長江三角洲晚第四紀(jì)陸-海交互地層的光釋光年代學(xué)

高 磊，隆 浩

中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所 湖泊與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008

長江三角洲是中華文明的發(fā)祥地之一，也是我國現(xiàn)代社會經(jīng)濟(jì)最繁榮與發(fā)達(dá)的地區(qū)之一。眾多考古資料已表明新石器文化及古文明的興衰與長江三角洲全新世以來的環(huán)境變化直接相關(guān)（Chen et al，2008；朱誠等，2016；Wang et al，2018a，2018b）。開展與人類活動密切相關(guān)的三角洲及海岸沉積環(huán)境演變研究具有重要意義。作為典型的陸海交互作用地帶，長江三角洲對氣候變化及全球/區(qū)域海面波動較為敏感（Kopp et al，2016；Nerem et al，2018）。晚第四紀(jì)以來長江三角洲的形成和演化以及海岸變遷歷史一直是地球科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一（Zhang et al，2017）。前人早期從沉積學(xué)、地質(zhì)學(xué)和地層學(xué)視角開展了大量的研究工作，主要貢獻(xiàn)在于從宏觀層面揭示了全新世時(shí)段的長江三角洲的興起和演化（同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)系三角洲科研組，1978；李從先等，1980，1999；Li et al，2000；Hori et al，2001a，2001b；林春明等，2016），但受當(dāng)時(shí)的定年技術(shù)所限，年代學(xué)研究相對不足。長江三角洲的形成、演化及其機(jī)理研究，準(zhǔn)確可靠的年代學(xué)證據(jù)是關(guān)鍵。加強(qiáng)區(qū)域沉積地層的年代學(xué)研究也一直是三角洲及海岸地貌變化過程中亟待解決的關(guān)鍵問題之一。

光釋光測年（optically stimulated luminescence，OSL）作為第四紀(jì)地質(zhì)年代學(xué)領(lǐng)域較為成熟的一種測年方法，已被廣泛用于全球第四紀(jì)各類型沉積物定年（Wintle，2008）。該方法主要以沉積物中富含的石英或長石礦物為測年材料，測定其自從沉積埋藏前經(jīng)歷的最后一次曝光事件開始直至樣品采集時(shí)所經(jīng)歷時(shí)間；在這一時(shí)間跨度內(nèi)測年礦物因吸收宇宙射線、埋藏環(huán)境中放射性核素鈾（U）、釷（Th）和鉀（K）等提供的α、β和γ射線的輻照而積累釋光信號。測年礦物的釋光信號由釋光儀測得其等效劑量（B?tter-Jensen et al，2010），單位：Gy；沉積環(huán)境對測年礦物年輻照速率可以通過分析樣品中放射性核素U、Th和K的含量、含水率、采樣點(diǎn)經(jīng)緯度、海拔位置以及深度等因素計(jì)算轉(zhuǎn)換得到年劑量率（Prescott and Hutton，1994；Guérin et al，2011），單位：Gy ? ka-1；最終以兩者計(jì)算出沉積物OSL年齡（Aitken，1998）。國際上對陸架-海岸和三角洲沉積物OSL測年研究已經(jīng)有許多研究 報(bào) 道（Madsen et al，2005；Mauz et al，2010；Shen et al，2015；Lamothe，2016；Chamberlain et al，2017），這為解譯海岸地貌過程和成因提供了可靠的年代框架，客觀地促進(jìn)了對全球晚第四紀(jì)時(shí)段的海岸地貌（包括三角洲）的形成和演化研究。相比較而言，釋光測年在我國海岸和三角洲地區(qū)應(yīng)用研究則處于剛興起階段，且研究尺度多集中在全新世時(shí)段（Sugisaki et al，2015；Wang et al，2015，2018a，2018b；Gao et al，2016，2017，2018；Li et al，2017；年小美和張衛(wèi)國，2018；Nian et al，2018a，2018b；Wang et al，2018）。對于亟需厘定年代框架的晚第四紀(jì)較老沉積地層，因缺少年代學(xué)研究，許多有爭議的沉積環(huán)境問題，如MIS3階段海侵問題 （楊懷仁和陳西慶，1985；施雅風(fēng)和于革，2003；楊達(dá)源等，2004；于振江等，2005；于革等，2016），迄今尚未解決。

本文主要對近年來在長江三角洲海岸平原地區(qū)開展的2支鉆孔（YZ07孔和EGQD14孔）的釋光年代學(xué)研究工作進(jìn)行簡要梳理和介紹，并收集整理研究區(qū)相鄰鉆孔的年代地層工作（圖1），構(gòu)建長江三角洲晚第四紀(jì)以來的年代框架及分析其沉積環(huán)境的演變過程，希望能為后期釋光測年方法在我國東部沿海類似沉積環(huán)境的應(yīng)用和研究提供參考。

1 研究材料與測年流程

本研究選取了長江三角洲平原和海岸地區(qū)的2支長巖心鉆孔（YZ07和EGQD14孔）共50個(gè)OSL樣品進(jìn)行測年，依據(jù)沉積物粒度特征，分別提 取 4 — 11 μm、63 — 100 μm 和 100 — 200 μm 粒級的石英顆粒作為OSL測年材料。樣品的前處理和測試在中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所釋光年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。不同粒徑的石英顆粒前處理流程見Gao et al（2017）。所有粒級石英顆粒的等效劑量測試均采用單片再生法（single-aliquotregenerative dose protocol，SAR）（Murray and Wintle，2000）。此外，對于100 — 200 μm的部分樣品還使用了紅外后藍(lán)光（post-IR blue OSL SAR）（Roberts and Wintle，2003）和紅外后脈沖釋光（post-IR pulsed OSL SAR）測年程序（Tsukamoto and Rades，2016；Zhang et al，2016）。另外，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)鉆孔地層OSL年齡序列的可靠性，將YZ07孔的10個(gè)14C年代作為獨(dú)立的年齡證據(jù)進(jìn)行了對比研究。

圖1 長江三角洲地理區(qū)位和相關(guān)鉆孔位置（據(jù)Gao et al（2018）改繪）Fig.1 Location of the Yangtze River delta and the relevant cores (modified from Gao et al (2018))

兩支鉆孔的沉積相和地層識別劃分主要依據(jù)：巖心照片資料比對、巖性描述、沉積構(gòu)造與層理特征觀察、關(guān)鍵層位的生物化石證據(jù)分析并結(jié)合長江三角洲區(qū)域晚第四紀(jì)以來總體地層擱架以及相鄰鉆孔的地層特征來確立地層所代表的沉積環(huán)境。具體的OSL測年樣品的位置和鉆孔沉積地層劃分如圖2所示。

2 光釋光測年結(jié)果

2.1 光釋光信號特征

如圖3a和圖3b所示，兩個(gè)代表性樣品粗顆粒石英的OSL信號均以快組分信號為主；OSL信號都在～ 2 s內(nèi)衰退到可忽略的水平。圖3a插圖為代表性年輕樣品的OSL信號生長曲線，用線性函數(shù)進(jìn)行擬合；圖3b插圖為相對較老的樣品OSL信號生長曲線，用飽和指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合；測年樣品的自然信號（Ln/ Tn）通過擬合的生長曲線投影到對應(yīng)的再生劑量軸，即等效劑量。其他粒徑樣品的OSL信號生長曲線和衰退曲線與圖3展現(xiàn)的情形類似。各測片的循環(huán)比（recycling ratio）幾乎都在0.9 — 1.1，熱轉(zhuǎn)移效應(yīng)（recuperation）總體＜5%。不同粒徑樣品的紅外耗散比（IR-OSL depletion ratio）差異顯著，主要表現(xiàn)為粗顆粒（CG，100 — 200 μm）的紅外耗散比要低于正?？山邮艿?.9 — 1.1，而63 —100 μm 和細(xì)顆粒（FG，4 — 11 μm）紅外耗散比則基本在0.9 — 1.1，如圖4所示。

圖2 YZ07和EGQD14孔巖性、OSL和14C測年樣品（據(jù)Gao et al（2017，2018）修改）Fig.2 Information of lithology, OSL and 14C samples in core of YZ07 and EGQD14 (modified after Gao et al (2017, 2018))

2.2 劑量率與等效劑量分布

所有樣品的鈾、釷、鉀元素含量，含水量以及不同粒徑對應(yīng)的劑量率結(jié)果如圖5所示。從圖5a — d可見，YZ07和EGQD4兩支鉆孔的U和 Th 元素的平均含量分別在 2×10-6— 3×10-6和8×10-6— 16 ×10-6，K 的含量分布在 1% — 3%，含水量約在20% — 40%。從頂部沿地層自上而下，兩支鉆孔的含水量有輕微下降的趨勢，可能受沉積壓實(shí)的影響。綜合考慮沉積埋藏時(shí)期含水量復(fù)雜的變化歷史，最終以實(shí)測含水率賦以10%的誤差考慮其吸附的劑量率。圖5e — g分別是100 —200 μm、4 — 11 μm 和 63 — 100 μm 樣品的劑量率隨地層序列變化情況。

粗顆粒代表性樣品（NL-588和NL-619）的等效劑量（equivalent dose，De）分布如圖6所示。常規(guī)SAR方法測得的De相對離散，而同樣的樣品用POSL測年技術(shù)測得的De分布則相對集中。此外，細(xì)顆粒樣品的等效劑量分布因均一效應(yīng)（Long et al，2015）而表現(xiàn)的較為集中。4 — 11 μm 和63 — 100 μm的樣品De分布、更多粗顆粒樣品的De分布以及相應(yīng)年代模型統(tǒng)計(jì)分析已在前期工作中予以詳述（Gao et al，2016，2017，2018）。

圖3 代表性樣品OSL信號的生長曲線和信號衰退曲線（Gao et al，2016）Fig.3 Growth curves and decay curves of OSL signals for two representative samples (after Gao et al (2016))

圖4 不同粒徑的石英紅外耗散比（Gao et al，2018）Fig.4 IR-OSL depletion ratios of different grain-sized quartz fractions (Gao et al, 2018)

2.3 不同粒徑石英顆粒光釋光年代結(jié)果對比及可靠性分析

以YZ07孔和EGQD14孔為例，對比不同粒徑的石英OSL測年結(jié)果發(fā)現(xiàn)：4 — 11 μm和63 — 100 μm樣品的OSL年齡在誤差范圍內(nèi)一致，而100 — 200 μm樣品的OSL年齡要偏低（圖7a和圖7b）。針對此情況，首要的原因可能是三角洲-海岸地帶不同粒徑沉積物在搬運(yùn)沉積過程中經(jīng)歷不同程度的信號曬退。但分析近年來在長江三角洲平原、長江水下三角洲以及日本海開展的4 — 11 μm石英OSL測年工作（Wang et al，2015；Sugisaki et al，2015）發(fā)現(xiàn)：這些研究均認(rèn)為4 — 11 μm石英礦物OSL信號曬退較充分，測年結(jié)果可靠。此外，長江三角洲鉆孔對應(yīng)地層的年代框架也與本文鉆孔細(xì)顆粒OSL年代相一致（Nian et al，2018a，2018b），這也進(jìn)一步支持本研究中細(xì)顆粒OSL年代結(jié)果的可信性。在EGQD14孔中，63 — 100 μm石英OSL年齡與其對應(yīng)的4 — 11 μm樣品年齡在誤差范圍內(nèi)基本一致，前兩者與100 — 200 μm石英顆粒年代不一致，并非它們OSL信號曬退不充分造成年齡高估所致（Gao et al，2018），而可能是后者（100 — 200 μm）的石英顆粒因長石包裹體存在造成年齡低估。在圖7中，2個(gè)樣品的100 —200 μm顆粒的常規(guī)OSL年齡明顯偏低，但它們的POSL 年齡與對應(yīng)的 4 — 11 μm 和 63 — 100 μm 顆粒的OSL年齡幾乎一致。這表明粗顆粒年齡的低估可用POSL等測年技術(shù)進(jìn)行克服，從而獲得與細(xì)顆粒組分一致的OSL年齡（圖8）。通過這些研究，本文認(rèn)為在長江三角洲以及相鄰的陸架環(huán)境，較細(xì)顆粒沉積物的OSL測年效果會更加理想。這種觀點(diǎn)也受到長江三角洲地區(qū)其他鉆孔釋光測年研究工作的佐證和支持（Wang et al，2015；Sugisaki et al，2015；Nian et al，2018a，2018b；年小美和張衛(wèi)國，2018）。

圖5 U、Th、K元素含量、含水量及不同粒徑樣品的劑量率結(jié)果（據(jù)Gao et al（2017，2018）修改增補(bǔ))Fig.5 Concentration of U, Th and K, water content and dose rates of all samples (modified from Gao et al (2017, 2018))

2.4 光釋光年代與14C獨(dú)立年代對比研究

以YZ07孔為例，將30個(gè)OSL和10個(gè)14C年代用Bacon軟件（Blaauw，2010）建立該孔的年代-深度模型（圖9），OSL年代序列與地層序列相符而14C年齡卻出現(xiàn)嚴(yán)重的年齡倒置問題。除此以外，年小美等人對長江三角洲平原的SD、TZ和NT孔（鉆孔位置見圖1）年代學(xué)研究也報(bào)道了類似問題（Nian et al，2018a，2018b；年小美和張衛(wèi)國，2018）。由此說明：在長江三角洲海岸地區(qū)，14C測年因年齡倒置問題一定程度上影響了據(jù)此構(gòu)建的年代地層框架的可靠性，而OSL測年能為建立區(qū)域沉積地層的年齡框架提供可替代方案，可單獨(dú)或者與14C測年結(jié)合用于約束三角洲-海岸沉積地層的年齡框架。

3 氧同位素3階段以來長江三角洲年代地層序列與沉積環(huán)境探討

3.1 氧同位素3階段沉積環(huán)境特征探討

如上所述，長江三角洲MIS3階段的沉積環(huán)境演化問題因年代不確定，一直是一個(gè)有爭議的研究熱點(diǎn)。Sun et al（2015）認(rèn)為長江三角洲北部MIS3階段發(fā)育古河道沉積，而在長江三角洲南部的太湖平原地區(qū)，有學(xué)者認(rèn)為MIS3階段出現(xiàn)強(qiáng)海相事件（Zhao et al，2008；陳艇等，2013；Wang et al，2013）。最近，Zhang et al（2017）對長江三角洲古下切河谷內(nèi)的沉積環(huán)境進(jìn)行了詳細(xì)的分析，認(rèn)為晚第四紀(jì)以來長江三角洲平原存在三期疊置的河流相沉積，并未發(fā)現(xiàn)海相性較強(qiáng)的沉積地層。本研究中EGQD14孔底部地層的2個(gè)OSL年代支持MIS3階段發(fā)育陸相沉積環(huán)境。此外，長江水下三角洲CJK07和CJK11兩只鉆孔的年代地層證據(jù)也表明在MIS3時(shí)段發(fā)育河流沉積為主導(dǎo)的沉積環(huán)境（Xu et al，2016）（圖10）。

圖6 粗顆粒OSL和POSL等效劑量分布（引自Gao et al（2017））Fig.6 De distribution of CG quartz measured by OSL and POSL dating procedures (after Gao et al (2017))

圖7 不同粒徑樣品OSL年齡對比（據(jù)Gao et al（2017，2018）修改）Fig.7 OSL ages comparison between different grain-sized quartz fractions (modified from Gao et al (2017, 2018))

圖8 不同測年流程的粗顆粒OSL年代與細(xì)顆粒常規(guī)OSL年齡對比（引自Gao et al，2017））Fig.8 Comparisons of OSL ages between CG grains determined by different SAR proticols and FG quartz fractions (after Gao et al (2017))

3.2 末次盛冰期以來長江三角洲沉積環(huán)境演變與海岸變遷

EGQD14孔和YZ07孔OSL年代地層序列均表明在LGM時(shí)段存在沉積間斷（圖11和圖12）。同樣，在黃海東海岸地區(qū)的韓國NDKdong和Yeogsan三角洲也有LGM時(shí)段的沉積缺失的報(bào)道（Kim et al，2012，2015）。這可能與末次盛冰期亞太邊緣海地區(qū)海面大幅度下降背景下，河流侵蝕加劇而發(fā)育的古下切河谷等地形有關(guān)（Hori et al，2001b；Li et al，2002）。末次冰消期以來，隨著海面上升，沉積中心開始逐漸由海向陸推進(jìn)，海岸線也隨之遷移。例如ESC-DZ1孔代表的長江水下三角洲及外海區(qū)和YZ07孔、EGQD14孔代表的長江三角洲的年代地層證據(jù)揭示了沉積中心向陸遷移的時(shí)空差異特征（圖1、圖11和圖12），ESC-DZ1的沉積主要集中在末次冰消期時(shí)段，而YZ07等多支鉆孔的沉積主要集中在全新世。在約7 — 8 ka，海面上升到高水位階段（Hori and Saito，2007），海侵范圍達(dá)到最大規(guī)模，形成全新世最大海侵，海岸線退到鎮(zhèn)江—揚(yáng)州一帶（李從先和范代讀，2009）（圖12）。大約6 — 5.5 ka，隨著海面開始減速上升，在長江河口處相繼發(fā)育幾期河口沙壩，依次為紅橋期、黃橋期、金沙期、海門期以及近晚期發(fā)育的崇明和長興島沙壩（同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)系三角洲科研組，1978）（圖12）。這些河口沙壩后期逐漸成為長江三角洲的發(fā)育基礎(chǔ)。在此過程中，長江主河道受科里奧利力的影響，不斷向東南遷徙，海岸線和三角洲的沉積中心也逐漸向海遷移，并在河口以外發(fā)育水下三角洲（同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)系三角洲科研組，1978）。上述長江三角洲LGM以來的沉積環(huán)境演變和海岸變遷過程近年以來又繼續(xù)被一些淺層地震剖面、鉆孔孢粉分析、遙感調(diào)查與解譯等最新的研究工作予以證實(shí)和加以豐富（Song et al，2013；Feng et al，2016，2017；Fan et al，2017；Yang et al，2017；Zhang et al，2018；Zhao et al，2018）。

圖9 YZ07 孔OSL年齡與14C測年對比（引自Gao et al（2017））Fig.9 A comparison of OSL ages and 14C ages in Core YZ07(modified by Gao et al (2017))

圖10 長江三角洲鉆孔地層地質(zhì)剖面（Gao et al（2018））Fig.10 Core’s stratigraphy correlation of the Yangtze River delta (Gao et al (2018))

3.3 全新世以來長江三角洲沉積速率變化歷史

全新世長江三角洲的沉積速率變化是個(gè)引人關(guān)注的問題（Fan et al，2017）。據(jù)YZ07的年代-深度關(guān)系推算，全新世以來長江三角洲的沉積速率主要體現(xiàn)在3個(gè)階段：（1）早全新世（10 — 9 ka），堆積作用較快，沉積速率在 10 — 20 m ? ka-1；（2）在距今9 — 2 ka，沉積速率相對較低，大約在 5 — 10 m ? ka-1；（3）在～2 ka以來，沉積速率再次加快，約10 —15 m ? ka-1（圖 13）。YZ07 孔全新世的沉積速率變化特征也得到長江三角洲平原和水下三角洲多支鉆孔的印證，如CM7孔（Hori et al，2001a）、ZK9孔（Wang et al，2010）和ECS-DZ1孔（Wang et al，2015）。此外，最新在長江三角洲開展的鉆孔研究也進(jìn)一步證實(shí)了之前估算的全新世三角洲的沉積速率的變化，例如Nian et al（2018a，2018b）對古長江下切河谷區(qū)域范圍的TZ孔，NT孔和SD孔的年代-深度的研究（圖11）。

4 結(jié)論與展望

圖11 LGM以來長江三角洲年代地層序與海面變化曲線對應(yīng)關(guān)系（改自Gao et al（2016））Fig.11 Chronostratigraphy of the Yangtze River delta since the LGM and its response to sea level changes (modified from Gao et al (2016))

圖12 LGM以來長江三角洲沉積演化時(shí)空特征與海岸動態(tài)（據(jù)Gao et al（2017）及相關(guān)文獻(xiàn)修改）Fig.12 Spatial-temparal variations of the Yangtze River delta and its coastal dynamics since the LGM(modified after Gao et al (2017) and references therein)

圖13 全新世長江三角洲沉積速率變化（引自Gao et al（2017））Fig.13 Sedimentation rates of the Holocence Yangtze River delta (after Gao et al (2017))

本研究對長江三角洲開展了系統(tǒng)的釋光年代學(xué)研究并在此基礎(chǔ)上探討了晚第四紀(jì)以來的沉積環(huán)境變化過程。YZ07和EGQD14鉆孔OSL測年結(jié)果均表明細(xì)顆粒石英測年建立的年代地層序列更為可靠，部分粗顆粒石英因含有長石包裹體，常規(guī)OSL年齡存在低估，但運(yùn)用脈沖釋光測年技術(shù)（POSL）可以解決。目前的年代地層證據(jù)支持MIS3階段長江三角洲更可能為河流等主導(dǎo)的陸相沉積環(huán)境，LGM時(shí)段存在沉積缺失，年代地層證據(jù)與古沉積地貌相吻合。全新世以來的長江三角洲三個(gè)階段性的堆積速率變化與該時(shí)期海面變化，沉積中心的遷移和三角洲的興起和發(fā)育密切相關(guān)。盡管已對MIS3階段以來的長江三角洲進(jìn)行了年代地層學(xué)研究并獲得了較高分辨的年代地層序列，但研究尺度還主要集中于全新世時(shí)段。末次間冰期以來的長江三角洲，尤其是MIS3階段更多的年代地層學(xué)還有待進(jìn)一步探討。另外，從釋光測年技術(shù)角度而言，目前的工作主要是運(yùn)用石英釋光測年技術(shù)定年，而近年來發(fā)展較快的長石釋光測年技術(shù)，如兩步紅外激發(fā)技術(shù)（pIRIR）（Thomsen et al，2008）和多步紅外激發(fā)技術(shù)（MET-pIRIR）（Li and Li，2011）的研究報(bào)道較少。計(jì)劃在下一步研究中運(yùn)用長石紅外釋光測年技術(shù)開展晚第四紀(jì)長江三角洲更長尺度以來的年代地層研究。

致謝：本研究得到了中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所沈吉研究員和于革研究員、江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院張平高級工程師、南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院殷勇副教授等的指導(dǎo)和支持，在此表示感謝！