徐建國(guó), 劉中業(yè), 陶有兵, 徐 華, 紀(jì)汶龍, 張春池

山東省地質(zhì)調(diào)查院, 山東濟(jì)南 250013;山東省土地質(zhì)量地球化學(xué)與污染防治工程技術(shù)研究中心, 山東濟(jì)南 250013

萊州灣沿岸冰后期沉積是工程建設(shè)的主要利用層, 也是與該區(qū)咸水入侵、土地鹽漬化、軟土地基、砂土液化等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題密切相關(guān)的地層,1970年以來(lái)有關(guān)學(xué)者對(duì)該沉積層作了大量的古生物、14C測(cè)年等分析測(cè)試, 對(duì)冰后期沉積環(huán)境演變作了較系統(tǒng)的研究, 但這些工作大多是對(duì)局部地區(qū)、少量第四紀(jì)地質(zhì)孔的分析研究(鄭守儀等, 1978; 莊振業(yè)和李建華, 1986; 林防等, 2005; Yi et al., 2015;郭飛等, 2016; 姜興鈺等, 2016; 李守軍等, 2017),區(qū)域性研究工作較少。薛春汀和丁東(2008)首次對(duì)萊州灣南岸全新世沉積開展系統(tǒng)研究, 提出了萊州灣南岸發(fā)育典型河流三角洲的觀點(diǎn), 并指出該三角洲是由多條河流共同塑造的集群河流三角洲, 但受鉆孔資料限制, 并未對(duì)海平面變化背景下冰后期三角洲的沉積結(jié)構(gòu)進(jìn)行更深入的研究; 徐建國(guó)等(2018, 2019)基于研究區(qū)1:5萬(wàn)第四紀(jì)地質(zhì)、工程地質(zhì)調(diào)查中形成的大量鉆孔巖芯、微體古生物、14C測(cè)年等資料, 證實(shí)萊州灣沿岸晚更新世以來(lái)歷次海侵中均發(fā)育河流三角洲, 并對(duì)冰后期三角洲開展了巖石地層、生物地層、年代地層和氣候地層研究, 但并未開展三角洲的沉積層序研究。

靜力觸探試驗(yàn)(CPT)是用靜力將一定規(guī)格的圓錐探頭以一恒定的貫入速率壓入土中, 并測(cè)定探頭阻力的原位測(cè)試方法, 自 1950年以來(lái)被廣泛應(yīng)用于工程地質(zhì)調(diào)查, 主要用于巖性劃分和地基承載力計(jì)算。由于泥質(zhì)海岸帶第四紀(jì)沉積物大多為巖性變化較小的細(xì)顆粒堆積, 在鉆孔巖芯編錄中通過(guò)肉眼識(shí)別巖性變化有時(shí)難度較大, 但靜力觸探試驗(yàn)參數(shù)對(duì)巖性較敏感, 可以反映巖性的細(xì)微變化, 在巖性剖面劃分上有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì), 近些年也被應(yīng)用于海岸帶晚第四紀(jì)沉積地層學(xué)研究。林春明(1995)將靜力觸探數(shù)據(jù)應(yīng)用于錢塘江口全新統(tǒng)超淺層天然氣勘探,利用觸探曲線劃分巖性、判別古河口灣的存在;Styllas(2014)通過(guò)對(duì)希臘阿克蒙河全新世三角洲平原靜力觸探試驗(yàn)資料與相鄰鉆孔編錄資料的對(duì)比分析, 劃分了該三角洲沉積體的層序地層單位, 建立了晚第四紀(jì)地層模型; 但這兩項(xiàng)研究?jī)H限于通過(guò)靜探參數(shù)值大小識(shí)別巖性, 進(jìn)而開展海岸帶沉積相分析, 可能受所利用靜探和巖芯資料不足的影響, 并未建立起不同沉積相的靜探參數(shù)曲線形態(tài)識(shí)別模式。

本文充分利用研究區(qū) 249個(gè)全取芯鉆孔-靜力觸探孔組資料, 結(jié)合對(duì)微體古生物、14C測(cè)年資料的分析, 針對(duì)萊州灣冰后期三角洲開展層序地層學(xué)研究, 建立冰后期沉積環(huán)境的靜力觸探參數(shù)曲線識(shí)別模式, 該研究成果在同類地區(qū)具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

萊州灣沿岸發(fā)育一系列入海河流, 自東往西主要有膠萊河、濰河、白浪河、彌河、小清河等, 徑流量、輸沙量以濰河最高, 彌河次之。地勢(shì)上總體表現(xiàn)為向海傾斜的緩坡地形, 地形起伏受到地貌類型影響, 濰河、白浪河、彌河沖積扇以及近代黃河三角洲呈扇形高地, 而濱海低地、沖積扇前緣和扇間地帶表現(xiàn)為低平洼地(圖1)。

圖1 研究區(qū)地勢(shì)及冰后期沖積扇分布圖Fig. 1 Topography and distribution of Holocene alluvial fans in the study area

研究區(qū)在大地構(gòu)造分區(qū)上橫跨濟(jì)陽(yáng)坳陷、魯西隆起和魯東隆起三個(gè)Ⅲ級(jí)構(gòu)造單元, 濟(jì)陽(yáng)坳陷與魯西隆起以柳疃斷裂—侯鎮(zhèn)北斷裂(齊廣斷裂)為界,安丘—莒縣斷裂為魯東隆起與濟(jì)陽(yáng)坳陷分界線。濟(jì)陽(yáng)坳陷本區(qū)第四系厚度 130～230 m, 說(shuō)明坳陷區(qū)第四紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以繼承性沉降為主, 沉降幅度 130 m以上; 魯西隆起、魯東隆起第四系厚度0～130 m, 變化較大, 向坳陷區(qū)方向厚度增大, 說(shuō)明第四紀(jì)時(shí)期也發(fā)生了一定程度的沉降, 沉降幅度向坳陷區(qū)逐漸增加。

研究區(qū)大部分地區(qū)為全新世海侵區(qū), 最大海侵線大致與4 m高程線(國(guó)家1985高程)吻合, 海侵范圍內(nèi)地面高程一般1～4 m, 海侵線以南的山前傾斜平原高程一般4～78 m, 與1947年希臘人克雷陀普(P. Christopoulos)在其“華北大平原的生成”一文提出的 4 m等高線可作為史前海岸線的觀點(diǎn)相吻合(趙松齡, 1986)。

2 冰后期三角洲沉積結(jié)構(gòu)

萊州灣冰后期三角洲南界位于寒橋—固堤—昌邑一線, 東界位于官莊—土山一帶, 西界可達(dá)研究區(qū)外的廣饒縣花官一帶, 北界靠近現(xiàn)代黃河入海口(薛春汀和丁東, 2008), 依據(jù)沉積條件差異可劃分為三角洲主體區(qū)和側(cè)翼區(qū)兩個(gè)地層分區(qū)(圖 2), 主體區(qū)位于萊州灣南岸, 北以老彌河為界, 南到冰后期沉積邊界, 側(cè)翼區(qū)位于萊州灣西岸, 主體區(qū)外圍。垂向上冰后期三角洲沉積由下而上分為前三角洲、三角洲前緣(潮坪)和三角洲平原三個(gè)沉積單元。

圖2 萊州灣沿岸冰后期三角洲沉積分區(qū)圖Fig. 2 Zoning map of post glacial delta deposits along the coast of Laizhou Bay

(1)前三角洲沉積單元

沉積厚度0～13.7 m。由下而上依次為河流相、濱海湖沼相, 巖性主要為黏性土、粉土、粉砂。河流相沉積一般不含或含極少量有孔蟲、介形類, 殼體顯示出搬運(yùn)再堆積特征; 濱海湖沼相沉積咸水、半咸水種有孔蟲含量變化較大(0～555枚/(20 g干樣)),種數(shù)0～16, 介形類含量0～210枚/(20 g干樣)。

(2)三角洲前緣(潮坪)沉積單元

沉積厚度0～14.7 m。三角洲主體區(qū)發(fā)育三角洲前緣席狀砂體, 厚度0～12 m, 巖性以粉砂、粉土為主, 僅在昌邑市柳疃東側(cè)濰河古河口附近為中粗砂、礫砂; 潮坪沉積發(fā)育于三角洲側(cè)翼區(qū), 巖性為黏性土與粉土、粉砂互層, 紋層發(fā)育, 類似于“千層餅”構(gòu)造。該沉積單元含豐富的微體古生物殼體,其中咸水、半咸水種有孔蟲12～2672枚/(20 g干樣),種數(shù) 3～37; 介形類為咸水種和淡水種混雜, 含量11～1280枚/(20 g干樣), 種數(shù)2～22。

(3)三角洲平原沉積單元

沉積厚度 0～8.5 m。三角洲主體區(qū)、側(cè)翼區(qū)分別發(fā)育河流相和近代黃河三角洲沉積, 巖性主要為黏性土、粉土、粉砂。該沉積單元不含或含極少量微體古生物殼體, 其中有孔蟲 0～8枚/(20 g干樣),介形類0～8枚/(20 g干樣)。

3 研究方法

本文利用了近年施工的 249個(gè)工程地質(zhì)鉆孔-靜力觸探試驗(yàn)孔組的資料, 每個(gè)孔組由 1個(gè)工程地質(zhì)鉆孔和1個(gè)靜力觸探孔組成, 孔距2～5 m。工程地質(zhì)鉆孔均為全取芯孔, 部分鉆孔開展了生物地層學(xué)、年代地層學(xué)研究; 靜力觸探試驗(yàn)孔主要揭露全新世和晚更新世地層, 提供的參數(shù)包括雙橋探頭的錐尖阻力值 qc(單位 MPa)、側(cè)壁摩阻力值 fs(單位kPa)和摩阻比 Rf(以%表示), 其中 qc、fs為實(shí)測(cè)參數(shù), Rf為計(jì)算參數(shù), 計(jì)算公式如下:

靜力觸探試驗(yàn)參數(shù)在巖性劃分上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì), 可進(jìn)行巖性剖面分析, 將其應(yīng)用于沉積相研究的基本依據(jù)是巖性特征及其在垂向上的各種組合所構(gòu)成的不同旋回、韻律特征, 而這些特征可以反映同一地區(qū)不同時(shí)期的古沉積環(huán)境, 所以在沉積相分析中旋回、韻律分析具有舉足輕重的作用(潘懋和徐建紅, 1993)。

本文的研究思路是以巖芯編錄、微體古生物鑒定、14C測(cè)年數(shù)據(jù)的綜合分析為基礎(chǔ), 首先建立萊州灣冰后期沉積相的靜探參數(shù)曲線劃分模式, 然后通過(guò)對(duì)靜探參數(shù)曲線形態(tài)識(shí)別進(jìn)行細(xì)分沉積相的研究,劃分冰后期三角洲沉積序列, 建立沉積旋回、重要地質(zhì)界面的空間格架。

本文中14C測(cè)年數(shù)據(jù)引自近年萊州灣地區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)研究成果(田立柱等, 2016; 徐建國(guó)等, 2018,2019)。

4 研究結(jié)果

4.1 巖性識(shí)別

研究區(qū)工程地質(zhì)孔-靜力觸探孔組的巖性、靜探參數(shù)值的對(duì)比分析表明, 三個(gè)靜探參數(shù)中, qc、Rf受巖性影響較明顯, 而fs值則影響不大(圖3)。以中粗砂、礫砂和一般黏性土為例, 前者的qc平均值是后者的8.7倍, 后者的Rf平均值是前者的6.9倍, 而fs平均值前者僅為后者的1.5倍(表1), 所以在巖性劃分中qc、Rf是兩個(gè)常用參數(shù)。

表1 不同巖性靜力觸探參數(shù)值統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of static sounding parameters of different lithologic characteristics

圖3 萊州灣沿岸晚第四紀(jì)沉積不同巖性的靜探參數(shù)分布圖Fig. 3 Distribution of static sounding parameters for different lithologic characteristics of Late Quaternary sediments along Laizhou Bay

一般情況下, qc的增大代表土的粒度變粗, 而Rf增大則主要反映黏粒含量的增高, 總體上砂土一般具有較高的qc值和較低的Rf值, 而黏性土則相反(圖 4)。

圖4 靜探參數(shù)隨巖性變化的典型鉆孔剖面Fig. 4 Typical borehole profile for variation of static sounding parameters with lithology

研究區(qū)軟土是具有高含水率、大孔隙比、高壓縮性和低強(qiáng)度等特點(diǎn)的特殊性土(杜東菊等, 2012),巖性以黏性土為主, 軟土的qc值一般小于0.7 MPa(鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院, 2003)。軟土與一般黏性土的靜探參數(shù)值不同, 飽和狀態(tài)下qc、fs、Rf值均呈現(xiàn)低值, 而非飽和帶則表現(xiàn)為qc值低而fs、Rf值相對(duì)較高的特點(diǎn)(圖5)。

圖5 軟土靜探參數(shù)的典型鉆孔剖面Fig. 5 Typical borehole profile for static parameters of soft soil

4.2 沉積相識(shí)別

(1)靜探參數(shù)曲線基本形態(tài)

① 錐尖阻力值曲線形態(tài)

qc曲線基本形態(tài)主要有鐘型、漏斗型、箱型、平直型和齒型5種。鐘型曲線反映粒度自下而上逐漸變細(xì), 屬正粒序結(jié)構(gòu)、退積型沉積序列, 曲線底部往往出現(xiàn)參數(shù)值突變, 說(shuō)明沉積過(guò)程中水動(dòng)力能量由強(qiáng)而弱、水深加大, 物源供給逐漸減少; 漏斗型曲線反映粒度由下而上逐漸變粗, 屬逆粒序結(jié)構(gòu)、進(jìn)積型沉積序列, 曲線頂部往往出現(xiàn)參數(shù)值突變, 說(shuō)明沉積過(guò)程中水動(dòng)力能量由弱而強(qiáng)、水深變淺, 物源供給逐漸增多; 箱型曲線反映粒度由下而上變化不大, 屬均質(zhì)粒序結(jié)構(gòu)、加積型沉積序列,曲線頂?shù)捉缇霈F(xiàn)參數(shù)值突變, 說(shuō)明沉積過(guò)程中水動(dòng)力能量穩(wěn)定、物源補(bǔ)給較豐富; 平直型曲線幅值整體偏低, 曲線平直, 偶爾出現(xiàn)小峰, 反映粒度整體偏細(xì)且土質(zhì)均勻, 屬均質(zhì)粒序結(jié)構(gòu), 說(shuō)明沉積過(guò)程處于低能量環(huán)境且物源供給條件差; 齒型曲線反映粒度由下而上呈韻律性變化, 說(shuō)明其沉積過(guò)程中水動(dòng)力條件頻繁交替變化。

qc曲線幅度是曲線形態(tài)的重要特征之一, 幅度的大小可以反映沉積過(guò)程中水動(dòng)力條件的強(qiáng)弱, 幅度大說(shuō)明沉積環(huán)境水動(dòng)力能量強(qiáng), 物源供給充沛,顆粒較粗, 黏粒含量低; 幅度小說(shuō)明沉積過(guò)程中水動(dòng)力能量低, 物源供給不足, 顆粒較細(xì), 黏粒含量高。幅度可以采用砂土的 qc峰值與黏性土基線qc值的差值(△)表示, 根據(jù)萊州灣地區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù), 按差值大小分為低幅(△＜5 MPa)、中幅(5＜△＜15)和高幅(△＞15)。

②摩阻比曲線形態(tài)

Rf曲線基本形態(tài)與 qc曲線相似。鐘型曲線反映黏粒含量由下而上逐漸增高, 粒度自下而上逐漸變粗; 漏斗型曲線反映黏粒含量由下而上逐漸減小,粒度自下而上逐漸變細(xì); 箱型曲線為黏性土特征曲線, 幅值較高; 平直型曲線為均質(zhì)砂土特征曲線,幅值偏低, 曲線平直齒型曲線反映土的粒度呈韻律性變化。

(2)不同沉積相的靜探曲線形態(tài)特征

巖相分析對(duì)于層序地層研究至關(guān)重要, 因?yàn)樗鼧?gòu)成了古環(huán)境重建的基礎(chǔ), 有助于識(shí)別地層界線和體系域, 不同沉積環(huán)境具有不同的水動(dòng)力特征, 在沉積物粒度、黏粒含量等方面存在差異。通過(guò)靜探曲線與鉆孔巖芯資料對(duì)比分析可以進(jìn)行沉積相鑒別(表2)。

表2 不同沉積相靜探曲線要素特征表Table 2 Features of static cone penetration curve of different sedimentary facies

①河流相

研究區(qū)河流相主要包括河道帶、河漫灘和決口扇亞相, 末次冰盛期以來(lái)河道帶巖性涉及粉砂-礫砂各種粒級(jí)的砂, 一般表現(xiàn)為粒度向上變細(xì), 底部多發(fā)育沖刷面; 中、厚層河道帶砂 qc曲線一般為中、高幅鐘型或箱型, Rf曲線為平直型(圖6a, b), 薄層河道帶砂的 qc曲線、Rf曲線常表現(xiàn)為齒型(圖6c)。河漫灘亞相巖性通常為黏性土和粉土, 總體上粒度向上變細(xì), qc曲線常為中、低幅齒化平直型, 幅度由下而上漸小, Rf曲線常為齒化箱型(圖6c, d)。決口扇亞相巖性主要為粉土、黏性土, 粒度向上變粗, qc曲線為中、高幅齒化漏斗型, Rf曲線為齒化鐘型(圖 6d)。

②三角洲相

研究區(qū)三角洲前緣亞相為大型席狀砂體, 巖性以粉砂、粉土為主, qc曲線形態(tài)通常為中、高幅鐘型、漏斗型和箱型, 箱型曲線常與鐘型、漏斗型曲線構(gòu)成組合曲線; Rf曲線一般為平直型(圖7a, b)。

三角洲平原亞相巖性較復(fù)雜, qc曲線一般呈低、中幅齒型, 與其下的三角洲前緣砂體曲線呈突變或漸變性接觸; Rf曲線以齒化鐘型、漏斗型常見(圖6d, 圖7b)。

圖6 河流相沉積靜探曲線典型鉆孔剖面Fig. 6 Typical borehole profile for static sounding curve of fluvial facies deposit

圖7 三角洲前緣亞相靜探曲線典型鉆孔剖面Fig. 7 Typical borehole profile for static sounding curve of delta front subfacies

潮坪亞相沉積較三角洲前緣亞相粒度更細(xì), 多為細(xì)粒砂土(粉土、粉砂)與黏性土互層沉積, 其中砂土形成于大潮期, 黏性土則形成于小潮期(李鐵松和李從先, 1995)。潮坪沉積qc曲線一般為低、中幅齒型, 反映出潮汐環(huán)境中水動(dòng)力條件頻繁交替變化的特點(diǎn), 根據(jù)沉積序列的幅值變化可劃分為正粒序齒型、逆粒序齒型, 分別對(duì)應(yīng)海進(jìn)和海退序列(圖8a, b)。Rf曲線以齒化箱型、齒型常見, 說(shuō)明潮坪沉積黏粒含量較高。

③濱海湖沼相

研究區(qū)濱海湖沼相一般由灰色調(diào)軟黏性土組成,qc曲線為低幅平直型曲線, 局部出現(xiàn)小的齒峰, 曲線形態(tài)與河漫灘相相似, 但幅值較后者稍低; Rf曲線則為齒化箱型(圖8a)。

圖8 潮坪亞相靜探曲線典型鉆孔剖面Fig. 8 Typical borehole profile for static sounding curve of tidal flat subfacies

4.3 層序界面識(shí)別

層序界面識(shí)別是層序地層學(xué)研究的重要內(nèi)容之一, 也是建立層序格架的難點(diǎn), 在界面識(shí)別中單純依據(jù)某一方面的資料或某一地段的資料都不是合理有效的方法, 本文采用鉆孔巖芯與靜探試驗(yàn)資料相結(jié)合的方法判別層序界面。

(1)層序底界面(SB)

末次冰盛期(MIS2)全球氣溫降低, 海水退出渤海, 海平面下降約130 m, 整個(gè)渤海陸架變?yōu)殛懙?李培英等, 2008), 其間萊州灣地區(qū)古地貌類型為向渤海盆地緩傾的泛濫平原地貌, 地形坡度變化小,第Ⅱ海侵層(MIS3a)砂體地表裸露, 受末次冰盛期古風(fēng)暴的強(qiáng)烈吹蝕, 第Ⅱ海侵層砂體上部大部被侵蝕,形成沉積間斷面, 該間斷面為末次冰盛期的泛濫平原面, 在空間上具有可追索性, 總體上由南往北埋深逐漸增大, 構(gòu)成冰后期三角洲的層序底界面, 該界面在鉆孔巖芯和靜探參數(shù)曲線上均有所體現(xiàn)。

在鉆孔巖芯上, 第Ⅱ海侵層的三角洲前緣砂普遍呈氧化色, 顯示曾出露或接近地表; 頂部常見針狀大孔隙、鈣質(zhì)結(jié)核及網(wǎng)紋狀鐵質(zhì)銹染, 應(yīng)為古土壤層, 可作為末次冰盛期沉積間斷面的判斷標(biāo)志。以GK231孔為例, 該界面以上為還原色且含腐植質(zhì)的粉質(zhì)黏土,14C年齡(5390±30) a B.P., 界面以下為氧化色且含海相貝殼碎片的粉砂,14C年齡(40 930±620) a B.P., 說(shuō)明在第Ⅱ海侵層與全新世中期濱海湖沼相沉積間存在沉積間斷(圖9)。

圖9 萊州灣沿岸冰后期三角洲層序界面典型鉆孔對(duì)比剖面Fig. 9 Typical borehole correlation profile of delta sequence boundary along Laizhou Bay in post glacial period

在靜力觸探參數(shù)方面, 由于層序底界面上、下出現(xiàn)沉積環(huán)境突變, 巖性變化使得靜探曲線形態(tài)、參數(shù)值大小出現(xiàn)突變。界面以上濱海湖沼、河漫灘相沉積, 巖性以黏性土為主, qc曲線一般為低幅平直型形態(tài), Rf曲線一般為齒化箱型或齒化鐘型形態(tài);界面以下第Ⅱ海侵層三角洲前緣相砂體 qc曲線一般為中、高幅鐘型或箱型形態(tài), Rf曲線一般為低幅平直型形態(tài), 顯示為海進(jìn)型三角洲前緣砂, 上覆的海退型三角洲砂體在沉積間斷期被侵蝕。

(2)初始海泛面(FFS)

距今8.0 ka開始, 海水抵達(dá)萊州灣現(xiàn)今海岸線位置并向陸地持續(xù)推進(jìn), 首先在高潮位附近形成濱海湖沼相沉積, 其后很快被三角洲前緣相或潮坪相砂層覆蓋(徐建國(guó)等, 2018), 在海侵砂與濱海湖沼相沉積間存在海侵沖刷面, 該界面即為初始海泛面,是低水位體系域和海侵體系域的分界面。初始海泛面在鉆孔巖芯上特征明顯, 界面以下為濱海湖沼相暗色調(diào)黏性土沉積, 常見淡水螺殼和植物腐根; 界面以上為含海相貝殼的三角洲前緣或潮坪沉積, 界面處可見圓礫、姜石狀礫石及牡蠣殼碎片。

初始海泛面在靜探參數(shù)上往往表現(xiàn)為曲線形態(tài)的改變和參數(shù)值大小的突變。界面以下以黏性土為主的濱海湖沼相、泛濫平原相沉積的qc曲線形態(tài)通常為低幅平直型, Rf曲線形態(tài)一般為齒化箱型或齒化鐘型。界面以上三角洲前緣砂性土沉積的qc曲線形態(tài)一般為中、高幅鐘型、箱型, Rf曲線形態(tài)一般平直型; 界面以上潮坪沉積的 qc曲線形態(tài)一般為中、低幅齒型, Rf曲線形態(tài)一般為齒型。

初始海泛面具有穿時(shí)性。圖10是利用近年萊州灣地區(qū)全新統(tǒng)14C測(cè)年數(shù)據(jù)繪制的冰后期三角洲主體區(qū)沉積物年齡與高程關(guān)系圖, 顯示在濱海湖沼和三角洲前緣沉積間存在分界線(初始海泛面), 其形成時(shí)間為距今8.0 ～ 5.0 ka, 由老到新高程由–16 m增加到4 m,反映出隨著海岸線向陸地推進(jìn), 濱海湖沼沉積環(huán)境不斷向陸地方向遷移, 初始海泛面標(biāo)高也隨之增加。

圖10 萊州灣沿岸冰后期三角洲主體區(qū)沉積年齡-高程關(guān)系圖Fig. 10 Relationship between sedimentary age and elevation in the main area of Laizhou Bay coastal delta in post glacial period

(3)最大海泛面(MFS)

距今6.0～4.0 ka為冰后期海平面高位穩(wěn)定期(王強(qiáng)等, 1986), 是整個(gè)海侵過(guò)程中水深最大、沉積速率最低、沉積物顆粒最細(xì)的階段, 該沉積層厚度不大, 其中部即為最大海泛面, 是分隔海侵體系域和高水位體系域的物理界面。

最大海泛面在鉆孔巖芯上較細(xì)的粒級(jí)和較高的黏粒含量, 雖然在三角洲前緣砂體中界面附近有時(shí)會(huì)出現(xiàn)海相貝殼碎片富集層, 但多數(shù)情況下僅通過(guò)鉆孔巖芯確定界面位置難度較大, 而配合靜探參數(shù)曲線則可以顯著提高最大海泛面識(shí)別的準(zhǔn)確性。

隨著冰后期海岸線的進(jìn)退, 水深經(jīng)歷了“淺—深—淺”的變化過(guò)程, 沉積物粒度相應(yīng)地發(fā)生了“粗—細(xì)—粗”的變化, 最大海泛面是正粒序結(jié)構(gòu)向逆粒序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的分界面, 在靜探參數(shù)曲線上特征明顯。qc曲線自下而上由鐘型(或齒化鐘型)、箱型(或齒化箱型)向漏斗型(或齒化漏斗型)轉(zhuǎn)換, 轉(zhuǎn)換界面附近表現(xiàn)為較低的qc值和較高的Rf值(圖7, 圖8),該界面即為最大海泛面。

4.4 體系域的確定

(1)低水位體系域(LST)

末次冰盛期至冰后期早期(距今23 ～ 8 ka), 是海平面持續(xù)低位—快速上升階段, 其間海水尚未抵達(dá)萊州灣現(xiàn)代海岸線位置, 研究區(qū)處于陸相沉積環(huán)境, 該階段的河流相、湖沼相沉積構(gòu)成冰后期三角洲低水位體系域, 上、下界面分別為初始海泛面和冰后期三角洲層序底界面。

低水位體系域沉積物組成及厚度隨古地形起伏而變化, 研究區(qū)東部的魯東隆起區(qū), 由于古地形較高, 沉積物可容空間較小, 以侵蝕或過(guò)路沉積為主,一般僅保留薄層濱海湖沼相沉積或沉積物完全缺失(圖 11); 西部的濟(jì)陽(yáng)坳陷區(qū)由于古地形保持在相對(duì)較低位, 沉積物可容空間相對(duì)較大, 沉積厚度相對(duì)較大, 一般在2～14 m。

圖11 萊州灣沿岸冰后期三角洲主體區(qū)沉積層序及年代地層剖面(2-2')Fig. 11 Sedimentary sequence and chronostratigraphic section (2-2') in the main area of Laizhou Bay coastal delta in post glacial period

在靜探參數(shù)上, 低水位體系域靜探曲線形態(tài)符合河漫灘相、湖沼相沉積特征, qc值普遍較低, 范圍值0.31～3.73 MPa, 平均值1.11 MPa(表3), 其中河漫灘相沉積中的粉土、粉砂夾層常表現(xiàn)為qc值的小峰; Rf值離散性較大, 范圍值 0.93%～11.1%, 平均值 3.14%, 其大小與黏性土含水率有關(guān), 軟土的 Rf值偏低。

表3 冰后期三角洲沉積層靜力觸探參數(shù)值統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistics of static sounding parameters of delta deposits in post glacial period

(2)海侵體系域(TST)

冰后期中期(距今 8～6 ka)為全球海平面低速上升階段, 萊州灣沿岸海陸過(guò)渡相沉積的形成標(biāo)志著該區(qū)進(jìn)入海水淹沒階段。隨著海岸線逐步向陸地遷移, 濱海湖沼相沉積和三角洲前緣、潮坪沉積也同步向陸地推進(jìn), 形成向陸域退積的海侵體系域。

從海陸過(guò)渡相相沉積的空間分布看, 其沉積標(biāo)高由–16 m左右快速升至–4 m左右, 反映出河流入海沉積物的分布隨海岸線向陸地方向推移而變化(圖 10); 從垂向粒序變化看, 該體系域無(wú)論是三角洲前緣還是潮坪沉積, 總體上都表現(xiàn)出向上細(xì)化的正粒序結(jié)構(gòu), 頂部沉積物以顆粒偏細(xì)、富含有機(jī)質(zhì)、海相貝殼含量較高為特征。

在靜探參數(shù)上, 靜探曲線形態(tài)隨沉積部位的不同而變化。三角洲主體區(qū)的三角洲前緣相qc曲線形態(tài)通常為中、高幅的鐘型、箱型或齒化鐘型、箱型,qc值一般較高, 范圍值 1.83～18.58 MPa, 平均值8.61 MPa, 呈向上減小趨勢(shì); Rf曲線形態(tài)一般為低幅平直型, Rf值普遍較低(0.47%～2.62%)。三角洲側(cè)翼區(qū)的潮坪相qc曲線形態(tài)一般為由下而上由中幅向低幅轉(zhuǎn)化的齒型, qc值一般較低, 范圍值0.8～7.55 MPa,平均值 3.81 MPa, 總體上呈向上減小趨勢(shì); Rf值亦總體較低(1.01%～2.07%), 曲線形態(tài)一般為齒型。

(3)高水位體系域(HST)

冰后期晚期(距今6 ka后)為全球海平面高位穩(wěn)定—小幅下降階段。距今6.0～4.0 ka海平面保持在3.0 m左右的高位, 為海平面高位穩(wěn)定期; 距今4.0 ka后海平面小幅下降并波動(dòng)于現(xiàn)代海平面上下(韓有松和孟廣蘭, 1984), 為海平面小幅下降期。從高位穩(wěn)定期開始河流進(jìn)積作用逐漸增強(qiáng), 形成向海域進(jìn)積的高水位體系域, 該體系域主要發(fā)育三角洲前緣、潮坪和三角洲平原三個(gè)沉積亞相。

從高水位體系域沉積物的空間分布看, 海陸過(guò)渡相沉積標(biāo)高均在–4 m以上, 平均標(biāo)高在0 m上下,相較于海侵體系域標(biāo)高變化不大, 說(shuō)明該體系域沉積體在整體三角洲區(qū)大致水平展布(圖10)。從沉積物垂向粒序變化看, 整體表現(xiàn)出向上粗化的逆粒序結(jié)構(gòu), 說(shuō)明沉積過(guò)程中水深逐漸變淺。

在靜探參數(shù)上, 靜探曲線形態(tài)隨沉積相的不同而變化。三角洲主體區(qū)的三角洲前緣相qc曲線形態(tài)一般為中、高幅漏斗型或齒化漏斗型, qc值一般較高,范圍值1.19～15.27 MPa, 平均值6.40 MPa, 呈向上增大趨勢(shì); Rf曲線形態(tài)一般為低幅平直型, Rf值普遍較低(0.56%～3.02%)。三角洲側(cè)翼區(qū)的潮坪相qc曲線形態(tài)一般為中、低幅齒型, qc值范圍值1.26 ～ 4.68 MPa,平均值 2.82 MPa, 總體上呈向上增大趨勢(shì); Rf曲線形態(tài)一般為低幅齒型, Rf范圍值1.15%～1.95%。

高水位體系域上部的三角洲平原相qc值一般較下伏的三角洲前緣相低, 其范圍值0.50 ～ 6.76 MPa,平均值2.47 MPa, 由于黏粒含量較高, 其Rf值較三角洲前緣相高, 范圍值0.84%～5.11%。

5 討論

5.1 冰后期海侵的沉積層序

盡管萊州灣海岸線彎曲度較小且沒有向海突出的形態(tài), 三角洲形態(tài)不明顯, 但近年來(lái)大量的鉆孔巖芯和微體古生物資料均表明, 區(qū)內(nèi)晚更新世以來(lái)歷次海侵中均發(fā)育河流三角洲, 其中冰后期沉積為一套完整的海侵序列, 主要由海水自淺到深的海進(jìn)序列和由深到淺的海退序列組成。由于沉積物粒序具有記錄沉積環(huán)境中水動(dòng)力條件、水體深度、沉積物物源供給能力變化的能力, 萊州灣沿岸冰后期濱海沉積物粒序所呈現(xiàn)出的“粗—細(xì)—粗”的變化規(guī)律正是海平面變化的物理表現(xiàn)(圖12)。

圖12 萊州灣沿岸三角洲典型鉆孔粒序結(jié)構(gòu)剖面Fig. 12 Grain size structure profile of typical boreholes in the coastal delta of Laizhou Bay

鑒于靜探試驗(yàn)參數(shù)值對(duì)沉積物粒度敏感性高,研究區(qū)靜探參數(shù)數(shù)據(jù)在冰后期沉積物粒序變化規(guī)律的分析中具有鉆孔巖芯無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)。以萊州灣南岸三角洲前緣砂體為例, 該砂體巖性主要為粉砂、粉土, 由下而上沉積物粒度變化不大, 巖芯編錄中對(duì)巖性變化的識(shí)別難度大, 而在較多的鉆孔中開展顆粒分析的密集采樣又面臨成本過(guò)高的問(wèn)題,利用靜探參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行沉積層序分析成效明顯。三角洲前緣砂體qc曲線多為漏斗型、鐘型曲線的組合型即“啞鈴型”曲線, 下部的鐘型曲線表現(xiàn)為向上變細(xì)的正粒序結(jié)構(gòu), 為海進(jìn)型三角洲前緣砂體(海侵體系域), 上部的漏斗型曲線則表現(xiàn)為向上變粗的逆粒序結(jié)構(gòu), 為海退型三角洲前緣砂體(高水位體系域), 漏斗型與鐘型曲線的交接部位即為最大海泛面(MFS)(圖13)。

圖13 萊州灣南岸晚第四紀(jì)地質(zhì)剖面(1-1')Fig. 13 Late Quaternary geological section (1-1') on the south bank of Laizhou Bay

與三角洲主體區(qū)的前緣相砂體不同, 三角洲側(cè)翼區(qū)潮坪相砂泥互層沉積的 qc曲線為一般為齒型,但 qc參數(shù)的垂向變化規(guī)律與三角洲主體區(qū)是同步的(圖 14), 即下部為參數(shù)值向上減小的齒型曲線,為海進(jìn)型潮坪沉積(海侵體系域), 上部為參數(shù)值向上增大的齒型曲線, 為海退型潮坪沉積(高水位體系域), 二者的交接部位即為最大海泛面。

由此可見, 靜探參數(shù)數(shù)據(jù)很好地記錄了萊州灣冰后期海侵沉積的粒序變化規(guī)律, 該地層存在“海進(jìn)—海退”的完整沉積旋回, 但在冰后期三角洲的邊緣地帶, 如圖14中的靜探孔J200、J223, 由于海侵影響滯后, 海侵層下部的海進(jìn)型沉積缺失, qc參數(shù)曲線僅保留漏斗型或似漏斗齒型曲線段。

5.2 冰后期海侵最大古水深估算

(1)估算方法

古水深確定是沉積學(xué)分析中的難點(diǎn)問(wèn)題, 目前古水深研究應(yīng)用較多的是以遺跡化石、微體古生物化石為代表的古生物學(xué)方法, 即主要依據(jù)遺跡化石、有孔蟲、介形類與水深的對(duì)應(yīng)關(guān)系, 而這一方法存在很大的不確定性, 因?yàn)閷?duì)于某些生物而言,其生存的水深空間也可以變化很大(Ekdale, 1988),因此該方法估算精度偏低。

由于最大海泛面是三角洲沉積層序的關(guān)鍵地質(zhì)界面, 也是通過(guò)靜探參數(shù)曲線和鉆孔巖芯比較容易識(shí)別的物理界面, 該界面具有近等時(shí)性, 形成于海侵高海面期, 大體相當(dāng)于高海面期海底地形面, 最大海泛面在空間形態(tài)上隨沉積部位的不同而起伏變化。以沿現(xiàn)海岸線靜探孔參數(shù)曲線編制的層序結(jié)構(gòu)剖面為例(圖 14), 高海面期三角洲軸部海底地形最高, 而三角洲側(cè)翼區(qū)海底地形相對(duì)偏低。

圖14 萊州灣海岸線層序地層結(jié)構(gòu)剖面(3-3')Fig. 14 Sequence stratigraphic structure profile (3-3') of Laizhou Bay

海侵期間高海面期水深即為最大古水深, 可以利用不同地段最大海泛面資料估算最大古水深。在估算最大古水深時(shí)除了要考慮最大海泛面標(biāo)高和形成時(shí)間外, 還需評(píng)估高海面期以來(lái)地殼沉降速律,可采用以下公式估算:

S= H－M－ν·A

式中: S—最大古水深(m);

H—高海面期海平面標(biāo)高(m);

M—最大海泛面標(biāo)高(m);

ν—冰后期地殼沉降速率(m/ka);

A—最大海泛面形成年齡(ka)。

距今6.0～4.0 ka為海平面高位穩(wěn)定期(施雅風(fēng)等,1992), 也是萊州灣冰后期三角洲最大海泛面形成期, 不同沉積部位最大海泛面形成時(shí)間略有變化,總體上由陸向海方向形成時(shí)間呈由老漸新的趨勢(shì)(圖 11); 對(duì)于不同部位最大海泛面形成時(shí)間可以充分利用研究區(qū)冰后期沉積物測(cè)年資料, 結(jié)合鉆孔地質(zhì)剖面綜合標(biāo)定。關(guān)于冰后期地殼沉降速率,在萊州灣地區(qū)通過(guò)對(duì)濱海湖沼相沉積的空間分布和年齡測(cè)試資料的對(duì)比分析, 可以對(duì)冰后期地殼沉降速度進(jìn)行估算(徐建國(guó)等, 2018)。關(guān)于冰后期最大海平面標(biāo)高, 1980年代以來(lái)有關(guān)學(xué)者通過(guò)在我國(guó)東部不同地區(qū)的研究工作都給出了高出現(xiàn)代海平面3 m左右的相似結(jié)論(王靖泰和汪品先, 1980; 韓有松等,1992; 趙希濤和王紹鴻, 1992; 李廣雪等, 2014; 田立柱等, 2016), 本次估算取3 m。

(2)估算結(jié)果

選取 8個(gè)代表性工程地質(zhì)孔-靜探孔孔組采用上式進(jìn)行最大古水深估算, 結(jié)果表明研究區(qū)冰后期高海面期古水深在0.1～6.3 m, 由陸地向海岸線方向古水深加大, 最大古水深最高值出現(xiàn)在研究區(qū)西北的濱岸鉆孔GK138孔(表4)。GK209孔位于全新世最大海侵線附近, 計(jì)算結(jié)果為該位置高海面期古水深為0.1 m, 由于最大海侵線是0 m古水深線, 說(shuō)明計(jì)算結(jié)果與全新世古地理研究成果相符, 本估算方法可靠。

表4 典型鉆孔冰后期海侵最大古水深估算表Table 4 Estimation table for maximum paleodepth of post glacial transgression in typical boreholes

由此可以判定, 冰后期海侵過(guò)程中萊州灣沿岸最大古水深不超過(guò)10 m, 較前人估計(jì)的10～20 m淺(鄭守儀等, 1978; 王紹鴻, 1979), 說(shuō)明海侵區(qū)沉積環(huán)境始終為潮坪環(huán)境, 與目前萊州灣海域沉積環(huán)境相似, 因?yàn)楝F(xiàn)狀萊州灣海域水深大部分小于10 m(中國(guó)海灣志編纂委員會(huì), 1991)。

6 結(jié)論

(1)萊州灣冰后期三角洲是多條河流共同塑造的集群三角洲, 形成于8500 a B.P.以來(lái)的海侵過(guò)程,大致以老彌河為界分為三角洲主體區(qū)和側(cè)翼區(qū)兩個(gè)沉積分區(qū), 二者沉積物巖性差異明顯。冰后期三角洲堆積體厚度 2.0～29.0 m, 垂向上分為前三角洲、三角洲前緣(潮坪)、三角洲平原三個(gè)沉積單元。

(2)綜合研究萊州灣沿岸鉆孔巖芯、微體古生物資料與靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù), 建立了冰后期三角洲地區(qū)河道帶、河漫灘、決口扇、三角洲前緣、潮坪、三角洲平原和濱海湖沼相的靜探曲線沉積相識(shí)別模式, 并將靜探參數(shù)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于冰后期三角洲沉積層序劃分, 建立了三角洲層序地層空間格架, 取得了理想的效果。

(3)萊州灣沿岸冰后期海侵開始于距今 8.5 ka,其后海平面繼續(xù)上升, 沿海低平原逐漸為海水淹沒,在距今5 ka左右海平面達(dá)高位穩(wěn)定期, 其間海侵區(qū)水深不足10 m, 屬于潮坪環(huán)境。

(4)靜力觸探試驗(yàn)用于編制巖性剖面是應(yīng)用已久的傳統(tǒng)方法, 相較于地質(zhì)鉆探, 靜力觸探參數(shù)對(duì)巖性的靈敏度較高, 施工快速高效、費(fèi)用低廉, 并且常有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)可供收集利用, 應(yīng)用于海岸帶地區(qū)晚第四紀(jì)地質(zhì)研究具有良好的前景。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (Nos. 1212011220001 and 12120114033801).