深沪湾末次冰期以来的地层结构及古环境演变.pdf

第 卷 第 期应 用 海 洋 学 学 报，年 月 ，深沪湾末次冰期以来的地层结构及古环境演变王恒波，李海东，张汉女，钟贵才，许 江 收稿日期：资助项目：自然资源部第三海洋研究所基本科研业务费专项资金（海三科）作者简介：王恒波（），男，硕士，高级工程师；：（自然资源部第三海洋研究所，福建 厦门）摘要：通过深沪湾高分辨率浅地层剖面声学地层和地质钻孔沉积地层的对比，并结合沉积物的粒度、微体古生物以及 测年的综合分析，揭示了研究区晚更新世末次冰期以来的地层层序，探讨了深沪湾的古环境演变。深沪湾高分辨率浅地层剖面自上而下划分的 个声学地层单元与钻孔岩芯划分的 个沉积地层单元具有较好的对应关系。左右，全新世海侵使得海水进入深沪湾海域，海平面低于现今海平面 ，气候凉爽；左右海水到达现今海平面位置，并于 左右到达最高，约比现今海平面高 ，气候温暖湿润，这一时期，近岸大量裸子植物被海水淹没并被沉积物快速掩埋；研究区温度降低，该降温活动持续到 左右，气候凉爽干燥；以来温度逐渐上升，左右有一个相对冷期，之后温度又逐渐上升至现今水平。关键词：海洋地质学；浅地层剖面；沉积层序；末次冰期；古环境；深沪湾：中图分类号：文献标识码：文章编号：（）深沪湾位于台湾海峡西岸中段，湾口朝东，开口较大，口门宽约 ，海湾形状呈肾状。深沪湾晚更新世沉积相类型多且分布较集中，保留有较完整的第四纪海相、陆相及海陆交互相沉积，潮间带出露大片的晚更新世海相生物沉积及早全新世古森林遗迹，为海侵及古气候和环境演变的研究提供了很好的材料。自 年徐起浩在该海湾潮间带发现古森林遗迹以来，许多学者对海底古森林以及相关的古气候环境进行了较多的研究。这些研究多集中于滨海沉积相等的研究，对深沪湾水下部分的研究较少。近年来，以全球变化的科学理论为基础，采用地质与地球物理相结合的方法进行陆架海区的研究已逐渐成为主流，该方法通过对高分辨率浅地层剖面和地质钻孔相关的沉积学、年代地层学、微体古生物学等资料的综合分析，对陆架区的第四纪地层以及古气候环境进行重建，进而揭示全球海平面变化的区域响应。本研究通过高分辨率浅地层剖面数据的相关分析，对典型声学地层进行划分，并结合钻孔沉积物的粒度、微体古生物以及 测年数据，研究了深沪湾晚更新世末次冰期以来的地层结构，划分了深沪湾地层层序，探讨了深沪湾古环境演变，可为古气候和海平面变化等研究提供参考。材料与方法 年 月在深沪湾海域采集了 的浅地层剖面数据（图）。海上作业定位采用美国 公司制造的亚米级 导航定位系统，该系统的定位精度小于 。浅地层剖面数据采集使用美国 公司生产的 浅地层剖面系统，脉冲类型为 、，脉冲发射频率为。海上测量船速控制在 以下，正常情况下，偏航距小于，统一采用 的声学平均速度进行时深转换。钻孔（图）采用 型钻机于 年 月采集，位于深沪湾口门外侧（，），岩芯长 ，在室内对岩芯进行了详细描述和精细分样。大致以 间隔选取 钻孔不同层位沉 期王恒波，等：深沪湾末次冰期以来的地层结构及古环境演变 积物样品共 个在自然资源部第三海洋研究所进行粒度和硅藻分析。粒度分析时称取烘干后的样品约 ，加入 去离子水和 （质量分数，下同）的 室温反应 ，去除有机质。之后用 的盐酸进行浸泡处理去除碳酸盐。然后加入六偏磷酸钠溶液静置 ，最后经超声振荡后用 型激光粒度分析仪进行上机测试，测量范围为 ，其粒级分辨率为 （，其中 为颗粒粒径，单位为），相对误差小于。采用矩法对粒度分析结果进行计算，得到沉积物的平均粒径（）、偏态（）、峰态（）以及分选系数（）等粒度参数。硅藻分析将样品制成固定薄片，在 光学显微镜下进行鉴定和统计，每个样品鉴定和统计硅藻壳体 粒左右，不足者以统计 张标准片为准。此外，选取 个沉积物中的贝壳样品在美国 实验室完成 测年（表），利用 软件进行日历年龄校正，由于周边海域没有相关的碳库年龄数据，以全球海洋平均碳库年龄作为碳库校正值。图 深沪湾浅地层剖面测线及钻孔位置 表 柱状沉积物 测年结果 样品编号深度 样品类型 年龄 日历年龄 贝壳 贝壳 贝壳 贝壳 贝壳 贝壳 结果与讨论 地震地层结构根据浅地层剖面界面反射特征，识别出 个主要的地震反射界面，自上而下分别为 至，划分 个地震地层单元，自上到下分别为 至（图、）。：位于反射界面 和 之间，下超于，应 用 海 洋 学 学 报 卷振幅较弱，为半透明地震相，内部层结构较少，该沉积单元为深沪湾最年轻的一套地层，连续性较好，厚度为 。图 深沪湾 向典型浅地层剖面 图 深沪湾 向过 孔典型浅地层剖面 ：位于反射界面 和 之间，与、呈整合接触关系，振幅较强，内部分层在湾外较好，为平行、亚平行结构，在湾内结构不明显。该层在研究区内普遍存在，连续性较好，厚度为 。：位于反射界面 和 之间，与 呈整合接触关系，与 呈不整合接触，振幅较弱，为半透明地震相，内部无分层，界线不明显，地层仅在湾口深水区存在，在近岸浅水区缺失，厚度较薄，为。：位于反射界面、和 之间，与上覆、呈不整合接触关系，与下伏 呈整合或假整合关系，振幅较弱，内部分层较少，该沉积单元近岸较薄或缺失，远岸较厚，厚度在 之间，是一套向岸进积的地层。：位于反射界面 和 之间，与上覆地层 呈整合接触关系，与下伏地层呈不整合关系，振幅较弱，为透明、半透明地震相，局部可见下切河道充填。沉积地层结构根据沉积物岩性、粒度特征以及硅藻组合特征，钻孔可以分为 个沉积地层单元，从上到下依次为、，钻孔沉积地层的划分与本研究浅地层剖面的声学地层存在良好的对应关系。（）：对应声学地层单元，该段岩性主要为黑色、深灰色粉砂。沉积物成分以粉砂（平均含量为，下同）为主，粘土（）次之，砂含量较少（）。平均粒径介于（图）；频率分布曲线（图）主要呈单峰特征，众数为 ，主要是极细粉砂组分；概率累积曲线（图）主要呈二段式，以跃移组分为主，含量在 左右，基本无推移组分，悬移组分占 左右。该段硅藻含量非常低，所含硅藻种类也较少，主要为波状辐裥藻（）、小眼圆筛藻（）、具槽帕拉藻（）和范氏圆箱藻（）。总硅藻丰度介于 粒（图，第硅藻组合带）。该段硅藻以温带咸水种为主，硅藻丰度比下伏沉积层大幅度降低，种类减少，结合下伏地层测年数据，推测该段时期气温比前一时期有所降低，对应全新世以 期王恒波，等：深沪湾末次冰期以来的地层结构及古环境演变 来的浅海相沉积。图 孔沉积物组分类型和粒度参数 （）：对应声学地层单元，岩 性 为 深 灰 色 粉 砂。沉 积 物 成 分 以 粉 砂（）为主，粘土（）次之，砂含量较少（）。该段平均粒径介于 ，分选系数为 ，分选较差差，偏态为，为近对称的分布形态，峰度值为 ，属中等（图）；频率分布曲线（图）主要呈双峰特征，主峰尖锐，众数为 ，主要组分为极细粉砂，次峰接近平坦，不突出，众数为 ，对应着砂组分；概率累计曲线（图）呈三段式，主要为悬移组分，含量在 之间，跃移组分占 ，悬移组分在 以下。该段硅藻以温带种具槽帕拉藻、波状辐裥藻和范氏圆箱藻为主，另外该段含有较多的柱状小环藻（）。硅 藻 丰 度 为 粒，平均为 粒。硅藻绝对丰度较高（图，第硅藻组合带）。该段、与 处 年 龄 分 别 为 、与 ，测年数据在 处出现倒置，原因可能是潮汐或风暴导致沉积物再悬浮，或者是外部物质流入。该段硅藻以温带咸水种、半咸水种为主，丰度较高，且种类较多，推测该段时期气候温暖，处于浅海沉积环境，由频率曲线为双峰特征，推测受海洋和河流双重水动力影响，以海洋水动力为主。（）：对应声学地层单元，岩性主要为深灰色砂质粉砂。沉积物成分以粉砂（）为主，砂（）次之，粘土含量较少（）。该段平均粒径为 ，分选系数介于 之间，分选差，偏态为，为近对称分布，峰度值为 ，属于很窄中等（图）；该段频率分布曲线（图）以双峰特征为主，两峰相当，主峰稍平坦，众数为 ，对应的是极细粉砂组分，次峰相对较尖锐，众数为，以砂组分为主；概率累计曲线（图）呈二段式，以悬移组分为主，悬移组分含量在 之间，跃移组分占 ，且分为两段，反映了受不同方向的两个水动力影响，无推移组分。该段硅藻以温带近岸种具槽帕拉藻和范氏圆箱藻、柱状小环藻为主，硅藻丰度值高于 和，低于 和，为 粒，平均为 粒。硅藻绝对丰度较低（图，第硅藻组合带）。该段 处 年龄为 。该段硅藻以温带咸水种、半咸水种为主，丰度相对较低，推测该时期温度相对较低，处于滨海沉积环境，受海洋和河流双重水动力 应 用 海 洋 学 学 报 卷影响，以海洋水动力为主。（）：对应声学地层单元，岩性主要为灰色粉砂质砂，含砂质粉砂夹层。该段平均粒径为 ，分选系数在 之间，分选差，偏态为，为近对称正偏的分布形态，峰度值为，属很窄（图）；频率分布曲线（图）主要为双峰特征，主峰相对较尖锐，众数为 ，以砂组分为主，次峰相对平坦，众数为，对应的是极细粉砂组分；概率累计曲线（图）呈二段式，主要为跃移组分，其含量在 之间，悬移组分占，无推移组分。该段硅藻以波状辐裥藻、具槽帕拉藻和范氏圆箱藻为主，硅藻丰度为 粒，平均为 粒，硅藻丰度在整个柱样中最高（图，第硅藻组合带）；该段 处 年龄为 。该段硅藻以温带咸水、半咸水种为主，丰度最高，种类最多，推测该时期处于浅海沉积环境，温度处于历史上的一个高值，受海洋和河流双重水动力影响，水量充足。图 孔沉积单元样品频率分布曲线 （）：对应声学地层单元，岩性主要为浅灰色中细砂、粉砂质砂和砂质粉砂。沉积物成分以砂（）为主，粉砂（）次之，粘土含量较少（），该段平均粒径介于，以砂为主。分选系数介于 ，分选为较差差，偏态为，为近对称正偏的分布形态，峰度值介于，属于很窄中等（图）；频率分布曲线（图）呈三峰特征，主峰尖锐，众数为 ，主要组分为砂，次峰相对较尖锐，众数为 ，以砂组分为主；三峰稍平坦，众数为 ，对应的是极细粉砂组分；概率累计曲线（图）大致呈二段式，主要为跃移组分，其含量在 之间，悬移组分占 ，基本无推移组分。该段硅藻含量非常少，几乎不含波状辐裥藻、柱状小环藻等温带咸水种和半咸水种，硅藻丰度为 粒，平均为 粒，硅藻绝对丰度低（图，第硅藻组合带）。该段 处 测年为 。综合以上信息，判断该段处于河口潮坪环境，受多重水动力影响，温度较低，处于历史上的一个低温环境。期王恒波，等：深沪湾末次冰期以来的地层结构及古环境演变 图 孔沉积单元样品概率累计曲线 图 柱样硅藻丰度和优势种含量变化图 末次冰期以来的古环境演变 全球进入晚更新世末次冰期海平面快速下降阶段，大约 进入末次冰期最低海平面时期，海平面大致位于现今海面 应 用 海 洋 学 学 报 卷以下，全球气候普遍寒冷干燥，研究区处于相对低纬度地区，海平面下降得会晚一些，根据前人对深沪湾潮间带出露的晚更新世宽广的古牡蛎礁的研究，其牡蛎贝壳年龄主要为 ，推测 以后，海水才完全退出深沪湾区域，温度比高纬度地区稍高，气候凉爽干燥。进入全新世，全球气温回暖，海平面开始上升，根据 钻孔测年结果，深沪湾湾口在 已经处于河口滨海沉积环境，据此推测，海水在约 进入深沪湾。根据高分辨率浅地层资料，推测当时海平面比现在海平面低。此时研究区气候仍比现在稍低，处于温凉气候，深沪湾顶位置仍然生长大量油杉（）等裸子植物。伴随气温的回升，研究区水动力作用较强，较强河流和潮汐动力作用使得湾口多砂质沉积，硅藻绝对丰度较低（对应 层）。，福建省海侵达到最大范围，研究区海平面高出现今海平面 ，由于海平面迅速上升，水量充足，沉积物迅速沉积，沉积速率较高，之后海平面维持稳定并稍有回落，该时期气候温暖湿润，气温处于地质历史上一个高值，水动力稳定，湾口沉积物以粉砂为主，硅藻绝对丰度也达到历史最高值（对应第硅藻组合带）。这一时期，湾顶处油杉等裸子植物被海水淹没，并被沉积物迅速掩埋，地震作用和河流的加积作用或许是导致这一现象的原因，。寒冷事件是全新世大范围降温事件，该极冷事件在北半球中、低纬度地区主要表现为干旱的气候条件，但是这次降温事件并没有立即恢复暖湿，在中国一直持续了 多年的干旱期，从而导致中国新石器文化的衰落。根据沉积硅藻分析，研究区于 已经处于一个降温环境，降 温 持 续 到 左 右，期 间 经 历 了 寒冷事件。该时期海平面下降，气候凉爽干燥，但海水并没有退出深沪湾，海平面降至略低于现今海平面位置，河流水量较小，沉积作用明显降低，硅藻绝对丰度降低（对应第硅藻组合带），粘土矿物高岭石含量降低。结合 测 年 和 沉 积 硅 藻 分 析，大 约 以来，温度逐渐回升，海平面逐渐上升至现今海平面高度，沉积作用明显加强，温度偶有波动，在 左右有一个相对冷期（对应第硅藻组合带），之后温度又逐渐上升，与现今温度持平。结论（）深沪湾晚第四纪以来的地层自上而下划定了 个声学地层界面以及介于上述界面之间具有层序意义的 个声学地层单元（、），划分的 个声学地层单元与钻孔划分的 个沉积地层单元（、）具有良好的对应关系。（）研究区的沉积单元和地震单元记录了晚更新世末次冰期特别是 多年以来的沉积记录，揭示了研究区的古气候环境演变。距今 多年，全新世海侵使得海水进入深沪湾海域，此时，深沪湾湾口处于河口滨海沉积环境，海平面低于现今海平面 ，气候凉爽；左右，海侵达到最大范围，研究区海平面高出现今海平面，气候温暖湿润，这一时期，近岸大量裸子植物沉没入海底并被快速掩埋；研究区于 已处于降温环境，该降温活动持续到 左右，该时期水动力较弱，气候凉爽干燥；以来温度逐渐上升，左右有一个相对冷期，之后温度又逐渐上升，与现今温度持平。致谢：感谢自然资源部第三海洋研究所陈敏正高级工程师、王凤助理研究员、蒋敏助理工程师、黄思添助理工程师在样品测试中给予的帮助。参考文献：方世明，李江风，李丹阳 福建深沪湾地学旅游资源及其科学价值评价 海洋科学，（）：，（）：马明明，刘秀铭，周国华，等 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