晚上新世以來萊州灣南岸HLL02 鉆孔的孢粉記錄及其古環(huán)境演變

姜興鈺，王琳，郝秀東，王福 ，田立柱 ，施佩歆，陳永勝，王宏，李建芬，商志文

（1.中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津300170；2.中國地質(zhì)調(diào)查局海岸帶地質(zhì)環(huán)境重點實驗室，天津300170；3.天津市測繪地理信息研究中心，天津300381；4.南寧師范大學北部灣環(huán)境演變與資源

利用教育部重點實驗室，南寧530001；5.南寧師范大學廣西地表過程與智能模擬重點實驗室，南寧530001）

萊州灣是渤海遼東灣、渤海灣、萊州灣三大海灣的重要組成部分，以黃河三角洲與渤海灣相隔，灣內(nèi)河流眾多，海陸作用強烈，對植被演替、環(huán)境演變及海平面變化等非常敏感[1-3]。因此，萊州灣一度成為研究陸海作用下的沉積過程及環(huán)境演變的焦點。多年來，微體古生物學、地層學、元素地球化學等多種替代指標的研究結(jié)果，較好的揭示了萊州灣地區(qū)第四紀以來的海相地層、沉積古環(huán)境及其氣候變遷[4-6]。孢子、花粉（簡稱孢粉）是植物的生殖配子體，由于其外壁含有耐高溫、耐氧化和耐酸堿腐蝕的孢粉素（C96H22O24），在漫長的地質(zhì)年代里，也可以被很好地保存下來[7-8]，加之孢粉具有產(chǎn)量大、種類豐富等優(yōu)勢，已經(jīng)成為最直接、最可信的古環(huán)境和古植被代用指標之一[9-14]。截止目前，在渤海南岸也開展了一些孢粉學研究[15-16]，但時間跨度均多局限在晚更新世，上新世等更久遠的古環(huán)境研究卻較為鮮見。

本研究在綜合前人研究的基礎(chǔ)上，擬通過對萊州灣南岸HLL02鉆孔進行孢粉學研究，結(jié)合鉆孔中出現(xiàn)的海相溝鞭藻類、淡水藻類等化石記錄來恢復和重建萊州灣晚上新世以來的植被演變、氣候變化及海侵事件，為進一步研究渤海地區(qū)的古環(huán)境變遷提供參考資料。

1 研究區(qū)概況

1.1 地質(zhì)地貌背景

本研究的HLL02 鉆孔位于萊州灣南岸（圖1）。據(jù)姜興鈺等，萊州灣南岸位于郯廬斷裂中段沂沭斷裂的東、西兩支之間[17-19]，自中新世中晚期以來，整體處于穩(wěn)定的沉降環(huán)境[20-22]，地震剖面結(jié)果也揭示，地層基本平行、連續(xù)穩(wěn)定，無較大的起伏，也無較大的不整合面產(chǎn)生[23-24]。該孔附近的HLL01鉆孔研究結(jié)果表明[17]，孔底界（452 m）年齡約為6.5 Ma 或4.6 Ma，140 m以深為上新世，屬明化鎮(zhèn)組，可能包含部分晚中新世，歸屬館陶組。140 m以淺為更新統(tǒng)地層，75～140 m為早更新統(tǒng)地層，35～75 m為中更新統(tǒng)地層，35～11 m為晚更新統(tǒng)地層，全新統(tǒng)埋深約11 m。等到了晚第四紀，研究區(qū)的沉積環(huán)境主要為三角洲、河口、潮坪三種類型[25]，其下伏地層以河湖相為主[26]。

圖1 HLL 02鉆孔位置圖Fig.1 Location of the researched borehole of HLL 02

1.2 氣候與植被

萊州灣位于黃河三角洲的東南側(cè)，屬于暖溫帶季風氣候，沒有明顯的海洋性特征，四季分明，冬季溫度較低，夏季炎熱。年平均氣溫11.9～12.6℃，最高溫度和最低溫度分別出現(xiàn)在7月和1月；受地理位置、地形、氣流運動因素影響，降水量時空分布不均，年平均降水量為612.5～660.1 mm，降水多集中在6～9 月，占全年的70%～80%；年蒸發(fā)量高于降水量；年平均風速4 m/s；無霜期年均187天[2]。

研究區(qū)植被屬黃河三角洲小麥、棉花、雜糧栽培植被，堿蓬鹽生草甸小區(qū)[27]。據(jù)張緒良等[28]和吳征鎰[29]調(diào)查，萊州灣南岸現(xiàn)代植被多為濱海濕地類型，由48科129屬197種植物構(gòu)成。木本植物主要有松屬、高山櫟屬、鵝耳櫟屬、木犀科、?？频?；旱生草本花粉主要有禾本科、藜科、蒿屬、毛良屬、蓼科等；水生草本花粉以香蒲屬、莎草科為主；蕨類孢子含量較少，種類單一，以卷柏屬為主[13]。

2 研究方法及年代框架

2.1 巖性描述及樣品采集

HLL02鉆孔海拔3.4 m，由天津地質(zhì)調(diào)查中心于2012年夏天開展鉆孔作業(yè)[1，17]。據(jù)Yi 等[30]，整孔沉積環(huán)境變化明顯，可細劃分為33層，本文不復贅述。其主要巖性特征由上到下可大致分為以下三個部分：

（1）0～60.5 m，黃色、黃褐色及黃灰色砂質(zhì)淤泥和細沙，并含有貝殼碎片；

（2）60.5～242.2 m，黃褐色、橙色細砂和中砂，含貝殼碎片和鈣核；

（3）242.0～425.0 m，青灰色、灰白色中砂和粗砂，偶爾出現(xiàn)碎石。

本次研究的孢粉樣品按照1～16 m不等間距進行采集，共采集了HLL02鉆孔巖芯90份孢粉樣品。

2.2 實驗室處理

孢粉提取的實驗室方法采用傳統(tǒng)的過篩法[31]，即先后加鹽酸和氫氟酸來去除樣品中的鈣質(zhì)和硅質(zhì)，最后用7 μm網(wǎng)篩在超聲波中過篩。每個樣品的孢粉統(tǒng)計有效粒數(shù)在99～530 之間，平均每個樣品122粒。在鑒定和統(tǒng)計孢粉數(shù)目的同時，記錄樣品中出現(xiàn)的海相溝鞭藻及淡水藻類，孢粉圖譜百分比含量按孢子與花粉總數(shù)計算，海相溝鞭藻和淡水藻類則直接統(tǒng)計孢子數(shù)量。

孢粉（藻類）濃度計算采用“外加標志法”[32]，即將已知濃度的現(xiàn)代石松（Lycopodium）孢子（27 637±593粒/片）作為標志添加到每一份樣品中，再依據(jù)鑒定和統(tǒng)計結(jié)果進行濃度計算。具體孢粉濃度計算公式如下：

孢粉、淡水藻類及海相溝鞭藻類等的鑒定和統(tǒng)計是在Leica DM4000 B 光學顯微鏡10×40 倍下進行，對個體極小的孢粉放大至10×60 倍。使用Tilia（1.7.16）軟件建立孢粉、藻類百分比及濃度的孢粉譜。

2.3 年代框架

Yi 等[30]對HLL 02 孔作了詳細的古地磁地層學研究，建立了HLL 02鉆孔地層年代框架（圖2）。鉆孔底界年齡為5.3 Ma，230 m以下為上新統(tǒng)，230 m以上為更新統(tǒng)，其中230～80 m為下更新統(tǒng)，80～20 m為中更新統(tǒng)，20～11.5 m為上更新統(tǒng)，全新統(tǒng)埋深約11.5 m。

3 結(jié)果

3.1 孢粉類型

圖2 HLL02孔的古地磁年代學框架（修改自Yi et al.，2016）Fig.2 Magnetostratigraphic chronology of Borehole HLL02(modified after Yi et al.,2016)

HLL02 鉆孔共鑒定出花粉和孢子102 科屬（圖3），并依據(jù)具體孢粉類型的現(xiàn)代生態(tài)學分布特征，對其進行了劃分[29]，其中云杉屬（Picea）、冷杉屬（Abies）、松屬（Pinus）等針葉類5科屬，?？疲∕oraceae）、鼠李科（Rhamnaceae）、冬青屬（Ilex）、常綠櫟屬（Quercusevergreen）等熱帶亞熱帶闊葉喬木和灌木類19科屬，榿木屬（Alnus）、榛屬（Corylus）、榆屬（Ulmus）等溫帶闊葉喬木和灌木類28科屬，禾本科（Poaceae）、蒿屬（Artemisia）、藜科（Chenopodiaceae）等陸生草本類41科屬，水龍骨科（Polypodiaceae）、鳳尾蕨屬（Pteris）等蕨類孢子9科屬，以及盤星藻屬（Pediastrum）和環(huán)紋藻屬（Concentricystis）淡水藻類2屬。本鉆孔中出現(xiàn)的海相溝鞭藻沒有進行屬種鑒定，只統(tǒng)計了其具體數(shù)字。

3.2 孢粉組合特征

HLL02鉆孔的孢粉組合整體上以草本為主，主要科屬為藜科（Chenopodiaceae）、禾本科（Poaceae）和蒿屬（Artemisia）。木本次之，主要科屬為松屬（Pinus）、木犀科（Oleaceae）、?？疲∕oraceae）、樺木屬（Betula）和落葉櫟屬（Quercus-D）。蕨類孢子含量最低，主要以中華卷柏（Selaginella sinensis）和鐵線蕨屬（Adiantum）為主（圖3）。此外，本鉆孔還保存有少量的淡水藻類和海相溝鞭藻類。

依據(jù)HLL02鉆孔主要孢粉類型的百分比及濃度變化特征，將其進行聚類分析，共分為3個孢粉組合帶：帶I、II-III（圖3），由下至上描述如下：

帶 I：晚上新世-早更新世（～5.3～2.54 Ma；424.8～228.2 m）

本帶的孢粉濃度為整個鉆孔最低，為5.92粒/g。

本帶以草本為主，含量達66.17%（平均值，下同），為整個鉆孔的最高值，主要為蒿屬（25.28%）、藜科（24.16%）和禾本科（10.68%）。木本次之，為32.21%，主要為針葉類松屬（13.72%），闊葉類木犀科（9.63%）、桑科（3.49%）、樺木屬（1.39%）及落葉櫟屬（0.53%）。蕨類含量最低，為1.62%，主要為中華卷柏（1.12%）和鐵線蕨屬（0.28%）。

淡水藻類數(shù)量在整個鉆孔中最低，只是零星出現(xiàn)了6粒盤星藻（Pediastrum）孢子。此外，海相溝鞭藻化石在本帶缺失。

帶II：早更新世-中更新世（～2.54～0.7 Ma；228.2～59.5 m）

本帶的孢粉濃度略有增加，為7.36粒/g。

本帶仍以草本為主，其含量略有下降，由66.17%降為65.69%，木本含量略有增加，由32.21%升為32.42%，蕨類孢子含量略有增加，由1.62%升為1.89%。主要科屬為藜科（23.25%）、蒿屬（20.61%）、禾本科（15.99%）、松屬（17.35%）、木犀科（7.42%）、樺木屬（1.39%）、?？疲?.29%）、落葉櫟屬（0.95%）和中華卷柏（1.09%）。

淡水藻類數(shù)量在本帶略有增加，共發(fā)現(xiàn)盤星藻孢子25粒，以及14粒環(huán)紋藻（Concentricystis）孢子。此外，海相溝鞭藻化石在本帶持續(xù)缺失。

帶III：中更新世-晚全新世（～0.7～0.004 Ma；59.5～6.8 m）

本帶的孢粉濃度急劇增加，達37.23粒/g。

本帶的草本含量持續(xù)降低，由65.69%降為65.25%，主要科屬為藜科（20.89%）、禾本科（17.69%）和蒿屬（15.42%）。木本含量持續(xù)增加，由32.42%升為33.61%，主要為松屬（15.72%）、木犀科（3.98%）、落葉櫟屬（2.30%）、?？疲?.19%）及樺木屬（1.94%）。蕨類含量略有降低，由1.89%降為1.14%，主要為鐵線蕨屬（0.43%）和中華卷柏（0.39%）。

圖3 HLL02鉆孔主要孢粉型的百分比及濃度圖Fig.3 Percentage and concentration diagram of major palynomorphs in the borehole HLL02

淡水藻類數(shù)量在本帶達到鉆孔的最高值，共發(fā)現(xiàn)盤星藻孢子124粒，以及13粒環(huán)紋藻孢子。此外，海相溝鞭藻開始出現(xiàn)在多個樣品中，共發(fā)現(xiàn)9粒海相溝鞭藻囊孢。

4 討論

4.1 孢粉記錄的古植被演替

HLL02鉆孔的孢粉組合顯示，草本含量最高，木本次之，蕨類含量最低，揭示出萊州灣晚上新世以來古植被演替的幅度波動不大，主要為草原與森林草原的交替波動。具體古植被演替如下：

4.1.1 晚上新世-早更新世草原植被

孢粉記錄顯示，晚上新世-早更新世（約5.3～2.54 Ma）孢粉濃度為整個鉆孔最低（5.92粒/g），草本含量達到整個HLL02鉆孔的最高值（66.17%），主要以蒿屬（25.28%）、藜科（24.16%）和禾本科（10.68%）為主。木本主要以針葉類松屬（13.72%）為主，并伴有闊葉類木犀科（9.63%）、?？疲?.49%）及樺木屬（1.39%）。結(jié)合前人的研究成果，松屬花粉具有超代表性[33]，本鉆孔中如果剔除了松屬花粉，其木本花粉的含量卻較低，為18.49%。蕨類含量最低（1.62%），主要為中華卷柏（1.12%）和鐵線蕨屬（0.28%）。指示萊州灣南岸及其附近地區(qū)自晚上新世進入早更新世之后，覆蓋其上的植物群落主要是以蒿屬、藜科及禾本科為主的草原，氣候溫暖偏干。

盤星藻是一類廣域性分布的水生藻類植物，生活在淡水或微咸水湖泊、池塘、洼地或流速不大的小河等各種靜止水體中，硬水中更為常見[34]。現(xiàn)生盤星藻幾乎都生于淡水，迄今為止咸水種類還沒有發(fā)現(xiàn)[35]。在本階段，淡水藻類數(shù)量在整個鉆孔中最低，只零星出現(xiàn)了6粒盤星藻孢子。同時，海相溝鞭藻化石在本階段缺失。指示該地區(qū)在晚上新世-早更新世階段，沒有大的河流注入，或大的湖泊形成，降水量較少，氣候偏干；同時，海水也沒有影響到研究區(qū)。

4.1.2 早更新世-中更新世草原-森林草原過渡植被

孢粉記錄顯示，早更新世-中更新世（約2.54～0.7 Ma）孢粉濃度略有增加（7.36粒/g），草本含量略有下降（65.69%），木本含量略有增加（32.42%），蕨類孢子含量略有增加（1.89%）。但是，如果剔除具有超代表性的松屬花粉（17.35%），木本花粉的含量則較低，含量為15.07%。孢粉組合仍然以草本為主，指示萊州灣南岸在早更新世-中更新世階段，植被類型開始由以藜科（23.25%）、蒿屬（20.61%）及禾本科（15.99%）為主的草原，向其間分布著一些以松屬為代表的針葉類和以木犀科（7.42%）、樺木屬（1.39%）、?？疲?.29%）及落葉櫟屬（0.95%）等為代表的闊葉類木本植物的森林草原過渡，指示了溫暖濕潤的氣候狀況。

本階段淡水藻類數(shù)量略有增加，除了出現(xiàn)盤星藻孢子25粒外，還出現(xiàn)了14粒環(huán)紋藻孢子。此外，海相溝鞭藻化石在本帶持續(xù)缺失。綜合前人的研究成果，環(huán)紋藻化石在我國第四紀地層中分布廣泛，是一種具指向意義、對氣候有較強適應(yīng)性的藻類，往往與莎草科、香蒲、眼子菜等水生植物共同出現(xiàn)，且經(jīng)常與淡水生盤星藻、雙星藻、鼓藻共生，反映溫熱濕潤的淡水湖沼或河漫灘積水沼澤的沉積環(huán)境[35-37]。本階段淡水藻類的種類和數(shù)量均有增加，指示該地區(qū)在早更新世-中更新世期間，可能有大的河流注入，或大的湖泊形成，降水量增加，氣候變得濕潤。

4.1.3 中更新世-晚全新世森林草原植被

孢粉記錄顯示，中更新世-晚全新世（約0.7～0.004 Ma）孢粉濃度增加明顯（37.23粒/g），草本含量持續(xù)降低（65.25%），木本含量持續(xù)增加（33.61%），蕨類含量略有降低（1.14%）。該孢粉組合指示萊州灣南岸在中更新世-晚全新世階段，植被類型已經(jīng)成為木本層以松屬（15.72%）、木犀科（3.98%）、落葉櫟屬（2.30%）、桑科（2.19%）及樺木屬（1.94%）等為主，草本層以藜科（20.89%）、禾本科（17.69%）和蒿屬（15.42%）為主的森林草原植被。淡水藻類數(shù)量在本階段達到整個鉆孔的最高值，共發(fā)現(xiàn)盤星藻孢子124粒，以及13粒環(huán)紋藻孢子。同時，海相溝鞭藻開始出現(xiàn)在多個樣品中，共發(fā)現(xiàn)9粒海相溝鞭藻囊孢。指示該地區(qū)在中更新世-晚全新世階段，在全球氣候持續(xù)變暖的大趨勢下，河流注入量持續(xù)增加，湖泊面積也開始擴張，同時，也受到海侵的影響，氣候變得寒冷偏干。

4.2 海相溝鞭藻化石記錄的海侵事件

溝鞭藻類絕大多數(shù)生長在海洋里，目前僅發(fā)現(xiàn)極少數(shù)淡水種，幾乎所有的海洋沉積中都會出現(xiàn)溝鞭藻類囊孢，加之其個體小，數(shù)量豐富，對環(huán)境反映靈敏，已經(jīng)成為古海洋學研究的重要手段，常用來重建河口、湖泊及微咸內(nèi)陸海等水環(huán)境，識別古海洋環(huán)境、重建古海水溫度、追蹤洋流演化歷史、恢復和重建古海岸線、揭示海侵和海退事件等，特別是在缺乏鈣質(zhì)和硅質(zhì)微體化石的情況下[38-43]，已經(jīng)成為微體古生物學發(fā)展的一個重要方向。因此，在本研究中，可以綜合HLL02鉆孔出現(xiàn)的海相溝鞭藻化石數(shù)量變化來判斷研究區(qū)的海侵與海退事件。

綜合整個HLL02鉆孔的海相化石資料，在晚上新世-中更新世（約5.3～0.7 Ma）階段，海相溝鞭藻囊孢缺失；但是，到了中更新世-晚全新世階段（約0.7～0.004 Ma），海相溝鞭藻開始出現(xiàn)在多個樣品中。指示了在該地區(qū)在晚上新世-中更新世階段，一直都是陸相沉積，沒有出現(xiàn)海侵事件。但是，到了中更新世-晚全新世階段，海相溝鞭藻記錄指示出現(xiàn)了較為明顯的海侵事件。

5 結(jié)論

綜合HLL02鉆孔的孢粉、淡水藻類及海相溝鞭藻類等的記錄，恢復和重建了晚上新世以來萊州灣南岸及其附近地區(qū)的植被演替及海平面變遷，具體如下：

（1）晚上新世-早更新世階段，該地區(qū)的植物群落主要是以蒿屬、藜科及禾本科為主的草原，氣候溫暖偏干。淡水藻類數(shù)量在整個鉆孔中最低，也指示研究區(qū)并沒有大的河流注入，或大的湖泊形成，降水量較少。

（2）早更新世-中更新世階段，該地區(qū)的植物群落開始由草原向森林草原過渡，指示了溫暖濕潤的氣候狀況。淡水藻類的種類和數(shù)量均有增加，指示萊州灣南岸及其附近地區(qū)在早更新世-中更新世期間，可能有大的河流注入，或大的湖泊形成，降水量增加，氣候變得濕潤。

（3）中更新世-晚全新世階段，該地區(qū)的植被類型已經(jīng)成為森林草原植被。淡水藻類的含量、數(shù)量均達到整個鉆孔的最高值，指示研究區(qū)的河流注入量持續(xù)增加，湖泊面積也開始擴張，氣候變得寒冷偏干。

（4）綜合海相溝鞭藻的記錄，研究區(qū)在晚上新世—中更新世階段，一直處于陸相沉積；但到了中更新世—晚全新世階段，出現(xiàn)了較為明顯的海侵事件。

由于本研究孢粉樣品數(shù)量較少，加上一些精準測年的缺失，使得一些重大的氣候事件并沒有很好的揭示出來，今后要加大孢粉樣品的高分辨率，增加測年（特別是AMS14C 測年）數(shù)據(jù)，更好更全面地將萊州灣南岸及其附近地區(qū)的古植被演替、古環(huán)境變遷揭示出來。

致謝：感謝南寧師范大學省部級重點實驗室大學生創(chuàng)新計劃項目（201910603079, 201910603089,201910603290,201910603280）對本研究的支持！