王永成, 章秉辰, 李慶康, 任利平, 許連峰, 宋 磊, 范小磊

(1.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所,河南 鄭州 450001; 2.河南省地質(zhì)研究院,河南 鄭州 450001;3.中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,河北 石家莊 050000;4.河南省地質(zhì)研究院地學(xué)科普基地,河南 鄭州 450001)

0 引言

第四紀(jì)是自然界與人類相互作用的時代,它的過去、現(xiàn)在和未來變化都與人類的生存與發(fā)展息息相關(guān)[1]。第四紀(jì)沉積物作為距離人類歷史最近的地表沉積物,它記錄的氣候變遷對人類的影響最大,與人類文明的誕生和發(fā)展關(guān)系也最為密切,因此一直備受人們的關(guān)注[2-4]。鄭州市除西南部嵩山與箕山基巖山地外,其他地區(qū)特別是鄭州主城區(qū)及周邊全部被第四紀(jì)沉積地層覆蓋。面對黃河國家戰(zhàn)略重大需求,以服務(wù)鄭州黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展核心示范區(qū)建設(shè)為導(dǎo)向,探索和研究鄭州市第四紀(jì)沉積地層三維空間分布,這對研究人類文明在黃河沿岸,特別是在鄭州周邊地區(qū)的誕生和發(fā)展關(guān)系密切,以及對現(xiàn)代城市地下空間開發(fā)利用、黃河生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展具有重要的支撐作用。

為了查明鄭州市地質(zhì)文化資源情況,助力講好黃河故事,依托“鄭州市旅游地質(zhì)與地質(zhì)文化資源調(diào)查”項(xiàng)目,采用第四紀(jì)地質(zhì)調(diào)查、第四紀(jì)地質(zhì)鉆探等技術(shù),通過39個第四紀(jì)研究鉆孔,特別是其中的10個鉆穿第四系的深部鉆孔,查明了鄭州市第四紀(jì)沉積地層三維空間分布特征,為黃河國家戰(zhàn)略背景下鄭州市的高質(zhì)量發(fā)展和講好黃河與鄭州歷史故事提供了基礎(chǔ)資料。

1 地形地貌特征

鄭州市位于黃河中下游過渡地帶(圖1),地貌上位于中國第二級地貌臺階與第三級地貌臺階的過渡區(qū)[5],地勢西南高、東北低,呈階梯式下降,由西部、西南部的構(gòu)造侵蝕中低山,逐漸下降過渡為構(gòu)造剝蝕丘陵、黃土丘陵、傾斜(崗)平原和沖積平原,形成較為完整的地貌序列[6]。其中,西部、西南部中低山分別由嵩山、箕山組成,二者呈EW向近于平行地展布在西部中間地帶和西南部邊緣,其北部和東部山前為丘陵臺地,北部為黃河和由黃土堆積而成的邙山黃土臺地,西部邙山與嵩山之間為丘間平原,廣大的東部地區(qū)為沖積平原[7]。

圖1 鄭州市第四紀(jì)鉆孔與綜合研究剖面位置Fig.1 Location of Quaternary drilling holes and comprehensive research sections in Zhengzhou

為查明鄭州市第四紀(jì)沉積地層的三維空間分布,在對鄭州市典型地貌單元進(jìn)行沉積地層巖性特征與沉積結(jié)構(gòu)對比的基礎(chǔ)上,利用鉆探技術(shù),布設(shè)施工了39個第四紀(jì)研究鉆孔(HKGA孔為其他項(xiàng)目資金施工完成的第四紀(jì)鉆孔),其中有10個為鉆穿第四系的深鉆孔(圖1)。鉆孔主要分布于鄭州市北部和東部地區(qū),以鄭州北部黃河流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展核心示范區(qū)為重點(diǎn)研究區(qū)。鉆孔分布從海拔167.57 m至83.68 m,高差超過80 m。

ZK01孔、ZK02孔和ZK03孔和HKGA孔為鄭州東部沖積平原區(qū)沉積探測鉆孔; ZK04孔位于鄭州西部丘陵間沖洪積平原區(qū); ZK05位于鄭州商城古文化遺址內(nèi); ZK09孔和ZK06孔分別位于老鴉陳斷層兩側(cè),老鴉陳斷層是鄭州市區(qū)內(nèi)分割我國黃土高原與華北平原(即我國第二與第三級地貌單元)的斷層[8],ZK09孔位于斷層西側(cè)邙山黃土塬的東部邊緣,ZK06孔位于東部沖積平原區(qū),形成代表黃土高原的第四紀(jì)風(fēng)成沉積區(qū)與代表黃淮平原的沖積平原區(qū)之間的對比孔; ZK07孔位于鄭州中部的丘陵、平原過渡地帶; ZK08孔位于鄭州南部黃土丘陵臺地邊緣。

10個鉆孔構(gòu)成3條綜合研究剖面(圖1),3條剖面包含的鉆孔覆蓋了鄭州市大多數(shù)第四紀(jì)沉積物覆蓋較厚的地貌類型,可以代表區(qū)內(nèi)第四紀(jì)沉積地層的發(fā)育情況。

2 第四紀(jì)沉積地層三維空間分布特征

2.1 黃河南岸邙山黃土塬—東部沖積平原AA′剖面

自邙山腳下沿黃河南岸穿越至東部沖積平原區(qū),自西向東施工了4個鉛孔依次為ZK09、ZK06、ZK01和ZK03,4個鉆孔的第四系沉積厚度分別為128 m、165 m、220.8 m和208.5 m,沉積厚度基本呈逐漸增加的趨勢,ZK01孔第四系埋深較ZK03孔更深,可能與新近紀(jì)末期古地形的起伏有關(guān)(圖2)。從整個鉆孔沉積地層結(jié)構(gòu)看,4個鉆孔存在明顯的空間分異規(guī)律。

圖2 黃河南岸邙山黃土塬—東部沖積平原AA′剖面Fig.2 AA′ section of Mangshan Loess Plateau to eastern alluvial plain on the south bank of Yellow River

(1)早更新世。該階段第四系沉積厚度最大。從巖性上看,ZK09孔表現(xiàn)出淺棕色、棕色粉砂質(zhì)黏土、黏土質(zhì)粉砂與灰黃色細(xì)砂、中砂交替沉積的特征,夾灰白色鈣質(zhì)結(jié)核。ZK06孔主要以棕紅色粉砂質(zhì)黏土夾灰白色鈣質(zhì)結(jié)核、灰綠色浸染以及灰黃色粉砂、細(xì)砂為主,遇鉆厚度為74～79 m 處沉積灰黃色細(xì)砂,112～120 m處沉積棕紅色細(xì)砂,與ZK01孔、ZK03孔同期沉積的棕紅色細(xì)砂特征一致,可能為同期沉積的標(biāo)志性沉積特征。ZK01孔沉積顏色整體以褐色、黃褐色、棕色為主,并多見灰綠色、灰白色沉積,同時鈣質(zhì)沉積較多,沉積以粉砂質(zhì)黏土與細(xì)砂、中砂交替沉積為特征,前者比例較高,砂層中可見鈣質(zhì)膠結(jié)砂。ZK03孔以灰褐色、灰綠色、棕色、棕紅色黏土質(zhì)粉砂及粉砂質(zhì)黏土為主,部分層位多見灰白色鈣質(zhì)沉積,并在鉆遇厚度為140～145 m處見棕紅色細(xì)砂、中砂,與ZK01孔鉆遇厚度為148～150 m處棕紅色中砂沉積一致,其他層位為灰黃色、灰色中砂層中夾鈣質(zhì)膠結(jié)砂。綜合該階段剖面線上鉆孔所揭示的沉積物特征,ZK09孔所處區(qū)域早更新世早期以河流環(huán)境為主,之后轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)成沉積與河流相沉積交替出現(xiàn),與其他3個孔相同的是,鈣質(zhì)結(jié)核含量較高,說明沉積后的氣候環(huán)境狀況整體一致。而值得注意的是,該鉆孔沉積少見灰綠色浸染,說明以氧化環(huán)境為主,而其他3個孔均見灰綠色浸染,特別是ZK01孔和ZK03孔雜色沉積較多,沉積環(huán)境具有較好的一致性,而位于中間的ZK06孔則處于過渡地帶,砂質(zhì)沉積較東部兩個鉆孔少。

(2)中更新世。ZK09孔、ZK06孔和ZK01孔中更新統(tǒng)沉積厚度均為30余米,ZK09孔和ZK06孔均以灰黃色粉砂與棕色黏土為主,為風(fēng)成沉積環(huán)境,夾1～2層河流相細(xì)砂; ZK01孔中更新統(tǒng)下段(鉆遇厚度為77.3～88.3 m)為灰黃色、灰黑色中砂,可見多層棕色黏土層,厚度為0.5～3 cm,上段(鉆遇厚度為52.6～77.3 m)巖性為灰黃色、褐色、棕色黏土質(zhì)粉砂,局部見粉砂夾層,較薄,并見少量不規(guī)則鈣質(zhì)結(jié)核,巖性較西部2個孔(ZK09和ZK06)發(fā)生明顯變化,整體為河流環(huán)境; ZK02孔中更新統(tǒng)厚度達(dá)61.2 m,厚度大約是西部3個鉆孔的2倍,沉積特征表現(xiàn)為灰黃色、灰褐色、棕色黏土質(zhì)粉砂與灰黃色、褐色細(xì)砂、中砂交替沉積,部分地層見黃色浸染,河流相砂質(zhì)沉積占比高。通過沉積地層空間對比可以看出,與早更新統(tǒng)相比,中更新世ZK06孔與ZK09孔的沉積特征更為一致,而東部ZK01與ZK03孔總體上一致,但從沉積厚度與沉積特征指示的沉積相與沉積環(huán)境看,ZK03孔所處區(qū)域受古河流的影響更為強(qiáng)烈。

(3)晚更新世。ZK09孔上更新統(tǒng)為灰黃色粉砂質(zhì)黃土沉積,與邙山黃土L1記錄一致,而ZK06孔則為河流相灰色、灰棕色細(xì)砂與湖沼相深灰色粉砂沉積,為完全不同的沉積環(huán)境。ZK01孔為灰色、灰黃色細(xì)砂、中砂沉積,沉積結(jié)構(gòu)簡單,ZK03孔為青灰色中砂,雖然兩者均為河流沉積環(huán)境,均沉積了20～30 m厚的河床相細(xì)砂、中砂,但巖性特征上存在細(xì)節(jié)上的差異,所處位置的沉積過程可能并不一致,與此階段黃河開始影響本區(qū)有關(guān)。

(4)全新世。ZK09孔該階段的沉積物受人類活動的影響較大而缺失,區(qū)域上該階段的沉積厚度為1～2 m,仍然為黃土沉積,土壤化程度較弱[9]; ZK06孔厚度達(dá)25.6 m,主要沉積為灰黃色粉砂,灰褐色、灰棕色及青灰色中砂,為河流環(huán)境; ZK01和ZK03孔沉積物巖性單一,以灰色、灰黃色細(xì)砂、中砂為主,也為河流沉積環(huán)境。

縱觀AA′剖面,第四紀(jì)早期邙山腳下以河流環(huán)境為主,早更新世晚期以來轉(zhuǎn)為以風(fēng)成沉積為主,東部沖積平原整個第四紀(jì)以河流相沉積環(huán)境為主,夾積較少的風(fēng)成沉積; 處于兩者過渡位置的ZK06孔下更新統(tǒng)—中更新統(tǒng)的沉積環(huán)境綜合反映了西部風(fēng)力作用與東部河流作用交替影響下的沉積過程。早更新世風(fēng)成沉積與河流相沉積交替變化,河流相沉積為主,中更新世則與ZK06孔的沉積環(huán)境更為相似,之后進(jìn)入晚更新世,邙山腳下表現(xiàn)為以粉砂質(zhì)黃土為主的沉積特征,東部平原則完全轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鞒练e環(huán)境,ZK06孔所處區(qū)域表現(xiàn)出異于東部和西部兩個區(qū)域的沉積特征與環(huán)境,為河湖相沉積環(huán)境,局部地層為風(fēng)成沉積。

2.2 西部丘間平原—東部沖積平原BB′剖面

BB′剖面西部起始于嵩山北麓與北部邙山之間的丘間沖積平原,這里是新生代時期的山間古湖,東部為黃河與嵩山北麓支流共同形成的沖積平原,自西北向東南依次為ZK04孔、ZK05孔、HKGA孔,其中,HKGA孔為其他項(xiàng)目資金施工完成的第四紀(jì)鉆孔。3個鉆孔第四系沉積厚度分別為97 m、91.43 m 和152.1 m。從沉積地層結(jié)構(gòu)看,3個鉆孔揭示的地層同樣具有明顯的空間分異規(guī)律(圖3)。

圖3 鄭州市中部西部丘間平原—東部沖積平原BB′剖面Fig.3 BB′ section of western hilly plain to eastern alluvial plain in Central Zhengzhou

(1)早更新世。該時期沉積均為第四紀(jì)時期沉積最厚的地層,西部早更新世早期沉積厚層的河床相砂層。ZK05孔則沉積了砂礫石層,說明在鄭州偏西部地區(qū),該時期為河流沉積環(huán)境,且水動力條件較強(qiáng),向東至航空港區(qū),海拔增加河流相沉積減少,以風(fēng)成沉積為主,顏色也由灰色、灰黃色過渡至褐色、棕紅色為主,沉積后環(huán)境由西部的弱還原環(huán)境過渡至氧化環(huán)境。早更新世晚期,自西北部的丘間平原為泛平原相沉積了粉砂質(zhì)黏土,沉積連續(xù)且穩(wěn)定,至鄭州中部商城遺址處,則發(fā)育了河床相與漫灘相沉積,水動力條件依然較強(qiáng),至航空港區(qū)以淺紅色黏土與紅色粉砂或黃色細(xì)砂互層為主的沉積特征,說明該時期的沉積環(huán)境為河流相沉積。值得注意的是,早更新世沉積以富集鈣質(zhì)結(jié)核為特征,說明當(dāng)時的水介質(zhì)作用強(qiáng)烈,氣候偏溫暖干旱。

(2)中更新世。自西北向東南方向沉積厚度逐漸增加,鄭州西部以及中部沉積棕紅色粉砂質(zhì)黏土與灰黃色粉砂、細(xì)砂交替沉積為特征,揭示了風(fēng)成沉積與河流相沉積交替變化的沉積環(huán)境,而向東至航空港以含螺殼的粉細(xì)砂、細(xì)砂為主的沉積指示了河流相環(huán)境?？傮w看,該時期西部和中部水動力條件減弱,河流相環(huán)境開始發(fā)生變化,東部則延續(xù)了早更新世的河流相環(huán)境。

(3)晚更新世。西部沉積厚度20余米的黃土,中部則為黃土沉積與河流相沉積并存,東部港區(qū)依然為以灰黃色、淺黃色細(xì)砂、粉砂為主的河流相環(huán)境。

(4)全新統(tǒng)世。西部和中部延續(xù)了Q3階段的風(fēng)成環(huán)境,沉積了灰黃色粉砂質(zhì)黃土,東部依然為沖洪積環(huán)境。

2.3 西南丘陵臺地—北東黃河灘地CC′剖面

CC′剖面西起嵩山東南部低山丘陵臺地,向北東方向至黃河南岸,縱貫鄭州市東部地區(qū),地貌類型跨越黃土丘陵臺地、沖積平原以及沖積平原上的古大湖和黃泛區(qū)等,這一區(qū)域是受河流作用的影響較大,以沖洪積沉積為主,第四系沉積最厚的區(qū)域。依次包括ZK08孔、ZK07孔、ZK03孔和ZK02孔。標(biāo)高從167 m降至83 m,第四系沉積厚度由東部ZK02)的253.1 m減少至西部ZK08的45 m(圖4)。4個鉆孔揭示的地層空間變化特征如下。

圖4 鄭州市西南丘陵臺地—北東黃河灘地CC′剖面Fig.4 CC′ section of southwest hilly platform to northeast Yellow River beach in Zhengzhou

(1)早更新世。鄰近黃河的ZK02孔沉積厚達(dá)154 m,是所有第四系鉆孔中沉積最厚的,表現(xiàn)出與ZK01和ZK03孔相似的沉積特征,以河流相細(xì)砂、中砂沉積為主,并沉積有以褐色、黃褐色、灰綠色、棕色等雜色為主的黏土質(zhì)粉砂,多見灰白色鈣質(zhì)沉積。值得注意的是,該階段ZK02孔的磁化率值整體較低,而ZK01孔和ZK03孔則存在2個最高值段,說明雖然均為河流相沉積,沉積物源可能不同。ZK07孔位于丘陵臺地向沖積平原的過渡地帶,表現(xiàn)為以棕色、棕紅色黏土、粉砂質(zhì)黏土沉積為主,顏色相對簡單,多含鈣質(zhì)結(jié)核,存在多層鈣質(zhì)膠結(jié)砂,為風(fēng)成沉積和河流相沉積交替出現(xiàn)。ZK08孔該階段早期為灰黃色、灰色粉砂、細(xì)砂,之后為褐色、棕褐色黏土質(zhì)粉砂、粉砂質(zhì)黏土沉積,沉積地層整體變化趨勢與ZK07孔一致,沉積環(huán)境由河流相轉(zhuǎn)為風(fēng)成沉積。

(2)中更新世。該時期ZK02孔的沉積巖性較Q1時期具有一定的繼承性,仍為河流相細(xì)砂、中砂沉積與灰黃色、黃褐色、灰褐色、棕色等雜色為主的黏土質(zhì)粉砂沉積,但少見鈣質(zhì)結(jié)核,說明該時期的沉積環(huán)境變化不大,但沉積后成名作用受氣候環(huán)境的影響較大。ZK01孔的巖性特征與ZK02孔基本一致,部分地層存在同期異相特征。ZK07孔以棕色、棕褐色黏土質(zhì)粉砂、粉砂沉積為主,交替沉積棕黃色、灰黃色粉砂,沉積地層特征與北部ZK03孔和ZK02孔完全不同,以風(fēng)成沉積為主,而南部海拔更高的ZK08孔以棕色、棕紅色粉砂質(zhì)黏土、黏土為主,其間沉積較薄的灰黃色黏土質(zhì)粉砂,沉積地層較為穩(wěn)定,為風(fēng)成沉積相。整體來看,自北向南、由低至高,沉積環(huán)境由河流相-河流風(fēng)成交互相-風(fēng)成相轉(zhuǎn)變,沉積厚度也越來越薄。

(3)晚更新世。ZK02孔為灰色、灰黃色細(xì)砂、中砂沉積,沉積結(jié)構(gòu)簡單,ZK03孔則為青灰色中砂,均為河流相沉積,但沉積物顏色存在差異性變化。ZK07孔在該階段早期出現(xiàn)灰色、青灰色粉砂、細(xì)砂沉積,晚期轉(zhuǎn)變?yōu)榛尹S色粉砂,由湖沼環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鞒练e環(huán)境,ZK08孔則為黃土沉積。

晚更新世以來,鄭州東部平原區(qū)受黃河沖積作用影響強(qiáng)烈,第四紀(jì)沉積物分布廣泛[10]; 東南部丘陵臺地區(qū)則主要受風(fēng)力作用影響,部分地區(qū)發(fā)育黃土,沿河流兩側(cè)多發(fā)育河流相沉積[11]。平原區(qū)以ZK02孔和ZK03孔為例,上更新統(tǒng)厚度分別為 65 m 和37.5 m,前者為河流相灰色、灰黃色細(xì)砂、中砂沉積,后者以河流相青灰色中砂為主。海拔122 m的ZK07孔,上更新統(tǒng)厚約13.7 m,早期出現(xiàn)灰色、青灰色粉砂、細(xì)砂沉積,晚期轉(zhuǎn)變?yōu)榛尹S色粉砂,由湖沼環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)楹恿鳝h(huán)境。處于丘陵臺地區(qū)的ZK08孔該時期為黃土沉積,厚度不足10 m。

(4)全新世。ZK02孔和ZK03孔均為灰色、灰黃色細(xì)砂、中砂,沉積地層特征一致,ZK07孔為灰黃色細(xì)砂,均為河流環(huán)境,ZK08孔上部為素填土,無法確定該階段的沉積巖性。

2.4 第四紀(jì)沉積地層的三維空間分布特征與規(guī)律

西北部丘陵臺地海拔較高,第四紀(jì)沉積物較薄,一般不超過100 m,沉積物以灰黃色、棕黃色黏土質(zhì)粉砂、粉砂和棕色、棕紅色粉砂質(zhì)黏土為主。丘陵平原過渡地帶,大致以WN—ES向100 m等高線為界,第四系底界均以中砂夾礫石及鈣質(zhì)膠結(jié)砂為特征,早更新世均存在棕色、棕紅色粉砂質(zhì)黏土沉積,且占據(jù)主要沉積地位,中更新世以來,北部與南部的沉積特征存在明顯的差異,前者以風(fēng)成沉積為主,后兩者則以水成沉積為主。西部丘間平原區(qū)第四系埋深約為100 m,第四系底界沉積均為含鈣質(zhì)膠結(jié)砂礫石層,近地表以風(fēng)成沉積為主,即便距離較近的地區(qū)也可能出現(xiàn)差異性的沉積變化,同期異相或同相異期特征明顯,說明該區(qū)域沉積地層受局部地形地貌的影響較大,而且構(gòu)造活動對該地區(qū)沉積過程也產(chǎn)生一定的影響。

3 結(jié)論

(1)通過鉆探和樣品測試,首次系統(tǒng)地查明了鄭州市第四紀(jì)沉積地層的三維空間分布特征與規(guī)律。

(2)取得了在東部平原區(qū)早更新世與中更新世時期普遍存在風(fēng)成沉積的實(shí)證,晚更新世時期轉(zhuǎn)為河流與湖沼相沉積,從側(cè)面證實(shí)了黃河形成于晚更新世時期。

(3)通過系統(tǒng)的深部鉆孔資料分別建立了鄭州市西部丘陵臺地、西部丘間平原、丘陵平原過渡地帶、東部沖積平原等地貌單元的標(biāo)椎地層柱。為鄭州市城市規(guī)劃與建設(shè),黃河文化在鄭州地區(qū)的繁衍特別是鄭州古都建設(shè)的古環(huán)境恢復(fù)與研究提供了重要的基礎(chǔ)資料。

(4)通過系統(tǒng)的沉積相劃分,確立了鄭州市第四紀(jì)風(fēng)成相、河流相(河床亞相、漫灘亞相)、湖沼相存在的時間、層位和范圍,為研究中華早期文明在黃河流域的誕生與發(fā)展提供了古環(huán)境與古時間依據(jù)。證實(shí)了鄭州地區(qū)第四紀(jì)時期古湖的存在,并進(jìn)一步確定出鄭州地區(qū)滎廣澤、滎澤、圃田澤形成的時間及湖泊的演化過程。

(5)位于地表的全新統(tǒng)是與人類文明進(jìn)化研究關(guān)系最為密切的研究目的層,也是最易受到近代人類干擾的層位,本次研究該層位的采取率和研究精度尚顯不足; 加強(qiáng)更新世以來的相變研究,對研究歷史時期黃河的河道變遷具有重要意義。