發(fā)現(xiàn)，SZ04孔缺失第一硬黏土層，J9孔缺失第二硬黏土層，并且同時期、不同位置地層沉積厚度差異明顯(表1)，因此利用硬黏土層進行地層的劃分對比應謹慎。

圖5 SZ04孔141.14～189.55m巖芯照片F(xiàn)ig.5 Lithology photo of the SZ04 hole(from 141.14 to 189.55m)

3.3 沉積速率變化及其意義

巖性特征表明2.58 Ma以來長江三角洲地區(qū)灰色砂層明顯增多，與該區(qū)相對海平面越來越高，水流作用越來越強有密切關系，然而自2.58 Ma以來全球變冷，海平面變低［33］，由此推斷自2.58 Ma以來長江三角洲地區(qū)存在持續(xù)的構造沉降。2.58～0.78 Ma長江三角洲地區(qū)北部興化地區(qū)XH-1孔［34］沉積速率最高，依次往南東方向降低(圖6)，表明沉降中心此時位于長江三角洲的北部地區(qū)。

圖6表明長江三角洲地區(qū)沉積速率約0.78 Ma后明顯增高。我國在約0.8 Ma前后冬夏季風同時加強，冰期—間冰期反差加大［35］，青藏高原發(fā)生大幅度隆升［1］，區(qū)域性板塊的持續(xù)下沉［36］等這些氣候和構造事件均是區(qū)域性沉積速率加快的重要因素。位于長江三角洲北部興化的XH-1孔沉積速率雖然相對其他鉆孔較高，但在0.78 Ma后增加不明顯，表明引起長江三角洲地區(qū)沉積速率在0.78 Ma增高的主要因素應該是區(qū)域性的不均衡構造沉降。0.78 Ma以來江蘇東部沿海的沉降中心南移，長江古河道也隨之南移，長江三角洲地區(qū)沉積物開始豐富起來，沉積速率增加。此時J9孔沉積速率最大，表明沉降中心距J9孔位置較近。

全球最適宜期MIS5階段為海平面較高期，但是長江三角洲地區(qū)此時受海侵影響幅度較MIS3和MIS1小，表明晚更新世以來長江三角洲地區(qū)區(qū)域性構造沉降加劇［37］。長江三角洲北部XH-1孔沉積速率最低、增加幅度最小，長江三角洲地區(qū)的5個鉆孔沉積速率增加幅度明顯且往南西方向逐漸降低(圖6)，表明構造沉降中心較中更新世時期向南東方向移動。雖然沉降中心距J9孔位置仍較近，但對長江三角洲南翼頂部地區(qū)的影響逐漸增強。此外，全新世以來沉積速率增高的另一主要因素是人類活動的影響。

以上研究表明自第四紀以來，長江三角洲地區(qū)一直存在持續(xù)的構造沉降，且沉降中心持續(xù)向南東方向移動，沉降運動的發(fā)生和發(fā)展存在三個重要的期次分別為2.58 Ma，0.78 Ma和0.125 Ma。這三個時間點分別與青藏高原隆升的三個期次相對應［1］，江蘇東部沿海持續(xù)的構造沉降，青藏高原的持續(xù)隆升是否是印度板塊、歐亞板塊及太平洋板塊相互作用的“同期異象”的產(chǎn)物有待今后進一步研究。

4 結論

(1)通過詳細的磁性地層學分析，并結合絕對測年結果揭示出SZ04孔中B/M、M/G界限深度分別為100 m和155 m，其中亞極性事件包括53 m處的Black負極性事件，114～124 m處的賈拉米洛正極性事件，134～140 m處的奧爾都維正極性事件，164～165.5 m處的Kaena負極性事件，174.5～176.5 m處的Mammoth負極性事件。SZ04孔底部碎屑沉積物形成的年齡大于5.23 Ma，標志著長江三角洲地區(qū)最晚開始接受沉積的時間為中新世。該結果為長江三角洲地區(qū)地層對比、海陸環(huán)境變化，長江貫通及新構造運動研究等提供了可靠的年代地層框架。

(2)長江三角洲地區(qū)及江蘇東部沿海鉆孔沉積物在2.58 Ma前后的巖石地層和磁化率特征均發(fā)生明顯變化。2.58 Ma以前巖石地層為大套雜色黏土，隨后灰色等還原色巖層開始出現(xiàn)，磁化率值均存在明顯增大的特征。這一特征可以用于鉆孔間地層對比。

圖6 長江三角洲以北XH-1孔、長江三角洲地區(qū)J9孔、SZ04孔、SG7孔、DY03孔和F4孔時間與沉積速率對應關系圖Fig.6 The correlation between age and deposition rate of the XH-1 hole north to the Yangtze River Delta，and the J9，SZ04，SG7，DY3 and F4 holes in the Yangtze River Delta

(3)第四紀以來，長江三角洲地區(qū)一直存在持續(xù)的構造沉降，且沉降中心持續(xù)向南東方向移動，沉降運動的發(fā)生和發(fā)展存在三個重要的期次分別為2.58 Ma，0.78 Ma 和0.125 Ma。

(4)長江三角洲地區(qū)不同部位的鉆孔年代界限的深度差異較大，即第四紀以來不同地質單元沉積物厚度的空間變化較大，且區(qū)域內特殊的硬黏土層在局部地區(qū)存在缺失，因此利用沉積物厚度和特征地層對全區(qū)地層進行對比時應特別謹慎。

致謝 感謝水環(huán)所趙華和王成敏老師，地震動力學國家重點實驗室的李建平老師，以及南京大學地質系的溫斌碩士等在野外和室內工作給予的幫助。

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