0 引言

古黄河三角洲位于江苏北部沿海地带，自1855 年黄河改道北归渤海以来，三角洲的陆源沉积物大量减少，原已成型的三角洲在海水动力作用的侵蚀下，岸线逐渐蚀退（王志一等，2013；Zou et al.， 2017）。其地貌组成单元包括沂沭丘陵平原区、徐淮黄泛平原区和苏北滨海平原区 3 大区域，地形平坦，含少量冲刷浅洼地和沙脊（陆勤和陈沈良， 2011；刘建东等，2021）。区内水系基本属于淮河流域，主要河流包括灌河、古泊善后河、新沂河、中山河、废黄河，并流入黄海。地面物质组成多为粉砂质黏土和粉砂（任美锷等，1994；刘忠臣，2004）。区内第四纪以来长期持续沉降，但由于长江、黄河及淮河等大中型河流在不同时空条件下的叠加影响，成为海陆环境变化敏感区域，是全球海陆相互作用研究的典型地区之一（夏非和张永战，2018；姚维军，2021）。通过对沉积物的研究将揭示其沉积过程中的水动力条件及其沉积物运移趋势，可以为该区港口建设、海岸防护、环境保护等提供科学依据； 同时也可以为研究现代三角洲沉积和环境演化提供参考（陆勤和陈沈良，2011）。第四纪沉积物地球化学元素的分布、分配、聚集和迁移规律不仅可以用来研究金属矿成矿远景与成矿预测研究（杨建锋等，2022；张琪等，2022；王建等，2023），其与沉积环境、气候条件及其演化亦有很大关系（刘平贵等， 2000；赵一阳等，2002；熊应乾等，2006；李军，2007； 王国庆等，2007；刘升发等，2010）。对古黄河三角洲古黄河主河道沉积区典型 XJ01 孔沉积物地球化学特征的研究，可为其沉积环境及演化提供依据 （刘平贵等，2000；吴现帅，2016）。

1 研究钻孔简介

XJ01 钻孔位于古黄河三角洲北部之滨海县滨淮镇新岭社区西广场（图1），孔深 250 m，底部 213~250 m 揭露到上新统盐城组，为系统研究本区第四纪地质历史提供了较为完整的沉积序列。

由地表向下揭露的沉积地层分组特征如下：

全新统淤尖组（Qhy）

（1）0~0.32 m，人工堆积

（2）0.32~4.58 m，黄棕色、灰色粉砂质黏土

（3）4.58~17.51 m，灰色粉砂

（4）17.51~21. 00 m，深灰色黏土

（5）21. 00~21.10 m，深灰色砂质砾

上更新统灌南组（Qp₃x）

（6）21.10~35.30 m，黄棕色、灰色粉砂质黏土与粉砂互层

（7）35.30~53.19 m，灰色细砂、粉砂夹灰黄色黏土

（8）53.19~60.39 m，深绿灰色含粉砂黏土

（9）60.39~83.29 m，灰色粉砂、细砂

中更新统小腰庄组上段（Qp₂x）

（10）83.29~100.67 m，灰黄色粉砂质黏土

（11）100.67~106. 00 m，黄棕色细砂

（12）106. 00~130. 02 m，灰黄色粉砂质黏土夹粉砂

（13）130. 02~135.36 m，灰色中粗砂

下更新统五队镇组上段（Qp₁w）

（14）135.36~186.13 m，棕黄色黏土夹粉砂、细砂

（15）186.13~192.54 m，灰黄色中粗砂

（16）192.54~196.73 m，黄棕色含粉砂黏土与粉砂、细砂互层

1—大三角洲及界线；2—小三角洲及界线；3—冲积扇；4—滨海低地；5—低潮线与淤泥质浅滩；6—湖泊；7—贝壳堤；8—低山丘陵；9—砂；10— 1855年海岸线；11—宋代海岸线；12—范公堤；13—京杭大运河；14—钻孔及编号

上新统盐城组上段（N_1-2y²）

（17）213. 00~250. 00 m，棕色黏土夹中砂、粗砂

根据钻孔岩性特征，古地磁测试结果与相邻钻孔以及全球环境变化特征对比分析，划分了该钻孔主要地质界限，全新统/上更新统/中更新统/下更系统/上新统界限分别为 21.10 m、83.24 m、145.20 m 和213. 00 m。

2 常量元素特征

本文所做常量元素氧化物包括 SiO₂、Al₂O₃、 Fe₂O₃、FeO、MgO、K₂O、Na₂O、CaO、MnO、P₂O₅、TiO₂。样品采集自XJ01孔岩心，样重300~500 g，对样品进行简单的清理以去除泥浆及其他混染物，保证每层样品取样 1~2件，采样深度 0~250 m，共采集样品 35 组。样品在江苏地调院测试中心，采用 X 荧光光谱仪、等离子体质谱仪、原子吸收光谱仪等测定，测试误差＜1.5%。

2.1 元素相关性

常量元素的Harker图解反映各常量元素与SiO₂ 的相关性，可以较好反映沉积岩中不同矿物组分混合的结果。如图2显示 MgO、CaO、MnO、P₂O₅与 SiO₂ 呈负相关关系；Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂先随 SiO₂的增加而增加，而当 SiO₂＞60% 时，则随 SiO₂的增加而降低，表明当砂含量增加到一定程度，Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂等会相应降低；K₂O、Na₂O则先随SiO₂的增加而略微降低，近乎不变，当 SiO₂＞60% 时，则随 SiO₂的增加而增加，而当 SiO₂＞80% 时，则随 SiO₂的增加而降低。其中当 SiO₂＜60% 时，Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂先随 SiO₂的增加而增加，可能表明沉积物质来源较杂，重矿物参杂；而当 60%＜SiO₂＜80%，Al₂O₃、Fe₂O₃、TiO₂先随 SiO₂的增加而降低，K₂O、Na₂O 则随 SiO₂的增加而增加，表明随着砂含量的增加，砂质成分成熟度相应增高，可能以长英质矿物为主；而当 SiO₂＞80% 时，表明砂质成分成熟度进一步增高，可能主要以石英为主。

a—Al₂O₃-SiO₂图解；b—K₂O-SiO₂图解；c—MnO-SiO₂图解；d—FeOT-SiO₂图解；e—Na₂O-SiO₂图解；f—TiO₂-SiO₂图解；g—MgO-SiO₂图解；h— CaO-SiO₂图解；i—P₂O₅-SiO₂图解

2.2 常量元素氧化物随深度变化特征

分析数据及有关参数结果显示，在同样的气候背景下，沉积物地球化学特征与其物源、沉积环境及水动力条件的关系更密切，因此，常量元素的含量可以用来判定沉积物源和沉积环境等特征。沉积物的一些化学元素特征能反映物源区的风化程度，如蚀变作用的风化指数[CIA=Al₂O₃/（Al₂O₃+ CaO+ K₂O+Na₂O），其中氧化物均指摩尔分子数]能够度量化学风化作用的程度。风化作用过程中，斜长石首先发生分解，之后是钾长石及铁镁硅酸盐中碱质和Ca的丢失至溶液中的过程，随着K₂O的显著丢失，Al₂O₃相对富集。因此，CIA高值表明化学风化作用较强，气候为温暖、湿润，为了更加直观与全面地反应风化强度，同时利用风化系数 SiO₂/（Al₂O₃+ Fe₂O₃）与风化强度 SiO₂/（K₂O+Na₂O+CaO+MgO）这两个重要指标。

由于Al₂O₃在沉积物中的含量一般比较稳定，以其含量可校正陆源碎屑输入的变化，因此 CaO/ （MgO＋Al₂O₃）可以用来表示CaCO₃内生含量的相对高低，从而指示温度的变化。

Fe₂O₃/FeO数值的大小表示沉积物氧化强弱，再结合沉积物岩性可作为判断沉积环境的参考指标。

区内第四系沉积物中常量元素各风化指数 （CIA）随深度表现出不同的变化特征，将钻孔常量元素的风化指数（CIA）与其他指标随深度变化做出曲线（图3）。曲线显示沉积物在不同深度显示不同的特点，记录新近纪晚期以来海陆交互作用下不同阶段的环境演变特征，共分为 10 个带，自下而上描述如下：

第 10带（N_1-2y²）深度范围为 250~213 m，岩性为棕色黏土夹厚层、中厚层粉砂、细砂，此段风化指数较高，出现明显波动变化，指示气候与沉积环境的频繁变化，气候整体偏暖湿，湖泊相沉积环境，湖心带与湖岸带环境交替出现，CaCO₃内生含量的相对较少，指示较为稳定的湿润气候环境，Fe₂O₃/FeO 在该段与岩性变化较为一致，粗粒沉积物中 Fe³⁺ 含量较高，推测细粒沉积物如黏土多为湖泊相还原环境。

第 9 带（Qp₁w¹）深度范围为 213. 0~192.5 m，此段相对富集CIA指数上部较高，下部降低，整体变化幅度大，数值大小与沉积物岩性的粗细变化相一致，呈正相关。岩性为一套灰黄色黏土与灰黄色粉细砂的互层，沉积环境属泛滥平原，沼泽，显示环境变化的频繁性。Fe₂O₃/FeO数值较高，指示为泛滥平原与河流相沉积，沉积物经历较强氧化的过程。

第 8 带（Qp₁w²）深度范围为 192.50~156.65 m，此段CIA指数上部较高，下部降低，数值大小与沉积物岩性的粗细变化相反，呈负相关。192.5~186. 0 m 岩性以灰黄色粉细砂—中粗砂为主，曲流河道沉积为主。Fe₂O₃/FeO数值较低推测为常年河流，水量充沛。186. 0~175.8 m岩性为一套浅灰绿色与棕色交织（棕色为本色）黏土与粉砂互层，显示沼泽沉积特征。该段主量元素特征表明该时段沉积物源和沉积环境稳定，物源物质成分成熟度高，经过长期搬运，以石英质为主。Fe₂O₃/FeO 数值较高，推测当时沉积物经历地表暴露或极浅水环境。

第 7 带（Qp₁w³）深度范围为 156.65~135.32 m，此段CIA指数较大，但同样往深为降低趋势，显示沉积环境呈逐渐变化特征。岩性下部以棕黄色黏土为主，往上逐渐过渡为浅灰绿色黏土，指示沉积环境逐渐从泛滥平原相向沼泽相过渡，气候相对暖湿，且Fe₂O₃/FeO数值较高也符合上述沉积环境。

第 6 带（Qp₂x^1-1）深度范围为 135.32~126. 00 m，此段 CIA 指数对比全孔达到最高值，且与沉积物粒径呈正相关，岩性为一套灰绿色、浅灰色、棕黄色、灰黄色黏土夹粉细砂，沉积环境应为曲流河道、泛滥平原、沼泽相。

第 5 带（Qp₂x^1-2）深度范围为 126~106 m，此段 CIA指数相对上层显著变小，且变化大，表明温度明显降低，化学风化作用相对变弱，指示干冷气候环境。岩性为一套棕灰色、棕黄色、灰绿色、灰色、棕色黏土为主，颜色变化较频繁，黏土中见钙质结核， CaO/（MgO＋Al₂O₃）数值较高与地层中富集钙质结核相符，指示地表干湿变换频繁，沉积环境属泛滥平原，湖泊相，颜色变化大可能与水面的多次升降有关。

第 4 带（Qp₂x²）深度范围为 106. 00~83.24 m，此段 CIA 数值与岩性呈正相关变化，风化指数向上逐渐变小，岩性从下部的灰黄色粉细砂逐渐过渡为上部的棕灰色、浅灰色、灰绿色黏土，沉积环境从支流河道逐渐过渡为湖泊，CaO/（MgO＋Al₂O₃）数值达到全孔最高值，CaCO₃内生含量略高，气候或地表环境干湿变化频繁。

第 3 带（Qp₃g¹）深度范围为 83.24~53.19 m，相当于深海氧同位素MIS5，该时期区域发生大规模海侵，该孔位置地势相对较低，发育近海曲流河道，部分海侵地层可能遭受冲刷而缺失，此段 CIA 指数变化较大，与沉积物粒径呈负相关变化关系，沉积环境变化频繁。岩性主要为一套灰色黏土和粉细— 中砂互层，部分砂层含砾且可见贝壳碎片，沉积环境为三角洲前缘相沉积，向上演变为滨海相沉积。

第 2 带（Qp₃g²）深度范围为 53.19~21.10 m，相当于深海氧同位素 MIS4、MIS3、MIS2，其中 MIS3 对应时期发生海侵，此段主量元素特征总体与第 3 带类似，但变化幅度相对较小，风化指数变化依然频繁，与沉积物粒径呈负相关变化关系，指示极不稳定的气候或沉积环境，岩性为一套灰黄色为主的黏土与粉细—中砂互层，局部为深灰色黏土。沉积环境为泛滥平原相，曲流河道，滨海相以及积水低平地。

第 1 带（Qhy）深度范围为 21.1~0 m，对应深海氧同位素 MIS1，区域发生大规模海侵，相较第 2带，此段 CIA 指数明显降低，沉积物结构与成分成熟度较低，沉积速率较快。因为沉积速率快，风化指数与沉积物粒度在此处没有相关性，21.10~2.44 m主要为一套灰色、棕灰色黏土与粉砂互层，2.44~0 m 为一套棕黄色黏土，沉积环境应为海陆交互相，整体由滨岸浅海相过渡为三角洲相沉积体系。

3 微量元素特征

微量元素的迁移和富集受到元素本身的物理化学性质、当地气候和地貌等因素的限制，所以其地球化学特征对沉积盆地演化历史、沉积环境及沉积物的物质来源，具有十分重要的示踪作用。同时，微量元素也能反映沉积物物源，沉积层的微量元素种类及含量变化，可作为判断环境变化的指标之一。如 Cu、V 等与植物生长有关，含量高时表示植物繁茂的温暖潮湿环境，Sr、Ba 含量越高表示气候越寒冷（李华章，1995），B、Ga、Sr、Ba 等元素比值髙低与海陆变迁、古气候变化有着密切地联系，Rb/ Sr 比值曲线与第四纪以来气候的波动与区域性气候变化有较好的耦合性（陈骏等，1999）。

在寒冷条件下，降雨量减少，化学风化和生物地球化学作用明显减弱，水介质碱性增强，生物活动性降低，不利于物源区母岩风化分解和元素的迁移；在温暖湿润时期，雨量充沛，化学风化作用增强，一些岩石和矿物得到彻底分解，一些微量元素随着水量向低地迁移，由于黏性土对元素有一定的吸附作用，因此在温暖潮湿时期沉积物中微量元素相对增加，含量曲线多呈峰值状态。在同一时期不同的沉积环境下，必将改变微量元素含量的变化，能够为第四纪环境的变迁提供依据。

本区第四系沉积物中微量元素随深度表现出不同的变化特征，将钻孔中微量元素随深度变化做出曲线图（图4）。曲线显示沉积物在不同深度显示不同的特点，记录了第四纪以来海陆交互作用下不同阶段的环境演变特征，与主量元素特征一致，可分为类似的10个带，且每个带显示的沉积环境和沉积相也类似。

第 10 带（N_1-2y²）深度范围为 250~213 m，本段 Rb/Sr值从全孔范围来看较低，底部出现明显变化，指示气候与沉积环境的改变，气候整体偏暖湿，湖泊相沉积环境，湖心带与湖岸带环境交替出现，岩性为棕色黏土夹厚层、中厚层粉砂、细砂，Cu、V含量的相对较少，指示较为稳定的湿润气候环境，Cr、Ni 在该段与岩性变化较为一致，粗粒沉积物中大部分微量元素含量较高，推测细粒沉积物如黏土多为积水还原环境。

第 9 带（Qp₁w¹）深度范围为 213. 0~192.5 m，本段与全孔相比，Cr、Cu、Ni、V、Zn等含量相对较高，K 等含量较低。整体来看上部全元素含量较高，下部降低，整体变化幅度大，与沉积物岩性的粗细变化相一致。Rb/Sr 值相对第 10 带有小幅增高，顶部变化较大，反映气候转冷的趋势。岩性为一套灰黄色黏土与灰黄色粉细砂的互层，沉积环境属泛滥平原、沼泽，显示环境变化的频繁性。

第 8 带（Qp₁w²）深度范围为 192.50~156.65 m，本段 K、Sr 等元素呈现出上低下高的形式，而 Rb、 Cr、Cu、Pb、V、Zn等则相反，为上部较高，下部较低，变化剧烈。CaO整体较低，中部有较大增高，推测当时沉积物经历地表暴露或极浅水环境。下部岩性以灰黄色粉细砂—中粗砂为主，曲流河道沉积为主。上部岩性为一套浅灰绿色与棕色交织（棕色为本色）黏土与粉砂互层，显示沼泽沉积特征。表明该时段沉积物源和沉积环境稳定，物源物质成分成熟度高，经过长期搬运，以长英质为主。Rb/Sr值由下往上逐渐升高，变化较平缓，体现温度由冷向暖的渐次改变。

第 7 带（Qp₁w³）深度范围为 156.65~135.32 m，微量元素总体与第8带上部类似，Rb、Cr、Cu、V、Zn、 Ni 等值较高，而 K、Sr 等较低，其中 K、Ni、Zn 呈由下往上的减少趋势。Rb/Sr值较高且有轻微波动，显示了环境有变化但偏暖。岩性下部以棕黄色黏土为主，往上逐渐过渡为浅灰绿色黏土，指示沉积环境逐渐从泛滥平原相向沼泽相过渡。

第 6 带（Qp₂x^1-1）深度范围为 135.32~126. 00 m，本段 K、Sr、Ni、Zn 等含量较低且有由下往上增高趋势，而 Rb、Cr、Cu、V 则相反，与沉积物粒径变化一致。岩性为一套灰绿色、浅灰色、棕黄色、灰黄色黏土夹粉细砂，沉积环境应为曲流河道、泛滥平原、沼泽相，可能因为曲流河道的影响使得该时期沉积厚度较薄。Rb/Sr值较髙，且由下而上降低，显示气候由暖转冷。

第 5带（Qp₂x^1-2）深度范围为 126~106 m，微量元素以 K、Sr 含量由低变高，Rb、Cr、Cu、V、Ni、Zn 等由高变低为特征，且变化较剧烈。岩性为一套棕灰色、棕黄色、灰绿色、灰色、棕色黏土为主，颜色变化较频繁，黏土中见钙质结核，与 CaO 的显著增高相吻合，指示地表干湿变换频繁，沉积环境属泛滥平原，湖泊相，颜色变化大可能与水面的多次升降有关。Rb/Sr值显著变小，下部高而上部低，表明温度明显降低，结合其他元素特征，显示本时期由暖湿气候向干冷气候的转变。

第 4 带（Qp₂x²）深度范围为 106. 00~83.24 m，本段微量元素特征与上带基本呈相反态势，K、Sr含量由高变低，Rb、Cr、Cu、V、Ni、Zn 等由低变高。岩性从下部的灰黄色粉细砂逐渐过渡为上部的棕灰色、浅灰色、灰绿色黏土，沉积环境从支流河道逐渐过渡为湖泊。CaO 为全孔最高，Rb/Sr 值由低变高，显示向暖湿环境发生了一次小幅改变。

第 3 带（Qp₃g¹）深度范围为 83.24~53.19 m，微量元素总体呈富 K、Sr，贫 Rb、Cr、Cu、V、Ni、Zn 等特征。几乎所有微量元素含量在此带中都表现出较大波动性，与深海氧同位素 MIS5 相对应，该时期区内发生大规模海侵，该孔位置地势相对较低，发育近海曲流河道，部分海侵地层可能遭受冲刷而缺失，沉积环境变化频繁。岩性主要为一套灰色黏土和粉细—中砂互层，部分砂层含砾且可见贝壳碎片，沉积环境为深水河道沉积，三角洲曲流河道，向上演变为滨海相沉积。Rb/Sr值同样变化剧烈，显示了气候的剧烈变化。

第 2 带（Qp₃g²）深度范围为 53.19~21.10 m，本段微量元素处于本孔中值，变化幅度相对较小，但较频繁。与深海氧同位素 MIS4、MIS3、MIS2 相对应，中部较明显变化基本对应 MIS3 时期发生的海侵。岩性为一套灰黄色为主的黏土与粉细—中砂互层，局部为深灰色黏土，沉积环境为泛滥平原相，曲流河道，滨海相以及积水低平地。Rb/Sr值也居中且变化不大，显示本时期本区虽然经历了较复杂的沉积环境变化，但气候变化不大。

第 1 带（Qhy）深度范围为 21.10~0 m，对应深海氧同位素 MIS1，区内发生大规模海侵，上下部元素含量变化明显，下部各元素含量的显著增加体现了这一过程。岩性下部主要为一套灰色、棕灰色黏土与粉砂互层，上部为一套棕黄色黏土，沉积环境应为海陆交互相，整体由滨岸浅海相过渡为三角洲相沉积体系。Rb/Sr值整体较低，显示本时期向干冷气候的转变。

各元素及相关比值随深度的波动趋势，反映了第四纪以来气候干湿冷暖的交替变化，同时伴随着沉积相的频繁变化，这与中国东部地区区域性显著的气候环境变化特征相关，也与第四纪以来气候冰期与间冰期交替变化特征相吻合（舒强，2004；夏非和张永战，2018）。

4 结论

（1）XJ01 孔揭露地层从上至下分别为：第四纪全新统淤尖组（0~21.10 m）、上更新统灌南组 （21.10~83.24 m）、中更新统小腰庄组（83.24~145.20 m）、下更系统五队镇组（145.20~213. 00 m）、新近纪上新统盐城组（213. 00~250. 00 m）。

（2）根据常量元素和微量元素含量随深度的波动趋势，以及风化系数 CIA 和 Rb/Sr 值变化特征，将钻孔中沉积物分为 10 个带，自下而上经历了： 250. 00~213. 00 m暖湿气候；213. 00~192.50 m长期气候寒冷期；192.50~156.65 m，156.65~135.32 m 和 135.32~126. 00 m 气候环境波动很大，为冷暖交替期；126. 00~106. 00 m气候较冷期；106. 00~83.24 m气候短暂回暖期；83.24~53.19 m，53.19~21.10 m 和21.10~0 m气候变化频繁，发生了多次海侵，整体处于气候较冷期。同时，元素分带反映了古黄河三角洲第四纪以来沉积相由河湖相沉积向海陆交互作用的变化趋势。

参考文献