海南島三亞灣全新世以來沉積特征與古環(huán)境演變*

孫倩文，黃康有,2，謝德豪，周斯，王萌, 鄭卓

(1. 中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州510275； 2. 廣東省地球動(dòng)力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州510275)

海平面變化是地球響應(yīng)氣候變化的重要參數(shù)之一，第四紀(jì)期冰期-間冰期交替變化所引起的全球海平面升降和沿海地區(qū)的海侵和海退事件歷來是古環(huán)境研究關(guān)注的熱點(diǎn)，尤其末次冰消期以來海平面上升給海岸帶環(huán)境帶來嚴(yán)重的威脅。因此，了解清楚華南三角洲地區(qū)地質(zhì)歷史時(shí)期海平面變化歷程，為預(yù)測該研究區(qū)域未來氣候條件下海平面變化和減災(zāi)防災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

珠江三角洲地區(qū)海平面從全新世早期開始迅速上升，在中全新世達(dá)到最高海平面(6～5 ka BP)，而且海水入侵北至廣花平原一帶[1]；韓江三角洲地區(qū)全新世階段海平面在6.8～2.5 ka BP持續(xù)上升[2]；福建沿海地區(qū)海平面早全新世階段上升始于12～10 ka BP，大約在7～6.5 ka BP為最高海平面時(shí)期[3]。有關(guān)海南島地區(qū)全新世階段海平面變化，黃德銀等[4]通過對(duì)海南島鹿回頭的珊瑚礁測年，指出全新世以來南海北部至少存在過4次高海平面階段，7.3～6 ka BP是最高海平面時(shí)期；時(shí)小軍等[5]采用精確的高程測量和高精度TIMS鈾系定年方法對(duì)海南島東部瓊海青葛附近的珊瑚進(jìn)行研究，認(rèn)為南海中全新世存在比現(xiàn)在高出有2～3 m的高海平面(7.1～5.15 ka BP)，而此后海平面呈振蕩波動(dòng)至目前的海平面位置。

三亞灣位于海南島南部，瀕臨南海北部，其濱海沉積受海平面變化控制，是研究海平面變化歷史的理想場所。前人對(duì)海南島地區(qū)的古環(huán)境研究主要集中在海南島西北和東海岸等地，在三亞灣的古環(huán)境重建工作開展研究相對(duì)較少，尤其在三亞灣盆地沉積學(xué)、地球化學(xué)和微體古生物記錄等方面仍然不足，對(duì)揭示該地區(qū)晚全新世以來海進(jìn)海退確切的時(shí)間點(diǎn)仍然需要更多的證據(jù)。本文選擇海南島三亞灣巖芯(SY01)開展研究，根據(jù)14C測年建立鉆孔沉積年代框架，通過粒度、有孔蟲、燒失量和色度等分析進(jìn)行地層劃分，探討三亞灣地區(qū)的古氣候環(huán)境以及海平面變化演變過程，為華南沿海全新世以來的海侵歷史和古氣候的重建提供新依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三亞灣處于海南島南部，東起鹿回頭半島南端，西至馬嶺-天涯海角基巖岬角，為近東西向的沙質(zhì)海岸，長約18 km，海灣呈對(duì)數(shù)螺線形[6]。三亞灣海岸地貌類型豐富，基本為開闊港灣型海岸，形成于寬廣而較平整的三亞沙壩之上，屬連島壩灣，是全新世以來的海侵及后期改造作用形成，海岸附近分布不同密度的珊瑚礁，三亞灣兩側(cè)及灣內(nèi)隨水深的增加，沉積粒度逐漸變細(xì)，沉積物由含珊瑚和貝殼碎屑的礫石、粗砂向粉砂、黏土過渡[7]。

三亞灣是熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均溫約25 ℃, 年均降水量約1 300 mm。土壤屬于磚紅壤土或紅褐土，含砂量大，原始植被以熱帶雨林為主[8]。三亞河是流入三亞灣最主要的河流，干流總長度28.8 km, 總落差845 m, 平均河床比降0.65%, 多年平均徑流量2.11×108m3，由河口進(jìn)入三亞灣的輸沙量較少[9]。

SY01鉆孔位于三亞市三亞灣羊欄村以東500 m處，離岸距離1.7 km，鉆孔所在區(qū)域?yàn)檗r(nóng)耕荒廢地，鉆孔的地理坐標(biāo)為18°17′48″N、109°27′42″E，孔口高程2 m(圖1)。

2 研究材料與方法

2.1 巖芯描述

本研究通過地質(zhì)勘探100型鉆機(jī)鉆取巖芯，采用套管式取芯，巖芯平均取芯率達(dá)到95%以上，巖芯總長15.95 m，巖芯材料在中山大學(xué)第四紀(jì)古環(huán)境巖芯庫冷藏保存。SY01鉆孔頂部0～15 cm為擾動(dòng)層，根據(jù)巖性變化可以劃分為8段(圖2)：① 15～182 cm: 灰褐色粉砂; ② 182～223 cm: 棕黃色中砂; ③ 223～811 cm：青灰色黏土，富含貝殼; ④ 811～962 cm：由青灰色黏土逐漸變?yōu)闇\灰色中砂; ⑤ 962～1 090 cm：暗黃色-灰黑色粗砂; ⑥ 1 090～1 249 cm：灰白色中-粗砂，含礫石; ⑦ 1 249～1 483 cm:黃色粗砂，含礫石；⑧ 1 483～1 595 cm：紅褐色殘積土。

2.2 研究方法

在本文采用古環(huán)境研究常用的方法，主要包括燒失量、粒度、有孔蟲和色度等分析方法。燒失量值是反映沉積物有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽含量的變化情況，通過燒失量的變化能夠揭示沉積相與沉積環(huán)境的演變特征；該指標(biāo)已被廣泛運(yùn)用于海洋、湖泊和黃土沉積物等的研究中[10]。粒度分析是一種常規(guī)的沉積學(xué)研究方法, 被廣泛應(yīng)用于沉積環(huán)境和沉積過程的研究, 根據(jù)沉積物的粒級(jí)組成、粒度參數(shù)及各種圖解可以解釋沉積物輸送過程和沉積環(huán)境特征[11]。有孔蟲和介形蟲在濱淺海區(qū)域分布廣泛，對(duì)環(huán)境變化非常敏感，且易于在沉積物中保存，具有海相沉積環(huán)境的重要指示意義。色度分析值可以反映出沉積物的保存環(huán)境，間接指示當(dāng)時(shí)的氣候條件[12]。各種分析方法的實(shí)驗(yàn)步驟詳細(xì)介紹如下。

圖1 SY01鉆孔地理位置和三亞灣地區(qū)地形圖Fig.1 Geomorphological map of the Sanya bay area and core SY01 location

圖2 SY01鉆孔巖芯特征及古環(huán)境代用指標(biāo)分析結(jié)果Fig.2 Core features and results of Lithology, foraminifera, color indexes and TOC of core SY01

粒度分析：先進(jìn)行常規(guī)的預(yù)處理，然后在中山大學(xué)地理學(xué)院使用英國Malvern公司的Mastersizer 2000型激光粒度儀進(jìn)行粒度分析。為了保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)樣品重復(fù)測試3次取平均值，對(duì)測量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差的樣品進(jìn)行重新測試。粒度劃分采用尤登-溫德華氏等比制Φ值粒級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，粒度大于等于1 mm的沉積物用傳統(tǒng)篩析法，最后作頻率曲線圖和概率累積曲線圖，并計(jì)算各種粒度參數(shù)[11]。

燒失量(Loss on Ignition, LOI)是指沉積物中有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽在一定溫度下分解導(dǎo)致沉積物在不同溫度下的質(zhì)量差[15]， LOI550和LOI950分別代表有機(jī)碳和無機(jī)碳的含量[10]。樣品的色度分析則使用了日本CHROMA METER CR-400色度測試儀，分別用L、a*、b*指示亮度、風(fēng)化指數(shù)和氧化指數(shù)。

有孔蟲分析：樣品經(jīng)前處理后在體視顯微鏡下進(jìn)行微體古生物的鑒定和統(tǒng)計(jì)，計(jì)算每100g樣品中有孔蟲和介形蟲的個(gè)數(shù)，統(tǒng)計(jì)有孔蟲或介形蟲超過50枚的樣品數(shù)。

本研究中除了鉆孔頂部人工擾動(dòng)層(0～15 cm)和底部紅褐色風(fēng)化殼土層(1 483～1 595 cm)不進(jìn)行取樣分析；其余樣品從鉆孔頂部15～1 483 cm處以間隔10 cm取樣，總共獲取135個(gè)樣品進(jìn)行粒度分析和燒失量分析；從15～1 249 cm之間以間隔25 cm取樣進(jìn)行有孔蟲分析，總共分析了50個(gè)樣品。色度分析以間隔3 cm進(jìn)行測試，測試了526個(gè)樣品。

3 結(jié)果與討論

3.1 測年結(jié)果及鉆孔年代框架

本研究分別在巖芯310、579、796和1 065 cm處選取螺殼、雙殼類和黏土等4個(gè)樣品送美國邁阿密Beta放射性碳測年實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行AMS14C定年，測年結(jié)果見表1；日歷年齡數(shù)據(jù)用IntCal 13數(shù)據(jù)進(jìn)行校正[13]，鉆孔的年齡-深度模型用R-clam繪制(圖3)。

表1 SY01鉆孔AMS14C年代測試結(jié)果Table 1 AMS14C dating results of core SY01

圖3 SY01鉆孔年代-深度模型Fig.3 Age-depth model of core SY01

3.2 有孔蟲和介形蟲分析結(jié)果

根據(jù)50個(gè)樣品有孔蟲和介形蟲的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，有孔蟲數(shù)量超過50枚的有20個(gè)樣品，集中在240～820 cm深度之間，且有孔蟲數(shù)量較多，在此深度范圍內(nèi)有孔蟲的數(shù)量隨深度變淺而增加，其中在298 cm處有孔蟲數(shù)量最多，總共有4 612個(gè)。

有孔蟲主要出現(xiàn)在巖芯的811～223 cm層位，且含量最豐富的層位在400～223 cm之間，尤其是在300 cm左右有孔蟲豐度出現(xiàn)最大值，隨即豐度急劇下降。主要的有孔蟲種類有熱帶五玦蟲(Quinqueloculinatropicalis)、阿卡尼五玦蟲圓形亞種(Quinqueloculinaaknerianarotunda)、畢克卷輪蟲(Ammoniabeccari)、壓扁卷輪蟲(Ammoniacompressiuscula)、異地希望蟲(Elphidiunadvenum)、艾比里厄花室蟲清晰亞種(Celllanthusibericum)；介形蟲有魯斯曼戳花介(Stigmatocythererosemani)和雷州雙角花介(Bicorncythereleizhouensis)。

3.3 巖性特征和沉積相

SY01鉆孔沉積物色度、燒失量變化如圖2所示，粒度變化曲線如圖5和6所示。根據(jù)巖性特征和曲線，鉆孔剖面從老到新分為5個(gè)帶：Ⅰ-Ⅴ，各帶特征簡述如下：

Ⅰ帶(1 483～1 249 cm)：L持續(xù)降低，a*在1 410 cm處迅速升高至峰值再緩慢降低，顏色偏紅；b*波動(dòng)范圍大，顏色偏黃。LOI550變化幅度逐步增大，LOI950變化幅度很小。

表2 SY01孔所見主要有孔蟲和介形蟲及其生態(tài)[12-13]Table 2 Main mollusca species and their living environment of core SY01

圖4 SY01鉆孔海相層中的主要有孔蟲和介形蟲Fig.4 Main species of foraminifera and ostracodes collected from marine strata in core SY01

圖5 SY01鉆孔粒度參數(shù)和組分含量(wB/%)Fig.5 Results of grain size and parameters of sediments in core SY01

圖6 SY01鉆孔粒度頻率曲線(A)和概率累積曲線(B)Fig.6 Frequency distribution curves(A) and probability accumulative curves(B) of core SY01

沉積物組分以粉砂和礫石為主，細(xì)砂和中砂的含量較多，粗砂和黏土含量較少；多數(shù)極負(fù)偏態(tài)偶有近對(duì)稱偏態(tài)，峰態(tài)寬平。頻率曲線圖多為雙峰，大部分峰值差別較大，主峰尖銳，峰值在0～1 Φ之間，次峰在6 Φ附近；小部分雙峰的主次峰距離近且差別很小，峰值在1 Φ和5 Φ，揭示沉積物來源途徑多，但分選差。概率累計(jì)曲線圖為4段式，滾動(dòng)組分約10%，跳躍組分占5%～40%，懸浮組分較多，約占40%～90%，但懸浮總體斜率較低，表明分選較差。

此外，由于礫石與泥質(zhì)組分同時(shí)出現(xiàn)，大粒徑礫石含量較多，且風(fēng)化氧化指數(shù)高，推測為洪積相內(nèi)側(cè)沉積。

Ⅱ帶(1249～962 cm)：L先緩慢向左降低，迅速升高至最大值后再波動(dòng)性降低；a*波動(dòng)性升降明顯，顏色偏紅；b*變幅較小顏色偏黃。LOI550稍小幅度波動(dòng)；LOI950幾乎與上階段保持不變。

該帶沉積物仍以含礫的粉砂層為主(11%～59%)，礫石含量波動(dòng)較大；平均粒徑4.3 Φ；標(biāo)準(zhǔn)偏差2.7，分選差，但是較上階段好；偏態(tài)多為很負(fù)偏到負(fù)偏態(tài)，偶有近對(duì)稱；峰態(tài)多數(shù)為寬平很少有尖窄。頻率曲線圖雙峰，偏度較大，主峰峰值在0～2 Φ之間，峰態(tài)較尖銳，次峰峰值在4～6 Φ之間，峰態(tài)平緩。粗組分較上階段增多，細(xì)組分較上階段減少。概率累計(jì)曲線圖為3段式，滾動(dòng)組分小于5%，含量較上階段減少，但分選較上階段好；跳躍組分占5%～30%，較上階段稍低；懸浮組分占主要，約50%～90%。

根據(jù)礫石含量較Ⅰ帶稍低，且亮度較上階段增大，氧化和風(fēng)化指數(shù)較上階段降低，推測為洪積相遠(yuǎn)端沉積。

Ⅲ帶(962～811 cm)：L和b*均呈向右波動(dòng)性升高，a*先降低再升高，三者都在899 cm處升至最大值，之后緩慢降低。b*比上階段明顯升高，氧化作用增強(qiáng)。LOI550較上階段增加，表明有機(jī)質(zhì)含量增加；LOI950走勢(shì)明顯升高，碳酸鹽含量較上階段明顯增加。亮度和風(fēng)化指數(shù)較上階段稍低，氧化指數(shù)較上階段稍高，有機(jī)碳和碳酸鹽含量較上階段增加。

沉積物以含中砂粉砂層為特征，幾乎不含礫石；該層細(xì)砂含量明顯增多，以細(xì)砂粉砂為主；平均粒徑5.8 Φ；標(biāo)準(zhǔn)偏差1.9，表示分選較差；偏態(tài)多為負(fù)偏，少數(shù)為近對(duì)稱；峰態(tài)寬屏。頻率曲線圖為單峰，部分曲線峰值在1～3 Φ之間，部分在6 Φ左右，偏度呈現(xiàn)負(fù)偏、近對(duì)稱，峰態(tài)較平緩，粗組分含量較上階段減小，細(xì)組分增加。概率累計(jì)曲線為4段式，滾動(dòng)組分約10%～50%，跳躍組分約10%～30%，懸浮組分約40%～80%，曲線斜率較小，表明分選差，推測為濱岸相沉積。

Ⅳ帶(811～223 cm)：此帶中L、a*、b*均較上階段小幅度減小。L變化范圍主要集中在30～40；a*主要集中在0～2，顏色由紅到綠再到紅；b*變化范圍為3～8，顏色由藍(lán)到紅。LOI550與LOI950變化幅度大且趨勢(shì)相反，LOI550和LOI950變化均較大，前者范圍在1.47%～6.94%之間；而后者范圍在0.71%～6.94%之間。有機(jī)碳含量從低到高逐漸增多，但碳酸鹽含量逐漸減少，兩者呈現(xiàn)此消彼長的變化趨勢(shì)。

沉積物以含細(xì)砂粉砂層為主；而且粉砂含量逐漸增多的趨勢(shì)，平均含量達(dá)到71%；平均粒徑為5.7 Φ；標(biāo)準(zhǔn)偏差為2，表示分選差，但較上階段稍好；偏態(tài)多為負(fù)偏，沉積物集中在較細(xì)的區(qū)域；峰態(tài)寬平。頻率曲線圖多數(shù)為單峰，峰值在4～5 Φ附近，峰態(tài)較寬平；少數(shù)為雙峰，主峰在2 Φ左右，次峰峰值在6～7 Φ之間，主次峰差值較小。概率累計(jì)曲線圖均為典型3段式，滾動(dòng)組分小于10%，跳躍組分10%～20%，懸浮組分為主，占比高達(dá)80%，分選較上階段好。

根據(jù)該段沉積物粒度變小，風(fēng)化和氧化指數(shù)較低，結(jié)合該階段富含雷州雙角花介、異地希望蟲等淺海介形蟲和有孔蟲化石，推測沉積相為海灣相。

Ⅴ帶(223～15 cm)：此帶中L、a*、b*的變化幅度較Ⅱ帶大，無明顯規(guī)律。亮度、風(fēng)化指數(shù)和氧化指數(shù)均較上階段增加。L為30～50；a*=1～5，顏色偏紅；b*為8～20，顏色偏黃。LOI 550和LOI 950都明顯降低，有機(jī)質(zhì)含量和碳酸鹽含量都減少。

雖然在此帶早期階段，中砂和粗砂的含量突然增多，但整個(gè)階段的巖芯仍然以粉砂為主，細(xì)砂和黏土的含量減少，含有少量的礫石。平均粒徑6.2 Φ，沉積物顆粒較細(xì)；標(biāo)準(zhǔn)偏差為2，分選差；偏態(tài)多為負(fù)偏、近對(duì)稱，沉積物集中在較細(xì)的區(qū)域；峰態(tài)寬屏。頻率曲線圖多數(shù)為單峰，峰值眾數(shù)在5～7 Φ附近，單峰頻率曲線展開度較寬，峰值高，表示分選較差；數(shù)量較少的雙峰的主峰也在6～7 Φ附近，次峰在1 Φ附近，且兩峰相距遠(yuǎn)，峰值低，說明是混合成因且分選較差。細(xì)組分較上階段增加。概率累計(jì)曲線圖為典型3段式，滾動(dòng)組分小于5%，跳躍組分約5%～50%，懸浮組分依然以50%～95%占主要，推測為瀉湖相沉積。

3.4 三亞灣地區(qū)海平面升降及沉積環(huán)境演變過程

由于海平面記錄受海平面變化、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及標(biāo)志物沉積地貌部位等多種因素影響，珠江三角洲地區(qū)、粵東及福建等地區(qū)存在多次海侵記錄，跟該地區(qū)發(fā)育具下沉趨勢(shì)的斷陷盆地，為海平面的沉積記錄打開空間有關(guān)[14]。然而，海南島南部沿海地區(qū)缺少發(fā)育大型的河流，僅存在小型的河流沉積盆地，并且為非斷陷盆地，在一定程度上缺少沉積空間，因此該地區(qū)在末次盛冰期以來的沉積層相對(duì)較薄或者缺少晚全新世階段的沉積物。末次冰消期以來，隨著海平面快速上升，華南沿海地區(qū)在中全新世達(dá)到最高海平面的時(shí)間也存在空間上的差異性[15-19]；其中原因之一是三角洲地區(qū)存在多個(gè)構(gòu)造斷塊，且各個(gè)斷塊的垂直差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度不盡相同，導(dǎo)致不同斷塊接受海侵沉積的時(shí)間不同[20]。

前人在珠江三角洲地區(qū)已經(jīng)開展了大量的研究工作，在早全新世階段的沉積物主要以含礫黏土質(zhì)粗砂、泥質(zhì)粗砂或粉砂質(zhì)細(xì)砂、黏土質(zhì)細(xì)砂為主，反映出當(dāng)時(shí)以河床相及河湖相為主要沉積特征[21]。三亞灣SY01鉆孔沉積物分析結(jié)果表明：三亞灣地區(qū)在全新世早期(9.1～8 cal ka BP)開始堆積，該時(shí)期沉積物主要為含粗礫粉砂，沉積相為洪積相沉積，表明該地區(qū)已打開可容空間；與珠江三角洲地區(qū)的沉積環(huán)境的不同的是：珠江三角洲地區(qū)的沉積環(huán)境呈現(xiàn)出從河流相逐漸過渡到海陸交互相的變化，沉積物厚度可達(dá)20多m；然而，三亞灣地區(qū)從洪積相快速演變?yōu)闉I岸相，沉積物厚度較薄，僅有7 m，可能跟該地區(qū)在早全新世階段構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，同時(shí)也表明海平面在早全新世階段呈現(xiàn)出快速上升趨勢(shì)。

三亞灣地區(qū)全新世中期(8.1～3.5 cal ka BP)的沉積記錄表明，開始由濱岸演化為海灣相沉積環(huán)境；有孔蟲的分析結(jié)果也顯示出其主要出現(xiàn)8.1～3.7 cal ka BP，且含量最豐富的層位在5.2～4.7 cal ka BP(高程1.1 m附近)，推測到5 cal ka BP左右達(dá)到海平面最高值。而對(duì)比現(xiàn)代三亞灣水下沉積物，與該層位相似粒徑的沉積物在至少4～5 m水深處，所以推測當(dāng)時(shí)海平面比現(xiàn)在高。此外，珠江三角洲地區(qū)和韓江三角洲的沉積記錄亦表明距今6 ka左右出現(xiàn)第一次高海平面[22-23]，而三水盆地高海平面時(shí)間較早是由于珠江三角洲是一個(gè)斷塊三角洲，各構(gòu)造塊全新世存在明顯升降差異。實(shí)際上，國內(nèi)外眾多學(xué)者認(rèn)為：全球高海平面發(fā)生在5～6 cal ka的大西洋期，與三亞灣鉆孔高海平面的時(shí)間記錄相吻合。

在晚全新世階段，隨著海平面下降，華南地區(qū)發(fā)育了濕地沼澤；例如珠江三角洲地區(qū)的研究結(jié)果表明：在晚全新世階段海水逐漸退出珠江三角洲地區(qū)，并且在整個(gè)珠三角盆地廣泛發(fā)育草地和濕地沼澤[24]；三亞灣盆地也表現(xiàn)相類似的演化過程，也即海水逐漸退出三亞灣盆地，人類活動(dòng)逐漸增強(qiáng)。

4 結(jié) 論

本研究在AMS14C測年結(jié)果建立年代框架的基礎(chǔ)上，綜合了粒度分析、燒失量、色度分析和有孔蟲等分析結(jié)果，揭示了海南島三亞灣SY01鉆孔從早全新世階段以來的古環(huán)境演變過程。主要獲得以下幾方面的認(rèn)識(shí)：

1)海南島三亞灣 SY01鉆孔全新世厚度大概為12 m左右，全新世基底沉積物為殘積土。三亞灣早全新世階段的沉積物為含礫石的粉砂，巖性逐漸過渡為含粗砂-中砂-細(xì)砂的粉砂；沉積相從洪積相過渡到濱岸相，再演變到海灣相，最后為潟湖相沉積。

2)海南島三亞灣地區(qū)的沉積物始于～9 cal ka BP，隨著海平面迅速上升，該地區(qū)高海平面時(shí)期在～5 cal ka BP，有孔蟲和介形蟲大量聚集，有孔蟲鑒定特征顯示為海灣相沉積；隨著進(jìn)入海退階段，水動(dòng)力作用增強(qiáng)，瀉湖逐漸形成，并逐漸演變形成現(xiàn)代的三角洲地貌。