珠江三角洲是中国高速发展的重要经济区, 因受多方面因素的影响, 在其核心区域尚未完成基本的1:5万比例的区域地质调查, 这与经济社会和城镇化发展的现状极不协调。因此, 为适应经济社会和城镇化发展的需要, 2012年中国地质调查局部署了“ 广东1:5万厚街圩、小榄镇、容奇镇、太平镇幅区域地质调查” (2012— 2014年)项目。该项目总调查面积1 898 km², 其中第四系浅覆盖区面积占71%。该项目在充分利用前人地质调查研究成果资料的基础上, 采取物探、遥感综合解译、地表路线调查、钻探和钻孔第四系精细研究等方法开展工作, 并针对测区存在的重大地质问题, 设置了“ 第四系高分辨率地层、区域地层对比与古环境变迁研究” 和“ 主干断裂空间展布特征调查及其活动性研究” 2个重点研究专题。此项目的开展填补了珠江三角洲核心区中大比例尺基础地质调查工作的空白, 为区内水文地质、工程地质、环境地质、城市地质以及农业地质等专项调查提供了基础资料, 为珠三角地区日后高分辨率地层的对比研究奠定了基础。

测区位于珠江三角洲中心, 行政区划上隶属广东省佛山市、江门市、中山市、广州市南沙新区和东莞市各一部分。测区中部为三角洲平原, 东、西两侧为丘陵台地地貌, 东南侧为海域, 西部的大雁山为最高峰, 海拔307.7 m, 地势总体呈两侧高、中间低; 区内网状河道水系发育, 西有西江, 东有珠江(狮子洋段)及东江支流, 汇集后南流入海(图1)。

图 1

Fig.1

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	图 1 工作区地质略图 1.Qs; 2.Qhdw; 3.Qhdl; 4.Qpxs; 5.E1x; 6.K2dl; 7.K1bh; 8.K1b; 9.J1j; 10.Nh1d; 11.Pt2c; 12.Pt2qz; 13.Ptη gn; 14.η γ K2; 15.γ π K2; 16.λ π K2; 17.η γ J31b; 18.η γ J31b; 19.η γ T22; 20.η γ O1; 21.实测断裂; 22.隐伏断裂及编号; 23.磁化率测试钻孔及编号; 24.锆石SHRIMP U-Pb年龄(上标★为收集)Fig.1 Simplified geological map of study area

珠江三角洲为复合河控型三角洲, 第四纪沉积受水道及潮汐的共同影响, 沉积环境复杂。该地区第四纪地质工作开展多年, 各学科研究取得了丰富资料^{[1, 2, 3, 4, 5, 6]}。但是, 目前已经认识到的、在晚更新世发生的海侵沉积是一次海侵过程中的沉积相变, 还是2次海侵的沉积响应, 目前尚有争议; 特别是河口区海侵作用的识别标志、地层学特征还有待深化; 上更新统开始堆积的最早年龄、末次冰期本区是否存在沉积等问题, 亦缺乏较明晰的统一认识。珠江三角洲第四纪基底断裂众多, 如区域性的西江断裂组、白坭沙湾断裂组以及狮子洋断裂组等。这些断裂控制了三角洲的地貌形态和基底断块的形状^{[7, 8]}, 可能皆为活断裂^{[9, 10]}。测区总面积的70%多为第四系, 发育多条不同方向的断裂构造。然而, 由于第四系覆盖, 主干隐伏断裂展布位置不明。因此, 查明隐伏断裂的展布位置、规模与断裂活动特征尤为重要。

(1) 建立了珠江三角洲晚更新世、始自128 ka的海洋氧同位素5阶段(MIS5)以来的海侵层序及地层格架。30 a前在全国首次开展地层表编制^[11]时, 以大量¹⁴C测年数据为依据, 确定珠江三角洲第四系为约40 ka以来的沉积^{[1, 4]}, 即大体相当于海洋氧同位素3阶段(MIS3)中晚期^[12]开始的沉积。

本项目在应用河口地层学原理, 依据4个标准孔岩心材料的AMS¹⁴C测年和微体生物有孔虫、介形类、硅藻分析, 海相双壳类、腹足类鉴定, 沉积构造和沉积物颜色特征, 结合已报道的万顷沙GZ2孔研究成果^{[13, 14]}, 确定了末次盛冰期(LGM)河间地与古河谷区2类古地貌单元。由于处在较闭塞的地理位置, 测区下切河谷从9 ka BP(¹⁴C cal age)才开始接受泥质沉积物充填; 大约7 ka 出现最大海侵, 导致在古河间地LGM风化层之上发生海侵超覆, 随后三角洲开始形成。按照河流层序与海面变化的对应关系^[15], 下伏未见海相微体生物的完整河流旋回应对应的MIS3海侵。由于近30 a来对该段地层无法获得测年, 依据测区可能存在埋藏阶地的认识, 认为测区自上而下第2厚层富铝质红色风化层应该属于MIS4低水位域沉积, 最底部见少量海相双壳类、腹足类的富有机质河口湾沉积单元, 可能属于MIS5 晚期^[16](图2)。

图 2

Fig.2

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	图 2 研究区钻孔位置、14C年代地层、MIS分期和对比Fig.2 Comparison map of borehole locations and their 14C chronostratigraphy as well as marine isotopic stages

在对707个钻孔(选用633个、本项目施工74个)综合分析研究的基础上, 根据标志层对全部钻孔进行了沉积序列划分, 发现狮子洋水道以西存在2~3个大的沉积旋回, 系MIS5约128 ka以来的沉积; 而狮子洋水道以东存在1~2个沉积旋回, 系MIS3约40 ka以来的沉积。这一认识很好地解释了前人报道的测区地层有不同旋回的问题。

(2) 钻孔沉积物磁化率变化的沉积旋回划分结果表明, 珠江三角洲地区晚更新世沉积开始的年龄可能老于40 ka 。

在Bartington MS2高低频磁化率仪测量15个钻孔(图1)7 898个岩心样品的体积磁化率, 取每个样品3次测量的平均值编绘各孔地层体积磁化率变化曲线, 其纵向随深度变化最显著特征可以划分为2个阶段:

第Ⅰ 阶段(StageⅠ ) 为钻孔中下部地层, 磁化率值较低; 第Ⅱ 阶段(StageⅡ )为上部沉积物, 磁化率值增大(图3)。在第Ⅰ 、Ⅱ 阶段间, 大部分钻孔以一层厚度不等的杂色黏土为标志层, 系海平面下降后早期沉积遭受风化作用而形成, 此层磁化率值多为一显著低值。依据¹⁴C测年判断第Ⅰ 、Ⅱ 阶段分别为晚更新世和全新世沉积。晚更新世时期南部区域为沉积中心, 沉积厚度较大, 海水率先入侵; 而北侧的钻孔同期地层厚度相对较小, 区域地势相对稍高, 受海水入侵影响的时间较短。晚更新世沉积物的岩性和磁化率变化特征显示, 至少可以划分出4个次级沉积旋回, 反映了2次海平面升降过程。依据第1层段顶部的所有¹⁴C年龄皆大于29 ka推断, 晚更新世沉积开始的年龄不止是在40 ka前后, 可能更老。

图 3

Fig.3

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	图 3 基于钻孔沉积物磁化率变化的地层对比Fig.3 Comparison map of strata basing on the susceptibility changes of hole sediments

(3) 基本查明工作区隐伏主干断裂的规模、空间展布及其活动特征。调查结果表明, 测区内NW向、NE向隐伏断裂十分发育, 互相切割, 形成了棋盘格子式断裂构造格局, 并控制了珠江三角洲核心区的地貌形态和基底断块的形状。NW向断裂自南西至北东依次有西江断裂组、北江断裂组、白坭— 沙湾断裂带、狮子洋断裂组; NE向断裂自北西往南东依次有新会— 东莞断裂组、南沙— 东莞断裂组(图1)。

1) 西江断裂组(F₁-F₄)。西江断裂组由多条平行或大体平行的NW向断裂组成, 沿西江主河道展布, 向东南直出磨刀门; 其在测区内长约24 km, 总体走向310° ~330° , 倾向南西或北东, 倾角变化较大, 45° ~75° 不等, 单条断裂宽10~70 m不等。该断裂组最新一期活动主要表现为正断层, 形成宽2 m余厚的松散构造角砾岩; 在硅化碎裂岩中晚期发育的次级破裂面上, 上盘岩块呈阶梯状下落, 造成断裂两侧地貌强烈反差: 断裂的南西盘(下盘)为中、低山或丘陵地貌, 北东盘(上盘)则为开阔的西北江盆地, 大部分地区被20~60 m厚、年龄一般不超过70 ka的第四系覆盖, 表明断裂上盘的最新一次活动应开始于晚更新世。

2) 白坭— 沙湾断裂带(F₅-F₉)。白坭— 沙湾断裂带见于区外顺德平洲、陈村至番禺沙湾、紫坭、南村, 在测区内沿洪奇沥水道及其两侧进入伶仃洋, 基本为隐伏断裂, 总体走向310° ~340° , 以南西向为主, 倾角30° ~80° 不等, 晚中生代以来至少经历过3次较强烈的活动: 第一期表现为张性或张扭性, 产生的构造岩大都受到强烈硅化或其他的热液蚀变; 第二期活动发生于古近纪红层沉积之后, 为扭性或压扭性; 第三期活动可能发生于距今10~20 ka之间, 表现为高角度正断层, 以断块重力调整为主。至今, 该断裂仍有一定程度的活动性。测区历史上的多次破坏性地震, 包括1683年10月10日的南海5级地震、1824年8月14日的番禺5级地震, 以及1997年6月26日三水市南边镇M_L=4.4级地震的发生, 均有可能是该断裂的活动所引起^[3]。

3) 狮子洋断裂组( F18-F₁₅)。狮子洋断裂组主要为NNW向, 包括化龙— 黄阁断裂、文冲— 珠江口断裂和南岗— 太平断裂。此外尚有一系列与之平行或大体平行的次级断裂, 其断裂面一般较陡, 倾角多超过50° , 平面上呈雁行状排列, 多条断裂的综合效应表现为阶梯状断层。该断裂为继承性断层, 最新一次活动表现为正断层。晚更新世晚期的断块差异升降导致了狮子洋水道的形成, 东江和珠江河水自此在黄埔以南经狮子洋水道入海。狮子洋两岸多处发现顶板高程在8~10 m范围内基座阶地的第四纪卵砾石层, 与钻探揭露的同期埋藏阶地卵砾石层高差20~50 m, 显示断块活动可能属于突发性错断, 而不是缓慢蠕动。

在测区外北侧的番禺石楼, 第四纪阶地泥炭层的OSL年龄为20~40 ka, 海拔高度7 m, 而同时代的地层在化龙— 黄阁断裂东盘则位于海平面6~7 m之下, 说明该断裂在20 ka以后, 可能有过较强烈的活动, 差异活动速率达14 m/20 ka(0.7 mm/a)。

4) 新会— 东莞断裂带(F₂₀-F₂₃)。测区内新会— 东莞断裂带展布在江门棠下— 中山小榄— 黄圃一带, 在江门棠下、杏坛马宁、中山黄圃、南沙大岗等地有出露, 由多组平行断裂组成(F₂₀-F₂₃)。断裂整体走向NE35° ~40° 不等, 倾向多变, 区内多为第四系覆盖, 在TM图像上, 沿东莞盆地南缘至中山横栏— 经珠江口一带表现为一暗色的色带。

5) 南沙— 东莞断裂组(F₂₄-F₂₈)。南沙— 东莞断裂组在区域上属于五桂山北麓断裂的东段, 为测区重要基底断裂组之一。该断裂组总体走向为NE— NEE向, 测区内主要包括金花鸡、灵山、天后宫、凫洲、上沙等10条断裂, 规模较大者有金花鸡、灵山断裂。

金花鸡断裂总体产状150° ∠45° , 早期为张扭性, 挤压破碎、构造透镜体和角砾岩发育, 断面起伏光滑, 擦痕明显, 强烈褐铁矿化。碎裂岩硅化胶结后又受应力破碎, 变成晚期构造角砾岩, 即断裂后期为压扭性。此断层在南沙金花鸡一带出露, 发育于中三叠世花岗岩体中, 其余地段则为第四系覆盖。多个钻孔都揭露了隐伏花岗岩体中的该断裂组破碎带。

灵山断裂总体走向NE向, 倾角近直立, 主要以张性破碎为主, 叠加少量压扭特征, 在灵山采石场见有该断裂破碎带的次级断面。该断裂控制了灵山南面的地形, 主要表现为灵山白垩纪百足山组(K₁b)的整体抬升, 形成红层台地; 山南花岗岩体则整体下沉, 形成番禺南沙地区普遍存在的块断构造体系。

(4) 获得多组花岗岩类锆石SHRIMP 年龄, 提出存在印支期花岗岩带和晚侏罗世陆壳伸展构造环境的二长花岗岩的认识。测区岩浆岩、侵入岩发育, 出露面积为91.3 km², 约占总面积的4.8%, 主要分布于测区西部的大雁山、中部的黄山鲁及东部的大岭山。在大雁山、大岗多处可见花岗岩类与围岩百足山组(K₁b)呈典型的不整合接触, 表现为厚层状或块状砾岩、砂砾岩覆于花岗岩体之上, 个别露头二者接触界线处见铁质风化壳。

据锆石SHRIMP U-Pb定年, 测得大雁山二长花岗岩锆石结晶年龄为(236.5± 2.9)Ma(MSWD=1.7, n=10), 测区中部大岗为(230.3± 3.1)Ma(MSWD=3.1, n=8); 南沙黄山鲁南部为(228± 3.0)Ma(MSWD=1.4, n=16)^[17](图1), 表明大雁山、大岗、南沙黄山鲁等一带花岗岩类形成于中三叠世, 可能为广东中部东西向印支期花岗岩带的重要组成部分。

测区东部厚街一带见大片二长花岗岩体侵入中元古代石英岩、二长片麻岩等中, 该花岗岩体属于大岭山复式岩体的一部分, 其中壮肚山塘、黑头山锆石SHRIMP U -Pb定年分别为(156.17± 0.83) Ma(MSWD=0.46, n=7)、(151.6± 2.1)Ma(MSWD=2.6, n=14)(图1)^[18]。结合岩石地球化学特征分析, 大岭山岩体主体形成于晚侏罗世的陆壳伸展构造环境。

(1)海侵期次判别。目前在珠江三角洲地区上更新统发现的零星海相微体生物^[16], 依常规判断为多次海侵迹象。但在加密采样研究的钻孔地层中, 个别样品中零星海相微体生物的出现仅是短暂风暴潮搬运, 尚不足以作为大区域面状海侵或与全球海面变化有关的证据。

(2)低水位域沉积层认识的推广。珠江三角洲井下地层中第1个杂色黏土层是末次盛冰期(LGM)的风化层^{[1, 16, 19, 20, 21, 22, 23]}, 在海域物探剖面中表现为一个强削蚀面, 成为划分晚更新世与全新世的标志^[6]。ZK203-2孔5单元(29.45~38.95 m)杂色沉积地层为第2厚层杂色风化层^[16], 在区域上已经多有发现, 同样应作为低水位域沉积, 逻辑上则相当于MIS4冷期地层。

(3)地层时代判断。尽管在美国北卡罗来纳和弗吉尼亚沿海, 依据¹⁴C、OSL和U系测年以及岩相类型, 建立了晚更新世以来的层序演替模式^[24], 但是目前测区乃至整个珠江三角洲, OSL测年尚未取得较好的数据, 根本原因是用于测试的砂质样品存在着再搬运的可能。

由于技术物理学的限制, 在年代学无法取得突破的情况下, 使用地质学最基本的层序研究方法是必要的。依据对中国东部沿海平原的已有认识^[25], 目前可以确定珠江三角洲第四纪接受陆源碎屑物质充填沉积的时间, 绝对不只是以往认识的40 ka以来; 按照层序地层和气候地层学原则^{[15, 26, 27, 28]}, 很可能始自MIS5(约120 ka)前后。

(4)多门类生物综合分析的必要性。 ZK201-2和ZK316-2钻孔晚更新世地层中未发现有孔虫、介形虫等钙质生物, 但个别层位出现腹足类和双壳类碎片, 溶蚀现象严重^{[16, 29]}, 但海水种硅藻的出现显示已经受到海水影响^[30]。显然, 在珠江三角洲地区, 为避免地质历史上酸性土壤环境对钙质生物壳体保存的影响, 有必要重视硅质生物的研究。

(5)测区隐伏断裂众多, 基底断块或断裂的活动强度以及对未来活动性的判断尚有欠缺; 各断裂的切割关系及其与第四纪沉积空间形成的关系, 尚待进一步研究。