全新世海侵以來現(xiàn)行黃河口區(qū)域沉積層序及古氣候演化*
2018-07-30 02:59:44馮秀麗李國剛王曉明
宋 湦, 馮秀麗**, 李國剛, 王曉明, 滕 珊
(1．中國海洋大學(xué)海洋地球科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266100； 2.海底科學(xué)與探測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266100；3.國家海洋局北海海洋工程勘察研究院,山東 青島 266061)
大型河流入海泥沙等物質(zhì)是海洋沉積物的主要來源之一，每年全球通過河流進(jìn)入海洋的沉積物大約有20×109t[1-3]。這些通過大型河流進(jìn)入海洋的大量沉積物一部分隨潮流和波浪進(jìn)行遷移，另外一部分會在河口處形成三角洲平原及水下三角洲等[4]。河口三角洲上不同時期的沉積體層層堆疊，攜帶著各自沉降時期的古生物環(huán)境和氣候變化等信息[5]，這些信息可以為沉積環(huán)境反演提供高分辨率記錄[6-9]。
目前，沉積物的地球化學(xué)信息廣泛應(yīng)用于多種地質(zhì)過程和氣候變化的研究中[10-14]，通過常量元素及微量元素的指示作用對沉積環(huán)境及氣候變化進(jìn)行分析已經(jīng)被認(rèn)可[15]，并且被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外相關(guān)研究中[16-24]。在現(xiàn)行黃河口周邊區(qū)域已經(jīng)進(jìn)行過不少沉積環(huán)境演化方面的研究，晚更新世以來，渤海共經(jīng)歷了三次大規(guī)模海侵事件，形成了海陸相間的沉積層疊置分布[25-26]。
位于現(xiàn)行黃河口西北部的HB-1鉆孔記錄了40 ka BP以來的微體古生物信息，顯示現(xiàn)今的海相層形成開始于8～13 ka BP之間的海侵事件[27]，同樣位于現(xiàn)行黃河口近岸海域的GYDY鉆孔記錄的全新世海侵事件發(fā)生于約9.9 ka BP[28]，而位于現(xiàn)行黃河口陸上的鉆孔QSG[29]也記錄了這一海侵事件，可見渤海全新世的海侵淹沒了現(xiàn)行黃河口區(qū)域，形成最新的海相層，各個鉆孔發(fā)生海侵的時間與其位置有關(guān)；渤海的海侵事件與全球氣候變化相關(guān)，海侵發(fā)生在間冰期，海退發(fā)生在冰期，現(xiàn)行黃河口區(qū)域的微體古生物[27]、孢粉序列[30]、磁化率等代用指標(biāo)均對氣候變化有良好響應(yīng)[31]，相對而言，對于地球化學(xué)代用指標(biāo)的氣候變化研究還不夠深入。
本文利用粒度、微體古生物、AMS14C測年數(shù)據(jù)對現(xiàn)行黃河口BH6鉆孔的沉積層序進(jìn)行劃分，利用常量元素特征比值對鉆孔全新世以來的古氣候演化進(jìn)行研究。
1 材料及方法
1.1 鉆孔位置
鉆孔BH6位于渤海西部近岸(見圖1)，現(xiàn)行黃河入?？谕?，水深10 m，孔位坐標(biāo)37°48′34.287″N、119°21′10.930″E，鉆孔實(shí)際進(jìn)尺深度30.73 m,采樣率88%。然后在實(shí)驗(yàn)室中將柱狀巖芯沿橫切面直徑剖開，一半作為備份，另一半分樣測試。分樣測試以間距10 cm進(jìn)行采樣，共測試247個激光粒度樣品，80個常量元素分析樣品，23塊微體古生物樣品。從測試樣品中選出位于鉆孔深度10.27 m處的貝殼樣品送至美國伍茲霍爾海洋學(xué)研究所(WHOI)進(jìn)行14C測年。
圖1 BH6及周邊鉆孔(HB-1[27]、GYDY[28]、QSG[29])位置圖Fig.1 Location of BH6 and the surrounding boreholes(HB-1,GYGD,QSG)
1.2 分析方法
粒度分析采用OMEC LS-601激光粒度儀，測量范圍0.1～200 μm，中值粒徑重復(fù)精度±3%，測試前取適量的10% H2O2和0.5 mol/L HCl分別去除沉積物中的有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽，處理過后的樣品經(jīng)洗鹽，超聲波分散后上機(jī)測試。粒級標(biāo)準(zhǔn)采用等比制Ф值粒級標(biāo)準(zhǔn)；使用矩法計(jì)算粒度參數(shù)，即平均粒徑Mz、分選系數(shù)σi、偏態(tài)SK及峰態(tài)Kg；沉積物分類命名采用Shepard沉積物粒度三角圖分類法。
常量元素分析采用日本RIGAKU公司的ZSX100e型X-射線熒光分析儀(XRF)進(jìn)行常量元素含量的定量分析。將研磨至200目的沉積物樣品粉末，在100 ℃以下烘干，在30 MPa壓力下壓制成直徑為35 mm左右的圓形樣片，依次放入樣品盒中，進(jìn)行常量元素的X射線熒光定量分析(SiO2, Al2O3, Fe2O3, MgO, CaO, Na2O, K2O, TiO2, MnO, P2O5)。在進(jìn)行元素分析時，每批樣品均帶有空白和標(biāo)準(zhǔn)。每個提取步驟和整個方法的分析精密度采用平行雙樣來控制，本實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)樣品GBW07315、GBW07316、BHVO-2、BCR-2做質(zhì)量監(jiān)控，準(zhǔn)確度采用近海海洋沉積物標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)(GBW07314)來評價。
樣品以標(biāo)準(zhǔn)的微體化石分析方法處理：沉積物樣品置于烘箱在60 ℃溫度下干燥后稱重，干樣用自來水浸泡2～3 d使沉積物充分分解，然后用250目(孔徑為0.063 mm)網(wǎng)篩沖洗，沖洗剩下的砂樣放在烘箱中(溫度不超過60 ℃)烘干。再經(jīng)100目(孔徑0.154 mm)干篩。對較粗的(> 0.154 mm)組分在體視顯微鏡下進(jìn)行有孔蟲和介形蟲鑒定和統(tǒng)計(jì)。有孔蟲和介形蟲只從大于150 μm的粗組分中挑出，進(jìn)行定量分析和屬種鑒定，統(tǒng)計(jì)豐度、常見屬種在樣品群落中的出現(xiàn)率及其相對豐度、群落的優(yōu)勢度E1和樣品中種的簡單分異度。
2 結(jié)果和討論
2.1 沉積相劃分與沉積層序
2.1.1 沉積相劃分 根據(jù)鉆孔的巖性特征，結(jié)合有孔蟲和介形蟲分析資料(見圖2)，并參考沉積物巖性、粒度參數(shù)，將巖芯分為5個沉積相(見圖3)。
圖2(a) BH6孔有孔蟲豐度(枚數(shù)/g)、簡單分異度(種數(shù))和常見屬種相對豐度(%)深度分布Fig.2(a) Vertical distribution of Foraminiferal abundance(number/g), simple diversity (species) and the relative abundance of common species(%) in core BH6
圖2(b) BH6孔介形蟲豐度(枚數(shù)/g)、簡單分異度(種數(shù))和常見屬種相對豐度(%)，棘皮類豐度(枚/g)、植物種子豐度(枚/g)的深度分布Fig.2(b) Vertical distribution of Ostracodl abundance(number/g), simple diversity (species),relative abundance of common species(%),echinoderm abundance (number/g) and plant seed abundance (number/g) in core BH6
圖3 BH6孔粒度分布、巖性及沉積相劃分Fig.3 Particle size distribution, lithologic and sedimentary facies division of core BH6
①(0～4.87 m)：頂部1m為新近沉積的灰褐色粉砂；1～4.87 m為灰褐色砂質(zhì)粉砂，本段分析3塊樣品，在其中2塊樣品中只見2枚廣鹽類有孔蟲Ammoniabeccarii和4瓣廣鹽類介形蟲Albileberissinensis。頂部樣品中見1瓣陸相介形蟲Ilyocyprissp.。樣品中見較多的植物碎屑和植物種子，其中以圓形深褐色真菌類孢子居多，豐度平均1.5枚/g。
本段少見有孔蟲和海相介形蟲，但見陸相介形蟲及較多的植物種子和真菌類孢子，分析此段受河流沖淡水的影響；以砂質(zhì)粉砂為主，無明顯層理，這與該孔接近河口具較高沉積速率有關(guān)，此段應(yīng)為近河口的三角洲前緣亞相。
②(4.87～8.08 m)：沉積物主要粉砂，夾灰黑色黏土質(zhì)粉砂層，偶見透鏡狀層理，顯示水動力條件較上覆層弱，本段應(yīng)為前三角洲沉積亞相。①②段共同組成三角洲沉積相。
③(8.08～12.08 m)：取自本段10.27 m深度的貝殼樣品14C測年年齡為(6 590±30) a14C a BP，證實(shí)了本段為全新世海相沉積。本段有孔蟲和介形蟲數(shù)量和種數(shù)是全孔最高的層段。有孔蟲共見34種，有孔蟲仍以廣鹽類為主，其中最常見和數(shù)量最多的優(yōu)勢種是畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammoniabeccarii，平均豐度37.0%。；介形蟲以淺海類為主，優(yōu)勢種為陳氏新單角介Neomonoceratinachenae，平均豐度19.2%；此段含有較多的淺海種，如有孔蟲半缺五玦蟲Quinqueloculinaseminula(18.5%)、具瘤先希望蟲Protelphidiumtuberculatum(15.7%)、異地希望蟲Elphidiumadvenum(5.8%)、縫裂希望蟲Elphidiummagellanicum(5.7%)，介形蟲陳氏新單角介Neomonoceratinachenae(19.2%)、肯登溝眼花介Alocopocytherekendengensis(13.9%)等。根據(jù)有孔蟲中出現(xiàn)較多冷水種具瘤先希望蟲Protelphidiumtuberculatum、縫裂希望蟲Elphidiummagellanicum，推測此時海水較冷。本段是棘皮類(海膽刺和蛇尾類)化石最富集層段，該類生物為典型的狹鹽性生物，由此推測此時海水鹽度穩(wěn)定，水深較深。
本段上部沉積物以灰色粉砂為主，夾砂質(zhì)粉砂薄層，廣泛發(fā)育脈狀層理說明曾受潮流影響，具有生物擾動構(gòu)造，說明沉積較為緩慢。下部沉積物為灰黑色細(xì)砂，均含有貝殼碎屑，其中埋深11.42～11.47 m為5 cm厚的貝殼碎屑層，貝殼碎屑大量富集于灰黑色細(xì)砂中，應(yīng)為濱岸淺水的次級沉積環(huán)境，這些富含貝殼碎屑的細(xì)砂層形成于靠近低潮線的前濱環(huán)境。綜合上述分析，本段上部因?yàn)闇\海相，下部應(yīng)為濱岸相沉積。
④(12.08～23.85 m)：本段樣品都含有孔蟲，但與上覆層段顯著不同，數(shù)量十分稀少，平均僅1.5枚/g。有孔蟲種數(shù)和分異度也低，組成以2個廣鹽類占絕對優(yōu)勢，其中畢克卷轉(zhuǎn)蟲Ammoniabeccarii數(shù)量最多，平均豐度52.2%；其次是亞易變篩諾寧蟲Cribrononionsubincertum，平均豐度22.4%。其余常見種包括淺海類的具瘤先希望蟲Protelphidiumtuberculatum(6.5%)和異地希望蟲Elphidiumadvenum(6.5%)。
介形蟲只見于4個樣品，數(shù)量稀少，都少于10瓣，平均豐度僅0.3瓣/g。見12個海相種和4個陸相種，因數(shù)量稀少，很難確定其優(yōu)勢成分。陸相介形蟲見于孔深21.29和23.49 m樣品中。棘皮類和軟體動物殼體在本段中十分少見。
本段沉積物為黃褐色細(xì)砂、粉砂質(zhì)砂，分選較好，水動力較強(qiáng)；有孔蟲主要為廣鹽類，頂部出現(xiàn)輪藻化石，且下部出現(xiàn)個別陸相介形蟲，推斷本段海平面有不穩(wěn)定波動，為河口邊灘-潮坪相沉積，向上過渡為濱岸淺海相，向下過渡為陸相湖泊沉積，是海陸過渡相。
⑤(23.85 m～)：本段分析6塊樣品，只在3個樣品中見個別有孔蟲，最高豐度僅0.3枚/g。介形蟲見于4個樣品中，以陸相類為主，其種數(shù)和豐度是全孔中最高的，尤在孔深28.16和29.17 m二塊樣品中，數(shù)量豐富，平均豐度15.6瓣/10 g。陸相介形蟲見4屬6種，其中玻璃介種Candonasp.和土星介種Ilyocyprisspp.較多見，這些屬種在第四紀(jì)地層中常見于湖泊、河流和沼澤等淡水環(huán)境中，在28.16 m樣品中見個別輪藻化石。本段微體化石以含陸相介形蟲為主。
沉積物有多段灰褐色粉砂與灰色黏土質(zhì)粉砂層，粒徑較細(xì)，水動力條件弱；密實(shí)固結(jié)，可見鐵銹色染痕、鈣質(zhì)結(jié)核，說明水面較淺，甚至暴露出水面；局部發(fā)育透鏡狀層理和波狀層理，可見毫米級黏土紋層，說明水流作用較弱，處于低能環(huán)境，推測本段為陸相近岸的湖泊沉積。
綜上，BH6孔可以劃分為5個沉積相層，其中⑤為陸相層，④為海陸過渡相層，①②③為海相層。
2.1.2 沉積層序?qū)Ρ?結(jié)合海平面升降歷史及區(qū)域地質(zhì)演化歷史，對比周邊鉆孔記錄，重建本區(qū)域地層發(fā)育過程。
受冰期間冰期交疊的影響，晚第四紀(jì)以來渤海區(qū)域發(fā)生了多次海平面變化，形成多個海侵-海退旋回。本區(qū)多個鉆孔對比發(fā)現(xiàn)鉆孔皆有相似沉積序列，完整記錄了全新世以來區(qū)域內(nèi)發(fā)生的一次海侵事件。以陸相河流湖泊沉積密實(shí)層為基面，依據(jù)海平面變化模型劃分為低海面層序、海侵層序、高海面層序，其中低海面層序包括上一個海侵-海退旋回后露出的陸相湖沼相、陸相河流相；海侵層序包括海平面上升過程中的的濱海湖沼相、河漫灘、河口砂壩、河口邊灘、潮坪相、淺海相；高海面層序主要是加積層序，包括前三角洲相、三角洲前緣相、河床相。BH6孔的⑤段為陸相層，屬于低海面層序，④為海陸過渡相層，③為淺海相，屬于海侵層序，①②為水下三角洲沉積層，在高海面時期沉積而成，屬高海面層序。
晚更新世以來渤海共出現(xiàn)三次大規(guī)模海侵[32]，其中最后一次海侵“黃驊海侵”發(fā)生在10～9 ka BP左右，測年數(shù)據(jù)表明本區(qū)域記錄的海侵過程即為“黃驊海侵”，海侵序列下界面時序應(yīng)為海侵開始時間；HB-1鉆孔與QSG鉆孔的三角洲相沉積年代記錄均在1 ka BP左右，本區(qū)域的四個鉆孔位置接近且均有三角洲相沉積，可以以此作為高海面層序的下界時序；綜合區(qū)域柱狀樣測年數(shù)據(jù)及區(qū)域地質(zhì)發(fā)育歷史，可以確定兩個等時面，分別為海侵序列開始時間10～9 ka BP以及三角洲相發(fā)育時間1 ka BP左右。
2.2 地球化學(xué)特征比值及古氣候變化
2.2.1 地球化學(xué)特征比值篩選 用沉積物地球化學(xué)指標(biāo)重建古氣候、古環(huán)境演化歷史是古全球變化研究的重要組成部分。因?yàn)闅夂?、環(huán)境條件決定了沉積物中部分化學(xué)元素組成和分布，所以研究沉積物中環(huán)境指示元素的地球化學(xué)特征，揭示其在環(huán)境演變過程中的地球化學(xué)行為，可為重建古氣候演化序列和環(huán)境演變的動態(tài)過程提供重要依據(jù)[33-34]。一些特征常微量地球化學(xué)元素及其比值，由于對氣候環(huán)境比較敏感，常常作為氣候環(huán)境指標(biāo)應(yīng)用于流域化學(xué)風(fēng)化及氣候變化研究中，如化學(xué)風(fēng)化指數(shù) CIA、Na2O/CaO、K2O/Na2O、K2O/CaO、Al2O3/Na2O、Rb/K2O、Sr/CaO等，它們的大小常用來指示沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度，即元素的遷移淋失程度，這同沉積物形成時的氣候環(huán)境尤其是大氣降水量密切相關(guān)[35-40]。
圖4 BH6孔與周邊鉆孔地層(HB-1[27]、GYDY[28]、QSG[29])對比Fig.4 Compared with the core BH6 and surrounding holes (HB-1,GYGD, QSG)
本文選用K2O/Na2O、Al2O3/Na2O、MgO/Al2O3、SiO2/Al2O3、CIA、K2O/CaO六項(xiàng)指標(biāo)對BH6孔沉積古氣候演化進(jìn)行分析，選用多個比值來反映氣候變化狀況，是為了各指標(biāo)的之間相互比對與驗(yàn)證，以確保獲取的古氣候信息的可靠性和準(zhǔn)確性?；瘜W(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIA：Chemical index alteration)可以用來確定物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度，其值越大，風(fēng)化程度越大，CIA值主要受溫度和降水量變化的控制，反映的是硅酸鹽礦物的風(fēng)化程度，不受元素遷移后再淀積的影響[41]。因此，CIA 可以很好地反映沉積物形成時的化學(xué)風(fēng)化情況而不是后期環(huán)境變化，在化學(xué)風(fēng)化研究中得到了廣泛運(yùn)用。CIA計(jì)算公式如下：
CIA = [n(Al2O3)/[n(Al2O3)+n(Ca O*)+n(Na2O)+n(K2O)]]×100。
式中的各組分的含量均以摩爾分?jǐn)?shù)表示，其中的 CaO*指巖石硅酸巖中的CaO，除了要去除碳酸鹽之外，該值還取決于全巖的P2O5和 Na2O含量。McLennan[42]提出，n(CaO’)=n(CaO)-10×n(P2O5)/3，若計(jì)算后的n(CaO’)
由表1可以看出，K2O/Na2O、Al2O3/Na2O、MgO/Al2O3、SiO2/Al2O3、CIA、K2O/CaO六項(xiàng)指標(biāo)相關(guān)性在0.617～0.984之間，總體相關(guān)性很好，可以認(rèn)為它們對于表征氣候變化有同樣的作用，其中CIA與Al2O3/Na2O相關(guān)性最好，CIA的垂向波動變化范圍在36.53～66.6之間，平均值為54.46，總體呈現(xiàn)弱化學(xué)風(fēng)化，Al2O3/Na2O曲線垂直波動變化范圍在2.18～11.18之間，兩者垂向變化趨勢都比較明顯，表明其對氣候變化比較敏感。本文主要以CIA指數(shù)作為氣候演化的代表因子。
圖5 BH6孔常量元素垂向分布Fig.5 Vertical distribution of major elements in core BH6
表1 常量元素特征比值相關(guān)性Table 1 Correlation of the major element characteristic ratios
圖6 常量元素特征比值垂向分布Fig.6 The vertical distribution of characteristic ratios of major elements
2.2.2 古氣候變化 目前對我國海平面變化特別是近6 ka以來的變化研究尚有不同的觀點(diǎn)，本文選取具有代表性的兩條海平面變化曲線(見圖7)，結(jié)合沉積相分析結(jié)果，以及地球化學(xué)特征比值表征的氣候變化，分析BH6孔的沉積過程。
末次盛冰期，海面較現(xiàn)代海面低，盛冰期陸相層以河流、湖泊相沉積為主，此時渤海陸架出露，成為陸地的一部分，之后氣候慢慢轉(zhuǎn)暖，海平面慢慢上升，此時期對應(yīng)BH6鉆孔的陸相層。
在10～9 ka BP左右，海水進(jìn)入渤海，這一時期CIA指數(shù)最高，達(dá)到了66以上，顯示此段氣候處于大暖期，冰川融化，海面繼續(xù)升高，同時陸上河流水源充沛，黃河此時在平原地區(qū)漫流，混合其他河流進(jìn)入地勢較低的渤海，BH6孔此時發(fā)育河口邊灘，可能是有河流從這里匯入渤海，河口的強(qiáng)水動力淘選使粒度較粗，分選好。
這一時期海平面是波動上升的狀態(tài)，研究區(qū)時而出露，時而被淹沒，這一時期CIA指數(shù)基本穩(wěn)定在50～60之間，指示氣候較之前的暖期溫涼，在18 m左右有一個明顯的降溫事件。從前文中的沉積相劃分來看，這一時期屬④段海陸過渡相，這一段不僅含有有陸相介形蟲，上部還有不少淺海相有孔蟲，說明后期水深較深。
(改自薛春汀[43]，其中數(shù)據(jù)來自Zhao & Zhang[44]、趙希濤[45]。 Modified from Xue,data from Zhao & Zhang and Zhao.)
圖7 中國近10 ka以來海平面變化
Fig.7 Sea level changes in China since 10 ka
大概在6 ka BP左右，本區(qū)達(dá)到最高海平面，發(fā)育③淺海相，從這一時期發(fā)育貝殼碎屑層來判斷，海平面在上升階段曾有過短暫的穩(wěn)定期；從CIA指數(shù)上看，此段氣候有波動，存在一個小的冷暖交替，小冷期也有可能是海平面的短暫平穩(wěn)的氣候原因，本段微體古生物豐度最高，且含有較多狹鹽類生物，推測這時候的水深應(yīng)該大于20 m。
到了1 ka BP左右三角洲在渤海西南部廣泛發(fā)育，本區(qū)域發(fā)育了前三角洲相，CIA指數(shù)上升到60左右，接近最大值，呈現(xiàn)穩(wěn)定的暖濕氣候，此段淺海相有孔蟲較前一段少很多，以廣鹽性有孔蟲為主，海水深度應(yīng)有所下降；1855年黃河從蘇北平原改道重新進(jìn)入渤海，本區(qū)發(fā)育三角洲前緣相。CIA曲線顯示這一時期氣候轉(zhuǎn)向溫涼，在埋深5 m左右有一次較為明顯的冷暖波動。
綜上，BH6孔常量元素特征比值對于古氣候的指示作用反映了全新世海侵以來本區(qū)域氣候總體暖濕，經(jīng)歷了暖-溫涼-暖-溫涼的過程，在6～10 ka BP、6～1 ka BP之間分別出現(xiàn)明顯的冷事件，推測8.2 ka BP冷事件和4.2 ka BP冷事件[46-47]。
3 結(jié)論
(1)本文根據(jù)黃河三角洲黃河現(xiàn)行入?？谔嶣H6鉆孔的粒度分布、巖性特征、有孔蟲介形蟲種類及分布對BH6孔的沉積相進(jìn)行劃分，認(rèn)為BH6孔連續(xù)記錄了全新世海侵以來的區(qū)域沉積層序，可以劃分為5個沉積單元：①河口的三角洲前緣亞相；②前三角洲相沉積；③近岸淺海沉積；④河口邊灘至潮坪相沉積；⑤陸相近岸湖泊沉積。其中層①到層③為海相層；層④為海陸過渡相層；層⑤為陸相層。
(2)結(jié)合海平面變化情況，通過鉆孔10.27 m處的AMS14C測年結(jié)果結(jié)合周圍鉆孔的地質(zhì)年代狀況建立了BH6鉆孔年代框架，認(rèn)為鉆孔記錄了全新世海侵以來的沉積變化，通過對鉆孔常量元素特征比值的分析研究，建立了古氣候演化過程，認(rèn)為全新世海侵以來BH6鉆孔古氣候總體經(jīng)歷了暖-溫涼-暖-溫涼的過程。
