程天赦，楊文靜，代 鵬，張 杰，鄧曉紅，馮 杰，武軍杰，劉東明

（1.天津市地質調查研究院，天津 300191；2.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，河北 065000）

永定河是北京的母親河，其發(fā)源于山西省寧武縣管涔山，全河流經山西、內蒙古、河北、北京、天津五省市，在天津匯于海河，至塘沽注入渤海，是海河水系北系的最大河流。永定河自北京石景山三家店出山，入京津冀平原至渤海，形成多期沖洪積扇，構成了廣闊的沖洪積平原。永定河沖洪積扇（圖1），包括北京、廊坊、涿州東部及霸州北部地區(qū)。研究區(qū)位于永定河沖洪積扇與拒馬河沖洪積扇疊加部位，主要位于廊固凹陷四級構造單元內[1-2]。前人對區(qū)域及永定河沖洪積扇第四紀地層作了大量研究，蔡向民等[3-4]認為區(qū)域第四紀沉積物分布廣泛，厚度變化很大，從山前到平原由幾十米到數百米，在沉積凹陷中心最厚達一千余米；趙勇等[5]根據PGZ01鉆孔數據（圖1），大興榆垡鎮(zhèn)地區(qū)第四系底界埋深280 m，永定河沖洪積扇在第四紀之前即到達了北京平原南部；陳望和[6]根據固2（圖1）鉆孔資料將306 Ma作為第四系底界年限，固安地區(qū)第四系底界埋深400 m。

作者依據“永定河沖積平原區(qū)域地質調查”項目第四系地質標準孔固安縣東三更生村QHJ01孔地層巖性、AMS14C、光釋光（OSL）、古地磁等數據，對研究區(qū)進行了巖石地層及年代學研究，建立了第四紀地層格架，綜合測井資料進行了沉積相分析，對第四紀以來沉積環(huán)境的演化進行了初步研究，以期為永定河沖洪積平原第四紀地質、古地理演化及廊固凹陷新構造活動等研究提供基礎地質資料。

1 研究鉆孔概況

QHJ01孔（39°28′40″N，116°31′34″E），位于河北省固安縣東三更生村北約100 m（圖1），孔口標高20 m，孔深501 m，鉆探鉆具直徑110 mm，全孔取心率達90%以上。在構造學上，該鉆孔位于廊（坊）固（安）凹陷南東部位（圖1）。新生代以來，受差異性升降和錯動，冀中坳陷內形成區(qū)域性凸起與凹陷構造格局。廊固凹陷北西與大興凸起、北京凹陷相鄰，東與武清凹陷相鄰，南東與牛駝凸起相鄰，南西與容城凸起、徐水凹陷相鄰，西與新城凸起相鄰。廊固凹陷第四紀沉積物主要由永定河沖洪積扇堆積物組成，其厚度180～240 m，凹陷中心部位厚，各時期地層發(fā)育較為完整，邊緣部位薄，地層略有缺失[7]。

圖1 永定河沖積平原南部QHJ01鉆孔位置圖Fig.1 Location of borehole QHJ01 in southern alluvial plain of the Yongding River

2 QHJ01孔巖石地層特征

QHJ01孔所見沉積物主要有中細砂、粉砂、粉砂質粘土、粘土質粉砂和粘土，少量砂礫石、粗砂，鉆孔下部尚有“泥包礫”層的出現；巖心剖開后可見碳質斑點、潴育化銹斑等，顏色多變，局部夾有鈣質結核、鐵錳質結核與腹足類殼體殘片，反映沉積環(huán)境較為復雜。經對QHJ01孔每米30個點和20個點設置獲得的2條測井數據曲線對比，其形態(tài)基本無區(qū)別，自然伽馬和視電阻率曲線各自分別作鏡像曲線后對比，可見上述曲線反映的砂泥含量變化基本同步；測井曲線指示的巖性變化深度與巖性柱狀圖記述基本一致，二者深度上的個別出入差異之處，可能是儀器本身的誤差造成?；谌讕r性特征，結合上述研究手段，鉆孔自上而下可以劃分為5個層段（圖2）。

圖2 永定河沖積平原南部QHJ01鉆孔巖性柱、電阻率、自然伽馬測井曲線及沉積環(huán)境解釋圖Fig.2 The lithostratigrphic column,resistivety logging and natural gama curves as well as sedimentary environment interpretation of borehole QHJ01 in southern alluvial plain of the Yongding River

第1層段（0.0～25.5 m，全新統(tǒng)）：按顏色、巖性特征分為上、中、下3個亞層段。

上亞段（0.0～6.6 m）以淡黃色、褐黃色粉砂為主，偶見銹染，屬洪泛平原（河漫灘）沉積。

中亞段（6.6～11.8 m）上部以褐灰色粉砂為主，往下粒度變細，顏色變深，以黑灰色粘土質粉砂、粉砂質粘土為主，屬水下分流河道-水下分流間灣沉積。另外，北京市地質調查研究院在北京市南部大興區(qū)榆垡鎮(zhèn)太子務村PGZ01第四系地質標準孔相同層位發(fā)現有小個體湖沼環(huán)境的疑湖花介Limno cythere dubiosa Daday、薄殼易破碎的美星介未定種Cyprinotus sp.各1瓣與布氏土星介共生，從而證實了對這一層段水下分流間灣相的判別[5]。

下亞段（11.8～25.5 m）上部以褐黃色粘土質粉砂、粉砂質粘土為主，往下粒度變粗，以褐黃色、黃褐色粉砂為主，底部見少量銹染及磨圓狀鈣質結核，屬洪泛平原（河漫灘）沉積。

第2層段（25.5～53.5 m，上更新統(tǒng)）：據沉積物成分、粒度、顏色變化可分為2個亞段。

上亞段（25.5～44.4 m）上部為褐黃色粘土質粉砂為主，少量粉砂，粘土質粉砂中可見少量銹斑及直徑0.2～0.5 cm鈣質結核；下部為褐灰色粉砂質粘土、粘土質粉砂，偶見錳染及鈣質結核，底部鈣質結核較多，總體屬洪泛平原（河漫灘）沉積，少量積水洼地沉積。

下亞段（44.4～53.5 m）上部以褐黃色粉砂質粘土、粘土質粉砂為主，少量粉砂，偶見少量不規(guī)則狀鈣質結核；下部以棕黃色、黃棕色粘土、粘土質粉砂為主，底部為灰黃色粉砂。總體屬積水洼地、洪泛平原（河漫灘）沉積。

本層段測井曲線由下至向上總體表現為分支河道-洪泛平原（河漫灘）沉積演化，粒度逐漸變細，粘土含量逐漸增多，總體水動力逐漸減弱，氣候由暖濕轉為干冷。

第3層段（53.5～78.7 m，中更新統(tǒng)）：按顏色、巖性特征分為上下2個亞層段。

上亞段（53.5～67.8 m）頂部見少量褐黃色粘土質粉砂、粉砂質粘土，富含不規(guī)則狀鈣質結核，含少量銹斑；上部以淺黃色粉細砂為主，夾少量粘土質粉砂，含鈣質結核，個別直徑可達5.0 cm；下部以灰綠色、灰黃色中細砂為主，含少量灰黃色粘土質粉砂，粘土層中含不規(guī)則狀鈣質結核?？傮w屬河床、洪泛平原（河漫灘）沉積。

下亞段（67.8～78.7 m）以灰綠色中細砂與粉砂質粘土、粘土質粉砂不等厚互層為主，上部粘土層中富含不規(guī)則狀鈣質結核，偶見錳質結核，砂層中偶見貝殼化石碎片。總體屬水下分流河道-水下分流間灣沉積。

本層段測井曲線總體反映粘土含量較高，砂質含量較低，主河道已經偏離該孔位，總體氣候較為溫濕，水量充沛，出現水下分流間灣沉積。

第4層段（78.7～231.2 m，下更新統(tǒng)）：按顏色、巖性特征分為上、中、下3個亞層段。

上亞段（78.7～120.5 m）上部以灰黃色、灰褐色中細砂為主，含少量粘土質粉砂、粉砂，可見大量銹染，少量不規(guī)則狀鈣質結核及淡水螺類化石；下部以灰黃色、黃灰色粘土質粉砂、粉砂質粘土為主，含少量黑灰色、黑褐色粉砂質粘土、粘土，多見銹斑及化石碎片，鈣質結核較發(fā)育?？傮w屬河床、洪泛平原（河漫灘）、積水洼地沉積。

中亞段（120.5～171.5 m）為灰黃色粉砂、粘土質粉砂、粘土呈不等厚狀互層，鈣質結核較發(fā)育，局部可見銹染及錳染，砂層中可見貝殼化石碎片?？傮w屬分支流河道-河間洼地沉積。

下亞段（171.5～231.2 m）上部為灰黃色、黃棕色、灰褐色粉砂質粘土、粘土質粉砂為主，含少量黑灰色、黃灰色粉砂質粘土、粘土，粘土層中可見銹染、錳染、鈣質結核及淡水螺類化石、貝殼碎片；下部為灰黃色、黃灰色中細砂，少量粗砂，底部粗砂中可見大量磨圓狀鈣質結核?？傮w屬水下分流間灣、水下分流河道、分支流河道、洪泛平原（河漫灘）沉積。

本段測井曲線表現為河流頻繁擺動，粘土含量較少，砂質含量較多，總體上下部粒度較粗，水動力較上部稍強。

第5層段（231.2～501.0 m，上新統(tǒng)）主要為厚層狀棕紅色、黃棕色粉砂質粘土、粘土，粘土中含大量鐵錳質結核及灰綠色團塊，常見直徑1～4 cm鈣質結核，局部含中細砂、砂礫石及泥包礫。其中312.0～323.3 m為灰黃色、黃褐色中細砂，底部砂層中可見大量泥礫、砂土團塊，與下伏厚層狀粘土呈明顯的沖刷間斷。本次通過大量鉆孔對古河道古流向橫向對比，初步認為該層段砂層位置應為古永定河向南進入固安地區(qū)的開始，該層段砂層下伏沉積物屬拒馬河沖洪積扇產物。

本層段測井曲線總體反映粘土含量較高，局部砂層或砂礫石層較厚，以洪泛平原（河漫灘）沉積為主，少量辮狀水道沉積，以濕熱氣候為主，間有較小的氣候波動。

3 QHJ01孔年代地層劃分

3.1 全新統(tǒng)/上更新統(tǒng)界限確定

本次在QHJ01孔30m以淺共采集4件樣品進行AMS14C測年，樣品巖性主要為粘土、粉砂質粘土（表1）。樣品測量在北京大學加速器質譜（AMS）實驗室測定，碳十四半衰期為5 568年，BP為距1950年的年代。樹輪校正所使用曲線為IntCal13 atmospheric curve（Reimer al 2013）[8]，所用程序為OxCal v4.2.4（Bronk Ramsey（2013））。

表1 永定河沖積平原南部QHJ01孔AMS 14C測年數據表Table 1 AMS 14C dating data from borehole QHJ01 in southern alluvial plain of the Yongding River

在QHJ01孔，25.5～26.0 m為褐紅色粘土層，含鈣質結核和鐵錳質結核，為干冷氣候產物，將其視為末次盛冰期硬粘土[9-10]，與上覆砂層呈明顯沉積間斷，故以25.5 m作為上更新統(tǒng)的頂界，即全新統(tǒng)底界，與AMS14C測年結果較為一致；全新世以來，研究區(qū)氣候進入冰后期，氣候轉暖，11.8～25.5 m褐黃色、黃褐色中粘土質粉砂-粉砂質粘土為全新世早期洪泛平原（河漫灘）沉積；6.6～11.8 m含有機質，顏色明顯轉暗色，是全新世中期暖濕氣候、降水增多的標志，中全新世暖期有機質富集的地層，在整個華北平原基本皆可確認[11-13]；0.0～6.6 m有機質含量明顯減少，顏色呈黃褐色，反映了全新世晚期干涼的氣候特征（圖3）。

3.2 上更新統(tǒng)/中更新統(tǒng)界限確定

本次在QHJ01孔85 m以淺共采集2件樣品進行光釋光（OSL）測年，樣品巖性主要為粘土質粉砂（表2）。樣品測量在防災科技學院地震科學系新構造年代學實驗室測定。

表2 永定河沖積平原南部QHJ01孔光釋光（OSL）測年數據表Table 2 OSL dating data from borehole QHJ01 in southern alluvial plain of the Yongding River

在QHJ01孔，53.5～59.2 m為灰黃色、黃褐色、淺黃色粉砂質粘土、粘土質粉砂、粘土，顏色較雜，可見灰綠色斑和鐵錳質斑點，含大量直徑0.5～2.0 cm鈣質結核，該層段頂部粘土中鈣質結核直徑可達5 cm，與上覆中粗砂呈明顯沉積間斷。由于鈣質結核出現深度與天津地區(qū)鉆孔地層所見相近[14-15]，按照巖石地層學原則，將此層位作為中更新統(tǒng)頂板標志地層，即上更新統(tǒng)底界埋深53.5 m，與光釋光（OSL）測試結果較為一致（圖3）。

圖3 永定河沖積平原南部QHJ01鉆孔65 m以淺巖心照片及年代地層劃分Fig.3 Core photos above 65m depth as well as chrono stratigraphic division of Borehole QHJ01 in southern alluvial plain of the Yongding River

據現有認識，天津-蘇北濱海平原發(fā)生的3次面狀大海侵，即相當MIS5（Marine Isostope Stage，海洋同位素階段）以來的沉積[16-17]，其開始年代大致相當古地磁Blake亞時的128ka[18-19]，即晚更新世的大致開始時限。海侵的發(fā)生與孢粉學確定的暖期氣候基本相當[20-22]。這一界線下伏地層即是潴育化夾雜潛育化的“雜色”粘土，且為垂向地層中自上而下首次出現含較大鈣質結核的層位，在天津市區(qū)一般出現在60m深度上下，到沿海個別地帶因下切河谷的存在、或斷裂影響稍深些。30余年來，除了構造沉降較大的唐山-昌黎地區(qū)，這一層位已經在渤海灣西岸千余個80m深鉆孔得到證實，視為海侵之前的低水位域沉積，可以作為區(qū)域對比的標志層。

3.3 中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)底界的確定

中更新統(tǒng)和下更新統(tǒng)的底界主要通過古地磁測年及巖石地層特征進行確定。

3.3.1 古地磁取樣與實驗

本次在QHJ01孔全孔共采集350件樣品進行古地磁測年，樣品巖性主要為粘土、粉砂質粘土、粘土質粉砂等細粒沉積物，中粗砂及砂礫石層不取樣，采樣間隔1個/m-2個/m。在中國科學院地質與地球物理研究所古地磁實驗室完成測試，測試儀器均置于磁屏蔽屋內的零磁空間（＜300 nT）中，使用GSD-2型交變退磁儀，對樣品采用交變場退磁，退磁間隔依次為5 mT、7.5 mT、10 mT、12.5 mT、15 mT、20 m T、25 mT、30 mT、35 mT、40 mT、45 mT、50 mT、55 mT、60 mT、70 mT和80 mT；樣品的剩磁在2G-760U-Channel巖石超導磁力儀上測量。

3.3.2 古地磁實驗結果分析

數據處理和分析采用古地磁軟件（PMag31d40等）進行，大部分樣品的剩磁在12～15 mT下就可洗去次生粘滯剩磁分量，以后保持穩(wěn)定，并逐步趨向原點，代表了原生特征剩磁的方向。退磁結果顯示，交變退磁的樣品一般在20～50 mT磁場之間獲得穩(wěn)定的特征剩磁。測試過程中發(fā)現，強氧化條件下形成多含鈣質結核層位的樣品，測試數據質量一般不高；淡灰綠色沉積物樣品剩磁較弱，故而最終篩選出241件高質量樣品數據編繪磁傾角曲線（圖4）。

3.3.3 磁性地層柱及中更新統(tǒng)、下更新統(tǒng)底界

由圖4可見，QHJ01孔古地磁極性時轉換界線與標準極性柱[23]有很好的可比性，自上而下確定為3個極性帶，即（1）0.0～78.7 m以正極性為主的布容（Brunhes）極性帶，其間夾有幾個較薄的負極性漂移；（2）78.7～231.2 m以負極性為主的松山（Matuyama）極性帶，其中94.2～112.8 m為賈拉米洛（Jaramillo）亞時，204.0～226.0 m為奧爾都維（Olduvai）亞帶；（3）231.2～～501.0 m正極性為主的高斯（Gauss）極性帶。

圖4 永定河沖積平原南部QHJ01鉆孔電阻率測井曲線、古地磁極性柱及其與國際極性柱對比圖Fig.4 Resistivety logging curves,palaeomagnetic polarity column and its correlation to that from GSSP(2014)of Borehole QHJ01 in southern alluvial plain of the Yongding River

在QHJ01孔，78.7～231.2 m雜色粘性土較普遍，含大量灰綠色斑及銹染，含大量錳質結核和鈣質結核，與上覆地層及下伏地層均呈突變接觸，顯示明顯沉積間斷；231.2 m下伏地層主要為厚層狀棕紅色粘土，含大量灰綠色團塊及鐵錳質結核，反映其為極其濕熱氣候的產物，與其上覆地層呈明顯突變。

磁性地層所反映的極性旋回與巖石地層、生物地層所反映的沉積旋回、氣候演化較為一致。因此，取258 Ma的M/G界面、即孔深231.2 m處作為下更新統(tǒng)底界；中更新統(tǒng)底界置于0.78 Ma的B/M界線、即孔深78.7 m處，恰好也接近天然伽馬曲線反映的一個旋回的底部。

4 討論

4.1 第四紀沉積環(huán)境演化

第四紀沉積物明顯受氣候變遷的影響，區(qū)域上冰期-間冰期的冷-暖交替在本區(qū)沉積物和孢粉組合特征上都有相應的反映。

早更新世早期受基底下降活動的影響，沉積厚度較大，且厚度差異也較大，沉積相主要表現永定河河床和洪泛平原（河漫灘）的二元結構，分支河道十分發(fā)育，河道改道與擺動十分頻繁，受冰期-間冰期的氣候影響，早更新世早、晚期分支河道的規(guī)模較中期大。中更新世基底構造差異性活動減弱，沉積厚度較早更新世明顯變薄，分支河道較發(fā)育，河道改道和擺動較頻繁，沉積以永定河河床相、洪泛平原（河漫灘）為主。晚更新世永定河沖洪積扇分支河道減少，河道改道與擺動不明顯，主河道規(guī)模較大，持續(xù)時間較長，沉積以永定河河床相、洪泛平原（河漫灘）為主，局部水體較深，形成洪泛湖盆相沉積。全新世早、晚期永定河沖洪積扇沉積相以河床、洪泛平原（河漫灘）相為主，分支河道減少，規(guī)模較小，受牛駝凸起活動影響，改道與擺動較頻繁，中期受氣候轉暖影響，水量充沛，形成大面積洪泛湖盆相沉積。

4.2 永定河形成時代

對于古永定河出山口的時間及其影響范圍前人眾說紛紜。王強等[24]研究認為古永定河出山口進入北京平原的時間為晚更新世末期，吳忱在華北平原古河道研究中沿用了這一觀點[25]；袁寶印[26]等提出，泥河灣古湖、延慶-懷來古湖在0.10 Ma解體后，借助桑干河與古永定河匯合，形成以石景山為頂點，東到通州、南到大興的永定河洪積扇；蔡向民[27-31]等在北京平原區(qū)北部新5孔340.84 m處發(fā)現厚達80 m的“泥包礫”層，其磁性地層年齡為3.33～3.58 Ma，其他多個鉆孔古地磁磁性地層研究亦顯示“泥包礫”層形成在松山/高斯極性時轉換界線之下，即上新世中晚期，且以該“泥包礫”層作為永定河沖洪積扇下伏地層；趙勇等認為北京大興南部PGZ01孔280.0～365.0 m的“泥包礫”層是永定河形成之初的沉積物，則其形成年代為上新世末期。

在QHJ01孔312.0～323.3 m為灰黃色、黃褐色中細砂，底部砂層中可見大量泥礫、砂土團塊，與下伏厚層狀粘土呈明顯的沖刷間斷，本次通過大量鉆孔對古河道古流向橫向對比，初步認為該層段砂層應為古永定河向南進入固安地區(qū)的開始，該層段砂層下伏沉積物屬拒馬河沖洪積扇產物。

5 結論

（1）首次對永定河沖積平原南部QHJ01孔第四系進行巖性地層、年代地層、生物地層、磁性地層學研究，建立了廊固凹陷第四紀年代地層格架，鉆孔的年代地層界線與重要的巖性界面基本吻合。研究區(qū)第四系底界埋深231.2 m、中更新統(tǒng)底界埋深78.7 m、上更新統(tǒng)底界埋深53.5 m、全新統(tǒng)底界埋深25.5 m。

（2）古永定河自石景山三家店出山向南開始進入固安地區(qū)的年代為上新世末期，其巖石學標志為首次出現的厚層“泥包礫”層之上的含大量泥礫的砂層。

（3）第四紀以來，永定河沖洪積平原南部（固安地區(qū)）為永定河多期改道與擺動形成的泛濫沉積環(huán)境為主。