晚更新世江蘇海岸帶沉積分布模擬研究

于　革　葉良濤,2,3　廖夢(mèng)娜,2

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所　南京　210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)　北京　100049；3.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院　安徽　蕪湖　241000)

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晚更新世江蘇海岸帶沉積分布模擬研究

于革1葉良濤1,2,3廖夢(mèng)娜1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院南京地理與湖泊研究所南京210008；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)北京100049；3.安徽師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院安徽蕪湖241000)

中國(guó)邊緣海大陸架在晚更新世時(shí)期曾是海岸平原，在古長(zhǎng)江、古黃河泥沙填充下形成了陸架堆積體，并在全新世發(fā)育了南黃海輻射沙脊群、廢黃河三角洲和長(zhǎng)江三角洲。根據(jù)點(diǎn)狀的地質(zhì)鉆孔分析和重建，對(duì)南黃?！K海岸的沉積體系的分布和變化機(jī)制尚不明了。作為動(dòng)力機(jī)制探討，基于氣候—海面—沉積系統(tǒng)，根據(jù)氣候水文學(xué)、沉積學(xué)原理以及泥沙沉積面的動(dòng)態(tài)高程計(jì)算，構(gòu)建了氣候冰川驅(qū)動(dòng)—東黃海地海系統(tǒng)響應(yīng)—河流沉積建造的數(shù)值模式，模擬了14萬(wàn)年、4萬(wàn)年和1萬(wàn)年不同時(shí)間尺度江蘇海岸線和長(zhǎng)江三角洲沉積的變化過(guò)程和分布，進(jìn)而對(duì)冰川氣候、構(gòu)造沉降、沉積壓實(shí)等復(fù)雜效應(yīng)下的海面特征、陸源泥沙沉積和海岸線進(jìn)行分析。模擬結(jié)果與地質(zhì)鉆孔資料揭示的層序和埋深能夠進(jìn)行對(duì)比。

氣候冰川沉積海面河流輸沙海岸—河口地理分布數(shù)值模擬

0　引言

中國(guó)邊緣海大陸架在晚更新世時(shí)期曾是海岸平原，在古長(zhǎng)江、古黃河泥沙填充下形成了陸架堆積體，并在全新世發(fā)育了南黃海輻射沙脊群、廢黃河三角洲和長(zhǎng)江三角洲[1-2]。關(guān)于古長(zhǎng)江三角洲的核心—南黃海輻射沙脊群，早在1957年就有研究發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江口外水下地形呈扇形分布的古代水下三角洲，前緣水深-50m，平面中心在32.3°N，面積為7 000km2[3]。此后五十多年以來(lái)，不斷有新的發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)。到21世紀(jì)，根據(jù)區(qū)域的地質(zhì)鉆孔，揭示了南黃海輻射沙脊群水深0～25m，以瓊港(32°40′N，120°54′E)為中心，褶扇狀向海展布，面積22 470km2。并認(rèn)為黃洋沙潮流通道是古長(zhǎng)江河谷，沉積體形成的時(shí)代成早于43kaB.P.[2,4]。然而，根據(jù)點(diǎn)狀分布的地質(zhì)鉆孔分析和重建，對(duì)南黃?！K海岸的沉積體系和演變的分布、規(guī)模以及機(jī)制尚不明了。陸上海侵層難以保存，重建的海面低于現(xiàn)代海面15～50m，它的海岸線在哪里？大河三角洲沉積位置受沉積基準(zhǔn)面控制，由于時(shí)間上鉆孔地層不連續(xù)、空間上海侵層不連續(xù)，特別是沉積和侵蝕基準(zhǔn)面不清楚，末次冰期古長(zhǎng)江的河口沉積在哪里？此外，大河三角洲沉積通量受到陸源泥沙控制，而泥沙受到流域侵蝕環(huán)境和搬運(yùn)水動(dòng)力制約，在冰期和間冰期中，氣候降水變化懸殊，影響著入海泥沙量。晚更新世以來(lái)的三角洲建造和泥沙沉積與現(xiàn)代有何差異？

本研究擬進(jìn)行論證和機(jī)制探索。由于沉積體系是多種過(guò)程的產(chǎn)物，動(dòng)力過(guò)程與沉積記錄的關(guān)系十分復(fù)雜。采用物理機(jī)制進(jìn)行模擬，已成為過(guò)去20多年來(lái)包括STRATAFORM在內(nèi)的多個(gè)國(guó)際合作項(xiàng)目研究的重要內(nèi)容[5-6]。在對(duì)現(xiàn)代海洋、海岸沉積模型的基礎(chǔ)上，一些學(xué)者應(yīng)用到不同地質(zhì)時(shí)間尺度的邊緣海、海岸河口以及三角洲沉積進(jìn)行數(shù)值模擬。例如對(duì)晚第三紀(jì)[7]、末次冰盛期[8]、末次冰消期[9]以及過(guò)去1 000年[10]等不同時(shí)期的模擬嘗試，獲得了對(duì)這些重大氣候期沉積體系演變的機(jī)理認(rèn)識(shí)。由此，本文在前人基于氣候—海面—沉積系統(tǒng)的概念模型、動(dòng)力模型研究基礎(chǔ)上，根據(jù)氣候水文學(xué)、沉積學(xué)等原理以及泥沙沉積的動(dòng)態(tài)高程計(jì)算，構(gòu)建氣候冰川驅(qū)動(dòng)—東黃海地海系統(tǒng)響應(yīng)—河流沉積建造的數(shù)值模式，模擬冰川氣候、構(gòu)造沉降、沉積壓實(shí)等復(fù)雜效應(yīng)下的海面特征、陸源泥沙沉積和海岸線分布，從動(dòng)力學(xué)機(jī)制上揭示南黃海海岸沉積演變。

1　模式架構(gòu)

首先基于能量守恒定律和質(zhì)量守恒原理，構(gòu)建冰川型海面變化模式，模擬晚更新世以來(lái)不同氣候期南黃海—江蘇海岸岸線變化和空間格局，分析制約海面與氣候相關(guān)點(diǎn)與突變點(diǎn)，以度量和刻畫(huà)太平洋邊緣海海面變化過(guò)程和特征。其次，基于水沙沉積動(dòng)力學(xué)和地貌高程學(xué)原理，構(gòu)建沉積物表層高程和物質(zhì)輸移模式，計(jì)算潮流海岸和三角洲海岸沉積通量變化，對(duì)廢黃河三角洲、江蘇潮灘和長(zhǎng)江三角洲不同類型海岸的沉積過(guò)程進(jìn)行模擬。最后，在地質(zhì)資料重建的海岸線設(shè)置的邊界場(chǎng)上，應(yīng)用于晚更新世以來(lái)南黃?！K海岸地質(zhì)時(shí)期海面變化和沉積分布模擬。

該系統(tǒng)從全球海面變化模式(模式1)到江蘇海岸—長(zhǎng)江三角洲沉積模式(模式2)分別進(jìn)行運(yùn)算，疊置海岸邊界條件后模擬海岸和三角洲的變化分布和過(guò)程。多地質(zhì)鉆孔的地層層序提供了沉積速率以及分布特征，被用來(lái)驗(yàn)證模擬晚更新世地質(zhì)海岸邊界下的江蘇海岸—長(zhǎng)江三角洲沉積通量變化。模式流程見(jiàn)圖1。

圖1　海面—沉積模式流程圖Fig.1　Flow chart of sea level and depositional model

模式1的第一模塊盡管是以全球尺度進(jìn)行從輻射到冰量和水量模擬，但以點(diǎn)模式(0維模式)模擬。其結(jié)果驅(qū)動(dòng)具有三維空間的第二模塊運(yùn)行，在地形場(chǎng)(東黃海沉積后期海面效應(yīng)模塊)上模擬海面變化，其時(shí)間尺度采用了0.25ka步長(zhǎng)模擬。模式2對(duì)沉積物輸移和累積的模擬設(shè)置在東黃海地形場(chǎng)上，采用了0.25ka時(shí)間步長(zhǎng)。因此模式1和模式2在空間和時(shí)間尺度上能夠耦合。

2　模式功能設(shè)計(jì)

2.1冰川型海面—后期構(gòu)造沉積效應(yīng)模式

該模式基于物理學(xué)、氣候?qū)W和沉積學(xué)的基本原理，以輻射—?dú)夂蝌?qū)動(dòng)熱量與冰量熱力平衡、全球冰川型海面水量平衡、東黃海海面響應(yīng)等不同層次，構(gòu)建三個(gè)動(dòng)力模塊。

(1) 輻射—冰量熱量平衡模塊：根據(jù)全球太陽(yáng)輻射溫度的能量平衡的Planck輻射定律，計(jì)算溫度變化：

T=[S(1-α) /δA ]1/4

(1)

其中T是理論計(jì)算地表溫度，α是地表反射率，δ是Stefan-Boltzmann常數(shù)(5.67×10-8W/m2K4)，A是表面積(計(jì)算全球理論溫度采用5.1×1014m2)，S是太陽(yáng)輻射總量(1.74×1017W)。對(duì)晚更新世不同氣候期(冰期和間冰期)，根據(jù)陸面和海面面積變化，海陸采用不同的反射率計(jì)算。

其次，根據(jù)氣候狀況(溫度變化)和冰量(第四紀(jì)冰蓋變化)，采用冰融化能量平衡模式(能量=比熱×質(zhì)量×溫度變化)，計(jì)算溫度升高時(shí)吸收的熱量：

Q=CmΔT

(2)

其中，C是熱容量或比熱，水體比熱 Cw=4 100J/(kg·℃)，冰比熱 Ci=2 100J/(kg·℃)。m是冰質(zhì)量,kg，ΔT是冰體融化所吸收的溫度：ΔT=Ti-Tm，其中Ti冰溫度，Tm冰融化溫度(0℃)。根據(jù)溫度升高/降低時(shí)冰體吸收/釋放的熱量變化，針對(duì)晚更新世不同地質(zhì)時(shí)期期相對(duì)現(xiàn)代的變化，模擬從狀態(tài)1(地質(zhì)時(shí)期) 到狀態(tài)2(現(xiàn)代)在熱量恒定下冰體積的變化：

Cm1ΔT1=Cm2ΔT2

(3)

(2) 冰量—海水物質(zhì)平衡模塊

從冰量變化模擬海洋水體體積變化，擬采用全球固態(tài)水與液態(tài)水的水量物質(zhì)平衡：V=Vi+Vw，其中V是全球水體總量，Vi為固態(tài)水(冰量)，Vw為液態(tài)水。地質(zhì)時(shí)期可采用變化量計(jì)算，水量變化(%)和冰量變化(%)的總和為100%(V=1)。由于冰密度ρi與水密度差異(冰融化水后體積減小1/11)，固態(tài)水轉(zhuǎn)化液態(tài)水的增量ρiVi。獲得高程動(dòng)態(tài)變化的微分方程：

(4)

其中 h海面變化量,m，Vi受溫度控制的冰量(%)。ρi和ρw分別是冰密度與水密度。A(h)為模擬的海域面積，它是h的狀態(tài)函數(shù)。由此對(duì)微分方程(4)求數(shù)值解，獲得晚更新世水量變化以及不同冰量體積變化下海水體積變化。

(3) 東黃海沉積后期海面效應(yīng)模塊

依據(jù)海面與地面系統(tǒng)變化地質(zhì)學(xué)原理，分別對(duì)海侵層后期的海、陸升降效應(yīng)進(jìn)行模擬。地面系統(tǒng)(VL)與海面(VS)之間的相對(duì)海面變化(HR)，定義為古海面在沉積層中的位置[11]。它以高程計(jì)量，是冰川型海面(HS)與后期海、陸效應(yīng)(HL、HM)的平衡：HR=HS- (HL+HM)。

HS是冰量引起的海水體系變化，通過(guò)冰期—間冰期輻射與冰量能量轉(zhuǎn)換—冰量與水量的物質(zhì)平衡—地形響應(yīng)多層模式的模擬獲得。晚更新世不同氣候期(冰期和間冰期)的冰量模擬結(jié)果與現(xiàn)代相比為減少。

HL是陸面系統(tǒng)變化，主要考慮構(gòu)造沉降和沉積壓實(shí)兩個(gè)效應(yīng)：HL=HG+HP。其中HG是構(gòu)造沉降，其效應(yīng)使海侵層降低，相對(duì)海面增高；以現(xiàn)代百年級(jí)的沉降速率估計(jì)。HP為上覆沉積壓實(shí)作用，其效應(yīng)使海侵層降低，相對(duì)海面增高；以鉆孔巖芯層的孔隙率計(jì)算。

HM是海面系統(tǒng)變化，主要考慮海盆體積和陸源泥沙充填二個(gè)效應(yīng)：HM=HF+HB。其中HF為大陸河流泥沙充填邊緣海，其效應(yīng)使海洋容積減少、海面相對(duì)增高。HB是海盆構(gòu)造沉降，使海盆體積增大，引起海面相對(duì)降低。

綜合上述5個(gè)分量和變化方向，可計(jì)算古海面在沉積層中的位置：

HR=-HS-(HG+HP)-(HF-HB)

(5)

2.2晚更新世江蘇海岸—長(zhǎng)江三角洲沉積模式

當(dāng)沉積速率大于可容空間增速下，形成加積層序，依次向盆地方向進(jìn)積，形成高位體系域和低位前積楔狀體的沉積特征。理想三角洲沉積是指由陸向海的加積沉積(包括水下沉積和水上沉積)，一般是從三角洲和潮灘海岸頂點(diǎn)沉積物在河口水流、泥沙流和重力作用下向前推移和累積[12-13]。根據(jù)泥沙運(yùn)動(dòng)公式[14]，其垂向沉降的微分方程有：

(6-1)

(6-2)

在河流泥沙向海洋輸運(yùn)的加積作用下，泥沙沉積的分布過(guò)程可采用邏輯斯諦方程(Logistic)表達(dá)[8]：

(6-3)

其中，K為L(zhǎng)ogistic方程中半飽和系數(shù)，它在沉積過(guò)程中是與河口形態(tài)高差有關(guān)的參數(shù)，可采用參數(shù)率定。輸沙量受到流量和含沙量控制，而流量受到水動(dòng)力變化控制。在地質(zhì)時(shí)期，主要考慮受到流域降水變化的控制。因此，流量變率(Q)采用降水變率(P)相關(guān)：Q=α2P；泥沙變率采用流量變率相關(guān)Qsed=α3Q，進(jìn)一步用降水變率相關(guān)：Qsed=α3Q = α3α2P，其中α2與流量、α3與含沙量相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。上式成為：

(6-4)

(6-5)

3　邊界場(chǎng)資料處理和設(shè)置

3.1地形和海陸岸線

地形邊界條件根據(jù)中國(guó)東部大陸—東黃海等高/等深地形圖，GIS劃分格點(diǎn)(5×5經(jīng)緯格點(diǎn)精度的數(shù)值化)以計(jì)算逐米等深線面積，以多項(xiàng)式擬合變量為深度(m) 和面積(km2)函數(shù)，用于模式的狀態(tài)變量。在地形海拔高度-20～+10m范圍內(nèi)，以它占東中國(guó)?？偯娣e542 000km2的46.8%面積[15]，設(shè)置微分范圍和步長(zhǎng)。通過(guò)各個(gè)格點(diǎn)微分方程數(shù)值求解，獲得不同海拔高度對(duì)應(yīng)的水域面積(圖2)。

全新世中期以來(lái)海岸線作為模擬的動(dòng)態(tài)邊界條件，采用據(jù)江蘇沿海和南黃海記錄地質(zhì)鉆孔和海岸線分布的重建資料[1-4](圖3)。根據(jù)6kaB.P.、4.5kaB.P.、2kaB.P.、1.2kaB.P.以及歷史時(shí)期海岸線和河口不同時(shí)期的位置，進(jìn)行2D的同化處理，物理量綱為岸線的高程(m)。

圖2　東黃海精度5分的海底地形(a)及海面高度與海水體積變化關(guān)系(b)Fig.2　Gridded-topography in 5×5 minute resolution (a) and relations between sea level changes and sea water volume (b)

圖3　全新世不同時(shí)期江蘇海岸和長(zhǎng)江三角洲變化Fig.3　Changes in Yangtze delta and coastlines in Jiangsu during the Holocene

3.2邊界場(chǎng)和初始場(chǎng)設(shè)置

模式1的邊界場(chǎng)，采用了矢量形式的變量輸入，包括相對(duì)于現(xiàn)代的太陽(yáng)輻射變率、陸地冰量變率以及研究區(qū)域的降水變率。根據(jù)文獻(xiàn)綜述[16-17]和本文分析，設(shè)置了晚更新世(約140kaB.P.)以來(lái)的主要?dú)夂蚱诘娜蜉椛?、相?duì)現(xiàn)代的大陸冰量變化、研究區(qū)降水變化等邊界閾值。表1列出140kaB.P.以來(lái)主要?dú)夂蚱谶吔鐖?chǎng)閾值和相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。模式2邊界場(chǎng)主要是各個(gè)時(shí)期的海岸線分布，采用了地質(zhì)和沉積資料重建的全新世以來(lái)江蘇海岸線分布，以岸線的經(jīng)度、緯度相對(duì)0kaB.P.的位置表示。各個(gè)時(shí)期的岸線分布位置見(jiàn)圖3。

模擬試驗(yàn)的初始場(chǎng)和參數(shù)采用設(shè)置和率定獲得。模式1采用了平均區(qū)域構(gòu)造垂直升降速率、沉積物壓實(shí)率作為沉積后期高程變化的主要參數(shù)，系根據(jù)前人研究的成果設(shè)置[30-33]。模式2采用的海陸邊界高程差(H0)、與海岸和河口沉積高差、坡降有關(guān)的半飽和系數(shù)(K)，以及計(jì)算沉積通量的入海河流徑流量(Q)、入海河流輸沙量(Qsed)。由于區(qū)域地貌差異，劃分研究區(qū)為三段不同類型海岸：北部廢黃河三角洲、中部海岸潮灘和南部長(zhǎng)江三角洲，因此初始場(chǎng)分三段海岸設(shè)置。對(duì)6-4式中的參數(shù)，系根據(jù)多年的江蘇長(zhǎng)江河口段、廢黃河口段水沙資料擬合獲得。采用6-5式，當(dāng)t=1,2,…n年和年降水P=P1,P2…Pn時(shí)，設(shè)置了河口初始高程(H0)后，通過(guò)非線性最小二乘法擬合函數(shù)擬合獲得3個(gè)參數(shù)解。由于江蘇海岸中段水沙資料有限[1]，僅采用類比性設(shè)置。表2列出設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)和相應(yīng)的參考文獻(xiàn)。

表1　晚更新世以來(lái)主要?dú)夂蚱谶吔鐥l件設(shè)置

表2　初始場(chǎng)和參數(shù)設(shè)置

3.3沉積物埋深

多地質(zhì)鉆孔的地層層序[1-4,10,33-35]提供了沉積物埋深的實(shí)際情況，被用來(lái)驗(yàn)證模擬晚更新世地質(zhì)海岸邊界下的江蘇海岸—長(zhǎng)江三角洲沉積通量變化。根據(jù)鉆孔沉積物測(cè)定的年齡，劃分晚更新世以來(lái)的不同氣候特征期(35±3kaB.P.、21±3kaB.P.、15±1kaB.P.、12±1kaB.P.、10±1kaB.P.、8±1kaB.P.、6±1kaB.P.、4±0.7kaB.P.、2±0.5kaB.P.、1±0.3kaB.P.)為標(biāo)志性年代。采用鉆孔樣品年代和層序計(jì)算沉積速率，利用Kringe幾何數(shù)學(xué)方法做空間內(nèi)插，確定區(qū)域空間不同時(shí)代的沉積層厚度和埋藏(圖4)。這些鉆孔沉積物顯示了自4萬(wàn)年以來(lái)的分布特征，特別是在幾個(gè)變化顯著階段。在35kaB.P.時(shí)長(zhǎng)江三角洲北部是一個(gè)大海灣，在20kaB.P.時(shí)沉積重心自西向東遷移，到了10kaB.P.時(shí)瓊港外形成面狀沉積體，在6kaB.P.時(shí)候海岸沉積帶向西推進(jìn)。

4　模擬和驗(yàn)證

地質(zhì)時(shí)期的沉積物分布特征和過(guò)程，采用上述二個(gè)模式和一個(gè)動(dòng)態(tài)邊界場(chǎng)，時(shí)間總長(zhǎng)度140ka，步長(zhǎng)為0.25ka。采用模式1模擬冰期—間冰期海面，計(jì)算冰川型海面，并對(duì)后期構(gòu)造沉降、沉積物壓實(shí)等復(fù)雜效應(yīng)下的海面高度的時(shí)間序列。輸出物理量綱為海面垂直高度(m)。同時(shí)，采用模式2中模擬河流三角洲泥沙，系根據(jù)晚更新世長(zhǎng)江和黃河流域氣候經(jīng)歷了冰期和間冰期變化，導(dǎo)致降雨干濕并引起入海流量和泥沙巨大變化，驅(qū)動(dòng)陸源泥沙入海和海岸與河口沉積通量變化。輸出物理量綱是沉積物埋深(m)。

圖4　江蘇海岸沉積鉆孔晚更新世沉積物埋深分布a.徑向剖面；b.緯向剖面Fig.4　Longitudinal (a) and latitudinal (b) distributions of Pleistocene sediment depths from the Jiangsu coastal cores

根據(jù)黃海、東海的大陸與海底地形，沉積和構(gòu)造分量，模擬了140kaB.P. 以來(lái)區(qū)域冰川—沉積海面垂直變化，海面變化2D再現(xiàn)。模擬表明，當(dāng)海面在東黃海下降到-55m時(shí)，渤海海峽關(guān)閉。臺(tái)灣海峽在海面下降到-80m時(shí)關(guān)閉。當(dāng)海面達(dá)到-90m時(shí)，黃海成陸。在末次盛冰期的低海面(-145m)階段，對(duì)馬海峽關(guān)閉，整個(gè)東亞大陸的大陸架暴露成陸，海岸線向東推進(jìn)了1 000km(圖5a,b)。這個(gè)模擬與全球海面研究成果[20,36]對(duì)比，冰期與間冰期海面變化一致，而區(qū)域性的不同變化部分占10%～18%。

根據(jù)降雨—流量—泥沙運(yùn)動(dòng)特征和參數(shù)，模擬不同地質(zhì)時(shí)期大陸入海泥沙的沉積通量、沉積層高程以及區(qū)域空間分布。由于沉積物的堆積，岸線和河口向海推進(jìn)，改變了地形深度和分布。把黃河三角洲海岸、江蘇潮汐海岸和長(zhǎng)江三角洲海岸不同地貌類型的沉積侵蝕與堆積模擬結(jié)果，與海面變化疊置模擬了距今140kaB.P. 以來(lái)江蘇海岸線和長(zhǎng)江三角洲地貌與沉積長(zhǎng)期變化過(guò)程。2D模擬輸出顯示，大陸泥沙輸移和堆積造就了海岸帶和三角洲的依次變化。在末次冰盛期ca. 19kaB.P.時(shí)海面達(dá)到最低，與琉球群島鏈呈現(xiàn)內(nèi)陸湖泊。海面在晚冰期ca. 14kaB.P.時(shí)，從低海面不斷上升，形成北黃海內(nèi)陸湖泊。從全新世早期到中期ca. 6kaB.P.，海侵到江蘇低平原地區(qū)，蘇北達(dá)到范公堤以西(圖5c，d)。

圖5　模擬晚更新世東黃海海面變化和海陸岸線分布a.6 ka B.P.；b. 20 ka B.P.；c. 沉積模式下6 ka B.P.；d. 沉積模式下20 ka B.P.Fig.5　Simulations of sea level changes and land-sea coastal lines during the Pleistocene a. 6 ka B.P.; b. 20 ka B.P.; c. 6 ka B.P. under depositional model; d. 20 ka B.P. under depositional model

根據(jù)江蘇沿海徑向8個(gè)鉆孔點(diǎn)的35±3kaB.P.海侵層記錄，對(duì)比模擬35kaB.P.沉積物分布 (圖6)。對(duì)比表明，模擬的東海和黃海海面高度在-30.2～-23.7m。沉積物經(jīng)3.5萬(wàn)年以來(lái)海陸構(gòu)造沉降、上覆地層壓實(shí)、河流泥沙充填后，分布高度在-33.5～-22.8m，不同地點(diǎn)模擬誤差在±(2.5～4.5)m。對(duì)比地質(zhì)記錄，模擬誤差小于10%，結(jié)果可以接受。從區(qū)域上來(lái)看，模擬結(jié)果能夠與鉆孔層位(圖4)對(duì)比，模擬的空間分布與地質(zhì)記錄基本一致。

圖6　35 ka B.P.沉積物分布模擬與地質(zhì)鉆孔沉積物埋深的對(duì)比Fig.6　Comparisons between simulation of sediment distributions and coring-sediment depths

5　結(jié)語(yǔ)

本文介紹地質(zhì)時(shí)期海面和沉積分布模式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，分別從氣候—泥沙水動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、下墊面海面—地形兩個(gè)方面構(gòu)建了模式系統(tǒng)的主要功能，并把兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)模式進(jìn)行了耦合。模式1的輻射—冰量—水量的0維模式疊加在東黃海地形場(chǎng)進(jìn)行3D模擬，輸出海面高度變化作為模式2邊界條件，繼續(xù)在3D區(qū)域地形場(chǎng)上模擬沉積物分布，較好地解決了在兩個(gè)模式在空間和時(shí)間尺度的耦合。

本研究模擬了距今14萬(wàn)年、4萬(wàn)年和1萬(wàn)年不同時(shí)間尺度江蘇海岸線和長(zhǎng)江三角洲地貌與沉積長(zhǎng)期變化過(guò)程。模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)海面在東黃海下降到-55m時(shí)，渤海海峽關(guān)閉。臺(tái)灣海峽在海面下降到-80m時(shí)關(guān)閉。當(dāng)海面達(dá)到-90m時(shí)，黃海成陸。在末次盛冰期的低海面(-145m)階段，對(duì)馬海峽關(guān)閉，整個(gè)東亞大陸的大陸架暴露成陸，海岸線向東推進(jìn)了1 000km。這個(gè)模擬與全球海面研究成果對(duì)比，冰期與間冰期海面變化一致，而區(qū)域性的不同變化部分占10%～18%。該模擬與數(shù)個(gè)地質(zhì)鉆孔資料進(jìn)行的對(duì)比驗(yàn)證，表明在晚更新世以來(lái)冰期—間冰期—晚冰期—冰后期的海岸分布和沉積記錄的變化趨勢(shì)基本一致。

本研究嘗試的物理機(jī)制模式對(duì)地質(zhì)時(shí)間尺度的模擬，結(jié)果表明在晚更新世以來(lái)氣候環(huán)境下，能夠模擬由地質(zhì)推斷的沉積體系，表明在河海交互下復(fù)合動(dòng)力能夠建造大揚(yáng)子沉積系統(tǒng)。在今后的工作中，筆者將進(jìn)一步對(duì)模式進(jìn)行完善和擴(kuò)展，使其成為一個(gè)診斷和預(yù)測(cè)海面變化和我國(guó)海岸響應(yīng)研究的有效工具。

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SimulationsofCoastalSedimentPatternsduringtheLatePleistoceneinJiangsuCoasts

YUGe1YELiangTao1,2,3LIAOMengNa1,2

(1.NanjingInstituteofGeographyandLimnology,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China;2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;3.CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,AnhuiNormalUniversity,Wuhu,Anhui241000,China)

TherehadbeenacoastalplaininacontinentalshelfoftheYellowSeaduringthelatePleistocene,onwhichfilledabundantterrestrial-sourcedsedimentsundertransportationanddepositionofancientYangtzeRiverandYellowRiver.TheSouthYellowSeaRadialSandRidges,theYangtzeRiverDeltasandtheabandonedYellowRiverDeltasweredevelopedonthesedimentsystem.Howevertheevolutionpatternsandmechanismsarehardlyunderstoodifonlybasedondiscreteevidencefromgeologicalcores.Torecognizekeyissuesontheglaciationsealevelsandcostalsedimentationchanges,onthebasisofhydrology,sedimentology,andgeomorphologicelevations,thisstudyattemptestoconstructanumericmodeltosimulatethechangesintheprocessesandpatterns.Themodelisconstructedintwomodules:onesubmodelisbuiltfortheglacial-drivensealevelandpost-tectonicandsedimentcompaction-impactedrelativesealevel.Theothersubmodelisforcoastalsedimentationundervariedsealevelsandwithrivermud-transportation.ThreecoastaltypesintheSouthYellowSearadialsandridges,theYangtzeRiverdeltasandtheabandonedYellowRiverdeltaswereprescribed,andtheHoloceneboundariesofcoastallinesthatwerereconstructedbygeologicalevidencewerealsoprescribed.ThemodelwasrunbyglaciationandclimateforcesofthelatePleistocene,andsimulatedthepatternsandprocessesofsealevels,coastallinesandcoastal-estuariessedimentfluxsince140kaB.P., 40kaB.P.and10kaB.P.respectively.Theresultsshowedthatseallevelswerethelowestin19kaB.P.whenitwasduringthelastmaximumglaciation,whichinlandlakeswereformedbetweencontinentalcoastsandtheRyukyuIslands.Duringthelateglaciationca.14kaB.P.,thesealevelstartedtoriseandtheinlandlakeswereformedinseaareasoftheYellowSea.BetweentheearlyHoloceneandthemid-Holocene,theseatransgressionwasoccurredtothelowplainsofJiangsu,andthecoastallinesarrivedthewesttoFangongDam,ca6kaB.P..Furthermoreeffectsoftheclimaticglacial,tectonicsubsidingandsedimentcompactionwereanalyzedandresultsshowedthatthechangeswererespondedtolong-termclimatevariations,sea-landsurfaceinteraction,andterrestrialsedimenttransportations.Thesimulationsareconsistentwithgeologicalsequenceandstratadepths,whichthesimulationoftherelativesea-levelsarebetween-30.2～-23.7ma.s.l.Thesimulationerrorsinvaryinglocalitiesarebetween±(2.5～4.5)m,suggestingthattheerrorbarisrelativesmallandthemodelingresultscanbeaccepted.Thestudyisofsignificancetounderstandthecharacteristicsofsedimentationandpatternsundermultiplecomplexland-seainteractionsandtoillustratetheclimateandglacialmechanismsforchangesinJiangsucoastsandsedimentssincethelatePleistocene.

climaticglaciation;sedimentation;sealevel;riversedimenttransport;coast-estuary;geographicaldistribution;numericmodeling

1000-0550(2016)04-0670-09

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.04.007

2015-07-09； 收修改稿日期： 2015-11-27

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB956501, 2012CB956103)；中科院國(guó)際合作計(jì)劃(CAS/SAFEAKZZD-EW-TZ-08-3)[Foundation:NationalKeyBasicResearchProgramsofChina(973Program),No. 2013CB956501, 2012CB956103;InternationalCooperationProgramoftheChineseAcademyofSciences,No.CAS/SAFEAKZZD-EW-TZ-08-3]

于革女1957年出生研究員湖泊沉積學(xué)與古氣候模擬E-mail:geyu@niglas.ac.cn

P736.2A