王忱沛,李 琰,2,3*,商志文,姜興鈺,李建芬,胡 克,王 宏

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)海洋學(xué)院,北京 100083;2.德國(guó)萊布尼茲應(yīng)用地球物理研究所,德國(guó) 漢諾威 30655;3.海南省海洋地質(zhì)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,海南 ?？?570206;4.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心,天津 300170)

海岸帶地區(qū)是海陸交互作用明顯的區(qū)域。河流攜帶的陸域物質(zhì)在海岸帶地區(qū)沉積,同時(shí)受到潮流、波浪的改造。在地質(zhì)歷史時(shí)期,相對(duì)海平面變化導(dǎo)致在海岸帶地區(qū)交替發(fā)生海侵和海退,影響了海岸帶地貌演化和沉積過(guò)程。海岸帶地層沉積物記錄了豐富的海陸交互信息及其控制因素,因此被視為古環(huán)境和古氣候研究的良好載體。現(xiàn)代海岸帶地區(qū)人口聚集,經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁。與此同時(shí),一個(gè)世紀(jì)以來(lái),受到全球變暖的影響,海岸帶地區(qū)災(zāi)害頻發(fā),海平面波動(dòng)上升,區(qū)域系統(tǒng)脆弱性凸顯[1]。因此,開(kāi)展海岸帶地區(qū)古環(huán)境和古氣候變化的研究,深入了解地質(zhì)歷史時(shí)期海陸交互演化過(guò)程,有助于掌握區(qū)域沉積、地貌和驅(qū)動(dòng)因素的變化規(guī)律,可為未來(lái)海岸帶地區(qū)的保護(hù)提供依據(jù)。

粒度是沉積物的重要物理指標(biāo),代表組成沉積物顆粒的大小。水成環(huán)境(海洋、河流和湖泊等)沉積物粒度大小受水動(dòng)力條件的直接影響,因此對(duì)比不同站位表層沉積物的粒度特征,可以反映水動(dòng)力強(qiáng)弱的區(qū)域差異;研究地層沉積物的粒度垂向變化,則可以反映地質(zhì)歷史時(shí)期沉積營(yíng)力的演化特征。同時(shí),粒度是重要的環(huán)境替代指標(biāo),在指示多個(gè)時(shí)間尺度的亞洲季風(fēng)演化、氣候變化控制因素和古環(huán)境辨別等方面有廣泛的應(yīng)用[2-5]。

晚新生代以來(lái),渤海盆地構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定[6],沉積了巨厚的沉積物,為開(kāi)展晚新生代以來(lái)中緯度地區(qū)古環(huán)境演化研究提供了理想的材料[7]。其中,地層學(xué)研究表明,渤海海岸帶上部地層記錄了中更新世以來(lái)的3次主要的海侵事件[7-9]。近幾十年來(lái),已有大量研究聚焦渤海中更新世以來(lái)海侵—海退過(guò)程的年代、沉積過(guò)程和環(huán)境演化等問(wèn)題。其中,主要研究集中在渤海西岸(渤海灣)和南岸(萊州灣),而北岸(遼東灣)的研究相對(duì)較少。本文以2015年6月10日至15日鉆取自遼東灣北岸的沉積物巖芯(編號(hào)LZK06)為研究對(duì)象,選取上部有年代學(xué)框架控制的60 m巖芯沉積物開(kāi)展詳細(xì)的粒度測(cè)試與分析,總結(jié)沉積物粒度特征及其垂向變化規(guī)律。在光釋光年代學(xué)框架的基礎(chǔ)上[10],探討中更新世以來(lái)粒度記錄的渤海北岸沉積環(huán)境演化過(guò)程。

1 研究區(qū)概況

渤海是我國(guó)北部的半封閉內(nèi)海,通過(guò)渤海海峽與北黃海連通(圖1)。渤海由遼東灣、渤海灣、萊州灣和中央盆地組成,平均水深18 m[7]。渤海海岸主要由泥沙質(zhì)海岸和基巖海岸組成。在渤海盆地的沉積物主要來(lái)源于區(qū)域內(nèi)入海河流攜帶的陸源碎屑物質(zhì)。其中,遼東灣海岸的沉積物以粉砂質(zhì)砂和砂質(zhì)粉砂為主,與萊州灣和渤海灣海岸沉積物相比較粗[11-12]。晚新生代以來(lái),渤海盆地構(gòu)造趨于穩(wěn)定并緩慢下沉,堆積了2 000～3 000 m厚的河流相、湖相和淺海相沉積地層[6]。其中,下部地層以河湖相為主,上部地層以淺海相和河湖相交互為特點(diǎn)[7]。最新的地層年代學(xué)結(jié)果表明,渤海海岸區(qū)域3次主要的海侵事件發(fā)生在中更新世以來(lái),分別對(duì)應(yīng)大洋氧同位素階段MIS(Marine Isotope Stage)7,MIS 5-3和MIS 1[10-11,13-15]。而渤海海岸地層沒(méi)有記錄MIS 7之前明顯的海侵事件,與地質(zhì)歷史時(shí)期全球高海面變化趨勢(shì)不符[16]。Yi等認(rèn)為廟島隆起扮演了渤海盆地開(kāi)關(guān)的角色,距今約30萬(wàn)a廟島隆起下沉,此后海水進(jìn)入渤海盆地,開(kāi)始海相沉積[11]。

圖1 研究區(qū)位置Fig.1 Location of the study area

遼東灣北部海岸帶為下遼河平原的組成部分。研究區(qū)主要的河流包括遼河、大凌河、大遼河和小凌河等,其中,遼河和大遼河是流域面積最大的2條河流,但是大凌河的輸沙量最大,是遼河和大遼河輸沙量總和的2倍。地質(zhì)調(diào)查結(jié)果顯示,遼東灣北岸上部的3套海陸相交互沉積地層與渤海其他海岸帶地區(qū)地層具有可對(duì)比性[17-18]。近年來(lái),不同學(xué)者利用多個(gè)采自遼東灣北岸的鉆孔沉積物巖芯和河流沉積物,對(duì)不同時(shí)間尺度的物質(zhì)來(lái)源[19]、沉積過(guò)程[20]、海陸地貌演化與海岸線變遷[21-22]、年代學(xué)框架[10,23]及古環(huán)境變化[24]開(kāi)展了研究。遼東灣北岸的第三海相層的長(zhǎng)石光釋光年齡對(duì)應(yīng)MIS 7,而根據(jù)年代學(xué)框架和古高程恢復(fù)的結(jié)果判斷MIS 3并沒(méi)有發(fā)生明顯的海侵[10]。這與最近遼東灣晚第四紀(jì)層序地層學(xué)和年代學(xué)研究獲得的結(jié)果一致[25]。進(jìn)入全新世后,受海平面快速上升的影響,遼東灣北岸發(fā)生海侵,沉積環(huán)境由河流沉積迅速轉(zhuǎn)變?yōu)闇\海相沉積[22]。晚全新世遼東灣北岸河流的快速進(jìn)積導(dǎo)致海岸線后退,古“盤錦灣”消失[21-23]。

2 材料與方法

LZK06孔(121°37′46″E,40°54′26″N)位于遼東灣北岸遼河和大凌河之間,孔口高程為4.51 m。LZK06孔為全取芯鉆孔,進(jìn)尺100 m,鉆取巖芯長(zhǎng)度92 m,取芯率約92%。古生物學(xué)證據(jù)表明巖芯上部55 m為海陸相交互沉積層,共識(shí)別出3套海相層,與已有地層資料一致[17,26]。55 m以下為陸相的河流-湖泊沉積。LZK06孔的年代學(xué)框架依靠加速器質(zhì)譜(Accelerator Mass Spectrometry,AMS)14C和光釋光年齡建立[10,23]。沉積物中埋藏貝殼的AMS14C測(cè)年于2015年12月在美國(guó)BETA實(shí)驗(yàn)室完成,沉積物中石英和長(zhǎng)石的光釋光測(cè)年在德國(guó)萊布尼茲應(yīng)用地球物理研究所釋光實(shí)驗(yàn)室完成。其中,石英等效劑量采用單片再生法測(cè)定[27],鉀長(zhǎng)石兩步紅外激發(fā)釋光信號(hào)(p IRIR225)的等效劑量經(jīng)過(guò)異常衰退校正后用于確定光釋光年齡[28-29]。已有年代學(xué)研究結(jié)果表明,巖芯上部20 m的AMS14C和光釋光年齡具有良好的地層和年齡一致性[23],而20 m以下AMS14C年齡超過(guò)測(cè)年上限(43.5 ka B.P.)。下部地層的年代學(xué)框架主要依靠石英和鉀長(zhǎng)石光釋光年齡建立。超過(guò)28.7 m,石英光釋光信號(hào)達(dá)到飽和;超過(guò)59.6 m,長(zhǎng)石光釋光信號(hào)達(dá)到飽和。測(cè)年結(jié)果見(jiàn)表1。根據(jù)沉積物特征、埋藏生物化石特點(diǎn)及年代學(xué)結(jié)果,本文選取具有絕對(duì)年齡控制的上部59.6 m作為研究對(duì)象,將其劃分為6個(gè)單元,并開(kāi)展粒度測(cè)試分析與研究。巖芯柱狀圖及詳細(xì)巖芯描述見(jiàn)圖2。

圖2 LZK06孔巖性特征、沉積單元?jiǎng)澐旨肮忉尮饽甏鷮W(xué)框架[10]Fig.2 Lithological characteristics,division of depositional unit and OSL chronological framework of the core LZK06[10]

表1 LZK06孔樣品光釋光年齡[10,23]Table 1 OSL(Optically Stimulated Luminescence)dating results of core LZK06[10,23]

粒度樣品按照約30 cm間隔取樣,在巖芯上部60 m共取得190個(gè)樣品。樣品處理和測(cè)試于2016年5月—6月在德國(guó)萊布尼茲應(yīng)用地球物理研究所粒度實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。首先,選取了10個(gè)代表性樣品進(jìn)行了多次可靠性測(cè)試,對(duì)比測(cè)試結(jié)果,驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。此后,根據(jù)可靠性測(cè)試的結(jié)果,在充分混合的基礎(chǔ)上稱取一定量的樣品,加入濃度為1%的氫氧化銨溶液分散24 h,并利用旋轉(zhuǎn)混合器和超聲清洗儀充分機(jī)械分散樣品。樣品粒度使用Beckman Coulter LS13320型激光粒度儀測(cè)試,測(cè)試范圍為0.04～2 000μm。測(cè)試過(guò)程中,激光遮光度控制在9%～12%。每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)量5次,至少選取其中3次測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算最終的粒度結(jié)果。巖芯沉積物整體上以砂、粉砂和黏土組分為主,對(duì)個(gè)別含有零星鈣核或者礫石的樣品,先將其中的鈣核或礫石挑出后再上機(jī)測(cè)試。

本研究采用矩值法計(jì)算4個(gè)主要粒度參數(shù):平均粒徑、分選、偏度和峰度[31]。本研究同時(shí)提取了LZK06孔沉積物粒度敏感組分[32],探討沉積物粒度記錄的古環(huán)境變化信息。

3 結(jié) 果

3.1 粒度頻率分布

通過(guò)粒度測(cè)試,獲得了190個(gè)樣品的粒度頻率分布曲線。粒度頻率分布曲線的特點(diǎn)是含有單個(gè)或者多個(gè)高度和寬度不同的峰,指示了沉積物各粒徑組分含量的差異[2]。通過(guò)分析頻率分布曲線的特征,可以得到沉積營(yíng)力的特點(diǎn)和變化(圖3)。LZK06孔沉積物的頻率分布曲線整體上呈主峰尖銳的單峰特征,單峰多為粗峰,粗峰眾數(shù)介于2Ф～4Ф,帶有細(xì)尾。部分樣品的細(xì)顆粒組分含量較高,形成細(xì)峰,而這部分樣品的整體粒度頻率分布曲線則呈粗峰占優(yōu)的雙峰或者細(xì)顆粒為主的單峰形態(tài)。海相地層沉積物頻率分布曲線以單粗峰形態(tài)為主,而粒度頻率曲線顯示,陸相地層沉積物的細(xì)粒組分較海相地層沉積物多,單細(xì)峰(峰眾數(shù)介于6Ф～8Ф)為特點(diǎn)的沉積物含量增加(圖3)。

圖3 LZK06孔典型沉積物粒度頻率分布Fig.3 Typical frequency curves of the sediments in the core LZK06

對(duì)多數(shù)沉積物,砂為主要組分,對(duì)應(yīng)了粗峰。在沉積單元3、單元5和單元6,砂的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于50%;在單元1和單元4,砂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)雖略有減少,但其平均值也大于40%;在單元2,沉積物粉砂為主要組分,平均介于48%～56%。與沉積物頻率分布曲線細(xì)峰/細(xì)尾含量增加相對(duì)應(yīng),陸相地層單元的黏土-粉砂含量較海相地層沉積物有所增加。最上部的第一海相層沉積物的黏土-粉砂組分的與下部2個(gè)海相地層沉積物相比較高。

3.2 粒度參數(shù)特征

利用矩值法計(jì)算得到的粒度參數(shù)計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)圖4,對(duì)各單元沉積物粒度參數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可見(jiàn)表2。結(jié)果表明,渤海北岸沉積物的平均粒徑大部分為粉砂和砂級(jí),個(gè)別單元黏土含量較大,沉積物為黏土質(zhì)粉砂或黏土-粉砂。遼東灣北岸第四紀(jì)沉積物的平均粒徑明顯大于渤海灣和萊州灣中晚第四紀(jì)沉積物[11-12]。LZK06孔沉積物分選普遍較差-差,整體為正偏,個(gè)別樣品為負(fù)偏-極負(fù)偏。絕大多數(shù)樣品為正態(tài)分布,個(gè)別樣品為峰態(tài)尖銳(圖4,表2)。

表2 LZK06孔沉積物粒度參數(shù)特征及砂-粉砂-黏土組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Statistical results of the grain size parameters and the contents of sand-silt-clay of the sediments in the core LZK06

圖4 粒度參數(shù)及黏土-粉砂-砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)的垂向變化Fig.4 Vertical Variations of the grain size parameters and contents of clay-silt-sand

垂向上,平均粒徑的變化具有一定的旋回性。沉積單元5和單元6沉積物平均粒徑振蕩變化,且整體粒徑偏粗。沉積單元3和單元4為垂向變化不明顯的大套砂層,含有兩段細(xì)顆粒沉積夾層,對(duì)應(yīng)深度分別是23.5～24.3和40.0～42.1 m。沉積單元2整體上為向上變細(xì),并且在沉積單元內(nèi)部存在若干次一級(jí)向上細(xì)

化的單元。最頂部的海相沉積層(單元1)粒度變化表現(xiàn)為細(xì)化-粗化-細(xì)化的趨勢(shì)。

續(xù)表

3.3 分選系數(shù)-平均粒徑散點(diǎn)圖

不同沉積物在分選系數(shù)-平均粒徑散點(diǎn)圖上可能對(duì)應(yīng)了不同的沉積環(huán)境,因此可以利用不同環(huán)境中沉積物的分選系數(shù)-平均粒徑散點(diǎn)圖特征,探討海岸第四紀(jì)沉積物沉積環(huán)境的演化[33]。將LZK06孔沉積物樣品做分選系數(shù)-平均粒徑散點(diǎn)圖(圖5)。整體上,粗粉砂-砂(＜4Ф)的平均粒徑介于1Ф～5Ф,分選系數(shù)的變化范圍為約1-3.5;分選系數(shù)和平均粒徑相關(guān)性差。而當(dāng)平均粒徑大于6Ф(黏土-中粉砂)時(shí),分選系數(shù)和平均粒徑有較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系,即粒度越細(xì),分選越好;平均粒徑從6Ф到8.3Ф變化時(shí),分選系數(shù)由約2.0減至1.4。且粒度越細(xì),平均粒徑和分選系數(shù)的相關(guān)性越好。除了LZK06孔沉積物與萊州灣和渤海灣海岸第四紀(jì)沉積物相比粒度較粗外,該孔沉積物與萊州灣Lz908孔[12]和渤海灣YRD-1101孔[34]沉積物的分選系數(shù)-平均粒徑變化規(guī)律與吻合很好。這可能指示了海陸交互作用沉積物的普遍規(guī)律。LZK06孔不同單元沉積物在分選系數(shù)-平均粒徑散點(diǎn)圖上并無(wú)很明確的分異。

圖5 LZK06孔沉積物分選系數(shù)-平均粒徑散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of sorting-grain size of sediments of the core LZK06

3.4 敏感粒級(jí)組分

沉積物粒度可以反映地質(zhì)歷史時(shí)期的環(huán)境演化。粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差法通過(guò)計(jì)算不同深度樣品同一粒級(jí)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差,對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)偏差變化情況。若標(biāo)準(zhǔn)偏差大,則在粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差圖上顯示為峰,表明該粒徑在垂向上變化較大,指示了主要的環(huán)境變化控制因素。為探討渤海北岸海退-海侵過(guò)程的環(huán)境演化過(guò)程和控制因素,采用粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差法提取敏感粒級(jí)組分,并借助光釋光年代學(xué)探討渤海北部海陸變化背景下的環(huán)境演化控制因素。

對(duì)全部59.6 m沉積物及每個(gè)單元的沉積物分別做粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差圖(圖6)。圖6a為全部沉積物的粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差結(jié)果,共得到3個(gè)峰(即標(biāo)準(zhǔn)偏差較大的粒徑區(qū)間):峰1對(duì)應(yīng)的粒徑為245.2μm;峰2對(duì)應(yīng)的粒徑為72.9μm;峰3對(duì)應(yīng)的粒徑為6.5μm。其中,峰1的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大,表明粗顆粒組分在研究沉積物中含量變化最大。峰2代表了細(xì)粉砂組分,含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差大于2。峰3代表了細(xì)顆粒組分,3.7～26.1μm粒徑區(qū)間含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差差別不大,指示了黏土-中粉砂對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)。對(duì)各個(gè)沉積單元分別進(jìn)行粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差分析,并將其進(jìn)行歸一化處理。結(jié)果顯示,除了單元2的主要敏感組分為細(xì)粉砂外,各單元的粗顆粒組分仍為主要敏感組分。單元5含有一個(gè)更粗的敏感組分,對(duì)應(yīng)粒徑為623.3μm。海相單元(單元1、單元3和單元5)的細(xì)顆粒敏感組分的標(biāo)準(zhǔn)偏差普遍小于下伏陸相單元,單元5和單元6尤為明顯。

圖6 LZK06孔沉積物粒徑-標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線Fig.6 Grain-size-standard deviation curves for the sediments in the core LZK06

4 討 論

4.1 沉積水動(dòng)力變化

沉積物粒度特征反映了沉積水動(dòng)力的變化。首先,沉積物的頻率分布曲線顯示,渤海北岸沉積物主要受較強(qiáng)水動(dòng)力搬運(yùn)的影響,粗顆粒組分的含量較高。大凌河水動(dòng)力強(qiáng),攜沙量巨大,多年平均含沙量為13.3 kg/m3,是世界上攜沙量較大的河流[35]。大凌河水動(dòng)力的變化影響了物質(zhì)輸運(yùn)量和粒度。此外,LZK06孔位于大凌河的沖積平原,沉積物被搬運(yùn)到遼東灣北岸后迅速沉積下來(lái),導(dǎo)致本研究區(qū)沉積物粒度值明顯高于渤海另外2個(gè)海灣。其中,LZK06孔海相沉積物頻率分布曲線的細(xì)尾含量普遍小于下伏陸相沉積物頻率分布曲線的細(xì)尾含量,海相沉積物大致要略粗于下伏陸相沉積物。粗顆粒沉積物的分選變化較大,指示了強(qiáng)水動(dòng)力且動(dòng)蕩的沉積環(huán)境。而沉積物的粒徑接近6Ф時(shí),沉積物的分選系數(shù)趨向收斂,平均粒徑和分選系數(shù)的負(fù)相關(guān)關(guān)系表明了細(xì)顆粒沉積受弱且穩(wěn)定的水動(dòng)力控制。而這一現(xiàn)象均在萊州灣、遼東灣和渤海灣的第四紀(jì)鉆孔沉積物中出現(xiàn)。全球海平面變化導(dǎo)致了在30萬(wàn)a以來(lái)的海岸帶地層中出現(xiàn)了明顯的海陸相交互沉積。但是,在同樣海平面變化背景下,渤海不同海灣第四紀(jì)沉積物的粒度特征出現(xiàn)了顯著差異,這可能與入海河流的物質(zhì)輸運(yùn)特點(diǎn)及沉積古環(huán)境有關(guān)。當(dāng)發(fā)生海侵時(shí),海平面的上升創(chuàng)造了巨大的可容空間。LZK06孔沉積物粒度結(jié)果顯示,海相沉積物粒度較粗(＜4Ф),且沉積物分選變化較大,指示了動(dòng)蕩的沉積水動(dòng)力環(huán)境。這可能指示了海相沉積物主要受控于大凌河較強(qiáng)水動(dòng)力,而波浪、潮汐等營(yíng)力對(duì)沉積物的后期改造作用較小。陸相沉積物粒度整體略細(xì),且平均粒徑等參數(shù)變化范圍較大。這可能對(duì)應(yīng)了河流沉積環(huán)境的不同。在陸相沉積單元4和單元6中,沉積物以粗顆粒為主,分選較差?？赡苤甘玖撕拥莱练e的環(huán)境;而在陸相沉積單元2中,沉積物以細(xì)顆粒的粉砂、黏土為主,指示河流沉積營(yíng)力減弱,隨著粒度變細(xì)分選變好。粒度特征可能對(duì)應(yīng)了河漫灘沉積。粒度頻率分布曲線、粒度參數(shù)及散點(diǎn)圖反映的沉積營(yíng)力變化規(guī)律得到了敏感粒度組分特征的支持。敏感粒度組分的分析結(jié)果表明,第一敏感粒度組分為粗顆粒,峰值為245.2μm,反映了強(qiáng)水動(dòng)力及對(duì)應(yīng)的物質(zhì)輸運(yùn)量是影響研究區(qū)沉積粒度變化的主要因素。LZK06孔粒度的垂向變化可能反映了25萬(wàn)a以來(lái)大凌河水動(dòng)力的變化。對(duì)比海相、陸相地層沉積物的敏感粒度組分可知,由陸相轉(zhuǎn)為海相時(shí),沉積物的中、細(xì)顆粒敏感組分(峰2和峰3)標(biāo)準(zhǔn)偏差降低,指示了陸相沉積物的中細(xì)顆粒組分對(duì)環(huán)境變化有較好的響應(yīng);而海相沉積物整體上受較強(qiáng)水動(dòng)力影響。

4.2 25萬(wàn)a來(lái)渤海北岸沉積環(huán)境演化

作為渤海最北側(cè)的半封閉海灣,已有地層學(xué)和年代學(xué)研究結(jié)果表明渤海北岸反映了和渤海其他2個(gè)海灣一致的海平面變化趨勢(shì)[7,11,14]。已發(fā)表的年代學(xué)框架證實(shí),25萬(wàn)a以來(lái)渤海北岸的3次主要海侵發(fā)生在MIS 7、MIS 5和MIS 1[10]。遼東灣海域地層學(xué)研究也證實(shí)了遼東灣的第二次海侵并未發(fā)生在MIS 3階段[25]。LZK06孔上部60 m沉積物記錄了25萬(wàn)a以來(lái)渤海北岸大凌河沖積平原的環(huán)境演化。在約20—25萬(wàn)a,研究區(qū)以河流相沉積為主,水動(dòng)力較強(qiáng);該時(shí)期處于倒數(shù)第三次冰期(MIS 8),植被覆蓋相對(duì)較少,河流攜砂量較大,沉積環(huán)境震蕩,沉積物以粗顆粒為主要成分。而在約20萬(wàn)a左右,全球氣候轉(zhuǎn)暖,發(fā)生了一次明顯的海侵事件,形成了以埋藏貝殼為指示的淺海相地層。這與已有研究成果表明的渤海古湖向海陸交互的半開(kāi)放內(nèi)海一致[11]。LZK06孔沉積物粒度反映了河流沉積水動(dòng)力強(qiáng),且受到潮流和波浪后期改造作用的影響,分選較下伏陸相沉積單元的沉積物略好。在倒數(shù)第二次冰期(約12-20萬(wàn)a,MIS 6階段),渤海北岸沉積了河流相沉積物,與下伏陸相沉積單元類似,沉積水動(dòng)力較強(qiáng);粉砂含量為主的夾層可能對(duì)應(yīng)了的一次相對(duì)的變暖時(shí)期,也可能對(duì)應(yīng)了河道變遷過(guò)程。在約12萬(wàn)a,渤海發(fā)生了第二次海侵事件,形成了牡蠣貝殼富集的海相層。沉積物粒度較粗,分選較好。而在該層上部雖然出現(xiàn)了埋藏貝殼,其光釋光年齡為約5萬(wàn)a,AMS14C年齡大于4萬(wàn)a,可能指示了MIS 3時(shí)期。但是,該地層的埋藏貝殼以淡水、咸水種混合為特點(diǎn),且古高程恢復(fù)結(jié)果顯示,當(dāng)時(shí)的沉積高程遠(yuǎn)高于渤海的海平面高度(圖7)。粒度測(cè)試結(jié)果顯示該段沉積物粒度相對(duì)較細(xì),且分選較差,與下伏陸相沉積單元粒度特征類似。因此,推測(cè)該階段應(yīng)為第二次海侵后的一段滯留沉積。單元3上部沉積物顯示了MIS 5階段海侵后,渤海北岸一直處于陸相沉積階段。年代框架顯示在34-17 ka,渤海北岸處于低速沉積或沉積間斷時(shí)期,物質(zhì)輸運(yùn)量減少,河流下切作用明顯。進(jìn)入末次冰消期,河流沉積作用逐漸增強(qiáng)。進(jìn)入全新世階段后,受到中全新世暖期的影響,大凌河上游植被覆蓋良好,大凌河物質(zhì)輸運(yùn)量較少;研究區(qū)處于淺海震蕩環(huán)境。而進(jìn)入晚全新世,受到氣候變冷的影響,大凌河上游水土流失嚴(yán)重,物質(zhì)輸運(yùn)量激增,導(dǎo)致了海岸線迅速向海后退,大凌河沖積平原擴(kuò)張。

在渤海地區(qū),若干具有AMS14C和光釋光年齡框架制約的海岸帶鉆孔為深入探究粒度特征對(duì)沉積環(huán)境的響應(yīng)提供了可對(duì)比的材料(圖7)。其中,取自渤海灣的BT114孔和萊州灣的Lz908孔沉積物均記錄了3次海陸相轉(zhuǎn)換的過(guò)程[11,14]。上述兩孔的地層和年代學(xué)結(jié)果與LZK06孔可對(duì)比。Lz908孔所在區(qū)域沉積過(guò)程主要受控于彌河等河流,河流發(fā)源于魯中山區(qū),河流長(zhǎng)度較短,流域面積較小,與渤海北岸大凌河具有相似性。BT114孔所在區(qū)域沉積則主要受海河和黃河的控制,河流長(zhǎng)度較長(zhǎng),流域面積較大。30萬(wàn)a以來(lái),全球氣候在間冰期變暖,海平面上升,易發(fā)生海侵;陸域植被覆蓋度增加,水土流失程度減弱,因此物質(zhì)輸運(yùn)量趨于減少。在冰期,陸域植被覆蓋率減少,物質(zhì)輸運(yùn)量增加。BT114孔海相層沉積物與上下陸相地層相比較細(xì),與冰期—間冰期河流沉積特點(diǎn)相符合。而Lz908孔和LZK06孔海相沉積物普遍較粗。這可能與兩孔受控于山溪性河流有關(guān)。一方面,短途河流沉積物未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)程搬運(yùn),沉積物的粒度組成復(fù)雜;另一方面,河流短期的增水事件極有可能導(dǎo)致大量粗粒沉積物在淺海地區(qū)沉積下來(lái)。例如,LZK06孔揭示了全新世階段大凌河存在沉積通量的巨大變化。在早中全新世大凌河物質(zhì)輸運(yùn)量較少,大凌河沖積平原僅分布在出山口;而在最近1 000 a,大凌河的沉積物通量迅速增加,這種突變與發(fā)生在距今約1 000 a的頻繁洪水事件有很好的對(duì)應(yīng)[23]。綜上,渤海海岸地區(qū)的沉積過(guò)程可能主要受控于古氣候背景下的河流沉積作用,而在高海面階段,海洋沉積營(yíng)力對(duì)沉積物起到一定的改造作用。

圖7 渤海海岸中晚第四紀(jì)典型鉆孔沉積物對(duì)比及其與全球海平面變化的對(duì)應(yīng)[16]Fig.7 Comparison between typical core sediments along the Bohai Coast,and their correlation with the global sea-level[16]

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用渤海北岸LZK06孔上部60 m第四紀(jì)鉆孔沉積物為研究對(duì)象,進(jìn)行了粒度測(cè)試和分析,研究了粒度特征變化,探討了粒度對(duì)沉積水動(dòng)力和環(huán)境演化的指示意義。研究表明,與渤海其他海灣沉積物相比LZK06孔沉積物粒度最粗,反映了渤海北岸大凌河沖積平原的沉積水動(dòng)力較強(qiáng)。相比于下伏陸相地層沉積物,海相沉積物的粒度略粗,且受到潮流、波浪的改造,分選較好;陸相沉積物粒度變化可能對(duì)應(yīng)了不同的河流沉積環(huán)境。通過(guò)海陸相沉積物粒度特征對(duì)比,在古氣候變化背景下的大凌河沉積水動(dòng)力強(qiáng)度和攜沙量變化是研究區(qū)粒度特征變化的主控因素;淺海沉積環(huán)境對(duì)沉積物粒度起到后期改造作用。