泥河湾盆地井儿洼剖面磁性地层学初步研究

JournalofBeijingNormalUniversity(NaturalScience)Feb.2001Vol.37No.1

泥河湾盆地井儿洼剖面磁性地层学初步研究3

邱维理1)　刘　椿2)　李容全1)

(1)北京师范大学资源与环境科学系,100875,北京;2)中国科学院地质与地球物理研究所,

100029,北京//第一作者39岁,男,副教授)

摘要　泥河湾盆地井儿洼剖面古地磁测年结果全部为正向极性,剖面顶面下3.08m处白垩质粘土层铀系不平衡法测年结果为(50600±6700)aBP,据此确定其磁性地层学时代为布容正向极性时.剖面底部未出露B/M界限,说明地层时代晚于78万aBP.依据磁性地层学特征,井儿洼剖面可与虎头梁剖面对比,并能与红崖南沟、大道坡、郝家台等剖面的上部或顶部对比,属泥河湾组Ⅲ段.井儿洼、虎头梁剖面下部的石膏沉积晚于红崖、铺路等剖面下部的石膏沉积,它们分属不同的石膏沉积旋回.井儿洼剖面出露的湖相地层记录了古湖的消亡过程,是研究泥河湾古湖晚期历史的理想场所.

关键词　泥河湾盆地;井儿洼剖面;磁性地层学;布容正向极性时分类号　P539.3

自1924年巴尔博[1]报道并命名“泥河湾层(Nihowanbeds)”以来,泥河湾盆地新的发现层

出不穷,成为中国北方第四纪研究和旧石器考古的一个重点地区.已有的研究主要集中在小渡口—泥河湾村—石匣里一带桑干河两岸及东窑子头以下壶流河两岸的古湖湖滨区,湖心区的研究相对较少.湖滨区沉积物相变大,且存在沉积间断,给地层划分与对比带来困难,也造成古环境变化信息的缺失.因此,加强古湖湖心区的研究是深化泥河湾盆地研究的一个重要方面.

井儿洼剖面位于阳原盆地东城至浮图讲一带的沉积中心范围内[2],李容全等[224]把它作为湖心区的代表性剖面,进行了易溶盐沉积的研究,并根据沉积地球化学特征所反映的古地理环境事件的一致性,将井儿洼剖面的上、下段与虎头梁雪儿沟剖面、郝家台剖面、红崖南沟剖面和铺路剖面的上、下段对比,参照哺乳动物化石及泥河湾层与三趾马红土及离石黄土的关系,各剖面上段的时代定为中更新世,下段的时代定为早更新世中晚期.但李华梅等[5]、王淑芳[6]、袁宝印等[7]以磁性地层学特征为标志,将虎头梁剖面对应于红崖南沟、洞沟、大道坡、小长梁、小渡口各剖面的上部或顶部,划归泥河湾组Ⅲ段.1997年闵隆瑞等[8]在井儿洼村取得200.6m钻孔岩心,进行了磁性地层分析,但井儿洼自然露头剖面尚无古地磁资料,因此,井儿洼剖面沉积物的时代及地层对比关系仍有待进一步确定.本文依据铀系不平衡法测年及古地磁测年结果,对井儿洼剖面的时代及其与其他剖面的对比关系进行探讨.

1　剖面概述

井儿洼剖面位于河北省阳原县浮图讲乡井儿洼村西北约750m桑干河南岸湖积台地前

3国家自然科学基金资助项目(49471067)

收稿日期:2000210212

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缘,地理坐标为40°06′33″N,114°20′15″E.该剖面出露一套主要由粘土、粉砂互层构成的湖相地层,厚54.19m,自上而下分为10层(图1),各层岩性特征如下:

⑩0.66m,红棕色粉砂,具垂直节理,黄土层;⑨3.21m,灰白色、浅灰色白垩质粘土与灰色、灰黄色细砂互层,顶部70cm为钙板层;⑧9.03m,黄色细砂、粉细砂层夹黄棕色粉砂质粘土条带,水平层理,砂层具交错纹理;⑦5.17m,黄色、黄棕色粉砂夹灰色粉砂质粘土条带,水平层理;⑥9.06m,浅灰色、灰紫色粘土、粉砂质粘土与棕黄色粉砂互层,薄水平层理,夹细砂层;⑤7.11m,灰色、浅灰色粘土、粉砂质粘土与黄色、褐色粉砂、粉细砂互层,薄水平层理;④5.10m,灰色粘土层与黄色粉砂层互层,水平纹理及层理发育,含大量石膏纹层;③4.50m,灰色、棕灰色粘土层,中部水平纹理发育,顶部钙板层厚8～11cm;②4.75m,棕黄色、灰黄色粉砂层,夹

图1　井儿洼剖面沉积特征

1.纹层;2.粘土;3.粉砂;4.砂;5.钙板层;6.黄土.

粘土质粉砂条带,水平层理,极少石膏;①5.60m,

灰色粘土与灰黄色粉砂质粘土互层,水平纹理发育,富含石膏纹层.

2　研究方法

2.1　样品的采集与制备　本次研究中为合理地确定采样间距,参考了前人的有关研究工作:

①程国良等[9]在虎头梁小水库东岸剖面37m厚的沉积层中采样14个,平均采样间距2.64m,测试结果磁极性全是正向;

②李华梅等[5]在虎头梁剖面56m厚的湖相沉积物中采样125块,平均间距0.45m,测试结果全部样品退磁后仍为正向磁化;

③王淑芳[6]在虎头梁剖面(56.1m)采样46个,平均采样间距1.22m,进行古地磁测试的结果,基本上均为正极性;

④闵隆瑞等[8]按0.40m间距对井儿洼孔岩心样品进行古地磁测试的结果,B/M界限位于孔深95.0m处.

⑤程国良等[10]根据前人所做泥河湾层不同剖面的磁性地层学数据,推算其沉积速率为40～80cm/万a,认为若以0.50m左右的间隔采样,一般不会漏掉极性亚时.

考虑到井儿洼剖面地处湖心区,其沉积速率应小于湖滨区诸剖面,确定以0.30m间距进行古地磁样品的采集,在岩性变化明显的30.79～36.29m层段按0.10m间距加密采样.井儿洼剖面出露地层累计厚度54.19m,共采古地磁样品219个.为保证样品新鲜,尽可能选择陡壁地段采样,对松散风化层采用人工挖槽的方式,揭露出保持完整层理构造的地层采样.剖面各部位采样难度不同,较松软层段在野外用直径2.05cm,高2.25cm的圆柱状样盒直接采得定向样品,较坚硬的地层则在野外采集定向块状样品,然后在室内加工制备成直径2.05cm,

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高2.25cm的圆柱状待测样品.2.2　天然剩磁(NRM)的测定　井儿洼剖面古地磁样品的测试在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁学与岩石磁学实验室完成,样品剩余磁性采用英国纽卡斯大学研制生产的小型旋转磁力仪测试,测量范围为0.1～2500mA・m-1.样品测试结果天然剩磁强度M0的最小值为0.274mA・m-1,最大值为16.819mA・m-1,在仪器正常测量范围之内,测试结果是可信的.219个样品中,仅No.56,150样品的天然剩磁倾角I0为负向,其余样品均为正向.从天然剩磁偏角D0特征看,绝大多数样品D0分布在Ⅰ,Ⅳ象限,只有No.12,33,74,77,373,188,198,206,498,520等10个样品D0分布在Ⅱ,Ⅲ象限,说明井儿洼剖面沉积样品的天然剩磁与现代地球磁场方向基本一致.

2.3　典型样品退磁及其特征分析　井儿洼剖面的样品由于纹层发育且含粉砂而较易破碎,不

适宜采用热退磁方法进行退磁,因此选择交变磁场退磁法进行退磁.根据样品天然剩磁特征,选取分布于不同层段、M0>1.0mA・m-1的样品以及天然剩磁为负向的样品共34个进行逐步退磁,所用仪器为美国SchonstedtInstrumentCompany生产的GSD21型交变退磁仪.

井儿洼剖面出露的地层保持着原始的水平层理,未经受显著的构造变动,其样品的次生剩磁组成相对简单.采用磁感应强度B为5,10,15,20,25,30,35mT的交变磁场逐步退磁后,获得的剩磁变化特征规律明显,多数样品的退磁曲线在交变磁感应强度为25和30mT时达到平衡状态(如No.150),个别样品剩磁强度呈持续下降的变化趋势(如No.370),有15个样品的剩磁强度当交变磁感应强度达到35mT时出现增大的变化特点(如No.210)(图2).所有这些现象均说明样品的次生剩磁经25和30mT的交变磁场清洗后已被消除,所获得的特征剩磁可以代表样品的原生剩磁.

图2　典型样品退磁特征变化

上图为剩磁强度变化,下图为剩磁方向变化.

2.4　特征剩磁的测定　根据典型样品逐步退磁获得的结果,确定采用强度为25和30mT的

交变磁场对剩余的全部样品进行退磁,磁清洗后样品特征剩磁的倾角I全部为正向,偏角D

也主要汇聚在Ⅰ,Ⅳ象限(图3).

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2.5　地层极性特征及时代　依据井儿洼剖面沉积物样品磁清洗后的剩磁方向特征,确定整个剖面均为正向极性(图3),具有与虎头梁剖面相似的特征.剖面顶面下3.08m处白垩质粘土

层的铀系不平衡法测年结果为(50600±6700)aBP.因此可以确定井儿洼剖面的磁性地层时代属布容正向极性时(bruhnesnormalpolaritychron).由剖面底部未出露B/M界线,据古地磁年表可知,井儿洼剖面地层年龄<78万aBP[11].与闵隆瑞等[8]对井儿洼孔岩心样品的古地磁测试结果相符.

图3　井儿洼剖面古地磁特征

3　地层对比

井儿洼剖面与虎头梁剖面相距15km,均濒

临桑干河,二者宏观沉积特征及石膏、钙板等化学沉积特征很相似.古地磁样品测试的结果,同样全部为正向磁化,属布容正向极性时,且未见B/M界线,时代均应晚于78万aBP,可以对比.它们与泥河湾其他剖面的对比关系,依据磁性地层学特征,应相当于红崖南沟、大道坡、郝家台等剖面的上部,属泥河湾组Ⅲ段(图4).一方面虎头梁、井儿洼一带位于阳原盆地沉积中心,湖相沉积总厚

度达500～600m,出露的剖面仅为其顶部,时代不应太老[12];另一方面,桑干河南岸湖相沉积地层有向北的掀斜作用,靠近桑干河的地层下陷,层

图4　泥河湾盆地代表性剖面磁性地层对比图

序变新,向南越离开桑干河,地层翘起,层序变

老[7].从湖泊演变的角度,众多的研究者也一致认为虎头梁、许家窑一带为泥河湾古湖最后的残湖区[13215],其沉积物应属泥河湾层的最上部.那么,井儿洼、虎头梁剖面下部富含石膏的沉

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积层与红崖、铺路剖面下部富含石膏的地层应分属不同的时代.王乃　等[15]曾指出泥河湾层中的石膏主要分布于4个层位:上新世红土层顶部;上新世南沟组沼泽沉积中;早更新世晚期湖相地层中;中更新世晚期湖相地层中,代表该地区晚新生代期间至少有过4次气候干燥期.与此相应,湖泊的沉积地球化学特征也应在地层中表现出旋回性特点.可以认为井儿洼剖面下段和虎头梁剖面下段的石膏沉积应属中更新世石膏沉积旋回,而红崖、铺路等剖面下部的石膏沉积,属于更早的石膏沉积旋回.

还须强调的是,虽然剖面顶部地面属于同一地形面,且剖面高度相近,但富含石膏地层在剖面中出露的位置井儿洼剖面低于虎头梁剖面,井儿洼剖面底部出现富石膏层,虎头梁剖面中下部为富石膏层,含多刺鱼(Pungitus)化石层位以下地层中未见石膏[16],说明井儿洼剖面的地层时代偏晚.另一方面,虎头梁剖面上段河流相沉积占有较大比例,与下伏湖相层呈不整合接触,说明残留古湖在虎头梁一带较早结束,而井儿洼剖面几乎没有河流相沉积,残留古湖的沉积一直延续到剖面顶部,记录了泥河湾古湖的消亡过程,因此井儿洼剖面是研究泥河湾古湖晚期历史的理想剖面.

4　结论

磁性地层学的初步研究表明,井儿洼剖面古地磁极性年代属布容正向极性时,剖面底部未见B/M界限,地层时代应晚于78万aBP;依据磁性地层学特征,井儿洼剖面可与虎头梁剖面对比,与郝家台、大道坡、红崖等剖面的上部对比;井儿洼、虎头梁剖面下部的石膏沉积属中更新世,与红崖、铺路等剖面下部的石膏不同期.井儿洼剖面记录了泥河湾古湖的消亡过程,是研究泥河湾古湖晚期历史的理想剖面.

国家地震局地质研究所铀系年代实验室王非研究员测定了样品的年代,刘杰文、叶宇、刘妍华、季文华协助进行野外及室内古地磁待测样品的采集与处理,特致谢意.

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PROFILEINNIHEWANBASIN,HEBEI,CHINA

QiuWeili1　LiuChun2　LiRongquan1

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)

(1)DepartmentofResourceandEnvironmentSciences,BeijingNormalUniversity,100875,Beijing,China;

2)InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofScience,100029,Beijing,China)

Abstract　Theresultsofpaleomagneticmeasurementsof219samplesfromanoutcropof54.19matJingπerwainNihewanbasinshownormalpolarityfeatures.U2seriesdatingofchalkyclaysampleat3.08mfromthetopoftheprofileis50600±6700aBP,whichconfirmsthatthemagnetostratigraphicdateofitisBrunhesnormalpolaritychron.AstheB/Mboundaryisnotexposedatthebottomoftheprofile,thedepositsareformedafter78×104aBPandbelongtothethirdpartofNihewangroup.Basedonmagnetostratigraphicfeatures,JingπerwaprofilecanbecorrelatedwithHutouliangprofile,andcorrelatedtotheupperpartsofHongyaNangou,Dadaopo,HaojiataiprofilesetcinNihewan.ThegypsumdepositsinthelowerpartsofJingπerwaandHutouliangareyoungerthanthoseinthelowerpartsofHongyaandPuluprofiles.Theybelongtodifferentgypsumdepositingcycles.ThelacustrinedepositexposedatJingπerwaistheyoungestpartofNihewanbedsandhasrecordedthelasthistoryofNihewanlake.

Keywords　Nihewanbasin;Jingπerwaprofile;magnetostratigraphy;Brunhesnormalpolaritychron