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华北平原上新世以来沉积了巨厚的松散沉积物，记录了重要的地质信息。由于受构造运动-气候旋回及物源变化影响（Chen Wanghe et al.，1985; Wu Chen，2001; Deng Qidong et al.，2002; Wang Qiang et al.，2003; Yang Jilong et al.，2015; Xu Qinmian et al.，2017; Huang Meng et al.，2019; Xiao Guoqiao et al.，2020），上新世沉积过程较为复杂，不同构造单元沉积相和沉积结构差异明显，主要地质界线埋深差异较大，为地层划分和区域对比、古环境演化过程重建带来诸多困难。从已有研究结果揭示的第四系界线埋深来看（图1），雄安新区东部GB014孔埋深仅为135 m（Liu Kaiming et al.，2020），而北京ZK12-2孔埋深达到465 m（Zhao Yong et al.，2013; Liu Kaiming et al.，2020），两个钻孔同在冀中坳陷，第四系界线埋深相差三百多米。沧县隆起第四系底界埋深以海河断裂为界，以南Bz2孔埋深为162 m（Yao Zhengquan et al.，2006），以北QHJ01孔埋深为240 m（Huang Meng et al.，2019）。埕宁隆起CK3孔埋深仅为176 m（Xu Qinmian et al.，2017），黄骅坳陷北部Bg10孔埋深为476 m（Yuan Guibang et al.，2014）。因此，依据单个或者几个钻孔年代结果和岩性特征难以进行区域地层划分和古环境演化过程重建，需要建立更多的第四系综合研究剖面。
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综合相关研究结果看，华北平原上新世以来沉积物研究主要存在以下情况:① 高质量深孔记录缺少，研究时空分布不均匀，山前和滨海地带揭穿第四系的钻孔研究相对较多（Cai Xiangmin et al.，2010; Zhao Hongmei et al.，2014; Wang Fu et al.，2015; Xu Qinmian et al.，2017; Li Ruijie et al.，2019; Yang Jilong et al.，2020），其他地区揭穿第四系的钻孔数量稀少，并且多数钻孔研究主要集中在晚第四纪，需要建立更多长序列的钻孔地质剖面; ② 近年来，随着磁性地层研究领域实验条件和测试技术的不断发展，在上新世不同类型沉积物的年代学研究中取得重要进展，采用以热退磁为主，交变退磁为辅的退磁方式，并利用超导磁力仪测量剩磁，成为建立长尺度地层年代框架的主要手段，提高了磁性地层年代框架精度（Deng Chenglong et al.，2006，2019; Zhu Rixiang et al.，2007; Xu Qinmian et al.，2017; Wu Bailing et al.，2018; Jiang Xingyu et al.，2020; Yang Jilong et al.，2020）; ③ 因华北平原基底构造差异性和不同构造单元沉积环境复杂性，年代地层与岩石地层划分尚未建立统一的关系，以前很多研究将归属上新世的地层划分到了第四系范围内（Wang Qiang et al.，2003; Liu Lijun et al.，2010; Zhang Zhaoyi et al.，2015），影响了地下水系统划分及水循环研究和地面沉降等地质灾害发生机理的研究（Cao Guoliang et al.，2016; Matsumoto et al.，2018; Wang Yunlong et al.，2020）。
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鉴于以上原因，本文研究了冀中坳陷东部SFQ1钻孔沉积物，建立高分辨率的磁性地层年代框架，结合华北平原不同构造单元已报道的深钻孔研究结果，初步揭示了华北平原第四系底界埋深分布特征，探讨了上新世以来沉积环境演化、区域地层结构特征及对水文地质条件的制约影响等，有助于区域构造活动厘定、地下水系统划分和国土空间规划等。
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1 区域地质概况
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从华北平原构造简图可以看出（图1），华北断坳被众多纵横交错的二级及次级断裂所切割，形成了多个隆起和坳陷，多次级构造单元凸起和凹陷相间排列，主要构造走向多为北东向和北西西。冀中坳陷西侧为太行山，以太行山山前断裂为界，东侧冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷依次分布，黄骅坳陷东南部分布有埕宁隆起和济阳坳陷。以大城-武清断裂为界，自西向东分布有徐水凹陷、廊固凹陷、容城凸起、牛驼镇凸起、武清霸县凹陷、大成凸起。
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图1 华北平原构造简图（据Xu Qinmian et al.，2017）和SFQ1及已报道钻孔位置图
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Fig.1 Sketch map showing the tectonic pattern (after Xu Qinmian et al., 2017) and the location of SFQ1 borehole and a number of reported boreholes in North China Plain
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冀中坳陷在古近纪主要为断陷时期，在凹陷区形成平均厚度约3000 m的沉积物，钻孔揭露的基岩埋深最浅为490 m，最深5900 m，凸起区存在沉积缺失，凹陷和凸起区沉积差异较大; 新近纪至第四纪主要为裂陷时期，整体处于热沉降，地层厚度差异减小，沉积厚度一般在200~900 m（Qi Jiafu et al.，2010; Mao Liguang et al.，2017）。
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2 材料与方法
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2.1 钻孔岩芯
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2.1.1 钻孔基本情况
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SFQ1孔位于河北省廊坊市胜芳镇尚家堡村（图1），钻孔坐标:39°05′54.46″N，116°41′23.11″E，孔口高程为4.32 m。采用旋转机械钻全孔取芯，岩芯管直径108 mm，终孔深度450 m，孔斜小于0.4°，取芯率96.5%，满足磁性地层研究条件。
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2.1.2 岩性特征
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SFQ1孔野外钻探施工为每2 m一个回次，钻取的岩芯，整米断开，剖成两半，按顺序排列照相，而后进行钻探编录和岩芯描述，根据沉积物颜色、沉积构造、沉积环境、沉积旋回等特征，可将钻孔分为6个沉积段:
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0~14.5 m:以灰色、棕色黏土质粉砂为主，局部有机质含量高。其中，下部14.5~10.3 m为灰色粉砂质黏土，局部粉砂含量略高，可见大量的钙核胶结; 10.3~9.5 m为深黑灰色泥炭层，有机质含量高; 9.5 m以上为棕色、棕黄色黏土质粉砂，局部有机质含量高，普遍发育锈染。
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14.5~54.0 m:以黄棕色、浅灰绿色黏土质粉砂和粉质黏土为主，局部粉细砂含量高。其中，下部54.0~52.5 m为黄棕色粉砂质黏土，多钙核、多锈染; 52.5~42.1 m为橄榄棕色、黄棕色、浅灰绿色粉砂、黏土质粉砂及粉质黏土，由下向上颗粒逐渐变细; 42.1~32.9 m为浅橄榄棕色粉细砂，顶部颗粒变细，为黏土质粉砂; 32.9~28.6 m为浅黄棕色粉质黏土，多钙核、多锈染; 28.6~14.5 m为浅橄榄棕色粉细砂和黏土质粉砂，局部黏土含量高，多锈染，少见生物碎屑。
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54.0~71.0 m:以棕色粉质黏土和橄榄棕色黏土质粉砂为主。其中，下部71.0~65.3 m为橄榄棕色黏土质粉砂，局部粉砂含量高; 上部65.3~54.0 m 为棕色粉质黏土，多锈染，少见钙核。
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71.0~197.8 m:以棕色、黑棕色、灰绿色粉质黏土、黏土质粉砂和橄榄棕色、黄棕色细砂、中细砂为主，沉积环境以泛滥平原相为主，局部钙核发育，少见生物碎屑，从下向上构成4个沉积旋回，其中，182.0~173.4 m、141.0~127.6 m、115.4~105m、87.2~82.0 m发育河流相，为细砂和中细砂。
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197.8~328.7 m:以浅棕黄色、黑棕色、灰绿色粉砂质黏土、黏土质粉砂和橄榄棕色、灰色细砂、中细砂为主，沉积环境以泛滥平原相为主，局部钙核发育，偶见生物碎屑，从下往向上构成2个沉积旋回，其中，314.8~287.0 m、254.2~247.3 m发育河流相，为细砂和中细砂，局部显水平层理，230.0~200.0 m发育浅湖相沉积。
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328.5~450.0 m:以棕色、黄棕色粉质黏土、黏土质粉砂和浅橄榄棕色细砂、中细砂为主，沉积环境以泛滥平原相和河流相为主，局部钙质胶结发育，从下向上构成3个沉积旋回，其中，450.0~444.5 m、428.0~421.3 m、382.5~374.1 m发育河流相，为细砂和中细砂，显水平层理和斜层理。
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2.2 样品采集及测试
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在SFQ1孔埋深10.0~10.2 m处采集14C样品1件，岩性为灰黑色块状黏土，测试对象为其中的有机质，实验在美国Beta实验室完成。
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在剖开的新鲜岩芯面上采集古地磁定向块状样品，最后在室内加工成2 cm×2 cm×2 cm的样品。采样的确切位置视岩芯状况而定，尽量采集钻探过程中无扰动的岩芯。样品主要在黏性土、粉质黏性土和黏土质粉砂层段采集，砂层一般不采用，样品间隔为0.2~0.5 m。每个采样点平行采集两块样品，共采集平行样品625组。
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古地磁测试在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与地质年代学实验室完成。实验采用逐步热退磁方法，按照10~50℃间隔进行退磁，从室温退至680℃。系统热退磁使用TD-48型全自动热退磁炉完成，剩磁测量在2G-755卧式低温超导磁力仪上进行。整个实验过程在零磁空间（＜300 nT）完成。
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3 结果与分析
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3.1 AMS 14C年代结果
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SFQ1孔埋深10.0~10.2 m处泥炭层有机质测得校正年龄值为7.73 ka BP，为全新世早期沉积物。
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3.2 古地磁结果
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SFQ1孔代表性样品的剩磁矢量正交投影和剩磁衰减曲线图2显示，189个样品（占30%）在150~250℃之间可退掉粘滞剩磁，热退磁样品在300~560℃区间内可获得稳定的特征剩磁方向。106个样品（占17%）的特征剩磁可保持到600~680℃，部分样品直到680℃，剩磁强度才趋于零。其余53%未能分离出特征剩磁的样品主要为磁性较弱的样品（图2）。古地磁测试结果分析采用主成分分析法（Kirschvink，1980），通过最小二乘法拟合得到每个样品的特征剩磁方向，选择的退磁步骤至少为4个连续的温度点，最大角偏差（MAD）大于15°的样品予以剔除（图3）。
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图2 华北平原冀中坳陷东部SFQ1孔代表性样品（a~l）的退磁正交矢量投影图
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Fig.2 Orthogonal vector plots of stepwise thermal demagnetizations of NRM for representative samples (a~l) from the SFQ1 borehole, east of Jizhong depression, North China Plain
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实心圆和空心圆分别代表在水平面和垂直面的投影; NRM为天然剩磁
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The solid (open) circles represent the horizontal (vertical) planes; NRM is the natural remanent magnetization
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图3 华北平原冀中坳陷东部SFQ1钻孔磁性年代结果和岩性特征
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Fig.3 Magnetostratigraphic chronology and lithological characteristics of SFQ1 borehole, east of Jizhong depression, North China Plain
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本次测试共有295个样品获得稳定的特征剩磁方向，华北平原多个钻孔的古地磁研究结果也表明，新近纪以来钻孔岩芯的产状基本水平，所测的倾角并未受到地层倾斜的影响（Cai Xiangmin et al.，2010; Liu Kaiming et al.，2020）。因此，利用上述295个样品的磁倾角建立了SFQ1孔的磁性地层序列。为了避免取样或测试过程中可能存在个别样品方向颠倒的情况，这里所定义的极性段均至少包含连续两个极性相同的样品，连续两个以上的样品出现反极性时，才可定义一次漂移或极性亚时，四个以上样品出现反极性时定义一次极性时。两个处于正负极性的点间距较大时，极性确认取其中间平均深度。
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3.3 磁性地层
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SFQ1孔的磁性地层学结果见图3，共划分出8个正极性段（N1~N8）和8个负极性段（R1~R8）。从以往的研究结来看（Cai Xiangmin et al.，2010; Yuan Guibang et al.，2014; Xu Qinmian et al.，2018; Liu Kaiming et al.，2020; Yang Jilong et al.，2020），冀中坳陷中尚未发现地层存在因较长时间的地层间断而导致极性时缺失的情况。因此，在不考虑极性时缺失的情况下，本次研究获得的极性统计结果与地磁极性年表（Hilgen et al.，2012）约5.0 Ma以来的极性序列可依次较好对应（图3）。0~71.0 m（N1）为正极性时，测定10.0~10.2 m泥炭层AMS 14C校正年龄为7.73 ka BP，说明这一段对应于布容（Brunhes）正极性时。71.0~197.8 m沉积物以负极性为主，在不考虑地层缺失的情况下，对应于松山（Matuyama）负极性时，期间两个正极性段N2和N3应分别对应贾拉米洛（Jaramillo）和奥尔都维（Olduvai）正极性亚时。167.0~328.7 m以正极性为主，可与高斯（Gauss）正极性时对应，其中，N4、N5和N6可分别与C2An.1n、C2An.2n和C2An.3n极好对应，R4和R5可与高斯正极性时中的凯纳（Kaena）和马莫斯（Mammoth）极性亚时对应。328.7~450.0 m 对应吉尔伯特（Gilbert）负极性时。由于此段古河道发育，砂层较多，部分层段存在样品缺失，没能获取古地磁数据，仅划定N7和N8两个正极性亚时，可分别与柯奇蒂（Cochiti）和努尼瓦克（Nunivak）两个正极性亚时对应，据N8段沉积速率外推，钻孔底部450.0 m处年龄约为4.74 Ma。
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SFQ1钻孔中10.0~10.2 m为泥炭层，测定其AMS 14C校正年龄为7.73 ka BP，为末次冰后期沉积物（图4）。10.2 m以下11.5~13.5 m灰色粉砂质黏土，致密，含有大量钙质结核（图4），对应区域上末次盛冰期形成的硬黏土沉积（Wang Qiang et al.，2009）。10.2~11.5 m为灰色黏土质粉砂，应是末次冰消期—冰后期早期的沉积物。综上，将11.5 m界定为全新统底界。
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按照不同阶段氧同位素期（Marine isostope stage，MIS）沉积特点，钻孔中30.0~33.2 m、52.5~55.0 m为黄棕色粉质黏土、多锈染，可见大量钙质结核（图4），依据沉积岩性和沉积物颜色，30.0~33.2 m、52.5~55.0 m沉积段对应氧同位素MIS 4和MIS 6两个阶段沉积物，33.2~52.5 m对应MIS 5阶段沉积物，MIS 5其开始年代大致相当古地磁Blake亚时，约0.128 Ma（Zhao Songlin et al.，1978），即晚更新世的开始时限，因此，将上更新统底部界限定在52.5 m。
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因此，根据上述对比方案和讨论结果，确定SFQ1孔全新统底界埋深为11.5 m，上更新统底界埋深为52.5 m，中更新统底界埋深为71.0 m（B/M界线），下更新统底界埋深为197.8 m（M/Ga界线），上上新统底界埋深在328.7 m（Ga/Gi界线），钻孔底部年龄约为4.74 Ma，进入上新统底部。
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图4 华北平原冀中坳陷东部SFQ1孔0~30 m（a）和30~60 m（b）照片
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Fig.4 Photographs of 0~30 m (a) and 30~60 m (b) of SFQ1 borehole, east of Jizhong depression, North China Plain
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4 讨论
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4.1 华北平原第四纪沉积特征及新构造运动表现
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华北平原是长期下沉的坳陷盆地，在大地构造上属华北断坳，其中包括北东向的冀中坳陷、沧县隆起、黄骅坳陷和埕宁隆起等次级构造单元。四个不同构造单元多个揭穿第四系钻孔的古地磁结果显示，不论是在坳陷区还是隆起区，存在第四系下更新统底界埋深差异较小的情况（图5），例如，冀中坳陷G01孔为183.7 m（Dai Peng et al.，2019）、PGZ05孔为181.3 m（Zhao Yong et al.，2019）、ZK18孔为192.5 m（Zhang Lei et al.，2014）、SFQ1孔为197.8 m（本文研究），沧县隆起BZ2孔为162.5 m（Yao Zhengquan et al.，2006），埕宁隆起G4孔为183.7 m、CK3孔为176.4 m（Xu Qinmian et al.，2017），黄骅坳陷G3孔为239.6 m（Yang Jilong et al.，2020）。以上现象表明第四纪初华北平原地势变得较为平坦，区域上出现相对水平的等时基准面，这对于在区域上进行第四纪地层对比划分具有一定的指导意义。
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图5 华北平原典型钻孔第四系底界埋深对比图
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Fig.5 Comparison of the lower boundary of the Quaternary sediments in North China Plain
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图6 华北平原不同构造单元钻孔联合剖面
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Fig.6 Correlation of the magnetostratigraphic frameworks obtained from different tectonic units in North China Plain
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已有研究揭示3.6~3.0 Ma期间，因青藏高原隆升扩展影响（Li Jijun et al.，2014），导致华北唐县期夷平面解体，华北地区多个钻孔对这期构造活动均有记录（Wang Sumin et al.，2001; Pan Baotian et al.，2005; Xiao Guoqiang et al.，2014）。太行山、燕山山前地带普遍存在“泥包砾”或砂砾石沉积地层（Cai Xiangmin et al.，2010; Zhao Yong et al.，2013; Dai Peng et al.，2019），亦是这期构造运动作用形成的产物。综合以上论述可以得出，第四纪初华北平原之所以变得较为平坦，主要是受3.6~3.0 Ma期间构造运动影响，致使碎屑物质增多，河流体系发育，为盆地快速充填夷平提供了物质基础。
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进入第四纪以后，由于新构造运动的继承性发展，导致不同区域第四纪沉积物厚度出现明显差异，第四纪等时面表现出波状起伏。第四纪沉积较厚的区域主要出现在新构造活动带附近，一般情况下第四系底界埋深大于250 m的钻孔，主要处于新构造活动导致的下沉带。北京平原南口-孙河断裂带ZK17孔下更新统Ga/M界线埋深为309 m，而断裂另一侧ZK18孔仅为192.5 m（Zhang Lei et al.，2014），顺义断裂带ZK12-2孔Ga/M界线埋深为465 m（Zhao Yong et al.，2013; Liu Kaiming，2020），断裂另一侧ZK12-1孔仅为232.0 m（Bai Lingyan et al.，2014）。黄骅坳陷东北段的南堡凹陷Bg10孔Ga/M界线埋深为476 m（Yuan Guibang et al.，2014），而西南段的板桥凹陷G3孔Ga/M界线埋深为239.6 m（Yang Jilong et al.，2020）。除此之外，沧县隆起北段QHJ01孔Ga/M界线埋深为240.0 m（Huang Meng et al.，2019），海河断裂以南BZ2孔Ga/M界限埋深为163 m（Yao Zhengquan et al.，2006）。值得一提的是，处于华北平原北部凹陷区的钻孔具有一个共同沉积特征，进入第四纪沉积速率明显加快，且钻孔中早更新世、中更新世湖相沉积较为发育，其沉降的主要原因可能是2.0 Ma以来张家口-蓬莱断裂活动加剧引起的构造下沉（Xu Qinmian et al，2017），同期，其他区域沉积速率并没有表现出明显增大情况。
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4.2 华北平原上新世以来含水层结构特征
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构造、气候和古地貌控制了上新世以来松散沉积物的成因类型，河流体系的发育直接决定了孔隙型地下水赋存介质的空间分布特征。从不同构造单元钻孔联合剖面图5可以看出，3.6~3.0 Ma期间，构造运动引起源区剥蚀速率增加，促使河流体系发育，沉积区颗粒由细变粗，砂层增多，在太行山、燕山山前地带和冀中坳陷、黄骅坳陷北部形成了较好的含水砂层（Zhao Yong et al.，2013; Xu Qinmian et al，2017; Dai Peng et al.，2019）。相反，隆起区和斜坡带受古地形地貌影响，含水砂层相对不发育，地下水赋存条件变差。以上沉积特征决定了从冀中坳陷经沧县隆起至黄骅坳陷，上新世至第四纪开始深层地下水含水层发育空间上存在不连续性（图6），从太行山补给的地下水，自西向东径流过程中，在冀中坳陷和沧县隆起过渡带，出现水平径流受阻，垂向径流加强的现象（Cao Guoliang et al.，2016; Matsumoto et al.，2018）。第四纪初始华北平原变得较为平坦，古河道空间延展性增大，自山前至平原地带，含水层发育且连续性增强，地下水以水平径流为主。
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5 结论
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（1）详细的古地磁研究建立了冀中坳陷东部SFQ1钻孔磁性地层年代框架，全新统底界埋深为11.5 m，上更新统底界埋深为52.5 m，中更新统底界埋深为71.0 m，下更新统底界埋深为197.8 m，上上新统底界埋深在328.7 m，钻孔底部年龄约为4.74 Ma，进入上新统底部。
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（2）钻孔剖面研究表明3.6~3.0 Ma期间，因青藏高原隆升扩展影响，碎屑物质供给量增大，华北坳陷区被快速充填，至第四纪初华北平原地势已变得较为平坦，现今揭露的第四系界线埋深之所以表现出明显差异，主要是由于第四纪以来新构造运动继承性发展导致的。
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（3）华北平原晚上新世以来构造运动和沉积结构对水文地质条件产生制约影响，建议在华北平原水文地质调查过程中加强第四系相关研究，合理划分水文地质单元，以提高水资源评价精度。
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致谢:古地磁实验在中国科学院地质与地球物理研究所古地磁与地质年代学实验室完成，两位审稿人提出了宝贵意见，在此一并表示诚挚谢意!
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摘要
可靠的地层年代标尺对于研究华北平原晚上新世以来沉积物记录的沉积环境演化、新构造运动及古气候演化具有重要意义。本文通过测定冀中坳陷东部的SFQ1钻孔岩芯古地磁,建立高分辨率磁性地层年代框架,并探讨其地质意义。结果表明:SFQ1孔中更新统底界埋深为71.0 m(布容期B/松山期M界线),下更新统底界埋深为197.8 m(松山期M/高斯期Ga界线),上上新统底界埋深在328.7 m(高斯期Ga/吉尔伯特Gi期界线),钻孔底部年龄约为4.74 Ma。不同构造单元钻孔联合剖面揭示,3.6~3.0 Ma期间受青藏高原隆升扩展影响,华北坳陷区被快速充填,至第四纪初地势已变得较为平坦,区域上出现相对水平的等时基准面,现今揭露的第四系底界埋深之所以表现出明显差异,主要是由于第四纪以来新构造运动继承性发展导致的。华北平原晚上新世以来构造运动和沉积结构对水文地质条件产生制约影响,建议在华北平原水文地质调查过程中加强第四系相关研究,以提高水资源评价精度。
Abstract
A reliable chronostratigraphic framework is crucial for better understanding the evolution history of paleoenvironment,neotectonics, and climate change in the North China Plain (NCP). In this study, we established a high-resolution chronostratigraphic framework for the SFQ1 borehole located in the east of Jizhong depression, NCP, and discussed its far-reaching geological significance. In the SFQ1 borehole, the Mid/Lower Pleistocene boundary (0.78 Ma) is placed at 71.0 m depth, the Pliocene/Pleistocene boundary (2.58 Ma) at 197.8 m depth, and the Gilbert/Gauss boundary (3.58 Ma) at 328.7 m depth. The borehole bottom is dated to around 4.74 Ma. Borehole joint sections, across different structural units revealed that the depressions in NCP were rapidly filled up and the NCP had become relatively flat at the beginning of the Quaternary, due to the tectonic uplift effect of the Tibetan Plateau during 3.6~3.0 Ma. Nevertheless, because of the inherited development of neotectonic movement, the study results revealed that the depth of the bottom of the Quaternary shows obvious differences. As the tectonic movement and sedimentary structure of the NCP had a restrictive effect on hydrogeological conditions since late Pliocene, we suggest that Quaternary research should be strengthened during hydrogeological survey in NCP to improve the accuracy of water resources evaluation.
