全新世以來(lái)珠江三角洲海鷗沙形成過(guò)程的地貌動(dòng)力學(xué)分析

莫文淵, 韋惺, 吳超羽

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全新世以來(lái)珠江三角洲海鷗沙形成過(guò)程的地貌動(dòng)力學(xué)分析

莫文淵1, 3, 韋惺2, 吳超羽3

1. 海南大學(xué)土木建筑工程學(xué)院, 海南 ?？?570228; 2. 熱海海洋環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所), 廣東 廣州 510301; 3. 中山大學(xué)近岸海洋科學(xué)與技術(shù)研究中心, 廣東 廣州 510275

海鷗沙是珠江三角洲一個(gè)極富特色的沉積砂體。本文基于鉆孔資料并結(jié)合長(zhǎng)周期“動(dòng)力-沉積-形態(tài)”模型, 從沉積學(xué)和地貌動(dòng)力學(xué)角度對(duì)全新世以來(lái)海鷗沙的形成演變過(guò)程進(jìn)行了探討。海歐沙在全新世的沉積層序自下而上分別為河流相、河口灣淺海相和三角洲相。全新世海侵盛期以來(lái), 虎門漲潮射流和東北—西南向漲落潮流是影響海鷗沙形成演變的主要?jiǎng)恿Α?000—2500a BP, 受東北—西南向漲落潮流的影響, 海鷗沙中北部地區(qū)一直處于沖刷無(wú)沉積狀態(tài), 由虎門漲潮射流帶來(lái)的泥沙主要在海鷗沙南部沉積, 沉積速率約為0.67mm·a–1; 2500—1700a BP, 隨著番禺平原的發(fā)育, 東北—西南向漲落潮流逐漸消弱, 海鷗沙進(jìn)入一個(gè)快速沉積期, 平均沉積速率約為15mm·a–1, 沉積由兩端向中間發(fā)展; 1700—600a BP, 隨著沙灣水道的形成, 海鷗沙中部迅速發(fā)展, 至600a BP左右, 海鷗沙基本形成并出露水面。

珠江三角洲; 海鷗沙; 全新世; 演變; 長(zhǎng)周期模型

珠江三角洲是我國(guó)一個(gè)極其復(fù)雜的大尺度河口系統(tǒng), 具有獨(dú)特的河網(wǎng)體系和河口灣。早在20世紀(jì)初期, 已有中外學(xué)者對(duì)珠江三角洲的地質(zhì)地貌作了研究探討(Heim, 1929; Hubbard, 1929; 吳尚時(shí)等, 1947)。后來(lái), 許多學(xué)者從沉積學(xué)、地貌學(xué)、河口學(xué)等不同的角度, 對(duì)珠江三角洲的海平面變化、沉積速率、地層層序、發(fā)育演變等方面進(jìn)行了大量的研究工作(黃鎮(zhèn)國(guó)等, 1982; 曾昭璇等, 1987; 趙煥庭, 1990; 龍?jiān)谱? 1997; 吳超羽等, 2006; Zong et al, 2009; 韋惺等, 2011; Wei et al, 2011, 2016), 增加了人們對(duì)珠江河口過(guò)程的認(rèn)識(shí)。近來(lái), 學(xué)者結(jié)合多學(xué)科(沉積學(xué)、河口動(dòng)力學(xué)、長(zhǎng)周期數(shù)值模擬、地貌動(dòng)力學(xué)等)的研究指出, 全新世海侵盛期以來(lái)珠江三角洲的發(fā)育模式可概況為: “門”控多核心“三角洲-子三角洲-沉積體”分級(jí)結(jié)構(gòu)充填(吳超羽等, 2006, 2007; Wu et al, 2010; Wei et al, 2014; 韋惺等, 2018)。珠江三角洲在形成過(guò)程中可以根據(jù)演變過(guò)程和機(jī)理之間的差異將其劃分為若干個(gè)子三角洲平原, 各子三角洲又由若干個(gè)更基本的動(dòng)力沉積單元——沉積體——組成。沉積體為珠江三角洲最基本的建構(gòu)單元。只有對(duì)沉積體及伴隨其形成的動(dòng)力結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究和積累大量資料, 才可以為珠江三角洲沉積相的研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ), 更真實(shí)地認(rèn)識(shí)珠江三角洲形成演變的歷史。然而目前對(duì)珠江河口沉積體的研究仍有待進(jìn)一步深入開(kāi)展。

海鷗沙是珠江三角洲一個(gè)極富特色的沉積砂體, 位于獅子洋中部, 南北長(zhǎng)約12.9km, 東西最寬處約3.7km, 總面積約34.4km2, 平面形態(tài)上呈梭狀(圖1)。獅子洋在全新世海侵盛期曾是一片擁有廣闊水域的淺海, 水動(dòng)力過(guò)程受周邊地貌動(dòng)力的影響結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度隨時(shí)空高度變化, 之后受番禺平原和東江三角洲平原的發(fā)育影響, 獅子洋水域不斷束窄, 直至變成現(xiàn)今狹長(zhǎng)的水道(Wei et al, 2014)。海鷗沙在形成發(fā)育過(guò)程中不僅受到獅子洋演變的影響, 而且受到鄰近虎門雙向射流系統(tǒng)的深刻影響。然而, 目前關(guān)于海鷗沙形成演變的研究卻未見(jiàn)報(bào)道。作為一個(gè)受射流系統(tǒng)影響的沉積體, 海鷗沙在珠江三角洲的沉積體類型中具有一定的典型性和代表性, 因此對(duì)其沉積過(guò)程進(jìn)行研究將會(huì)對(duì)珠江三角洲發(fā)育演變的認(rèn)識(shí)具有積極意義。

本文將根據(jù)鉆孔資料, 并結(jié)合長(zhǎng)周期“動(dòng)力-沉積-形態(tài)”模型PRD-LTMM(Pearl River Delta Long Term Morphodynamic Model)的模擬結(jié)果, 從沉積學(xué)和地貌動(dòng)力學(xué)角度對(duì)海鷗沙的形成發(fā)育過(guò)程進(jìn)行探討。

圖1 珠江三角洲海鷗沙及研究鉆孔分布

1 材料與方法

1.1 鉆孔資料

在海鷗沙的關(guān)鍵部位鉆孔3個(gè)(圖1), 其中PRD14位于海鷗沙沙頭北路附近, PRD15海鷗沙同樂(lè)路附近, PRD16海鷗沙沙南新村的江沙路附近, 各孔的具體經(jīng)緯度、孔深、孔口高程見(jiàn)表1。分別對(duì)各鉆孔進(jìn)行了顏色反射率、沉積物粒度和14C測(cè)年等測(cè)定。其中顏色反射率的測(cè)定儀器為CR-400/410手持色差計(jì), 測(cè)點(diǎn)間距為2cm。沉積物粒度分析采樣間距為10cm, 對(duì)于有粒徑大于2000μm的樣品采用傳統(tǒng)篩分法, 粒徑小于2000μm的樣品分別利用H2O2去除沉積物中的有機(jī)質(zhì)之后反復(fù)沖洗、烘干并制成干樣后利用LS 13320激光粒度分析儀進(jìn)行測(cè)量。鉆孔的14C測(cè)年大致按1.0m的間距取樣, 并由中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所同位素實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。其中PRD14孔共獲得5個(gè)測(cè)年數(shù)據(jù), PRD15孔共獲得17個(gè)測(cè)年數(shù)據(jù), PRD16孔共獲得12個(gè)測(cè)年數(shù)據(jù)。各鉆孔測(cè)年數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。為方便與歷史文獻(xiàn)資料分析對(duì)比, 本文并未對(duì)測(cè)年數(shù)據(jù)進(jìn)行日歷年矯正, 而是直接采用了14C測(cè)年的數(shù)值。

1.2 PRD-LTMM模型

PRD-LTMM是建立在水流運(yùn)動(dòng)方程和沉積物輸運(yùn)方程的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用約簡(jiǎn)技術(shù)對(duì)模型輸入和計(jì)算進(jìn)行了處理的千年尺度長(zhǎng)周期“動(dòng)力-沉積-形態(tài)”模型(吳超羽等, 2006; Wei et al, 2014)。模型包括潮流、沉積物輸運(yùn)、底床形變和長(zhǎng)周期變量控制等模塊。模型計(jì)算中考慮海平面變化、外海邊界的代表輸入、河流邊界代表輸入、泥沙壓實(shí)、構(gòu)造沉降等長(zhǎng)周期變量過(guò)程。具體的模型建模、輸入邊界條件和結(jié)果驗(yàn)證思想?yún)⒁?jiàn)吳超羽等(2006)和Wei 等(2014)。對(duì)海鷗沙的形成變化過(guò)程分析時(shí), 本文主要采用文獻(xiàn)(Wei et al, 2014)的模擬結(jié)果。其模型模擬的沉積厚度與40個(gè)鉆孔相比, 平均誤差為1.53m, 平均相對(duì)誤差為25.5%。模型計(jì)算輸出了珠江古河口灣海侵盛期以來(lái)每10年的水深、流場(chǎng)和懸沙濃度等。圖2為PRD-LTMM輸出的珠江河口動(dòng)力場(chǎng)及泥沙場(chǎng)隨三角洲淤積演變的分布特征。

表1 鉆孔位置列表

表2 海鷗沙鉆孔14C測(cè)年數(shù)據(jù)

圖2 PRD-LTMM模型輸出的珠江河口速度場(chǎng)和泥沙場(chǎng)隨三角洲淤積演變的分布b中虛線箭頭表示泥沙輸運(yùn)方向

2 結(jié)果

2.1 沉積特征

2.1.1 PRD14孔

該孔位于海鷗沙北部, 地理位置為113o31′33"E, 223o31′33N(圖1)?？卓诟叱虨?.55m (85高程, 下同), 總進(jìn)尺11.69m, 取芯率為69%。該孔存在一個(gè)明顯的雜色風(fēng)化黏土層, 風(fēng)化黏土層之下為黑色塊狀均質(zhì)黏土層(9.09~9.49m), 其中埋深9.24m的粉沙質(zhì)黏土塊常規(guī)14C測(cè)年為25680±450a BP屬于晚更新世沉積物, 往下又變?yōu)榘?、黃、淡紅色黏土弱風(fēng)化層。距今7000年以來(lái)的沉積主要為粉砂, 沉積物顏色反射率*平均值為5.99%, 31個(gè)樣品的粒度平均值為3.14Φ。其沉積特征概括為表3。沉積相自下而上依次為低潮坪→中潮坪→高潮坪→沼澤。

表3 PRD14鉆孔分層和特性描述

2.1.2 PRD15孔

該孔位于海鷗沙中部偏西, 地理位置為東經(jīng)113o31′02"N, 北緯22o54′49"N(圖1)?？卓诟叱?.43m, 總進(jìn)尺26.03m, 取芯率為81%。該孔的最下端(23.93~25.34m)為中粗沙, 含較多磨圓度好的礫石和卵石, 為河床相沉積物; 向上(20.04~23.86m)為灰色和灰黑色粉沙質(zhì)硬黏土, 埋深20.24、21.31、22.09m處的深灰色黏土,14C測(cè)年分別是34520±500a BP、29220±640a BP、27060±550a BP, 屬于晚更新世的沉積物。

該孔全新世沉積物厚約20.04m。根據(jù)巖性和14C測(cè)年數(shù)據(jù)可將其分為以下5段(圖3)。

1) 20.04~15.87m, 由分選性好和中等的中粗沙組成, 沙的含量大于85%。本段巖芯沉積物10個(gè)粒度分析樣品的Z(平均粒徑)值為0.98~1.84Φ, 平均值為1.37Φ;(標(biāo)準(zhǔn)偏差)值為1.07~1.99Φ, 平均值為1.65Φ; 沉積物顏色反射率*值為2.97%~24.86%, 平均值為10.60%。該沉積為沙質(zhì)河床相沉積。

圖3 PRD15孔綜合柱狀圖箭頭所指處為不同年代(單位: a BP)剖面

2) 15.87~14.91m, 由分選性差—中等的粉沙質(zhì)沙和沙組成, 沙的含量大于75%。含有較多的斑狀黏土和粉沙、較多的腐木碎屑、少量的貝殼碎片, 有生物擾動(dòng)的痕跡。本段巖芯沉積物9個(gè)粒度分析樣品的MZ(平均粒徑)值為1.51~3.52Φ, 平均值為2.32Φ;值為1.87~2.72Φ, 平均值為2.27Φ; 沉積物顏色反射率*值為3.06%~6.91%, 平均值為4.97%, 顏色反射率低, 水深加深, 其中埋深15.55m處的14C測(cè)年為8010±135a BP。該沉積為水動(dòng)力較強(qiáng)的低潮坪沉積。

3) 14.91~10.69m, 由分選性差的沙、粉沙和粉沙質(zhì)沙組成, 含有少量貝殼碎屑和較多的腐木, 大多為塊狀均質(zhì), 層理不明顯, 有微小的生物擾動(dòng)痕跡。本段巖芯沉積物31個(gè)粒度分析樣品的Z值為3.24~4.75Φ, 平均值為4.23Φ;值為2.31~2.79Φ, 平均值為2.57Φ; 沉積物顏色反射率*值為3.14%~ 6.12%, 平均值為4.20%, 顏色反射率比下伏層(15.87~14.91m)沉積物變小, 水深繼續(xù)變大, 海平面持續(xù)上升。埋深11.07、12.14、13.11、14.18m的淤泥塊常規(guī)14C測(cè)年分別為7110±105、7780±115、8410±115、7910±110a BP; 13.11m處的測(cè)年數(shù)據(jù)偏老, 為沉積物再搬運(yùn)所致, 本段巖芯判斷為潮下淺灘沉積。

4) 10.69~1.43m, 由深灰色沙、粉沙和粉沙質(zhì)沙組成, 發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理, 偶爾可見(jiàn)腐木碎屑, 含較多的中細(xì)沙透鏡體。本段巖芯沉積物73個(gè)粒度分析樣品的MZ值為1.19~6.10Φ, 平均值為4.60Φ; 沉積物粒徑變化幅度較大, 以沙、粉沙和粉沙質(zhì)沙為主, 反映了水動(dòng)力環(huán)境較強(qiáng)且復(fù)雜多變;值為0.26~2.95Φ, 平均值為2.49Φ; 沉積物顏色反射率*值為0.18%~10.67%, 平均值為4.90%; 埋深1.45、2.73、3.97、4.67、5.64、6.89、7.87、9.10、10.00m處的常規(guī)14C測(cè)年分別是1030±160、1140±140、1125±120、1215±175、1230±180、1200±150、1140±150、1190±160、1315±95a BP。此段沉積物的9個(gè)常規(guī)14C測(cè)年數(shù)據(jù)雖然存在小部分倒置現(xiàn)象, 但都非常接近, 在誤差允許的范圍內(nèi), 因而是同一時(shí)期的沉積物, 即大約在300a時(shí)間內(nèi)堆積了9.26m厚的沉積物, 這反映了河口區(qū)快速的沉積作用。本段巖芯判斷為河口沙壩沉積。

5) 1.43~1.0m, 灰色沙質(zhì)粉沙和沙、黏土黏土、粉沙, 分選性差, 含灰黃色粉細(xì)沙沙包。4個(gè)沉積物粒度分析樣品的Z(平均粒徑)值為5.01~5.69Φ, 平均值為5.04Φ;值為2.30~2.64Φ, 平均值為2.47Φ; 沉積物顏色反射率*值為7.37%~14.94%, 平均值為11.06%。本段為洪泛沉積。

2.1.3 PRD16孔

該孔位于海鷗沙南部, 地理位置為113°32′45"E, 22°52′28"N(圖1)?？卓诟叱虨?.73m, 總進(jìn)尺27.81m, 取芯率為79%。此孔巖芯最下端(27.74~26.11m)為致密的淺風(fēng)化紅色沙巖, 向上(26.11~22.90m)變?yōu)橹写稚? 含磨圓度較好、直徑3~5mm的礫石,再向上(22.90~12.77m)細(xì)化為粉沙質(zhì)沙。埋深13.41、14.88、16.05、17.02和18.18m處黏土和腐木的常規(guī)14C測(cè)年分別為24800±750、26840±450、30230±600、31745±700和33340±1000a BP, 本段為晚更新世末期的沉積物。更新統(tǒng)沉積物和全新統(tǒng)沉積物之間存在厚約2.32m(12.77~10.45m)的黃色風(fēng)化黏土層, 且存在不整合面, 風(fēng)化黏土層之上為全新統(tǒng)的沉積物, 厚度為10.45m。根據(jù)巖性和14C測(cè)年數(shù)據(jù)可將全新世沉積分為以下3段(圖4)。

1) 10.45~10.11m, 深灰色粉沙質(zhì)沙。含較多的貝殼碎屑和大塊牡蠣殼, 非原生狀態(tài), 且含有長(zhǎng)1.5cm左右的腐木塊。其中10.28m處的貝殼常規(guī)14C測(cè)年為6570±140a BP。這層巖芯可能為海平面上升的過(guò)程中的風(fēng)暴潮沉積。

2) 10.11~3.77m, 深灰色粉沙質(zhì)沙、沙, 向上細(xì)化為沙質(zhì)粉沙。整層巖芯含較多腐木碎屑, 下端(10.11~8.99m)含較多的貝殼碎屑。這層巖芯判斷為潮道沙體。本段巖芯55個(gè)沉積物粒度分析樣品的Z值為1.13~5.40Φ, 平均值為3.83Φ;(標(biāo)準(zhǔn)偏差)值為1.31~2.91Φ, 平均值為2.53Φ; 沉積物顏色反射率*值為0.74%~14.58%, 平均值為6.11%。無(wú)論是沉積粒徑還是標(biāo)準(zhǔn)偏差以及沉積物顏色反射率都變幅較大, 反映了動(dòng)力環(huán)境的多變。其中4.72~5.24m和7.92~8.88m是粉細(xì)沙與淤泥互層, 大多呈槽狀層理, 向上和向下大多數(shù)為細(xì)顆粒的黏土, 沙的含量向上減少。埋深3.88、5.35、6.02、7.29、8.46、9.53m處的腐木和淤泥塊常規(guī)14C測(cè)年分別為1795±70、1900±100、2050±100、2090±100、2410±10、4040±150a BP。本段巖芯為潮道沙體。

3) 0~3.77m, 灰黃色粉沙質(zhì)沙, 含小顆粒鈣質(zhì)結(jié)核。與下覆層之間為不整合接觸關(guān)系, 存在不整合面。本段為洪泛沉積。

2.2 沉積速率

圖4 PRD16孔綜合柱狀圖箭頭所指處為不同年代(單位: a BP)剖面

圖5為PRD14、PRD15和PRD16三個(gè)鉆孔在全新世的沉積速率對(duì)比。PRD14孔在7000—2000a BP該段時(shí)期基本處于無(wú)沉積狀態(tài), 但在2000a BP之后進(jìn)入了快速沉積階段。根據(jù)測(cè)年數(shù)據(jù)計(jì)算, 在1900—1680a BP, PRD14孔沉積了2.51m, 沉積速率達(dá)16.42mm·a–1。而珠江三角洲在全新世海侵盛期以來(lái)的平均沉積速率也只是約為2.56mm·a–1(韋惺等, 2011)。PRD15孔在8010—7910、7910—7780和7780—7110a BP三個(gè)時(shí)間段內(nèi)的沉積速率分別是8.66、9.72和1.61mm·a–1, 這應(yīng)該是海侵期溯源堆積的過(guò)程, 該段時(shí)期(8010~7110 a BP)的平均沉積速率為4.83mm·a–1。之后PRD15孔在7110—1315a BP段時(shí)間里進(jìn)入了緩慢沉積或無(wú)沉積、沖刷階段(圖3)。距今1315年之后又進(jìn)入了一個(gè)高速沉積階段。在1315—1030a BP的近300年間沉積厚度達(dá)8.6m, 平均沉積速率高達(dá)44.9mm·a–1。對(duì)于PRD16孔, 自6570 a BP以來(lái)基本都在接受沉積, 但在2410a BP以前沉積速率不大, 之后也進(jìn)入了一個(gè)高速的沉積階段, 2410—1790 a BP的平均沉積速率為8.23mm·a–1。

圖5 PRD14、PRD15和PRD16孔沉積速率對(duì)比

沉積物是沉積環(huán)境的產(chǎn)物, 雖然基于測(cè)年數(shù)據(jù)計(jì)算的沉積速率是概化的結(jié)果, 但是對(duì)于百年至千年尺度的宏觀沉積年代以及環(huán)境演變還是具有特定的意義。由三個(gè)鉆孔的沉積速率和沉積特征分析顯示, 7000—2400a BP年間, 海鷗沙區(qū)域沉積物來(lái)源少, 水動(dòng)力活躍, 泥沙較少發(fā)生沉積(如圖2所示, PRD-LTMM模型也很好地反映了這一情況), 而2000a BP則進(jìn)入了一個(gè)高速沉積的階段, 此時(shí)的海鷗沙發(fā)育方式是由南北兩端向中間發(fā)展。

3 海鷗沙的形成演變

3.1 全新世早期海鷗沙的形成發(fā)育

據(jù)李平日等(1991)的研究, 冰期海退末期約距今15000年, 珠江河口地區(qū)的海平面位置最低, 約低于現(xiàn)今海平面約115m。此時(shí)由更新世海侵形成的古三角洲暴露出來(lái)形成陸地, 并遭受侵蝕、切割和風(fēng)化。PRD14和PRD16孔的全新世沉積之下分別存在2.1和2.3m厚的花斑黏土層(圖6), 應(yīng)是在該時(shí)期形成。此時(shí)古珠江三角洲及其水下部分發(fā)育延伸至距今岸線以南100～200km的南海海域。PRD15孔處的基底較PRD14和PRD15孔深, 其下為一層厚約4.1m的粗砂和礫石層, 說(shuō)明此處應(yīng)處于化龍—黃閣斷裂(張虎男, 1980)形成的古河谷區(qū)域。

自距今12000年以來(lái)海平面開(kāi)始上升, 在8000—6000a BP海平面以11~12mm·a–1的速率上升(李平日等, 1991)。大約在7000—8000a BP海平面上升至現(xiàn)代河口三角洲地區(qū), 淹沒(méi)河谷并在古河谷和河漫灘上發(fā)生溯源堆積, 形成一個(gè)向上的細(xì)化沉積序列(黃鎮(zhèn)國(guó)等, 1982; 龍?jiān)谱? 1997; Wei et al, 2011)。PRD15孔基底深度約為18.7m, 在12000—6000a BP海平面上升期間沉積了厚約10.0m、向上細(xì)化的溯源沉積物, 溯源沉積物底部是粗沙和磨圓度好的礫石, 屬于河床相沉積物; 中部為中細(xì)沙和黏土互層沉積物, 屬于受潮流作用控制的潮流相沉積物; 沙的含量向上逐漸減少, 上部變成夾有少量薄細(xì)沙層的深灰色塊狀沙質(zhì)粉沙, 表明隨著海平面上升, 在6000a BP左右, 此處的沉積環(huán)境已經(jīng)變成淺海(圖3)。PRD14和PRD16由于基底地形較淺, 在末次冰期結(jié)束后海平面上升的過(guò)程中缺失了溯源堆積物。在6000a BP左右, 由于往復(fù)潮流的夷平作用使得PRD15孔所在的古河谷被填平。此時(shí)PRD15孔與PRD16孔的沉積基底深度都在8.5m左右(圖6)。

3.2 海侵盛期以來(lái)海歐沙的形成發(fā)育

在大約6000 a BP珠江三角洲地區(qū)的海侵達(dá)到盛期, 海平面與現(xiàn)今海平面接近, 此時(shí)的珠江三角洲大部分地區(qū)已淪為淺海灣, 而古珠江河口灣的灣頭處于肇慶、三水縣蘆苞和花縣炭步區(qū)鴨湖以北、花縣向西莊、惠陽(yáng)縣潼湖一帶(趙煥庭, 1990)。位于現(xiàn)今廣州市海珠區(qū)的七星崗海蝕洞和海蝕平臺(tái)即為該時(shí)期海洋自然作用形成(吳超羽等, 2006)。星羅棋布于現(xiàn)代三角洲平原上的陸嶼島丘即為河口灣中大大小小的沉積環(huán)境。現(xiàn)代珠江三角洲基本上從此時(shí)開(kāi)始連續(xù)發(fā)育(Wei et al, 2011)。14C測(cè)年數(shù)據(jù)和沉積物結(jié)構(gòu)特征顯示, PRD14、PRD15、PRD16孔在6000a BP以來(lái)的沉積厚度分別為4.3、8.6、8.5m, 其沉積發(fā)育可分為以下三個(gè)不同階段(圖7)。

1) 6000—2500a BP, 該時(shí)期海鷗沙的發(fā)育的主要特點(diǎn)為南面以大約0.67mm·a–1的速度緩慢沉積, 而北面則是處于沖刷或者無(wú)沉積狀態(tài)。表現(xiàn)為PRD14和PRD15在此時(shí)期沒(méi)有沉積, 而PRD16孔在該時(shí)期形成了厚約4.8m的沉積。根據(jù)PRD-LTMM的模擬結(jié)果分析, 這一時(shí)期的沉積動(dòng)力環(huán)境主要北東—西南向漲落潮潮流和虎門射流系統(tǒng)的控制。

圖6 海鷗沙聯(lián)孔地層剖面(鉆孔位置見(jiàn)圖1) 箭頭所指處為不同年代(單位: a BP)剖面

首先, 該時(shí)期的獅子洋是一片聯(lián)接古東江河口灣的廣闊淺海, 由伶仃洋進(jìn)入古珠江河口灣的潮汐受地形的影響, 形成一股強(qiáng)大的東北—西南向的漲落潮流(圖2a、c和圖7a)。海鷗沙中北部地區(qū)恰好處于這股水流的流路上, 加之基底地形較淺(圖6), 所以長(zhǎng)期處于沖刷或無(wú)沉積階段。

其次, 如圖2所示, 在古珠江河口灣, 西北江的來(lái)沙受到動(dòng)力結(jié)構(gòu)的影響, 主要經(jīng)過(guò)古磨刀門和古橫門輸運(yùn)到外海, 而較少向西輸運(yùn)并進(jìn)入獅子洋一帶; 而西面的東江來(lái)沙又主要在東江口門區(qū)沉積, 未能輸運(yùn)到海鷗沙區(qū)域。因此海鷗沙一帶泥沙來(lái)源少, 泥沙濃度相對(duì)較小。

最后, 在海鷗沙的南端, 一方面由于山體(如黃角山和南沙山等)的阻隔作用, 因此受東北—西南向潮流的作用較小。另一方面, 海鷗沙的南端正好處于虎門漲潮射流(莫文淵, 2010)的動(dòng)力尾閭, 射流強(qiáng)度降低, 流速變小, 從而導(dǎo)致泥沙在此落淤。在該段時(shí)期末期, 海鷗沙區(qū)域形成了一道平均水深約為4.5m的水中暗灘(圖6、圖7a)。

2) 2500—1700a BP, 前期由南至北的中心淺灘逐漸形成之后, 海鷗沙隨之進(jìn)入一個(gè)較為快速的沉積階段。PRD14孔處1900±75至 1680±100a BP之間的沉積速率達(dá)到16.8mm·a–1, 而PRD16孔處2410±100至1795±70a BP之間的沉積速率為13.3mm·a–1。而在海鷗沙中部依然處于沖刷、無(wú)沉積階段(圖6)。根據(jù)PRD-LTMM模型分析顯示, 這一沉積特征依然主要是受東北—西南向的漲落潮流和虎門漲潮射流所控制(圖2e和圖7b)。對(duì)于東北—西南向潮流來(lái)說(shuō), 由于一方面雖然東江三角洲尚未成陸, 但是水深已逐漸變淺, 從而納潮量大大減小; 另一方面隨著番禺臺(tái)地以南淺海逐漸自北向南和東南淤積成陸, 以及黃角山以及南沙山附近島嶼周邊沉積發(fā)育, 沙灣水道的雛形逐漸顯現(xiàn), 所以原本強(qiáng)大的北東—西南向漲落潮潮流逐漸削弱。西北江泥沙由于古河灣的充填束窄和河道的逐漸形成, 開(kāi)始進(jìn)入海鷗沙海區(qū)(圖2f)。而此時(shí)的虎門漲潮射流依然強(qiáng)勁, 所以在其動(dòng)力尾閭泥沙能快速堆積。此階段PRD14孔和PRD16孔分別接受了3.9和3.5m左右的沉積物, 大約在1700a BP左右就進(jìn)入灣中淺灘階段, 水深不足1m。

圖7 海鷗沙發(fā)育演變的不同階段及其對(duì)應(yīng)的漲潮時(shí)刻地貌動(dòng)力過(guò)程

3) 1700—600a BP, 在河口灣淺灘形態(tài)的形成發(fā)育過(guò)程中, 海鷗沙中西部依然是依然受沖刷并保持約8.6m左右的水深(圖6), 然而在1315±95至1030±160a BP期間沉積速率突然加快, 在大約300年的時(shí)間里面堆積了8.3m左右厚的沉積物, 沉積速率高達(dá)61mm·a–1。根據(jù)PRD-LTMM模擬結(jié)果和地貌動(dòng)力分析發(fā)現(xiàn), 這主要是由于一方面隨著番禺平原的進(jìn)一步擴(kuò)展, 沙灣水道隨之逐漸形成, 并漸漸阻斷了東北—西南向的潮流; 另一方面海鷗沙中部區(qū)域正對(duì)沙灣水道口, 口門攔門沙壩沉積發(fā)育, 而此時(shí)虎門射流也由于上游納潮容積的減小而逐漸減弱, 因此該地區(qū)對(duì)應(yīng)有較高的沉積速率(圖7c)。根據(jù)歷史地貌學(xué)研究, 曾昭璇等(1987)發(fā)現(xiàn)海鷗沙于元代(約700年前)出水成坦, 大沙于明代初期(約600年前)出露水面, 而到了清代人們開(kāi)始拋石筑堤, 沙洲進(jìn)一步擴(kuò)大。

4 結(jié)論

1) 鉆孔資料顯示, 全新世海鷗沙的沉積物覆蓋于末次冰期形成的風(fēng)化侵蝕面與底礫層之上; 全新世沉積層序自下向上大體可以分為河流相、河口灣淺海相和三角洲相。全新世沉積層垂向堆積序列可分為兩段: 8000—6000a BP為下細(xì)上粗的逆向序列, 之后主要表現(xiàn)為下粗上細(xì)的正向序列。

2) 全新世海侵盛期以來(lái), 虎門漲潮射流和東北-西南向漲落潮流是影響海鷗沙形成演變的主要?jiǎng)恿?。?000—2500a BP, 受東北—西南向漲落潮流的影響, 海鷗沙中北部地區(qū)一直處于沖刷無(wú)沉積狀態(tài), 由虎門漲潮射流帶來(lái)的泥沙主要在海鷗沙南部沉積, 沉積速率約為0.67mm·a–1; 2500—1700a BP, 隨著番禺平原的發(fā)育, 東北—西南向漲落潮流逐漸消弱, 海鷗沙進(jìn)入一個(gè)快速沉積期, 平均沉積速率約為15mm·a–1, 沉積由兩端向中間發(fā)展; 1700—600a BP, 隨著沙灣水道的形成, 海鷗沙中部正處沙灣水道入?？? 沉積迅速發(fā)展, 沉積速率高達(dá)61mm·a–1; 至600a BP左右, 海鷗沙基本形成并出露水面。

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Morphodynamic analysis of Haiou sandbody evolution in Pearl River delta since Holocene

MO Wenyuan1, 3, WEI Xing2, WU Chaoyu3

1. College of civil Engineering and Architecture of Hainan University, Haikou 570228, China;2. State Key Laboratory of Tropical Oceanography (South China Sea Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences), Guangzhou 510301, China; 3. Center for Coastal Ocean Science and Technology Research, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China

Haiou Sandbody (HS) is a characteristic deposition body in the Pearl River delta. Based on the borehole data and the long-term morphodynamic model, the formation and evolution of the HS were studied. The bottom-up sedimentary sequence of the HI during Holocene is river facies, estuary shallow sea facies and delta facies. Since the maximum of the Holocene transgression, Humen tidal current and northeast-southwest tidal current have been the main forces influencing the formation and evolution of HS. From 6000 to 2500 a BP, due to the influence of the northeast to southwest fluctuating tide, the middle and northern parts of HS have been in a scour and non-sedimentary state. From 2500 to 1700 a BP, with the development of Panyu Plain, the northeast-southwest fluctuating trend gradually weakened, and the HS entered a rapid sedimentary period, with the mean deposition rate of about 15 mm·a–1. Between 1700 and 600 a BP, with the formation of the Shawan channel, the middle part of HS developed rapidly. To about 600 a BP, HS basically formed a dew surface.

Pearl River delta; Haiou sandbody; Holocene; evolution; long-term model

P736.2; P737.1

A

1009-5470(2019)03-0068-11

10.11978/2018088

2018-08-27;

2018-10-09。林強(qiáng)編輯

國(guó)家自然科學(xué)基金(41206071); 廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(201607020042)

莫文淵(1980—), 男, 漢族, 湖南省邵陽(yáng)市人, 副教授, 主要從事河口海岸研究。E-mail: redondomo@163.com

韋惺。E-mail: wes@scsio.ac.cn

2018-08-27;

2018-10-09. Editor: LIN Qiang

Natural Science Foundation of China (41206071); Science and Technology Foundation of Guangzhou (201607020042)

WEI Xing. E-mail: wes@scsio.ac.cn