孫倩文,黃康有,2,謝德豪,周斯,王萌, 鄭卓
(1. 中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州510275; 2. 廣東省地球動(dòng)力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東 廣州510275)
海平面變化是地球響應(yīng)氣候變化的重要參數(shù)之一,第四紀(jì)期冰期-間冰期交替變化所引起的全球海平面升降和沿海地區(qū)的海侵和海退事件歷來是古環(huán)境研究關(guān)注的熱點(diǎn),尤其末次冰消期以來海平面上升給海岸帶環(huán)境帶來嚴(yán)重的威脅。因此,了解清楚華南三角洲地區(qū)地質(zhì)歷史時(shí)期海平面變化歷程,為預(yù)測(cè)該研究區(qū)域未來氣候條件下海平面變化和減災(zāi)防災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。
珠江三角洲地區(qū)海平面從全新世早期開始迅速上升,在中全新世達(dá)到最高海平面(6~5 ka BP),而且海水入侵北至廣花平原一帶[1];韓江三角洲地區(qū)全新世階段海平面在6.8~2.5 ka BP持續(xù)上升[2];福建沿海地區(qū)海平面早全新世階段上升始于12~10 ka BP,大約在7~6.5 ka BP為最高海平面時(shí)期[3]。有關(guān)海南島地區(qū)全新世階段海平面變化,黃德銀等[4]通過對(duì)海南島鹿回頭的珊瑚礁測(cè)年,指出全新世以來南海北部至少存在過4次高海平面階段,7.3~6 ka BP是最高海平面時(shí)期;時(shí)小軍等[5]采用精確的高程測(cè)量和高精度TIMS鈾系定年方法對(duì)海南島東部瓊海青葛附近的珊瑚進(jìn)行研究,認(rèn)為南海中全新世存在比現(xiàn)在高出有2~3 m的高海平面(7.1~5.15 ka BP),而此后海平面呈振蕩波動(dòng)至目前的海平面位置。
三亞灣位于海南島南部,瀕臨南海北部,其濱海沉積受海平面變化控制,是研究海平面變化歷史的理想場(chǎng)所。前人對(duì)海南島地區(qū)的古環(huán)境研究主要集中在海南島西北和東海岸等地,在三亞灣的古環(huán)境重建工作開展研究相對(duì)較少,尤其在三亞灣盆地沉積學(xué)、地球化學(xué)和微體古生物記錄等方面仍然不足,對(duì)揭示該地區(qū)晚全新世以來海進(jìn)海退確切的時(shí)間點(diǎn)仍然需要更多的證據(jù)。本文選擇海南島三亞灣巖芯(SY01)開展研究,根據(jù)14C測(cè)年建立鉆孔沉積年代框架,通過粒度、有孔蟲、燒失量和色度等分析進(jìn)行地層劃分,探討三亞灣地區(qū)的古氣候環(huán)境以及海平面變化演變過程,為華南沿海全新世以來的海侵歷史和古氣候的重建提供新依據(jù)。
三亞灣處于海南島南部,東起鹿回頭半島南端,西至馬嶺-天涯海角基巖岬角,為近東西向的沙質(zhì)海岸,長(zhǎng)約18 km,海灣呈對(duì)數(shù)螺線形[6]。三亞灣海岸地貌類型豐富,基本為開闊港灣型海岸,形成于寬廣而較平整的三亞沙壩之上,屬連島壩灣,是全新世以來的海侵及后期改造作用形成,海岸附近分布不同密度的珊瑚礁,三亞灣兩側(cè)及灣內(nèi)隨水深的增加,沉積粒度逐漸變細(xì),沉積物由含珊瑚和貝殼碎屑的礫石、粗砂向粉砂、黏土過渡[7]。
三亞灣是熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年均溫約25 ℃, 年均降水量約1 300 mm。土壤屬于磚紅壤土或紅褐土,含砂量大,原始植被以熱帶雨林為主[8]。三亞河是流入三亞灣最主要的河流,干流總長(zhǎng)度28.8 km, 總落差845 m, 平均河床比降0.65%, 多年平均徑流量2.11×108m3,由河口進(jìn)入三亞灣的輸沙量較少[9]。
SY01鉆孔位于三亞市三亞灣羊欄村以東500 m處,離岸距離1.7 km,鉆孔所在區(qū)域?yàn)檗r(nóng)耕荒廢地,鉆孔的地理坐標(biāo)為18°17′48″N、109°27′42″E,孔口高程2 m(圖1)。
本研究通過地質(zhì)勘探100型鉆機(jī)鉆取巖芯,采用套管式取芯,巖芯平均取芯率達(dá)到95%以上,巖芯總長(zhǎng)15.95 m,巖芯材料在中山大學(xué)第四紀(jì)古環(huán)境巖芯庫冷藏保存。SY01鉆孔頂部0~15 cm為擾動(dòng)層,根據(jù)巖性變化可以劃分為8段(圖2):① 15~182 cm: 灰褐色粉砂; ② 182~223 cm: 棕黃色中砂; ③ 223~811 cm:青灰色黏土,富含貝殼; ④ 811~962 cm:由青灰色黏土逐漸變?yōu)闇\灰色中砂; ⑤ 962~1 090 cm:暗黃色-灰黑色粗砂; ⑥ 1 090~1 249 cm:灰白色中-粗砂,含礫石; ⑦ 1 249~1 483 cm:黃色粗砂,含礫石;⑧ 1 483~1 595 cm:紅褐色殘積土。
在本文采用古環(huán)境研究常用的方法,主要包括燒失量、粒度、有孔蟲和色度等分析方法。燒失量值是反映沉積物有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量的變化情況,通過燒失量的變化能夠揭示沉積相與沉積環(huán)境的演變特征;該指標(biāo)已被廣泛運(yùn)用于海洋、湖泊和黃土沉積物等的研究中[10]。粒度分析是一種常規(guī)的沉積學(xué)研究方法, 被廣泛應(yīng)用于沉積環(huán)境和沉積過程的研究, 根據(jù)沉積物的粒級(jí)組成、粒度參數(shù)及各種圖解可以解釋沉積物輸送過程和沉積環(huán)境特征[11]。有孔蟲和介形蟲在濱淺海區(qū)域分布廣泛,對(duì)環(huán)境變化非常敏感,且易于在沉積物中保存,具有海相沉積環(huán)境的重要指示意義。色度分析值可以反映出沉積物的保存環(huán)境,間接指示當(dāng)時(shí)的氣候條件[12]。各種分析方法的實(shí)驗(yàn)步驟詳細(xì)介紹如下。
圖1 SY01鉆孔地理位置和三亞灣地區(qū)地形圖Fig.1 Geomorphological map of the Sanya bay area and core SY01 location
圖2 SY01鉆孔巖芯特征及古環(huán)境代用指標(biāo)分析結(jié)果Fig.2 Core features and results of Lithology, foraminifera, color indexes and TOC of core SY01
粒度分析:先進(jìn)行常規(guī)的預(yù)處理,然后在中山大學(xué)地理學(xué)院使用英國(guó)Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度儀進(jìn)行粒度分析。為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試3次取平均值,對(duì)測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差的樣品進(jìn)行重新測(cè)試。粒度劃分采用尤登-溫德華氏等比制Φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn),粒度大于等于1 mm的沉積物用傳統(tǒng)篩析法,最后作頻率曲線圖和概率累積曲線圖,并計(jì)算各種粒度參數(shù)[11]。
燒失量(Loss on Ignition, LOI)是指沉積物中有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽在一定溫度下分解導(dǎo)致沉積物在不同溫度下的質(zhì)量差[15], LOI550和LOI950分別代表有機(jī)碳和無機(jī)碳的含量[10]。樣品的色度分析則使用了日本CHROMA METER CR-400色度測(cè)試儀,分別用L、a*、b*指示亮度、風(fēng)化指數(shù)和氧化指數(shù)。
有孔蟲分析:樣品經(jīng)前處理后在體視顯微鏡下進(jìn)行微體古生物的鑒定和統(tǒng)計(jì),計(jì)算每100g樣品中有孔蟲和介形蟲的個(gè)數(shù),統(tǒng)計(jì)有孔蟲或介形蟲超過50枚的樣品數(shù)。
本研究中除了鉆孔頂部人工擾動(dòng)層(0~15 cm)和底部紅褐色風(fēng)化殼土層(1 483~1 595 cm)不進(jìn)行取樣分析;其余樣品從鉆孔頂部15~1 483 cm處以間隔10 cm取樣,總共獲取135個(gè)樣品進(jìn)行粒度分析和燒失量分析;從15~1 249 cm之間以間隔25 cm取樣進(jìn)行有孔蟲分析,總共分析了50個(gè)樣品。色度分析以間隔3 cm進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試了526個(gè)樣品。
本研究分別在巖芯310、579、796和1 065 cm處選取螺殼、雙殼類和黏土等4個(gè)樣品送美國(guó)邁阿密Beta放射性碳測(cè)年實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行AMS14C定年,測(cè)年結(jié)果見表1;日歷年齡數(shù)據(jù)用IntCal 13數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[13],鉆孔的年齡-深度模型用R-clam繪制(圖3)。
表1 SY01鉆孔AMS14C年代測(cè)試結(jié)果Table 1 AMS14C dating results of core SY01
圖3 SY01鉆孔年代-深度模型Fig.3 Age-depth model of core SY01
根據(jù)50個(gè)樣品有孔蟲和介形蟲的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,有孔蟲數(shù)量超過50枚的有20個(gè)樣品,集中在240~820 cm深度之間,且有孔蟲數(shù)量較多,在此深度范圍內(nèi)有孔蟲的數(shù)量隨深度變淺而增加,其中在298 cm處有孔蟲數(shù)量最多,總共有4 612個(gè)。
有孔蟲主要出現(xiàn)在巖芯的811~223 cm層位,且含量最豐富的層位在400~223 cm之間,尤其是在300 cm左右有孔蟲豐度出現(xiàn)最大值,隨即豐度急劇下降。主要的有孔蟲種類有熱帶五玦蟲(Quinqueloculinatropicalis)、阿卡尼五玦蟲圓形亞種(Quinqueloculinaaknerianarotunda)、畢克卷輪蟲(Ammoniabeccari)、壓扁卷輪蟲(Ammoniacompressiuscula)、異地希望蟲(Elphidiunadvenum)、艾比里厄花室蟲清晰亞種(Celllanthusibericum);介形蟲有魯斯曼戳花介(Stigmatocythererosemani)和雷州雙角花介(Bicorncythereleizhouensis)。
SY01鉆孔沉積物色度、燒失量變化如圖2所示,粒度變化曲線如圖5和6所示。根據(jù)巖性特征和曲線,鉆孔剖面從老到新分為5個(gè)帶:Ⅰ-Ⅴ,各帶特征簡(jiǎn)述如下:
Ⅰ帶(1 483~1 249 cm):L持續(xù)降低,a*在1 410 cm處迅速升高至峰值再緩慢降低,顏色偏紅;b*波動(dòng)范圍大,顏色偏黃。LOI550變化幅度逐步增大,LOI950變化幅度很小。
表2 SY01孔所見主要有孔蟲和介形蟲及其生態(tài)[12-13]Table 2 Main mollusca species and their living environment of core SY01
圖4 SY01鉆孔海相層中的主要有孔蟲和介形蟲Fig.4 Main species of foraminifera and ostracodes collected from marine strata in core SY01
圖5 SY01鉆孔粒度參數(shù)和組分含量(wB/%)Fig.5 Results of grain size and parameters of sediments in core SY01
圖6 SY01鉆孔粒度頻率曲線(A)和概率累積曲線(B)Fig.6 Frequency distribution curves(A) and probability accumulative curves(B) of core SY01
沉積物組分以粉砂和礫石為主,細(xì)砂和中砂的含量較多,粗砂和黏土含量較少;多數(shù)極負(fù)偏態(tài)偶有近對(duì)稱偏態(tài),峰態(tài)寬平。頻率曲線圖多為雙峰,大部分峰值差別較大,主峰尖銳,峰值在0~1 Φ之間,次峰在6 Φ附近;小部分雙峰的主次峰距離近且差別很小,峰值在1 Φ和5 Φ,揭示沉積物來源途徑多,但分選差。概率累計(jì)曲線圖為4段式,滾動(dòng)組分約10%,跳躍組分占5%~40%,懸浮組分較多,約占40%~90%,但懸浮總體斜率較低,表明分選較差。
此外,由于礫石與泥質(zhì)組分同時(shí)出現(xiàn),大粒徑礫石含量較多,且風(fēng)化氧化指數(shù)高,推測(cè)為洪積相內(nèi)側(cè)沉積。
Ⅱ帶(1249~962 cm):L先緩慢向左降低,迅速升高至最大值后再波動(dòng)性降低;a*波動(dòng)性升降明顯,顏色偏紅;b*變幅較小顏色偏黃。LOI550稍小幅度波動(dòng);LOI950幾乎與上階段保持不變。
該帶沉積物仍以含礫的粉砂層為主(11%~59%),礫石含量波動(dòng)較大;平均粒徑4.3 Φ;標(biāo)準(zhǔn)偏差2.7,分選差,但是較上階段好;偏態(tài)多為很負(fù)偏到負(fù)偏態(tài),偶有近對(duì)稱;峰態(tài)多數(shù)為寬平很少有尖窄。頻率曲線圖雙峰,偏度較大,主峰峰值在0~2 Φ之間,峰態(tài)較尖銳,次峰峰值在4~6 Φ之間,峰態(tài)平緩。粗組分較上階段增多,細(xì)組分較上階段減少。概率累計(jì)曲線圖為3段式,滾動(dòng)組分小于5%,含量較上階段減少,但分選較上階段好;跳躍組分占5%~30%,較上階段稍低;懸浮組分占主要,約50%~90%。
根據(jù)礫石含量較Ⅰ帶稍低,且亮度較上階段增大,氧化和風(fēng)化指數(shù)較上階段降低,推測(cè)為洪積相遠(yuǎn)端沉積。
Ⅲ帶(962~811 cm):L和b*均呈向右波動(dòng)性升高,a*先降低再升高,三者都在899 cm處升至最大值,之后緩慢降低。b*比上階段明顯升高,氧化作用增強(qiáng)。LOI550較上階段增加,表明有機(jī)質(zhì)含量增加;LOI950走勢(shì)明顯升高,碳酸鹽含量較上階段明顯增加。亮度和風(fēng)化指數(shù)較上階段稍低,氧化指數(shù)較上階段稍高,有機(jī)碳和碳酸鹽含量較上階段增加。
沉積物以含中砂粉砂層為特征,幾乎不含礫石;該層細(xì)砂含量明顯增多,以細(xì)砂粉砂為主;平均粒徑5.8 Φ;標(biāo)準(zhǔn)偏差1.9,表示分選較差;偏態(tài)多為負(fù)偏,少數(shù)為近對(duì)稱;峰態(tài)寬屏。頻率曲線圖為單峰,部分曲線峰值在1~3 Φ之間,部分在6 Φ左右,偏度呈現(xiàn)負(fù)偏、近對(duì)稱,峰態(tài)較平緩,粗組分含量較上階段減小,細(xì)組分增加。概率累計(jì)曲線為4段式,滾動(dòng)組分約10%~50%,跳躍組分約10%~30%,懸浮組分約40%~80%,曲線斜率較小,表明分選差,推測(cè)為濱岸相沉積。
Ⅳ帶(811~223 cm):此帶中L、a*、b*均較上階段小幅度減小。L變化范圍主要集中在30~40;a*主要集中在0~2,顏色由紅到綠再到紅;b*變化范圍為3~8,顏色由藍(lán)到紅。LOI550與LOI950變化幅度大且趨勢(shì)相反,LOI550和LOI950變化均較大,前者范圍在1.47%~6.94%之間;而后者范圍在0.71%~6.94%之間。有機(jī)碳含量從低到高逐漸增多,但碳酸鹽含量逐漸減少,兩者呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的變化趨勢(shì)。
沉積物以含細(xì)砂粉砂層為主;而且粉砂含量逐漸增多的趨勢(shì),平均含量達(dá)到71%;平均粒徑為5.7 Φ;標(biāo)準(zhǔn)偏差為2,表示分選差,但較上階段稍好;偏態(tài)多為負(fù)偏,沉積物集中在較細(xì)的區(qū)域;峰態(tài)寬平。頻率曲線圖多數(shù)為單峰,峰值在4~5 Φ附近,峰態(tài)較寬平;少數(shù)為雙峰,主峰在2 Φ左右,次峰峰值在6~7 Φ之間,主次峰差值較小。概率累計(jì)曲線圖均為典型3段式,滾動(dòng)組分小于10%,跳躍組分10%~20%,懸浮組分為主,占比高達(dá)80%,分選較上階段好。
根據(jù)該段沉積物粒度變小,風(fēng)化和氧化指數(shù)較低,結(jié)合該階段富含雷州雙角花介、異地希望蟲等淺海介形蟲和有孔蟲化石,推測(cè)沉積相為海灣相。
Ⅴ帶(223~15 cm):此帶中L、a*、b*的變化幅度較Ⅱ帶大,無明顯規(guī)律。亮度、風(fēng)化指數(shù)和氧化指數(shù)均較上階段增加。L為30~50;a*=1~5,顏色偏紅;b*為8~20,顏色偏黃。LOI 550和LOI 950都明顯降低,有機(jī)質(zhì)含量和碳酸鹽含量都減少。
雖然在此帶早期階段,中砂和粗砂的含量突然增多,但整個(gè)階段的巖芯仍然以粉砂為主,細(xì)砂和黏土的含量減少,含有少量的礫石。平均粒徑6.2 Φ,沉積物顆粒較細(xì);標(biāo)準(zhǔn)偏差為2,分選差;偏態(tài)多為負(fù)偏、近對(duì)稱,沉積物集中在較細(xì)的區(qū)域;峰態(tài)寬屏。頻率曲線圖多數(shù)為單峰,峰值眾數(shù)在5~7 Φ附近,單峰頻率曲線展開度較寬,峰值高,表示分選較差;數(shù)量較少的雙峰的主峰也在6~7 Φ附近,次峰在1 Φ附近,且兩峰相距遠(yuǎn),峰值低,說明是混合成因且分選較差。細(xì)組分較上階段增加。概率累計(jì)曲線圖為典型3段式,滾動(dòng)組分小于5%,跳躍組分約5%~50%,懸浮組分依然以50%~95%占主要,推測(cè)為瀉湖相沉積。
由于海平面記錄受海平面變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及標(biāo)志物沉積地貌部位等多種因素影響,珠江三角洲地區(qū)、粵東及福建等地區(qū)存在多次海侵記錄,跟該地區(qū)發(fā)育具下沉趨勢(shì)的斷陷盆地,為海平面的沉積記錄打開空間有關(guān)[14]。然而,海南島南部沿海地區(qū)缺少發(fā)育大型的河流,僅存在小型的河流沉積盆地,并且為非斷陷盆地,在一定程度上缺少沉積空間,因此該地區(qū)在末次盛冰期以來的沉積層相對(duì)較薄或者缺少晚全新世階段的沉積物。末次冰消期以來,隨著海平面快速上升,華南沿海地區(qū)在中全新世達(dá)到最高海平面的時(shí)間也存在空間上的差異性[15-19];其中原因之一是三角洲地區(qū)存在多個(gè)構(gòu)造斷塊,且各個(gè)斷塊的垂直差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不盡相同,導(dǎo)致不同斷塊接受海侵沉積的時(shí)間不同[20]。
前人在珠江三角洲地區(qū)已經(jīng)開展了大量的研究工作,在早全新世階段的沉積物主要以含礫黏土質(zhì)粗砂、泥質(zhì)粗砂或粉砂質(zhì)細(xì)砂、黏土質(zhì)細(xì)砂為主,反映出當(dāng)時(shí)以河床相及河湖相為主要沉積特征[21]。三亞灣SY01鉆孔沉積物分析結(jié)果表明:三亞灣地區(qū)在全新世早期(9.1~8 cal ka BP)開始堆積,該時(shí)期沉積物主要為含粗礫粉砂,沉積相為洪積相沉積,表明該地區(qū)已打開可容空間;與珠江三角洲地區(qū)的沉積環(huán)境的不同的是:珠江三角洲地區(qū)的沉積環(huán)境呈現(xiàn)出從河流相逐漸過渡到海陸交互相的變化,沉積物厚度可達(dá)20多m;然而,三亞灣地區(qū)從洪積相快速演變?yōu)闉I岸相,沉積物厚度較薄,僅有7 m,可能跟該地區(qū)在早全新世階段構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定,同時(shí)也表明海平面在早全新世階段呈現(xiàn)出快速上升趨勢(shì)。
三亞灣地區(qū)全新世中期(8.1~3.5 cal ka BP)的沉積記錄表明,開始由濱岸演化為海灣相沉積環(huán)境;有孔蟲的分析結(jié)果也顯示出其主要出現(xiàn)8.1~3.7 cal ka BP,且含量最豐富的層位在5.2~4.7 cal ka BP(高程1.1 m附近),推測(cè)到5 cal ka BP左右達(dá)到海平面最高值。而對(duì)比現(xiàn)代三亞灣水下沉積物,與該層位相似粒徑的沉積物在至少4~5 m水深處,所以推測(cè)當(dāng)時(shí)海平面比現(xiàn)在高。此外,珠江三角洲地區(qū)和韓江三角洲的沉積記錄亦表明距今6 ka左右出現(xiàn)第一次高海平面[22-23],而三水盆地高海平面時(shí)間較早是由于珠江三角洲是一個(gè)斷塊三角洲,各構(gòu)造塊全新世存在明顯升降差異。實(shí)際上,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)為:全球高海平面發(fā)生在5~6 cal ka的大西洋期,與三亞灣鉆孔高海平面的時(shí)間記錄相吻合。
在晚全新世階段,隨著海平面下降,華南地區(qū)發(fā)育了濕地沼澤;例如珠江三角洲地區(qū)的研究結(jié)果表明:在晚全新世階段海水逐漸退出珠江三角洲地區(qū),并且在整個(gè)珠三角盆地廣泛發(fā)育草地和濕地沼澤[24];三亞灣盆地也表現(xiàn)相類似的演化過程,也即海水逐漸退出三亞灣盆地,人類活動(dòng)逐漸增強(qiáng)。
本研究在AMS14C測(cè)年結(jié)果建立年代框架的基礎(chǔ)上,綜合了粒度分析、燒失量、色度分析和有孔蟲等分析結(jié)果,揭示了海南島三亞灣SY01鉆孔從早全新世階段以來的古環(huán)境演變過程。主要獲得以下幾方面的認(rèn)識(shí):
1)海南島三亞灣 SY01鉆孔全新世厚度大概為12 m左右,全新世基底沉積物為殘積土。三亞灣早全新世階段的沉積物為含礫石的粉砂,巖性逐漸過渡為含粗砂-中砂-細(xì)砂的粉砂;沉積相從洪積相過渡到濱岸相,再演變到海灣相,最后為潟湖相沉積。
2)海南島三亞灣地區(qū)的沉積物始于~9 cal ka BP,隨著海平面迅速上升,該地區(qū)高海平面時(shí)期在~5 cal ka BP,有孔蟲和介形蟲大量聚集,有孔蟲鑒定特征顯示為海灣相沉積;隨著進(jìn)入海退階段,水動(dòng)力作用增強(qiáng),瀉湖逐漸形成,并逐漸演變形成現(xiàn)代的三角洲地貌。